非粮生物质原料体系研发进展及方向

非粮生物质原料供应是生物质能产业发展的最主要限制因素。本文系统分析了适合中国国情的非粮生物质和宜能非粮地概念,阐述粮食安全和生物质能源发展的关系,认为发展可持续非粮生物质能源是实现粮食、能源、生态、农村经济多赢的战略举措。进而,重点综述了当前中国非粮生物质原料及其供应体系研究进展,分析了当前迫切需要研发的重点任务,内容包括废弃物生物质资源及其可获得性,非粮能源植物种类筛选、育种和生产技术,原料生产、收获、收集和物流及其机械化,宜能非粮地的面积、分布和生产潜力,原料生产与供应的可持续性和标准化,供应产业模式及能源农业发展,发展规划和政策。     

我国林业非粮生物质能源原料标准体系的构建

林业非粮生物质能源原料标准在生物质能源产业化建设中扮演着重要的角色,但目前我国尚未建立林业非粮生物质能源原料标准体系,研究也较少。本研究通过对国内外林业非粮生物质能源原料标准化现状分析,探讨并提出我国林业非粮生物质能源原料标准体系构建的主要依据、原则及方法,初步构建包含基础综合、原料产品、原料培育技术、原料产品收贮运技术、原料生产环境保护5个分体系的林业非粮生物质能源原料标准体系。以此为基础提出了今后我国能源行业林业非粮生物质能源原料标准化工作的思路与管理建议。     

能源植物分类及其转化利用

能源植物及其生产是生物质能源的发展基础,也有利于减少温室气体排放、发展低碳经济。在分析总结当前国内外能源植物主要概念的基础上,利用植物系统法、光合途径、生活周期和化学成分组成及其利用等方法对能源植物进行了分类。如以化学成分组成及其利用可将能源植物分为糖料植物、淀粉植物、油料植物、含油微藻植物和木质纤维素植物5类,各类能源植物各有其主要特点。对能源作物的转化利用技术及其产品现状和前景进行系统的分析,目前由生物质转化的液体燃料主要包括乙醇、生物柴油和生物质裂解油,由生物质转化的气体燃料包括生物质燃气、沼气和氢气,生物质经压缩成型或炭化工艺可生产生物质颗粒,生物质以热电联产技术经直燃可大规模发电和供暖。     

我国农林生物质综合开发及利用技术取得重要突破

正为全面落实生物质能源科技发展"十二五"规划要求,满足社会发展对现代农业的战略需求,围绕进一步提升生物质能源利用技术水平,2012年国家863计划现代农业技术领域启动了由中国科学院广州能源研究所牵头的主题项目"纤维素类生物质高效转化利用技术",该项目已于2016年6月28日在京通过技术验收。该项目从草本能源植物的高效培育及原料预处理技术研究出发,以纤维素高效转化、生物燃料高效     

论我国非粮生物质原料的非粮属性

能源安全与粮食安全既相互依赖又相互影响,发展生物质能源具有非常重要的战略地位,而非粮原料供应是生物质能源产业发展的最大瓶颈。非粮原则的本质是不能影响粮食安全,因而狭义的非粮生物质应定义为谷物籽粒以外的生物质。以谷物为粮食生产统计的国际口径,我国已基本实现了粮食自给,而且,据预测2029年当我国人口达到最多时,仍能保持基本的粮食安全。因此,谷物类籽粒毫无疑问不属于非粮生物质原料的种类,谷物籽粒类以外的农林业产品属于非粮生物质原料。豆类作物籽粒、薯类作物薯块、油料作物类籽粒和糖料作物含糖器官,属于受限制发展的非粮生物质原料种类;非食用的动植物产品及其他有机废弃物属于鼓励发展的非粮生物质原料种类。     

黄河三角洲边际性土地资源开发与生物质能源研究

黄河三角洲具有丰富的后备土地资源,将边际性土地开发与生物质能源发展相结合,有利于该区土地资源合理利用和生物质能原料的高效、可持续供应。在深入分析黄河三角洲水土资源和农村生物质能源利用现状基础上,结合国内外生物能源研究现状和最新进展,探讨了甜高粱、菊芋、柳枝稷和蓖麻等能源植物在黄河三角洲盐碱化土地规模化种植的必要性与可行性,并从技术、政策和市场等方面提出了促进黄河三角洲生物质能发展和边际性土地开发的几点关键建议,对当前黄河三角洲水土资源科学开发具有指导性意义。     

菊芋、玉米和大豆秸秆颗粒状燃料的燃烧性能比较

菊芋发酵生产生物乙醇的研究报道较多,但是迄今还没有被研究用于生产生物质固体燃料的报道。比较了菊芋、玉米和大豆秸秆加工成的生物质固体燃料的化学组成以及燃烧特性,结果表明:菊芋秸秆加工的生物质固体燃料的燃点和灰分均低于玉米秸秆和大豆秸秆所生产的生物质固体燃料,但其放热量要高于后两者,挥发分高于常规固体燃料加工原料玉米秸秆。菊芋秸秆加工的生物质固体燃料燃烧所释放的酸性气体量极低,燃烧性能明显优于玉米、大豆秸秆等加工的大众固体燃料,因此它是一种有前景、可替代化石能源的新型固体燃料。     

内蒙古能源植物菊芋生产现状及发展对策

文章阐述了内蒙古能源植物菊芋生产现状及生产中存在的问题,指出了内蒙古发展能源植物菊芋产业的优势和前景,提出了内蒙古发展能源植物菊芋产业的对策。     

植物油脂的生物合成及生物质能源产业化

化石能源日益枯竭,利用现代科技生产生物质能源,是解决未来能源问题的一条重要出路。阐述了能源植物前质体的发育,着重介绍了质体与脂类合成相关性等方面的研究进展,探讨了生物质能源合成的产业化策略。植物生物质能源合成调控原理的产业化日益受到人们的关注,通过转基因方式增强油脂生物合成以及通过热化学和生物化学方法转化生物质能的前景是非常可观的。     

文冠果的生殖生物学与良种繁育研究进展

鉴于对能源短缺和气候变化,生物柴油倍受世界各国政府重视。文冠果(Xanthoceras sor-bifolia Bunge)是我国特有的油料树种,是我国政府支持重点发展的生物柴油原料植物。然而文冠果坐果率很低,生产良种化程度低,导致产量低、开发成本高、经济效益低,是当前我国文冠果生物质能源产业发展的瓶颈问题。针对文冠果的生殖生物学和良种繁育方面的研究进展进行了综述,并提出了存在的问题和需要进一步研发的建议。     

作物秸秆生物质原料可持续利用模式探究

为阐明作物秸秆作为生物质原料的可持续利用潜力,基于可持续发展理论,构建了以生物质原料可持续生产和供应系统为基础的生物质产业可持续发展模式。在此基础上,构建了作物秸秆生物质原料可持续利用模式,并分析了中国作物秸秆生物质原料可持续利用潜力。在中国现代生物质产业发展过程中,需要控制作物秸秆生物质原料利用比例整体上不超过25%,即使部分适宜规模化开发利用地区亦不能超过35%;生物质产业发展应该兼顾生物质原料需要与传统利用方式需要之间的平衡,尤其是要满足作物主产品可持续生产的需要。     

木质素与生物燃料生产:降低含量或解除束缚?

生物质能源作为可再生性替代能源之一,其开发利用可为解决当前全球变暖、化石能源成本飞涨和环境污染等重大问题提供新的途径。木质纤维素是植物细胞壁的主要组成成分,也是地球上最丰富的可再生资源之一,可转化为生物酒精等液体生物燃料。木质纤维素主要包括纤维素、半纤维素和木质素,三者之间由酯键、醚键和糖苷键等化学键连接,形成的木质素-糖类复合体是一种共价键聚合物,这些细胞壁成分的组成及其互作会影响多糖的水解作用,进而影响木质纤维素的转化利用效率,其中,木质素被认为是阻碍纤维素酶分解的主要物理障碍。当前,提高能源作物生物质的田间种植、生产效率及其工厂化降解、转化效率是生物质能源发展的热点和难点问题。由于木质素是木质纤维素生物量中除多糖之外含量最高的成分之一,提高木质素利用效率成为影响整个木质纤维素生物冶炼产能的关键。为此,文中从降低木质素含量和解除木质素束缚的角度出发,系统回顾了木质素在植物细胞壁中的发育沉积特征及其遗传改造研究进展,探究从植物细胞壁结构组成角度优化木质纤维素性状提高生物燃料产率的可能性,重点论述了降低能源植物木质素含量的遗传选育和基因改良策略,以及木质纤维素生物冶炼的预处理和分离技术。一方面,通过常规育种程序培育低木质素含量的生物能源作物品种,或是通过基因工程技术下调木质素的生物合成,对于提高木质纤维素利用效率和降低生物燃料生产成本均具有积极的作用。另一方面,以解除木质素束缚为目的的生物冶炼预处理技术是提高木质纤维素生物燃料工厂化生产效率的重要环节,主要包括酸预处理法、碱预处理法和有机溶剂预处理法,高效的预处理技术能够显著提高纤维素酶水解效率,增加生物酒精产量。文中最后对木质素与生物燃料生产的研究与应用前景进行了展望。     

紫花苜蓿（Medicago sativa L.）生物能源利用的研究进展

紫花苜蓿（Medicago sativa L.）适应性强、生物质产量高,茎可用于生产酒精,叶片可用于家畜饲料,是最具开发潜力的能源植物之一。本文从紫花苜蓿生物能源利用角度出发,系统回顾了近年来紫花苜蓿作为能源植物在种质资源评价、细胞壁主要成分（纤维素、半纤维素、木质素）合成途径及其遗传调控以及栽培管理对酒精生产效率的影响等方面的研究进展,重点讨论了苜蓿细胞壁发育和木质素生物合成基因及其调控效应,并对紫花苜蓿作为能源植物的研发前景进行了展望。     

Switchgrass as a bioenergy crop in the Loess Plateau,China:Potential lignocellulosic feedstock production and environmental conservation

A large portion of the Loess Plateau of China is characterized as "marginal" with serious land degradation and desertification problems. Consequently, two policies, Grain for Green and Western Development Action were established by the Chinese government in response to the demand for ecological protection and economic development in the Loess Plateau. These policies are designed to increase forest cover, expand farmlands, and enhance soil and water conservation, while creating sustainable vegetation restoration. Perennial grasses have gained attention as bioenergy feedstocks due to their high biomass yields, low inputs, and greater ecosystem services compared to annual crops. Moreover, perennial grasses limit nutrient runoff and reduce greenhouse gas emissions and soil losses while sequestering carbon. Additionally, perennial grasses can generate economic returns for local farmers through producing bioenergy feedstock or forage on marginal lands. Here, we suggest a United States model energy crop, switchgrass(Panicum virgatum L.) as a model crop to minimize land degradation and desertification and to generate biomass for energy on the Loess Plateau.     

Review of the direct thermochemical conversion of lignocellulosic biomass for liquid fuels

Increased demand for liquid transportation fuels, environmental concerns and depletion of petroleum resources requires the development of efficient conversion technologies for production of second-generation biofuels from non-food resources. Thermochemical approaches hold great potential for conversion of lignocellulosic biomass into liquid fuels. Direct thermochemical processes convert biomass into liquid fuels in one step using heat and catalysts and have many advantages over indirect and biological processes, such as greater feedstock flexibility, integrated conversion of whole biomass, and lower operation costs. Several direct thermochemical processes are employed in the production of liquid biofuels depending on the nature of the feedstock properties: such as fast pyrolysis/liquefaction of lignocellulosic biomass for bio-oil, including upgrading methods, such as catalytic cracking and hydrogenation. Owing to the substantial amount of liquid fuels consumed by vehicular transport, converting biomass into drop-in liquid fuels may reduce the dependence of the fuel market on petroleumbased fuel products. In this review, we also summarize recent progress in technologies for large-scale equipment for direct thermochemical conversion. We focus on the technical aspects critical to commercialization of the technologies for production of liquid fuels from biomass,including feedstock type, cracking catalysts, catalytic cracking mechanisms, catalytic reactors, and biofuel properties. We also discuss future prospects for direct thermochemical conversion in biorefineries for the production of high grade biofuels.     

微藻脂肪酸合成累积代谢基因调控的研究进展

随着环境与能源问题的日益紧张,微藻成为生物柴油的重要原料,并且成为研究者们关注的热点。首先介绍了微藻作为生物柴油原料的优势,如生长速度快、生物量大、油脂含量多等。其次综述了关于微藻代谢途径的研究进展,分别从脂肪酸的合成和分解途径综述了人们近些年来对关键限速酶的研究进展,总结了不同限速酶取得的成果。提出采用基因沉默等方法来抑制脂肪酸的分解代谢。最后对微藻作为生物柴油原料的前景做了展望,目前已有乙酰辅酶A羧化酶(ACCase)等酶被研究,但还有脂肪酸合成酶(FAS)等酶以及其他旁路途经的相关酶有待于更深入地开发和研究。     

Genetic Variation and Yield Performance of Jerusalem Artichoke Germplasm Collected in China

Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) is a perennial tuberous plant rich in inulin and is a potential energy crop.This study was conducted in a semiarid region of the Loess Plateau to investigate variations in morphological and agronomic characteristics and yield performance of 59 Jerusalem artichoke clones collected from 24 provinces in China.The germplasm we collected exhibited variations either in qualitative or in quantitative traits. Substantial genetic variations (genotype coefficient of variation ＞20%) in the main stem diameter, main stem number per plant, branch number per main stem, tuber number per plant, tuber size, tuber yield, and top yield (i.e., aboveground biomass) were found as well. Seven clones had a tuber yield ranging between 9.1-10.6 t ha-1, 7 clones had a top yield ranging between 18.1-31.3 t ha-1, and 15clones had a total biomass yield (i.e., tuber and top weight) between 25.0-35.0 t ha-1 on an oven-dried weight basis under the drought soil and climatic condition in the semiarid region. The 59 Jerusalem artichoke clones were clustered into 8groups based on 17 quantitative traits, and indicated that the most prevalent clones planted by farmers exhibited relatively low variation. Correlation analysis was conducted on the morphology and agronomy of the clones. This investigation suggests possible genetic improvement of Jerusalem artichoke for a higher tuber yield or a top biomass yield, and as a promising application for inulin or bioenergy in semiarid regions.     

边际土地草本能源植物应用潜力评价

为促进中国边际土地草本能源植物种植与生物质原料生产,基于京郊边际土地草本能源植物规模化种植的实践,从生产潜力、生物质品质、生物质利用潜力、生态效应等4个方面对荻的应用潜力进行了分析评价.结果表明:荻在京郊挖沙废弃地上的生产潜力为2.31 t/hm2,达到京郊耕地条件下的8.41％,生物质品质优良,其标准煤折算当量、沼气产量、纤维素乙醇产量分别为1.42 t/hm2、289.99 m3/hm2、0.59 t/hm2,分别达到京郊耕地条件下的8.38％、8.37％、8.15％,生态效应明显.荻在边际土地上具备良好的应用潜力.