中國科學院國家科學圖書館成都分館〔中國科學院成都文獻情報中心〕--2024年1月PAGE1PAGE2纖維素乙醇領域國際開展態(tài)勢分析纖維素乙醇領域國際開展態(tài)勢分析中國科學院國家科學圖書館成都分館地址：四川省成都市一環(huán)路南二段16號；郵編：610041電話E-mail：地址：四川省成都市一環(huán)路南二段16號；郵編：610041電話E-mail：zx@2024年1月纖維素乙醇領域國際開展態(tài)勢分析陳云偉王春明丁陳君陳方鄧勇〔中國科學院國家科學圖書館成都分館成都610041〕摘要：2024年，開展“低碳經(jīng)濟〞成為全球共同關注的重點。以纖維素乙醇為代表的下一代先進生物燃料正在成為新世紀特別具有開展前景的新型能源。開展纖維素乙醇燃料對于解決全球能源危機，應對氣候變化具有重要意義。美國、歐盟等國家和地區(qū)積極采取措施，大力推進纖維素乙醇燃料的研發(fā)和商業(yè)化。本報告分析了國際上各國開展纖維素乙醇的相關政策、規(guī)劃與行動，總結(jié)了纖維素乙醇生物燃料的研發(fā)進展與關鍵技術，解析了美國政府的研發(fā)布局以及國際重要纖維素乙醇生產(chǎn)企業(yè)的現(xiàn)狀與特點，展示了纖維素乙醇的開展前景以及存在的問題與爭議。政策、規(guī)劃與行動：〔1〕美國從政府層面積極推動纖維素乙醇開展。政府早在2024年專門制定了“纖維素乙醇研究路線圖〞，明確規(guī)劃了纖維素乙醇的“三個五年〞開展戰(zhàn)略；2024年美國能源部和農(nóng)業(yè)部聯(lián)合推出?國家生物能源行動方案?，支持纖維素乙醇的根底研究和應用研究；2024年奧巴馬政府出臺?美國復興與再投資方案?，強調(diào)大力開展先進生物燃料；?美國清潔能源平安法案?要求美國溫室氣體排放量到2024年時，在2024年的根底上減少17%，到2050年時減少80%以上；美國能源部和農(nóng)業(yè)部通過復興方案、農(nóng)業(yè)法案、能源法案等，為纖維素乙醇工程提供或追加經(jīng)費資助，支持建設和開展生物燃料生產(chǎn)示范廠，以盡快實現(xiàn)纖維素乙醇的商業(yè)化。〔2〕加拿大政府先后出臺了?氣候變化行動方案?、?加拿大可再生燃料戰(zhàn)略?、?生物燃料生態(tài)能源方案?等方案，推進纖維素乙醇的原料種植、生產(chǎn)示范和商業(yè)化，以開展纖維素乙醇燃料?！?〕2024年歐盟在?投資開發(fā)低碳能源技術?建議中呼吁開展必要的技術以應對氣候變化，包括促使最有前途的下一代生物燃料技術商業(yè)化。未來10年歐盟將在生物能源和生物燃料方面投資約90億歐元，致力于建立適當規(guī)模的示范工廠、前商業(yè)化示范或完整的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)?！?〕2024年英國生物科學與技術理事會投資興建了6個纖維素乙醇生物燃料研究中心，將為英國的可持續(xù)生物能源行業(yè)利用非糧植物燃料替代石油提供科學支撐?！?〕日本、澳大利亞和印度也采取積極措施，開展纖維素乙醇生物燃料。如，日本成立了纖維素乙醇聯(lián)盟，共同研究和開發(fā)纖維素乙醇生產(chǎn)技術。研發(fā)進展與關鍵技術：〔1〕在纖維素原料的開發(fā)方面，各國認識到生物質(zhì)原料的應用潛力，并且開始關注生物燃料對土地利用和生態(tài)系統(tǒng)的影響，以及可能引發(fā)的各種社會和環(huán)境問題。纖維素生物質(zhì)原料的生產(chǎn)與供應面臨著生物質(zhì)資源生長習性、地理分布、收集、運輸和存貯、以及生物多樣性、氣候變化和生態(tài)環(huán)境影響的挑戰(zhàn)。該領域需要開展生物質(zhì)資源的評價、優(yōu)選、規(guī)模化種植研究與技術分析。〔2〕在纖維素原料預處理方面，主要技術難點包括如何減少糖的降解和控制抑制劑的生成，如何控制化學品、能源和水的消耗，減少廢棄物。其中氨氣爆破法將是一個頗具前景的技術?！?〕在纖維素的酶水解方面，對酶的過度依賴以及酶本錢過高已被認為是纖維素乙醇商業(yè)化生產(chǎn)的最大瓶頸，改良性研究包括提高酶的產(chǎn)量、增加混合酶的效率和實現(xiàn)高溫水解等?！?〕在纖維素水解物發(fā)酵方面，關鍵是解決纖維素水解過程中產(chǎn)生的抑制物對發(fā)酵的抑制作用以及高效利用混合糖類物質(zhì)進行發(fā)酵。統(tǒng)合生物工藝〔CBP〕等整合技術研究需要得到重視?！?〕通過對纖維素乙醇的水解生產(chǎn)技術的專利文獻分析發(fā)現(xiàn)，近兩年的專利申請數(shù)迅猛增長，這印證了對纖維素乙醇不斷提升的國際關注度。分析還發(fā)現(xiàn)，該領域?qū)＠鼉A向于集中在個別國家〔地區(qū)〕尋求保護。中國和美國已經(jīng)成為纖維素乙醇水解生產(chǎn)技術的主要專利申請受理國家。中國機構(gòu)的專利申請數(shù)也在顯著增長，中國科學院、中糧集團和首都師范大學進入全球前十。專利主題圖分析發(fā)現(xiàn)，原料的預處理以及對發(fā)酵過程所需酶及其表達體系〔如利用木糖生產(chǎn)乙醇〕的研究已經(jīng)得到越來越多的重視。研發(fā)布局：〔1〕美國能源部和農(nóng)業(yè)部是美國政府制定實施開展纖維素乙醇等下一代先進生物燃料戰(zhàn)略的重要管理機構(gòu)。為推進下一代先進生物燃料的研發(fā)，美國政府還設立了生物質(zhì)研發(fā)委員會和生物質(zhì)研發(fā)技術咨詢委員會，并成立了由農(nóng)業(yè)部、能源部、環(huán)保部共同領導的生物燃料跨機構(gòu)工作小組，負責制定全美生物燃料市場開發(fā)方案、運輸政策及進行原材料生產(chǎn)的可持續(xù)性評價。美國能源部主要通過能源效率與可再生能源辦公室統(tǒng)一協(xié)調(diào)開展生物燃料的相關研發(fā)工程，負責部署聯(lián)邦政府在能源效率與可再生能源方面研發(fā)及投資，提高能源效率與生產(chǎn)率，向市場提供清潔能源技術。能源部下屬17個國家實驗室，還先后成立了4個國家生物質(zhì)能中心，以開發(fā)新型高效的植物纖維素乙醇生產(chǎn)技術以及其他生物燃料新技術。美國農(nóng)業(yè)部主要通過農(nóng)業(yè)研究效勞局〔ARS〕協(xié)調(diào)管理生物能源的原料資源開發(fā)及原料加工與轉(zhuǎn)化技術。ARS下設4個應用研究中心和100多個實驗室，主要在生物能源與替代能源國家工程下開展生物能源領域的研發(fā)工作。為便于協(xié)調(diào)和推動生物能源的研發(fā)轉(zhuǎn)化與市場化，農(nóng)業(yè)部還牽頭成立了生物基產(chǎn)品與生物能源協(xié)調(diào)委員會，實現(xiàn)信息共享和統(tǒng)一規(guī)劃，提供政策咨詢建議。在這一管理框架下，美國能源部和農(nóng)業(yè)部相繼推動開展了大量纖維素乙醇的研發(fā)工程?！?〕報告還分析了全球重要的纖維素乙醇生產(chǎn)企業(yè)的研發(fā)狀況及特點。其中加拿大Lignol公司已經(jīng)啟動了一套以林業(yè)廢棄物木屑為原料的纖維素乙醇中試裝置，采用其特有的專利技術，實現(xiàn)了纖維素乙醇生物精煉生產(chǎn)的全過程。加拿大Iogen能源公司擁有世界上首座農(nóng)業(yè)剩余物生產(chǎn)纖維素乙醇的示范工廠，成為第一個在加油站零售纖維素乙醇混合燃料的生產(chǎn)商。美國杰能科公司推出了專為生產(chǎn)第二代生物燃料而研制的商業(yè)化纖維素酶，并與杜邦公司共同建設了纖維素乙醇中試工廠，驗證以非糧原料生產(chǎn)纖維素乙醇的高效方法。2024年該公司獲得美國化學工程學會頒發(fā)的國家可持續(xù)能源獎。開展前景與爭議：纖維素乙醇的商業(yè)化潛力取決于原料本錢及降解性、轉(zhuǎn)化本錢和效率以及產(chǎn)品收益。應加強對包括聯(lián)合生物加工、快速高溫裂解、綜合乙醇精煉廠、纖維素生物質(zhì)的替代應用在內(nèi)的新興技術的研發(fā)。得益于國家政策和工程的支撐，我國的纖維素乙醇研發(fā)工作已經(jīng)取得了較好的成績，我國機構(gòu)近年的專利申請數(shù)處于世界領先地位，在產(chǎn)業(yè)研究上也取得了可喜的成果。已有研究說明，美國的纖維素乙醇目標是可以實現(xiàn)的。然而，目前對開展纖維素乙醇也存在一些值得關注的問題與爭議。例如，對纖維素乙醇實際碳減排效果與節(jié)能環(huán)保的質(zhì)疑，對森林破壞、環(huán)境破壞、土地利用與資源競爭等問題的擔憂。此外，纖維素乙醇工業(yè)的開展還可能遇到原料供應與產(chǎn)業(yè)技術的阻礙、供求關系的影響、以及其他替代能源的競爭。關鍵詞：纖維素乙醇生物質(zhì)纖維素酶發(fā)酵水解熱化學轉(zhuǎn)化專利分析目錄TOC\o"1-4"\h\z\u1引言 12國際纖維素乙醇研究的政策、規(guī)劃與行動 12.1美國 22.1.1纖維素乙醇路線圖 32.1.2國家生物能源行動方案 42.1.3美國復興與再投資方案 52.1.4美國清潔能源與平安法案 72.1.52024年美國政府對纖維素乙醇生物燃料研發(fā)進行的其他資助方案 72.1.6美國在建的纖維素乙醇工程 72.2加拿大 82.2.1加拿大政府開展纖維素乙醇燃料的政策舉措 82.2.22024年加拿大政府出臺實施的局部鼓勵措施 92.3歐盟 102.3.1歐盟資助第二代生物燃料研究方案 102.3.2歐盟委員會投資90億歐元開展生物能源 112.4英國 112.5其他國家 122.5.1日本 122.5.2澳大利亞 122.5.3印度 123纖維素乙醇國際研究進展與關鍵技術分析 123.1纖維素生物質(zhì)原料的生產(chǎn)與供應技術 123.1.1纖維素生物質(zhì)原料的種類和特性 123.1.2纖維素生物質(zhì)原料的研究與開發(fā) 143.1.3纖維素生物質(zhì)原料生產(chǎn)與供應面臨的挑戰(zhàn) 153.2水解生產(chǎn)纖維素乙醇技術 153.2.1水解生產(chǎn)纖維素乙醇的技術開展 15〔1〕纖維素原料預處理技術現(xiàn)狀、難點及突破 16〔2〕水解技術現(xiàn)狀、難點及突破 16〔3〕發(fā)酵工藝的關鍵問題與技術難點 17〔4〕水解生產(chǎn)纖維素乙醇的經(jīng)濟性 183.2.2水解生產(chǎn)纖維素乙醇的專利分析 18〔1〕水解生產(chǎn)纖維素乙醇專利年度開展態(tài)勢 19〔2〕水解生產(chǎn)纖維素乙醇專利國際布局 20〔3〕水解生產(chǎn)纖維素乙醇專利機構(gòu)分布 22〔4〕水解生產(chǎn)纖維素乙醇專利創(chuàng)造人分布 23〔5〕水解生產(chǎn)纖維素乙醇專利引證分析 23〔6〕水解生產(chǎn)纖維素乙醇專利主題領域分布圖 263.3熱化學轉(zhuǎn)化技術 27〔1〕新技術開展與突破 27〔2〕產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與經(jīng)濟性 284研發(fā)布局 284.1美國政府機構(gòu)的研發(fā)布局 284.1.1美國能源部 28〔1〕美國能源部開展纖維素乙醇研發(fā)的總體布局 28〔2〕美國能源部在纖維素乙醇領域的研究進展 294.1.2美國農(nóng)業(yè)部 29〔1〕美國農(nóng)業(yè)部開展纖維素乙醇研發(fā)的總體布局 29〔2〕美國農(nóng)業(yè)部在纖維素乙醇領域的研究進展 304.2重要企業(yè)的研發(fā)態(tài)勢分析 324.2.1Lignol公司 32〔1〕現(xiàn)有的纖維素乙醇生產(chǎn)技術 32〔2〕研發(fā)中心及示范工廠 32〔3〕工程開發(fā) 324.2.2Iogen公司 33〔1〕現(xiàn)有的纖維素乙醇生產(chǎn)技術 33〔2〕示范工廠 33〔3〕工程開發(fā) 334.2.3Genecor公司 33〔1〕領先技術 33〔2〕纖維素酶研發(fā)重大事件 345前景與展望 345.1纖維素乙醇研發(fā)值得關注的問題與新興技術 345.2中國纖維素乙醇的開展?jié)摿?355.3針對纖維素乙醇開展的前景分析與爭議 365.3.1Sandia稱美國纖維素乙醇目標可以實現(xiàn) 365.3.2有關纖維素乙醇開展前景的爭議 37〔1〕美國海洋生物學實驗室發(fā)現(xiàn)纖維素乙醇可能帶來更多的碳排放 37〔2〕美國可再生能源聯(lián)合會擔憂森林破壞和肥料濫用 37〔3〕?科學?雜志指出聯(lián)合國和歐盟無視了森林保護與土地利用問題 37〔4〕美國環(huán)保協(xié)會首席科學家漢堡指出纖維素乙醇帶來資源競爭 37〔5〕對纖維素乙醇節(jié)能環(huán)保的質(zhì)疑 37〔6〕美國生物技術工業(yè)組織艾瑞克森指出：植物原料難以為繼 37〔7〕殼牌公司斯韋尼指出：產(chǎn)業(yè)化技術也是“攔路虎〞 37〔8〕供求關系和油價也會影響生物燃料的吸引力 38〔9〕纖維素乙醇進入市場面臨的阻力 38〔10〕其他替代能源的競爭不可無視 386參考文獻 38PAGE41引言纖維素乙醇是第二代生物燃料，是指以纖維素〔來自農(nóng)作物秸稈、林業(yè)加工廢料、甘蔗渣、柳枝稷與芒草等多年生草類植物等〕為原料生產(chǎn)的乙醇。有研究指出，每單位纖維素乙醇所產(chǎn)生的能量是其生產(chǎn)過程中所消耗能量的7.7倍，溫室氣體的排放最多可降低96％〔國際新能源網(wǎng)，2024〕。在全球面臨著能源依賴度的提高、溫室氣體排放的增加以及因國際能源市場價格波動而帶來的風險面前，世界多國紛紛開始實施新的能源戰(zhàn)略，強調(diào)開展各種可再生能源。由于生物質(zhì)是唯一能直接被用于生產(chǎn)各種替代交通運輸燃料〔特別是乙醇〕的來源，美國佛羅里達大學的森林資源專家Dwivedi教授〔2024〕認為，在多種可再生能源〔生物質(zhì)、太陽能、風能、地熱能、潮汐能等〕中，生物質(zhì)被列為首選。然而，利用糧食作物生產(chǎn)乙醇引起人們對糧食平安與環(huán)境影響的憂慮，因此大多數(shù)石油進口國家對利用纖維素生物質(zhì)為原料生產(chǎn)乙醇產(chǎn)生了濃厚的興趣，纖維素乙醇被看做是頗具前景的環(huán)境友好的新型能源。與使用玉米和大豆等糧食作為原料的第一代生物燃料相比，纖維素乙醇的最大優(yōu)勢在于防止了“道德風險〞，一旦產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，纖維素乙醇可以解決“與人爭糧〞的問題，還可以變廢為寶〔馬吉英，2024〕。最近幾年，尤其是從2024年以來，對纖維素乙醇的關注以及研發(fā)熱情在全世界范圍內(nèi)空前高漲，以美國為首的世界多國開始在政府層面上通過政策、規(guī)劃、方案和工程等形式推動纖維素乙醇的開展。例如，美國政府已經(jīng)出臺了多種政策，用于鼓勵纖維素乙醇的生產(chǎn)，?2024能源獨立與平安法案?制定的目標是到2024年每年以纖維素原料生產(chǎn)210億加侖生物燃料〔Dwivedi，2024〕。在美國政府補貼政策的鼓勵下，許多私營企業(yè)已經(jīng)開始投資纖維素乙醇的生產(chǎn)〔Dwivedi，2024〕。美國能源部的一項系統(tǒng)分析工程提出，到2030年美國將年產(chǎn)900億加侖生物燃料，其中750億加侖為纖維素乙醇〔Sandia國家實驗室，2024〕。目前，在美國已有總計達1200萬升/年的纖維素乙醇裝置投運，另有8000萬升/年的裝置在建設中〔錢伯章，2024〕。在加拿大，已有600萬升/年的纖維素乙醇能力投運。在歐洲，擁有投運纖維素乙醇裝置的國家有德國、西班牙和瑞典，有1000萬升/年的裝置在建設中〔錢伯章，2024〕。預期到2024年底，美國纖維素乙醇的年產(chǎn)量將到達4.05億加侖，主要技術將是酶水解、同時糖化發(fā)酵和氣化催化轉(zhuǎn)化三種轉(zhuǎn)化技術。迄今為止，美國政府已經(jīng)通過各種資助支持現(xiàn)有纖維素乙醇生產(chǎn)商，并認為到2024年底，纖維素乙醇生產(chǎn)將被證明具有商業(yè)化能力〔Dwivedi，2024〕。我國?可再生能源中長期開展規(guī)劃?指出，今后將不再增加以糧食為原料的燃料乙醇生產(chǎn)能力，積極開展非糧生物液體燃料。從長遠考慮，要積極開展以纖維素生物質(zhì)為原料的生物液體燃料技術。到2024年，非糧原料燃料乙醇利用量達200萬噸/年；到2024年，達1000萬噸/年〔錢伯章，朱建，2024〕。目前的纖維素乙醇轉(zhuǎn)化技術大體可被分為水解和熱化學轉(zhuǎn)化兩大類，在水解步驟中，原料中的多糖〔纖維素和半纖維素〕被降解為自由的糖分子〔葡萄糖、甘露糖、半乳糖、木糖和樹膠醛糖〕。這些自由糖分子經(jīng)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。在熱化學轉(zhuǎn)化步驟中，原料被氣化為合成氣，合成氣經(jīng)發(fā)酵或催化轉(zhuǎn)化生產(chǎn)乙醇。在水解步驟中，纖維素酶仍是纖維素乙醇商業(yè)化生產(chǎn)的最大瓶頸。本報告以纖維素乙醇為研究對象，分析世界各國最新的相關政策、規(guī)劃和行動等情況，結(jié)合專利計量分析，闡述纖維素乙醇技術的研究進展與趨勢，分析難點與突破點，對國際從事纖維素乙醇研發(fā)的重要企業(yè)進行個案分析，分析產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及開展前景，同時對美國能源部和農(nóng)業(yè)部的纖維素乙醇研發(fā)戰(zhàn)略與布局進行剖析。國際纖維素乙醇研究的政策、規(guī)劃與行動2024年，在全球氣候變暖的背景下，開展低碳經(jīng)濟成為全世界共同關注的重點。為應對全球氣候變化的嚴峻挑戰(zhàn)，各國大力推進以高能效、低排放為核心的“低碳革命〞，著力開展“低碳技術〞，紛紛把節(jié)約能源、開展清潔能源、可再生能源和新能源作為能源領域開展的戰(zhàn)略方向，出臺了一系列政策舉措。生物燃料尤其是以纖維素乙醇為代表的第二代生物燃料正在成為最富活力、最具開展前景的新興產(chǎn)業(yè)。近年來，美國、加拿大、歐盟等興旺國家和地區(qū)已經(jīng)在生物燃料領域制定了假設干政策，鼓勵本國開展纖維素乙醇的研究與生產(chǎn)。2000年以來，美國政府先后出臺了?生物質(zhì)研究法?、?生物質(zhì)技術路線圖?、?能源法2024?、?生物能源與生物基產(chǎn)品路線圖?以及?能源獨立與平安法2024?等，目的是促進開展生物燃料。2024年2月，布什總統(tǒng)發(fā)布了生物燃料指令，要求利用非糧作物生產(chǎn)纖維素乙醇，到2024年使纖維素乙醇在本錢上具有競爭力。2024年6月，美國能源部發(fā)布了?纖維素乙醇研究路線圖?，明確提出了未來三個五年階段纖維素乙醇燃料技術開展的戰(zhàn)略規(guī)劃，宣布將在研發(fā)投入、政策支持和與私人部門合作等三方面采取措施，全面推動纖維素乙醇技術的開展。2024年1月，布什在?國情咨文?中進一步提出，乙醇燃料的年使用量到2024年應到達1325億升，是2024年使用量的7倍。為了防止燃料與糧食之爭，美國政府將重點攻關纖維素乙醇技術，推動以纖維素乙醇為代表的第二代生物燃料的研發(fā)與市場化。2024年美國能源部用于開發(fā)纖維素乙醇的預算投入為9000萬美元，2024年迅速上升為2億美元。2024年12月，美國國會通過?能源獨立與平安法2024?，強制規(guī)定到2024年，可再生燃料產(chǎn)量要到達360億加侖，而且其中的60％需來自纖維素乙醇等先進生物燃料。2024年10月，美國能源部和農(nóng)業(yè)部聯(lián)合推出了?國家生物能源行動方案?，美國能源部方案在2024年劃撥10億美元用于研發(fā)纖維素類生物燃料。2024年，奧巴馬新政府又加大了對生物燃料的支持力度。2009年1月16日奧巴馬再次強調(diào)了開展可再生能源的重要性，認為如果美國現(xiàn)在就采取相關行動，將催生一個全新的產(chǎn)業(yè)，并將為美國創(chuàng)造數(shù)百萬個就業(yè)崗位。2024年1月出臺了?美國復興與再投資方案?，意圖使美國可再生能源增加一倍，通過新能源產(chǎn)業(yè)革命振興2009年1月27日，英國生物科學與技術理事會〔BBSRC〕出資2700萬英鎊建立了6個纖維素乙醇生物燃料研究中心。這些中心開展的研究包括：怎樣減少木質(zhì)素、細胞壁結(jié)構(gòu)及如何打破細胞壁、纖維素轉(zhuǎn)化為乙醇、海洋微生物以及能源作物種植等。法國也投入了1.04億美元開展纖維素乙醇研究工程，后續(xù)還將有4300萬美元的投入。2024年11月日本農(nóng)業(yè)部資助3300萬美元建設了一套日產(chǎn)量為1000升的燃料乙醇裝置，2024年又投入3800萬美元維持及擴大此示范工廠運行生產(chǎn)〔李十中，2024〕。中國?國家可再生能源中長期規(guī)劃?指出，今后不再增加以糧食為原料的燃料乙醇生產(chǎn)能力，將積極開展非糧生物液體燃料。從長遠考慮，要積極開展以纖維素生物質(zhì)為原料的生物液體燃料技術。預計到2024年，非糧原料的燃料乙醇利用量將到達200萬噸/年；到2024年，將到達1000萬噸/年。美國2024年，美國奧巴馬政府將開展纖維素乙醇等先進生物燃料作為經(jīng)濟復興的重點開展方向。?美國復興與再投資方案?以開展新能源作為投資重點。2月通過的?美國復興與再投資法案?投資總額達7870億美元，其中7.865億美元將用于加快先進生物燃料的研究和開發(fā)，提供更多的資金用于生物煉制商業(yè)規(guī)模的示范工程。2009年5月5日，奧巴馬政府通過了美國環(huán)保署提出的旨在通過使用生物燃料以減少溫室氣體排放的?規(guī)劃草案?，簽署了一項關于開展先進生物燃料的總統(tǒng)指令，并從經(jīng)濟刺激資金中撥款7.9億美元加大對先進生物燃料的研發(fā)。此舉將極大地推動美國先進生物燃料的開展，其主要內(nèi)容是逐步增加生物燃料在交通運輸行業(yè)中的消費比例以減少汽油消費量，爭取到2024年生物燃料總量到達360億加侖，其中包括150億噸的以玉米和谷物為原料的乙醇，160億加侖的纖維素乙醇以及50億加侖的其他燃料。同時，美國農(nóng)業(yè)部還受命30天內(nèi)利用“2024年農(nóng)場法〞2009年6月26日，美國眾議院通過了旨在降低美國溫室氣體排放、減少美國對外國石油依賴的?美國清潔能源平安法案?。該法案要求減少石化能源的使用，規(guī)定美國到2024年時的溫室氣體排放量要在2024年的根底上減少17%，到2050年減少80%以上。為此，美國政府將大力開展新能源，力圖在新能源領域技術實現(xiàn)下面重點介紹近幾年來美國開展纖維素乙醇新能源的重大政策與舉措。纖維素乙醇路線圖〔1〕名稱BreakingtheBiologicalBarrierstoCellulosicEthanol：AJointResearchAgenda〔2〕背景隨著生物燃料研發(fā)的蓬勃開展，開展生物能源與糧食平安之間的矛盾也進一步加劇，面對生物燃料與糧食之間的土地之爭，開展以纖維素乙醇為代表的第二代生物燃料有望為世界生物燃料行業(yè)的開展找到一條可行之路。2024年6月，美國能源部公布了一份纖維素乙醇路線圖報告：?打破纖維素乙醇的生物學障礙：聯(lián)合研究議程?，為美國可再生能源的進一步開展指明了方向。〔3〕未來15年的開展戰(zhàn)略表1美國能源部纖維素乙醇研究的“三個五年〞開展戰(zhàn)略開展目標與研究重點資源開發(fā)原料研究原料預處理發(fā)酵與回收第一個五年研究階段擴展生物質(zhì)資源根底，加強生物質(zhì)資源利用。能源植物根底研究；纖維素工藝可行性研究；探索降低本錢。開展能源植物可持續(xù)性研究。對土壤生態(tài)系統(tǒng)和養(yǎng)分的影響；能源植物模型開展；基因、規(guī)那么、能源植物子系統(tǒng)控制研究。(細胞壁組成與構(gòu)造；降解與發(fā)酵過程的關聯(lián)。)降低酶本錢。酶與木質(zhì)纖維素的相互作用；考查天然酶的品種，及根底酶的限制條件；研究木質(zhì)素和半纖維素降解酶；纖維素分解機理和路徑的基因轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。研究各類糖與纖維素的直接利用。研究高醇濃度和高糖濃度下的脅迫響應和抑制因素；監(jiān)控措施；調(diào)查天然資源品種。第二個五年技術應用階段向模塊化技術應用過渡。開展新型能源植物；簡化工藝，提高過程模塊化；應用系統(tǒng)生物學、化學和生物過程工程手段，合理設計系統(tǒng)。將植物視為系統(tǒng)研究。開展外鄉(xiāng)能源植物；研究能源植物的模式生物；提高糖含量，減少木質(zhì)素和毒性抑制成分含量；提高產(chǎn)量和土壤可持續(xù)性。提高酶的效率和專一性。擴展底物范圍；降低抑制作用；研究能源植物概念；開展診斷和操作酶與底物的相互作用的工具。開展進行酶的設計和改性的工具。五碳糖和六碳糖的共發(fā)酵。研究新型菌株和多酶體系；全面監(jiān)控工具；開展進行分析和操作的工具；測試聯(lián)合加工微生物，消除對水解物和醇的抑制性。第三個五年系統(tǒng)整合階段系統(tǒng)整合與聯(lián)合生產(chǎn)技術。經(jīng)濟價值鏈融合；生物質(zhì)能聯(lián)合生產(chǎn)系統(tǒng)；為不同地區(qū)定制技術方案；擴建增建。實現(xiàn)原料研究、原料預處理、產(chǎn)品發(fā)酵與回收過程的全面整合。為不同地區(qū)提供系統(tǒng)定制和完全聯(lián)合加工過程；能源植物成分的改良；植物工程的全套技術方案；與生物燃料系統(tǒng)相關的聯(lián)合加工過程；包括定制的降解多酶體系；微生物代謝系統(tǒng)的改造；抗脅迫與耐工藝過程的酶體系；全系統(tǒng)控制等。快速診斷與操作的全套技術方案。纖維素乙醇路線圖報告對美國未來的纖維素乙醇開展做出了全面部署，詳細闡述了纖維素乙醇研究過程中面臨的生物質(zhì)原料和功能微生物等方面的障礙和挑戰(zhàn)，并規(guī)劃了如何通過現(xiàn)代生物學手段，分階段地推進上述問題的解決。根據(jù)完成相關任務的技術成熟度，路線圖將纖維素乙醇研究戰(zhàn)略劃分為三個五年階段，并在資源開發(fā)、原料研究、原料預處理以及發(fā)酵與回收等重要環(huán)節(jié)詳細設定了每一個階段的具體開展目標與研究重點，其要點可概括列在表1中。同時，路線圖還指出，只有將復雜的工程技術與根底生物學研究結(jié)合起來，才能保證纖維素乙醇任務取得成功。系統(tǒng)生物學涉及一些新的技術，這些技術解決日益復雜的高通量分析與計算，幫助了解復雜的生物，使得預見性的知識和合理設計成為可能。多學科的團隊研究方法將加速科學進步，并加快這些科學進步轉(zhuǎn)換為新的生物精煉過程。實驗室技術和精煉廠技術的綜合，將改良技術性能，提高產(chǎn)量，降低本錢，使相關的目標能夠得以實現(xiàn)。新的技術力量與設施將促進根底研究、技術開展以及商業(yè)化的實現(xiàn)。國家生物能源行動方案〔1〕名稱NationalBioenergyActionPlan，2024〔2〕背景2024年9月，為了響應和實現(xiàn)美國政府提出的“10年20%方案〞提出的未來10年內(nèi)削減美國汽油消費量20%的目標，美國能源部與農(nóng)業(yè)部共同發(fā)布了?美國國家生物能源行動方案?，旨在進一步加速生物燃料工業(yè)的開展，促進科技研發(fā)，降低下一代纖維素生物燃料的本錢，以可持續(xù)的方式促進生物燃料工業(yè)及其供應鏈的開展?！?〕開展纖維素乙醇商業(yè)化的戰(zhàn)略美國未來15年將生物燃料產(chǎn)量擴大至年產(chǎn)量360億加侖，目前美國政府已經(jīng)采取了一系列政策和措施以幫助實現(xiàn)2024年的目標。玉米乙醇和生物柴油的開展程度能夠滿足近期和中期的市場需求，然而，要實現(xiàn)2024年目標那么需要開發(fā)先進的創(chuàng)新性纖維素乙醇生物燃料技術并將之商業(yè)化。?美國國家生物能源行動方案?說明美國將投入大量資源，開展纖維素乙醇的根底研究和應用研究，打破纖維素生物燃料的技術壁壘，實現(xiàn)具本錢效益的纖維素乙醇商業(yè)化生產(chǎn)。該行動方案將纖維素生物燃料供應鏈分成五個方面，確定了美國能源部未來要采取行動的五個關鍵行動領域，明確了采取關鍵行動的順序。美國未來推進纖維素生物燃料的五個關鍵行動領域分別為：①原料生產(chǎn)：原料生產(chǎn)包括培育生物質(zhì)資源如玉米、作物秸稈、木材剩余物等作為生物燃料生產(chǎn)的原材料。美國能源部已經(jīng)開始處理原料供應及本錢、可持續(xù)開展以及原料生產(chǎn)過程中溫室氣體的排放等問題，以解決原料供應及本錢滿足生物燃料生產(chǎn)的目標，解決增加第一代生物燃料原料生產(chǎn)對環(huán)境的影響以及與糧食、飼料、纖維素生產(chǎn)之間的平衡，統(tǒng)籌落實第二代生物燃料精煉廠的選址，開展高抗旱抗壓能力的第三代原料，提高化肥與水的利用率，改善原料的轉(zhuǎn)化率，提高原料產(chǎn)量。能源部還制定了一項整個聯(lián)邦政府長期的綜合原料研究方案，以促進加強協(xié)調(diào)與合作，充分利用信息解決當前對轉(zhuǎn)基因能源作物的監(jiān)管問題，與農(nóng)民和林業(yè)部門合作工作，引入新的作物與林業(yè)物種。②原材料物流：原材料物流運輸包括原材料收集、運輸與儲存，提供應精煉廠。美國能源部將促進合作，開發(fā)和部署物流系統(tǒng)，為目前方案建造的示范廠提供纖維素原料。要完成這一部署，與私營部門合作至關重要。③轉(zhuǎn)化：將原料轉(zhuǎn)化為液體燃料的過程。目前纖維素乙醇生產(chǎn)過于昂貴，需要進行技術突破，降低本錢，在經(jīng)濟生態(tài)可持續(xù)根底上實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。因此，美國將重點開展通過在系統(tǒng)、細胞和分子水平利用基因工程開發(fā)植物、微生物和酶，降低轉(zhuǎn)化本錢，提高產(chǎn)量；開發(fā)燃料與相關副產(chǎn)品，提高整體生產(chǎn)的經(jīng)濟性；開發(fā)利用微生物、熱化學和酶工藝生產(chǎn)纖維素乙醇的新技術，解決酶在氣相與液相中的特征與持續(xù)性問題，開發(fā)利用不同原料的轉(zhuǎn)化過程，優(yōu)化工藝條件，提高生物燃料轉(zhuǎn)化途徑的性能等。④分銷：將生物精煉廠生產(chǎn)的生物燃料分銷至各零售點，需要進行分銷根底設施建設。包括制定政策制度吸引大量建設資金；根據(jù)生物燃料的特征對現(xiàn)有分銷運輸設施進行校正或重新設計；進行生物燃料運輸儲存庫建設等。⑤使用終端：制定混合乙醇政策；掌握適當?shù)囊掖既剂匣旌媳壤档蛯Νh(huán)境的污染；開展適合高乙醇混合度燃料的設施等。實現(xiàn)纖維素乙醇商業(yè)化開展的關鍵領域的時間表如圖1所示。圖1纖維素生物燃料商業(yè)化時間表〔美國國家能源行動方案，2024〕美國復興與再投資方案〔1〕名稱AmericanRecoveryandReinvestmentPlan〔2〕背景為了應對全球金融危機，美國奧巴馬政府選擇了以開發(fā)新能源、開展低碳經(jīng)濟來重新振興美國經(jīng)濟。2024年1月，奧巴馬宣布了“美國復興與再投資方案〞，該方案以開展新能源作為投資重點，方案投入1500億美元，用3年時間使美國新能源產(chǎn)量增加1倍，到2024年將新能源發(fā)電占總能源發(fā)電的比例提高到10%，2025年，將這一比例增至25%。〔3〕能源投資要點2024年2月，美國正式出臺了?美國復興與再投資法案?，投資總額達7870億美元，其中613億美元主要用于新能源的開發(fā)和利用，包括開展高效電池、智能電網(wǎng)、碳儲存和碳捕獲以及可再生能源〔風能和太陽能等〕。在1200億美元的科技刺激基金中，可再生能源和提升能源使用效率投資就占了468億美元。美國未來10年還將投資1500億美元建立“清潔能源研發(fā)基金〞，用于太陽能、風能、生物燃料和其他清潔可替代能源工程的研發(fā)和推廣。2024年美國復興與再投資方案為新能源目標的實現(xiàn)提供了必要的資金保證，美國能源部可以使用的資金到達了380多億美元。其中將有7.865億美元用于加快先進生物燃料的研究和開發(fā)，為生物煉制商業(yè)規(guī)模的示范工程提供更多的資金。開發(fā)下一代生物燃料是美國努力擺脫進口石油依賴、解決氣候危機并在國內(nèi)創(chuàng)造數(shù)百萬就業(yè)時機的關鍵。憑借強大的資金投入、技術實力和國內(nèi)資源，美國正朝著新型綠色能源經(jīng)濟的方向開展。復興方案的這7.865億美元中，一局部用于新的投資時機，另一局部用于現(xiàn)有的工程。所有的資金統(tǒng)籌分配到以下四個主要領域：①4.8億美元用于綜合試驗規(guī)模和示范規(guī)模的生物精煉工程未來三年內(nèi)，美國能源部預計資助10～20個各種規(guī)模和用途的先進生物燃料生物煉制工程。其中用于試驗規(guī)模的工程資金上限為2500萬美元，用于示范工程的資金上限為5000萬美元。獲得資助的工程將驗證綜合生物煉制技術，包括先進的生物燃料、生物基產(chǎn)品、生物質(zhì)熱能和電能等綜合系統(tǒng)的生產(chǎn)，使私人融資的商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)可以完全套用這一技術。②1.765億美元用于商業(yè)規(guī)模的生物煉制工程政府在過去兩年中選定了多個先進生物燃料生物煉制示范或商業(yè)規(guī)模的工程給予一定的資助，1.765億美元將增加對其中幾個工程的投資，減少開發(fā)和部署新領域時可能遇到的風險。這些資金將縮短工程施工過程，提前啟開工程，加快調(diào)試過程。③1.1億美元用于關鍵工程領域的根底研究生物質(zhì)工程方案出資1.1億美元以支持研發(fā)關鍵的轉(zhuǎn)換技術、更有效的催化劑、微生物和原料等，包括：利用科學生物能源研究中心辦公室擴大可持續(xù)性資源的研究，建立一個小規(guī)模綜合試驗工廠〔2500萬美元〕；建立先進生物燃料研究聯(lián)盟，通過競爭招標，開展技術研究，改良根底設施，使先進生物燃料示范性工藝流程與之相適配〔3500萬美元〕；建立藻類生物燃料研究聯(lián)盟，通過競爭性招標，推動藻類生物燃料示范性生產(chǎn)的研究〔5000萬美元〕。④2000萬美元用于生物乙醇研究生物質(zhì)工程方案投入2000萬美元，通過競爭招標實現(xiàn)以下目標：優(yōu)化靈巧燃料型機動車，使之能使用高辛烷值的E85燃料〔85%乙醇和15%汽油的混合物〕；評估乙醇含量較高的混合燃料對常規(guī)車輛的影響；升級現(xiàn)有的燃料根底設施以符合E85燃料的要求?！?〕?美國復興與再投資法案?資助的局部工程美國能源部獲得?美國復興與再投資法案?資助方案共計367億美元的投資，用于能源效率與可再生能源研發(fā)的經(jīng)費支持達168億美元，較之2024年的17億美元，增加了近10倍。在能源效率與可再生能源應用研究、開發(fā)與部署方面的資助經(jīng)費約25億美元，而先進生物燃料工程將獲得8億美元。2009年7月22日，美國能源部和農(nóng)業(yè)部宣布將聯(lián)合撥款630萬美元用于資助基因功能的根底研究，以提高生物燃料的植物原料的性能；資助開發(fā)利用草本、木本植物以及農(nóng)業(yè)剩余物的方法，將這些物質(zhì)轉(zhuǎn)化為運輸燃料纖維素乙醇等。這一投資是奧巴馬政府在擴大國家能源組合、減少進口石油依賴方面的又一項重要舉措2009年8月31日，美國能源部宣布投入2100萬美元，資助5個選定的開發(fā)處理和提供高噸位纖維素生物燃料生產(chǎn)的生物質(zhì)原料供應系統(tǒng)的工程。被選出的工程將成為纖維素乙醇生產(chǎn)的全過程，包括原料收獲、收集、預處理、運輸、可持續(xù)生產(chǎn)以及原料存儲這一廣泛體系的設計與示范單元。其原料或原料組合包括：農(nóng)業(yè)剩余物、能源作物〔如柳枝稷、芒草、能源甘蔗、高粱、楊樹、柳樹〕、森林資源〔如森林疏伐、木屑、木材廢料和小直徑的樹木等〕、木材廢料和城市垃圾。2024年獲得?美國復興與再投資法案?資助的局部工程如表2。表2?美國復興與再投資法案?資助的局部工程時間資助部門獲得資助的機構(gòu)資助金額〔萬美元〕研發(fā)內(nèi)容2024-07農(nóng)業(yè)部和能源部美國農(nóng)業(yè)部研究中心北部平原區(qū)118.2柳枝稷冬季存活率、生長影響因素的研究美國農(nóng)業(yè)部研究中心西部區(qū)域研究中心130二穗短柄草原始植株和突變株的表型分析研究喬治亞大學120生物能源作物—芒屬植物的基因組學研究喬治亞大學70.5生物能源作物苜蓿的開發(fā)密歇根理工大學90系統(tǒng)生物學途徑研究白楊根莖的發(fā)育調(diào)控佛羅里達大學64.3木質(zhì)生物能源作物中cpq13基因?qū)μ挤峙涞恼{(diào)控機制內(nèi)布拉斯加大學林肯分校39分子生物學方法提高甜高粱氮利用率2024-08能源部GA德盧斯愛科集團500將致力于大型致密化方包〔LSB〕的研究，為高噸位生物質(zhì)原料的供應提供本錢低廉便捷的包裝方式。該工程將部署、評估并改善以作物殘留物和草本能源作物的致密結(jié)構(gòu)供應生物精煉廠工業(yè)規(guī)模的原料供應鏈。阿拉巴馬州奧本大學490將與阿拉巴馬州森林生物質(zhì)能源領先的生產(chǎn)商一起設計和示范從南部松木人工林收獲、加工和運輸木質(zhì)生物質(zhì)的一條龍高產(chǎn)系統(tǒng)。俄亥俄州FDC企業(yè)集團490主要目標在于Abengoa生物能源纖維素的生物提煉，進一步設計制造三個新的收獲和生物質(zhì)處理設備。田納西州GeneraEnergy公司490將研制一套高效率、大批量提供柳枝稷的自動化系統(tǒng)，最大限度地實現(xiàn)運輸和處理自動化。紐約州立大學錫拉丘茲環(huán)境科學與林學院130方案加強現(xiàn)有合作，開發(fā)、測試和應用單通剪切聯(lián)合收割機，聯(lián)合裝卸、運輸和存儲系統(tǒng)。美國清潔能源與平安法案2009年6月26日，美國眾議院以微弱多數(shù)通過了旨在降低美國溫室氣體排放、減少美國對外國石油依賴的?美國清潔能源平安法案〔H.R.2454,theAmericanCleanEnergyandSecurityAct，ACES〕?美國清潔能源平安法案?規(guī)定，美國溫室氣體排放量到2024年時，要在2024年的根底上減少17%，到2050年時減少80%以上。逐步提高來自風能、太陽能、生物能源等清潔能源的電力供應。預計到2030年，石油消費量至少將減少35%，化石燃料在美國能源供應中的比例將下降到79%。美國政府將大力開展新能源，實現(xiàn)新能源領域的技術突破。因此，美國政府在未來10年將投入1500億美元，資助替代能源的研究，包括纖維素乙醇燃料、混合燃料動力汽車研發(fā)等。?美國清潔能源平安法案?引入了名為“總量控制與排放交易〞的溫室氣體排放權(quán)交易機制。拍賣所得資金中每年支出150億美元用于支持新的、清潔能源的開發(fā)，投資的關鍵領域包括：根底研究、技術示范、技術的商業(yè)化應用及建立清潔市場等。2024年美國政府對纖維素乙醇生物燃料研發(fā)進行的其他資助方案2009年7月21日，美國農(nóng)業(yè)部投入5000萬美元資金，用以推動繼續(xù)生產(chǎn)和使用生物燃料。這5000萬美元來自?2024年美國農(nóng)業(yè)法案?，將推動農(nóng)業(yè)部向以下兩個方面努力：2000萬美元用于生物精煉；其余3000萬美元用于資助先進生物燃料生產(chǎn)商，鼓勵其增加生物燃料的生產(chǎn)和使用。2024年，美國農(nóng)業(yè)部還通過?2024美國農(nóng)業(yè)法案?中的“振興援助方案〞、“農(nóng)村能源方案〞和“生物質(zhì)作物援助方案〞等提供了3500萬美元經(jīng)費，其中的1500萬美元將作為2024～2024財年間的資助提供生物精煉廠，以便用可再生生物質(zhì)系統(tǒng)取代化石燃料供暖和供電。生物精煉工程貸款將用于開展第二、第三代生物燃料技術，生產(chǎn)各種可再生燃料，包括纖維素乙醇和甲烷氣體。另外，美國農(nóng)業(yè)部還準備提供3000萬美元支持合符合要求的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者，支持和擴大先進生物燃料生產(chǎn)，鼓勵生產(chǎn)新一代生物燃料。美國在建的纖維素乙醇工程美國正在開發(fā)建設的纖維素乙醇工程如表3。表3美國在建的纖維素乙醇工程〔產(chǎn)能單位：百萬加侖/年〕公司地點技術產(chǎn)能原料Abengoa內(nèi)布拉斯加州堪薩斯州11.611.6玉米秸稈、麥秸、高粱茬柳枝稷和其他生物質(zhì)AEBiofuels蒙大拿州環(huán)境溫度纖維素淀粉水解Smallscale柳枝稷、草種、稻草、玉米秸稈Bluefire加州科羅拉加州蘭卡斯特Arkenol工藝技術〔濃酸水解工藝過程〕183.1綠色廢棄物、林業(yè)廢棄物和其他城市纖維素廢棄物Californiaethanol加州布勞利55當?shù)馗收嵩麮oskata賓夕法尼亞州生物發(fā)酵技術；0.04生物質(zhì)、城市固廢、蔗渣、農(nóng)業(yè)廢棄物DuPontDaniscoCellulosicEthanolLLC田納西州酶水解技術0.25柳枝稷、玉米秸稈、玉米纖維、玉米芯Ecofin,LLC肯塔基州Alltech固態(tài)發(fā)酵工藝1.3玉米芯Flambeau威斯康辛州生物質(zhì)氣化熱化學轉(zhuǎn)化6軟木片、木材和林業(yè)廢棄物ICMInc.愛達荷州酶技術18麥稈、大麥稈、玉米秸稈、柳枝稷和稻草KLProcess懷俄明州熱機械加工1.5軟木、木材廢料包括紙張與紙板LignolInnovations/Suncor科羅拉多州生化有機法2.5木質(zhì)生物質(zhì)、農(nóng)業(yè)廢棄物、軟硬木Mascoma/NewYorkResearchandDevelopmentAuthority/NewYorkStateDepartmentofAgricultureandMarketsMascoma/MichiganEconomicDevelopmentCorporation/MichiganStateUniversity/MichiganTechnologicalUniversity紐約州密歇根州聯(lián)合生物加工技術，利用轉(zhuǎn)基因微生物分解發(fā)酵木屑540木質(zhì)纖維素生物質(zhì)包括柳枝稷、紙漿和木片NewPageCorp.(formerlyStoraEnsoNorthAmerica)威斯康辛州5.5木質(zhì)生物質(zhì)、紙廠廢棄物NewPlanetEnergy(formerlyAlico)佛羅里達州INEOS生物乙醇工藝〔氣化、發(fā)酵和蒸餾〕821100市政固廢、不可循環(huán)的廢紙、建筑廢棄物、木材廢物、能源作物PacificEthanol俄勒岡州生物氣化技術2.7麥稈、秸稈、白楊廢料POET南達科他州愛荷華州BFRAC專利技術0.0231.25玉米纖維、玉米芯、玉米桿RangeFuelsInc.佐治亞州熱化學二步法20木屑Verenium路易斯安那州福羅里達州C5和C6發(fā)酵1.436高纖維含量甘蔗ZeaChem俄勒岡州1.5白楊樹、糖、木屑〔美國可再生燃料聯(lián)盟發(fā)布的?2024乙醇展望?〕加拿大加拿大政府開展纖維素乙醇燃料的政策舉措加拿大政府為開展纖維素燃料乙醇，制定了一系列有力的公共政策和鼓勵措施，推進纖維素乙醇生物燃料原料種植、纖維素燃料乙醇示范生產(chǎn)和商業(yè)化，其中包括對燃料乙醇生產(chǎn)的政策扶持、提高公眾的關注度以及對纖維素乙醇生產(chǎn)全過程的分析與研究等。2000年10月，加拿大政府出臺了?2000氣候變化行動方案?，設立了未來燃料方案，確立了加拿大政府未來將大力增加纖維素燃料乙醇的供應和使用的目標。這項方案包括三個主要組成局部：國家生物質(zhì)乙醇方案為乙醇生產(chǎn)提供持續(xù)的貸款資助、資助提高公眾對燃料乙醇的認識以及相關的分析和研究。2024年7月，加拿大可再生燃料聯(lián)盟發(fā)布了?加拿大可再生燃料戰(zhàn)略?，聯(lián)邦政府明確指示將采取稅收調(diào)節(jié)等手段開展生物柴油與燃料乙醇，重點將投資開發(fā)纖維素乙醇及其商業(yè)化，并保證初級農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者在這一活動中獲利。2024年4月，加拿大自然資源部出臺了?生物燃料生態(tài)能源?方案，支持汽油和柴油的可再生替代品生產(chǎn)，鼓勵國內(nèi)有競爭力的可再生燃料產(chǎn)業(yè)的開展。該方案投資高達15億美元支持加拿大生物燃料生產(chǎn)，資助時間為2008年4月1日至2017年3月31日。2024年，加拿大創(chuàng)新基金會還將資助2670萬美元于加拿大29個研究所的116個工程。曼尼托巴大學獲得40萬美元，用以研究提高從農(nóng)業(yè)和林業(yè)廢料中合成生物乙醇和生物氫的效率。同時該基金會還特別支持了一個開發(fā)可再生纖維素發(fā)酵系統(tǒng)生產(chǎn)生物燃料的實驗室。此外，加拿大政府還積極開展對生物質(zhì)燃料領域根底研究的支持。2024年4月，加拿大科技部部和加拿大基因組組織聯(lián)合宣布，將支持12個基因組學和蛋白質(zhì)學研究工程，開展生物基產(chǎn)品和作物，資助強度達1.12億加元，其中由政府通過加拿大基因組組織提供5300萬加元，其余局部由國內(nèi)外的合作伙伴提供。除加拿大聯(lián)邦政府對纖維素燃料乙醇進行大力資助外，各省政府也積極開展纖維素乙醇工程，2024年4月哥倫比亞省政府宣布將提供3260多萬加元支持該省可再生能源技術工程，其商業(yè)化價值將到達約2億加元。該方案的資金來自兩個方面，其一是創(chuàng)新清潔能源基金，將提供2260萬加元用于開展多種技術的19個工程；其二是政府提供的1000萬加元將支持8項液態(tài)生物燃料工程，開發(fā)能降低溫室氣體排放量的纖維素乙醇、生物柴油和生物燃料的技術。哥倫比亞省規(guī)定，到2024年省內(nèi)使用的汽油和柴油必須包含至少5%的可再生能源量，溫室氣體的排放到2024年將降低33%。2024年加拿大政府出臺實施的局部鼓勵措施2024年加拿大聯(lián)邦政府及各省政府相繼出臺并實施了刺激乙醇生產(chǎn)的措施。其中2024年聯(lián)邦政府的生物燃料舉措與工程如表4。各省出臺并實施的燃料乙醇的鼓勵措施與工程如表5?！睠anadaasanInvestmentDestinationforBiofuels，2024〕表42024年加拿大聯(lián)邦政府出臺實施的局部相關的鼓勵措施名稱時間部門要點生物燃料生態(tài)能源(ecoENERGYforBiofuels)2024.04--2024.03加拿大自然資源部將在未來9年共投資150億加元，支持加拿大生物燃料生產(chǎn)。生態(tài)農(nóng)業(yè)生物燃料資本方案(ecoAgricultureBiofuelsCapitalInitiative,ecoABC)2024.04--2024.12加拿大農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)糧食部5年將共投資2億加元資助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者投資生物燃料工程，興建或擴建利用農(nóng)業(yè)原料生產(chǎn)生物運輸燃料的生產(chǎn)設施；幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者參與到生物燃料工業(yè)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的多樣化；有利于實現(xiàn)2024可再生生物燃料占汽油燃料總量5%、2024年占柴油燃料和加熱用油總量2%的目標。農(nóng)業(yè)機遇方案(Agri-OpportunitiesProgram)2024.01--2024.12加拿大農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)糧食部5年將共投資1.34億加元，加速新型農(nóng)業(yè)產(chǎn)品、工藝與效勞的商業(yè)化。工程側(cè)重于農(nóng)業(yè)食品、農(nóng)業(yè)或生物產(chǎn)品，刺激加拿大農(nóng)業(yè)產(chǎn)品價值鏈的市場時機，促進初級農(nóng)產(chǎn)品的需求量。下一代生物燃料基金(NextGenBiofuelsFund)加拿大可持續(xù)開展技術部促進下一代生物燃料技術的規(guī)?；褪袌龌恢С纸ㄔO符合條件的下一代可再生燃料生產(chǎn)的示范規(guī)模的設施。表5加拿大各省2024燃料乙醇鼓勵措施與方案省份名稱要點資助額與時間期限哥倫比亞省創(chuàng)新清潔能源基金解決政府確定的能源與環(huán)境領域的優(yōu)先研究方向；示范能解決能源問題的具有國際市場潛力的清潔能源技術；支持預商業(yè)化或在省內(nèi)目前未使用的商業(yè)化能源技術；示范新能源技術的商業(yè)可行性。2000萬加元，每年省內(nèi)燃油的4%稅收等卑詩省替代能源方案免除汽車燃油稅：14.5美分/升N/A〔2024-〕阿爾伯塔省生物精煉商業(yè)化市場開發(fā)方案資助生物能源工程建設、可行性與市場/技術開發(fā)2.39億加元生物能源方案中的局部〔2024-11〕阿爾伯塔省生物能源根底設施開發(fā)方案支持產(chǎn)品營銷的根底設施建設資金2.39億加元生物能源方案中的局部〔2024-11〕阿爾伯塔省生物燃料與沼氣生產(chǎn)商信貸方案基于產(chǎn)量的非歸還性與固定的貸款利率：——9加分/升〔產(chǎn)量≥1.50億升/年〕——14加分/升〔產(chǎn)量<1.50億升/年〕2.39億加元生物能源方案中的局部〔2024-11〕薩斯喀徹溫省薩省生物〔SaskBio〕乙醇工程基于產(chǎn)量和農(nóng)民社會股權(quán)投資的需歸還和可變的貸款利率：0.05-0.10加元/升或每個工程1000萬加元；高達15加分/升的分銷商付款方案8000萬加元〔2024-11〕N/A〔2024-〕曼尼托巴省乙醇資金固定的鼓勵基金的8年方案：——20加分/升〔2024&2024〕——15加分/升〔2024-2024〕——10加分/升〔2024-2024〕資助上限為1.3億升/年。2024-15年的燃氣稅收中的局部經(jīng)費安大概省安大概省乙醇增長基金基于產(chǎn)量的非歸還性與固定的貸款利率；不超過植物容量的10加分/升的利率；基于市場條件的非歸還性與固定的貸款利率；不超過年產(chǎn)量的11加分/升的利率。$5.20億加元〔2024–2024〕魁北克省稅收貸款資助18.5加分/升；最大生產(chǎn)能力1.26億升/年或10年共12億升；基于原材料價格的非歸還性與可變的貸款利率。2024-182024年加拿大政府資助的生物燃料領域的局部研發(fā)工程如表6。表62024年加拿大政府資助的生物質(zhì)燃料領域的局部工程資助機構(gòu)獲得資助的機構(gòu)資助金額〔萬加元〕研發(fā)內(nèi)容科技部與基因組織卡爾加里大學和肯考迪亞大學1360高值植物代謝物生產(chǎn)的合成生物學系統(tǒng)研究卡爾加里大學1158生物質(zhì)能的綠色生產(chǎn)及其宏基因組學研究英屬哥倫比亞大學1048向日葵基因組學研究英屬哥倫比亞大學344葡萄與酒基因組學研究阿爾伯達大學800木質(zhì)纖維素原料近期供應的基因組學預測工具開發(fā)渥太華大學541基因組學衍生價值研究曼尼托巴大學1047生物燃料及副產(chǎn)品精煉工藝的微生物基因組學研究加拿大農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)食品部1198亞麻綜合利用基因組學研究肯考迪亞大學1742生物基產(chǎn)品和生物過程的酶基因組學研究麥基爾大學459作物功能改良的功能基因組學多倫多大學1094生物基產(chǎn)品與酶的環(huán)境宏基因組學研究西安大概大學639農(nóng)業(yè)蟲害控制基因組學研究哥倫比亞省政府Lignol創(chuàng)新有限公司1497其中340萬加元將用于利用省內(nèi)本地的林業(yè)廢棄物生產(chǎn)纖維素乙醇和其他產(chǎn)品；1157萬加元的工程包括建立工序流程以及確定產(chǎn)品性能，估算出纖維素乙醇和以木質(zhì)素為原料的產(chǎn)品的試售量。NorthwindEthanol公司124建立能將50萬加侖木本生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成乙醇的示范規(guī)模的設施的纖維素燃料乙醇示范性生產(chǎn)工廠，用木質(zhì)生物資源生產(chǎn)乙醇和木質(zhì)素。PowerGlobal有限公司88資助設計和建立生物煉制廠，預計每天能將10公噸木本生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成纖維素乙醇、木質(zhì)素和木糖。聯(lián)邦政府生物燃料工程方案Permolex有限公司2350建立乙醇生產(chǎn)設施，將使用飼料級小麥為原料的生產(chǎn)設施設計成能整合面粉生產(chǎn)、麥麩加工和乙醇生產(chǎn)三個獨立的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的設施。農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)食品部黑小麥生物煉制創(chuàng)始研究網(wǎng)絡1200研究網(wǎng)絡正在開發(fā)黑小麥的新用途，比方作為乙醇生產(chǎn)原料和生物材料生產(chǎn)的來源。創(chuàng)新基金會曼尼托巴大學40研究提高從農(nóng)業(yè)和林業(yè)廢料中合成生物乙醇和生物氫的效率。歐盟歐盟資助第二代生物燃料研究方案2024年8月，歐盟資助了一項開展具環(huán)保效益的經(jīng)濟型生物燃料生產(chǎn)技術的方案——生物乙醇新型高效酶與微生物轉(zhuǎn)化纖維素生物質(zhì)方案〔NEMO〕。該方案將以新的方式把農(nóng)業(yè)與林業(yè)廢棄物〔如秸稈、木屑〕轉(zhuǎn)化為液體燃料。NEMO方案的825萬歐元預算中590萬歐元來自糧食、農(nóng)業(yè)和漁業(yè)以及歐盟第七框架方案〔FP7〕生物技術主題。NEMO方案主要側(cè)重于第二代生物燃料生產(chǎn)過程的前2個階段，即原料預處理和將纖維素轉(zhuǎn)化為簡單的糖類。該工程的主要目標是開發(fā)可以將纖維素轉(zhuǎn)化為糖的酶，使纖維素便于發(fā)酵轉(zhuǎn)化成乙醇。該方案包括研究提高糖轉(zhuǎn)化為乙醇這一過程的速度和效率的酵母菌株，對新酶與酵母進行中試，確保其在工業(yè)條件下運作良好等內(nèi)容。同時NEMO方案開發(fā)的技術也將適用于其他生物燃料和化學品生產(chǎn)。歐盟委員會投資90億歐元開展生物能源2024年10月，歐盟委員會發(fā)布了?投資開發(fā)低碳能源技術?的建議，呼吁政府機構(gòu)、企業(yè)和研究人員共同努力開展必要的技術以應對氣候變化，保障歐盟能源供應平安，并確保經(jīng)濟競爭力。生物燃料和生物能源是歐洲戰(zhàn)略能源技術方案的重要組成局部，歐盟將促使最有前途的技術具備商業(yè)成熟度，以便能夠大規(guī)模可持續(xù)生產(chǎn)先進的生物燃料和高效的生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)。預計歐洲未來10年將向能源技術研究額外投資500億歐元，意味著今后每年歐盟必須在能源技術領域投資30至80億歐元，其中未來10年在生物能源和生物燃料方面的投資總額度將到達約90億歐元。目前歐盟迫切需求建立適當規(guī)模的示范工廠、前商業(yè)化示范或完整的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。考慮到不同的地理與氣候條件和物流制約因素，歐洲需要30多個這樣的工廠。按照新可再生資源能源指令〔RESdirective〕的可持續(xù)性標準，到2024年具本錢競爭力的生物能源至少將在歐洲能源結(jié)構(gòu)中占14%，可以產(chǎn)生200多萬個工作崗位。英國2009年1月27日，英國生物科學與技術理事會〔BBSRC〕投資2700萬英鎊建立了6個纖維素乙醇生物燃料研究中心，這是英國在生物能源研究上最大的一筆公共投入。中心將為英國重要和新興的可持續(xù)生物能源行業(yè)提供科學支撐和開展，從而利用非糧植物燃料替代石油?？沙掷m(xù)生物能源中心將集中在6個產(chǎn)研合作區(qū)域，研究中心分別位于劍橋大學、鄧迪大學、約克大學和Rothamsted研究所，其中諾丁漢大學擁有2個研究中心。此外，還有7所大學和研究所參與其中，區(qū)域中心周圍的15家工業(yè)合作伙伴也出資了約700萬英鎊。生物能源中心的研究活動將圍繞著生物能源生產(chǎn)的多個不同階段展開，從擴大原料范圍到改良所用作物如通過改變植物細胞壁使其生長更為高效等，對生物能源潛在來源進行完整的經(jīng)濟和環(huán)境生命周期分析，提高非糧生物質(zhì)的產(chǎn)量和質(zhì)量，改良轉(zhuǎn)化工藝，確保整個系統(tǒng)的經(jīng)濟和社會可行性，從而使得開發(fā)利用生物能源在英國成為切實可行的解決方案。生物能源中心開展的先進生物燃料研究方案如表7。表7生物能源中心先進生物質(zhì)燃料方案方案主要內(nèi)容主導機構(gòu)參與機構(gòu)細胞壁木質(zhì)素方案改良大麥稈木質(zhì)素加工并將獲得的新知識轉(zhuǎn)而用于其它作物。方案旨在改變大麥木質(zhì)素性質(zhì)，以便更易生產(chǎn)生物能源，而不用降低作物品質(zhì)。鄧迪大學約克大學，SCRI，RERAD細胞壁糖方案開發(fā)改良植物和酶的策略，以增加生物質(zhì)分解得到的糖量。方案旨在更好地理解糖與植物細胞壁的結(jié)構(gòu)關系。通過開展這項方案，幫助遴選適宜的植物與酶，獲得最多的可轉(zhuǎn)化為生物燃料的糖類。劍橋大學紐卡斯爾大學，Novozymes木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為生物乙醇方案利用農(nóng)林業(yè)廢棄物生產(chǎn)生物燃料。方案旨在優(yōu)化植物細胞壁分解釋糖過程，以產(chǎn)生用于生產(chǎn)燃料的發(fā)酵原料；還將研究應用微生物以高效地將原料轉(zhuǎn)化為燃料。諾丁漢大學巴斯大學，薩里郡大學，BP，生物乙醇公司，BriggsofBurton，BritishSugar，CoorsBrewers，DSM，EthanolTechnology，HGCA，PursuitDynamics，SABMiller，蘇格蘭威士忌研究所海生鉆木蟲生化酶發(fā)現(xiàn)方案來自海生鉆木蟲的新生化酶，可用于將非糧生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物燃料。海生鉆木蟲的腸道內(nèi)含有能夠降解木質(zhì)原料的生化酶，方案旨在提取這種酶用于生物燃料生產(chǎn)。約克大學樸茨茅斯大學，SyngentaBiomassTraitsGroup多年生生物能源作物方案為可持續(xù)生物燃料優(yōu)化生物質(zhì)產(chǎn)量和組成。方案旨在提高速生樹木和草類的產(chǎn)量，且能將植物更多的可用碳轉(zhuǎn)化為生物燃料，并且無需增加諸如肥料的投入。Rothamsted研究所生物學、環(huán)境與農(nóng)業(yè)科學研究所〔IBERS〕，倫敦帝國學院，劍橋大學，Ceres第二代可持續(xù)、細菌生物燃料方案優(yōu)化利用非糧生物質(zhì)更高效地生產(chǎn)第二代生物燃料生物丁醇?，F(xiàn)有生物丁醇生產(chǎn)工藝中所用的微生物效率低下、產(chǎn)出無用副產(chǎn)品并且不能直接將植物細胞壁作為原料。方案旨在培育和測試新的菌株以克服上述問題。諾丁漢大學紐卡斯爾大學，TMORenewables〔科學研究動態(tài)監(jiān)測快報－先進能源科技專輯，2024〕2024年7月，英國政府宣布投資1200萬英鎊用于工業(yè)生物技術示范設施建設，以逐步建成一個綜合工業(yè)生物技術部門。此外，政府還將投入250萬英鎊支持企業(yè)利用示范設施開發(fā)和驗證新工藝。現(xiàn)有的國家工業(yè)生物技術設施為新的工業(yè)生物技術產(chǎn)品和工藝提供了測試設備，但規(guī)模尚小，新的示范設施將根據(jù)開發(fā)要求定制并測試以可再生生物質(zhì)原料生產(chǎn)乙醇、生物柴油和低本錢高附加值的化學品。預計到2024年年底，示范設施將全部投入運行。其他國家日本2024年2月，日本6家公司決定于當月底建立纖維素乙醇聯(lián)盟，以共同研究和開發(fā)具有本錢競爭優(yōu)勢的纖維素乙醇生產(chǎn)技術。該聯(lián)盟方案先新建一個年產(chǎn)2.5萬升的纖維素乙醇試驗裝置，其最終目標是在2024年前將裝置規(guī)模放大至年產(chǎn)量為20億升，生產(chǎn)本錢降至40日元/升，以使其價格能與原油價格相競爭。這6家公司為東麗工業(yè)公司、日本煉油商新日本石油公司、豐田汽車公司、三菱重工、鹿島建設和Sapporo工程公司，他們分別擁有纖維素乙醇生產(chǎn)過程中不同階段的專利技術。澳大利亞2024年，澳大利亞創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)、科學與研究部〔DIISR〕宣布將為林業(yè)產(chǎn)品公司W(wǎng)illmottForests旗下的Ethtec公司提供210萬美元用以建設纖維素乙醇試驗廠，用于研究提高纖維素乙醇產(chǎn)量的工藝。相關技術最初是由Ethtec公司與南密西西比大學、田納西河谷管理局以及新南威爾士大學合作開發(fā)的。Ethtec公司正在新南威爾士州建設總投資達1840萬美元的生物煉制試驗工廠，預計將于2024年年底完成。同時，該公司還方案于2024年初建設商業(yè)化規(guī)模工廠，并在2024年完成。印度2024年9月印度政府通過了開展生物燃料的政策。該項政策規(guī)定，到2024年，國內(nèi)汽油和柴油中必須混有20%的生物燃料，這些生物乙醇和生物柴油必須來源于非糧食作物原料，并不占用農(nóng)業(yè)用地種植。2024年，印度在孟買大學化工學院成立了首個以能源生物科學為主的研究中心，該中心將致力于降低印度對石油燃料的依賴并減少溫室氣體排放，研發(fā)有效增加單位面積的生物質(zhì)產(chǎn)出以及將非糧農(nóng)業(yè)剩余物轉(zhuǎn)化為氣體和液體生物燃料的技術。印度生物技術部已在2024年2月為該中心的建立投入了610萬美元資金，而且還將獲得400萬美元的追加投入。纖維素乙醇國際研究進展與關鍵技術分析纖維素生物質(zhì)原料的生產(chǎn)與供應技術纖維素生物質(zhì)原料的種類和特性纖維素是陸生植物細胞壁最主要的成分，占植物干重的35%～50%，是地球上分布最廣、含量最豐富的碳水化合物。據(jù)測算，地球上纖維素的年總產(chǎn)量高達2000億噸，蘊儲著巨大的生物質(zhì)能，在作為生物燃料原料方面具有非常大的潛力。纖維素的化學組成非常復雜，由多種不同的多聚糖、酚聚合物和蛋白質(zhì)組成。能夠用于制備纖維素乙醇的纖維素生物質(zhì)原料包括富含纖維素的植物〔如白楊、柳枝稷等〕、農(nóng)業(yè)剩余物〔如玉米秸、麥秸、稻草等〕、林業(yè)剩余物〔如落葉、病樹、死樹等〕以及其他各種廢棄物〔如造紙業(yè)、食品業(yè)或城市生活的固體垃圾等〕?！?〕專用能源植物纖維素類能源草本植物〔能源草〕是目前最具開展前景的生物質(zhì)資源之一，歐洲和美國把它作為首選的專用能源植物。據(jù)測算，約4.5噸的能源草干物質(zhì)可轉(zhuǎn)化約1噸的纖維素乙醇。能源草一般為禾本科多年生高大的叢生草本植物，富含纖維素和半纖維素，干物質(zhì)產(chǎn)量高；抗旱、耐瘠薄能力強，適應性廣。能源草作為生物質(zhì)能源資源，既有助于開發(fā)利用邊際土地，增加農(nóng)民收入，又有利于克服利用作物秸桿開展生物質(zhì)能源存在的生態(tài)風險和利用谷物生產(chǎn)燃料乙醇所造成的糧食和飼料原料短缺等問題，而且一次種植可長期受益，使加工設備得以充分利用，此外還可幫助減輕溫室氣體排放，起到固沙、改善土壤和綠化荒地的作用。美國自20世紀80年代起就開始關注柳枝稷作為能源植物的潛力，歐洲也對幾種主要草類開展了較多的研究，如芒屬植物〔Miscanthussp〕、草蘆〔Phalarisarundinacea〕和蘆竹〔Arundodonax〕等。當前研究最關注的尚屬柳枝稷和芒屬植物，最近研究發(fā)現(xiàn)，柳枝稷生物燃料能量是生產(chǎn)所需能量的五倍。2024年7月，美國能源部長朱棣文透露能源部正在致力于提高芒草生產(chǎn)燃料的能力。研究說明，單位面積種植的芒草生產(chǎn)的乙醇是玉米的15倍以上，但其生產(chǎn)本錢目前仍較高。能源部正在努力降低其生產(chǎn)本錢，并研究如何將作物秸稈和木材剩余物轉(zhuǎn)化為燃料。據(jù)保守估計，美國有一半的汽油可以被生物燃料取代，而生物燃料中的一半能夠從纖維素原料中生產(chǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，柳枝稷、蘆竹、荻和雜交狼尾草等能源草在我國都具有一定的種植和開發(fā)潛力。根據(jù)我國林業(yè)局編制的?全國能源林建設規(guī)劃?，我國到2024年將培育完成2億畝高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的能源林基地〔其中也包含用于生產(chǎn)生物柴油的能源植物林〕。北京草業(yè)與環(huán)境研究開展中心已篩選出適合北京地區(qū)種植的3種能源草：柳枝稷、蘆竹和荻。2024年春，該中心已經(jīng)在北京市密云、延慶、大興和昌平等地選擇具有代表性的地塊〔總計3000畝〕進行了試種植?！?〕農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品及廢棄物全世界每年會產(chǎn)生15.5億噸農(nóng)業(yè)廢棄物，包括玉米、小麥、大麥、燕麥、谷物和高粱等的秸稈，盡管這類生物質(zhì)擁有很大的應用潛力，但是有必要對其可持續(xù)性進行評估，判斷哪一類副產(chǎn)物最具可持續(xù)性。秸稈是一種用作生物燃料、具有潛力的原料，如玉米秸稈、大麥秸稈、小麥秸稈、細條蘆筍和稻谷秸稈等。秸稈分布在廣闊農(nóng)村地區(qū)，我國每年有7億噸左右的秸稈可以利用。目前各種植物纖維素生產(chǎn)乙醇的技術已經(jīng)趨于成熟，但由于農(nóng)業(yè)廢棄物原料采集本錢和運輸本錢均居高不下，轉(zhuǎn)化工藝本錢也較高，生產(chǎn)出的乙醇在價格上的競爭力仍然不強，成為制約纖維素乙醇開展的因素?！?〕林業(yè)產(chǎn)品及廢棄物短生命周期的輪伐作物頗具作為生物能源和生物燃料原料的潛力，目前世界很多地方都在興建人工林和農(nóng)業(yè)－森林系統(tǒng)，全球已有125Mha人工林，占世界森林總面積的3.5％。此類林業(yè)資源不僅對生物能源部門，而且對環(huán)境和經(jīng)濟都大有益處。盛產(chǎn)竹子的日本已開發(fā)出以竹子為原料生產(chǎn)纖維素乙醇的技術。據(jù)估算，日本竹子資源量約有9300萬噸，日本農(nóng)林水產(chǎn)省認為，如利用這些竹子制造纖維素乙醇，到2024年產(chǎn)量可達2.2億升，占日本生物乙醇產(chǎn)量的10％，可在一定程度上緩解日本的能源壓力。林業(yè)系統(tǒng)中每年產(chǎn)生的落葉、病樹、死樹等林業(yè)剩余物也能夠提供豐富的木質(zhì)纖維素。同時，廢棄木材、鋸屑等林業(yè)加工剩余物與森林廢棄物也是非常值得生物燃料行業(yè)關注的重要資源?！?〕城市與生活垃圾造紙業(yè)、食品業(yè)產(chǎn)生的廢棄物和城市固體垃圾〔MSW〕在各個國家都是一類重要的資源，如果成功整合到原料供應系統(tǒng)中，不僅可以提供常年的原料供應，也可以解決垃圾處理的難題。英國每年產(chǎn)生1Mt森林廢棄物和4.7Mt廢紙，可以把這些廢棄物納入能源植物的季節(jié)性生產(chǎn)鏈中，同時還可以與廢紙回收行業(yè)整合。不過，為了實現(xiàn)這些垃圾資源的潛能還必須克服一些障礙，例如：轉(zhuǎn)化過程需要重要的原料質(zhì)量標準，然而在實際工作中很難獲得；污染物的移除可能增加本錢；垃圾的化學成分會因時間、地點和回收水平的變化而變化；濕氣成分也是一個需要有效解決的問題；以及操作中存在健康和平安的隱患等?！?〕未來原料合成生物學〔Syntheticbiology〕是一快速開展的科學領域，通過重設生物學過程和器官而擁有生產(chǎn)新穎化學制品的潛力。在未來，合成生物學研究將在設計與改造新型能源植物品種、提高生物質(zhì)原料的產(chǎn)量和改良性狀方面發(fā)揮巨大作用。纖維素生物質(zhì)原料的研究與開發(fā)世界各國看到生物質(zhì)原料應用潛力的同時，也已開始關注生物燃料對土地利用和生態(tài)系統(tǒng)的影響，以及引發(fā)的各種社會和環(huán)境問題。生物燃料的開展將明顯影響土地利用和食品/飼料價格，然而卻只能解決很小一局部的能源供應。為了提高生物質(zhì)原料生產(chǎn)生物燃料的本錢效益，需要對生物質(zhì)種質(zhì)和耕種特性以及收獲和加工特性等進行改良性研究。?打破纖維素乙醇的生物學障礙：聯(lián)合研究議程?在纖維素生物質(zhì)原料開發(fā)方面，提出了三方面重點研究部署，包括：①開發(fā)新一代木質(zhì)纖維素能源植物，②確?？沙掷m(xù)性和環(huán)境質(zhì)量，③能源植物的模式系統(tǒng)研究。路線圖針對每項研究，分三個五年階段詳細提出了技術途徑，并設立了里程碑式的階段開展目標，如表8中所列。表8美國能源部提出的纖維素生物質(zhì)原料開發(fā)的階段開展目標重點研究技術途徑及其要點階段目標第一個五年第二個五年第三個五年1.開發(fā)新一代木質(zhì)纖維素能源植物提高生物質(zhì)的總量和總產(chǎn)率。能源植物的育種與馴化；提高生物質(zhì)品種對非生物脅迫的耐受性；了解并消除生物質(zhì)作物的不良性狀。研究影響產(chǎn)量和生物質(zhì)轉(zhuǎn)化率的關鍵性狀。對潛在生物質(zhì)作物進行基因組測序和遺傳學研究。研究和驗證針對具體性狀的高通量篩選方法。應用高通量篩選和常規(guī)及分子育種過程。研究生物能源植物的基因組成和基因表達。確定馴化基因并將其轉(zhuǎn)化到能源植物中。結(jié)合已有技術和育種手段部署優(yōu)質(zhì)生物質(zhì)生產(chǎn)；基因改良品種、雜交種及變種。2.確?？沙掷m(xù)性和環(huán)境質(zhì)量研究生物質(zhì)原料長期生產(chǎn)對土壤和環(huán)境可持續(xù)性的影響。開展生態(tài)系統(tǒng)的分析研究，包括微生物群落測序和微生物群落功能的遺傳學分析；結(jié)合對土壤的理化分析，研究土壤環(huán)境的碳排放或碳固定總量。全面分析種植生物質(zhì)原料的土壤微生物群落；對種植生物質(zhì)原料的環(huán)境進行長期研究；對土壤進行序列分析，研究土壤微生物的多樣性。研究不同的耕作方式并分析土壤中微生物群落的含碳量；研究微生物群落內(nèi)部的相互作用情況。制定生物質(zhì)生產(chǎn)管理準那么，以保護農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。3.能源植物的模式系統(tǒng)研究選擇能源植物的模式作物開展基因與遺傳學研究。選擇能源植物的模式生物，確定重要性狀和功能的控制基因；根據(jù)基因研究結(jié)果評估其他相近作物的基因功能。完成二穗短柄草〔Brachypodiumdistachyon〕的基因測序、EST定序和針對短柄和楊屬作物的分子標記確定；圍繞注解基因順序，開發(fā)具體生物機制的數(shù)據(jù)庫。利用正向和反向遺傳學等方法確定與生物質(zhì)生產(chǎn)和轉(zhuǎn)化功能相關的基因；利用這些基因研究成果改良其他能源植物。通過轉(zhuǎn)基因或標記輔助選擇等方法改良能源植物。開展能源植物與基因信息研究工程?！睻SADOE〕2024年6月，中國科學院發(fā)布了我國至2050年生物質(zhì)資源科技開展路線圖，制定了六項戰(zhàn)略路徑，以促進中國由生物質(zhì)資源大國向生物質(zhì)資源及生物經(jīng)濟強國轉(zhuǎn)變。其中關于生物質(zhì)能源的戰(zhàn)略路徑包括篩選優(yōu)質(zhì)高效的能源植物資源，建立能源植物在我國不同地域的繁育和生產(chǎn)基地；探索能源植物高效轉(zhuǎn)能和蓄能的生物學機制，開展創(chuàng)新種質(zhì)，優(yōu)化規(guī)模種植及加工生產(chǎn)體系。重點戰(zhàn)略部署的核心研究包括：①能源植物種質(zhì)的收集與種質(zhì)保存平臺建設；②能源植物種質(zhì)資源評價與新種質(zhì)創(chuàng)制；③代表性能源植物的基因組學和功能基因組學的研究；④能源植物高效轉(zhuǎn)能和蓄能的生物學機制研究；⑤能源植物的定向遺傳改良研究；⑥能源植物規(guī)?；N植關鍵技術研究；⑦能源植物規(guī)?；N植的生態(tài)效應研究。表9是路線圖報告中提出的能源植物研究與開展路線圖時間框架。表9中國科學院提出的能源植物研究與可持續(xù)利用路線圖時間框架階段目標技術途徑及其要點國家需求驅(qū)動路徑科研體系部署路徑至2024年基于能源植物資源的儲量與生態(tài)區(qū)劃的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃；核心種質(zhì)資源確實立及相關研究與產(chǎn)業(yè)的平臺/體系建設；模式基因資源和模式生物的開掘研究機生物資源開掘和可持續(xù)利用的科學根底和技術設計；有用基因的開掘效率，育種資源創(chuàng)新及新品種創(chuàng)制與自主知識產(chǎn)權(quán)的能源植物品種，提供根底生物研究和源頭材料供應保障；具有中國特色和優(yōu)勢的能源植物產(chǎn)業(yè)形成重要物種遺傳信息解析方案及信息平臺建設；重要物種育種改良方案及遺傳育種平臺建設；重要物種高效轉(zhuǎn)能和蓄能機制研究方案能源植物資源的儲量與生態(tài)區(qū)劃；能源植物資源的收集評價與數(shù)據(jù)庫；規(guī)?；N植技術、生態(tài)效應及經(jīng)濟評價至2035年實現(xiàn)我國能源植物根底研究的國際高端化，成為全球生物能源產(chǎn)業(yè)的源頭資源強國；生物資源的利用和新基因資源開掘的理論和技術設計體系；形成引領自主知識產(chǎn)權(quán)、主導世界市場的生物能源和生物基產(chǎn)品；實現(xiàn)新型生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)鏈和綜合利用均衡開展模式建立我國特有能源植物資源開掘及可持續(xù)利用的理論和技術體系；開發(fā)新物種、新種質(zhì)、新基因高新產(chǎn)業(yè)；開發(fā)我國邊際土地資源的特殊生物產(chǎn)品的規(guī)模化新興能源產(chǎn)業(yè)多學科融合以及計算機和現(xiàn)代分析技術及方法對能源植物能量富集規(guī)律機制的說明；遺傳發(fā)育機制、基因組結(jié)構(gòu)變異及特異基因和功能的形成及植物抗性的遺傳機制的說明至2050年能源植物的綜合利用體系及高附加值產(chǎn)品研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化能源植物規(guī)?；a(chǎn)模式，新興生態(tài)農(nóng)業(yè)的形成及生物質(zhì)能源及生物基產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)規(guī)?；茉粗参锬芰扛患{(diào)控的理論體系和進行定向改良技術體系的建立〔中國科學院生物質(zhì)資源領域戰(zhàn)略研究組，2024〕纖維素生物質(zhì)原料生產(chǎn)與供應面臨的挑戰(zhàn)充足、廉價和可持續(xù)的原料生產(chǎn)與供應是纖維素乙醇生產(chǎn)的必要根底和可靠保障。當前，在纖維素生物質(zhì)原料生產(chǎn)與供應方面的挑戰(zhàn)主要來自于：①野生生物質(zhì)資源的種質(zhì)特性和生長習性、地理分布不利于原料的進一步利用和轉(zhuǎn)化；②多種生物質(zhì)原料的收集、運輸和存貯利用存在難度，且本錢較高；③原料生產(chǎn)與供應對生物多樣性、氣候變化、生態(tài)環(huán)境等產(chǎn)生潛在影響的不確定性。為應對上述挑戰(zhàn)，有必要圍繞以下重要科學問題開展研究：①開展生物質(zhì)資源的評價、優(yōu)選和規(guī)?；N植研究；典型能源植物的基因與遺傳學研究；能源植物的功能基因組學和植物生理學研究；探索能源植物的定向遺傳改良研究；以提高生物質(zhì)原料的生物量，提高其抗脅迫和生物轉(zhuǎn)化性能，有效提高光合作用轉(zhuǎn)化效率。②開展生物質(zhì)原料的收集、運輸和存貯的技術經(jīng)濟分析研究；生物質(zhì)原料利用的標準化體系研究；探索生物質(zhì)原料低本錢高效處理的模式和創(chuàng)新性做法，以提高生物質(zhì)原料的可用性和經(jīng)濟性。③開展生物質(zhì)原料生產(chǎn)與供應作用于水、土壤和大氣環(huán)境的模型研究；原料生產(chǎn)與供應過程中碳排放計量和碳固定模型研究；原料生產(chǎn)與供應對土地資源、水資源和生物多樣性資源的影響和評價研究