生物能源甘蔗開(kāi)發(fā)利用探討

趙麗萍，張躍彬，吳彥蘭

（云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所/云南省甘蔗遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)遠(yuǎn)661600）

生物能源甘蔗開(kāi)發(fā)利用探討

趙麗萍，張躍彬，吳彥蘭

（云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所/云南省甘蔗遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)遠(yuǎn)661600）

闡述了目前國(guó)內(nèi)外生物能源甘蔗的研究現(xiàn)狀，分析了甘蔗作為生物能源的優(yōu)勢(shì)，提出了發(fā)展過(guò)程中應(yīng)重視的問(wèn)題。說(shuō)明能源甘蔗作為一種新型的生物能源具有廣闊的發(fā)展前景。

甘蔗；生物能源；燃料乙醇；開(kāi)發(fā)與利用

環(huán)境、人口、資源是世界各國(guó)關(guān)注的三大熱點(diǎn)話(huà)題，在這三大熱點(diǎn)中資源問(wèn)題最為重要，資源的短缺是影響人類(lèi)生存、困擾社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要難題之一，自1993年起我國(guó)已成為石油進(jìn)口國(guó)，進(jìn)口量以每年13%的速度增長(zhǎng)，2003年進(jìn)口量達(dá)9112萬(wàn)t，約占全國(guó)石油消耗量的36%，進(jìn)口依賴(lài)性的增強(qiáng)和世界性石油危機(jī)日益成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和外交戰(zhàn)略的長(zhǎng)期壓力，甚至影響到國(guó)家的安全。因此，開(kāi)發(fā)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(zhuǎn)化或人類(lèi)開(kāi)發(fā)和利用而遞減的可持續(xù)供給的清潔能源，主要包括水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能等非化石能源[2]，其中，生物能源主要指利用淀粉質(zhì)生物（如糧食、薯類(lèi)）、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(chǎn)品，以此直接作為動(dòng)力來(lái)源，生物能源的優(yōu)勢(shì)在于可再生、清潔[3]。世界上生物質(zhì)能資源的數(shù)量龐大、種類(lèi)繁多，其中，能源作物是目前可利用的主要的生物質(zhì)之一。甘蔗因其光合能力強(qiáng)（C4植物）、生物產(chǎn)量高（鮮重產(chǎn)量可高達(dá)180～220t/hm2、干重52～59t/hm2），總可發(fā)酵糖量多（45～55t/hm2）[1]而顯示出良好的利用優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是中國(guó)發(fā)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(fā)展前景[4]。

1 國(guó)內(nèi)外生物能源甘蔗發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外生物能源甘蔗發(fā)展現(xiàn)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(yán)峻形勢(shì)下提出的。巴西是世界產(chǎn)蔗和產(chǎn)糖大國(guó)，也是首先使用甘蔗直接生產(chǎn)乙醇并與一定比例汽油相混用于汽車(chē)動(dòng)力燃料的國(guó)家[5]，巴西道路上行駛的80%以上的汽車(chē)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(chǎn)甘蔗的國(guó)家，如南非、哥斯達(dá)黎加、巴拿馬、美國(guó)、古巴等也都制定了發(fā)展能源甘蔗的研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃及其相應(yīng)政策[5]。1984年美國(guó)立法規(guī)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(gè)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(dá)1.75億L[6]；古巴年產(chǎn)甘蔗約300萬(wàn)t，可生產(chǎn)甘蔗乙醇2億L，不久前與巴西簽署雙邊技術(shù)合作協(xié)議書(shū)，開(kāi)展甘蔗燃料乙醇的研發(fā)工作，預(yù)計(jì)5年內(nèi)可開(kāi)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(shì)，法國(guó)已占到34%，德國(guó)17%[6]；此外，亞洲的日本、韓國(guó)等，近年來(lái)對(duì)甘蔗乙醇汽油模式也表現(xiàn)出濃厚的興趣[8]。巴西、美國(guó)、歐盟以及泰國(guó)和日本等國(guó)家相繼投入了大量的人力、物力，并達(dá)到較高的規(guī)?；a(chǎn)水平[8,9]。

從育種的角度看，自1974年第一次石油危機(jī)后，巴西政府就開(kāi)始推廣“酒精汽油”計(jì)劃。巴西早在20世紀(jì)70年代就投資39.6億美元實(shí)施“生物能源計(jì)劃”，育成了SP71-6163和SP76-1143等能源甘蔗品種；美國(guó)1979年制定“URP”計(jì)劃，開(kāi)展了高生物量為目標(biāo)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(guó)聯(lián)合實(shí)施IACRP計(jì)劃，育成了纖維質(zhì)量數(shù)26.58%的高纖維品種IA3132和蔗汁蔗糖分21.65%～22.27%，且可發(fā)酵糖高，酒精發(fā)酵量達(dá)1.2萬(wàn)L/hm2的2個(gè)生產(chǎn)酒精用品種（EMS145、EMS245）10]。說(shuō)明各國(guó)都非常重視能源品種研究，能源甘蔗品種是發(fā)展生物能源的核心。

1.2 國(guó)內(nèi)生物能源甘蔗發(fā)展現(xiàn)狀

中國(guó)的廣西、云南、廣東、福建等省（區(qū)）是甘蔗的主要種植區(qū)，能源甘蔗的研究雖然起步較晚，但發(fā)展較快，從育種方面來(lái)講，福建農(nóng)林大學(xué)甘蔗綜合研究所通過(guò)自育和引進(jìn)，已獲得一批能源甘蔗新品種（系），已在一些甘蔗研究機(jī)構(gòu)中開(kāi)展[5]，如由福建農(nóng)林大學(xué)聯(lián)合國(guó)內(nèi)一些甘蔗研究所開(kāi)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(guó)家九五甘蔗育種科技攻關(guān)研究?jī)?nèi)容），已獲得一批能源甘蔗新品種。目前選育的“福農(nóng)90-6652、福農(nóng)94-0403、福農(nóng)95-1702”等能源甘蔗新品種（系）均已通過(guò)了國(guó)家科技部的驗(yàn)收或進(jìn)入國(guó)家區(qū)試。另外，廣西甘蔗研究所也開(kāi)始進(jìn)行能源甘蔗新品種的選育及相關(guān)栽培技術(shù)的研究，于2005年育成一個(gè)糖能兼用甘蔗新品種桂糖22號(hào)（桂輻97-18），平均每公頃蔗莖產(chǎn)量為121t。云南省農(nóng)科院甘蔗研究所擁有國(guó)家級(jí)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(yōu)勢(shì)的利用是選育能源甘蔗新品種的有效途徑，目前已經(jīng)開(kāi)始此項(xiàng)目的研究，育種方面已取得了較大的進(jìn)展。

2 發(fā)展生物能源甘蔗的優(yōu)勢(shì)分析

甘蔗作物適應(yīng)性廣，耐旱，是生長(zhǎng)在熱帶和亞熱帶的旱地作物，在沒(méi)有灌溉的土壤條件下也可以獲得較高的產(chǎn)量，廣泛適應(yīng)在各種土壤類(lèi)型上生長(zhǎng)。在中國(guó)，80%種蔗的土地沒(méi)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(chǎn)。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(shù)要求不高。

2.1 經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)

甘蔗是C4作物，其光能轉(zhuǎn)換效率、光合速率、單位面積生物產(chǎn)量顯著高于其他作物。同時(shí)，甘蔗具有高凈能比（NER，指太陽(yáng)光能通過(guò)葉綠素光合作用儲(chǔ)存能量的比例）特性（表1）[6]。據(jù)測(cè)定，甘蔗每平方分米葉片每小時(shí)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(yáng)能最經(jīng)濟(jì)的作物之一。李松[11]等的研究分析，在中國(guó)的生產(chǎn)條件下，甘蔗單位面積產(chǎn)酒精量最高，是最有潛力的作物。印度國(guó)家糖業(yè)管理聯(lián)合會(huì)主席Rao[12[6]。

2.2 環(huán)境優(yōu)勢(shì)

用甘蔗生產(chǎn)燃料乙醇的環(huán)境效益體現(xiàn)在5個(gè)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(jiǎn)單的分子結(jié)構(gòu)，燃燒后可減少汽車(chē)尾氣中顆粒，凈化大氣環(huán)境。像圣保羅那樣的特大城市，由于使用燃料乙醇，大氣環(huán)境相當(dāng)優(yōu)良；（4）減少一氧化碳和碳?xì)浠衔锏呐欧?；?）減少溫室氣體二氧化碳排放量。

2.3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

用甘蔗生產(chǎn)燃料乙醇，首先需要提汁，再進(jìn)行濃縮、發(fā)酵、蒸餾和脫水等工藝過(guò)程。而糖廠(chǎng)中的蔗汁提取、濃縮的工藝和設(shè)備都是現(xiàn)成的，就發(fā)酵過(guò)程而論，大型甘蔗糖廠(chǎng)都有食用乙醇車(chē)間，其發(fā)酵原料主要是制糖過(guò)程中產(chǎn)生的廢蜜（糖蜜），在甘蔗糖蜜生產(chǎn)乙醇的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)上是成熟的，而用甘蔗生產(chǎn)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(chǎn)和乙醇技術(shù)的利用方面均處領(lǐng)先地位，我國(guó)科研工作者目前已在借鑒巴西發(fā)展能源甘蔗生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開(kāi)展研究工作并取得了較大的進(jìn)展。

2.4 區(qū)位優(yōu)勢(shì)

云南是甘蔗的主要種植區(qū)，近年來(lái)，由于甘蔗種植勞動(dòng)強(qiáng)度大，經(jīng)濟(jì)效益低、替代經(jīng)濟(jì)作物等的出現(xiàn)，一些蔗區(qū)已經(jīng)減少甘蔗的種植，在這種情況下，發(fā)展能源甘蔗也將很困難，云南毗鄰東盟，具有生物質(zhì)資源的區(qū)位優(yōu)勢(shì)。東盟中任何一個(gè)小國(guó)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(guó)一東盟自由貿(mào)易區(qū)的逐步建立和完善，具有地多人少，經(jīng)濟(jì)相對(duì)滯后，但甘蔗生長(zhǎng)自然條件優(yōu)越的東盟諸國(guó)，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(lái)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(kuò)大。通過(guò)實(shí)施走出去發(fā)展戰(zhàn)略，在周邊國(guó)家發(fā)展甘蔗原料基地。既有效地彌補(bǔ)了能源甘蔗不足的矛盾，又對(duì)周邊國(guó)家的禁毒工作，鏟除毒源，發(fā)展替代種植做出了貢獻(xiàn)，頗受贊譽(yù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005年云南全省在境外甘蔗種植面積已接近0.67萬(wàn)hm2，實(shí)現(xiàn)加工產(chǎn)值1.2億元，并有繼續(xù)發(fā)展擴(kuò)大的良好勢(shì)頭。

表1 幾種作物的凈能比及酒精生產(chǎn)情況

表2 幾種能源植物酒精產(chǎn)量

3 發(fā)展生物能源甘蔗需重視的問(wèn)題

3.1 實(shí)行糖—能聯(lián)產(chǎn)，開(kāi)展綜合利用

能源甘蔗生產(chǎn)有利于甘蔗產(chǎn)業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展，蔗糖價(jià)格受蔗糖供求關(guān)系的變化影響較大，尤其是1991年以來(lái)，我國(guó)改革了食糖流通體制，放開(kāi)食糖市場(chǎng)，出現(xiàn)了食糖市場(chǎng)運(yùn)行的不平穩(wěn)、生產(chǎn)大起大落、價(jià)格大幅波動(dòng)的不良局面，從而影響了食糖的正常供給。近19年來(lái)我國(guó)食糖價(jià)格出現(xiàn)過(guò)幾次大漲大跌，價(jià)格相差最高達(dá)到3.53倍[14]，通過(guò)能源甘蔗生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)甘蔗產(chǎn)業(yè)多元化?！疤?能”聯(lián)產(chǎn)，實(shí)行產(chǎn)糖與產(chǎn)能源的聯(lián)動(dòng)，根據(jù)蔗糖、汽油和乙醇價(jià)格的市場(chǎng)變化，靈活調(diào)整用來(lái)制糖和生產(chǎn)乙醇的甘蔗比例，才能避免因蔗糖供大于求而出現(xiàn)的蔗糖價(jià)格暴跌，進(jìn)而影響甘蔗收購(gòu)價(jià)格偏低的現(xiàn)象再次出現(xiàn)，使甘蔗種植面積不再單獨(dú)受糖價(jià)波動(dòng)影響，穩(wěn)定甘蔗收購(gòu)價(jià)格，避免蔗賤傷農(nóng)，切實(shí)保護(hù)農(nóng)民利益，調(diào)動(dòng)農(nóng)民種蔗的積極性[6]。

3.2 加強(qiáng)糖能兼用的甘蔗育種工作

發(fā)展甘蔗燃料乙醇產(chǎn)業(yè)首先要在甘蔗品種上進(jìn)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(biāo)相比，能源甘蔗是以高生物量、高可發(fā)酵糖含量和高纖維分為選育目標(biāo)，又可分為“能源專(zhuān)用”和“糖能兼用”兩種類(lèi)型。乙醇產(chǎn)業(yè)不能“與人爭(zhēng)糖、與糖爭(zhēng)地”，所以就要考慮現(xiàn)有蔗區(qū)內(nèi)的一些邊緣土地的利用問(wèn)題，這就對(duì)品種的適應(yīng)性提出更高要求。通過(guò)引種或利用本地野生甘蔗資源創(chuàng)制新種質(zhì)，最終選育能源專(zhuān)用或糖能兼用甘蔗新品種，一方面為燃料乙醇生產(chǎn)提供原料，一方面也是制糖原料的有效補(bǔ)充，是實(shí)現(xiàn)“糖-能聯(lián)產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式的根本保障”。目前，中國(guó)在選育抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性廣的能源甘蔗新品種方面還相對(duì)滯后，雖然育成了幾個(gè)糖能兼用的甘蔗品種，但低于世界水平，應(yīng)引起重視并加強(qiáng)投入、研究和創(chuàng)新。

3.3 甘蔗能源生產(chǎn)工藝的研究與開(kāi)發(fā)

用甘蔗原汁發(fā)酵直接生產(chǎn)燃料乙醇及其汽油與乙醇混配作動(dòng)力燃料的有關(guān)技術(shù)，巴西的技術(shù)最為成熟。中國(guó)目前還處在起步階段，許多相關(guān)技術(shù)和設(shè)備需要在借鑒國(guó)外技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上并結(jié)合本國(guó)的實(shí)際進(jìn)行創(chuàng)新，經(jīng)過(guò)研究，中試后才能用于常規(guī)生產(chǎn)，并通過(guò)體制和管理的創(chuàng)新，研究出適合我國(guó)甘蔗能源發(fā)展的技術(shù)之路。目前，能源甘蔗的研發(fā)主要集中于蔗渣深發(fā)酵工藝，世界產(chǎn)蔗國(guó)家都在抓緊搶占這一技術(shù)的至高點(diǎn)，這就要求跨領(lǐng)域、跨行業(yè)的合作，尤其是纖維、半纖維優(yōu)良發(fā)酵菌株的篩選工作就顯得尤為重要。加強(qiáng)相關(guān)的國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)交流，特別是積極開(kāi)展國(guó)際合作和學(xué)術(shù)交流，提高有關(guān)科技人員的學(xué)術(shù)水平，引進(jìn)優(yōu)良種質(zhì)，夯實(shí)我國(guó)的研究基礎(chǔ)；積極開(kāi)展國(guó)內(nèi)聯(lián)合攻關(guān)，促進(jìn)能源甘蔗科研和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3.4 制定相應(yīng)政策，加強(qiáng)對(duì)能源甘蔗產(chǎn)業(yè)的扶持

近年來(lái)，由于甘蔗勞動(dòng)強(qiáng)度大，環(huán)境污染、干旱等因素的影響，我國(guó)的甘蔗產(chǎn)量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，尤其2008年，云南、廣西主產(chǎn)蔗區(qū)遭遇60年來(lái)最嚴(yán)重的干旱，導(dǎo)致甘蔗大面積減產(chǎn)，同時(shí)也影響了食糖產(chǎn)量，蔗農(nóng)的利益受到了極大的損害，在這種情況下，特別是在發(fā)展初期，需要政府的各方面的扶持，如對(duì)含酒精的燃油免征汽油稅政策，保持糖、酒精價(jià)格穩(wěn)定措施，放寬貸款，適當(dāng)補(bǔ)貼等優(yōu)惠條件，扶持我國(guó)甘蔗能源以及甘蔗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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S566.1

B

1007-2624（2010）04-0072-03

2010-03-18

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）“甘蔗新品種篩選與配套技術(shù)示范”科研專(zhuān)項(xiàng)（nyhyzx07-019）資助。

趙麗萍（1981-），女，云南省沾益縣人，云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所，研究實(shí)習(xí)員。