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中国能源甘蔗的研究与开发

张 华  陈如凯 

农业部甘蔗生理生态与遗传改良重点开放实验室

 

一、发展能源乙醇是可持续发展的迫切需要

能源甘蔗最早是美国植物生理学家Alexander利用甘蔗和热带能源草本植物杂交选育而成,它的生物产量比糖料甘蔗高一倍左右,乙醇发酵量高达23—26吨/年·公顷。从上世纪70年代开始,世界上许多国家采取了发展燃料乙醇替代部分石油的可再生洁净能源战略,一方面缓解能源短缺的矛盾,另一方面,在汽油中添加一定比例的乙醇,可提高汽油辛烷值、清洁引擎、使汽油燃烧更充分,尾气有害物质的排放量可减少25—40%;作为增氧剂,燃料乙醇可替代现用的MTBE(甲基叔丁基醚)、ETBE(乙基叔丁基醚),防止对地下水的污染。巴西和美国南部的几个州早在1985年就规定汽车用油中须加入20%的无水乙醇(下称汽油醇);被誉为“绿色能源之国”的巴西甘蔗年产乙醇980多万吨,有1/3以上汽车完全使用乙醇;美国夏威夷州每年汽油醇的用量高达1.73亿升。

我国人口占世界的1/5,但石油储量仅为世界的1/50,从1993年起已成为石油净进口国,进口依赖性的增强和世界石油危机成为制约经济发展和外交战略的长期压力,影响到国家安全。而且能源结构不合理,煤这种不可再生能源占商品能源消费构成的76%。汽车尾气的污染日趋严重作为对国民经济和社会发展具有重要战略意义的举措,《十五计划纲要》对推广使用汽油醇做出了明确要求,将这项工作作为调整和优化产业结构的重点来抓。制订、颁布了《变性燃料乙醇》、《车用乙醇汽油》两项国家标准,规定在汽油中添加10%的变性燃料乙醇;2001年7月1日起,河南省部分党政、事业单位的5000辆汽车已首批试用车用乙醇汽油。此举一旦在全国推行,燃料乙醇的年需求量将达500万吨,而我国现乙醇年生产能力仅350—400万吨,乙醇工业亟待迅速发展。

二、能源甘蔗是乙醇生产的最佳原料

植物通过光合作用将太阳辐射能转变为化学能,是人类赖以生存的最根本的能源。甘蔗恰是光合能力最强的C4作物,是人类迄今所栽培的生物量最高的大田作物,所以除作为糖料外,它还作为生产能源的作物被加以利用。能源甘蔗包括能源专用和能、糖兼用两类品种,平均生物产量高达180~200吨/年·公顷,其作为原料的产量和乙醇的产率都显著优于其他作物(表1)。

1  原料的生产能力和乙醇产率

 

能源甘蔗

糖料甘蔗

玉米

原料产量(吨干重/年·公顷)

49.0

28.7

10.5

吨乙醇消耗原料量(吨干重)

2.63

2.40

3.50

注:原料部分甘蔗为蔗茎,玉米为籽粒

 

2  能源甘蔗乙醇销售成本

原料蔗锤度

15%(保守值)

17.5%(初熟期)

19%(工艺成熟期)

吨乙醇耗原料量(吨)

15

12

11

吨乙醇销售成本(元)

2537.81

2030.25

1861.06

注:原料价格180元/吨计

 

目前以糖蜜、木薯、玉米为原料生产乙醇的吨销售成本分别为3200元/吨、3200元/吨和3600元/吨。乙醇在国内市场的最低售价为2880元/吨,出口价格3330—3980元/吨。从表2可见利用能源甘蔗生产乙醇的资源配置效率最高,比其他原料具有明显的比较优势。以年产10万吨乙醇的规模进行经济效益分析如下:

1、农业效益

按最保守的估算,需供应原料蔗150万吨,新增能源甘蔗种植面积1万公顷,农业产值2.7亿元。比种植糖料甘蔗(58.5吨/公顷,200元/吨)增收1.53亿元,比稻谷(15吨/公顷,900元/吨)增收1.35亿元。

2、工业效益

年产值3.988亿元,税收6120万元,利润4204万元。

综上所述,发展能源甘蔗生产乙醇,有利于我国能源结构的优化,有利于节约资源、节省外汇,有效地治理汽车尾气污染,保护生态环境,同时将促进种植业结构、糖业结构的调整及大幅度提高农民的收入,经济、社会、生态效益显著,意义重大。

三、能源甘蔗研发的现状

利用能源甘蔗生产乙醇,最经济有效的措施是高光效、高生物量甘蔗育种,能源甘蔗品种则是乙醇生产的核心技术。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年制定了“UPR”计划,选育出以高生物量为目标的能源甘蔗新品种US67-22-2;80年代中期,印度和美国联合实施IACRP计划,利用热带种和野生蔗杂交培育出乙醇产量达1.2万升/公顷的能源甘蔗品种IA3132。

我国的能源甘蔗研究起步较晚,但发展较快。福建农林大学甘蔗综合研究所作为国家糖料作物改良甘蔗分中心、农业部甘蔗遗传育种重点开放实验室和农业部甘蔗及制品质检中心的依托单位,在国内首倡能源甘蔗研究。在主持国家“九五”甘蔗育种科技攻关期间,首次将“高光效、高生物量育种”列入攻关内容。确立了利用甘蔗复合体(Saccharum Complex)的遗传多样性和高光效特性,通过甘蔗属种间远缘杂交,创制高度分离的育种群体,采用先进的光合效能活体早代测定技术、分子标记技术和细胞工程技术与常规育种相结合,以总生物量、总可发酵糖量为育种目标,创制能源甘蔗新材料,并通过一系列中间试验和技术经济指标的评价,选育能源甘蔗新品种的技术路线。通过自育和引进已获得一批能源甘蔗新品种(系),接近或超过了美国第二代能源甘蔗品种的水平;科技部组织的专家鉴定认为高光效、高生物量育种方法及鉴定技术已达到国际先进水平;2001年12月,“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”通过农业部科技成果鉴定,能源甘蔗品种选育与鉴定这一核心技术已臻成熟。“十五”国家“863”计划、“948”行业重大项目、国家攻关引导项目、农业部跨越计划、农业结构调整重大技术研究专项、农业部“南方地区能源农业技术试点和产业化示范”、福建省重大科技项目“能源专用甘蔗新品种选育”、福建省跨越计划“能源甘蔗新品种(系)的中试与产业化”等对能源甘蔗的研发继续予以了立项资助。

    当前国家糖料作物改良甘蔗分中心、农业部甘蔗遗传育种重点开放实验室正在进一步完善核心技术,通过生态适应性试验和评价,鉴定能源专用或能、糖兼用甘蔗品种对地理气候、土壤的适应性、丰产性、宿根性和抗逆性;同时围绕核心技术,通过试验、示范,优化植期、合理密植、配方施肥、节水灌溉、病、虫、草害控制、适期收获及多年宿根栽培等单项技术,并通过组装、集成和配套形成供大面积推广应用和产业化开发的高效、低耗能源甘蔗生产技术规程,为我国可再生能源工业的兴起提供强有力的原料保障和技术支撑。