生物能源甘蔗開發利用探討

趙麗萍，張躍彬，吳彥蘭

（云南省農業科學院甘蔗研究所/云南省甘蔗遺傳改良重點實驗室，開遠661600）

生物能源甘蔗開發利用探討

趙麗萍，張躍彬，吳彥蘭

（云南省農業科學院甘蔗研究所/云南省甘蔗遺傳改良重點實驗室，開遠661600）

闡述了目前國內外生物能源甘蔗的研究現狀，分析了甘蔗作為生物能源的優勢，提出了發展過程中應重視的問題。說明能源甘蔗作為一種新型的生物能源具有廣闊的發展前景。

甘蔗；生物能源；燃料乙醇；開發與利用

環境、人口、資源是世界各國關注的三大熱點話題，在這三大熱點中資源問題最為重要，資源的短缺是影響人類生存、困擾社會經濟發展的重要難題之一，自1993年起我國已成為石油進口國，進口量以每年13%的速度增長，2003年進口量達9112萬t，約占全國石油消耗量的36%，進口依賴性的增強和世界性石油危機日益成為制約我國經濟發展和外交戰略的長期壓力，甚至影響到國家的安全。因此，開發利用可再生能源己迫在眉睫[1]。

可再生能源是指不隨其自身轉化或人類開發和利用而遞減的可持續供給的清潔能源，主要包括水能、風能、太陽能、生物質能、地熱能、海洋能等非化石能源[2]，其中，生物能源主要指利用淀粉質生物（如糧食、薯類）、糖料作物（甘蔗、甜菜、甜高粱等）及作物秸稈等加工成乙醇、生物柴油、生物制氫等能源產品，以此直接作為動力來源，生物能源的優勢在于可再生、清潔[3]。世界上生物質能資源的數量龐大、種類繁多，其中，能源作物是目前可利用的主要的生物質之一。甘蔗因其光合能力強（C4植物）、生物產量高（鮮重產量可高達180～220t/hm2、干重52～59t/hm2），總可發酵糖量多（45～55t/hm2）[1]而顯示出良好的利用優勢，被認為是中國發展生物能源最有潛力的作物。因此，利用甘蔗作為生物能源具有良好的發展前景[4]。

1 國內外生物能源甘蔗發展現狀

1.1 國外生物能源甘蔗發展現狀

甘蔗作為能源作物是在世界能源緊缺，尤其是在石油資源將面臨枯竭的嚴峻形勢下提出的。巴西是世界產蔗和產糖大國，也是首先使用甘蔗直接生產乙醇并與一定比例汽油相混用于汽車動力燃料的國家[5]，巴西道路上行駛的80%以上的汽車都采用乙醇或汽油，或者乙醇/汽油混合物為燃料。緊隨巴西之后，一些盛產甘蔗的國家，如南非、哥斯達黎加、巴拿馬、美國、古巴等也都制定了發展能源甘蔗的研究開發計劃及其相應政策[5]。1984年美國立法規定，凡含10%以上乙醇或甲醇的汽油將免征汽油稅，目前已有22個州使用85%乙醇、15%汽油的混合燃料，僅夏威夷州每年汽油乙醇的用量就高達1.75億L[6]；古巴年產甘蔗約300萬t，可生產甘蔗乙醇2億L，不久前與巴西簽署雙邊技術合作協議書，開展甘蔗燃料乙醇的研發工作，預計5年內可開始使用甘蔗乙醇與汽油或柴油的混合燃料[7]；在歐洲，使用乙醇汽油的比例已呈上升之勢，法國已占到34%，德國17%[6]；此外，亞洲的日本、韓國等，近年來對甘蔗乙醇汽油模式也表現出濃厚的興趣[8]。巴西、美國、歐盟以及泰國和日本等國家相繼投入了大量的人力、物力，并達到較高的規模化生產水平[8,9]。

從育種的角度看，自1974年第一次石油危機后，巴西政府就開始推廣“酒精汽油”計劃。巴西早在20世紀70年代就投資39.6億美元實施“生物能源計劃”，育成了SP71-6163和SP76-1143等能源甘蔗品種；美國1979年制定“URP”計劃，開展了高生物量為目標的再生能源甘蔗育種，育成了H69-9103和H79-1002。80年代中期，印度和美國聯合實施IACRP計劃，育成了纖維質量數26.58%的高纖維品種IA3132和蔗汁蔗糖分21.65%～22.27%，且可發酵糖高，酒精發酵量達1.2萬L/hm2的2個生產酒精用品種（EMS145、EMS245）10]。說明各國都非常重視能源品種研究，能源甘蔗品種是發展生物能源的核心。

1.2 國內生物能源甘蔗發展現狀

中國的廣西、云南、廣東、福建等省（區）是甘蔗的主要種植區，能源甘蔗的研究雖然起步較晚，但發展較快，從育種方面來講，福建農林大學甘蔗綜合研究所通過自育和引進，已獲得一批能源甘蔗新品種（系），已在一些甘蔗研究機構中開展[5]，如由福建農林大學聯合國內一些甘蔗研究所開展的“甘蔗光合性能”的遺傳分析及高光效、高生物量能源甘蔗新品系選育研究（作為國家九五甘蔗育種科技攻關研究內容），已獲得一批能源甘蔗新品種。目前選育的“福農90-6652、福農94-0403、福農95-1702”等能源甘蔗新品種（系）均已通過了國家科技部的驗收或進入國家區試。另外，廣西甘蔗研究所也開始進行能源甘蔗新品種的選育及相關栽培技術的研究，于2005年育成一個糖能兼用甘蔗新品種桂糖22號（桂輻97-18），平均每公頃蔗莖產量為121t。云南省農科院甘蔗研究所擁有國家級種植資源苗圃，并且每年大量的采集野生資源，野生植物資源及其雜種優勢的利用是選育能源甘蔗新品種的有效途徑，目前已經開始此項目的研究，育種方面已取得了較大的進展。

2 發展生物能源甘蔗的優勢分析

甘蔗作物適應性廣，耐旱，是生長在熱帶和亞熱帶的旱地作物，在沒有灌溉的土壤條件下也可以獲得較高的產量，廣泛適應在各種土壤類型上生長。在中國，80%種蔗的土地沒有灌溉條件，許多土地不能種植其它作物，但可以種植甘蔗并獲得高產。甘蔗雖然是一年生作物，但可以宿根栽培，種植一年可以宿根栽培3～5年，種植技術要求不高。

2.1 經濟優勢

甘蔗是C4作物，其光能轉換效率、光合速率、單位面積生物產量顯著高于其他作物。同時，甘蔗具有高凈能比（NER，指太陽光能通過葉綠素光合作用儲存能量的比例）特性（表1）[6]。據測定，甘蔗每平方分米葉片每小時同化二氧化碳為42～49mg，比普通C3植物如水稻、小麥等高約一倍以上，是利用太陽能最經濟的作物之一。李松[11]等的研究分析，在中國的生產條件下，甘蔗單位面積產酒精量最高，是最有潛力的作物。印度國家糖業管理聯合會主席Rao[12[6]。

2.2 環境優勢

用甘蔗生產燃料乙醇的環境效益體現在5個方面：（1）代替重金屬（鉛和錳）和MTBE（甲基叔丁基醚）汽油添加劑；（2）甘蔗燃料乙醇是不含硫的清潔燃料，使用乙醇可以減少二氧化硫的排放，減少酸雨危害；（3）甘蔗燃料乙醇具有簡單的分子結構，燃燒后可減少汽車尾氣中顆粒，凈化大氣環境。像圣保羅那樣的特大城市，由于使用燃料乙醇，大氣環境相當優良；（4）減少一氧化碳和碳氫化合物的排放；（5）減少溫室氣體二氧化碳排放量。

2.3 技術優勢

用甘蔗生產燃料乙醇，首先需要提汁，再進行濃縮、發酵、蒸餾和脫水等工藝過程。而糖廠中的蔗汁提取、濃縮的工藝和設備都是現成的，就發酵過程而論，大型甘蔗糖廠都有食用乙醇車間，其發酵原料主要是制糖過程中產生的廢蜜（糖蜜），在甘蔗糖蜜生產乙醇的經驗和技術上是成熟的，而用甘蔗生產燃料乙醇，其采用的原料主要是糖漿，糖漿和糖蜜同樣是糖，只是含糖量不一樣而已。另一方面，巴西在乙醇生產和乙醇技術的利用方面均處領先地位，我國科研工作者目前已在借鑒巴西發展能源甘蔗生產經驗的基礎上開展研究工作并取得了較大的進展。

2.4 區位優勢

云南是甘蔗的主要種植區，近年來，由于甘蔗種植勞動強度大，經濟效益低、替代經濟作物等的出現，一些蔗區已經減少甘蔗的種植，在這種情況下，發展能源甘蔗也將很困難，云南毗鄰東盟，具有生物質資源的區位優勢。東盟中任何一個小國家的亞熱帶或熱帶面積都要比云南的大，適宜種植甘蔗的土地資源豐富。隨著中國一東盟自由貿易區的逐步建立和完善，具有地多人少，經濟相對滯后，但甘蔗生長自然條件優越的東盟諸國，特別是越南、老撾、緬甸，可以提供充足的能源甘蔗原料。近年來隨著云南在境外替代種植力度的增大，境外甘蔗種植面積也不斷擴大。通過實施走出去發展戰略，在周邊國家發展甘蔗原料基地。既有效地彌補了能源甘蔗不足的矛盾，又對周邊國家的禁毒工作，鏟除毒源，發展替代種植做出了貢獻，頗受贊譽。據統計，2005年云南全省在境外甘蔗種植面積已接近0.67萬hm2，實現加工產值1.2億元，并有繼續發展擴大的良好勢頭。

表1 幾種作物的凈能比及酒精生產情況

表2 幾種能源植物酒精產量

3 發展生物能源甘蔗需重視的問題

3.1 實行糖—能聯產，開展綜合利用

能源甘蔗生產有利于甘蔗產業健康穩定發展，蔗糖價格受蔗糖供求關系的變化影響較大，尤其是1991年以來，我國改革了食糖流通體制，放開食糖市場，出現了食糖市場運行的不平穩、生產大起大落、價格大幅波動的不良局面，從而影響了食糖的正常供給。近19年來我國食糖價格出現過幾次大漲大跌，價格相差最高達到3.53倍[14]，通過能源甘蔗生產，實現甘蔗產業多元化。“糖-能”聯產，實行產糖與產能源的聯動，根據蔗糖、汽油和乙醇價格的市場變化，靈活調整用來制糖和生產乙醇的甘蔗比例，才能避免因蔗糖供大于求而出現的蔗糖價格暴跌，進而影響甘蔗收購價格偏低的現象再次出現，使甘蔗種植面積不再單獨受糖價波動影響，穩定甘蔗收購價格，避免蔗賤傷農，切實保護農民利益，調動農民種蔗的積極性[6]。

3.2 加強糖能兼用的甘蔗育種工作

發展甘蔗燃料乙醇產業首先要在甘蔗品種上進行特殊選育，與糖料甘蔗高蔗糖分、高純度、低纖維分為選育目標相比，能源甘蔗是以高生物量、高可發酵糖含量和高纖維分為選育目標，又可分為“能源專用”和“糖能兼用”兩種類型。乙醇產業不能“與人爭糖、與糖爭地”，所以就要考慮現有蔗區內的一些邊緣土地的利用問題，這就對品種的適應性提出更高要求。通過引種或利用本地野生甘蔗資源創制新種質，最終選育能源專用或糖能兼用甘蔗新品種，一方面為燃料乙醇生產提供原料，一方面也是制糖原料的有效補充，是實現“糖-能聯產經營模式的根本保障”。目前，中國在選育抗逆性強、適應性廣的能源甘蔗新品種方面還相對滯后，雖然育成了幾個糖能兼用的甘蔗品種，但低于世界水平，應引起重視并加強投入、研究和創新。

3.3 甘蔗能源生產工藝的研究與開發

用甘蔗原汁發酵直接生產燃料乙醇及其汽油與乙醇混配作動力燃料的有關技術，巴西的技術最為成熟。中國目前還處在起步階段，許多相關技術和設備需要在借鑒國外技術經驗的基礎上并結合本國的實際進行創新，經過研究，中試后才能用于常規生產，并通過體制和管理的創新，研究出適合我國甘蔗能源發展的技術之路。目前，能源甘蔗的研發主要集中于蔗渣深發酵工藝，世界產蔗國家都在抓緊搶占這一技術的至高點，這就要求跨領域、跨行業的合作，尤其是纖維、半纖維優良發酵菌株的篩選工作就顯得尤為重要。加強相關的國內外學術交流，特別是積極開展國際合作和學術交流，提高有關科技人員的學術水平，引進優良種質，夯實我國的研究基礎；積極開展國內聯合攻關，促進能源甘蔗科研和產業的發展。

3.4 制定相應政策，加強對能源甘蔗產業的扶持

近年來，由于甘蔗勞動強度大，環境污染、干旱等因素的影響，我國的甘蔗產量呈現減少趨勢，尤其2008年，云南、廣西主產蔗區遭遇60年來最嚴重的干旱，導致甘蔗大面積減產，同時也影響了食糖產量，蔗農的利益受到了極大的損害，在這種情況下，特別是在發展初期，需要政府的各方面的扶持，如對含酒精的燃油免征汽油稅政策，保持糖、酒精價格穩定措施，放寬貸款，適當補貼等優惠條件，扶持我國甘蔗能源以及甘蔗產業的發展。

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S566.1

B

1007-2624（2010）04-0072-03

2010-03-18

公益性行業（農業）“甘蔗新品種篩選與配套技術示范”科研專項（nyhyzx07-019）資助。

趙麗萍（1981-），女，云南省沾益縣人，云南省農業科學院甘蔗研究所，研究實習員。