用生物质工程解决能源问题

　　行动计划书明确提出：“这一新的合作领域集中在对双方具有共同利益的可持续和低成本的，将纤维素生物质转化为生物燃料及化工产品的技术……”

　　2008年7月9日，美国农业部副部长盖尔·布坎南出席了在北京召开的“中国能源中长期（2030—2050）发展战略论坛”，一项生物工程技术引起了他的关注。这就是清华大学李十中教授主持研究的甜高粱秆固体发酵乙醇技术。

　　次日，布坎南先生率美国农业部、能源部联合代表团考察了清华大学核研院新能源研究所设在内蒙古五原县的甜高粱乙醇中试厂。他详细查看了从甜高粱种植到最终制成乙醇的每一个环节，在每个固体发酵设备前频频留影。考察结束之时，布坎南举杯祝贺李十中教授的成果，杯中斟满的就是用甜高粱秆发酵制成的乙醇。

　　甜高粱相关生物、工程技术列入中美合作计划

　　2008年8月19日，在美国休斯敦举行的“高粱生物燃料国际会议”上，与甜高粱相关的生物、工程技术的研发被正式列入中美生物燃料合作行动。

　　让我们的视线回到上世纪70年代。

　　1973年12月，石油输出国组织的阿拉伯成员国收回石油标价权，将原油价格从每桶3.011美元提高到10.651美元，使油价猛涨了两倍多。持续三年的石油危机，使美国、日本等经济巨人步履蹒跚。能源严重依赖国际市场所带来的惨痛教训，迫使石油进口国开始谋划本国能源替代问题。

　　当年开始，巴西、美国相继以甘蔗乙醇和玉米乙醇小规模替代汽油，北欧以生物燃料供热发电，德国发展沼气工程。之后每一次油价上涨，都促使各国加快替代能源研究的脚步。

　　从2000年开始，中国在东三省开展车用乙醇试点工作。随着国家“直补”和减免农业税等一系列优惠政策出台，2004年我国玉米产量有较大增加。从实施能源战略的长远目标出发，当年6月，我国财政部正式下发《关于燃料乙醇亏损补贴政策的通知》，大力扶持以玉米为原料加工燃料乙醇等替代成品汽油工程。全国批建了4个燃料乙醇厂，并先后在吉林等5省及27个地市推行使用E10乙醇汽油，2006年销售量达1544万吨。

　　2004年，石元春院士将目光投向非粮作物。在他的领导下，刚从牛津大学回国的李十中教授及其团队将攻关目标锁定在甜高粱秆发酵制乙醇的技术研发。当时，我国的植物学家、农艺学家，如黎大爵教授、王孟杰教授等，已培育出优良甜高粱品种，在盐碱等低质土地上的产量已与国际水平相当。

　　没有想到，两年后，当李教授他们在五原县甜高粱乙醇中试厂做放大实验时，国家发改委正在酝酿我国可再生能源发展战略的新思路。2006年年底，国家发改委发文不再新批玉米乙醇项目，鼓励发展非粮生物燃料。他们也没有想到，其研究成果成为连接生物燃料第一代（以粮食为原料）和第二代（以纤维素为原料）的桥梁。

　　架起第一代和第二代生物燃料之间的桥梁

　　在“高粱生物燃料国际会议”上，李十中教授作了题为“桥梁———中国第一代到第二代的生物燃料技术”的主题报告。

　　怎样理解甜高粱秆发酵制取的生物燃料对第一代和第二代生物燃料技术的桥梁作用？

　　李十中教授解释道，业界人士普遍认为，纤维素制乙醇是未来生物质燃料发展的最终方向。当前，美国正在向非粮的二代生物燃料方向转移。美国在2008年5月出台的新《农业法案》中规定，每加仑玉米乙醇补贴由51美分降低到45美分，而纤维素乙醇的补贴却高达1.01美元。但是，由于核心技术始终没有突破，第二代纤维素乙醇的生产成本居高不下，必须积极寻求其他途径，而不能坐等新技术的产生。

　　李十中教授说，甜高粱是一个非常特殊的高粱品种。它结合了玉米、甘蔗和农业秸秆（主要成分是纤维素）三方优势。首先，它能产高粱米，高粱米可以替代玉米作粮食、饲料；其次，高粱秆含糖量较高，能像甘蔗一样用糖制燃料乙醇；再次，它还能够通过规模化集中生物燃料生产中的副产品，主要是秸秆中的纤维素，开发做颗粒燃料、饲料等，也可以生产纤维素乙醇，实现再次利用。

　　据有关资料，甜高粱有30多个品种，平均亩产高粱米150—200公斤，产秸秆5—7吨，秸秆含糖量在13%—16%。甜高粱适应性广，抗旱、耐涝、耐盐碱，在pH值5—8.5的各种类型的土壤均可栽培，在含盐量达到0.36%—0.53%的盐碱土地上，甜高粱也能正常生长，所需化肥、灌溉用水量比玉米低1/3，农药和除草剂的使用量也很少。

　　李教授告诉记者，“高粱生物燃料国际会议”原定只有100多个参会代表，会议召开时却吸引了来自21个国家的230多位该领域专业人士。为什么？因为高粱是国际公认的在低质土地上种植的高产能源作物，大家看好它的发展前景。他认为，我国耕地中有非粮低产田5024万公顷可供调整作物种植结构，开发利用这些边际性土地种植甜高粱，符合国务院提出的燃料乙醇“不得占用耕地,不得消耗粮食,不得破坏生态环境”的产业发展原则，不会影响粮食安全。

　　突破生物燃料工业化生产的转化技术

　　2008年8月19日，科技部副部长刘燕华和美国农业部副部长盖尔·布坎南共同签署了《美国农业部和中国科技部生物燃料合作行动》。行动计划书明确提出“这一新的合作领域集中在对双方具有共同利益的可持续和低成本的，将纤维素生物质转化为生物燃料及化工产品的技术……”

　　此次合作行动目的之一，是建立“中美生物燃料联合研究中心”，该中心由中国清华大学核研院新能源研究所与美国农业部研究服务局共同领导。该中心的建立及其6大研究领域的设定，都是为了解决生物质转化的技术问题。它不仅需要全新的基础理论，而且需要符合工业化生产的新技术。

　　从目前看，甜高粱（甘蔗）燃料乙醇转化技术有两种。一种是传统的固体发酵技术，这和我国传统造酒的方式是一样的。让生物质原料在发酵池中发酵，然后再蒸出乙醇；另一种是用甘蔗榨取糖汁，后经液体发酵，生产乙醇。前者生产效率低，不能满足现代能源消耗的需求。后者存在榨汁需要耗大量的电，且糖榨不净，还有原料、糖汁贮存等问题。如果想通过浓缩的方法来保存糖汁，过多的能量投入则会让这种能源生产工艺失去意义。

　　与上述方法不同，清华大学所采用的是先进的固体发酵技术。那么这种技术的先进性体现在什么地方呢？

　　简单地讲，先进的固体发酵技术是遴选一个合适的菌种，在菌种的作用下，甜高粱秆能够直接转化为乙醇，不需要经榨汁后发酵。在生产设备上，他们还发明了固体反应器，通过机械的旋转，让生物质原料和菌种充分混合，提高生产中的传质传热效率。

　　谈及技术产生的过程，李教授说：“2004年，我在中国农业大学研究甜高粱的发酵，运气真的很好，在不是很长的时间里就找到了这样一个菌种，转化效果特别好。固体发酵罐，正式应当叫生物反应器，其实它和混凝土搅拌器很类似。我们想，如果让原料动起来比较困难，那么就让设备动起来达到搅拌的目的。要说窗户纸是一捅就破，但是很多人就是没有想到这一点。这个设备已经申请了专利。这一发明使得固体发酵燃料乙醇能够实现机械化生产和自动化控制。”

　　应用先进的固体发酵技术，发酵时间仅40小时，乙醇转化率理论值达94%以上，比玉米乙醇液体发酵时间缩短了15个小时，乙醇转化率提高了2.5%。

　　对于甜高粱秆发酵制乙醇的产业前景，李十中教授充满信心。他希望能够建立示范区或者实验基地，把现有的生产规模进一步扩大。也许若干年后，能源将不必经过地质年代的演变，而成为土地上年年收获的动力之源。