能源植物

简介

英语：Energy Plants

林业能源方面，培植生长快、光合作用效率高、繁殖力强的树木在国外已受到重视。中国林业科学研究院试验研究，列出60余种能源植物。森林能源的利用方法有两种：通过干馏来提取煤气、焦油和炭；直接进行燃烧，石油植物也是开辟的一个新领域。

石油是不可再生的能源，故它的枯竭是不可避免的，必然的。所以许多国家都在进行替代能源的研究，能源植物的研究便应运而生了。美国的诺贝尔奖获得者卡尔教授，早在1984年就开发出首个人工石油植物，得到每公顷120-140桶原油的收成。美国现已种植石油植物达几百万亩之多，英国也开发了150万亩，而瑞士更制订计划利用植物石油取代全国半数石油消耗量。

欧洲和北美也大量种植多年生草本植物，作为燃料发电，如象草就是这样一种植物。英国还查明，草原网草，大网茅和高沙草等植物的生长速度快，是种植的重要能源植物。还有大戟（jì）科的大戟属，红雀珊瑚属和海漆属，也是理想的燃料植物。

树海桐，又叫石油果，是一种潜在的石油代用品。巴西的香波树，在树上挖个洞，油就会流出来。美国的黄鼠草，西海岸的巨型藻，澳大利亚的丛粒藻等也能提炼出石油来。

酸角树

我国也不乏石油植物，如海南的汕楠树，还有桉树，都能高产石油。经科学家鉴定，有生产价值的能源植物，生长在亚太地区的，就有10多种草本植物，23种乔木和18种灌木。石油能源

续随子、绿玉树、西谷椰子、西蒙得木、巴西橡胶树等均属此类植物。例如巴西橡胶树分泌的乳汁与石油成分极其相似，不需提炼就可以直接作为柴油使用，每一株树年产量高达40L。我国海南省特产植物油楠树的树干含有一种类似煤油的淡棕色可燃性油质液体，在树干上钻个洞，就会流出这种液体，也可以直接用作燃料油。

化合物

利用这些植物所得到的最终产品是乙醇。这类植物种类多，且分布广，如木薯、马铃薯、菊芋、甜菜以及禾本科的甘蔗、高粱、玉米等农作物都是生产乙醇的良好原料。

分布

这类植物既是人类食物的重要组成部分，又是工业用途非常广泛的原料。对富含油脂的能源植物进行加工是制备生物柴油的有效途径。世界上富含油的植物达万种以上，我国有近千种，有的含油率很高，如桂北木姜子种子含油率达64.4%，樟科植物黄脉钓樟种子含油率高达67.2%。

这类植物有些种类存储量很大，如种子含油达15%～25%的苍耳子广布华北、东北、西北等地，资源丰富，仅陕西省的年产量就达1.35万吨。集中分布于内蒙、陕西、甘肃和宁夏的白沙蒿、黑沙蒿，种子含油16%～23%，蕴藏量高达50万t。水花生、水浮莲、水葫芦等一些高等淡水植物也有很大的产油潜力。

薪炭能源

这类植物主要提供薪柴和木炭。如杨柳科、桃金娘科桉属、银合欢属等。世界上较好的薪炭树种有加拿大杨、意大利杨、美国梧桐等。

我国也发展了一些适合作薪炭的树种，如紫穗槐、沙枣、旱柳、泡桐等，有的地方种植薪炭林3~5年就见效，平均每公顷薪炭林可产干柴15t左右。美国种植的芒草可燃性强，收获后的干草能利用现有技术轻易制成燃料用于电厂发电。

生产技术生物柴油

化学法

国际上生产生物柴油主要采用化学法，即在一定温度下，将动植物油脂与低碳醇在酸或碱催化作用下，进行酯交换反应，生成相应的脂肪酸酯，再经洗涤干燥即得生物柴油。甲醇或乙醇在生产过程中可循环使用，生产设备与一般制油设备相同，生产过程中副产10%左右的甘油。

高粱

但化学法生产工艺复杂，醇必须过量；油脂原料中的水和游离脂肪酸会严重影响生物柴油的吸收率及质量；产品纯化复杂，酯化产物难于回收，成本高；后续工艺必须有相应的回收装置，能耗高，副产物甘油回收率低。使用酸碱催化对设备和管线的腐蚀严重，而且使用酸碱催化剂产生大量的废水，废碱（酸）液排放容易对环境造成二次污染等。

生物酶法

针对化学法生产生物柴油存在的问题，人们开始研究用生物酶法合成生物柴油，即利用脂肪酶进行转酯化反应，制备相应的脂肪酸甲酯及乙酯。酶法合成生物柴油对设备要求较低，反应条件温和、醇用量小、无污染排放。需以大豆油为原料，采用固定化酶的工艺，酶用量为油的30%，甲醇与大豆油摩尔比为12:1，反应温度40℃，反应10h生物柴油得率为92%。因酶成本高、保存时间短，使得生物酶法制备生物柴油的工业化仍不能普及。此外，还有些问题是制约生物酶法工业化生产生物柴油的瓶颈，如脂肪酶能够有效地对长链脂肪醇进行酯化或转酯化，而对短链脂肪醇转化率较低（如甲醇或乙醇一般仅为40%—60%）；短链脂肪醇对酶有一定的毒性，酶易失活；副产物甘油难以回收，不但对产物形成抑制，而且甘油也对酶也有毒性。

超临界法

油楠

即当温度超过其临界温度时，气态和液态将无法区分，于是物质处于一种施加任何压力都不会凝聚的流动状态。超临界流体密度接近于液体，粘度接近于气体，而导热率和扩散系数则介于气体和液体之间，所以能够并导致提取与反应同时进行。超临界法能够获得快速的化学反应和很高的转化率。Kusdiana和Saka发现用超临界甲醇的方法可以使油菜籽油在4min内转化成生物柴油，转化率大于95%。但反应需要高温高压，对设备的要求非常严格，在大规模生产前还需要大量的研究工作。乙醇生产

生物乙醇的生产是以自然界广泛存在的纤维素、淀粉等大分子物质为原料，利用物理化学途径和生物途径将其转化为乙醇的一种工艺，生产过程包括原料收集和处理、糖酵解和乙醇发酵、乙醇回收等三个主要部分。发酵法生产燃料酒精的原料来源很多，主要分为糖质原料、淀粉质原料和纤维素类物质原料，其中以糖质原料发酵酒精的技术最为成熟，成本最低。木质纤维原料要先经过预处理再酶解发酵，其中氨法爆破（ammoniafiberexplosion）技术，被认为是最有前景的预处理方法。随着耐高温、耐高糖、耐高酒精的酵母的选育和底物流加工艺，发酵分离耦合技术的完善，工业发酵酒精的成本还将越来越低。

发展前景

随着越来越多的国家采取鼓励可再生能源的政策和措施，可再生能源的生产规模和使用范围正在不断扩大，2007年全球可再生能源发电能力达到了24万兆瓦，比2004年增加了50%。2007年至少有60多个国家制订了促进可持续能源发展的相关政策，欧盟已建立了到2020年实现可持续能源占所有能源20%的目标，而中国也确立了到2020年使可再生能源占总能源的比重达到15%的目标。

自2006年1月可再生能源法实施以来，中国可再生能源已经进入快速发展时期。2007年中国可再生能源项目的投资总额已达到120亿美元，名列世界第二。2008年11月起陆续公布的4万亿投资计划中，也毫无悬念地出现了发展新型清洁能源的投资计划，天然气、核能、水能已经成为优先发展的目标。

根据中国中长期能源规划，2020年之前，中国基本上可以依赖常规能源满足国民经济发展和人民生活水平提高的能源需要，到2020年全国可再生能源利用总量将相当于6亿吨标准煤，对中国能源结构调整，减少温室气体排放，保护生态环境将发挥更大作用。

国际

西蒙得木

国际上能源植物的研究始于20世纪50年代末60年代初，发展于70年代，自80年代以来得到迅速发展。1986年美国加州大学诺贝尔奖获得者卡尔文博士在加利福尼亚大面积地成功引种了具有极高开发价值的续随子和绿玉树等树种，每公顷可收获120—140桶石油，并作了工业应用的可行性分析研究，提出营造“石油人工林”，开创了人工种植石油植物的先河。

至此在全球迅速掀起了一股开发研究能源植物的热潮，许多国家都制定了相应的开发研究计划。如日本的“阳光计划”、印度的“绿色能源工程”、美国的“能源农场”和巴西的“酒精能源计划”等。随着更多的“柴油树”、“酒精树”和“蜡树”等植物的发现及栽培技术的不断成熟，世界各地纷纷建立了“石油植物园”、“能源林场”等，栽种一些产生近似石油燃料的植物。英国、法国、日本、巴西、俄罗斯等国也相继开展石油植物的研究与应用，借助基因工程技术培育新树种，采用更先进的栽培技术来提高产量。

（2010年），美国已种植有一百多万公顷的石油速生林，并建立了三角叶杨、桤木、黑槐、桉树等石油植物研究基地；菲律宾有1.2万公顷的银合欢树，6年后可收1000万桶石油；日本则建立了5万m2的石油植物试验场，种植15万株石油植物，年产石油100多桶；瑞士“绿色能源计划”打算用10年种植10万公顷石油植物，解决全国一年50%石油需求量。泰国利用椰子油制作的汽车燃料加油站在泰国中部巴蜀府开始营业，成为世界上第一个椰子油加油站。巴西是乙醇燃料开发应用最有特色的国家，实施了世界上规模最大的“乙醇种植”计划。2004年，巴西的乙醇产量达146亿，乙醇消费量超过122亿。巴西乙醇产量占世界总产量的44%，出口量的66%。美国通过采用基因工程技术。对木质纤维素进行了成功的乙醇转化。

2010年3月，美国托马斯·杰斐逊大学生物技术基金会实验室研究人员维亚切斯拉夫·安德里阿诺夫说，同其他植物相比，烟叶能提取出更多油和糖，是诱人的“能源植物”。

安德里阿诺夫的研究团队改变了烟草的基因，使烟叶含油量大幅提高。改造后烟叶可提取的烟油是普通烟叶的21倍。研究人员说，烟草经由基因改造后含油量大幅提高，有望“变身”生物燃料，为解决当前能源危机提供新思路。

中国

巴西橡胶树

中国是“贫油大国”，也是世界能源消费大国。1993年中国由石油净出口国变为净进口国，石油进口量逐年上升，对石油进口依赖度已超过1/3。中国对能源植物的研究及开发利用起步较晚，与欧美发达国家相比还存在很大差距。但中国植物资源丰富，早在1982年分析了1581份植物样品，收集了974种植物，并编写成了《中国油脂植物》、《四川油脂植物》，选择出了一些高含油量的植物，如乌桕、油楠、四合木、五角枫等。已查明中国油料植物为151科，697属，1554种，种子含油量在40%以上的植物154种。

中国对能源植物的利用虽处于初级阶段，但生物柴油产业得到了国务院领导和国家计委、国家经贸委、科技部等政府部门的高度重视和支持，并已列入国家计划。“七五”期间，四川省林业科学研究院等单位利用野生小桐子（麻疯树的果实）提取生物柴油获得了成功；中科院“八五”重点项目“燃料油植物的研究与应用技术”完成了金沙江流域燃料油植物资源的调查研究，建立了小桐子栽培示范区。湖南省在此期间完成了光皮树制取甲脂燃料油的工艺及其燃烧特性的研究；“九五”期间根据《新能源和可再生能源发展纲要》的框架，在中央有关部委和地方制定的计划中，优先项目是：对全国绿色能源植物资源进行普查，为制订长期研究开发提供科学依据；运用遗传工程和杂交育种技术，培育生产迅速、出油率高，更新周期短的新品种；进行能源植物燃料的基础研究和开发研究，包括能源植物燃烧特性，提炼工艺及综合利用和开发。

国内对能源植物产品研究与开发主要集中在生物柴油和乙醇燃料两类上。生物柴油的研究内容涉及油脂植物的分布、选择、培育、遗传改良及加工工艺和设备等。用于生产生物柴油的主要原料有油菜籽、大豆、小桐子、黄连木、油楠等。小桐子含油率40%—60%，是生物柴油的理想原料。