摘要：甘蔗是国际最重要的非粮能源作物，具有生产燃料乙醇的理想生物学特征和植物学特性。本文了国内外甘蔗燃料乙醇发展现状，包括远缘杂交能源甘蔗育种、转基因改造、原料甘蔗的周年供应技术体系、甘蔗乙醇转化工艺等技术成熟程度、市场竞争力进行可行性分析。文中还指出我国甘蔗乙醇工程已具备政策环境、资源基础、技术成熟和市场经济竞争力优势，必将得到迅速发展，成为车用液体燃料的重要成员。
关键词：甘蔗燃料乙醇产业发展前景Sugarcane fuel ethanol industry development and its prospects
Chen Rukai
Abstract:Sugarcane is the most important non?food energy crops,which possesses the ideal characteristics of biological and botanic characteristics for the production of fuel ethanol.In this paper,the development status of the ethanol fuel at home and abroad was introduced.Energy sugarcane breeding through distant hybridization,genetic modification by transgenic transformation,annual supply system of material sugarcane,sugarcane ethanol production process,and also their corresponding technology maturity and market competitiveness were included to conduct a feasibility analysis.It also pointed out that,with favorable policy environment,rich resource base,fine technological maturity and competitive advantages in market economy,China?s sugarcane ethanol project will certainly develop rapidly and sugarcane ethanol become an important member of liquid fuel.
Keywords:Sugar cane fuel Ethyl alcohol Industry Prospects for development
【中图分类号】F302【文献标识码】A【文章编号】1009-9646(2009)03-0020-04
以化石燃料为主的能源已日趋枯竭，且对环境与生态造成巨大的压力，实现能源多元化和寻求可再生的清洁能源已经成为世界可持续发展之大势。人类正在开始可再生能源时代，在可再生能源家族中，现实可行的能源是生物质能源。为此，各国都在紧锣密鼓地调整自己的能源战略。
燃料乙醇大致可分为以甘蔗、甜高粱、甜菜等糖质为发酵底物，以玉米、木薯、甘薯等淀粉和以秸秆、蔗渣等纤维素、半纤维素为原料经糖化或酶解生产三种燃料乙醇。在国内外，前两种乙醇的发酵工艺均为成熟技术，世界上投入商业化、工业化、规模化生产的主要是甘蔗乙醇和玉米乙醇。而以纤维素、半纤维素为原料的燃料乙醇生产尚处于中试阶段，产业化技术没有形成。至今，世界上尚无利用纤维素商业化生产燃料乙醇的企业。
甘蔗是一种适应性广、抗逆性强、适应边际性土地（山坡地、沙洲地和盐碱地）生长的高生物量、高可发酵糖量作物。我国甘蔗历来不与粮争地。甘蔗具有碳四光合途径，在光合作用中比碳三作物多吸收3~8倍的CO2气体，具有明显地降低“温室效应”作用，而且，甘蔗连作5~6年不减产。因此，也是环境友好型的能源、糖料作物。
1.甘蔗乙醇的研发与利用现状
1.1世界甘蔗乙醇的现状。世界上甘蔗汁酿酒技术已有千年历史，但是，商业化、规模化、工业化生产甘蔗燃料乙醇产业诞生仅30余年。甘蔗是世界上最主要的能源作物，2006年，世界甘蔗总产10.9 亿吨,主产国依次为巴西（4.5亿吨）、印度（2?1亿吨）、中国（0.96亿吨）、美国（0.76亿吨）、澳大利亚（0.4亿吨）。但最具竞争力的国家却是澳大利亚和巴西。现代甘蔗燃料乙醇产业的建立，在技术上有赖于高生物量、高可发酵糖含量的能源甘蔗和环境友好型高效产业工程技术体系的研究、示范与应用。甘蔗具有碳四光合特性、生物遗传多样性和生长巨型性，堪称大田作物之首；甘蔗汁可为酵母直接利用转化乙醇，比淀粉酿酒节省了淀粉合成与分解两个耗能的生化过程，因此，在热带、亚热带地区，甘蔗是能源作物之首选。
所谓能源甘蔗是指上世纪70年代，美国植物生理学家Alexander A.G.教授在美国农业部UP计划和巴西甘蔗乙醇计划的支持下，利用Saccharum 属的S.officinarum（高贵种）同热带杂草杂交，育成一种生物量达240~270吨/公顷，总可发酵糖量（包括纤维素、半纤维素和木质素）干重达48~55吨/公顷的非食用甘蔗新品种。
据美国夏威夷再生能源协会的资料，能源甘蔗的生物量比糖料甘蔗高一倍，达271吨/公顷；公顷年产乙醇比糖料甘蔗高86%，达37060升（全生物量酶解同步发酵结果）；同等乙醇生产规模所需耕地面积仅为糖料甘蔗的59.6%（图1）。甘蔗生产燃料乙醇能量输出/输入比比其他作物都大，达8.0
当时，美国夏威夷州商业、经济发展与旅游部曾用此种甘蔗为原料进行燃料乙醇的中间试验，每公顷年产271吨的能源甘蔗最终可生产29.6吨燃料乙醇。
但是，由于蔗渣木质纤维酶解糖化的产业化技术尚未成熟，成本太高，因此，酶解同步发酵乙醇的工艺至今未投入商业化运营。为此，美国、巴西、印度等国科学家改变育种策略，调整育种目标，培育出RB72-454、 RB85-5536和SP94-115等糖、能兼用的甘蔗新品种，用以糖、酒联产企业的原料品种。企业可根据市场需要，每年调节产糖、产乙醇的比例（图4）。以避免甘蔗种植业因糖价波动而大起大落，从而稳定了蔗农收入。
巴西是世界上发展甘蔗乙醇最成功的国家，从1978年实行“甘蔗乙醇计划”以来，甘蔗面积从66万公顷，扩大到2006年的658万公顷；甘蔗总产从4.5千万吨，增加到4.50亿吨；蔗糖总产从450万吨，增加到2500万吨；乙醇产量从0增加到157亿升，占世界燃料乙醇总产420亿升的37.4%，成为世界第一生物能源大国。巴西轻型汽车是世界上使用汽油醇最成功的国家，有效替代了化石燃料，净化了环境，实现了能源自给。至今，巴西还在进一步扩大燃料乙醇的生产规模，加强各项配套设施建设。2006年新建41个甘蔗乙醇、制糖工厂，建成后可增加7000万吨的甘蔗加工能力，其中2/3是生产燃料乙醇，预计到2010年，巴西甘蔗加工能力将达到5亿吨。与此同时，巴西还在加快燃料乙醇专用管道的建设，以提高乙醇的运输能力。
巴西现有S? Paulo糖业酒精联合会技术研究中心（SP）、联邦大学（RB）、Campinas农业研究所（IAC）和CanaVialis甘蔗研发公司（CV）四个主要的甘蔗研究机构，CV是世界上规模最大、最现代化的甘蔗研究所，他们在甘蔗遗传改良、关键技术改进以及产业发展中起着支撑作用。据报道，巴西甘蔗平均单产86~93吨/公顷，比我国高16~23吨/公顷，全国原料蔗平均蔗糖分15.0%以上，比我国高0.7个百分点（绝对值）以上，投入产出比为1∶2，其乙醇生产成本世界最低，每升仅8美分，而美国玉米乙醇为每升24美分，法国甜菜乙醇为每升25美分。巴西甘蔗乙醇销售价格仅为汽油的25%~65%（2006年约为40%）。澳大利亚的甘蔗平均单产为105吨/公顷，是世界上甘蔗单产和含糖量最高、最具竞争力的产蔗国家。
近年，由于世界油价飚升，全球对乙醇需求急剧增加。为此，澳大利亚、泰国、印度、南非、哥伦比亚和中美洲国家纷纷学习巴西经验，利用糖、能兼用甘蔗发酵生产燃料乙醇，促进了世界甘蔗燃料乙醇迅速增长。根据USDA统计，1975年世界燃料乙醇产量为5亿升，1990年为200亿升，2006年为420亿升，预计2010年将达到600亿升。
此外，巴西、美国、澳大利亚等国均设立专门机构，指导、咨询和实施生物能源计划，如美国的生物质项目办公室和生物质技术咨询委员会、澳大利亚的再生燃料委员会等，同时设立专项基金对项目研发、示范给予支持，如日本的阳光计划、印度的绿色能源工程计划等；巴西政府不仅制定了甘蔗乙醇计划，还实行政府集中管理，全面控制糖、酒生产计划，实施生产配额、产品价格、贴息贷款、出口补贴、减免税收，降低酒精汽车消费税、补贴生产乙醇汽车的企业等，从多方面对甘蔗糖、酒联产给予支持，从而形成了合理的区域化布局、专业化生产、一体化经营、社会化服务体系，建立了完善的市场机制，从政府推动逐渐过渡到市场拉动。现在，澳大利亚和巴西扶持本国产业，主要采用WTO所允许的“绿箱”政策。近几年，巴西政府还特别注重扩展新能源的海外出口市场，已将日本、中国、俄罗斯、印度、南非和美国等列为巴西未来燃料乙醇的出口市场。
1.2我国甘蔗乙醇的研发现状。“十五”期间，我国正式启动燃料乙醇计划，主要是利用玉米、小麦等陈化粮生产乙醇。现已形成102万吨的生产规模。国家于2001年制订颁布了《变性燃料乙醇》和《车用乙醇汽油》两个国家产品标准；2005年又颁布了《可再生能源法》；相关部委又出台了《关于发展生物质能源和生物化工财税扶持政策》，为我国生物质能源产业发展营造良好的环境，提供了有力的政策保障。
1.2.1能源甘蔗的研发概况。“十一五”开始，国家加大了能源结构调整力度，考虑到粮食安全问题，鼓励非粮燃料乙醇的发展，甘蔗燃料乙醇将应运而生。建国以来，我国原有蔗糖厂几乎都有利用制糖废蜜生产甘蔗乙醇的车间，但规模很小，生产期短，三废处理成本高，多数处于停产状态。若利用甘蔗生产乙醇，除前处理不同外，其它发酵工艺、蒸馏设备大体相同。但是，甘蔗乙醇作为一个产业工程不同于附属车间，根据国外经验，一个经济规模的甘蔗乙醇生产线为23万吨(30亿升)，每年开工300天，这就必需保证原材料周年供应，涉及高生物量、高发酵糖量的甘蔗育种（含基因工程育种）、农作制度的改革和环境友好的产业技术体系研究、示范和应用，以及清洁生产、延伸产业链和优化产业结构等问题。
国家“九五”攻关将“高光效、高生物量甘蔗育种”列入攻关内容，利用甘蔗复合体(Saccharum Complex)的遗传多样性和高光效特性，培育具有高生物量甘蔗品种。“十五”以来，福建农林大学主持、广州甘科所、广西甘科所、云南甘科所、福建师大生命科学学院、教育部现代发酵技术研究工程中心和各地龙头企业等参加的国家863项目“能源甘蔗新材料的创制与研究”、国家攻关先导“能源甘蔗技术开发与品种产业化示范”、国家高技术产业化专项“双高能源甘蔗优良种苗培育及高效生产高技术产业化示范工程”、国家“948”行业重大项目、农业部跨越计划、农业结构调整重大技术研究专项的联合攻关组，开展能、糖兼用甘蔗育种、甘蔗清汁发酵技术研究、中试和产业化技术示范和应用，取得一批阶段性成果。通过引进、消化吸收再创新，从300份引进材料中筛选鉴定了一批适宜糖、能兼用的优良品种（图6）。
项目联合攻关组利用各主产蔗国家的甘蔗异源多倍体和近缘植物开展甘蔗远缘杂交、系谱选择与分子标记辅助鉴定（图6），以及基因工程育种，培育出福农95~1702、粤糖93~159、粤糖94~128、桂糖94~116等一批糖、能兼用甘蔗新品种（图7）和转基因甘蔗新品系（图8）。
这些自育品种的糖分和产量指标达到甘蔗品种国际先进水平，科技部组织的专家鉴定组认为，高光效、高生物量育种方法及鉴定技术已达到国际先进水平。
1.2.2环境友好的生产技术和农林制度研究。在原料甘蔗高效生产上，通过集成创新开发了旱地深松、生物防治、健康种苗、机械化生产、平衡施肥等环境友好成套技术来降低生产成本（图9-1）。同时，根据甘蔗乙醇产业周年生产对优质原料的需求，联合攻关组还以广东湛江大华糖业公司的10万亩基地为载体开展早、中、晚工艺成熟期系列品种的春、秋、冬植农作制度的工农艺性状的研究。将为即将诞生的甘蔗乙醇产业的原料生产提供成套技术支撑(图9-2)。
1.2.3甘蔗乙醇的中试生产实验。在发酵技术方面，项目组在国内率先研发的“甘蔗清汁发酵生产燃料乙醇”技术，已经获得国家发明专利（图10），采用该技术，每11.5~13.0吨甘蔗生产1吨乙醇，达到巴西现有先进水平；在发酵酵母菌种的筛选改造方面，已获得一个耐35℃、耐酒精浓度15°~17°的优良菌株；在乙醇生产的废水处理方面，采用工厂余热浓缩废水，而后喷回锅炉燃烧发电的方法，在国内首次解决甘蔗糖蜜生产乙醇废水零排放问题。
通过以上关键产业技术的自主创新和集成创新，我国已基本建立甘蔗燃料乙醇产业技术体系。
2.我国发展甘蔗燃料乙醇产业工程的可行性
2.1生物特性决定甘蔗时生产燃料乙醇的理想原料。据报道，在主要的燃料乙醇原料作物中，能量效率由高到低依次是甘蔗、甜高梁、木薯、玉米、小麦［5］。甘蔗由于其理想的生物特性，作为燃料乙醇原料具有比较大的优势：①甘蔗为碳四光合作物，具有高产、高糖、适应性广、抗逆性强，宜集中连片种植，能满足规模化乙醇生产对原料周年供应的需求；②甘蔗汁的单糖、双糖和五碳糖是乙醇发酵的直接底物，比淀粉发酵乙醇节省了淀粉合成与糖化两个耗能生化过程。由于上述两种原因，应用甘蔗生产乙醇能量效率最高、成本最为低廉。因此甘蔗是唯一可以规模化、工业化、商业化生产乙醇的费粮生物质材料。
2.2我国发展甘蔗燃料乙醇不影响粮食安全。“十一五”国家考虑粮食安全问题，国家发改委提出“因地制宜，非粮为主”；农业部《农业生物质能产业规划（2007～2015）》中提出“不与人争粮，不与粮争地”。与目前燃料乙醇主要原料玉米不同的是甘蔗为非粮作物，也不作为禽畜饲料，发展甘蔗燃料乙醇不影响粮食安全和畜牧业发展。另一方面，由于甘蔗的抗逆性，长期以来甘蔗不与粮争地争水，至今我国85%以上的甘蔗仍然均种植在山坡旱地、沙洲地和围垦盐碱地等边际性土壤上。我国历史上甘蔗最高种植面积达2700万亩，而目前仅2200万亩。同历史最高种植面积相比，尚有500万亩宜蔗边际性土地，这些宜蔗边际性土地大部分均不适合粮食作物的生长。
2.3我国发展甘蔗燃料乙醇不影响食糖供应。据联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations,FAO）统计， 1996/97榨季，我国甘蔗平均单产58万吨/公顷，2003/04榨季全国平均单产提高到68.8万吨/公顷，种植面的世界第三（1316khm2）,单产居世界第四位；甘蔗蔗糖分提高了3个百分点，在面积基本不变的情况下，10年蔗糖总产从1996/97生产期的496万吨跨越发展到2005/06生产期的809万吨，2006/07生产期的1070万吨，继巴西、印度之后，成为世界第三产糖大国，提前实现《中国食品纲要》规定的人均摄入量9公斤的要求。据国家海关资料，从2001~2006年我国实际进口原糖仅为入世承诺配额的60％左右，说明国内蔗糖生产的发展，改写了食糖依赖进口的历史。据农业部《甘蔗优势区域发展规划（2008~2015）》，在保证国内食糖供应的前提下，适应发展甘蔗乙醇有利于稳定甘蔗生产。至2015年，保持全国甘蔗种植面积2200万亩，按单产5.0吨计算，甘蔗总产可达1.1亿吨，在甘蔗糖分提高0.5个百分点的前提下，可产白糖1300万吨，加上甜菜糖150万吨，进口糖100万吨共1550万吨。除满足14.3亿人口，人均10公斤摄入量，总需求1430万吨外，还可再造一个80万吨的乙醇产业。国家对糖料作物的计划面积为3100万亩，扣除甜菜500万亩，糖料甘蔗2200万亩，尚有400万亩可用于发展能源甘蔗2000万吨，生产近160万吨乙醇。说明适度发展甘蔗乙醇并不影响糖料生产。
2.4我国甘蔗燃料乙醇生产设备可行性。我国发展甘蔗燃料乙醇在工艺和设备上不存在根本性、长期性的障碍。我国己具备了制造生产10万吨甘蔗燃料乙醇生产设备的能力。从糖汁提取、浓缩、发酵、蒸馏和脱水等，工艺均为成熟技术。也可利用大型制糖厂加以改造，建成糖、能联产企业。适当引进先进的浸取和高效生物质大锅炉可大幅提高乙醇得率和能源利用率。
2.5我国甘蔗燃料乙醇生产得市场可行性。甘蔗燃料乙醇具有市场竞争优势。国际上，巴西得甘蔗乙醇成本仅8美分，而美国玉米乙醇为24美分。在国内玉米乙醇得原料成本则为5440元（1700元/吨玉米）。而甘蔗乙醇原料成本以吨蔗价300元计，则13吨甘蔗生产1吨乙醇，原料甘蔗成本是3900元，比玉米乙醇便宜1500元，加上车间成本、附料成本、折旧等费用不超过600元，吨甘蔗乙醇生产成本4500元，国家对企业燃料乙醇得结算价是90＃汽油批发价（5766元/吨，北京石油在线信息科技公司2007年7月26日价格）×0.9111，约为5252元/吨。可见在国内外，甘蔗乙醇对汽油均有市场竞争力。此外，国家对燃料乙醇生产企业免征营业税6％可增殖税收，吨乙醇补贴1370元，利润空间较大。同时，甘蔗燃料乙醇还有较大利润扩展空间，以巴西为例，每吨乙醇的成本从开始的800美元下降到目前的300美元。国家发改委在2008年后将逐步降低直至取消对乙醇企业的补贴。因此，燃料乙醇企业必须尽快培养自身的自主盈利能力，只有能自主盈利的燃料乙醇生产企业才有生存的空间。
3.结束语
前不久，国家财政部发布出台的“可再生能源发展专项基金管理暂行办法”中明确指出，生物乙醇燃料“是指用甘蔗、木薯、甜高梁等制取的燃料乙醇”。甘蔗作为燃料乙醇的重要原料已收到国家的重视。虽然甘蔗燃料乙醇在我国尚处于起步阶段，但以其技术成熟稳定和市场竞争优势，必将得到快速发展，成为我国车用液体燃料的重要成员。
