生物能源甘蔗开发利用探讨

2010-03-25赵丽萍张跃彬吴彦兰

中国糖料 2010年4期

关键词：甘蔗燃料乙醇

赵丽萍，张跃彬，吴彦兰

（云南省农业科学院甘蔗研究所/云南省甘蔗遗传改良重点实验室，开远661600）

生物能源甘蔗开发利用探讨

赵丽萍，张跃彬，吴彦兰

（云南省农业科学院甘蔗研究所/云南省甘蔗遗传改良重点实验室，开远661600）

阐述了目前国内外生物能源甘蔗的研究现状，分析了甘蔗作为生物能源的优势，提出了发展过程中应重视的问题。说明能源甘蔗作为一种新型的生物能源具有广阔的发展前景。

甘蔗；生物能源；燃料乙醇；开发与利用

环境、人口、资源是世界各国关注的三大热点话题，在这三大热点中资源问题最为重要，资源的短缺是影响人类生存、困扰社会经济发展的重要难题之一，自1993年起我国已成为石油进口国，进口量以每年13%的速度增长，2003年进口量达9112万t，约占全国石油消耗量的36%，进口依赖性的增强和世界性石油危机日益成为制约我国经济发展和外交战略的长期压力，甚至影响到国家的安全。因此，开发利用可再生能源己迫在眉睫[1]。

可再生能源是指不随其自身转化或人类开发和利用而递减的可持续供给的清洁能源，主要包括水能、风能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源[2]，其中，生物能源主要指利用淀粉质生物（如粮食、薯类）、糖料作物（甘蔗、甜菜、甜高粱等）及作物秸秆等加工成乙醇、生物柴油、生物制氢等能源产品，以此直接作为动力来源，生物能源的优势在于可再生、清洁[3]。世界上生物质能资源的数量庞大、种类繁多，其中，能源作物是目前可利用的主要的生物质之一。甘蔗因其光合能力强（C4植物）、生物产量高（鲜重产量可高达180～220t/hm2、干重52～59t/hm2），总可发酵糖量多（45～55t/hm2）[1]而显示出良好的利用优势，被认为是中国发展生物能源最有潜力的作物。因此，利用甘蔗作为生物能源具有良好的发展前景[4]。

1 国内外生物能源甘蔗发展现状

1.1 国外生物能源甘蔗发展现状

甘蔗作为能源作物是在世界能源紧缺，尤其是在石油资源将面临枯竭的严峻形势下提出的。巴西是世界产蔗和产糖大国，也是首先使用甘蔗直接生产乙醇并与一定比例汽油相混用于汽车动力燃料的国家[5]，巴西道路上行驶的80%以上的汽车都采用乙醇或汽油，或者乙醇/汽油混合物为燃料。紧随巴西之后，一些盛产甘蔗的国家，如南非、哥斯达黎加、巴拿马、美国、古巴等也都制定了发展能源甘蔗的研究开发计划及其相应政策[5]。1984年美国立法规定，凡含10%以上乙醇或甲醇的汽油将免征汽油税，目前已有22个州使用85%乙醇、15%汽油的混合燃料，仅夏威夷州每年汽油乙醇的用量就高达1.75亿L[6]；古巴年产甘蔗约300万t，可生产甘蔗乙醇2亿L，不久前与巴西签署双边技术合作协议书，开展甘蔗燃料乙醇的研发工作，预计5年内可开始使用甘蔗乙醇与汽油或柴油的混合燃料[7]；在欧洲，使用乙醇汽油的比例已呈上升之势，法国已占到34%，德国17%[6]；此外，亚洲的日本、韩国等，近年来对甘蔗乙醇汽油模式也表现出浓厚的兴趣[8]。巴西、美国、欧盟以及泰国和日本等国家相继投入了大量的人力、物力，并达到较高的规模化生产水平[8,9]。

从育种的角度看，自1974年第一次石油危机后，巴西政府就开始推广“酒精汽油”计划。巴西早在20世纪70年代就投资39.6亿美元实施“生物能源计划”，育成了SP71-6163和SP76-1143等能源甘蔗品种；美国1979年制定“URP”计划，开展了高生物量为目标的再生能源甘蔗育种，育成了H69-9103和H79-1002。80年代中期，印度和美国联合实施IACRP计划，育成了纤维质量数26.58%的高纤维品种IA3132和蔗汁蔗糖分21.65%～22.27%，且可发酵糖高，酒精发酵量达1.2万L/hm2的2个生产酒精用品种（EMS145、EMS245）10]。说明各国都非常重视能源品种研究，能源甘蔗品种是发展生物能源的核心。

1.2 国内生物能源甘蔗发展现状

中国的广西、云南、广东、福建等省（区）是甘蔗的主要种植区，能源甘蔗的研究虽然起步较晚，但发展较快，从育种方面来讲，福建农林大学甘蔗综合研究所通过自育和引进，已获得一批能源甘蔗新品种（系），已在一些甘蔗研究机构中开展[5]，如由福建农林大学联合国内一些甘蔗研究所开展的“甘蔗光合性能”的遗传分析及高光效、高生物量能源甘蔗新品系选育研究（作为国家九五甘蔗育种科技攻关研究内容），已获得一批能源甘蔗新品种。目前选育的“福农90-6652、福农94-0403、福农95-1702”等能源甘蔗新品种（系）均已通过了国家科技部的验收或进入国家区试。另外，广西甘蔗研究所也开始进行能源甘蔗新品种的选育及相关栽培技术的研究，于2005年育成一个糖能兼用甘蔗新品种桂糖22号（桂辐97-18），平均每公顷蔗茎产量为121t。云南省农科院甘蔗研究所拥有国家级种植资源苗圃，并且每年大量的采集野生资源，野生植物资源及其杂种优势的利用是选育能源甘蔗新品种的有效途径，目前已经开始此项目的研究，育种方面已取得了较大的进展。

2 发展生物能源甘蔗的优势分析

甘蔗作物适应性广，耐旱，是生长在热带和亚热带的旱地作物，在没有灌溉的土壤条件下也可以获得较高的产量，广泛适应在各种土壤类型上生长。在中国，80%种蔗的土地没有灌溉条件，许多土地不能种植其它作物，但可以种植甘蔗并获得高产。甘蔗虽然是一年生作物，但可以宿根栽培，种植一年可以宿根栽培3～5年，种植技术要求不高。

2.1 经济优势

甘蔗是C4作物，其光能转换效率、光合速率、单位面积生物产量显著高于其他作物。同时，甘蔗具有高净能比（NER，指太阳光能通过叶绿素光合作用储存能量的比例）特性（表1）[6]。据测定，甘蔗每平方分米叶片每小时同化二氧化碳为42～49mg，比普通C3植物如水稻、小麦等高约一倍以上，是利用太阳能最经济的作物之一。李松[11]等的研究分析，在中国的生产条件下，甘蔗单位面积产酒精量最高，是最有潜力的作物。印度国家糖业管理联合会主席Rao[12[6]。

2.2 环境优势

用甘蔗生产燃料乙醇的环境效益体现在5个方面：（1）代替重金属（铅和锰）和MTBE（甲基叔丁基醚）汽油添加剂；（2）甘蔗燃料乙醇是不含硫的清洁燃料，使用乙醇可以减少二氧化硫的排放，减少酸雨危害；（3）甘蔗燃料乙醇具有简单的分子结构，燃烧后可减少汽车尾气中颗粒，净化大气环境。像圣保罗那样的特大城市，由于使用燃料乙醇，大气环境相当优良；（4）减少一氧化碳和碳氢化合物的排放；（5）减少温室气体二氧化碳排放量。

2.3 技术优势

用甘蔗生产燃料乙醇，首先需要提汁，再进行浓缩、发酵、蒸馏和脱水等工艺过程。而糖厂中的蔗汁提取、浓缩的工艺和设备都是现成的，就发酵过程而论，大型甘蔗糖厂都有食用乙醇车间，其发酵原料主要是制糖过程中产生的废蜜（糖蜜），在甘蔗糖蜜生产乙醇的经验和技术上是成熟的，而用甘蔗生产燃料乙醇，其采用的原料主要是糖浆，糖浆和糖蜜同样是糖，只是含糖量不一样而已。另一方面，巴西在乙醇生产和乙醇技术的利用方面均处领先地位，我国科研工作者目前已在借鉴巴西发展能源甘蔗生产经验的基础上开展研究工作并取得了较大的进展。

2.4 区位优势

云南是甘蔗的主要种植区，近年来，由于甘蔗种植劳动强度大，经济效益低、替代经济作物等的出现，一些蔗区已经减少甘蔗的种植，在这种情况下，发展能源甘蔗也将很困难，云南毗邻东盟，具有生物质资源的区位优势。东盟中任何一个小国家的亚热带或热带面积都要比云南的大，适宜种植甘蔗的土地资源丰富。随着中国一东盟自由贸易区的逐步建立和完善，具有地多人少，经济相对滞后，但甘蔗生长自然条件优越的东盟诸国，特别是越南、老挝、缅甸，可以提供充足的能源甘蔗原料。近年来随着云南在境外替代种植力度的增大，境外甘蔗种植面积也不断扩大。通过实施走出去发展战略，在周边国家发展甘蔗原料基地。既有效地弥补了能源甘蔗不足的矛盾，又对周边国家的禁毒工作，铲除毒源，发展替代种植做出了贡献，颇受赞誉。据统计，2005年云南全省在境外甘蔗种植面积已接近0.67万hm2，实现加工产值1.2亿元，并有继续发展扩大的良好势头。

表1 几种作物的净能比及酒精生产情况

表2 几种能源植物酒精产量

3 发展生物能源甘蔗需重视的问题

3.1 实行糖—能联产，开展综合利用

能源甘蔗生产有利于甘蔗产业健康稳定发展，蔗糖价格受蔗糖供求关系的变化影响较大，尤其是1991年以来，我国改革了食糖流通体制，放开食糖市场，出现了食糖市场运行的不平稳、生产大起大落、价格大幅波动的不良局面，从而影响了食糖的正常供给。近19年来我国食糖价格出现过几次大涨大跌，价格相差最高达到3.53倍[14]，通过能源甘蔗生产，实现甘蔗产业多元化。“糖-能”联产，实行产糖与产能源的联动，根据蔗糖、汽油和乙醇价格的市场变化，灵活调整用来制糖和生产乙醇的甘蔗比例，才能避免因蔗糖供大于求而出现的蔗糖价格暴跌，进而影响甘蔗收购价格偏低的现象再次出现，使甘蔗种植面积不再单独受糖价波动影响，稳定甘蔗收购价格，避免蔗贱伤农，切实保护农民利益，调动农民种蔗的积极性[6]。

3.2 加强糖能兼用的甘蔗育种工作

发展甘蔗燃料乙醇产业首先要在甘蔗品种上进行特殊选育，与糖料甘蔗高蔗糖分、高纯度、低纤维分为选育目标相比，能源甘蔗是以高生物量、高可发酵糖含量和高纤维分为选育目标，又可分为“能源专用”和“糖能兼用”两种类型。乙醇产业不能“与人争糖、与糖争地”，所以就要考虑现有蔗区内的一些边缘土地的利用问题，这就对品种的适应性提出更高要求。通过引种或利用本地野生甘蔗资源创制新种质，最终选育能源专用或糖能兼用甘蔗新品种，一方面为燃料乙醇生产提供原料，一方面也是制糖原料的有效补充，是实现“糖-能联产经营模式的根本保障”。目前，中国在选育抗逆性强、适应性广的能源甘蔗新品种方面还相对滞后，虽然育成了几个糖能兼用的甘蔗品种，但低于世界水平，应引起重视并加强投入、研究和创新。

3.3 甘蔗能源生产工艺的研究与开发

用甘蔗原汁发酵直接生产燃料乙醇及其汽油与乙醇混配作动力燃料的有关技术，巴西的技术最为成熟。中国目前还处在起步阶段，许多相关技术和设备需要在借鉴国外技术经验的基础上并结合本国的实际进行创新，经过研究，中试后才能用于常规生产，并通过体制和管理的创新，研究出适合我国甘蔗能源发展的技术之路。目前，能源甘蔗的研发主要集中于蔗渣深发酵工艺，世界产蔗国家都在抓紧抢占这一技术的至高点，这就要求跨领域、跨行业的合作，尤其是纤维、半纤维优良发酵菌株的筛选工作就显得尤为重要。加强相关的国内外学术交流，特别是积极开展国际合作和学术交流，提高有关科技人员的学术水平，引进优良种质，夯实我国的研究基础；积极开展国内联合攻关，促进能源甘蔗科研和产业的发展。

3.4 制定相应政策，加强对能源甘蔗产业的扶持

近年来，由于甘蔗劳动强度大，环境污染、干旱等因素的影响，我国的甘蔗产量呈现减少趋势，尤其2008年，云南、广西主产蔗区遭遇60年来最严重的干旱，导致甘蔗大面积减产，同时也影响了食糖产量，蔗农的利益受到了极大的损害，在这种情况下，特别是在发展初期，需要政府的各方面的扶持，如对含酒精的燃油免征汽油税政策，保持糖、酒精价格稳定措施，放宽贷款，适当补贴等优惠条件，扶持我国甘蔗能源以及甘蔗产业的发展。

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