要取得有成效的进展,应当确定以下的方向性目标:
1、2020年化学基础产品中至少有10%来自植物的可再生资源原料,到2050年提高到50%。
2、建立植物基(农作物,林产,加工业)系统,用有效的转化加工工艺生产可再生原料,为2020年选中的产品提供经济合理、对环境瓜敏感的制造平台。用此生产链来示范一个综合的植物/农作物基原料系统的经济合理性和潜在效益,显示工业应用机遇的新领域,为2020年以后国内和出口的需求做出贡献。
3、在工业投资者、植物商、生产者、学术界和各级政府之间建立合作伙伴关系,开发从小范围到大规模的工业应用,重新激活农村经济,改进增值加工和制造链的集成,消除食品、饲料和纤维加工业与基础材料制造业之间的差别。
“设想”中提出,科研与开发方面要制定有详细目的和要求的相应计划,支持上述方向性目标的实现,从而也可取得投资的优势。
植物/农作物基资源利用现状和前景
一、现状
烃类提供人类能源和衣着。塑料、油料、油漆、染料、药品等基础原料,已经成为现代生活的主要依靠。1970-1990年间石油基的塑料增加了4倍,已经逐步代替了玻璃、金属甚至纸张。植物/农作物基资源目前尚未有效利用,主要是因为可用性差、质量不高、供应不稳或是价格高。要推动和提高植物/农作物可再生资源应用的兴趣,需要从以下几个方面来分析。
1、实用性
尽管消费总量不高,但是植物基原料当前在化学品方面应用面很广,如用于油漆、粘合剂及润滑剂等。黄豆是植物袖的传统原料,随着基因工程进展,可以生产满足特殊润滑剂市场需要的专门润滑油。最近,可用黄豆衍生物制造油墨,在乙醇、山梨醇、纤维素、拧槽酸、天然橡胶、多数氨基酸以及各种蛋白质等化学品生产中,植物基资源是主要原料,详见表2。
表2、美国植物基资源用量 万t/a 类别 用量 用途
木材 8090 纸,纸板,木质素纤维复合材料
工业淀粉 300 粘合剂,聚合物,树脂
植物油 100 表面活性剂,油墨,油漆,树脂
天然橡胶 100 轮胎,家用品
木材提取物 90 油料,胶
纤维素 50 纺织纤维,聚合物
木质素 20 粘合剂,丹宁,vanillin
在多数情况下,应用的植物基材料主要是原始状态分子。如木质素纤维、植物油和橡胶等复杂分子的应用也只有有限的改性。这就与石油化学工业构成明显的反差,石油化工则是用化学方法按需要将烃类裂解成几种简单分子,如甲烷、丙烯等。用这些基础原料进行化学合成,制造所需要的复杂的分子。
在少数情况下,植物/农作物原料进行裂解成为不同的基础分子,例如高果糖的玉米生产糖浆和玉米淀粉发酵生产燃料乙醇。1996年美国用211亿磅(1磅=0.4536公斤,下同)玉米采用新型酶发酵方法生产9亿加仑(1加仑=4.546L,下同)乙醇,从而加工为90亿加仑混合汽油。从许多实例看,植物基原料有一定实用性,虽还未生产像药物那样的高度专业化的分子,但却包括了大量生产的中间体及产品。
2、供应及质量
植物系统地区分布广,由于土壤和气候条件不同,导致供应和质量的差异。森林和农业系统的发展已经缩小了天然野生植物的供应差异。
生物质的总产量虽然很大,但是由于没有经济的转化技术而使其应用受限制。一些新进展如快速裂解提供了从中获得低分子量产品的机会,如果能在分离技术上进一步创新,就可以推动此应用。生物质资源可以来自快速增长木材、田边作物以及其他专门培植的植物物种。另一潜在的生物质资源是当前为食用和饲料种植的农作物,如玉米、黄豆、小麦和高梁等。一般情况下这些作物只应用其产量的一半。此4种作物估计每英亩(1英亩=0.405公顷,下同)约有2600磅(以干物质计,下同)遗留在田地中,总计约有5200亿磅。一部分留在耕地以改良土壤结构,但大部分运出去,作为原料应用。因此要求有适当的、成本低的储运系统和加工技术。
供应方面的主要问题是对原始生产的管理。当前,树木可作木材和纸浆,种植农作物只是为食品、饲料和纤维加工,没有在综合利用上进行优化。对植物/农作物投入的成本评价基础是未经优化的植物生产系统,因此经济性不佳。一些边际土地的利用可以扩大植物基可再生资源原料基地。但是从经济上比较,其很难达到经济可行目标。在估算其经济回报时,要考虑化肥、农药等化学品的使用费用。要增加可再生资源来源,除了要提高边际土地利用率外,主要应是如何对良田建立优化种植生产系统。
当前低投入、低产出的植物生产对农民难以盈利,并不利于农村发展,也不能为加工业提供低价原料。但是在产出方面,数量和质量相差甚大,从此系统得到的产品必然价格较高,严重地限制了经济上的可行性。而且,由于低产出生产就需要更多的土地,其对环境的单位影响常常大于更为强化、密集的系统。因此要优化生产系统,同时改善边际土地的利用。此外利用生产率高的土地作为植物/农作物可再生资源的原料基地,这也有利于解决数量和质量上的波动变化。