【正文】 （二）生物能源是保障國家能源安全，推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的迫切需要 表 1所示為 20xx?20xx年 10年內(nèi)我國石油消費(fèi)結(jié)構(gòu)?？梢婋S著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，石油消費(fèi)總量不斷增加，而國內(nèi)石油生產(chǎn)只能維持在 ，供需矛盾特別突出，從 20xx年開始，我國進(jìn)口石油的比例已經(jīng)超過 50%。 表 1： 20xx?20xx 年我國石油消費(fèi)與進(jìn)口情況統(tǒng)計(jì)（單位：億噸） 年份 石油消費(fèi) 20xx 20xx 20xx 20xx 20xx 20xx 20xx 20xx 20xx 20xx 總 量 國內(nèi)產(chǎn)量 進(jìn) 口 量 進(jìn)口比例（ %） 發(fā)展生物能源，逐步減輕對(duì)進(jìn)口石油的依賴程度，已經(jīng)成為國家 5 能源安全及經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大需求！ （三）發(fā)展生物能源是保護(hù)生態(tài)環(huán)境，建設(shè)低碳經(jīng)濟(jì)的迫切需要 據(jù) 20xx年國際能源署（ International Energy Agency, IEA）發(fā)布的《燃料燃燒二氧化碳排放 20xx》（ CO2 Emissions from Fuel Combustion, 20xx Edition）， 20xx年中國 CO2總 排放量為 60億噸，主要來自能源生產(chǎn)與消費(fèi)，占全球排放的 21%，超過美國成為世界上 CO2排放第一大國。 20xx年 11月 25日國務(wù)院召開常務(wù)工作會(huì)議，研究部署應(yīng)對(duì)氣候變化工作，決定到 2020年我國控制溫室氣體排放的行動(dòng)目標(biāo)：單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比 20xx 年下降 40?45%。由于全球溫室氣體總量的 60%以上來自能源生產(chǎn)和消費(fèi)領(lǐng)域，而生物能源產(chǎn)品具有碳排放中性的特點(diǎn) ,其生產(chǎn)和消費(fèi)中產(chǎn)生的 CO2釋放到大氣環(huán)境中后，可 以被植物光合作用吸收，不會(huì)導(dǎo)致大氣環(huán)境 CO2的凈增加，是實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排目標(biāo)的根本出路！ （四）發(fā)展生物能源是調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)農(nóng)民增收的迫切需要 生物能源生產(chǎn)原料主要來自農(nóng)業(yè)，發(fā)展生物能源，可以轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)種植業(yè)“糧經(jīng)飼”三元結(jié)構(gòu)為“糧經(jīng)飼能”四元結(jié)構(gòu)，為農(nóng)村開辟新興產(chǎn)業(yè)，有效延長農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，提高農(nóng)產(chǎn)品附加值，增加農(nóng)村就業(yè)機(jī)會(huì)，增加農(nóng)民收入。以纖維素乙醇為例， 7 噸秸稈就可以生產(chǎn) 1 噸乙醇，按年產(chǎn) 500萬噸纖維素乙醇計(jì)算，則需要秸稈約 3500萬噸，平均每噸秸稈的價(jià)格在 300左右，僅此一項(xiàng)就可為農(nóng)民增收 100億元以上。 6 三、 項(xiàng)目相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)基礎(chǔ)和相關(guān)發(fā)展趨勢 生物能源包括生物燃料、生物燃?xì)夂蜕餁淠?，生物燃料主要指燃料乙醇和生物柴油，由于以丁醇為代表的長鏈醇 作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的性能優(yōu)于燃料乙醇，被認(rèn)為是具有發(fā)展前景的第二代生物燃料。 目前國內(nèi)外燃料乙醇主要以糖質(zhì)和淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)，即第一代燃料乙醇，其大規(guī)模發(fā)展一方面會(huì)影響糧食安全，另一方面擴(kuò)大原料種植面積會(huì)破壞生態(tài)多樣性。利用以秸稈為代表的木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)生產(chǎn)的纖維素乙醇，被稱為第二代燃料乙醇，但木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)加工轉(zhuǎn)化難的問題十分突出。基于能夠在不適宜于糧食作物生長的邊際土地上種植，生物量產(chǎn)量高且易于加工轉(zhuǎn)化的原料如甜高粱莖稈和菊芋塊莖等生產(chǎn)的燃料乙醇，被稱為 代燃料乙醇。 （一）研發(fā)基礎(chǔ) 淀粉質(zhì)原料 燃料乙醇技術(shù) 我國“十五”期間試點(diǎn)建設(shè)大型燃料乙醇裝置，目前已經(jīng)形成了總量 172 萬噸的燃料乙醇生產(chǎn)能力，不僅積累了發(fā)展燃料乙醇這一最主要生物能源產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)，而且乙醇發(fā)酵關(guān)鍵技術(shù)和大型裝置建設(shè)的工程化技術(shù)都取得了重大突破。 淀粉質(zhì)原料高濃度乙醇發(fā)酵技術(shù)取得突破 ：在我國發(fā)展燃料乙醇之前，乙醇發(fā)酵行業(yè)發(fā)酵終點(diǎn)乙醇體積比濃度一般在 8?10%，不僅發(fā)酵醪精餾能耗高，而且噸乙醇生產(chǎn)排放的廢糟液高達(dá) 12?15 噸，廢糟液處理設(shè)備投資大，運(yùn)行能耗高的問題更突出。在國家“十五”重點(diǎn)科技攻關(guān) 項(xiàng)目“生物能源生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)”和工業(yè)界的 共同支持下，大 7 連理工大學(xué)、江南大學(xué)和廣西科學(xué)院等單位開展了高 濃度乙醇發(fā)酵的研究工作，取得了突破性進(jìn)展，目前我國乙醇發(fā)酵技術(shù)發(fā)酵終點(diǎn)乙醇體積比濃度已經(jīng)達(dá)到 15%以上，工業(yè)生產(chǎn)裝置連續(xù)發(fā)酵乙醇體積比濃度已經(jīng)提高到 12?13%，燃料乙醇生產(chǎn)的能耗顯著降低。 高溫乙醇發(fā)酵技術(shù)進(jìn)一步降低燃料乙醇能耗： 酵母乙醇發(fā)酵一般在 30?32?C 下進(jìn)行，而循環(huán)冷卻水在夏季高溫季節(jié)無法達(dá)到冷卻發(fā)酵裝置需要的溫度，燃料乙醇裝置只能采用投資大且運(yùn)行能耗高的制冷系統(tǒng)制備低溫水來保持正常運(yùn)行，高溫發(fā)酵是解決這一問題的唯一選擇，目前國內(nèi)幾套大 型燃料乙醇裝置的發(fā)酵溫度已經(jīng)提高到 34?以上。 纖維素乙醇技術(shù) 與歐美等發(fā)達(dá)國家相比，我國這一領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)開發(fā)工作起步較晚。 20xx年國家 973計(jì)劃立項(xiàng)支持了“ 秸稈資源高值化關(guān)鍵過程的基礎(chǔ)研究 ”，由中科院過程工程研究所聯(lián)合山東大學(xué)、中科院微生物所和清華大學(xué)等單位承擔(dān)， 圍繞秸稈組分分離機(jī)制及其反應(yīng)性、纖維素氫鍵網(wǎng)絡(luò)破裂和短纖維形成機(jī)制及秸稈分級(jí)轉(zhuǎn)化過程工程基礎(chǔ)理論等關(guān)鍵科學(xué)問題開展研究，取得的進(jìn)展為秸稈類生物質(zhì)預(yù)處理和綜合利用技術(shù)的開發(fā)奠定了良好基礎(chǔ)。 20xx年 中科院知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目“ 纖 維素乙醇高溫發(fā)酵和生物煉制 ”啟動(dòng)，經(jīng)過二年多的努力，在 原料預(yù)處理、纖維素酶生產(chǎn)菌株篩選及液體深層發(fā)酵、混合糖發(fā)酵菌株構(gòu)建、技術(shù)集成與系統(tǒng)優(yōu)化等 方面都取得了較好研究進(jìn)展。與此同時(shí)，浙江大學(xué)等單位在國家 863項(xiàng)目支持下，真菌纖維素酶技術(shù)開發(fā)取得突破性進(jìn)展 ，在 50噸規(guī)模發(fā) 8 酵罐中，標(biāo)準(zhǔn)濾紙酶活達(dá)到 80 IU/ml以上，其技術(shù)指標(biāo)與國外兩大酶制劑公司 諾維信（ Novozymes）和杰能科（ Genencor）的水平接近 。 代燃料乙醇技術(shù) 我國有大量不適宜于糧食作物生長的鹽堿地和荒漠地，種植抗逆性強(qiáng)，生物量產(chǎn)量高 ，易于加工轉(zhuǎn)化的作物如菊芋和甜高粱等，可以促使燃料乙醇產(chǎn)業(yè)向原料多元化方向發(fā)展。 “十一五”期間，大連理工大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)等單位開展了以菊芋塊莖為原料生產(chǎn)燃料乙醇的研究，選育了具有菊粉酶生產(chǎn)能力且乙醇發(fā)酵性能良好的克魯維酵母 ，開發(fā)了集產(chǎn)酶、糖化及乙醇發(fā)酵為一體的創(chuàng)新技術(shù)，目前利用大慶周邊大量鹽堿地的菊芋規(guī)模化種植及加工園區(qū)已經(jīng)建立，為菊芋塊莖生產(chǎn)燃料乙醇，創(chuàng)造了良好條件。 甜高粱被公認(rèn)為是光和效率高的能源作物，在國家“十一五”科技支撐項(xiàng)目的支持下，清華大學(xué)等單位開發(fā)了基于先進(jìn)固體發(fā)酵技術(shù)的甜高粱莖稈一步法生物 加工生產(chǎn)乙醇創(chuàng)新技術(shù) ，解決了其工程放大問題，建立了 127 M3規(guī)模的高效固體發(fā)酵反應(yīng)器。 生物柴油技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化 針對(duì)我國生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨油脂資源匱乏的實(shí)際情況， 北京化工大學(xué)和中科院大連化學(xué)物理研究所等單位開展了利用微生物油脂的研究工作，篩選獲得了富油微生物菌株，可利用淀粉和味精等行業(yè)廢水、 秸稈水解液 、 菊芋汁 等廉價(jià)廣譜原料發(fā)酵生產(chǎn)微生物油脂， 20xx年 10 月通過了由中國石油化工協(xié)會(huì)組織的成果鑒定，鑒定意見為：“以含糖廢水生產(chǎn)油脂的中試裝置，總體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平”。 9 微藻光自養(yǎng)合成油脂可望成為生 物柴油生產(chǎn)新的油脂來源，已經(jīng)成為能源生物技術(shù)開發(fā)的前沿。華東理工大學(xué)等單位近年來先后開展了這一領(lǐng)域的研究工作，取得了良好進(jìn)展。 篩選 獲得了 優(yōu)質(zhì) 藻種，油脂含量可以達(dá)到干重的 60%，開發(fā)了適宜于微藻高密度培養(yǎng)的 光反 應(yīng)器 ，解決了反應(yīng)器的工程放大問題 ，在 微藻 的 低能耗采收 ， 油脂高效分離 ，藻渣深加工等方面也開展了卓有成效的研究工作。 在酶法生物柴油制備技術(shù)方面，北京化工大學(xué)、清華大學(xué)和四川大學(xué)等單位開展了大量的研究工作，開發(fā)了適合脂肪酸酯生產(chǎn)的專一假絲酵母脂肪酶，該酶是一種新脂肪酶，目前已在基因庫中登記(ABG81956)，并獲國家發(fā)明專利（專利號(hào)： ZL ），完成了生物柴油用脂肪酶的生產(chǎn)，該脂肪酶是目前國內(nèi)外用于酯化合成性價(jià)比最好的脂肪酶，開發(fā)了新型酶膜反應(yīng)器及酶的固定化方法，成功地用于生物柴油的酶法合成，該成果 20xx年獲得中國石油化工協(xié)會(huì)技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)， 20xx 年獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。 針對(duì)傳統(tǒng)生物酶法工藝的瓶頸問題，清華大學(xué)提出了利用新型有機(jī)介質(zhì)體系進(jìn)行酶促油脂原料和甲醇進(jìn)行生物柴油制備新工藝，從根本上解除了傳統(tǒng)工藝中反應(yīng)物甲醇及副產(chǎn)物甘油對(duì)酶反應(yīng)活性及穩(wěn)定性的負(fù)面影響，使酶的使用壽命延 長了數(shù)十倍。該項(xiàng)目于 20xx年通過了教育部科技成果鑒定，經(jīng)中石化石油化工科學(xué)研究院檢測，制備的生物柴油，其品質(zhì)達(dá)到了歐盟生物柴油和美國生物柴油標(biāo)準(zhǔn)。 生物柴油生產(chǎn)過程副產(chǎn) 10%左右的甘油，將其高值化利用生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品不僅可以降低生物柴油的生產(chǎn)成本，而且能夠減少廢水處 10 理的費(fèi)用。清華大學(xué)和大連理工大學(xué)等單位將甘油生物轉(zhuǎn)化為聚酯原料 1， 3丙二醇，開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生物柴油與 1， 3丙二醇聯(lián)產(chǎn)技術(shù)及 1， 3丙二醇發(fā)酵與分離耦合節(jié)能減排技術(shù)。 生物燃?xì)猓ㄕ託猓? 生物燃?xì)庖卜Q沼氣，截至 到 20xx年底，我國 年產(chǎn)沼氣已達(dá) 120億M3，一批科研院所和大專院校如中科院成都生物研究所、農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所和中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 等都長期從事這一領(lǐng)域研究工作，在產(chǎn)甲烷菌群分離與鑒定、發(fā)酵工藝及產(chǎn)氣調(diào)控、發(fā)酵過程種群動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測、干發(fā)酵技術(shù)、大中型沼氣工程等方面都取得了良好進(jìn)展 。 在潔凈生物燃?xì)饧夹g(shù)開發(fā)方面，中科院成都生物所與德國 BEB 公司合作，共同完成聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織示范項(xiàng)目“坦桑尼亞劍麻廢液產(chǎn)沼氣發(fā)電工程”和“古巴哈瓦那市 2030 萬戶家庭有機(jī)垃圾沼氣發(fā)電工程”，這兩個(gè)工程均為高濃度全混式連續(xù)發(fā)酵工藝，綜合了生物脫硫 和 多級(jí)生 物調(diào)控等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。中科院過程工程研究所 在氣體脫硫凈化方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了膜吸收脫硫關(guān)鍵技術(shù)，在天然氣脫硫中的應(yīng)用，可以將總硫和硫化氫分別脫除到 ，同時(shí)通過對(duì)脫硫機(jī)理的分析，針對(duì)精脫硫劑的壽命問題，開發(fā)了有效的再生手段，使脫硫劑的壽命顯著延長。 “十一五”期間，“新型高效規(guī)?；託夤こ獭弊鳛閲铱萍贾斡?jì)劃重大項(xiàng)目獲得支持，研究開發(fā)了“產(chǎn)甲烷菌劑”和“產(chǎn)沼氣促進(jìn)劑”等相關(guān)功能劑，提高了沼氣裝置的產(chǎn)氣率，縮短了啟動(dòng)時(shí)間。 11 長鏈醇生物燃料 近年來，針對(duì)丁醇作為生物燃料對(duì)成本降低的特殊 要求，中科院微生物所和上海植物生理研究所等單位，在國家 973 項(xiàng)目和中科院知識(shí)創(chuàng)新工程項(xiàng)目的支持下，開展了丙丁梭菌的遺傳改造工作，獲得了能夠耐受約 20 g/L丁醇濃度且溶劑合成能力提高的突變株，通過基因組重測、比較基因組學(xué)和比較蛋白質(zhì)組分析，解析了與溶劑耐受、丁醇生物合成相關(guān)的重要分子基礎(chǔ)和脅迫耐受性機(jī)制，構(gòu)建了數(shù)株性能優(yōu)化的基因工程菌，其中丙酮途徑缺失的突變株，發(fā)酵總?cè)軇┲卸〈急壤岣?1520%，對(duì)葡萄糖的收率達(dá)到 40%。與此同時(shí)，中科院大連化學(xué)物理研究所和大連理工大學(xué)等單位利用木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)水解液和 菊芋汁水解液生產(chǎn)丁醇的研究也取得 了良好 進(jìn)展。 在異丁醇和異戊醇生物制造方面，中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所在大腸桿菌中成功克隆表達(dá)了異戊醇和異丁醇合成途徑關(guān)鍵酶： 2酮基酸脫羧酶和醇脫氫酶基因，通過敲除大腸桿菌中其他丙酮酸競爭途徑，提高了異戊醇和異丁醇的合成產(chǎn)率；利用適應(yīng)進(jìn)化技術(shù)篩選出異戊醇耐受性顯著提高的突變菌株，其異戊醇耐受性從 3 g/L 提高到6 g/L；雙向蛋白質(zhì)電泳分析發(fā)現(xiàn)在高異戊醇耐受性菌株中有超過 20個(gè)蛋白發(fā)生了上調(diào)或下調(diào)的表達(dá)變化；在大腸桿菌中成功組裝出異丁醇和異戊醇的整條合成途徑，構(gòu)建出初級(jí)異 丁醇和異戊醇細(xì)胞工廠。 2,3丁二醇是另 一種 潛在 燃料 ，大連理工大學(xué)以秸稈水解液和菊芋水解糖為 底物，發(fā)酵法生產(chǎn) 2,3丁二醇，發(fā)酵終點(diǎn)產(chǎn)物濃度可以達(dá)到 80 g/L 以上，為 2,3丁二醇生物燃料發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。 12 （二）發(fā)展趨勢 纖維素乙醇研發(fā)投入增加，技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加快 隨著淀粉質(zhì)原料燃料乙醇的快速發(fā)展，玉米等糧食類原料大量消耗拉動(dòng)其價(jià)格快速上漲，不僅直接影響燃料乙醇生產(chǎn)成本和原料的供給，而且潛在影響人類糧食安全，發(fā)展“非糧”燃料乙醇已成為世界各國的共同選擇。以秸稈為代表的木質(zhì)纖維素類生物質(zhì) 資源豐富，價(jià)格低廉，是大規(guī)模發(fā)展燃料乙醇的理想選擇，因此纖維素乙醇成為當(dāng)前研發(fā)的重點(diǎn)，研發(fā)投入不斷增加。以美國為例， 20xx年 2月 DOE安排 6個(gè)以秸稈為原料采用不同技術(shù)路線的纖維素乙醇示范裝置， 20xx 年 5 月和 12 月 DOE 又分別安排 億美元和 億美元，支持生物能源和生物基化學(xué)品技術(shù)開發(fā)、中試和示范工程裝置建設(shè)，其中大部分經(jīng)費(fèi)繼續(xù)支持纖維素乙醇，其發(fā)展目標(biāo)是到 20xx年進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)，纖維素乙醇在成本上能夠與成品油競爭。 當(dāng)前纖維素乙醇技術(shù)發(fā)展的瓶頸仍然集中在纖維素酶和混合糖發(fā)酵 菌株構(gòu)建，前者決定原料預(yù)處理技術(shù)路線、設(shè)備投資和能耗，后者決定纖維素乙醇生產(chǎn)的原料消耗和綜合能耗。世界上幾大酶制劑公司包括丹麥的諾維信（ Novozyme）、美國的杰能科（ Genencor）、荷蘭的帝斯曼（ DSM） 及研發(fā)機(jī)構(gòu)如美國政府能源部可再生能源國家實(shí)驗(yàn)室（ National Renewable Energy Laboratory, NREL）等 均在纖維素酶技術(shù)開發(fā)方面投入巨大，目標(biāo)是依托現(xiàn)代生物技術(shù)進(jìn)展提供的先進(jìn)方法和手段提高纖維素酶的效率和發(fā)酵水平，將纖維素乙醇生產(chǎn)中纖維