纤维素乙醇领域国际发展态势分析课程

中国科学院国家科学图书馆成都分馆〔中国科学院成都文献情报中心〕--2024年1月PAGE1PAGE2纤维素乙醇领域国际开展态势分析纤维素乙醇领域国际开展态势分析中国科学院国家科学图书馆成都分馆地址：四川省成都市一环路南二段16号；邮编：610041电话E-mail：地址：四川省成都市一环路南二段16号；邮编：610041电话E-mail：zx@2024年1月纤维素乙醇领域国际开展态势分析陈云伟王春明丁陈君陈方邓勇〔中国科学院国家科学图书馆成都分馆成都610041〕摘要：2024年，开展“低碳经济〞成为全球共同关注的重点。以纤维素乙醇为代表的下一代先进生物燃料正在成为新世纪特别具有开展前景的新型能源。开展纤维素乙醇燃料对于解决全球能源危机，应对气候变化具有重要意义。美国、欧盟等国家和地区积极采取措施，大力推进纤维素乙醇燃料的研发和商业化。本报告分析了国际上各国开展纤维素乙醇的相关政策、规划与行动，总结了纤维素乙醇生物燃料的研发进展与关键技术，解析了美国政府的研发布局以及国际重要纤维素乙醇生产企业的现状与特点，展示了纤维素乙醇的开展前景以及存在的问题与争议。政策、规划与行动：〔1〕美国从政府层面积极推动纤维素乙醇开展。政府早在2024年专门制定了“纤维素乙醇研究路线图〞，明确规划了纤维素乙醇的“三个五年〞开展战略；2024年美国能源部和农业部联合推出?国家生物能源行动方案?，支持纤维素乙醇的根底研究和应用研究；2024年奥巴马政府出台?美国复兴与再投资方案?，强调大力开展先进生物燃料；?美国清洁能源平安法案?要求美国温室气体排放量到2024年时，在2024年的根底上减少17%，到2050年时减少80%以上；美国能源部和农业部通过复兴方案、农业法案、能源法案等，为纤维素乙醇工程提供或追加经费资助，支持建设和开展生物燃料生产示范厂，以尽快实现纤维素乙醇的商业化。〔2〕加拿大政府先后出台了?气候变化行动方案?、?加拿大可再生燃料战略?、?生物燃料生态能源方案?等方案，推进纤维素乙醇的原料种植、生产示范和商业化，以开展纤维素乙醇燃料。〔3〕2024年欧盟在?投资开发低碳能源技术?建议中呼吁开展必要的技术以应对气候变化，包括促使最有前途的下一代生物燃料技术商业化。未来10年欧盟将在生物能源和生物燃料方面投资约90亿欧元，致力于建立适当规模的示范工厂、前商业化示范或完整的产业化生产。〔4〕2024年英国生物科学与技术理事会投资兴建了6个纤维素乙醇生物燃料研究中心，将为英国的可持续生物能源行业利用非粮植物燃料替代石油提供科学支撑。〔5〕日本、澳大利亚和印度也采取积极措施，开展纤维素乙醇生物燃料。如，日本成立了纤维素乙醇联盟，共同研究和开发纤维素乙醇生产技术。研发进展与关键技术：〔1〕在纤维素原料的开发方面，各国认识到生物质原料的应用潜力，并且开始关注生物燃料对土地利用和生态系统的影响，以及可能引发的各种社会和环境问题。纤维素生物质原料的生产与供应面临着生物质资源生长习性、地理分布、收集、运输和存贮、以及生物多样性、气候变化和生态环境影响的挑战。该领域需要开展生物质资源的评价、优选、规模化种植研究与技术分析。〔2〕在纤维素原料预处理方面，主要技术难点包括如何减少糖的降解和控制抑制剂的生成，如何控制化学品、能源和水的消耗，减少废弃物。其中氨气爆破法将是一个颇具前景的技术。〔3〕在纤维素的酶水解方面，对酶的过度依赖以及酶本钱过高已被认为是纤维素乙醇商业化生产的最大瓶颈，改良性研究包括提高酶的产量、增加混合酶的效率和实现高温水解等。〔4〕在纤维素水解物发酵方面，关键是解决纤维素水解过程中产生的抑制物对发酵的抑制作用以及高效利用混合糖类物质进行发酵。统合生物工艺〔CBP〕等整合技术研究需要得到重视。〔5〕通过对纤维素乙醇的水解生产技术的专利文献分析发现，近两年的专利申请数迅猛增长，这印证了对纤维素乙醇不断提升的国际关注度。分析还发现，该领域专利更倾向于集中在个别国家〔地区〕寻求保护。中国和美国已经成为纤维素乙醇水解生产技术的主要专利申请受理国家。中国机构的专利申请数也在显著增长，中国科学院、中粮集团和首都师范大学进入全球前十。专利主题图分析发现，原料的预处理以及对发酵过程所需酶及其表达体系〔如利用木糖生产乙醇〕的研究已经得到越来越多的重视。研发布局：〔1〕美国能源部和农业部是美国政府制定实施开展纤维素乙醇等下一代先进生物燃料战略的重要管理机构。为推进下一代先进生物燃料的研发，美国政府还设立了生物质研发委员会和生物质研发技术咨询委员会，并成立了由农业部、能源部、环保部共同领导的生物燃料跨机构工作小组，负责制定全美生物燃料市场开发方案、运输政策及进行原材料生产的可持续性评价。美国能源部主要通过能源效率与可再生能源办公室统一协调开展生物燃料的相关研发工程，负责部署联邦政府在能源效率与可再生能源方面研发及投资，提高能源效率与生产率，向市场提供清洁能源技术。能源部下属17个国家实验室，还先后成立了4个国家生物质能中心，以开发新型高效的植物纤维素乙醇生产技术以及其他生物燃料新技术。美国农业部主要通过农业研究效劳局〔ARS〕协调管理生物能源的原料资源开发及原料加工与转化技术。ARS下设4个应用研究中心和100多个实验室，主要在生物能源与替代能源国家工程下开展生物能源领域的研发工作。为便于协调和推动生物能源的研发转化与市场化，农业部还牵头成立了生物基产品与生物能源协调委员会，实现信息共享和统一规划，提供政策咨询建议。在这一管理框架下，美国能源部和农业部相继推动开展了大量纤维素乙醇的研发工程。〔2〕报告还分析了全球重要的纤维素乙醇生产企业的研发状况及特点。其中加拿大Lignol公司已经启动了一套以林业废弃物木屑为原料的纤维素乙醇中试装置，采用其特有的专利技术，实现了纤维素乙醇生物精炼生产的全过程。加拿大Iogen能源公司拥有世界上首座农业剩余物生产纤维素乙醇的示范工厂，成为第一个在加油站零售纤维素乙醇混合燃料的生产商。美国杰能科公司推出了专为生产第二代生物燃料而研制的商业化纤维素酶，并与杜邦公司共同建设了纤维素乙醇中试工厂，验证以非粮原料生产纤维素乙醇的高效方法。2024年该公司获得美国化学工程学会颁发的国家可持续能源奖。开展前景与争议：纤维素乙醇的商业化潜力取决于原料本钱及降解性、转化本钱和效率以及产品收益。应加强对包括联合生物加工、快速高温裂解、综合乙醇精炼厂、纤维素生物质的替代应用在内的新兴技术的研发。得益于国家政策和工程的支撑，我国的纤维素乙醇研发工作已经取得了较好的成绩，我国机构近年的专利申请数处于世界领先地位，在产业研究上也取得了可喜的成果。已有研究说明，美国的纤维素乙醇目标是可以实现的。然而，目前对开展纤维素乙醇也存在一些值得关注的问题与争议。例如，对纤维素乙醇实际碳减排效果与节能环保的质疑，对森林破坏、环境破坏、土地利用与资源竞争等问题的担忧。此外，纤维素乙醇工业的开展还可能遇到原料供应与产业技术的阻碍、供求关系的影响、以及其他替代能源的竞争。关键词：纤维素乙醇生物质纤维素酶发酵水解热化学转化专利分析目录TOC\o"1-4"\h\z\u1引言 12国际纤维素乙醇研究的政策、规划与行动 12.1美国 22.1.1纤维素乙醇路线图 32.1.2国家生物能源行动方案 42.1.3美国复兴与再投资方案 52.1.4美国清洁能源与平安法案 72.1.52024年美国政府对纤维素乙醇生物燃料研发进行的其他资助方案 72.1.6美国在建的纤维素乙醇工程 72.2加拿大 82.2.1加拿大政府开展纤维素乙醇燃料的政策举措 82.2.22024年加拿大政府出台实施的局部鼓励措施 92.3欧盟 102.3.1欧盟资助第二代生物燃料研究方案 102.3.2欧盟委员会投资90亿欧元开展生物能源 112.4英国 112.5其他国家 122.5.1日本 122.5.2澳大利亚 122.5.3印度 123纤维素乙醇国际研究进展与关键技术分析 123.1纤维素生物质原料的生产与供应技术 123.1.1纤维素生物质原料的种类和特性 123.1.2纤维素生物质原料的研究与开发 143.1.3纤维素生物质原料生产与供应面临的挑战 153.2水解生产纤维素乙醇技术 153.2.1水解生产纤维素乙醇的技术开展 15〔1〕纤维素原料预处理技术现状、难点及突破 16〔2〕水解技术现状、难点及突破 16〔3〕发酵工艺的关键问题与技术难点 17〔4〕水解生产纤维素乙醇的经济性 183.2.2水解生产纤维素乙醇的专利分析 18〔1〕水解生产纤维素乙醇专利年度开展态势 19〔2〕水解生产纤维素乙醇专利国际布局 20〔3〕水解生产纤维素乙醇专利机构分布 22〔4〕水解生产纤维素乙醇专利创造人分布 23〔5〕水解生产纤维素乙醇专利引证分析 23〔6〕水解生产纤维素乙醇专利主题领域分布图 263.3热化学转化技术 27〔1〕新技术开展与突破 27〔2〕产业现状与经济性 284研发布局 284.1美国政府机构的研发布局 284.1.1美国能源部 28〔1〕美国能源部开展纤维素乙醇研发的总体布局 28〔2〕美国能源部在纤维素乙醇领域的研究进展 294.1.2美国农业部 29〔1〕美国农业部开展纤维素乙醇研发的总体布局 29〔2〕美国农业部在纤维素乙醇领域的研究进展 304.2重要企业的研发态势分析 324.2.1Lignol公司 32〔1〕现有的纤维素乙醇生产技术 32〔2〕研发中心及示范工厂 32〔3〕工程开发 324.2.2Iogen公司 33〔1〕现有的纤维素乙醇生产技术 33〔2〕示范工厂 33〔3〕工程开发 334.2.3Genecor公司 33〔1〕领先技术 33〔2〕纤维素酶研发重大事件 345前景与展望 345.1纤维素乙醇研发值得关注的问题与新兴技术 345.2中国纤维素乙醇的开展潜力 355.3针对纤维素乙醇开展的前景分析与争议 365.3.1Sandia称美国纤维素乙醇目标可以实现 365.3.2有关纤维素乙醇开展前景的争议 37〔1〕美国海洋生物学实验室发现纤维素乙醇可能带来更多的碳排放 37〔2〕美国可再生能源联合会担忧森林破坏和肥料滥用 37〔3〕?科学?杂志指出联合国和欧盟无视了森林保护与土地利用问题 37〔4〕美国环保协会首席科学家汉堡指出纤维素乙醇带来资源竞争 37〔5〕对纤维素乙醇节能环保的质疑 37〔6〕美国生物技术工业组织艾瑞克森指出：植物原料难以为继 37〔7〕壳牌公司斯韦尼指出：产业化技术也是“拦路虎〞 37〔8〕供求关系和油价也会影响生物燃料的吸引力 38〔9〕纤维素乙醇进入市场面临的阻力 38〔10〕其他替代能源的竞争不可无视 386参考文献 38PAGE41引言纤维素乙醇是第二代生物燃料，是指以纤维素〔来自农作物秸秆、林业加工废料、甘蔗渣、柳枝稷与芒草等多年生草类植物等〕为原料生产的乙醇。有研究指出，每单位纤维素乙醇所产生的能量是其生产过程中所消耗能量的7.7倍，温室气体的排放最多可降低96％〔国际新能源网，2024〕。在全球面临着能源依赖度的提高、温室气体排放的增加以及因国际能源市场价格波动而带来的风险面前，世界多国纷纷开始实施新的能源战略，强调开展各种可再生能源。由于生物质是唯一能直接被用于生产各种替代交通运输燃料〔特别是乙醇〕的来源，美国佛罗里达大学的森林资源专家Dwivedi教授〔2024〕认为，在多种可再生能源〔生物质、太阳能、风能、地热能、潮汐能等〕中，生物质被列为首选。然而，利用粮食作物生产乙醇引起人们对粮食平安与环境影响的忧虑，因此大多数石油进口国家对利用纤维素生物质为原料生产乙醇产生了浓厚的兴趣，纤维素乙醇被看做是颇具前景的环境友好的新型能源。与使用玉米和大豆等粮食作为原料的第一代生物燃料相比，纤维素乙醇的最大优势在于防止了“道德风险〞，一旦产业化生产，纤维素乙醇可以解决“与人争粮〞的问题，还可以变废为宝〔马吉英，2024〕。最近几年，尤其是从2024年以来，对纤维素乙醇的关注以及研发热情在全世界范围内空前高涨，以美国为首的世界多国开始在政府层面上通过政策、规划、方案和工程等形式推动纤维素乙醇的开展。例如，美国政府已经出台了多种政策，用于鼓励纤维素乙醇的生产，?2024能源独立与平安法案?制定的目标是到2024年每年以纤维素原料生产210亿加仑生物燃料〔Dwivedi，2024〕。在美国政府补贴政策的鼓励下，许多私营企业已经开始投资纤维素乙醇的生产〔Dwivedi，2024〕。美国能源部的一项系统分析工程提出，到2030年美国将年产900亿加仑生物燃料，其中750亿加仑为纤维素乙醇〔Sandia国家实验室，2024〕。目前，在美国已有总计达1200万升/年的纤维素乙醇装置投运，另有8000万升/年的装置在建设中〔钱伯章，2024〕。在加拿大，已有600万升/年的纤维素乙醇能力投运。在欧洲，拥有投运纤维素乙醇装置的国家有德国、西班牙和瑞典，有1000万升/年的装置在建设中〔钱伯章，2024〕。预期到2024年底，美国纤维素乙醇的年产量将到达4.05亿加仑，主要技术将是酶水解、同时糖化发酵和气化催化转化三种转化技术。迄今为止，美国政府已经通过各种资助支持现有纤维素乙醇生产商，并认为到2024年底，纤维素乙醇生产将被证明具有商业化能力〔Dwivedi，2024〕。我国?可再生能源中长期开展规划?指出，今后将不再增加以粮食为原料的燃料乙醇生产能力，积极开展非粮生物液体燃料。从长远考虑，要积极开展以纤维素生物质为原料的生物液体燃料技术。到2024年，非粮原料燃料乙醇利用量达200万吨/年；到2024年，达1000万吨/年〔钱伯章，朱建，2024〕。目前的纤维素乙醇转化技术大体可被分为水解和热化学转化两大类，在水解步骤中，原料中的多糖〔纤维素和半纤维素〕被降解为自由的糖分子〔葡萄糖、甘露糖、半乳糖、木糖和树胶醛糖〕。这些自由糖分子经发酵生产乙醇。在热化学转化步骤中，原料被气化为合成气，合成气经发酵或催化转化生产乙醇。在水解步骤中，纤维素酶仍是纤维素乙醇商业化生产的最大瓶颈。本报告以纤维素乙醇为研究对象，分析世界各国最新的相关政策、规划和行动等情况，结合专利计量分析，阐述纤维素乙醇技术的研究进展与趋势，分析难点与突破点，对国际从事纤维素乙醇研发的重要企业进行个案分析，分析产业现状及开展前景，同时对美国能源部和农业部的纤维素乙醇研发战略与布局进行剖析。国际纤维素乙醇研究的政策、规划与行动2024年，在全球气候变暖的背景下，开展低碳经济成为全世界共同关注的重点。为应对全球气候变化的严峻挑战，各国大力推进以高能效、低排放为核心的“低碳革命〞，着力开展“低碳技术〞，纷纷把节约能源、开展清洁能源、可再生能源和新能源作为能源领域开展的战略方向，出台了一系列政策举措。生物燃料尤其是以纤维素乙醇为代表的第二代生物燃料正在成为最富活力、最具开展前景的新兴产业。近年来，美国、加拿大、欧盟等兴旺国家和地区已经在生物燃料领域制定了假设干政策，鼓励本国开展纤维素乙醇的研究与生产。2000年以来，美国政府先后出台了?生物质研究法?、?生物质技术路线图?、?能源法2024?、?生物能源与生物基产品路线图?以及?能源独立与平安法2024?等，目的是促进开展生物燃料。2024年2月，布什总统发布了生物燃料指令，要求利用非粮作物生产纤维素乙醇，到2024年使纤维素乙醇在本钱上具有竞争力。2024年6月，美国能源部发布了?纤维素乙醇研究路线图?，明确提出了未来三个五年阶段纤维素乙醇燃料技术开展的战略规划，宣布将在研发投入、政策支持和与私人部门合作等三方面采取措施，全面推动纤维素乙醇技术的开展。2024年1月，布什在?国情咨文?中进一步提出，乙醇燃料的年使用量到2024年应到达1325亿升，是2024年使用量的7倍。为了防止燃料与粮食之争，美国政府将重点攻关纤维素乙醇技术，推动以纤维素乙醇为代表的第二代生物燃料的研发与市场化。2024年美国能源部用于开发纤维素乙醇的预算投入为9000万美元，2024年迅速上升为2亿美元。2024年12月，美国国会通过?能源独立与平安法2024?，强制规定到2024年，可再生燃料产量要到达360亿加仑，而且其中的60％需来自纤维素乙醇等先进生物燃料。2024年10月，美国能源部和农业部联合推出了?国家生物能源行动方案?，美国能源部方案在2024年划拨10亿美元用于研发纤维素类生物燃料。2024年，奥巴马新政府又加大了对生物燃料的支持力度。2009年1月16日奥巴马再次强调了开展可再生能源的重要性，认为如果美国现在就采取相关行动，将催生一个全新的产业，并将为美国创造数百万个就业岗位。2024年1月出台了?美国复兴与再投资方案?，意图使美国可再生能源增加一倍，通过新能源产业革命振兴2009年1月27日，英国生物科学与技术理事会〔BBSRC〕出资2700万英镑建立了6个纤维素乙醇生物燃料研究中心。这些中心开展的研究包括：怎样减少木质素、细胞壁结构及如何打破细胞壁、纤维素转化为乙醇、海洋微生物以及能源作物种植等。法国也投入了1.04亿美元开展纤维素乙醇研究工程，后续还将有4300万美元的投入。2024年11月日本农业部资助3300万美元建设了一套日产量为1000升的燃料乙醇装置，2024年又投入3800万美元维持及扩大此示范工厂运行生产〔李十中，2024〕。中国?国家可再生能源中长期规划?指出，今后不再增加以粮食为原料的燃料乙醇生产能力，将积极开展非粮生物液体燃料。从长远考虑，要积极开展以纤维素生物质为原料的生物液体燃料技术。预计到2024年，非粮原料的燃料乙醇利用量将到达200万吨/年；到2024年，将到达1000万吨/年。美国2024年，美国奥巴马政府将开展纤维素乙醇等先进生物燃料作为经济复兴的重点开展方向。?美国复兴与再投资方案?以开展新能源作为投资重点。2月通过的?美国复兴与再投资法案?投资总额达7870亿美元，其中7.865亿美元将用于加快先进生物燃料的研究和开发，提供更多的资金用于生物炼制商业规模的示范工程。2009年5月5日，奥巴马政府通过了美国环保署提出的旨在通过使用生物燃料以减少温室气体排放的?规划草案?，签署了一项关于开展先进生物燃料的总统指令，并从经济刺激资金中拨款7.9亿美元加大对先进生物燃料的研发。此举将极大地推动美国先进生物燃料的开展，其主要内容是逐步增加生物燃料在交通运输行业中的消费比例以减少汽油消费量，争取到2024年生物燃料总量到达360亿加仑，其中包括150亿吨的以玉米和谷物为原料的乙醇，160亿加仑的纤维素乙醇以及50亿加仑的其他燃料。同时，美国农业部还受命30天内利用“2024年农场法〞2009年6月26日，美国众议院通过了旨在降低美国温室气体排放、减少美国对外国石油依赖的?美国清洁能源平安法案?。该法案要求减少石化能源的使用，规定美国到2024年时的温室气体排放量要在2024年的根底上减少17%，到2050年减少80%以上。为此，美国政府将大力开展新能源，力图在新能源领域技术实现下面重点介绍近几年来美国开展纤维素乙醇新能源的重大政策与举措。纤维素乙醇路线图〔1〕名称BreakingtheBiologicalBarrierstoCellulosicEthanol：AJointResearchAgenda〔2〕背景随着生物燃料研发的蓬勃开展，开展生物能源与粮食平安之间的矛盾也进一步加剧，面对生物燃料与粮食之间的土地之争，开展以纤维素乙醇为代表的第二代生物燃料有望为世界生物燃料行业的开展找到一条可行之路。2024年6月，美国能源部公布了一份纤维素乙醇路线图报告：?打破纤维素乙醇的生物学障碍：联合研究议程?，为美国可再生能源的进一步开展指明了方向。〔3〕未来15年的开展战略表1美国能源部纤维素乙醇研究的“三个五年〞开展战略开展目标与研究重点资源开发原料研究原料预处理发酵与回收第一个五年研究阶段扩展生物质资源根底，加强生物质资源利用。能源植物根底研究；纤维素工艺可行性研究；探索降低本钱。开展能源植物可持续性研究。对土壤生态系统和养分的影响；能源植物模型开展；基因、规那么、能源植物子系统控制研究。(细胞壁组成与构造；降解与发酵过程的关联。)降低酶本钱。酶与木质纤维素的相互作用；考查天然酶的品种，及根底酶的限制条件；研究木质素和半纤维素降解酶；纤维素分解机理和路径的基因转换系统。研究各类糖与纤维素的直接利用。研究高醇浓度和高糖浓度下的胁迫响应和抑制因素；监控措施；调查天然资源品种。第二个五年技术应用阶段向模块化技术应用过渡。开展新型能源植物；简化工艺，提高过程模块化；应用系统生物学、化学和生物过程工程手段，合理设计系统。将植物视为系统研究。开展外乡能源植物；研究能源植物的模式生物；提高糖含量，减少木质素和毒性抑制成分含量；提高产量和土壤可持续性。提高酶的效率和专一性。扩展底物范围；降低抑制作用；研究能源植物概念；开展诊断和操作酶与底物的相互作用的工具。开展进行酶的设计和改性的工具。五碳糖和六碳糖的共发酵。研究新型菌株和多酶体系；全面监控工具；开展进行分析和操作的工具；测试联合加工微生物，消除对水解物和醇的抑制性。第三个五年系统整合阶段系统整合与联合生产技术。经济价值链融合；生物质能联合生产系统；为不同地区定制技术方案；扩建增建。实现原料研究、原料预处理、产品发酵与回收过程的全面整合。为不同地区提供系统定制和完全联合加工过程；能源植物成分的改良；植物工程的全套技术方案；与生物燃料系统相关的联合加工过程；包括定制的降解多酶体系；微生物代谢系统的改造；抗胁迫与耐工艺过程的酶体系；全系统控制等。快速诊断与操作的全套技术方案。纤维素乙醇路线图报告对美国未来的纤维素乙醇开展做出了全面部署，详细阐述了纤维素乙醇研究过程中面临的生物质原料和功能微生物等方面的障碍和挑战，并规划了如何通过现代生物学手段，分阶段地推进上述问题的解决。根据完成相关任务的技术成熟度，路线图将纤维素乙醇研究战略划分为三个五年阶段，并在资源开发、原料研究、原料预处理以及发酵与回收等重要环节详细设定了每一个阶段的具体开展目标与研究重点，其要点可概括列在表1中。同时，路线图还指出，只有将复杂的工程技术与根底生物学研究结合起来，才能保证纤维素乙醇任务取得成功。系统生物学涉及一些新的技术，这些技术解决日益复杂的高通量分析与计算，帮助了解复杂的生物，使得预见性的知识和合理设计成为可能。多学科的团队研究方法将加速科学进步，并加快这些科学进步转换为新的生物精炼过程。实验室技术和精炼厂技术的综合，将改良技术性能，提高产量，降低本钱，使相关的目标能够得以实现。新的技术力量与设施将促进根底研究、技术开展以及商业化的实现。国家生物能源行动方案〔1〕名称NationalBioenergyActionPlan，2024〔2〕背景2024年9月，为了响应和实现美国政府提出的“10年20%方案〞提出的未来10年内削减美国汽油消费量20%的目标，美国能源部与农业部共同发布了?美国国家生物能源行动方案?，旨在进一步加速生物燃料工业的开展，促进科技研发，降低下一代纤维素生物燃料的本钱，以可持续的方式促进生物燃料工业及其供应链的开展。〔3〕开展纤维素乙醇商业化的战略美国未来15年将生物燃料产量扩大至年产量360亿加仑，目前美国政府已经采取了一系列政策和措施以帮助实现2024年的目标。玉米乙醇和生物柴油的开展程度能够满足近期和中期的市场需求，然而，要实现2024年目标那么需要开发先进的创新性纤维素乙醇生物燃料技术并将之商业化。?美国国家生物能源行动方案?说明美国将投入大量资源，开展纤维素乙醇的根底研究和应用研究，打破纤维素生物燃料的技术壁垒，实现具本钱效益的纤维素乙醇商业化生产。该行动方案将纤维素生物燃料供应链分成五个方面，确定了美国能源部未来要采取行动的五个关键行动领域，明确了采取关键行动的顺序。美国未来推进纤维素生物燃料的五个关键行动领域分别为：①原料生产：原料生产包括培育生物质资源如玉米、作物秸秆、木材剩余物等作为生物燃料生产的原材料。美国能源部已经开始处理原料供应及本钱、可持续开展以及原料生产过程中温室气体的排放等问题，以解决原料供应及本钱满足生物燃料生产的目标，解决增加第一代生物燃料原料生产对环境的影响以及与粮食、饲料、纤维素生产之间的平衡，统筹落实第二代生物燃料精炼厂的选址，开展高抗旱抗压能力的第三代原料，提高化肥与水的利用率，改善原料的转化率，提高原料产量。能源部还制定了一项整个联邦政府长期的综合原料研究方案，以促进加强协调与合作，充分利用信息解决当前对转基因能源作物的监管问题，与农民和林业部门合作工作，引入新的作物与林业物种。②原材料物流：原材料物流运输包括原材料收集、运输与储存，提供应精炼厂。美国能源部将促进合作，开发和部署物流系统，为目前方案建造的示范厂提供纤维素原料。要完成这一部署，与私营部门合作至关重要。③转化：将原料转化为液体燃料的过程。目前纤维素乙醇生产过于昂贵，需要进行技术突破，降低本钱，在经济生态可持续根底上实现商业化生产。因此，美国将重点开展通过在系统、细胞和分子水平利用基因工程开发植物、微生物和酶，降低转化本钱，提高产量；开发燃料与相关副产品，提高整体生产的经济性；开发利用微生物、热化学和酶工艺生产纤维素乙醇的新技术，解决酶在气相与液相中的特征与持续性问题，开发利用不同原料的转化过程，优化工艺条件，提高生物燃料转化途径的性能等。④分销：将生物精炼厂生产的生物燃料分销至各零售点，需要进行分销根底设施建设。包括制定政策制度吸引大量建设资金；根据生物燃料的特征对现有分销运输设施进行校正或重新设计；进行生物燃料运输储存库建设等。⑤使用终端：制定混合乙醇政策；掌握适当的乙醇燃料混合比例，降低对环境的污染；开展适合高乙醇混合度燃料的设施等。实现纤维素乙醇商业化开展的关键领域的时间表如图1所示。图1纤维素生物燃料商业化时间表〔美国国家能源行动方案，2024〕美国复兴与再投资方案〔1〕名称AmericanRecoveryandReinvestmentPlan〔2〕背景为了应对全球金融危机，美国奥巴马政府选择了以开发新能源、开展低碳经济来重新振兴美国经济。2024年1月，奥巴马宣布了“美国复兴与再投资方案〞，该方案以开展新能源作为投资重点，方案投入1500亿美元，用3年时间使美国新能源产量增加1倍，到2024年将新能源发电占总能源发电的比例提高到10%，2025年，将这一比例增至25%。〔3〕能源投资要点2024年2月，美国正式出台了?美国复兴与再投资法案?，投资总额达7870亿美元，其中613亿美元主要用于新能源的开发和利用，包括开展高效电池、智能电网、碳储存和碳捕获以及可再生能源〔风能和太阳能等〕。在1200亿美元的科技刺激基金中，可再生能源和提升能源使用效率投资就占了468亿美元。美国未来10年还将投资1500亿美元建立“清洁能源研发基金〞，用于太阳能、风能、生物燃料和其他清洁可替代能源工程的研发和推广。2024年美国复兴与再投资方案为新能源目标的实现提供了必要的资金保证，美国能源部可以使用的资金到达了380多亿美元。其中将有7.865亿美元用于加快先进生物燃料的研究和开发，为生物炼制商业规模的示范工程提供更多的资金。开发下一代生物燃料是美国努力摆脱进口石油依赖、解决气候危机并在国内创造数百万就业时机的关键。凭借强大的资金投入、技术实力和国内资源，美国正朝着新型绿色能源经济的方向开展。复兴方案的这7.865亿美元中，一局部用于新的投资时机，另一局部用于现有的工程。所有的资金统筹分配到以下四个主要领域：①4.8亿美元用于综合试验规模和示范规模的生物精炼工程未来三年内，美国能源部预计资助10～20个各种规模和用途的先进生物燃料生物炼制工程。其中用于试验规模的工程资金上限为2500万美元，用于示范工程的资金上限为5000万美元。获得资助的工程将验证综合生物炼制技术，包括先进的生物燃料、生物基产品、生物质热能和电能等综合系统的生产，使私人融资的商业规模生产可以完全套用这一技术。②1.765亿美元用于商业规模的生物炼制工程政府在过去两年中选定了多个先进生物燃料生物炼制示范或商业规模的工程给予一定的资助，1.765亿美元将增加对其中几个工程的投资，减少开发和部署新领域时可能遇到的风险。这些资金将缩短工程施工过程，提前启开工程，加快调试过程。③1.1亿美元用于关键工程领域的根底研究生物质工程方案出资1.1亿美元以支持研发关键的转换技术、更有效的催化剂、微生物和原料等，包括：利用科学生物能源研究中心办公室扩大可持续性资源的研究，建立一个小规模综合试验工厂〔2500万美元〕；建立先进生物燃料研究联盟，通过竞争招标，开展技术研究，改良根底设施，使先进生物燃料示范性工艺流程与之相适配〔3500万美元〕；建立藻类生物燃料研究联盟，通过竞争性招标，推动藻类生物燃料示范性生产的研究〔5000万美元〕。④2000万美元用于生物乙醇研究生物质工程方案投入2000万美元，通过竞争招标实现以下目标：优化灵巧燃料型机动车，使之能使用高辛烷值的E85燃料〔85%乙醇和15%汽油的混合物〕；评估乙醇含量较高的混合燃料对常规车辆的影响；升级现有的燃料根底设施以符合E85燃料的要求。〔4〕?美国复兴与再投资法案?资助的局部工程美国能源部获得?美国复兴与再投资法案?资助方案共计367亿美元的投资，用于能源效率与可再生能源研发的经费支持达168亿美元，较之2024年的17亿美元，增加了近10倍。在能源效率与可再生能源应用研究、开发与部署方面的资助经费约25亿美元，而先进生物燃料工程将获得8亿美元。2009年7月22日，美国能源部和农业部宣布将联合拨款630万美元用于资助基因功能的根底研究，以提高生物燃料的植物原料的性能；资助开发利用草本、木本植物以及农业剩余物的方法，将这些物质转化为运输燃料纤维素乙醇等。这一投资是奥巴马政府在扩大国家能源组合、减少进口石油依赖方面的又一项重要举措2009年8月31日，美国能源部宣布投入2100万美元，资助5个选定的开发处理和提供高吨位纤维素生物燃料生产的生物质原料供应系统的工程。被选出的工程将成为纤维素乙醇生产的全过程，包括原料收获、收集、预处理、运输、可持续生产以及原料存储这一广泛体系的设计与示范单元。其原料或原料组合包括：农业剩余物、能源作物〔如柳枝稷、芒草、能源甘蔗、高粱、杨树、柳树〕、森林资源〔如森林疏伐、木屑、木材废料和小直径的树木等〕、木材废料和城市垃圾。2024年获得?美国复兴与再投资法案?资助的局部工程如表2。表2?美国复兴与再投资法案?资助的局部工程时间资助部门获得资助的机构资助金额〔万美元〕研发内容2024-07农业部和能源部美国农业部研究中心北部平原区118.2柳枝稷冬季存活率、生长影响因素的研究美国农业部研究中心西部区域研究中心130二穗短柄草原始植株和突变株的表型分析研究乔治亚大学120生物能源作物—芒属植物的基因组学研究乔治亚大学70.5生物能源作物苜蓿的开发密歇根理工大学90系统生物学途径研究白杨根茎的发育调控佛罗里达大学64.3木质生物能源作物中cpq13基因对碳分配的调控机制内布拉斯加大学林肯分校39分子生物学方法提高甜高粱氮利用率2024-08能源部GA德卢斯爱科集团500将致力于大型致密化方包〔LSB〕的研究，为高吨位生物质原料的供应提供本钱低廉便捷的包装方式。该工程将部署、评估并改善以作物残留物和草本能源作物的致密结构供应生物精炼厂工业规模的原料供应链。阿拉巴马州奥本大学490将与阿拉巴马州森林生物质能源领先的生产商一起设计和示范从南部松木人工林收获、加工和运输木质生物质的一条龙高产系统。俄亥俄州FDC企业集团490主要目标在于Abengoa生物能源纤维素的生物提炼，进一步设计制造三个新的收获和生物质处理设备。田纳西州GeneraEnergy公司490将研制一套高效率、大批量提供柳枝稷的自动化系统，最大限度地实现运输和处理自动化。纽约州立大学锡拉丘兹环境科学与林学院130方案加强现有合作，开发、测试和应用单通剪切联合收割机，联合装卸、运输和存储系统。美国清洁能源与平安法案2009年6月26日，美国众议院以微弱多数通过了旨在降低美国温室气体排放、减少美国对外国石油依赖的?美国清洁能源平安法案〔H.R.2454,theAmericanCleanEnergyandSecurityAct，ACES〕?美国清洁能源平安法案?规定，美国温室气体排放量到2024年时，要在2024年的根底上减少17%，到2050年时减少80%以上。逐步提高来自风能、太阳能、生物能源等清洁能源的电力供应。预计到2030年，石油消费量至少将减少35%，化石燃料在美国能源供应中的比例将下降到79%。美国政府将大力开展新能源，实现新能源领域的技术突破。因此，美国政府在未来10年将投入1500亿美元，资助替代能源的研究，包括纤维素乙醇燃料、混合燃料动力汽车研发等。?美国清洁能源平安法案?引入了名为“总量控制与排放交易〞的温室气体排放权交易机制。拍卖所得资金中每年支出150亿美元用于支持新的、清洁能源的开发，投资的关键领域包括：根底研究、技术示范、技术的商业化应用及建立清洁市场等。2024年美国政府对纤维素乙醇生物燃料研发进行的其他资助方案2009年7月21日，美国农业部投入5000万美元资金，用以推动继续生产和使用生物燃料。这5000万美元来自?2024年美国农业法案?，将推动农业部向以下两个方面努力：2000万美元用于生物精炼；其余3000万美元用于资助先进生物燃料生产商，鼓励其增加生物燃料的生产和使用。2024年，美国农业部还通过?2024美国农业法案?中的“振兴援助方案〞、“农村能源方案〞和“生物质作物援助方案〞等提供了3500万美元经费，其中的1500万美元将作为2024～2024财年间的资助提供生物精炼厂，以便用可再生生物质系统取代化石燃料供暖和供电。生物精炼工程贷款将用于开展第二、第三代生物燃料技术，生产各种可再生燃料，包括纤维素乙醇和甲烷气体。另外，美国农业部还准备提供3000万美元支持合符合要求的农业生产者，支持和扩大先进生物燃料生产，鼓励生产新一代生物燃料。美国在建的纤维素乙醇工程美国正在开发建设的纤维素乙醇工程如表3。表3美国在建的纤维素乙醇工程〔产能单位：百万加仑/年〕公司地点技术产能原料Abengoa内布拉斯加州堪萨斯州11.611.6玉米秸秆、麦秸、高粱茬柳枝稷和其他生物质AEBiofuels蒙大拿州环境温度纤维素淀粉水解Smallscale柳枝稷、草种、稻草、玉米秸秆Bluefire加州科罗拉加州兰卡斯特Arkenol工艺技术〔浓酸水解工艺过程〕183.1绿色废弃物、林业废弃物和其他城市纤维素废弃物Californiaethanol加州布劳利55当地甘蔗渣Coskata宾夕法尼亚州生物发酵技术；0.04生物质、城市固废、蔗渣、农业废弃物DuPontDaniscoCellulosicEthanolLLC田纳西州酶水解技术0.25柳枝稷、玉米秸秆、玉米纤维、玉米芯Ecofin,LLC肯塔基州Alltech固态发酵工艺1.3玉米芯Flambeau威斯康辛州生物质气化热化学转化6软木片、木材和林业废弃物ICMInc.爱达荷州酶技术18麦秆、大麦秆、玉米秸秆、柳枝稷和稻草KLProcess怀俄明州热机械加工1.5软木、木材废料包括纸张与纸板LignolInnovations/Suncor科罗拉多州生化有机法2.5木质生物质、农业废弃物、软硬木Mascoma/NewYorkResearchandDevelopmentAuthority/NewYorkStateDepartmentofAgricultureandMarketsMascoma/MichiganEconomicDevelopmentCorporation/MichiganStateUniversity/MichiganTechnologicalUniversity纽约州密歇根州联合生物加工技术，利用转基因微生物分解发酵木屑540木质纤维素生物质包括柳枝稷、纸浆和木片NewPageCorp.(formerlyStoraEnsoNorthAmerica)威斯康辛州5.5木质生物质、纸厂废弃物NewPlanetEnergy(formerlyAlico)佛罗里达州INEOS生物乙醇工艺〔气化、发酵和蒸馏〕821100市政固废、不可循环的废纸、建筑废弃物、木材废物、能源作物PacificEthanol俄勒冈州生物气化技术2.7麦秆、秸秆、白杨废料POET南达科他州爱荷华州BFRAC专利技术0.0231.25玉米纤维、玉米芯、玉米杆RangeFuelsInc.佐治亚州热化学二步法20木屑Verenium路易斯安那州福罗里达州C5和C6发酵1.436高纤维含量甘蔗ZeaChem俄勒冈州1.5白杨树、糖、木屑〔美国可再生燃料联盟发布的?2024乙醇展望?〕加拿大加拿大政府开展纤维素乙醇燃料的政策举措加拿大政府为开展纤维素燃料乙醇，制定了一系列有力的公共政策和鼓励措施，推进纤维素乙醇生物燃料原料种植、纤维素燃料乙醇示范生产和商业化，其中包括对燃料乙醇生产的政策扶持、提高公众的关注度以及对纤维素乙醇生产全过程的分析与研究等。2000年10月，加拿大政府出台了?2000气候变化行动方案?，设立了未来燃料方案，确立了加拿大政府未来将大力增加纤维素燃料乙醇的供应和使用的目标。这项方案包括三个主要组成局部：国家生物质乙醇方案为乙醇生产提供持续的贷款资助、资助提高公众对燃料乙醇的认识以及相关的分析和研究。2024年7月，加拿大可再生燃料联盟发布了?加拿大可再生燃料战略?，联邦政府明确指示将采取税收调节等手段开展生物柴油与燃料乙醇，重点将投资开发纤维素乙醇及其商业化，并保证初级农业生产者在这一活动中获利。2024年4月，加拿大自然资源部出台了?生物燃料生态能源?方案，支持汽油和柴油的可再生替代品生产，鼓励国内有竞争力的可再生燃料产业的开展。该方案投资高达15亿美元支持加拿大生物燃料生产，资助时间为2008年4月1日至2017年3月31日。2024年，加拿大创新基金会还将资助2670万美元于加拿大29个研究所的116个工程。曼尼托巴大学获得40万美元，用以研究提高从农业和林业废料中合成生物乙醇和生物氢的效率。同时该基金会还特别支持了一个开发可再生纤维素发酵系统生产生物燃料的实验室。此外，加拿大政府还积极开展对生物质燃料领域根底研究的支持。2024年4月，加拿大科技部部和加拿大基因组组织联合宣布，将支持12个基因组学和蛋白质学研究工程，开展生物基产品和作物，资助强度达1.12亿加元，其中由政府通过加拿大基因组组织提供5300万加元，其余局部由国内外的合作伙伴提供。除加拿大联邦政府对纤维素燃料乙醇进行大力资助外，各省政府也积极开展纤维素乙醇工程，2024年4月哥伦比亚省政府宣布将提供3260多万加元支持该省可再生能源技术工程，其商业化价值将到达约2亿加元。该方案的资金来自两个方面，其一是创新清洁能源基金，将提供2260万加元用于开展多种技术的19个工程；其二是政府提供的1000万加元将支持8项液态生物燃料工程，开发能降低温室气体排放量的纤维素乙醇、生物柴油和生物燃料的技术。哥伦比亚省规定，到2024年省内使用的汽油和柴油必须包含至少5%的可再生能源量，温室气体的排放到2024年将降低33%。2024年加拿大政府出台实施的局部鼓励措施2024年加拿大联邦政府及各省政府相继出台并实施了刺激乙醇生产的措施。其中2024年联邦政府的生物燃料举措与工程如表4。各省出台并实施的燃料乙醇的鼓励措施与工程如表5。〔CanadaasanInvestmentDestinationforBiofuels，2024〕表42024年加拿大联邦政府出台实施的局部相关的鼓励措施名称时间部门要点生物燃料生态能源(ecoENERGYforBiofuels)2024.04--2024.03加拿大自然资源部将在未来9年共投资150亿加元，支持加拿大生物燃料生产。生态农业生物燃料资本方案(ecoAgricultureBiofuelsCapitalInitiative,ecoABC)2024.04--2024.12加拿大农业与农业粮食部5年将共投资2亿加元资助农业生产者投资生物燃料工程，兴建或扩建利用农业原料生产生物运输燃料的生产设施；帮助农业生产者参与到生物燃料工业，实现农业经济的多样化；有利于实现2024可再生生物燃料占汽油燃料总量5%、2024年占柴油燃料和加热用油总量2%的目标。农业机遇方案(Agri-OpportunitiesProgram)2024.01--2024.12加拿大农业与农业粮食部5年将共投资1.34亿加元，加速新型农业产品、工艺与效劳的商业化。工程侧重于农业食品、农业或生物产品，刺激加拿大农业产品价值链的市场时机，促进初级农产品的需求量。下一代生物燃料基金(NextGenBiofuelsFund)加拿大可持续开展技术部促进下一代生物燃料技术的规模化和市场化；支持建设符合条件的下一代可再生燃料生产的示范规模的设施。表5加拿大各省2024燃料乙醇鼓励措施与方案省份名称要点资助额与时间期限哥伦比亚省创新清洁能源基金解决政府确定的能源与环境领域的优先研究方向；示范能解决能源问题的具有国际市场潜力的清洁能源技术；支持预商业化或在省内目前未使用的商业化能源技术；示范新能源技术的商业可行性。2000万加元，每年省内燃油的4%税收等卑诗省替代能源方案免除汽车燃油税：14.5美分/升N/A〔2024-〕阿尔伯塔省生物精炼商业化市场开发方案资助生物能源工程建设、可行性与市场/技术开发2.39亿加元生物能源方案中的局部〔2024-11〕阿尔伯塔省生物能源根底设施开发方案支持产品营销的根底设施建设资金2.39亿加元生物能源方案中的局部〔2024-11〕阿尔伯塔省生物燃料与沼气生产商信贷方案基于产量的非归还性与固定的贷款利率：——9加分/升〔产量≥1.50亿升/年〕——14加分/升〔产量<1.50亿升/年〕2.39亿加元生物能源方案中的局部〔2024-11〕萨斯喀彻温省萨省生物〔SaskBio〕乙醇工程基于产量和农民社会股权投资的需归还和可变的贷款利率：0.05-0.10加元/升或每个工程1000万加元；高达15加分/升的分销商付款方案8000万加元〔2024-11〕N/A〔2024-〕曼尼托巴省乙醇资金固定的鼓励基金的8年方案：——20加分/升〔2024&2024〕——15加分/升〔2024-2024〕——10加分/升〔2024-2024〕资助上限为1.3亿升/年。2024-15年的燃气税收中的局部经费安大概省安大概省乙醇增长基金基于产量的非归还性与固定的贷款利率；不超过植物容量的10加分/升的利率；基于市场条件的非归还性与固定的贷款利率；不超过年产量的11加分/升的利率。$5.20亿加元〔2024–2024〕魁北克省税收贷款资助18.5加分/升；最大生产能力1.26亿升/年或10年共12亿升；基于原材料价格的非归还性与可变的贷款利率。2024-182024年加拿大政府资助的生物燃料领域的局部研发工程如表6。表62024年加拿大政府资助的生物质燃料领域的局部工程资助机构获得资助的机构资助金额〔万加元〕研发内容科技部与基因组织卡尔加里大学和肯考迪亚大学1360高值植物代谢物生产的合成生物学系统研究卡尔加里大学1158生物质能的绿色生产及其宏基因组学研究英属哥伦比亚大学1048向日葵基因组学研究英属哥伦比亚大学344葡萄与酒基因组学研究阿尔伯达大学800木质纤维素原料近期供应的基因组学预测工具开发渥太华大学541基因组学衍生价值研究曼尼托巴大学1047生物燃料及副产品精炼工艺的微生物基因组学研究加拿大农业与农业食品部1198亚麻综合利用基因组学研究肯考迪亚大学1742生物基产品和生物过程的酶基因组学研究麦基尔大学459作物功能改良的功能基因组学多伦多大学1094生物基产品与酶的环境宏基因组学研究西安大概大学639农业虫害控制基因组学研究哥伦比亚省政府Lignol创新有限公司1497其中340万加元将用于利用省内本地的林业废弃物生产纤维素乙醇和其他产品；1157万加元的工程包括建立工序流程以及确定产品性能，估算出纤维素乙醇和以木质素为原料的产品的试售量。NorthwindEthanol公司124建立能将50万加仑木本生物质转化成乙醇的示范规模的设施的纤维素燃料乙醇示范性生产工厂，用木质生物资源生产乙醇和木质素。PowerGlobal有限公司88资助设计和建立生物炼制厂，预计每天能将10公吨木本生物质转化成纤维素乙醇、木质素和木糖。联邦政府生物燃料工程方案Permolex有限公司2350建立乙醇生产设施，将使用饲料级小麦为原料的生产设施设计成能整合面粉生产、麦麸加工和乙醇生产三个独立的传统生产工艺的设施。农业与农业食品部黑小麦生物炼制创始研究网络1200研究网络正在开发黑小麦的新用途，比方作为乙醇生产原料和生物材料生产的来源。创新基金会曼尼托巴大学40研究提高从农业和林业废料中合成生物乙醇和生物氢的效率。欧盟欧盟资助第二代生物燃料研究方案2024年8月，欧盟资助了一项开展具环保效益的经济型生物燃料生产技术的方案——生物乙醇新型高效酶与微生物转化纤维素生物质方案〔NEMO〕。该方案将以新的方式把农业与林业废弃物〔如秸秆、木屑〕转化为液体燃料。NEMO方案的825万欧元预算中590万欧元来自粮食、农业和渔业以及欧盟第七框架方案〔FP7〕生物技术主题。NEMO方案主要侧重于第二代生物燃料生产过程的前2个阶段，即原料预处理和将纤维素转化为简单的糖类。该工程的主要目标是开发可以将纤维素转化为糖的酶，使纤维素便于发酵转化成乙醇。该方案包括研究提高糖转化为乙醇这一过程的速度和效率的酵母菌株，对新酶与酵母进行中试，确保其在工业条件下运作良好等内容。同时NEMO方案开发的技术也将适用于其他生物燃料和化学品生产。欧盟委员会投资90亿欧元开展生物能源2024年10月，欧盟委员会发布了?投资开发低碳能源技术?的建议，呼吁政府机构、企业和研究人员共同努力开展必要的技术以应对气候变化，保障欧盟能源供应平安，并确保经济竞争力。生物燃料和生物能源是欧洲战略能源技术方案的重要组成局部，欧盟将促使最有前途的技术具备商业成熟度，以便能够大规模可持续生产先进的生物燃料和高效的生物质热电联产。预计欧洲未来10年将向能源技术研究额外投资500亿欧元，意味着今后每年欧盟必须在能源技术领域投资30至80亿欧元，其中未来10年在生物能源和生物燃料方面的投资总额度将到达约90亿欧元。目前欧盟迫切需求建立适当规模的示范工厂、前商业化示范或完整的产业化生产。考虑到不同的地理与气候条件和物流制约因素，欧洲需要30多个这样的工厂。按照新可再生资源能源指令〔RESdirective〕的可持续性标准，到2024年具本钱竞争力的生物能源至少将在欧洲能源结构中占14%，可以产生200多万个工作岗位。英国2009年1月27日，英国生物科学与技术理事会〔BBSRC〕投资2700万英镑建立了6个纤维素乙醇生物燃料研究中心，这是英国在生物能源研究上最大的一笔公共投入。中心将为英国重要和新兴的可持续生物能源行业提供科学支撑和开展，从而利用非粮植物燃料替代石油。可持续生物能源中心将集中在6个产研合作区域，研究中心分别位于剑桥大学、邓迪大学、约克大学和Rothamsted研究所，其中诺丁汉大学拥有2个研究中心。此外，还有7所大学和研究所参与其中，区域中心周围的15家工业合作伙伴也出资了约700万英镑。生物能源中心的研究活动将围绕着生物能源生产的多个不同阶段展开，从扩大原料范围到改良所用作物如通过改变植物细胞壁使其生长更为高效等，对生物能源潜在来源进行完整的经济和环境生命周期分析，提高非粮生物质的产量和质量，改良转化工艺，确保整个系统的经济和社会可行性，从而使得开发利用生物能源在英国成为切实可行的解决方案。生物能源中心开展的先进生物燃料研究方案如表7。表7生物能源中心先进生物质燃料方案方案主要内容主导机构参与机构细胞壁木质素方案改良大麦秆木质素加工并将获得的新知识转而用于其它作物。方案旨在改变大麦木质素性质，以便更易生产生物能源，而不用降低作物品质。邓迪大学约克大学，SCRI，RERAD细胞壁糖方案开发改良植物和酶的策略，以增加生物质分解得到的糖量。方案旨在更好地理解糖与植物细胞壁的结构关系。通过开展这项方案，帮助遴选适宜的植物与酶，获得最多的可转化为生物燃料的糖类。剑桥大学纽卡斯尔大学，Novozymes木质纤维素转化为生物乙醇方案利用农林业废弃物生产生物燃料。方案旨在优化植物细胞壁分解释糖过程，以产生用于生产燃料的发酵原料；还将研究应用微生物以高效地将原料转化为燃料。诺丁汉大学巴斯大学，萨里郡大学，BP，生物乙醇公司，BriggsofBurton，BritishSugar，CoorsBrewers，DSM，EthanolTechnology，HGCA，PursuitDynamics，SABMiller，苏格兰威士忌研究所海生钻木虫生化酶发现方案来自海生钻木虫的新生化酶，可用于将非粮生物质转化为生物燃料。海生钻木虫的肠道内含有能够降解木质原料的生化酶，方案旨在提取这种酶用于生物燃料生产。约克大学朴茨茅斯大学，SyngentaBiomassTraitsGroup多年生生物能源作物方案为可持续生物燃料优化生物质产量和组成。方案旨在提高速生树木和草类的产量，且能将植物更多的可用碳转化为生物燃料，并且无需增加诸如肥料的投入。Rothamsted研究所生物学、环境与农业科学研究所〔IBERS〕，伦敦帝国学院，剑桥大学，Ceres第二代可持续、细菌生物燃料方案优化利用非粮生物质更高效地生产第二代生物燃料生物丁醇。现有生物丁醇生产工艺中所用的微生物效率低下、产出无用副产品并且不能直接将植物细胞壁作为原料。方案旨在培育和测试新的菌株以克服上述问题。诺丁汉大学纽卡斯尔大学，TMORenewables〔科学研究动态监测快报－先进能源科技专辑，2024〕2024年7月，英国政府宣布投资1200万英镑用于工业生物技术示范设施建设，以逐步建成一个综合工业生物技术部门。此外，政府还将投入250万英镑支持企业利用示范设施开发和验证新工艺。现有的国家工业生物技术设施为新的工业生物技术产品和工艺提供了测试设备，但规模尚小，新的示范设施将根据开发要求定制并测试以可再生生物质原料生产乙醇、生物柴油和低本钱高附加值的化学品。预计到2024年年底，示范设施将全部投入运行。其他国家日本2024年2月，日本6家公司决定于当月底建立纤维素乙醇联盟，以共同研究和开发具有本钱竞争优势的纤维素乙醇生产技术。该联盟方案先新建一个年产2.5万升的纤维素乙醇试验装置，其最终目标是在2024年前将装置规模放大至年产量为20亿升，生产本钱降至40日元/升，以使其价格能与原油价格相竞争。这6家公司为东丽工业公司、日本炼油商新日本石油公司、丰田汽车公司、三菱重工、鹿岛建设和Sapporo工程公司，他们分别拥有纤维素乙醇生产过程中不同阶段的专利技术。澳大利亚2024年，澳大利亚创新、产业、科学与研究部〔DIISR〕宣布将为林业产品公司WillmottForests旗下的Ethtec公司提供210万美元用以建设纤维素乙醇试验厂，用于研究提高纤维素乙醇产量的工艺。相关技术最初是由Ethtec公司与南密西西比大学、田纳西河谷管理局以及新南威尔士大学合作开发的。Ethtec公司正在新南威尔士州建设总投资达1840万美元的生物炼制试验工厂，预计将于2024年年底完成。同时，该公司还方案于2024年初建设商业化规模工厂，并在2024年完成。印度2024年9月印度政府通过了开展生物燃料的政策。该项政策规定，到2024年，国内汽油和柴油中必须混有20%的生物燃料，这些生物乙醇和生物柴油必须来源于非粮食作物原料，并不占用农业用地种植。2024年，印度在孟买大学化工学院成立了首个以能源生物科学为主的研究中心，该中心将致力于降低印度对石油燃料的依赖并减少温室气体排放，研发有效增加单位面积的生物质产出以及将非粮农业剩余物转化为气体和液体生物燃料的技术。印度生物技术部已在2024年2月为该中心的建立投入了610万美元资金，而且还将获得400万美元的追加投入。纤维素乙醇国际研究进展与关键技术分析纤维素生物质原料的生产与供应技术纤维素生物质原料的种类和特性纤维素是陆生植物细胞壁最主要的成分，占植物干重的35%～50%，是地球上分布最广、含量最丰富的碳水化合物。据测算，地球上纤维素的年总产量高达2000亿吨，蕴储着巨大的生物质能，在作为生物燃料原料方面具有非常大的潜力。纤维素的化学组成非常复杂，由多种不同的多聚糖、酚聚合物和蛋白质组成。能够用于制备纤维素乙醇的纤维素生物质原料包括富含纤维素的植物〔如白杨、柳枝稷等〕、农业剩余物〔如玉米秸、麦秸、稻草等〕、林业剩余物〔如落叶、病树、死树等〕以及其他各种废弃物〔如造纸业、食品业或城市生活的固体垃圾等〕。〔1〕专用能源植物纤维素类能源草本植物〔能源草〕是目前最具开展前景的生物质资源之一，欧洲和美国把它作为首选的专用能源植物。据测算，约4.5吨的能源草干物质可转化约1吨的纤维素乙醇。能源草一般为禾本科多年生高大的丛生草本植物，富含纤维素和半纤维素，干物质产量高；抗旱、耐瘠薄能力强，适应性广。能源草作为生物质能源资源，既有助于开发利用边际土地，增加农民收入，又有利于克服利用作物秸杆开展生物质能源存在的生态风险和利用谷物生产燃料乙醇所造成的粮食和饲料原料短缺等问题，而且一次种植可长期受益，使加工设备得以充分利用，此外还可帮助减轻温室气体排放，起到固沙、改善土壤和绿化荒地的作用。美国自20世纪80年代起就开始关注柳枝稷作为能源植物的潜力，欧洲也对几种主要草类开展了较多的研究，如芒属植物〔Miscanthussp〕、草芦〔Phalarisarundinacea〕和芦竹〔Arundodonax〕等。当前研究最关注的尚属柳枝稷和芒属植物，最近研究发现，柳枝稷生物燃料能量是生产所需能量的五倍。2024年7月，美国能源部长朱棣文透露能源部正在致力于提高芒草生产燃料的能力。研究说明，单位面积种植的芒草生产的乙醇是玉米的15倍以上，但其生产本钱目前仍较高。能源部正在努力降低其生产本钱，并研究如何将作物秸秆和木材剩余物转化为燃料。据保守估计，美国有一半的汽油可以被生物燃料取代，而生物燃料中的一半能够从纤维素原料中生产。研究发现，柳枝稷、芦竹、荻和杂交狼尾草等能源草在我国都具有一定的种植和开发潜力。根据我国林业局编制的?全国能源林建设规划?，我国到2024年将培育完成2亿亩高产优质的能源林基地〔其中也包含用于生产生物柴油的能源植物林〕。北京草业与环境研究开展中心已筛选出适合北京地区种植的3种能源草：柳枝稷、芦竹和荻。2024年春，该中心已经在北京市密云、延庆、大兴和昌平等地选择具有代表性的地块〔总计3000亩〕进行了试种植。〔2〕农业副产品及废弃物全世界每年会产生15.5亿吨农业废弃物，包括玉米、小麦、大麦、燕麦、谷物和高粱等的秸秆，尽管这类生物质拥有很大的应用潜力，但是有必要对其可持续性进行评估，判断哪一类副产物最具可持续性。秸秆是一种用作生物燃料、具有潜力的原料，如玉米秸秆、大麦秸秆、小麦秸秆、细条芦笋和稻谷秸秆等。秸秆分布在广阔农村地区，我国每年有7亿吨左右的秸秆可以利用。目前各种植物纤维素生产乙醇的技术已经趋于成熟，但由于农业废弃物原料采集本钱和运输本钱均居高不下，转化工艺本钱也较高，生产出的乙醇在价格上的竞争力仍然不强，成为制约纤维素乙醇开展的因素。〔3〕林业产品及废弃物短生命周期的轮伐作物颇具作为生物能源和生物燃料原料的潜力，目前世界很多地方都在兴建人工林和农业－森林系统，全球已有125Mha人工林，占世界森林总面积的3.5％。此类林业资源不仅对生物能源部门，而且对环境和经济都大有益处。盛产竹子的日本已开发出以竹子为原料生产纤维素乙醇的技术。据估算，日本竹子资源量约有9300万吨，日本农林水产省认为，如利用这些竹子制造纤维素乙醇，到2024年产量可达2.2亿升，占日本生物乙醇产量的10％，可在一定程度上缓解日本的能源压力。林业系统中每年产生的落叶、病树、死树等林业剩余物也能够提供丰富的木质纤维素。同时，废弃木材、锯屑等林业加工剩余物与森林废弃物也是非常值得生物燃料行业关注的重要资源。〔4〕城市与生活垃圾造纸业、食品业产生的废弃物和城市固体垃圾〔MSW〕在各个国家都是一类重要的资源，如果成功整合到原料供应系统中，不仅可以提供常年的原料供应，也可以解决垃圾处理的难题。英国每年产生1Mt森林废弃物和4.7Mt废纸，可以把这些废弃物纳入能源植物的季节性生产链中，同时还可以与废纸回收行业整合。不过，为了实现这些垃圾资源的潜能还必须克服一些障碍，例如：转化过程需要重要的原料质量标准，然而在实际工作中很难获得；污染物的移除可能增加本钱；垃圾的化学成分会因时间、地点和回收水平的变化而变化；湿气成分也是一个需要有效解决的问题；以及操作中存在健康和平安的隐患等。〔5〕未来原料合成生物学〔Syntheticbiology〕是一快速开展的科学领域，通过重设生物学过程和器官而拥有生产新颖化学制品的潜力。在未来，合成生物学研究将在设计与改造新型能源植物品种、提高生物质原料的产量和改良性状方面发挥巨大作用。纤维素生物质原料的研究与开发世界各国看到生物质原料应用潜力的同时，也已开始关注生物燃料对土地利用和生态系统的影响，以及引发的各种社会和环境问题。生物燃料的开展将明显影响土地利用和食品/饲料价格，然而却只能解决很小一局部的能源供应。为了提高生物质原料生产生物燃料的本钱效益，需要对生物质种质和耕种特性以及收获和加工特性等进行改良性研究。?打破纤维素乙醇的生物学障碍：联合研究议程?在纤维素生物质原料开发方面，提出了三方面重点研究部署，包括：①开发新一代木质纤维素能源植物，②确保可持续性和环境质量，③能源植物的模式系统研究。路线图针对每项研究，分三个五年阶段详细提出了技术途径，并设立了里程碑式的阶段开展目标，如表8中所列。表8美国能源部提出的纤维素生物质原料开发的阶段开展目标重点研究技术途径及其要点阶段目标第一个五年第二个五年第三个五年1.开发新一代木质纤维素能源植物提高生物质的总量和总产率。能源植物的育种与驯化；提高生物质品种对非生物胁迫的耐受性；了解并消除生物质作物的不良性状。研究影响产量和生物质转化率的关键性状。对潜在生物质作物进行基因组测序和遗传学研究。研究和验证针对具体性状的高通量筛选方法。应用高通量筛选和常规及分子育种过程。研究生物能源植物的基因组成和基因表达。确定驯化基因并将其转化到能源植物中。结合已有技术和育种手段部署优质生物质生产；基因改良品种、杂交种及变种。2.确保可持续性和环境质量研究生物质原料长期生产对土壤和环境可持续性的影响。开展生态系统的分析研究，包括微生物群落测序和微生物群落功能的遗传学分析；结合对土壤的理化分析，研究土壤环境的碳排放或碳固定总量。全面分析种植生物质原料的土壤微生物群落；对种植生物质原料的环境进行长期研究；对土壤进行序列分析，研究土壤微生物的多样性。研究不同的耕作方式并分析土壤中微生物群落的含碳量；研究微生物群落内部的相互作用情况。制定生物质生产管理准那么，以保护农业生态系统。3.能源植物的模式系统研究选择能源植物的模式作物开展基因与遗传学研究。选择能源植物的模式生物，确定重要性状和功能的控制基因；根据基因研究结果评估其他相近作物的基因功能。完成二穗短柄草〔Brachypodiumdistachyon〕的基因测序、EST定序和针对短柄和杨属作物的分子标记确定；围绕注解基因顺序，开发具体生物机制的数据库。利用正向和反向遗传学等方法确定与生物质生产和转化功能相关的基因；利用这些基因研究成果改良其他能源植物。通过转基因或标记辅助选择等方法改良能源植物。开展能源植物与基因信息研究工程。〔USADOE〕2024年6月，中国科学院发布了我国至2050年生物质资源科技开展路线图，制定了六项战略路径，以促进中国由生物质资源大国向生物质资源及生物经济强国转变。其中关于生物质能源的战略路径包括筛选优质高效的能源植物资源，建立能源植物在我国不同地域的繁育和生产基地；探索能源植物高效转能和蓄能的生物学机制，开展创新种质，优化规模种植及加工生产体系。重点战略部署的核心研究包括：①能源植物种质的收集与种质保存平台建设；②能源植物种质资源评价与新种质创制；③代表性能源植物的基因组学和功能基因组学的研究；④能源植物高效转能和蓄能的生物学机制研究；⑤能源植物的定向遗传改良研究；⑥能源植物规模化种植关键技术研究；⑦能源植物规模化种植的生态效应研究。表9是路线图报告中提出的能源植物研究与开展路线图时间框架。表9中国科学院提出的能源植物研究与可持续利用路线图时间框架阶段目标技术途径及其要点国家需求驱动路径科研体系部署路径至2024年基于能源植物资源的储量与生态区划的产业规划；核心种质资源确实立及相关研究与产业的平台/体系建设；模式基因资源和模式生物的开掘研究机生物资源开掘和可持续利用的科学根底和技术设计；有用基因的开掘效率，育种资源创新及新品种创制与自主知识产权的能源植物品种，提供根底生物研究和源头材料供应保障；具有中国特色和优势的能源植物产业形成重要物种遗传信息解析方案及信息平台建设；重要物种育种改良方案及遗传育种平台建设；重要物种高效转能和蓄能机制研究方案能源植物资源的储量与生态区划；能源植物资源的收集评价与数据库；规模化种植技术、生态效应及经济评价至2035年实现我国能源植物根底研究的国际高端化，成为全球生物能源产业的源头资源强国；生物资源的利用和新基因资源开掘的理论和技术设计体系；形成引领自主知识产权、主导世界市场的生物能源和生物基产品；实现新型生物质能源产业链和综合利用均衡开展模式建立我国特有能源植物资源开掘及可持续利用的理论和技术体系；开发新物种、新种质、新基因高新产业；开发我国边际土地资源的特殊生物产品的规模化新兴能源产业多学科融合以及计算机和现代分析技术及方法对能源植物能量富集规律机制的说明；遗传发育机制、基因组结构变异及特异基因和功能的形成及植物抗性的遗传机制的说明至2050年能源植物的综合利用体系及高附加值产品研发及产业化能源植物规模化生产模式，新兴生态农业的形成及生物质能源及生物基产品产业规模化能源植物能量富集调控的理论体系和进行定向改良技术体系的建立〔中国科学院生物质资源领域战略研究组，2024〕纤维素生物质原料生产与供应面临的挑战充足、廉价和可持续的原料生产与供应是纤维素乙醇生产的必要根底和可靠保障。当前，在纤维素生物质原料生产与供应方面的挑战主要来自于：①野生生物质资源的种质特性和生长习性、地理分布不利于原料的进一步利用和转化；②多种生物质原料的收集、运输和存贮利用存在难度，且本钱较高；③原料生产与供应对生物多样性、气候变化、生态环境等产生潜在影响的不确定性。为应对上述挑战，有必要围绕以下重要科学问题开展研究：①开展生物质资源的评价、优选和规模化种植研究；典型能源植物的基因与遗传学研究；能源植物的功能基因组学和植物生理学研究；探索能源植物的定向遗传改良研究；以提高生物质原料的生物量，提高其抗胁迫和生物转化性能，有效提高光合作用转化效率。②开展生物质原料的收集、运输和存贮的技术经济分析研究；生物质原料利用的标准化体系研究；探索生物质原料低本钱高效处理的模式和创新性做法，以提高生物质原料的可用性和经济性。③开展生物质原料生产与供应作用于水、土壤和大气环境的模型研究；原料生产与供应过程中碳排放计量和碳固定模型研究；原料生产与供应对土地资源、水资源和生物多样性资源的影响和评价研究