/能源作物開發(fā)利用技術(shù)

目前世界上生物燃料乙醇發(fā)展較快，主要包括以甘蔗、甜高梁、甜菜等為原料的糖質(zhì)作物，以玉米、木薯、甘薯等為原料的淀粉質(zhì)作物,以秸稈、蔗渣等纖維素、半纖維素等為原料的三類生物燃料乙醇材料。以前兩類生物質(zhì)為原料的乙醇發(fā)酵技術(shù)為成熟技術(shù),以秸稈、蔗渣纖維生產(chǎn)乙醇的技術(shù)尚處于中試階段，產(chǎn)業(yè)化技術(shù)沒有形成.年產(chǎn)量從２000年的13９０萬(wàn)噸，增長(zhǎng)到20０5年的2９50萬(wàn)噸。其中巴西約1350萬(wàn)噸,以甘蔗為原料;美國(guó)約1２０0萬(wàn)噸，以玉米為原料。生物柴油年產(chǎn)量約20０萬(wàn)噸,主要集中在德國(guó)。

我國(guó)生物液體燃料生產(chǎn)也取得明顯進(jìn)展,全國(guó)燃料乙醇生產(chǎn)能力達(dá)到132萬(wàn)噸，已在河南等9個(gè)省的車用燃料中推廣使用乙醇汽油。同時(shí)，引進(jìn)、育成了多個(gè)優(yōu)良能源作物品種，并開展了一定規(guī)模的區(qū)域栽培試驗(yàn)和中試轉(zhuǎn)化試點(diǎn).一、甜高梁

甜高粱［Sorｇhuｍbｉcolｏｒ(Ｍoｅnch)Ｌ]，也叫蘆粟、甜秫秸、甜稈和糖高梁,屬于碳四（C4）植物，是禾本科高梁屬粒用高粱的一個(gè)變種,具有光合速率高、生長(zhǎng)快、產(chǎn)量高的特點(diǎn)。對(duì)土壤的適應(yīng)能力很強(qiáng)，pH從５．0～8．5，均能很好生長(zhǎng)。

(一)國(guó)外開發(fā)現(xiàn)狀

巴西自１9７5年、美國(guó)自19７8年就開始種植甜高粱用于生產(chǎn)酒精.２0世紀(jì)90年代，烏拉圭仿效巴西，每年種植６5萬(wàn)公頃甜高梁用于制作酒精燃料.俄羅斯、印度、日本也做了大量研究和應(yīng)用.(二）國(guó)內(nèi)研究和開發(fā)現(xiàn)狀

自20世紀(jì)70年代后期,我國(guó)陸續(xù)從國(guó)外引進(jìn)了麗歐、凱勒、雷伊等若干優(yōu)良甜高梁品種。我國(guó)科學(xué)家培育出適于我國(guó)大部分地區(qū)種植的“醇甜系列”雜交甜高梁良種,莖稈產(chǎn)量、莖稈汁液錘度、籽粒產(chǎn)量和適應(yīng)性，都達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，尤其適于鹽堿地種植。北京泰天地能源技術(shù)開發(fā)公司、清華大學(xué)等單位先后研究成功甜高粱莖稈固體和液體發(fā)酵制取乙醇技術(shù)；國(guó)內(nèi)已在黑龍江、新疆、遼寧、內(nèi)蒙古和山東等省、自治區(qū)建有多個(gè)甜高粱莖稈制取乙醇示范工程.北京綠恒益能源技術(shù)開發(fā)中心培育出“醇甜系列”雜交甜高粱早、中、晚熟優(yōu)良品種。黑龍江省四益乙醇有限公司在黑龍江樺川已建成年產(chǎn)5000噸甜高粱莖稈乙醇的示范工程.

(三）我國(guó)開發(fā)潛力分析

以新疆為例，適宜種植甜高梁的面積約５3萬(wàn)公頃,單產(chǎn)可達(dá)75噸/公頃以上，鮮秸稈總產(chǎn)430０萬(wàn)噸以上,產(chǎn)甜高粱籽粒1７萬(wàn)千克以上。河北省黃驊等市縣，適宜面積３3萬(wàn)公頃以上.

甜高梁莖稈中汁液約占8０％，榨汁糖錘度1５%一2２%，甜高粱汁中糖分與甘蔗相比，還原糖的含量較高.美國(guó)甜高梁年乙醇產(chǎn)量達(dá)610６升/公頃，而同為C４作物、號(hào)稱太陽(yáng)能最有效轉(zhuǎn)化器的甘蔗只有４6８0升／公頃。甜高梁固體發(fā)酵生產(chǎn)乙醇所產(chǎn)生的酒糟渣是牛羊的理想飼料，甜高梁稈渣可用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)紙漿。

(四)經(jīng)濟(jì)效益分析

甜高梁平均每公頃產(chǎn)鮮莖稈6０噸,籽粒4500千克.莖稈11０元／噸,籽粒1１00元／噸，每公頃可獲產(chǎn)值1１550元。甜高梁每公頃成本68８5元，純收入４665元。酒精價(jià)格5000元/噸,用玉米生產(chǎn)酒精的成本是450０元/噸以上，而用甜高梁秸稈加工酒精成本約為420０元／噸。按平均每公頃產(chǎn)６００0千克玉米計(jì),每公頃玉米生產(chǎn)酒精18０0千克;而甜高粱秸稈在傳統(tǒng)工藝條件下，每公頃可生產(chǎn)３750千克酒精。

甜高粱生產(chǎn)燃料乙醇循環(huán)利用流程見圖5-1.?二、木薯

木薯（ＭaniｈotesculeｎtaCrａｎtz），又名樹薯、木番薯，大戟科木薯屬多年生亞灌木，塊根是其主要被利用的部位，淀粉含量比其他塊根塊莖作物都要高,被稱為“淀粉之王”。木薯原產(chǎn)熱帶美洲，現(xiàn)已廣泛分布于南北緯30~之間的熱帶和部分亞熱帶地區(qū)，與馬鈴薯和甘薯并稱為世界三大薯類作物。

木薯屬于C3植物，但是其光合速率比普通C3植物高得多.在哥倫比亞國(guó)際熱帶農(nóng)業(yè)研究中心的實(shí)驗(yàn)田中，一個(gè)近似理想株型的雜種品系，獲得了28噸/公頃干塊根的產(chǎn)量，還有許多雜交品種的產(chǎn)量也超過(guò)20噸／公頃干塊根的產(chǎn)量.

木薯具有易栽培、高度耐旱、耐瘠、病害少、易管理等優(yōu)良特性，特別適宜土地貧瘠、干旱、酸性、富鋁化的丘陵山地栽種，也可在荒坡地及零星邊際土地種植或多種植物間種。

（一）國(guó)外開發(fā)現(xiàn)狀

目前,全球有90多個(gè)國(guó)家種植木薯，遍布非洲、亞洲、拉丁美洲和加勒比地區(qū),其中非洲和亞洲分別占5０％和20%。

世界木薯的主要加工產(chǎn)品是淀粉和酒精。2003年，世界鮮薯總產(chǎn)量的約6％被用來(lái)加工淀粉,木薯淀粉總產(chǎn)量30０萬(wàn)噸,淀粉主產(chǎn)國(guó)是泰國(guó)、中國(guó)和印度尼西亞。目前,世界上大量利用木薯加工酒精的國(guó)家比較少，其中產(chǎn)量較大的國(guó)家是中國(guó)和泰國(guó)。

(二）國(guó)內(nèi)研究和開發(fā)現(xiàn)狀

我國(guó)從事木薯育種和生物技術(shù)研究的科研單位有中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所、廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院亞熱帶作物研究所、中國(guó)科學(xué)院華南植物研究所等。

木薯除約３0％用作飼料外，其他70%主要是加工淀粉和酒精的原料。據(jù)廣西木薯產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)2005年統(tǒng)計(jì)，全國(guó)的木薯淀粉與酒精加工廠多達(dá)200多家，年木薯淀粉總產(chǎn)量近５0萬(wàn)噸，年木薯酒精總產(chǎn)量40多萬(wàn)噸,其中，包含了江蘇和山東等沿海省份的非木薯產(chǎn)區(qū),利用進(jìn)口木薯干片生產(chǎn)的30多萬(wàn)噸木薯酒精。

我國(guó)近幾年的木薯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展較快,據(jù)統(tǒng)計(jì),2０05年，中國(guó)木薯的總收獲面積４３.５萬(wàn)公頃，鮮薯總產(chǎn)量800萬(wàn)噸。其中，廣西和廣東占全國(guó)總收獲木薯面積的85。9%、鮮薯總產(chǎn)量的8７。9%和總產(chǎn)值的92。２％.還可以向亞熱帶中、北部擴(kuò)展,如江西、湖南、四川等的南部擴(kuò)種,最大估計(jì)可達(dá)到1５0萬(wàn)～2０0萬(wàn)公頃。

（三）經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)國(guó)內(nèi)2005年情況,按7．２噸鮮薯生產(chǎn)1．1噸酒精，7.2噸鮮薯價(jià)格為2５０0元左右，加工成本約為80０元左右,１．1噸酒精再增加10０元脫水費(fèi)，即可加工成１噸燃料酒精，總成本約為34０0元,燃料酒精的市場(chǎng)銷售價(jià)約為４００0元／噸。

木薯生產(chǎn)燃料乙醇循環(huán)利用流程如圖5-2。

三、甘蔗

甘蔗(SaccharumsinenｓeＲoｘb。）是禾本科甘蔗屬多年生植物,現(xiàn)代甘蔗栽培品種為蔗屬三元或四元種間雜交品種,具有生物遺傳多樣性、C4光合特性和生長(zhǎng)巨型性，其光合強(qiáng)度之大和生物量之高堪稱大田作物之首。普通甘蔗一般每公頃產(chǎn)量６０~90噸,而能源甘蔗可達(dá)１２０噸以上,成熟后的甘蔗糖分一般為12.5%一14%,纖維含量一般為11．５％~１2.５%。種莖無(wú)性繁殖，繁殖系數(shù)低，一般3～１0倍，一年新植，多年宿根。

甘蔗是喜溫性作物,要求年平均溫度在18~３0℃，大于1Ｏ℃的活動(dòng)積溫在65０0—800０℃范圍內(nèi),生長(zhǎng)量隨著積溫的增加而增加。13~C以下停止生長(zhǎng)或生長(zhǎng)極慢.

甘蔗分布在北緯33°至南緯３0°之間，以南北回歸線之間比較集中，主要生產(chǎn)的國(guó)家有巴西、印度、澳大利亞、古巴、泰國(guó)、中國(guó)、美國(guó)、墨西哥、南非、印度尼西亞、巴基斯坦、菲律賓等。

2000—20０4年世界甘蔗生產(chǎn)面積平均2000萬(wàn)公頃.其中世界上甘蔗種植面積最大的國(guó)家是巴西,平均５18萬(wàn)公頃;其次是印度43１萬(wàn)公頃；中國(guó)134萬(wàn)公頃位居第三。我國(guó)甘蔗主要分布在北緯24‘以南的熱帶、亞熱帶地區(qū)，包括廣西、云南、廣東、海南、福建、臺(tái)灣、四川、江西、貴州、湖南、浙江、湖北等12個(gè)省、自治區(qū)。目前，廣西、云南、廣東三個(gè)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)占全國(guó)85％，其次是海南和福建。

（一）國(guó)外開發(fā)現(xiàn)狀

２0世紀(jì)７0年代，美國(guó)植物生理學(xué)家A1exａnｄerAG教授利用甘蔗屬的S。OFFＩCIＮARＵM（高貴種)同熱帶雜草雜交，育成一種生物量達(dá)240～27０噸/公頃，總可發(fā)酵糖量達(dá)每公頃４8—55噸干重的非食用甘蔗新品種.用此種甘蔗為原料進(jìn)行燃料乙醇的中間試驗(yàn)，每公頃年產(chǎn)27１噸的能源甘蔗最終可生產(chǎn)29．6噸燃料乙醇。但是,由于全球蔗渣木質(zhì)纖維酶解糖化產(chǎn)業(yè)化技術(shù)尚未形成，該生產(chǎn)線至今未投入商業(yè)化生產(chǎn)。至２0世紀(jì)80年代，美國(guó)、巴西、印度等國(guó)科學(xué)家調(diào)整育種目標(biāo)，培育出ＲＢ72—454、ＲB85—5５3６和SP94-115等一批糖、能兼用的甘蔗新品種,支持以甘蔗為原料的糖、酒聯(lián)產(chǎn)計(jì)劃。

巴西是世界上發(fā)展甘蔗乙醇最早和最成功的國(guó)家，從197８年實(shí)行“甘蔗乙醇計(jì)劃”以來(lái),甘蔗面積從６6萬(wàn)公頃，擴(kuò)大到20０６年的６５8萬(wàn)公頃;甘蔗總產(chǎn)從０．4５億噸增加到４．５0億噸；蔗糖總產(chǎn)從４５0萬(wàn)噸增加到2500萬(wàn)噸；燃料乙醇產(chǎn)量從無(wú)增加到157億升,占世界燃料乙醇總產(chǎn)420億升的3７.４%，成為世界第一生物能源大國(guó),現(xiàn)有35０家甘蔗加工企業(yè).2００６年新建4１個(gè)甘蔗乙醇、制糖工廠，建成后可增加７０００萬(wàn)噸的甘蔗加工能力，其中2/３是生產(chǎn)燃料乙醇。與此同時(shí),巴西還在加快燃料乙醇專用管道的建設(shè)，以提高乙醇的運(yùn)輸能力。

目前，巴西甘蔗平均單產(chǎn)86～93噸／公頃,比我國(guó)高16～23噸/公頃，全國(guó)原料蔗平均蔗糖分15%以上,比我國(guó)高0．7個(gè)百分點(diǎn)(絕對(duì)值)以上。近年，由于世界油價(jià)飆升,全球?qū)σ掖夹枨蠹眲≡黾?。為此，澳大利亞、泰?guó)、印度、南非、哥倫比亞和中美洲國(guó)家紛紛學(xué)習(xí)巴西經(jīng)驗(yàn).近幾年,巴西政府還特別注重?cái)U(kuò)展新能源的海外出口市場(chǎng),已將日本、中國(guó)、俄羅斯、印度、南非和美國(guó)等列為巴西未來(lái)燃料乙醇的出口市場(chǎng)。

(二)國(guó)內(nèi)研究和開發(fā)現(xiàn)狀

在品種選育方面,“十五"期間,由福建農(nóng)林大學(xué)主持，利用遠(yuǎn)緣雜交、系譜選擇與分子標(biāo)記輔助鑒定，培育出福農(nóng)９5-1７０2、福農(nóng)9ｌ—4６21、粵糖93—1５9、粵糖94—１28、桂糖9４—1１6等一批糖、能兼用甘蔗新品種。蔗莖產(chǎn)量達(dá)９5～1２0噸/公頃，平均蔗糖分15．0%以上,最高１6。8%一１8．6%?？够ㄈ~病、抗旱甘蔗轉(zhuǎn)基因系產(chǎn)量提高20％一30%，錘度提高2-3個(gè)百分點(diǎn)（絕對(duì)值).在能源甘蔗的高效產(chǎn)業(yè)化技術(shù)和周年供應(yīng)系統(tǒng)方面也進(jìn)行大面積示范.在發(fā)酵技術(shù)方面，利用甘蔗清汁發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇技術(shù)(已獲國(guó)家發(fā)明專利）,采用雙流加連續(xù)發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行中試，結(jié)果表明，每1２噸甘蔗生產(chǎn)１噸乙醇。同時(shí)還篩選了一批耐３5℃、耐酒精濃度１5°~１7°的優(yōu)良菌株。

(三)我國(guó)開發(fā)潛力分析

甘蔗是一種適應(yīng)性廣、抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)山坡地、沙洲地和鹽堿地等邊際性土地生長(zhǎng)的高生物量、高可發(fā)酵糖量作物。我國(guó)南方桂、滇、粵、瓊等均可規(guī)?；蟹N植.其中桂中南、滇西南和粵西三個(gè)優(yōu)勢(shì)區(qū)域占全國(guó)種植面積的70％。

甘蔗糖是乙醇發(fā)酵的直接底物,比淀粉發(fā)酵乙醇節(jié)省了淀粉合成與糖化兩個(gè)耗能生化過(guò)程,應(yīng)用甘蔗生產(chǎn)乙醇能量效率最高，為玉米乙醇的5倍.在國(guó)內(nèi)每噸甘蔗乙醇的原料成本為3900元（30０元／噸,甘蔗），而玉米乙醇的原料成本則為4８０0元(１50０元/噸，玉米）.

（四）經(jīng)濟(jì)效益分析

以粵西湛江2０06/２00７生產(chǎn)季北坡蔗區(qū)1。1萬(wàn)公頃甘蔗為例,種植甘蔗農(nóng)民每公頃支出費(fèi)用按肥料費(fèi)5250元、機(jī)耕費(fèi)525元、種苗費(fèi)2２50元、收割費(fèi)4０元/噸、到廠運(yùn)輸費(fèi)10元／噸計(jì),每公頃甘蔗總支出為13650元,當(dāng)年生產(chǎn)季平均每公頃產(chǎn)量達(dá)112．5噸計(jì)，如甘蔗收購(gòu)價(jià)為28０元/噸，種甘蔗每公頃純收入17850元.

甘蔗乙醇的經(jīng)濟(jì)效益,按噸蔗價(jià)280元計(jì)，１2噸甘蔗可生產(chǎn)1噸燃料乙醇，主原料甘蔗成本３360元,其他加工車間成本、輔料成本、財(cái)務(wù)成本、折舊等費(fèi)用不超過(guò)60０元,噸燃料乙醇生產(chǎn)成本396０元，國(guó)家對(duì)企業(yè)燃料乙醇的結(jié)算價(jià)是91號(hào)汽油批發(fā)價(jià)（489０元／噸）X０。91１,約為44５４．8元／噸，盈余４94.８元.甘蔗糖酒聯(lián)產(chǎn)循環(huán)利用流程如圖5—3.

四、甘薯

甘薯［Jpomoｅabaｔatas（L）Laｍ．］是旋花科甘薯屬的一個(gè)栽培種，具蔓生習(xí)性的一年或多年生草本植物.世界上甘薯目前種植面積約900萬(wàn)公頃，90％以上種植面積集中在發(fā)展中國(guó)家。

(一）國(guó)外開發(fā)情況

２005年世界上共有113個(gè)國(guó)家栽培甘薯，亞洲栽培面積為５7８．７萬(wàn)公頃，占世界總面積的66。3％,栽培面積較大的國(guó)家有中國(guó)、越南、印度尼西亞等。非洲栽培面積為２５3．５萬(wàn)公頃，占世界總面積的２9.0％。

我國(guó)占有世界甘薯85%產(chǎn)量,國(guó)外種植面積較小，尚未有主要選用甘薯作為能源原料作物的國(guó)家。日本霧島酒業(yè)株式會(huì)社為日本最著名的造酒企業(yè)，其原料大部分選用甘薯，年產(chǎn)值達(dá)23億日元.

（二)國(guó)內(nèi)研究和開發(fā)現(xiàn)狀

徐州甘薯研究中心現(xiàn)已培育成能源乙醇專用品種徐薯２２.中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所承擔(dān)的“甘薯高效低能耗貯存技術(shù)與高效燃料乙醇轉(zhuǎn)化技術(shù)研究”，掌握了高效、低能耗的甘薯淀粉貯藏技術(shù);通過(guò)對(duì)已有的酵母菌株的選育與改造，獲得高濃度乙醇發(fā)酵酵母菌株，并通過(guò)代謝控制研究開發(fā)出高濃度乙醇發(fā)酵技術(shù)。

甘薯可提供較富裕原料的主產(chǎn)區(qū)劃為兩個(gè)大區(qū):蘇、魯、皖、豫中原地區(qū),湘、鄂、川、渝西南地區(qū)。

甘薯產(chǎn)量高。我國(guó)甘薯每公頃平均產(chǎn)量21．５噸。據(jù)河南南陽(yáng)天冠集團(tuán)資料，2．8～2。９噸甘薯干可生產(chǎn)1噸乙醇，而玉米生產(chǎn)同樣數(shù)量的乙醇需要3。2噸。

（三）經(jīng)濟(jì)效益分析

每公頃約需種苗９00元,肥料４50元，基本不施用農(nóng)藥,投工７5個(gè)合計(jì)１800元,其他３０0元,合計(jì)３45０元。以