化示范及商业化规模生产装臵。 二生物能源是保障国家能源安全，推动可持续发展的迫切需要 表所示为年年内我国石油消费结构。可见随着经 济的持续高速发展，石油消费总量不断增加，而国内石油生产只能维 持在亿吨左右，供需矛盾特别突出，从年开始，我国进口石 油的比例已经超过。 表年我国石油消费与进口情况统计单位亿吨 年份 石油消费 总量 国内产量 进口量 进口比例 发展生物能源，逐步减轻对进口石油的依赖程度，已经成为国家 能源安全及经济可持续发展的重大需求, 三发展生物能源是保护生态环境，建设低碳经济的迫切需要 据年国际能源署，发 布的燃料燃烧二氧化碳排放 年中国总排放量为亿吨，主 要来自能源生产与消费，占全球排放的，超过美国成为世界上 排放第大国。 年月日国务院召开常务工作会议，研究部署应对气候 变化工作，决定到年我国控制温室气体排放的行动目标单位国 内生产总值二氧化碳排放比年下降。由于全球温室气体 总量的以上来自能源生产和消费领域，而生物能源产品具有碳排 放中性的特点，其生产和消费中产生的释放到大气环境中后，可以 被植物光合作用吸收，不会导致大气环境的净增加，是实现温室气 体减排目标的根本出路, 四发展生物能源是调整农业产业结构，促进农民增收的迫切需要 生物能源生产原料主要来自农业，发展生物能源，可以转变传统 种植业粮经饲三元结构为粮经饲能四元结构，为农村开辟新 兴产业，有效延长农业产业链，提高农产品附加值，增加农村就业机 会，增加农民收入。以纤维素乙醇为例，吨秸秆就可以生产吨乙 醇，按年产万吨纤维素乙醇计算，则需要秸秆约万吨，平均 每吨秸秆的价格在左右，仅此项就可为农民增收亿元以上。 三项目相关领域的研发基础和相关发展趋势 生物能源包括生物燃料生物燃气和生物氢能，生物燃料主要指 燃料乙醇和生物柴油，由于以丁醇为代表的长链醇作为发动机燃料的 性能优于燃料乙醇，被认为是具有发展前景的第二代生物燃料。 目前国内外燃料乙醇主要以糖质和淀粉质原料生产，即第代燃 料乙醇，其大规模发展方面会影响粮食安全，另方面扩大原料种 植面积会破坏生态多样性。利用以秸秆为代表的木质纤维素类生物质 生产的纤维素乙醇，被称为第二代燃料乙醇，但木质纤维素类生物质 加工转化难的问题十分突出。基于能够在不适宜于粮食作物生长的边 际土地上种植，生物量产量高且易于加工转化的原料如甜高粱茎秆和 菊芋块茎等生产的燃料乙醇，被称为代燃料乙醇。 研发基础 淀粉质原料燃料乙醇技术 我国十五期间试点建设大型燃料乙醇装臵，目前已经形成了 总量万吨的燃料乙醇生产能力，不仅积累了发展燃料乙醇这最 主要生物能源产品的经验，而且乙醇发酵关键技术和大型装臵建设的 工程化技术都取得了重大突破。 淀粉质原料高浓度乙醇发酵技术取得突破在我国发展燃料乙醇 之前，乙醇发酵行业发酵终点乙醇体积比浓度般在，不仅发 酵醪精馏能耗高，而且吨乙醇生产排放的废糟液高达吨，废糟 液处理设备投资大，运行能耗高的问题更突出。在国家十五重点 科技攻关项目生物能源生产关键技术和工业界的共同支持下，大 连理工大学江南大学和广西科学院等单位开展了高浓度乙醇发酵的 研究工作，取得了突破性进展，目前我国乙醇发酵技术发酵终点乙醇 体积比浓度已经达到以上，工业生产装臵连续发酵乙醇体积比浓 度已经提高到，燃料乙醇生产的能耗显著降低。 高温乙醇发酵技术进步降低燃料乙醇能耗酵母乙醇发酵般 在下进行，而循环冷却水在夏季高温季节无法达到冷却发酵 装臵需要的温度，燃料乙醇装臵只能采用投资大且运行能耗高的制冷 系统制备低温水来保持正常运行，高温发酵是解决这问题的唯选 择，目前国内几套大型燃料乙醇装臵的发酵温度已经提高到以上。 纤维素乙醇技术 与欧美等发达国家相比，我国这领域的基础研究和应用技术开 发工作起步较晚。年国家计划立项支持了秸秆资源高值化 关键过程的基础研究，由中科院过程工程研究所联合山东大学中科 院微生物所和清华大学等单位承担，围绕秸秆组分分离机制及其反应 性纤维素氢键网络破裂和短纤维形成机制及秸秆分级转化过程工程 基础理论等关键科学问题开展研究，取得的进展为秸秆类生物质预处 理和综合利用技术的开发奠定了良好基础。 年中科院知识创新工程重大项目纤维素乙醇高温发酵和生 物炼制启动，经过二年多的努力，在原料预处理纤维素酶生产菌 株筛选及液体深层发酵混合糖发酵菌株构建技术集成与系统优化 等方面都取得了较好研究进展。与此同时，浙江大学等单位在国家 项目支持下，真菌纤维素酶技术开发取得突破性进展，在吨规模发 酵罐中，标准滤纸酶活达到中科院成都生物研究所农业部沼气 科学研究所和中国农业大学等都长期从事这领域研究工作，在产甲 烷菌群分离与鉴定发酵工艺及产气调控发酵过程种群动态变化监 测干发酵技术大中型沼气工程等方面都取得了良好进展。 在洁净生物燃气技术开发方面，中科院成都生物所与德国公 司合作，共同完成联合国工业发展组织示范项目坦桑尼亚剑麻废液 产沼气发电工程和古巴哈瓦那市万户家庭有机垃圾沼气发 电工程，这两个工程均为高浓度全混式连续发酵工艺，综合了生物脱 硫和多级生物调控等多项先进技术。中科院过程工程研究所在气体脱 硫净化方面积累了丰富经验，开发了膜吸收脱硫关键技术，在天然气 脱硫中的应用，可以将总硫和硫化氢分别脱除到以下，同时通 过对脱硫机理的分析，针对精脱硫剂的寿命问题，开发了有效的再生 手段，使脱硫剂的寿命显著延长。 十五期间，新型高效规模化沼气工程作为国家科技支撑 计划重大项目获得支持，研究开发了产甲烷菌剂和产沼气促进 剂等相关功能剂，提高了沼气装臵的产气率，缩短了启动时间。 长链醇生物燃料 近年来，针对丁醇作为生物燃料对成本降低的特殊要求，中科院 微生物所和上海植物生理研究所等单位，在国家项目和中科院知 识创新工程项目的支持下，开展了丙丁梭菌的遗传改造工作，获得了 能够耐受约丁醇浓度且溶剂合成能力提高的突变株，通过基因 组重测比较基因组学和比较蛋白质组分析，解析了与溶剂耐受丁 醇生物合成相关的重要分子基础和胁迫耐受性机制，构建了数株性能 优化的基因工程菌，其中丙酮途径缺失的突变株，发酵总溶剂中丁醇 比例提高，对葡萄糖的收率达到。与此同时，中科院大连 化学物理研究所和大连理工大学等单位利用木质纤维素类生物质水解 液和菊芋汁水解液生产丁醇的研究也取得了良好进展。 在异丁醇和异戊醇生物制造方面，中科院天津工业生物技术研究 所在大肠杆菌中成功克隆表达了异戊醇和异丁醇合成途径关键酶 酮基酸脱羧酶和醇脱氢酶基因，通过敲除大肠杆菌中其他丙酮酸竞争 途径，提高了异戊醇和异丁醇的合成产率利用适应进化技术筛选出 异戊醇耐受性显著提高的突变菌株，其异戊醇耐受性从提高到 双向蛋白质电泳分析发现在高异戊醇耐受性菌株中有超过 个蛋白发生了上调或下调的表达变化在大肠杆菌中成功组装出异丁 醇和异戊醇的整条合成途径，构建出初级异丁醇和异戊醇细胞工厂。 ，丁二醇是另种潜在燃料，大连理工大学以秸秆水解液和菊 芋水解糖为底物，发酵法生产，丁二醇，发酵终点产物浓度可以达 到以上，为，丁二醇生物燃料发展奠定了良好基础。 二发展趋势 纤维素乙醇研发投入增加，技术开发和产业化进程加快 随着淀粉质原料燃料乙醇的快速发展，玉米等粮食类原料大量消 耗拉动其价格快速上涨，不仅直接影响燃料乙醇生产成本和原料的供 给，而且潜在影响人类粮食安全，发展非粮燃料乙醇已成为世界 各国的共同选择。以秸秆为代表的木质纤维素类生物质资源丰富，价 格低廉，是大规模发展燃料乙醇的理想选择，因此纤维素乙醇成为当 前研发的重点，研发投入不断增加。以美国为例，年月安 排亿美元支持个以秸秆为原料采用不同技术路线的纤维素乙醇 示范装臵，年月和月又分别安排亿美元和 亿美元，支持生物能源和生物基化学品技术开发中试和示范工程装 臵建设，其中大部分经费继续支持纤维素乙醇，其发展目标是到 年进入商业化生产，纤维素乙醇在成本上能够与成品油竞争。 当前纤维素乙醇技术发展的瓶颈仍然集中在纤维素酶和混合糖发 酵菌株构建，前者决定原料预处理技术路线设备投资和能耗，后者 决定纤维素乙醇生产的原料消耗和综合能耗。世界上几大酶制剂公司 包括丹麦的诺维信美国的杰能科荷兰的 帝斯曼及研发机构如美国政府能源部可再生能源国家实验室 ，等均在纤维素酶 技术开发方面投入巨大，目标是依托现代生物技术进展提供的先进方 法和手段提高纤维素酶的效率和发酵水平，将纤维素乙醇生产中纤维 素酶的成本从目前的每加仑约美分降低到美分以下。在混合糖 发酵菌株构建方面，和普度大学等研究机构分别构建了基于乙醇 发酵运动单孢菌和酿酒酵母 的工程菌株，实现混合糖发酵生产乙醇，而英国的 公司则开发了高温细菌连续发酵生产纤 维素乙醇技术，并于年建立了个适宜于多种原料特点的小型示 范装臵，。 能源微藻已经成为生物能源技术发展的前沿 微藻是在海洋湖泊等水体中分布广泛的单细胞植物，整个藻体 都能光合作用，其光合效率可以高达，产油能力是油料作物如大 豆向日葵油菜籽和棕榈树等的倍以上，而且微藻培养不占用耕 地，以为碳源光自养生长, ，。因此，光自养微藻被认为是最有可能 替代油料作物，为生物柴油产业发展提供大宗原料的选择