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| 含淀粉质原料生产生物能源生物化工产品的思考 |
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当前生物技术高速发展，生物产业正在全世界范围内迅速成长，预测2020年世界将进入生物经济时代。生物经济正在成为网络经济之后的又一个新经济增长点。生物技术产业的销售额每五年增加两倍，增长率高达25-30%，生物产业有望在10-15年内成为我国新的支柱产业。国家成立了生物技术研究开发与促进产业化领导小组加强组织领导。淀粉是工业生物产业的原料，淀粉深加工的大多数产品又是采用生物技术形成的生物产业，淀粉及淀粉深加工产品在开发生物能源、生物化工和食品工业、发展绿色制造业、绿色GDP方面将大有作为，可以成为淀粉工业的一个新的经济增长点，为我国发展生物经济做出较大贡献。
以生物质为原料生产生物能源和生物化工产品（特别是替代石油化工产品）是目前国内外的热门话题，已经成为许多国家研究开发的重点。我国也非常重视，2005年4月国家发改委举办生物能源与生物化工产品科技与产业发展战略研讨会，发改委负责人表示“我国发展生物能源和生物化工产品有巨大的潜力和战略机遇，必需尽快建立完善一系列符合国情的政策支持和技术标准，官、产、学、研集中力量瞄准最紧迫的领域尽快实现工业化”。国家863计划生物和现代农业技术领域决定启动“生物能源技术开发与产业化”项目。国家科技部中国生物技术发展中心于2005年9月提出“中国的生物技术与生物经济”的指导性的文件。认为“发展生物技术及产业无疑是一次难得的历史机遇……失去这一机遇可能会延缓民族复兴的进程”。2005年9月14～16日由国家科技部，国家发改委，农业部，卫生部，国家环保总局，中国科学院等部门，地方政府以及联合国发展计划署、国际粮农组织、世界卫生组织等国际组织共同参与的“首届国际生物经济高层论坛”在北京举办，4位诺贝尔奖金获得者20多位国内外院士参加了会议。为此对含淀粉质原料生产生物能源和生物化工产品的有关问题作了一些思考，供同仁们参考。
1、以可再生资源生产生物能源生物化工是形势必然，是历史机遇。
我国以可再生资源含淀粉质原料的生物技术产品已经为经济发展做出了重要贡献。我国淀粉工业作为商品和生物技术产品的原料，产量是世界第二位，用生物技术的酶法制糖产量也占世界第二位，发酵酒精世界第二，采用生物工程生产的味精和柠檬酸已达世界第一位，赖氨酸将成为世界生产基地。随着经济的发展用生物质原料生产生物能源和生物化工产品替代石化产品已成为当前发展的必然趋势，因为石油资源是不可再生资源，总有一天要枯竭，而生物质原料不但可再生而且量更大。在生物质原料中农产品含淀粉质原料和农作物秸秆等含纤维质原料更是一大资源（粮食产量5亿吨/年，未含木薯等含淀粉质资源、秸秆7亿吨）在含淀粉质原料和纤维质原料利用中首先是生物转化成糖，然后用微生物发酵技术制备生物燃料和生物化工产品。
国内正在开发的生物化工产品有山梨醇裂解制乙二醇、丙二醇、丙三醇技术，葡萄糖发酵制1,3丙二醇，生物降解材料聚乳酸和聚丁烯琥珀酸酯，发酵法甲乙酮，烷基葡苷表面活性剂，发酵法丁二酸，透明质酸，谷氨酰胺，结冷胶（Gellargum）等。
目前淀粉质原料制糖技术已经成熟可以实现几十万吨级的产业化生产，而植物秸秆制糖技术正处于科研攻关和中试阶段，因此眼前发展生物能源和生物化工采用含淀粉质原料是现实的，长远看纤维素制糖将更有其优势。
当前利用淀粉质原料发展生物能源和生物化工产品也是一个历史机遇，由于经济、政治等原因，国际原油价格猛涨，从2001年的20美元一桶，涨到70左右美元一桶(158立升)，而玉米价格基本上是稳定的，特别是我国玉米生产形势处于增产趋势，近五年内预测供稍大于销，2004年玉米总产量1.32亿吨，消费1.23亿吨；2005年预测玉米总产量1.29亿吨，消费达1.25～1.27亿吨。价格也是基本稳定。根据2005年第二届中国(长春)玉米产销衔接会有关方面预测我国玉米产销形势将会沿着供大于求，供求基本平衡和净进口三个阶段的轨迹进行。目前正处在第一阶段上，此阶段将持续5年左右时间，之后是供需基本平衡阶段，但会较为短暂，随着国内加工转化量的大幅增加，应是到了净进口阶段。此阶段的到来不会等得太久，有国际专家预测2010年就会出现净进口局面，我国加入WTO后近年都有700多万吨的进口配额，但由于我国玉米供大于求，价格也不高，因此从2000年以来玉米进口基本停止，2003年进口8000吨，2004年进口2300吨，因此700万吨的进口配额可以作为后备原料。我国木薯产量也在大幅度提高，就广西省2004年木薯总产量比2003年420万吨可增长20%，加上2003年10月起生效的泰国与中国的自由贸易协定生效，木薯片列入零关税商品名单，中国对木薯的采购量剧增，2003进口180万吨左右。中国木薯淀粉的进口量2003年为53.99万吨，2004年增加到72.46万吨(中国海关资料)，充足的含淀粉质原料和加工产品品种众多为发展生物能源和生物化工产品奠定了基础。
生物化工产品的优势还表现在：
㈠用生物技术生产与石化同类产品时，其工艺短、设备简单、投资少、成本低。如用裂解气的C4馏份生产甲乙酮，需经C4馏份催化加氢除炔烃及二烯烃，分离异丁烯，分离丁烷，分离及精制正丁烯，正丁烯水合制仲丁醇，仲丁醇转化得甲乙酮6道工艺，而用淀粉制甲乙酮只需淀粉制葡萄糖，葡萄糖发酵生产丁二醇，丁二醇转化得甲乙酮3道工艺。
㈡是用生物技术可生产新产品替代石化产品，性能还优于石化产品。如聚乳酸是生物技术新产品可替代塑料制品，由于可微生物降解，性能优于石化产品。
2、以淀粉质为原料生产生物能源和石化产品的两个前提：
在利用淀粉质原料时应考虑二个前提，一是确保国家粮食安全，以及粮食的合理应用。我们可以用计算的方法得出利用产量1.3亿吨的玉米生产4000万吨燃料酒精，解决全国4000万吨汽油消耗而不依靠进口，是个伟大业绩，但实际上是不行的。因为玉米还是饲料的主体，不吃肉和其他玉米制品会影响社会安定团结。我国是个粮食偏紧的人口大国，根据有关权威部门预测“十一五”期间由于粮食产量与消费同步增长，总体粮食供需关系仍然偏紧。因此以粮食为原料的生物能源和生物化工产品的发展会有一定制约，例如国家初步确定“十一五”期间玉米工业利用的消费量为玉米总产量的20%(2004年工业消费玉米1500万吨，2010年可增加到2600万吨左右)。当然还有700多万吨进口配额的后备资源和其他含淀粉质原料。虽然宏观调控是国家的行为，但企业家也是必需关注的。
前提之二是务必确保生物燃料和生物化工产品的价格要低于或等于石化产品才能组织生产。否则市场再大也不属于你的。如生物可降解塑料聚乳酸，市前景普遍看好，但在价格上高于石化产品，因此必需在科技上突破成本降低后，才能形成大规模产业化生产。
3、以淀粉质原料生产生物燃料和生物化工是机遇但也有挑战
挑战主要有三：
（1）石油并不是在短期内马上枯竭，油价会有波动，粮价也会有波动。
国际上最新估算地球上石油进入枯竭期最多可以延长五十年到一百年，目前油价猛涨还不是石油枯竭中断而是政治、经济和投机操作等原因引起的。当然国际上经济快速发展导致对能源需求加速增长是主要原因。剑桥能源研究同仁公司报告称“从现在起到2010年前石油供应将超过需求，油价最早将从2008年起经历一段较长的降价期，石油从2007年底或2008年初降至低于每桶40美元的水平”。国际上的商业权威福布斯认为“这是个巨大泡沫，我不知道它会被什么东西击破，但它终将破裂因为你不可能违背供需关系，不可能永远违背基本要素。”
当然也有的专家预测十年内油价将涨到每桶380美元。油价的波动也将影响粮价的波动和其他辅助材料的波动，对生物能源和生物化工产品造成影响，因此生物能源和生物化工产品必需不断创新工艺生产技术，确保产品价格优势，在组织生产时策划好产品发展方向都是重要的。
（2）石化产品是竞争性产品。目前75%的石化产品是以乙烯为原料(如环氧乙烷、乙二醇、醋酸、聚乙烯、聚氯乙烯等等)。而乙醇脱水就可以制得乙烯，我国在上世纪50年代初，石油工业尚未发展前曾用过这个工艺。目前石油涨价，乙烯加工产品涨幅又较大，加上我国石油乙烯的生产严重不足，国产乙烯的市场占有率不足50%，乙烯衍生物进口量折算成乙烯当量约占国内乙烯消费量的50%，因此给乙醇法乙烯带来机遇。虽然乙醇法乙烯的成本并不优于石油涨价后的石油乙烯（5.5-6吨玉米生产1吨乙烯）。但由于乙烯下游产品的附加值都较高，如环氧乙烷1.7万元/吨，乙二醇8400元/吨，聚乙烯1万元/吨，醋酸7900元/吨，所以无论石油乙烯和乙醇法乙烯都是有利润的。乙烯产品具有的巨大市场缺口和需求及较高的利润。目前国内正加快石油乙烯的新建和扩建工程，国外公司也都看好中国的市场纷纷来华投资，乙烯产能将从目前600万吨左右提高到2005年的1000万吨。如上海赛科石化公司外资占50%，年产90万吨乙烯项目，2005年将投产；扬子石化-巴斯夫公司外资50%的60万吨乙烯联合装置亦于2005年商业运营；中海壳牌(CSPC)在大亚湾80万吨乙烯将在2005年11月投产。所有这些都将形成对乙醇法乙烯的强劲排战，所以乙醇法乙烯也必须不断提高生产技术水平，提高质量降低成本。今年863计划“生物能源技术开发与产业化”课题申请指南中列有“生物乙醇制取乙烯关键技术研究与产业化”是非常必要的。
（3）是煤化学的“煤变油”“煤变化工”工程正加大发展力度，将参与竞争。
煤炭的储存量比石油更为丰富，专家预测足够开采二个世纪。中国目前70%的能源需求量是依靠煤炭解决的。煤炭不光是燃料也是石化产品的原料。南非是个例子，目前南非已形成年加工原料煤约4600万吨，产品总量700万吨，其中油品占60%，其它化工产品如乙烯、丙烯聚合物、醛、酮、蜡等约占40%。在我国用煤气化生产化肥、甲醇早已工业化，煤炼油在上世纪50年代也曾工业化生产，只是由于石油工业兴起而淘汰。目前依靠技术创新在内蒙已经规划“十一五”期间开工投产4个煤液化项目，形成2000万吨成品油生产线。国内几乎每一个有煤炭规模化生产的地方都在谋划“煤变油”、“煤变化工”、“煤变电”项目。煤炭科学研究总院北京化工研究分院及中科院山西煤化所宣称中国“煤变油”技术，每桶汽柴油的成本可以控制在20～25美元左右(煤炭涨价主要在运输和流通环节约占煤炭成本70～80%，煤炭坑口价涨幅很小)。所以在发展生物能源和生物化工时也须对煤化学发展情况进行了解。再如最近不少企业正新上从乙醇生产醋酸的项目，我国2003年醋酸产量74.6万吨，还进口40万吨，2010年预测醋酸需求量将达160万吨。产品方向是正确的，但煤化学企业也看好醋酸这个产品方向，目前有报导上海、江苏、山东、黑龙江、山西都在新上用煤化学甲醇和一氧化碳为原料的羰基合成法醋酸项目，总产能在100万吨以上(2002年国内已有羰基合成法醋酸投产)，到时肯定会有竞争。所以煤化学有的产品也会对生物化工产品挑战。
4、近期采用含淀粉质原料发展生物能源和生物化工产品是现实的，长远看木质纤维素为原料的制糖技术也将是挑战
利用数量最大、成本最低的木质纤维素为原料制糖、制酒精是利用可再生资源解决生物能源和生物化工的一个国际性大课题，不少国家早在1970年以前就已开展工作。植物秸秆主要成份是半纤维、纤维素和木质素。半纤维素、纤维素可以降解为糖(五碳糖、六碳糖)进一步发酵制燃料酒精或他产品，酒精进一步可以加工得乙烯及乙烯系列石化产品。根据美国国家再生能源实验室报导每吨干基玉米秸秆可产75加仑酒精相当于4.44吨干基玉米秸秆生产1吨酒精。我国年产干基玉米秸秆1.3亿吨左右，如三分之一回田，三分之二用来生产酒精，则可得酒精1950万吨，相当于替代我国目前汽油消耗量的50%左右，如用以生产乙烯，理论产量可得1200万吨(实际上要低于此数)，相当于目前我国乙烯产量600万吨的200%。既符合循环经济发展原则，又无粮食安全之虞，前途光明。秸秆酒精尚未产业化的问题是成本高于玉米酒精，据美国能源部门预测2015年可以实现技术和经济问题过关，实现工业化生产。最近据诺维信(NOVOZYMES)公司报导生产1加仑燃料酒精所需的纤维素酶的成本已从最初的超过5美元的水平降低至1加仑燃料酒精用纤维素酶成本为30美分，由此可以推测秸秆酒精工业化的进程有望提前。国内上海华东理工大学利用农林废弃物制取燃料乙醇已建成600吨/年的试验厂，黑龙江华润酒精有限公司已做了300吨/年玉米秸秆制酒精的中试，吉林省轻工设计研究院与丹麦合作在丹麦国家实验室用吉林玉米秸秆做了湿氧化法预处理的研究及放大试验，山东大学进行了五碳糖发酵制乙醇的研究，其他如中科院微生物研究所、南京林业大学、北京林业大学、国家食品发酵工业研究院都在进行工作。
甜高粱是优质能源作物其光合效率是大豆、甜菜、小麦等作物的2～3倍。据原农业部规划院副院长王孟杰研究员介绍甜高粱在不同生态区域生长，亩产4～7吨茎杆和300～500公斤子粒，16吨茎杆可产1吨燃料乙醇(注：利用茎杆糖液)，残渣还可用于造纸，优质高粱纸浆的成本为1700元/吨。用市售酵母传统发酵和精细工艺生产的燃料乙醇成本为3500元/吨，已在黑龙江桦川四益乙醇有限公司、山东省安丘景芝酒业集团、内蒙古呼和浩特云中酒业有限公司、辽宁朝阳天江老龙口酿造有限公司、新疆绿之能科技开发有限公司建成5个最大规模为年产5000吨燃料乙醇的示范工程。看来甜高粱茎杆产业化生产生物能源将早于玉米秸秆为原料的生物能源。对淀粉质原料的生物能源也是挑战。
5、小结
⑴石油资源不可再生，迟早会枯竭，利用可再生资源生产生物能源和生物化工是经济发展的必然趋势。在当前石油涨价居高不下而含淀粉质原料相对充足、价格相对稳定的情况下，形成了以淀粉质为原料发展生物能源和生物化工的历史机遇。
⑵发展含淀粉质原料的生物能源和生物化工有二个前提：一是必须确保粮食安全，另外是确保生物能源和生物化工产品的价格必须低于或等于石化产品。
⑶以淀粉质原料发展生物能源和生物化工是历史机遇但也有挑战和风险。一是石油价和粮食价都会有波动。二是由于石化产品价高利大，市场需求又大，石化行业正加快石化乙烯的扩建和新建，将从目前600万吨/年乙烯，到2005年约1000万吨。国外企业也纷纷来华投资抢占石化市场，因此石化产品是竞争性产品。三是煤化学的“煤变油”、“煤变化工”工程也正加大发展力度，将参与竞争。
⑷近期采用含淀粉质原料发展生物能源和生物化工是现实的，长远看木质纤维素为原料将更有优势。
⑸用淀粉质原料生产生物化工产品在策划产品方向上要特别重视，有些化工产品需要较长工艺路线而淀粉发酵法只需一步到位，有的生物化工新产品可以替代石化产品而石油化工是难以生产的，这样的产品不论石油涨价与否淀粉质原料都是占有优势的。
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| 发表时间：2008-7-23 |
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