中国如何突破生物柴油产业的原料瓶颈

1、中国如何突破生物柴油产业的原料瓶颈作者：张宏翔   来源：中国生物工程杂志,2005,25(11):1-6   发布者：赵宗保 华艳艳 刘波   日期：2005-12-19   今日/总浏览：7/15997中国如何突破生物柴油产业的原料瓶颈*赵宗保* 华艳艳  刘波(中科院大连化学物理研究所生物技术部, 大连116023)摘要 因应我国日益严峻的能源资源、能源环境和能源安全形势，国家大力倡导发展可再生能源。生物柴油是最重要的液体可再生燃料之一，在能源性质方面可以完全替代化石柴油，而且还具有安全环

2、保等其它优良特性。当前利用动植物油脂生产生物柴油，原料成本偏高，而且稳定、充足的油脂原料供应体系尚未形成。我国是油脂资源短缺国家，近年来植物油进口量逐年增加。同时，我国耕地资源匮乏，粮食供应形势不容乐观，扩大油料作物种植的潜力非常有限。但是，我国宜林地丰富，农林废弃生物质资源量巨大。综合以上因素，我国应重点发展木本油料植物规模化种植和推广，加快微生物油脂发酵技术创新和产业化进程；同时，利用植物遗传育种技术提高油料作物产量以及选择性发展不与粮争地的油料作物。依靠各方面的进步，发展创新的油脂生产技术，保障我国生物柴油产业和油脂化工行业健康发展。关键词 生物柴油  油脂

3、  产油微生物  油料植物  可再生能源 * 中国科学院“百人计划”资助项目，国家重点基础研究发展计划（973计划）资助项目（2004CB719703）* 通讯作者，E-mail：zhaozb  1. 发展生物柴油产业对保障我国液体燃油供应意义重大 液体燃油是维持现代社会正常运转的基石之一，是最重要的动力燃料。随着世界经济的发展，全球性化石资源日益枯竭，液体燃油的供应形势日趋严峻，能源短缺已经成为制约世界各国经济发展的重要因素之一。我国2004年进口原油达到1.2亿吨，占原油

4、加工总量的44%，过高的进口依存度已经威胁到国家能源战略安全。在能源消费结构上，我国是柴油消费大国，2003年消费柴油8307万吨，汽油4016万吨；2004年柴油产量突破1亿吨，进口量仍达274万吨。因应我国特殊的燃油消费结构，近年来炼化企业不断提高柴汽比，2004年生产柴汽比达到1.94。但是，我国消费柴汽比在2.0以上，云南、广西、贵州等省区的消费柴汽比甚至在2.5以上。作为农业大国，我国近年来农用柴油年消费量在1500万吨以上。随着农业机械化进程和世界范围内车辆柴油化趋势的加快，未来柴油的供需矛盾将更加突出。因此，在石油资源日趋枯竭、柴油需求量日益扩大和油品结构性矛盾长期存在的多重压力

5、下，寻找和开发柴油替代能源对保障国家能源安全、促进经济社会可持续发展具有重要战略意义。生物柴油由各种动、植物油脂经酯化或转酯化工艺而得，其主要成分是长链脂肪酸甲酯。生物柴油具有能量密度高、润滑性能好、储运安全、抗爆性好、燃烧充分等优良使用性能和可再生性、环境友好性及良好的替代性能，是最具发展潜力的大宗生物基液体燃料。采用生物柴油的发动机废气排放指标不仅满足目前的欧洲号标准，甚至满足随后即将在欧洲颁布实施的更加严格的欧洲号排放标准。目前在美国、欧洲、亚洲的一些国家和地区已陆续建立商品化生物柴油生产基地，并把生物柴油作为代用燃料广泛使用。生物柴油使用最多的是欧洲，份额已占到成品油市场的5%，规划2

6、020年达到20%。到2002年底德国就已经形成了200万吨规模生物柴油的生产能力，美国和日本也都形成了几十万吨规模的生产能力。我国海南正和生物能源公司、四川古杉油脂化工公司和福建卓越新能源发展公司等先后建立了年产生物柴油万吨级规模的装置。我国“十五”纲要提出需发展各种石油替代品，将发展生物基液体燃料确定为国家产业发展方向。在我国发展生物柴油产业，不仅是应对日益严峻的能源形势所必需，也是舒缓能源消费结构矛盾的客观要求，还可促进我国环境保护和农业产业结构调整1。2. 生物柴油产业原料供应的国情分析2.1 生物柴油的生产原料目前世界各国纷纷根据本国国情选择合适的油脂原料生产生物

7、柴油。欧洲和北美地区耕地资源丰富，农业高度发达。因此欧洲各国，尤其是德国，大规模种植油菜，采用菜籽油生产生物柴油，并建立了相应的产品标准。美国主要利用高产转基因大豆，发展以大豆油为原料的生物柴油产业。东南亚国家属于热带雨林气候或热带季风气候，全年高温，但雨水丰富，适于规模化种植油棕，棕榈油已成为当地发展生物柴油的重要原料。世界可再生能源生产大国巴西，主要利用蓖蔴籽油进行生物柴油生产。按照当前技术，利用动植物油脂原料生产生物柴油，原料成本占生产总成本的70%-90%，所以油脂原料是决定生物柴油价格的最主要因素。我国是植物油脂资源短缺国家，现有油料作物年产油脂在1000万吨左右，尚不足以满足国内食

8、用油消费市场需求。近几年油脂进口量逐年递增，2004年超过700万吨，成为全球最大食用油进口国。据农业部公布的数据，2005年上半年我国仅食用植物油进口就达290万吨，用去外汇13.5亿美元；同期进口食用油籽1200余万吨，用汇36亿美元。我国目前进行小规模生物柴油生产的企业，基本上依赖资源非常有限的餐饮业废油“地沟油”，尚缺少稳定、可靠的油脂原料供应基地和渠道。因此，开拓油脂资源成为我国未来生物柴油产业发展的瓶颈。2.2 土地资源分析 我国人多地少，耕地资源稀缺，要在占世界7%的耕地上，养活占世界22%的人口。据国土资源部2004年中国国土资源公报介绍，我国现有国土面积为9.32亿

9、公顷，其中耕地面积为1.22亿公顷，占国土面积的13%，人均耕地面积仅1.43亩，不到0.1公顷，不及世界平均水平的一半。全国有666个县（含县级行政区）人均耕地低于联合国粮农组织确定的0.8亩警戒线。虽然目前多数国家是以油料作物或食用油所产生的废油为原料生产生物柴油，但我国用于扩大常规油料作物种植的土地资源没有保障，要依托农产品为原料生产生物柴油并不现实。2.3 油脂供应形势分析 油脂不仅是生活必需的食用品，还是传统化工行业的基本原料，用于生产包括黏合剂、溶剂、脱漆剂、表面活性剂、工业化学品、润滑剂、塑料、增塑剂及农用化学品等产品2。油脂化工副产品甘油除用在医药、食品和化妆品等行业

10、外，近年国内正在开发用于生产1,3丙二醇。随着能源形势的恶化，油脂成为生物柴油生产的原料，其需求量将远远大于当前的生产能力。同时，生物柴油产业发展将会竞争性地掠夺传统油脂化工行业资源。据报道，在欧洲由于动植物油被划归为生物质，越来越多地用于燃烧发电或生产生物柴油，享受税收优惠政策，油脂化学品工业正受到巨大威胁，生产商只能进口棕榈油或以矿物油为原料来生产所需的油脂化学品。当前世界各国都注意到油脂原料供给问题是生物柴油产业发展的关键。可以预计，随着世界生物柴油产业的发展，国际植物油供给市场将日趋紧张。3. 我国生物柴油产业发展的资源对策欧美等生物柴油发展较快的国家均以油菜和大豆等植物油脂

11、为原料，东南亚国家则可以利用优越的自然条件种植油棕，获取油脂资源。目前我国已提出了开发生物柴油的能源战略，然而我国油料作物的生产成本和规模尚不适于生物柴油开发。因此，要深入认识国情，理性分析自然和资源条件，从多方面着手，狠抓油脂资源开发，发展创新油脂生产技术。作者建议从以下三个方面着手保障我国未来油脂资源供应：3.1 发展木本油料植物我国木本油料植物种类丰富，可用作建立规模化原料基地的乔灌木种近30种，其中分布集中，并能利用荒山、沙地等宜林地进行造林，建立良种供应基地的油料植物有10种左右3。木本油料植物可利用占我国国土面积约69%的山地、高原、丘陵地区甚至沙地生长，不仅可以为生物柴

12、油产业提供丰富的可再生原料，改善生态环境，还有利于农村产业结构调整，增加农民收入，解决部分农村剩余劳动力的就业问题。木本油料植物抗逆性强，管理粗放，不与粮食争地，而且是栽种一次，收获多年，采集时需要大量的劳动力，合乎我国国情。我国境内重要的木本油料植物如大戟科的麻疯树（Jatropha curcas）、漆树科的黄连木(Pistacia chinensis)、山茱萸科的光皮树(Cornus wilsoniana)、无患子科的文冠果（Xanthoceras sorbifolia）、山茶科的油茶（Camellia oleifera）等，都具有巨大的开

13、发潜力和广阔的发展前景。近年来虽然有一些研究单位开展了这方面的工作，有的还建立了油料林示范基地，但同国家需求相比，仍有很大的差距，需要继续加快推广。3.1.1 麻疯树麻疯树，又名小桐子，广泛分布于云南、四川、广西、广东、海南等地，为大戟科麻疯树属落叶灌木或小乔木，树高2-7 m，分枝多，掌状形单叶，互生。卵圆形肉质蒴果成熟时黄色，纵径2.5-3.0 cm,横径2.0-2.5 cm，每果一般具种子3 枚，少数2 枚；种子长椭圆形、黑色，一般每公斤干籽有1 800 粒，种子重量占成熟果重50%以上，含油率40%60%。

14、小桐子油脂肪酸组成和菜籽油非常相似，是生物柴油的理想原料4。麻疯树干果产量可达9吨/公顷，折合成产油量为1.5-3吨/公顷。我国在“八五”期间完成了金沙江流域燃料油植物资源的调查及栽培技术研究，建立了30公顷的小桐子栽培示范片。目前四川大学生命科学院正储备以麻疯树油为原料，建立年产2万吨生物柴油的装置5。3.1.2 黄连木中国黄连木为漆树科黄连木属落叶乔木，树高可达30 m以上，在长江中下游及华北、西南各地均有分布。黄连木有着极强的适应性，在温带、亚热带、热带地区均能够正常生长，是重要的荒山、荒滩造林树种和观赏树种，也是优良的油料及用材树种6。种子含油率在40左右，脂肪酸组

15、成和菜籽油非常相似，可作食用油，也是优良的生物柴油原料。海南正和生物能源公司已建成10万亩黄连木种植基地，用于为其生物柴油生产供给油料。根据对中国24个省、市、区进行的初步调查：目前中国黄连木资源量13.3万公顷，以种子平均产量7.5吨/公顷计，则可产种子100万吨，折合油脂相当于40万吨，能够生产生物柴油40万吨。3.1.3 光皮树光皮树是山茱萸科梾木属落叶灌木或乔木，分布于长江流域至西南各地的石灰岩区，黄河及以南流域也有分布。采用嫁接苗栽植2-3 年后可开花结果，盛果期50 年以上，寿命可达200 年以上。大树每年平均产干果50 公斤，多可

16、达150公斤，果肉和核仁均含油脂，干全果含油率33%-36%，油脂主要含C16和C18系脂肪酸，其中亚油酸含量近50%，可用于生物柴油生产7。据湖南、江西、广东、广西的不完全统计，石灰岩山地总面积有2200万公顷，按10%面积栽植光皮树，可年产光皮树油3000万吨。3.1.4 油茶 油茶，别名茶子树、茶油树，分布在我国17个省市，是我国特有的山茶属多年生木本油料植物，常绿灌木或小乔木，树高3-6米。油茶种植后，一般3年左右可开花结果，6-7年进入盛果期，寿命可达100年以上。油茶籽含油率40%以上，茶籽油脂肪酸组成和橄榄油非常相似，具有独特清香，在我国南方如湖南、江西等省，茶籽油被作

17、为上等食用油8。我国有许多油茶优良品种，产油量可达0.5吨/公顷，个别品种达0.7吨/公顷。种植茶树用工很少，只相当于种油菜用工量的1/10。3.2 发展微生物油脂技术许多微生物，如酵母、霉菌和藻类等在一定条件下能将碳水化合物转化为油脂贮存在菌体内，称为微生物油脂，又叫单细胞油脂。过去曾因为技术经济原因，单细胞油脂很少有规模化生产的报道。但是，随着工业生物技术的发展，微生物油脂发酵从原料到过程都不断取得新进展。最近，美国国家可再生能源实验室（NREL）的报告特别指出微生物油脂发酵可能是生物柴油产业和生物经济的重要研究方向9。大部分微生物油脂的脂肪酸组成和一般植物油相近，以C16和C1

18、8系脂肪酸，如油酸、棕榈酸、亚油酸和硬脂酸为主。微生物油脂发酵周期短，不受场地、季节、气候变化等的影响，一年四季除设备维修外，都可连续生产；而且产油微生物菌种资源丰富，能利用和转化各种农林废弃木质纤维素原材料，对农业大国具有特殊的意义。因此，利用微生物转化法获取油脂具有非常大的发展潜力。3.2.1 产油酵母和真菌作者实验室的研究表明，一些产油酵母菌能高效利用木质纤维素水解得到的各种碳水化合物，包括五碳糖和六碳糖，生产油脂并贮存在菌体内，油脂含量达到细胞干重的70%以上。和当前乙醇发酵主要利用淀粉类和纤维素水解的六碳糖相比，微生物油脂发酵具有较明显的原材料资源优势，对解决生物质经济公认

19、世界难题之一“全糖转化利用”很有价值。微生物利用碳水化合物生产油脂，理论转化率为32%，文献中实际报道的最高值为25%10。废弃木质纤维素资源，以玉米秸秆为例，半纤维素和纤维素含量近70%。据估算，每7吨作物秸秆可产1吨菌油，表明利用木质纤维素生产微生物油脂具有很可观的潜在经济效益。我国农林废弃物资源丰富，仅农作物秸秆每年产量近10亿吨，目前还没有得到充分利用。近年来生物技术的飞速发展使木质纤维素降解技术不断取得突破，为合理利用生物质资源奠定了良好的基础。微生物基因工程改造技术不断进步，发酵成本不断下降，将加速微生物油脂规模化生产进程。微生物油脂技术的发展还将为能源作物提供新的下游转化支撑技术

20、。自然界中一些具有高效光合能力的植物，能快速生长，积累生物量。这些植物体经过适当处理即得到碳水化合物，是油脂发酵的理想原材料。从当前情况看，我国南方的芒获类植物，包括芒属(Miscanthus)和获属(Triarrhena)，可算是理想的生物燃料作物，具有适应能力强、生长迅速、可连续多年收获、产量高、生产成本低等优势11。芒获类植物属禾本科多年生高大草类，为高光效碳四(C4)植物，在生长过程中能更多地吸收二氧化碳和放出氧气，对降低温室效应十分有利，是有价值的环保植物。据试验，芒属作物年产量可达34吨/公顷。如果利用微生物转化技术，油脂产量可达5吨/公顷，比现有其他任何油料植物都高。现在欧洲一些

21、国家已在大规模种植芒属植物，英国打算拿出1.5´106英亩的土地来种植这种生物燃料作物。一些可粗放种植的高糖植物，如甘薯、木薯和菊芋等，也可以是未来微生物油脂发酵的原料。菊芋是适宜于在滩涂地、盐碱地生长的多年生耐盐抗旱、高产、高糖植物。在国家863计划长期支持下，利用滩涂地种植菊芋已获得成功，目前正大面积推广12。菊芋块茎干物质亩产可达1.2吨，茎叶干重1.3吨以上，超过玉米和小麦的生物量单产水平。占菊芋干重70%80%的物质经水解得果糖，可作为微生物油脂发酵的碳源。如果微生物油脂发酵技术实现菊芋全生物量利用，1公顷滩涂地平均年收获5吨油脂，也高于油料作物的油脂年产量。3.2.2&#

22、160;产油微藻含油藻类也是潜在的油脂生产者。藻类光合作用转化效率可达10%以上，含油量达30%。NREL曾支持海洋微藻研究长达20年之久。利用微藻产油同其它产油微生物一样，具有不与农业争地的明显优势，而且可用海水作为天然培养基进行大量繁殖。然而，微藻属于低等植物，其基因工程改造技术远没有酵母和细菌等成熟，微藻进行高密度培养的技术难题也非常明显。正因为认识到这些技术障碍，NREL在1997年决定不再资助微藻产油和微藻制氢的研究13。当前，国内外仍然有许多科学家在探索发现新的藻种，并研制“工程微藻”，希望能实现规模化养殖，降低成本，为获取油脂资源提供一条可靠的途径。3.3 发展油料作物

23、我国有丰富的草本油料作物资源，如油菜、大豆、棉花、蓖蔴等，它们的单位面积产油量比野生木本油料植物高；但是，在扩大油料作物种植时重点要放在可利用非耕地或利用农闲地的品种，以较好地协调我国粮食安全与能源安全的矛盾。据农业部统计，2003年粮食作物播种面积近1.0亿公顷，油料作物播种面积为1500万公顷，其中油菜720万公顷、花生500万公顷、向日葵120万公顷（大豆930万公顷未计在内）。根据我国作物种植分布情况分析，继续扩大油料作物播种面积的潜力非常有限。但是，加快转基因油料作物的研究和推广，大幅度提高油料作物产量，降低生产成本，仍然具有非常重要的意义。故今后应致力于加速利用具有自主知识产权的基

24、因工程高油育种技术，培育出超高油油料作物新品种。3.3.1油菜是我国值得推广的生物柴油作物油菜属十字花科，芸薹属，越年生或一年生作物，主要有白菜型油菜、芥菜型油菜和甘蓝型油菜三大类。其中甘蓝型油菜种子含油量较高，一般在42左右，高的达50以上。油菜抗性强，耐寒、耐湿、耐肥，产量高而稳定，增产潜力较大。我国长江流域和黄淮地区的冬油菜，仅利用耕地的冬闲季节生长，基本上不消耗地力，不影响主要粮食作物生产，不与主要粮食作物争地，是非常具有发展潜力的作物14。据估计，在不与粮争地的前提下，我国有2670万公顷耕地可用于发展能源油菜，按当前平均菜籽产量1.6吨/公顷，含油率40%计，每年通过能源油菜种植可

25、为1700万吨生物柴油提供原料。我国油菜研究和育种工作具有较深厚的基础，一些领域处于世界领先地位。浙江省农业科学研究院原子能研究所育出的“超油2号”甘蓝型油菜，种子含油量高达52%，已获得多国专利。如果进一步加强科研投入，预计在不久的将来我国能源油菜的平均产量可提高到3.0吨/公顷，菜籽含油量稳定在50%以上。陈锦清等从光合产物分配角度出发，利用反义PEP基因调控籽粒油脂蛋白质含量比率，成功育成了转基因油菜超油1号和超油2号，其含油量分别达到47.8%和54.2%，含油量提高幅度25%以上，现已进入生产性试验阶段15。值得一提的是，油菜种植时每生产1吨菜籽将产生2吨秸秆。规模化种植时，如果能结

26、合微生物油脂发酵技术，充分利用油菜秸秆资源，不仅可以使单位耕地面积得油率提高70%以上，而且具有显著的环境效益。3.4 废油脂利用为了降低生产成本，目前国内外一些企业利用油脂工业下脚料、餐饮业废油脂、废弃动物脂肪等生产生物柴油。由于我国油脂资源总量供应不足，废油脂的资源量也非常有限，对生物柴油产业的实际影响不大；但对减少环保压力十分有利，所以具有一定的发展空间。据估计，油脂行业约有10%的下脚料，按当前我国植物油的产量计，资源总量仅在100万吨左右。餐饮业废油脂又称“地沟油”，是城市废水中的重要污染物。据了解，北京市环保局有两个“地沟油”回收处理厂，日产废油脂15吨，可作为生物柴油生

27、产原料。但是，下脚料和废弃油脂的集中处理和回收利用在成本上是否真正合适，还需要经过认真地试验和考察16。总之，废油脂的利用可以促进生物柴油产业的发展，但因为资源总量有限，供应不稳定，原料组成及性能变化大，只能是生物产油产业发展的有益补充资源。4. 结论我国液体燃料短缺，能源消费结构性矛盾长期存在，发展生物柴油产业，部分替代化石柴油，已成为当前可再生能源发展的必然趋势。生物柴油生产需要稳定的油脂原料供给，但我国是油脂资源短缺国家，近年来虽然生物柴油生产尚未进行规模化生产，但植物油进口量都在数百万吨，而且还呈现上升趋势。同时，我国耕地资源匮乏，13亿人口的粮食供应形势不容乐观。因此，仿效

28、西方发达国家，依靠扩大油料作物种植获取油脂资源，不符合我国国情。我国宜林地丰富，农林废弃生物质资源量巨大。我国应重点发展木本油料植物规模化种植和推广，加快微生物油脂发酵技术创新和产业化；同时，利用现代植物遗传育种技术提高油料作物产量以及选择性发展不与粮争地的油料作物种植。总之，油脂资源问题的解决，需要在理性认识综合国情的前提下科学决策，加大科技投入，发展创新的油脂生产技术，才能保障我国生物柴油产业和油脂化工行业健康发展。参考文献:1 闵恩泽, 唐忠, 杜泽学, 等. 发展我国生物柴油产业的探讨. 中国工程科学， 2005，&

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