全 文 ：第6卷第6期
2008年11月
生物加工过程
ChineseJournalofBioprocessEngineering
NOV．2008
· 1 ·
生物能源的几点新思考
赵玉清1，蔡 真2，林章凛2
(1．化工出版社，北京100011；2．清华大学 化工系，北京100084)
摘要：对目前粮食生物能源和非粮原料生物能源发展过程中遇到的若干问题进行综述和探讨。生物能源的健康
发展需要有多元化的观点、多元化的选择和多元化的目标。
关键词：生物能源；非粮原料；多元化
中图分类号：TK6 文献标志码：A 文章编号：1672—3678(2008)06-0001—05
Bioenergy：newchallenges
ZHAOYu．qin91，CAIZhen2，LINZhang—lin2
(1．ChemicalIndustryPress，Beijing100011，China；
2．DepartmentofChemicalSngineering，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China)
Abstract：Inrecentyears，bioenergyhasbeenemergedascontroversialtop cstofacemanyseveretechni—
calandsocialchallenges．Inparticular，theshortageinrawmaterialsandtheconsumptionoffo dstuff
hascausedtheskyrocketofgrainprices．Theseconc rnswerereviewedandanalyzed．Theiversityof
views，choicesandtargetsWasneededinthehealthydevelopmentofbionenergy．
Keywords：bioenergy；non-foodstuff；diversity
随着现代经济的高速增长，生产力的迅速发
展，人类对能源的需求越来越大。以石油为主要原
料的化石资源为人类社会的繁荣做出了巨大贡献，
目前化石能源仍是世界上最主要的能源。美国
2007年的主要能源消耗中，石油、天然气、煤和核电
各占39％、23％、22％和8％，可再生能源占整个能
源消耗的7％。而其中生物燃料占可再生能源的
15％，也就是说只占整个能源消耗的1％左右，算上
广义的生物质能(包括木材、废弃物和生物燃料)，
只占整个能源消耗的2％-4％【lJ。
虽然化石能源在地球上的储量巨大，但它是不
可再生资源，随着消耗量越来越大，能源形势越来
越严峻。据(BP世界能源统计2008))权威统计心1，
2007年底全球石油探明储量保持在1．24X10b桶
的水平，以2007年的消耗速度(8．5220×108
桶／d)计，能用40a；天然气储量为1．7736×
1015m3，以2007年的消耗速度(2．91×1013m3／a)计
能用61a。煤炭储量8．47488×1012t，以2007年的
消耗速度(6．396×1010t／a)计能用133a。当然，这
样估算有几个问题，一是不考虑新的能源储量(如
果有的话)，二是没有考虑能源消耗速度的增加，三
是石油一旦枯竭，其缺口必然需要由天然气和煤炭
来填补，天然气和煤炭的消耗量猛增，使用年限将
大大缩短。发展新的能源特别是可再生能源迫在
眉睫。在2007年9月4日中华人民共和国国家发
展和改革委员会(简称国家发改委)公布的《可再生
收稿日期：2008JD8—28
基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2003CB716002)
作者简介：赵玉清(1974一)，女。黑龙江牡丹江人，剐编审，研究方向：生物技术类书籍的编辑和出版。
联系人：林章凛，教授，博士生导师，E-mail：zhanglinlin@mail．tsinghua．edu．ca。
万方数据
· 2 · 生物加工过程 第6卷第6期
能源中长期发展规划》中就明确表示，近段时间内，
我国可再生能源发展的重点是水能、生物能源、风
能和太阳能。
面对日益严峻的能源形势，近年来世界各国在
调整本国能源发展战略中，把生物能源放在技术开
发的重要地位，制定了相应的研究开发和生产计
划。然而，在执行这些规划的过程中，出现了很多
新问题，引发了不断的争辩和重新思考。
1生物燃料当前的困境
世界各国政府对生物燃料的前景十分看好，如
美国计划在2030年使得燃料乙醇的使用量达到
2004年生物燃料的30％【3o；欧洲谋求在2020年之
前使得生物燃料占到运输燃料的10％HJ。然而，越
来越多的迹象表明，以粮食为原料的生物燃料开发
引起了粮食价格上涨，并鼓励毁灭森林的行为，进
而导致气候变化加剧，水资源缺乏，对世界上的贫
困人群造成负面影响。当人们因为饭桌上的面包
和基本的肉类食物受钊威胁而愤怒甚至走上街头
抗议的时候，生物燃料就开始迅速丧失其原来的吸
引力。
由于目前大部分的生物燃料使用玉米、大豆等
粮食作物来生产，对粮食价格冲击非常明显。美国
可再生燃料协会(RenewableFue sA sociation)反驳
说食品价格上涨是石油价格上涨、新兴国家消费增
加、干旱及反常天气、投机行为过多和美元贬值等
多种因素造成的，生物能源对粮食价格上涨的贡献
率只有8．1％。美国一个联邦政府部门USDA曾估
计生物燃料对粮价上涨的影响不到3％IS]。然而，
越来越多的机构给出了不同的数据。英国著名慈
善组织乐旋会(Oxhm)在一份名为《另一个不可忽
视的真相》(AnotherInconvenientTruth)∞1的报告中
指出，过去3a里，全球平均粮食价格上涨了83％，
生物燃料贡献了30％的因素，并造成全球2900万
人受到粮食危机的威胁。世界银行的估计则更高。
“对粮价影响最大的是欧美国家发展生物燃料”，世
界银行在最近的一份报告中说[_7-s]，2002年至2008
年2月，粮食价格上涨了140％，在促成这一涨幅的
因素中，生物燃料的生产占了75％。报告还表示，
生物燃料生产使粮食不再仅仅是食物，农民将生产
粮食的耕地用作他途，使粮食买卖投机兴盛，这些
导致了粮食市场扭曲，并使粮价不断攀升[7J。
环境保护的负面影响同样日趋明显。虽然生
物燃料生产过程从原理上来讲实现了净CO，的零
排放，但这忽视了种植生物质和生产生物燃料过程
中所消耗的化石能源及排放的CO：。另外，生物燃
料的生产还需要消耗大量的水资源。根据国际水
资源管理机构(InternationalWaterM nagementInsti．
tute)所做的计算，每生产1L生物燃料，即需消耗
2500L玉米蒸发液和820L水一1。联合国研究能
源问题的一个组织在一份题为《可持续生物能源：
决策者框架》(SustainableBioenergy：AFramework
forDecisionMakers)¨叫的报告中还指出，大规模种
植单一作物町能影响生物多样性，导致土壤中的养
分流失。引发新的环境问题。比如急增的棕榈油需
求已经导致东南哑的热带雨林遭到破坏。在温室
气体排放量方面，这种砍伐造成的后果可能比使用
化石燃料更加严重。这个问题，同样值得我冈参考。
欧盟2008年初表示，在明确知道将生物燃料用
于交通运输会造成无法预料的危害后，欧盟将进一
步严格控制生物燃料的环保标准，并可能下调其生
物燃料的目标。继世界银行报告¨1点明生物燃料
是推动粮价上涨的主因后，经济合作与发展组织发
布的报告¨“也称，政府支持生物燃料代价高昂，对
削减温室气体排放用处不大，应改进做法，降低能
源消费，抵御气候变化，增加不使用食物农作物的
“第二代生物燃料”生产。另外，有研究说目前最有
潜力的——即可净减少温室效应和防止与食物生
产竞争——可用于生产生物能源的土地，是那些曾
经用于农牧业、目前被抛荒并且没有转变成森林或
者城镇的土地¨2—3j。由卡内基研究所(CarnegieIn—
stitution)等赞助，斯坦福大学(StanfordUniversity)公
布的一份研究报告认为，全球目前有4．05×107～
4．86X10
7
m2的荒废耕地，如果用于开发生物燃料，
将能满足当前8％的能源需求【l3|。
2非粮生物能源的瓶颈问题和趋势
出于国情和对粮食安全的重视，我国已明确提
出限制用粮食生产生物燃料。在杨胜利院士等人
建议下，2006年底国家发改委颁发了紧急通知，不
再支持以玉米等为原料的生物乙醇项目建设。现
在看来，这是非常有远见的一个举动。目前我国燃
料乙醇原料，转向木薯、甜高粱和纤维素，以防止危
害到粮食安全。根据《可再生能源发展“十一五”规
万方数据
2008年11月 赵玉清等：生物能源的几点新思考 · 3 ·
划》的安排，要在东北、山东等劣质土地资源丰富的
地区，集中种植甜高粱，发展以甜高梁茎秆为主要
原料的燃料乙醇；在广西、重庆、四川等地重点种植
薯类作物，发展以薯类作物为原料的燃料乙醇；开
展以农作物秸秆等纤维素生物质为原料的生物燃
料乙醇生产试验。另外，在中国西南的云南、贵州
和四川等省发展基于膏桐(麻风树)等木本作物的
生物柴油。到2010年，以非粮生物质为原料的燃料
乙醇年生产能力达到200万t，生物柴油的年生产能
力达到20万t。
然而，非粮乙醇的项目进展并非一帆风顺。目
前最大的问题不是后续的发酵加工环节，而是原料
的品种、种植、收割和存储环节，以及成为能源原料
后价格的迅速上涨。如甜高粱季节性非常强，收获
期仅2个月左右，存放期仅1个月左右，不能满足工
厂长周期运行，必须要进行储存，且需要很大的储
存面积才可能实现，因此只有榨汁储存。所以，如
何解决原料分散、季节性等都成为项目进一步发展
的问题。目前我国政府的各项研发支持已经从过
去的下游加工(如发酵)技术向上游的育种等环节
转移，但是对这些似乎“不起眼”的前处理和存储环
节依然缺乏足够的认识和投入，这与国际上先进国
家的做法(如美国)还有相当大距离。
生物柴油的项目，还面临另一个潜在的环保风
险。中国石油天然气集团公司、国家林业局和云
南、四川等省的地方政府在西南地区掀起了宏大的
基于麻风树的生物柴油项目。临近的印度也有类
似的计划。然而，大规模扩大麻风树的种植，可能
对当地生物多样性构成威胁，从而引发未知的环境
问题。在2008年3月份由国家环保部组织的生物
多样性与气候变化国际研讨会上，中欧生物多样性
项目首席技术顾问SpikeMillington就提出了这个问
题。他认为，计划发展生物柴油的中国西南部地区
恰恰是中国最后一块保存完好的自然森林带，这个
地区退化的林地在生物多样性方面发挥着重要的
作用，要对付这种潜在的威胁，应该进行谨慎的环
境评估。
在纤维素乙醇项目上，需要特别注意的是，美
国能源部在其生物燃料发展路线图报告《Breaking
theBiologicalBarrierstoCellulosicEthanol》中¨刮提
出了其技术战略的3个5年分阶段目标，其中第一
阶段的侧重点是原料的收割、处理和发酵单元等基
础技术的研发；第二阶段更集中于新一代能源植物
的开发和工艺过程；第三阶段才是整合和产业化。
这个计划对我国具有很高的参考价值，即纤维素乙
醇项目目前依然必须重视各个和所有环节的应用
基础研究，而不是急于进行大小规模的产业化工
作，需要特别关注各项技术和体系的整合。
在纤维素乙醇相关的领域，非生物路线应该值
得特别关注【l5l。美国马萨诸塞大学(Universityof
Massachusetts)的GeorgeW．Hube 教授所领导的研
究小组通过快速催化高温分解(catalyticfastpyroly-
si8)来生产汽油级别的芳烃(gasoline—rangearomat-
ics)u6|。在一个含有ZSM5沸石催化剂的反应器
中，400～600oC高温下，固体的生物质原料(如柳枝
稷、白杨树等植物)在极短的停留时间内(小于2
rain)即可实现转化。实际的转化过程可以分为两
步。首先，纤维素在高温下分解为小的挥发性氧化
物，然后进入ZSM5沸石催化剂的小孔中，经过一系
列的脱水、脱碳、去羰基、异构化、寡聚和脱氢反应，
生成包括萘、乙苯、甲苯、苯在内的芳烃以及副产物
CO等。2007年3月12日美国《国家科学院院报》
上刊臀的普度大学阿格拉瓦教授领导的科研小组
的研究论文¨引与此类似，在这篇题为《供交通行业
用的可持续燃料》的论文中，作者通过大量的计算
和论证，提出了100％解决全美交通运输业所需液
体燃料的新工艺——混合式氢碳工艺，简称
H：CAR，其根本目的就在于把这两种原料中的每一
个碳原子在提供外加氢气的条件下全部转化为碳
氢燃料。美国威斯康辛大学的Dumesie教授¨副用
质量分数高达50％的果糖(可以很便宜地从葡萄糖
制得)作为原料，经180℃酸催化使90％以上的果
糖脱水，85％以上变成羟甲基糠醛(HMF)，HMF是
树脂类合成塑料的关键原料。此工艺成功开辟了
用糖大规模制造塑料的新工艺。迄今为止，几乎全
部的合成塑料都是以石油裂解的产物作为原料合
成。用果糖制造羟甲基糠醛的成功，将可能使人类
减少对石油的依赖。
非粮生物能源的另外两个值得注意的趋势是：
1)油料藻类的异军突起【l列；2)在人类基因组研究
上作出重大贡献的美国著名科学家CraigVenter最
近声称旧】，他的团队已经着手利用合成生物学的
手段制造微生物，使其可以利用CO：来合成燃料。
他认为能够在1～2a内制造出这种微生物。Venter
在产业化上的记录并不是很好，如他先前主导的基
因组公司的盈利模式就不甚可行。然而，他提出的
万方数据
· 4 · 生物加工过程 第6卷第6期
合成生物学技术无疑将可能对生物能源微生物产
生极其深远的影响。
3我国理性的生物能源发展需要多元化的
思路
从宏观角度，生物能源在未来世界能源体系中
的地位，主要取决于如下4个因素¨2l：一是能量和
物质之间互相转化的技术，即是否能够改造或发现
新的植物或者微生物，以尽可能增加每一单位土地
或水面所产出的可利用能量，是否能够发展出更为
高效的生物质到能源的转化过程；二是陆地与海洋
生态系统内在的可用于生物能源的产能；三是那些
可能被用于生产生物能源的土地与水资源是否更
适于其他用途；四是生物能源技术对于生物入侵、
大气与水体污染的影响。生物能源产业的合理发
展必须要考虑到这4个限制性条件，从而在所付出
的生态和社会代价最低的情况下获得最大收益。
这些年来，总体上我们在生物能源方面基本是
跟着国外跑，很少有自己的想法，这很不好，因为每
个国家的国情不一样。从这个角度，我们需要反
思。另一方面，我们在独立思考方面也开始有良好
的开端，如2006年年底我国可能为全世界第一个颁
发限制用粮食做生物能源禁令的国家。还有国家
发改委在2006年开始酝酿的生物能源规划中，明确
提出要根据国情发展面向生物能源的种植业。
理性地发展生物能源。需要多元化的思考：
1)要有多元化的声音近年来出现的对生物
能源环保问题的质疑，以前就很少听到。多元化的
声音，不限于几个很窄领域的专家意见，能够使决
策更科学一些。生物能源不仅要有全生命周期的
评估，还要有全方位的评估，包括社会、环保、政治、
和谐社会的需求等。
2)要有多元化的选择在最近的几个会议和
场合中，欧阳平凯院士提出走中国特色的生物质加
工路线，利用非粮和废弃生物量来生产能源、化学
品和材料【2川，这值得我国的科研人员思考。美国政
府不久前支持了6个乙醇项目，生物和化工的路线
都有。这种多元化的选择是非常重要的，不见得哪
一个技术路线最重要。
3)要有多元化的目标从时间上来说要有中
期、长期以及短期的目标，我们国家这方面有一些
不利的倾向，短期过分追求产业化工作而忽视基
础。再比如说，事实上有些公司做生物能源其实更
多是为了公关效应，企业这种行为也是可以允许
的。目标多元化还表现在允许无意的收获。事实
上，美国两大现代化的产业都是无形中形成的，一
个是信息技术(1T)产业，是美国国防部为了军事目
的研究开发电子邮件E-mail开始的，最终在上世纪
90年代为美国的经济发展带来了历史上少有的
10a辉煌。生物技术(BT)产业也是这样。70年代
尼克松为了向癌症宣战，投入很多做生命科学研
究，癌症没有攻克，但是生物技术产业反而起来了。
如果现在生物能源的研究最终其本身可能没有做
起来，但是推动了知识进步和其他产业如化学品的
生物炼制，它的作用也将是巨大的。
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并研究其功能，有助于开发新的、更高产的交通运输生物燃料。他们研究包括谷物在内的草类细胞壁的构
成，目的是发掘更多的富含糖类并可高效转化为生物燃料的生物质。此外，研究小组还将分析玉米和柳枝
稷基因。大部分植物只运用它们基因组中的10％左右进行细胞壁构建，但是对这些基因的特殊功能却知之
甚少。研究人员将通过打开和阻断基因表达来确认它们的功能，进而评估这些基因在生物燃料生产过程中
对生物质和糖类的影响作用。
美国公司投产海藻燃油
水藻通过光合作用生产植物油，最终可被转化成生物柴油。和其他植物相比，水藻可以种植在任何地
方并迅速繁殖，而且几乎不需要特别的养分。美国明尼苏达大学生物提炼中心主任罗杰·鲁安说：“按照水
塘培植海藻的做法，人们很容易就可以生产出19000L的燃油，但是同样质量的大豆只能生产190L的燃
油。这就是海藻和大豆的不同，它们的产油量相差100倍。”
美国亚利桑那州立大学的一个公司目前已经筹集到300万美元用于开发把水藻变成飞机燃料的先进技
术。该大学的2位科学家相信，通过种植水藻最终每天每公顷大约可获得2．5桶飞机燃料。
(朱宏阳)
万方数据