低碳经济视角下开发能源木薯生产燃料乙醇的优势分析

广东农业科学2011年第14低碳经济视角下开发能源木薯生产燃料乙醇的优势分析姚庆荣(甘肃行政学院社会和文化教研部,甘肃兰州730000摘要:木薯作为我国热带地区的新型优勢产业,可缓解能源紧缺的压力、提高环境质量,也可促进农民增产增收、脱贫致富通过介绍开发和利用生物质能源的紧迫性,分析我国发展木薯产业生产燃料乙醇的四大优势及其市场潜力,由此提出未来的发展思路与对策。关键词:低碳经济;能源;木薯;燃料乙醇中图分类号:S533文献标识码:A章编号:1004874X(2011)14002503目前,能源危机和环境污染已成为全球面临的共同占国家总需求的40%~50%,综合经济价值超过300亿元,难题。面对这两大难题世界各国已达成发展低碳经济的形成热带地区的新型优势产业。用木薯发酵生产燃料酒共识。可再生能源产业因可减少煤炭在能源消费结构中精,可把木薯由低品质生物质能转化成高品质燃料能源。的比重将是今后发展低碳经济的主要方向,也是解决日如果产地能充分开发土地资源,改良木薯种植技术,提高益严重的生态环境和资源能源问题的根本出路。在此背木薯单产,开发木薯产品深加工,带动木薯产业链,将会产景下,生物质能作为继煤炭、石油,天然气之外的第四大生巨大的经济效益。由此可见,发展木薯燃料乙醇有利于能源,因其储存量大、无污染而受到世界各国的高度关调整产地的农业结构,可为农民开辟经济收入新途径促注。绿色植物是太阳能的主要收集者,每年由光合作用产进农民增收、拉动农村经济推进新农村建设,从根本上解生的生物质达140亿-11800亿t。利用高等植物生产决“三农"问题的燃料乙醇具有与矿物燃料相似的燃烧性能,是一种可13可减轻环境污染,巩固宝赉的生存空间再生的绿色能源。因此,大力培育与利用这一资源将具有我国的环境污染属典型的能源消费型污染。目前全国深远的现实和战略意义。85%的二氧化碳、90%的二氧化硫和73%的烟尘都是由燃木薯是世界三大薯类(木薯、甘薯和马铃薯)作物之煤排放的,大气污染中仅二氧化碳造成的经济损失就占素有“淀粉之王”和饥荒“储粮库”之美誉,是热带、亚GDP的2.2%。据有关部门预测,到2020年,我国的能源需热带重要的热能来源。国家制定的《“十一五”再生能源发求总量将达到近25亿1标准煤、比2000年高出90%。如展战略》和新颁布的《国家可冉生能源法》中,将木薯、玉果再不注重可再生能源的开发,仍然保持以煤为核心的单米和甘蔗列入未来生产燃料酒精的主要原料。有关专家能源结构,到2020年,城市中受到空气污染的人口将达认为,木薯是我国南方地区发展燃料乙醇的理想作物。到49亿人、占同期全国总人口的3,因空气污染而早亡1开发能源木薯生产燃料乙醇的必要性的人口将达55万人,相应的经济损失为410亿元,这将会严重影响我国经济社会的全面发展。1.1可实现能源供应的多元化,缓解我国能源短缺压力发展木薯产业生产燃料乙醇是以生物质为原料,汽车我国是能源消费大国,与世界其他国家一样面临着尾气中一氧化碳和碳氢化合物的排放量可分别下降能源短缺的压力。我国能源消耗居世界第二,1980年我国30.8%和13.4%,这对减少大气污染及抑制温室效应具有能源消耗量为603亿t标准煤,到本世纪全国年平均能重要意义。因此,开发木薯生产燃料乙醇具有矿物质能源源消耗量已达到13亿-16亿!标准煤。虽然在1980—所不具备的多种优势,是当前倍受青睐和重视的绿色能2000年间,我国的能源利用效率显著提高,以能源消费翻源。番支持了国内生产总值翻两番但随着经济规模的迅速扩大,能源资源匮乏、结构不合理、环境污染严重等问题2开发能源木薯生产燃料乙醇的优势日益突出。据有关部门预测,今后我国石油消费和进口量在制取燃料乙醇的众多原料中,木薯作为非粮作物将呈上升趋势。而成品油价格的攀升和全球保护环境的因不影响国家的粮食安全而独具优势。开发木薯生产燃料要求,为燃料乙醇带来良好的发展机遇,其可以缓解石油乙醇,不仅符合“不争粮,不争(食)油,不争糖,充分利用边供需矛盾,减轻国家能源短缺的压力。际性土地的国家粮食发展战略,而且也符合国家生物质12有利于解决“三衣”问题能源发展战略,有利于保障全国的粮食安全和能源安全。预计未来10年中,木薯在广西、广东、海南和云南种21木薯是高效高产能源作物植面积将从目前的50万hm2扩大到1o0万-150万hm2木薯是CV山中国煤化工物相同,叶片中单产水平进一步提高,大约可以生产450万t燃料乙醇,有明显的绿色CNMHG适宜温度在20收稿日期:2011-040145℃,在高光照下光合作用个会饱和,因此木薯的光合效作者简介:姚庆荣(1978-),女博士,副教授, E-mail: yaoqingrong率非常高。其次典型的木薯生长期接近1年,块根种植后lzh@163.com3个月开始增重,一直持续到9-15个月,由此可见,木薯26整个生长期75%的时间是向块根积累碳水化合物,这是生产。木薯高产的又一原因叫。再次,木薯块根含有30%-40%的干物质淀粉和糖是干物质的主要成分约占9%。全世3我国开发能源木薯产业的思路与对策界木薯平均单产为108hm2(以鲜块根计),而我国现在31提高单产,为生产燃料乙醇提供充足的原料木薯平均单产为160伽Ⅶhm2,所以从原料供应层面看,利用3.1.1常规育种通过推广良种,因地施种,机械深耕深木薯生产燃料乙醇具有很大的应用潜力。松,木薯茎秆粉碎还田,增施基肥、配方施肥,合理密植和22木薯生产燃料乙醇的性价比高间作,推广高产栽培技术,推进“农民参与式"或“公司+金首先,木薯较其他作物更具有资源和价格优势,在20融+科技+农户”模式等提高木薯单产和鲜薯淀粉含量,使世纪90年代前,我国普遍以玉米、甘薯、糖蜜等为原料生我国木薯良种和丰产栽培技术推广率达50%以上,生产产燃料乙醇。玉米每667m2产量约710kg、市场价约成本降低2%左右,单产提高10%-3%,鲜薯平均产量达200-1400元A,而木薯每hm2产量约1200kg、市场价约20thm2,淀粉含量提高2-3个百分点,达30%以上。其100~1200元。其次,由表1可知,在主要酒精原料作次,通过北移种植、开发新荒地和低产低质土地、与甘蔗轮物中,单位面积土地的乙醇总产量以木薯最高,甘蔗次作和橡胶幼林间套种等揹施在基本不占用原有粮食耕地之回,玉米最低。在同样土地资源条件下,种植木薯比种植的条件下,扩大生产规模。甘蔗可多产1倍乙醇。再次,木薯茎秆与蔗渣的产量和功3.12生物技术育种在“十一五”再生能源发展战略和能基本相当其灰烬均是很好的钾肥。利用木薯进行乙醇新颁布的《国家可再生能源法》中将木薯、玉米和甘蔗列生产,整株作物无废料利用效率高。最后,由于木薯中微为未来生产燃料酒精的首选原料,这为木署的基因T程育量元素比较丰富,给乙醇发酵带来了便利条件。因此,开种提供了前所未有的契机。因此,未来木薯基因工程应进发木薯生产燃料乙醇具有很强的竟争力和发展潜力。行定向育种;通过转基因和基因聚合,重点培育高产、多抗、广适性、适宜节本高效集约化生产的“生物能源”专用表1几种能源作物生产燃料乙醇的性价比型木薯品种,主要包括:(1)选育耐寒转基因木薯新品种或品系。木薯虽然适应性强,抗风、抗旱、耐瘠薄能在相对恶原料hm年)含量(%)(L)(Lhm·年)劣的环境下生长,但其毕竟是热带作物,喜温热、不耐霜25.06000对气温有一定要求。因此,可通过转基因方法将一些与提甘蔗125高植物抗寒性相关的功能性蛋白基因,如拟南芥基因甜菜160100CBF3、 StOols3和lCE1,转入木薯主栽品种,增加其抗寒甜高粱14.0玉米6904102050性,北移2°-5°,扩大种植面积50万hm2。(2)提高木薯淀粉含量,改变淀粉粒结构。高生物量(即淀粉产量)是开发木薯产业生产燃料酒精的基本要求。在植物淀粉生物合23木薯适应性广、耐旱、耐瘠薄成中,腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶( AGPase)是限速酶231气候条件木薯对十旱有高度的忍耐力,没有对催化1-磷酸葡萄糖(G-1-P)与腺苷三磷酸(ATP)作用,形千早过于敏感的时期,在没有灌溉的土壤条件下也可获成腺苷二磷酸葡萄糖(ADPG和焦磷酸(PF),为淀粉生物得较高的产量。在平均年降水量低于750mm时,木薯更合成提供葡萄糖基,从而决定作物产量。而淀粉合成酶能凸现出其优势。( SSase)、淀粉分枝酶( SBEase)、淀粉脱分枝酶( DEAse)用232土壤条件木薯能很好地适应热带地区占统治地来改变葡萄糖基在葡聚糖链上的位置,从而改变淀粉结位的低肥力土壤。它通常种植在高度风化和沥滤的氧化构叫。因此,可通过构建与上述酶相关基因的正义或反义土、老成土和淋溶土中,还有一小部分种植在中度风化的植物表达载体转化木薯的途径,实现提高木薯淀粉含量,始成土和砂质的新成土中。在低pH值和高浓度铝离子的改变淀粉粒结构的目的,从而促进生物能源产业快速发土壤中,木薯也能很好地生长。当前,木薯被视为一种极展。(3)培育较长叶片持绿期的木薯新材料或新品种。木薯具潜力的能源作物,这与其极强的耐旱和耐瘠薄能力是虽属C植物,但其光合特征与C植物相似在高光照下分不开的光合作用不会饱和。因此可通过遗传转化方法将细胞分24木薯生产燃料乙醇成本低裂素合成关键酶基因(ipt)导入木薯品种,可延长木薯叶目前,制造乙醇的主要原料有甘蔗、甜高粱、甘薯甜片的持绿期,延长光合作用时间提高其块根产量,从而为菜、木薯和玉米等。在各种原料中,以木薯制造乙醇潜力发展可再生生物质能源—木薯燃料乙醇提供充足的工最大。按生产1t乙醇计算,需要不同原料的单耗分别是:业原料。玉米3t、蔗糖废糖蜜4.5t、甘蔗17t、鲜木薯7t或木薯3.2利用基产酒率中国煤化工干片3t。加上加工费用,生产1t乙醇的全部成本以木薯在酒精积累、影响淀粉利最低。另外,大型木薯乙醇厂的固定资产投人与销售收用率的因素CNMH及其他非水溶性入比例是15,建设周期短,投资少,回收快,效益高。且现多糖共同组成的细胞壁对淀粉等物质的屏蔽和保护作有糖厂生产乙醇的闲置设备经改造后即可用于木薯乙醇用阔。而纤维素酶可以促进原料细胞的崩溃,在其他多糖水解酶的协同下,使其细胞壁发生彻底的破坏,在最大程融系统参与木薯产业发展的积极性以此吸引更多资金用度上促进了淀粉、蛋闩质等有效成分的溶出,从而提高原于能源木薯的开发,降低生产成本,提高生产效益,使燃料料的出酒率。因此利用分子生物学手段构建纤维素酶、乙醇产业得到发展壮大半纤维素酶以及糖化酶等的高效基因工程酵母菌株,用综上所述,木薯是可再生资源,是我国热带、亚热带于木薯洒精生产,必将能提高木薯淀粉利用率,进而提高地区重要的能源作物。开发以木薯为基础的生物质产业酒精产率,从而促进木薯燃料乙醇产业发展。具有很好的经济效益和社会效益。相信随着当今世界“绿33加大财政税收支持力度,鼓励燃料乙醇产业发展色能源”以及“低碳经济”的蓬勃发展,能源木薯生产燃料可再生能源的开发利用是应对日益严重的能源和环乙醇产业将会在新世纪显示出强大的生命力,推动整个社境问题的必由之路,也是社会实现可持续发展的必由之会的发展与进步。路。因此,囡家应出台更多财政税收政策来扶持燃料乙醇参考文献产业的发展。例如,美国1979年建立联邦政府的“乙醇发展计划”,从大力推广含10%乙醇汽油开始,就对燃料乙) Nweke F I, Spencer D. Lynam J K. Cassava Transformationt M ]. East Lansing: Michigan醇生产企业进行补贴。我国也可以借鉴美国的经验,对利University Press, 2002: 221-225.用能源木薯生产燃料乙醇的企业,在税收上给予优惠,在(2] Rao PJ M. Industrial utilization of sugar CO2 products(M政策方面给予倾斜,扶持壮大企业规模,提高生产燃料乙India: National Federation of COz operatives Ltd, 1997: 274-276.醇的能力;对种植木薯的农民给予适当的补贴,鼓励农民3]马崇熙对木薯在广西生物质产业中地位的思考广西热带农种植木薯的积极性,从根本上解决原料问题;对使用燃料业,2006(5:24-26.乙醇汽油的消费者给予财政税收支持,以此支持和鼓励4 Guy C L Altered gene expression during cold acclimation of燃料乙醇和乙醇汽油在全社会的推广。在必要的时候,国Spinach[JI.Proc Natl Acad Sci USA, 1985, 82: 3673-3677家立法机关还需制定法律,在全国范围内强制推行使用5] Sweetlove L., Muller R B, Willmizer L, et al. The contributionof adenosine 5'-diphosphoglucose pyrophosp -horylase to the车用乙醇燃料。control of starch synthesis in potato tubers []. Planta, 1999(209):34加大资金投入,改善木薯生产燃料乙醇的工艺和设330-337.备[6 Pham V H, Tomoko M, Naofumi M. Waxy and high-amylose用木薯生产燃料乙醇是一项利国利民的大事,是一项wheat starches and flours-characteristics, functionality and很有发展潜力的产业。目前用木薯作原料生产燃料乙醇application. Trends in Food Science Technology. 2006. 17(8)的大企业不多,并且大多数企业都存在生产工艺落后、生产设备陈旧、生产效率低下等现象但因缺乏资金而无法李洪清李美茹刘鸿先等木薯抗叶片早衰的基因工程育种中改善。因此,作为政府和银行部门,应该加大资金投人和国科学院研究生院学报,2000,17(2:7480放款力度扶持木薯企业改造生产工艺更新生产设备、改8 Eunki KFactorial optimization or a six cellulose mixtureBiotechnology and Bioengineering. 1998,58(5): 496-501善生产条件,使生产能力和质量得到有力保证。另外,政⑨王建平纤推素酶的研究进展及趋向J舟山师专学报(自然科学府可通过开发财政贴息贷款,用有限的财政资金调动金版)2002(4):51-56超级稻中嘉早17力助我国长江中下游双季稻区高产稳产7月8日,由中国水稻研究所和浙江省嘉兴市农科院联合达到500kg以上高产田块有望突破600kg,其高产稳产、抗性选育的超高产抗病专用型早稻新品种中嘉早17,2011年在江西较好适应性广的特性受到了当地群众的好评,表示来年将进推广面积达87万hm2,鄱阳县珠湖农场万亩高产创建示范片经步扩大种植面积专家组现场抽样测产,实际每667m2达到653kg。农业部科技教育司负责人在部署双季稻研究与推广工作时专家组认为,中嘉早17田间表现株型松散适中,茎秆粗强调,各地要从全局和战略的高度充分认识早稻生产的特殊重壮,穗型和着粒密度较大,苗期耐寒性和灌浆结实期耐阴雨较要性,切实推进早稻生产发展,大力发展双季超级稻,为全国粮强,抗逆性较好,生育期适中,其农艺性状、适应性、抗性和丰食稳产增产提供支撑;要充分发挥水稻种植大户和专业合作社产性较好,米质胶稠度长、直链淀粉含量髙,适合米粉、味精等的示范带动作用,多途径加大技术培训技术指导力度,切实提加工用和储备用粮,在我国长江中下游双季稻区推广前景广高技术到位率中国煤化工应用步伐带动整个水稻生产发CNMHG各界认同超级稻中国水稻研究所所长程式华告诉记者,中嘉早17是农业部支持超级稻的良财氛围,同时加强超皲稻品种和技术的宜传,及主导品种,从2011年在浙江湖南湖北、江西和安徽5省示范时发布优良品种、实用技术和农情病虫信息,指导农民科学种推广的情况来看,长势喜人,丰收在望,平均每667m2产量有望田。