20世纪已经过去。在过去100年中,科学技术。社会结构。全球人口都发生了很大变化。可以预见,21世纪这些变化仍将对社会各方面产生巨大影响。

20世纪世界经济虽然经历了多次萧条。景气。危机。复苏的反复,但是世界经济有了很大的发展。发达国家经济继续发展,许多新工业化国家和地区,特别是发论文网展中国家的经济呈持续快速发展势头。21世纪的世界经济,特别是未来的20_25年中世界经济仍将保持高速发展。

在未来经济的发展中,人类将面临有限的资源和保护生态环境的严峻挑战。在今后25年内,世界人口可能达到100亿,需要满足如此大量人口的食物和必要的物资。同时,需要供应相应能源。交通。住房。学校以及各种机器等需求。呈指数增长的需求和有限的资源形成了尖锐的矛盾。

回顾20世纪的发展,特别是20世纪30年代以来,正是烃类经济发展的历史,主要资源来自于化石资源(煤。石油和天燃气),许多国家都认为化石资源是保证能源和原材料供应的基础。从20年代以来的靠其提供经济发展的需要,以至于达到今日的生活水准。据统计,生物基资源所占份额很小,在能源方面低于1百分号,在原材料方面也不到5百分号。尽管烃类对经济发展的贡献呈强劲势头,但是有限的资源令人担忧,而各种化工产品带来的生态和环境问题也日益严重,因此可持续发展战略已成为全球共识,并且已被广泛接受和推行。

在可持续发展的施行中,要使经济发展与生态环境保持平衡,经济持续增长。生活健康标准不断提高。国家安全与稳定,保证资源供应具有重要的作用。因此,许多国家政府的产业界都呼吁开发和利用可再生资源来补充和取代目前过于依赖的非再生并日益减少的化石燃料资源。

早在1996年,美国政府就组织有关行业协会。学术团体。产业界和教育科研部门专家讲座可再生资源开发利用问题,并于1998年后提出题为2020植物/农作物为基础的可再生资源_通过可再生植物/农作物资源利用加强美国经济安全性的设想(以下简称设想“)。该设想公开发表后,美国农业部和能源部支持全国玉米种植者协会组织跨产业部门研究讲座设想的实施问题。经过长时间讲座产业界。深信界和政府部门对设想目标的实现。存在问题和实施步骤取得共识,并提出了题为实施植物/农作物为基础的可再生资源2020年设想的技术指南(以下简称技术指南“)。这两份报告内容详实。焦点明确。逻辑性强。实施步骤清晰,许多观点和技术课题及措施具有启迪性。从该两份报告中,不仅可以弄清可再生资源和内涵。开发利用的必要性和可能性,而且对如何开展和促进可再生资源的开发利用提供了实施途径。对目前可再生资源开发利用的经济技术状况。存在的障碍和误区也都作了明确的阐述。虽然两份报告都是针对美国情况提出的,但是其科学性和前瞻性以及许多技术内涵对我们仍不乏借鉴参考价值。

设想“是有关于发展以植物/农作物为基础的可再生资源产业的战略,是由美国农业。林业和化学工业部门(其中有各类美国公司企业)。非盈利组织。商贸协会和学术部门。各行各业的专家学者共63人经过讲座研究,首先提出对此新兴产业未来发展的设想。

1996年12月美国全国玉米种植者协会组织战略设想研讨会,目的是草拟一个产业设想,使植物/农作物为基础的的可再生物质可以作为当前惯用的原料的补充来源以满足人们对化学品。材料和其他产品不断增长的需要。

本设想“广泛地规划了此产业如何从目前家庭式的产业走向全国规模的核心制造产业的道路。公开此设想“的目的是为了吸引更多读者关注,出谋划策,共同开发,使其能成为现实的技术实施方案。

对于世界资源能否足够支持当前已经发生的急剧经济膨胀,社会上历来存在两种不同观点:一种是悲观的认为,世界资源难以满足呈指数的经济增长。如果现有技术不能进一步发展,而非再生资源又有限,这种悲观看法确实是现实的评价;另一方面,当前的技术正在突破,并有无限潜力,因此对未来产生乐观看法。

历史教育人们,只有通过协调提出明确设想,才能引导人们去解决关于未来发展的重大问题。

过去一直谈如何解决未来25年世界超过100亿人口的食品问题。获得食物只是人类生存的一种需要,其他还有呈指数增长的对能源。运输。住宅。学校。机械以及计算机等的需要,而满足这些需求的资源从何而来是应当考虑的问题。

钻探更多。更深的油气井可以供应更多的烃类原料,但是油气储量毕竟有限。对现有烃类的有效利用率将会不断提高,但是效果不大。纳米技术可能会促进小型化从而节省材料,但是有些物件不能缩小。问题是资源正在耗尽,何时耗尽并不重要,重要的是探求一种新的资源模式,使之逐步转化。

设想“序言称,不论适用性技术应用如何,凡将现有资源转化为可再生资源,都是符合可持续发展的方向,也适应环境和生态要求。因此,应用植物/农作物资源的设想是乐观的。

随着适用性研究和开发的进展,人们可以发现许多经济上可行的方案来满足整个地球的需求。该“设想“确定了方向和相应的规划,采取措施建立利用植物系统中能源和碳源的可再生资源基础。面临的挑战是严重的,但机遇也是难以衡量的。人类可以适应变化,但必须接受所面临的挑战。序言中从两方面进一步阐明设想“提出的背景:

1。界定植物/农作物基资源

植物/农作物基(有时用生物基bio-based)资源是指来自于一定范围的植物系统,主要是农作物。林产品和食品。饲料和纤维工业加工过程中的副产物。它们可以通过一年生的作物和树种,多年生植物和短期轮作树种等途径在一个较短的时间内再生。石油化学品原本也是以植物为基础,其基本分子为烃类。植物/农作物基可再生资源当前所用的大量基本分子是碳水化合物。木质素和植物油。也有一些量少高值的分子是来自二级植物新陈代谢。另一个主要区别是烃类及其提取系统已经开发并加工处理其所需要的原料型产品,而植物基可再生资源在某些程度上虽然也被认定,但某种植物会含有某种资源,加工后会留下什么,尚未完全搞清。

最近生物技术进展可以改变植物成分和酶提取系统,这就为现在需要的化学产品和新型中间人体及产品制造提供了新的经济机遇。据统计,美国的森林。耕地。牧场等面积约22。46亿英亩(1英亩=0。405公顷,下同),其中主要农作物的种植面积有4。24亿英亩,可以生产大量植物/农作物基资源。过去50年,这类资源的重点主要是面向食物。饲料和纤维生产。

2。烃类经济

20世纪后期,世界经济发展很快,生产增长率有很大提高,尤其是各发达国家,一些发展中国家也不断增长。成功的增长和发展过程中起主要作用的是烃类经济。自20年代以来,矿物化石燃料的采取和利用提供了人们当前所享受的经济效益和生活水准。许多国家都依靠这种资源来满足能源和原材料的需要。

在过去50年中,大量的研究开发在能源生产和基础产品制造方面创造了许多可以大量增值的工艺过程。市场经济明显地受人们提高生活水准的意愿所驱动,以创造各种产品。生物基资源的(主要是用植物基)用量很小。据统计,在能源方面少于1百分号,在原材料方面亦低于5百分号。美国1996年玉米。黄豆和小米等生产用作食品和饲料量约为6900亿磅(1磅=0。4536公斤,下同)。由此从经济角度看还不能赶上工业原料,而以烃类为基础的经济却繁荣昌盛。

烃类虽然将继续起到非常有效的经济发展平台作用,但是在其未来应用中却有若干问题有待解决。首先是对石油化学产品的应用环境问题日益受到关注,随着又产生了许多相关的问题。化石燃料是一类正在减少的原料资源。应用植物/农作物基资源作为一种补充,由于它们是可再生的,所以为经济有序地向可持续发展转变创造了机会。

通过对能源状态的审视就可看到可再生资源作为一种补充的必要性。烃类资源有限,许多专家提出世界可采和探明储量,如按现在消费水平计算只能提供50-100年,此处的一个重要假设是现在消费水平“是保持不变,但是从全世界人口增长和生活水准变化来考虑,此假设是不合理的。当前世界上按人口平均的能源消费水平差距很大,详见表1,许多发展中国家都将增加能源消费。未来的能源供应问题是多方面的,因为发展中国家人口众多。例如,中国按人口平均能源消费相当于美国水平的1/3,其需要增加的能量数量约相当于美国现在全年能源使用总量。

表1当前按人口平均能源消费水平KWh/人美国法国日本巴西泰国中国

122007500700015001200900

一些有效利用烃类的开发将有助于需要增长问题的解决,但是对烃类找到补充资源是完全必要的,只有如此才能保持可持续发展的工业基础。

新技术开发和应用需要时间。石油化学工业本身的发展就是一个事例。1920年烃类原材料经济并不像今天这样具有吸引力,过了50年,开始适应化石燃料状况的工艺。因此,要使植物/农作物基系统达到同样现代化水平也需要时间。

当前正是开展大量研究开发工作。利用各种可再生资源和各种新工艺。并开始在各种可供选择的途径中提出选择标准的时候。现在进行研究并不意味系统要立即改变,但是,烃类经济的经济学未来将出现问题:要支付高额环境费用,或是由于原料缺少而价格上扬。

投资适用性研究可以在未来能源和原材料间进行相关的比较,提供非常需要的选择。在中期至长期,选择植物/农作物基可再生资源可能是要兼顾环境方面容许和经济方面具有吸引力。而在近期,研究和开发可能只在一些领域内进行,使植物/农作物可再生资源能开始进入基本化学原料市场,从而扩大资源基础,延长有价值的化石燃料储备的应用寿命。

在上述背景环境下,通过研究讨论,提出了2020年开发利用植物/农作物可再生资源的设想的目标;设想“是要通过植物/农作物基可再生资源的开发来提供经济继续发展。生活的健康标准和强大的国家安全。植物/农作物基可再生资源可以改变当前对日益减少的非再生资源的依赖。

本设想“的内涵重点是建立新的观念,即植物基资源是越来越重要的工业原料资源。非再生资源可能因经济和环境因素逐步被植物基再生资源所取代,设想“反对等到危机发生时现开始启动替代。

展望2020年,化石燃料可能仍将占90百分号,增加植物基可再生资源并不是可有可无的,它对满足未来的需求非常迫切。当然,需要有效地加工和利用这些植物衍生原料。其新途径的研究从现在就要开始,为经济发展有足够的时间,保证解决环境而进行良好的合作。

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10百分号来自植物的可再生资源原料,到2050年提高到50百分号。

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。

农村根据市场需求规划种植计划,如根据乙醇市场还是植物油供需情况,做出种玉米还是种黄豆的选择,其次则要进行第2轮对品种的选择,作乙醇则要种高淀粉含量的玉米品种,如要种饲料,则种含高油量玉米更佳。这些选择都对产出经济效益有很大影响。面对设想“需要扩大食品或饲料。饲料或原料。油料或淀粉。纤维或糖。药品或聚合物等等选择范围。要根据供应或需求来决策,就需要进一步仔细研究有关课题。

3。植物/农作物基原料成本

利用植物/农作物基可再生资源主要是成本问题,它与烃类相比是不经济的。工业生产要求大量的便宜原料。植物原料价格便宜,如果能开发适当的系统将极具竞争能力。利用植物/农作物基原料生产化学品的成本比较,详见表3。

表3。植物/农作物基化学品生产成本类别生产量万吨通常方法美元/1b植物衍生美元/1b植物衍生占总产量百分号

糠醛300。750。7897。0

粘合剂5001。651。4040。0

脂肪酸2500。460。3340。0

表面活性剂3500。450。4535。0

醋酸2300。330。3517。5

增塑剂801。502。5015。0

炭黑1500。500。4512。0

洗涤剂12601。101。7511。0

颜料15502。005。806。0

染料45012。0021。006。0

墙涂料7800。501。203。5

油墨3502。002。503。5

专用涂料2400。801。752。0

塑料30000。502。001。8

实际上,在制造业中选用不同的化学加工工艺对其成本影响很大。

植物/农作物基可再生资源不是一种替代性资源,而是为工业原料提供的补充资源。成本问题并非只限于原料,而且与加工过程有关,因此要进一步开发新的化学和生物加工工艺,才能扩大植物基可再生资源应用范围,使之成为经济可行系统。

二。前景

由于植物/农作物基可再生资源的来源不同,每种来源的原料又可以利用不同的加工工艺,构成了一种多维的发展前景。本设想“运用矩阵分析方法进行探讨。不同投人的植物原料,可以运用不同的加工系统,并取得各种不同的开发效果。

1。废料和副产物利用

从当前看,利用机会多,但需要有新的加工技术才能使其成为更重要的资源。

(1)现代化学

森林工业已经将副产物利用发展成为一个较大的行业,如纸浆副产液转化为磺酸木质素表面活性剂CH3SOCH3以及用树皮制丹宁。农作物的磨榨工业开发了许多应用副产物进行加工的工艺,如从燕麦制糠醒。淀粉粘合剂。专用棉籽油。从湿磨料生产拧蒙酸盐和氨基酸等。但是,许多食品加工业,如蔬菜和水果却没有开发相应的副产利用加工工艺,经常将副产淀粉和糖排放入周围环境。副产物的利用具有许多发展机遇,提取及销售其所含的有效成分是降低主产物成本的手段,而且从战略上看是扩大利用植物基资源。

(2)改进化学

木本植物和有些农作物加工中有较高的木质纤维素含量和一些碳水化合物,如烃类工业一样,可以将复杂分子转变为较小分子技术。便宜的植物衍生发酵制糖的开发已在进行。用金属有机物化学将碳水化合物转变为增值化学品是扩大利用植物基原料的又一技术途径。改进化学方法具有潜力,可以使植物衍生的废料加工利用提高经济回报率。

(3)生物加工

在比较复杂的料浆中用微生物发酵法生产某种分子,再将其分离出来成为需要的产物。生物转化是应用微生物。细胞或不含细胞的酶系统的一步法工艺,它提供了改进废物料和副产物利用机会,随着分离技术的提高,生物加工工艺可以获得更为广泛的应用。

(4)新分子

在此方面似乎不太重要,从废料中生产新分子不是一条最佳途径。

2。现有农作物

从近期看扩大应用具有最佳机会。

(1)现代化学

从化学工业整体看,并没有|认为植物衍生材料具有较高的经济价值,但是具体|问题要具体分析。石油化工利用烃类而不用碳水化合物和其他生物基分子。

(2)改进化学

如果植物衍生原料是结构型的生物质,含有木质素和纤维素等成分,其具有一定优势。一些新技术,如综合燃烧或金属有机化学等都能提供更好地利用此类资源的机会。除林产资源外,约有5200亿磅的生物质资源目前尚未加以利用。改变加工工艺路线可以提高利用现有资源的效益。新的工艺开发可以提供利用糖和淀粉的机会。植物淀粉有不同来源,如水稻。土豆。玉米和小麦,它们的性质。用途都不同,因此需要改进其化学方法,发挥其潜能。新化学工艺与生物加工及先进的分离技术综合起来可产生很大效益。

(3)生物加工工艺

植物作为生物加工原料量大而多样,从结构型生物质到一些专门的植物组分,在生物加工方面潜在优势很大:用酶转换玉米衍生的葡萄糖生产高果糖的玉米糖浆。最近从玉米葡萄糖经过发酵制琥珀酸也取得成功。琥珀酸盐可以用作制一些化学产品如丁二醇。四氢呋喃,这些中间体又可进一步加工制成许多种产品。当前,用10亿磅这种原料可得到价值13亿美元产品,现在正在中试。多种学科进行合作就可取得良好的效果,这是短期内取得成效的一种良好运行模式。

(4)新分子

植物原料的投入固定,利用基因改性所用微生物或是专用酶,可产生新分子。此工作目前只在很小的市场中进行。当市场对具有特殊性能的新产品需求增加,投入产出可能会促使其发展,技术和经济的综合研究要沿着产品开发链进行,从界定所需要的产品_需要的特性_分子结构_中间体_酶技术_蛋白质/基因工程_投入植物的最佳原料_生产优化等。

3。新鲜农作物

此项作为中期发展机遇。

(l)现代化学

因为化学工业一般不认为农作物的利用能获得较高的经济价值,因此新鲜农作物并无吸引力。过去曾认为可以降低成本,但是实际上的技术限制否定了其经济性。

(2)改进化学

从投入产出看,存在类似问题,如果改进的化学工艺需要专门的农作物,-新鲜农作物可能会有优势。另一优势是在物流方面。按照改进工艺实施和运作规模,所需原料只能就近供应新鲜农作物。因此改进工艺应当与供应系统平行进行才能互相支持共同发展。植物作为原料补充资源时,困难在于许多烃类加工装置不位于农作物和森林种植地区,而植物基原料运输费用很高。

(3)生物加工工艺

与改性化学类似,区别在于如何将原料加工成中间体和最终产品。在技术上要考虑农作物品种的适用性,一种生物工艺可以对多种品种进行加工。优化工艺是影响运作经济很重要的因素。

4。改性基因类植物

这是中长期发展机遇,其可提供的成效目前尚难以想像,今后是否出现碳水化合物经济,或是其他经济,这要看建立在生物工程基础上的新工业平台所能发挥的作用。

(1)现代化学

基因改性植物基原料可能成为现有的烃类加工系统原料。但是,改性植物分子在烃类系统中降解所花代价太高。因此投入技术要能跨越加工技术,或者是较复杂的分子能直接得到并进入制造链,再有是新工艺路线能高效地应用此改性原料。当然这些变革都要从经济和环境两方面来评价其效益。

(2)改性化学

对优化植物/农作物基原料投入和加工有好处,应当进行此方面研究。至于何时见效则要根据基因技术进展及其达到工业化时间来确定。

(3)生物加工工艺

微生物或酶进行基因改变达到强化工艺过程目的。生物工程具有长期潜力,在原料投入和生物技术本身之间创优,有时所需要的可作基础原料的分子可以部分在植物原料内进行合成,用生物转化或高度专门化的生物/化学工艺进行分离。为了继续应用化石燃料生产专门产品,需要进行研究开发,使有限资源能取得最大的价值。

(4)新分子

过去20年中,塑料已成为最大的工业部门,在日常生活中代替了玻璃。陶瓷。木材和金属。市场将会根据消费者的意愿和需求发生变化。材料科学将继续发展,市场销售者将继续设计新的消费品,塑料的未来变化难以预料。能作为新工业发展平台基础的新分子将会很多,物理与化学科学与生物工程材料结合将产生新的领域。植物基可再生资源将是未来的主要资源。新陈代谢工程是将丰富资源制造成所需基础原料的渠道,支持社会基础设施。开发和拓宽其可能性,需要先进的技术,这将是未来新领域。

生物技术的潜在影响及实施设想“的工作途径

生物技术的潜在影响

对一个新的技术领域进行评价,可以从如下几个方面来分析:近来变化的速度和引入的速度。量度及其带来利益的水平及公共公司投资。评价专利活动和有关协会的活动。观察开发进程。审视所取得的成功进展。

90年代初期,许多人对生物技术将对农作物带来很大变化是持怀疑态度的。到1996年,转基因作物在产业化方面取得成功,明确地澄清了这个问题。这些早期的成效是关于新的作物保护途径,对保护植物生产免受病虫害起了重要作用,对进一步了解和掌握如何改进植物组分也很重要。

由于管理方面的需要,转基因大田试验记录由美国动物和植物健康监测服务中心保存。从记录中可以看到一些行之有效的转基因改变植物组分的工作正在进行之中,试验范围也在不断扩大,一些主要的公司如杜邦。孟山都和PioneerHi-Bred等都在进行。

为了改变植物组分以提高营养价值,改善加工性能,或是为了某些工业和制药的应用,一些转基因改性品种已经进行了评价,包括碳水化合物的变革。油和脂肪酸改性。提高氨基酸水平。蛋白质形态操作(typemonipulation)。纤维特性改性。产生抗体。工业酶生产。二级化合物操作(甾醇,earotenoids等)。新型聚合物生产。

转基因技术发展非常迅速,为植物基材料扩大应用开辟了新的途径,使其可以为工业生产提供分子基础原料和更为复杂的分子原料。用植物基原料主产聚合物,制造塑料就是一个成功事例。从A1-coligenenentrophus细菌的3种基因已经能转入植物的1ipid合成中,可以得到polyhydroxybutyrate(聚羟基丁酸酯),浓度可达14百分号。这种生物可降解的热塑性塑料正在进一步开发,使之可以从黄豆。棉花和油菜籽制备。

在过去50年内,通常用的植物培植产率已经提高了3倍,根据农作物满足食物。饲料和纤维不同用途,选择不同的方法得到具有不同特性的产物。高级植物种植要用基因图谱和转基因技术,进一步提高食物和饲料生产需要供应的植物基原料。

生物技术对植物基原料已经产生GM性的影响。但是,用生物技术来改变植物,使之适合烃类经济需要,并不是一条最佳途径。这就需要进一步弄清什么是工业链需要的因素,而这些因素又是能在未来转基因植物基可再生资源中具有最大的优势。

实施设想“的工作途径

要成功实施美国可再生资源开发利用的战略设想(以下简称设想“)中所提出的大纲,需要将研究。开发。工业过程工程以及对未来的市场了解等项工作有效地集成起来。适应设想“的多学科计划以及各个项目的协作都要求有一共同的目标,向前沿技术迈进。应用改进的化学工艺加工现有的农作物,包括集成运用生物工艺,可以纳入短期计划之内,从当前到今后10年可以着手实施。这是研究中的一个热点。另一个热点是观念上的飞跃,超越当前的烃类化学,结合基因改性植物,运用新的工艺,这可以纳人中长期计划中,在10到20年甚至更长时期内实施并产生影响。上述两个热点都是当前在研究中进行投资,在不同期限内可以取得回报。

如果在这些领域内取得成功,在工业应用上就可以有了一个可行的坚实科学基础。新鲜作物应用开发将被看作是一个降低这些系统成本的一种机制,或是改善供应状况(数量和质量),满足工业发展需要。

当审视植物基可再生资源的前景时,可以看到供应链本身包含着许多重大课题。不同物种发展有各自的地理优势,可以形成专门原料的加工中心,包括进入国内和国外两个市场。对转基因作物的鉴别保护机制仍在变化,植物基可再生资源上的这些系统都需要进一步研究。

本设想“并非要给各种问题以答案,而是指出未来潜在的可能,在各方面采取一定的步骤就可以使其实现。下一阶段就要进行各方的协调工作,使多方面的投资者能有一个投入的基础,针对设想“提出的目标进行开发工作。该规划要订出各项目计划,通过研究和开发来支持设想“中提出的方向性指标。各计划项目要符合下列一个或几个方面的要求。

优化生物质和农作物基原料生产,达到计划应用要求状况。

为植物基原料的供应链提出装置。地点。贮运和分销措施,包括加强农村经济的机制。

加速发展改性化学和生物工艺的新工艺,同时考虑利用植物/农作物基可再生资源原料。

对多类投资者支持的项目,对上述三个方面中一个或一个以上将产生影响的项目,或是多学科项目等将给以优先和优惠待遇。投资项目选择标准应考虑时间要求和潜在影响的大小来确定。

植物/农作物基可再生资源对工业基础原产的需求增长是一个战略性措施,也是使美国在21世纪继续保持领先地位的战略性选择。开发基础资源具有经济。环境和社会方面的好处。机遇是明确的,考虑未来的设想是需要的,要联合投资者对新途径进行投资,才能创造一个安全的未来。

设想“文本中不止一处引用达尔文的名言能够幸存下来的物种,不是最强的,也不是最聪明的,而是能适应变化的“。

2020年可再生资源应用将增加五倍

植物/农作物基可再生资源2020年设想实施的技术指南(以下简称技术指南“),是植物/农作物基可再生资源2020年设想(以下简称设想“)的补充,提出的目的是:支持设想“方向,确定发展中的主要障碍和问题,确定优先的研究领域。

要达到上述目的需要进行协调观念开发,收集专家证明,组织多学科研讨会。听证会,优势排队试验和团队行动计划等多项工作。在技术指南“编制过程中吸收了各方面人士的意见,参加研讨的共有66名有关部门不同行业的专家。专家们就全球性问题提出设想“,针对设想“结合现实状况提出存在的主要障碍与问题,再确定研究与开发领域,从而找出优先研究开发的课题。这些课题所属领域都是能为利用可再生资源实现可持续发展起最大杠杆作用的研究领域。通过参加技术指南“研究和编制的专家的专业情况反映出在化工制造中应用生物基原料需要涉及多门学科。但是有3个产业是中心,即化学。生物和农业,每个产业都涉及几门不同的学科,如农业,林业和石油化学。

1。农业和林业

农业:是一个广泛的概念,包括谷物生产。林地和牧场等。这些土地上生产的农产品和林产品一起构成生物基材料,它们通过太阳能,大气中的CO2和土壤中养分进行原始生产而成为可再生资源。美国拥有大量优良土地,丰富的自然水资源和先进的技术基础,通过资源保护和利用,每年可产生可再生资源的巨大财富。林业:在美国有超过6。5亿英亩(1英亩=4046。24平方米)的森林,从业人口140万,每年生产价值2000亿美元产品。过去10年内,纸张部门的增长比木材业快。木材和纸产品回收循环利用率高,每年有约4000万t纸再生利用。美国的林业已经制定出2020年发展设想以及相应的研究计划。该设想呼吁进行研究,用先进的生物和遥感技术以及树木生理学和土壤科学等理论。

农业和林业通过应用基因学技术和转基因植物等新手段将会出现大的跃进。在不久的将来,可生产出大数量和高质量的作物。除了饲料和食品,还可以为工业部门提供原材料。而且还可以引入某些酶标记基因,可能会在植物体内制造完全新型的聚合物,并可大量生产,成为经济的消费用品。

美国将技术进展应用于植物和农作物的调整,使其在农业。林业和制造业中保持可持续发展的领先地位起着主要作用。国家的未来明显地要依靠近期开发可再生资源基础的研究来支持。

2。石油化工业

化学。工程学。物理学和地理学等几门学科在石油化学工业中的应用,对人们生活产生的影响是50年前难以想像的。石油化学工业成功地创造了众多产品,从高性能的喷气发动机燃料到基础化学品以及许多聚合物,如聚丙烯。聚苯乙烯。聚丙烯腈。聚偏氯乙烯和聚碳酸酯等。

石油化学工业:是资本密集型工业,已经建立了可观的基础设施来处理和加工化石燃料。美国每天要用1390万桶烃类原料,多数是作为燃料型产品,用于化工及其他工业基础原料生产,每天约为260万桶油短类原料。

近年来,工业化学品和塑料生产都有巨大的增长。塑料工业从业人员120万人,有20000套生产加工装置,过去在研究开发上花费以10亿美元数计的投资,才获得了今日成就。如果塑料制品的原料没有可再生资源,迟早有一天会变得十分昂贵。一方面,是否还有上万亿桶的石油开采量,原油价格能否在每桶10美元以内。世界原油生产已经变化迅速,而且有许多不定因素。另一方面,化石燃料资源是有限的,这是无可争议的事实。重要的是考虑当供应呈峰值时未来价格的敏感度,而不是去争论何时是油将用尽的理论时间。最近由于几处新资源的发现及应用,在20年内原油产量可能会有所增加。但是,必须注意美国一直是原油进口国,50百分号原油靠进口。如果原油进口一旦停止,北美可采用的化石燃料资源储量按目前消费水平只能维持约14年。如果保持目前进口水平而不增加,也只能使用28年。当然,将会有新的改进的抽提技术,例如水平钻探和核磁共振钻孔等,但是要在近年取得成效,希望是不大的。

用可再生资源补充石油化学品,要从现在开始,由少量到大量逐步进行,有关研究工作要立即开始。不考虑化石原料供应衰退时间表的争论,由于人口增长以及一些新兴国家人们生活水平提高,需求将继续增长。在可再生资源取代化石燃料之前,它将作为一种补充资源。因此,无论如何在美国开发可再生资源作为工业原料都是十分重要的。

设想“中提出的指标是2020年基础化学品至少有10百分号来自植物衍生可再生资源,随着发展观念到位,2050年要提高到50百分号“。要注意无论是美国还是全世界总消费量的增加是很快的,因为即使2020年的10百分号目标是按当时的生产总量计算,也比当前消费水平要提高4_5倍,绝对的增加更大。如果2020年消费水平本身提高1倍,可再生资源的绝对指标也要翻番。

换言之,不能期望可再生资源在不变的需求环境下能完全取代烃类资源,而只有当消费产品需求增加,可再生资源可以能满足此增加需求中的一部分。在2040年时间框架中,指标可以是:可再生资源应用使化石燃料能稳定地维持现在的消费水平。按此指标可以形成以下的观念:

由于不是一个竞争替代战略,可再生资源并不与非再生资源直接竞争。

需要用可再生资源和非再生资源两种资源来满足未来20年的需要。30年以后,可能要更多依靠可再生资源,因为那时的化石燃料将会很贵而且有限。满足近期指标的支持和研究完全与长期目标保持一致,这些方向性指标,非常清楚地表明面临的挑战是巨大的,需要从现在就采取行动,应当开始建立通向扩大利用可再生资源的道路。除了建立可操作的可再生资源基础指标外,其他一些相关的指标也是很重要的,包括:

建立系统,通过加强经济可靠性的基础设施支持,将供应。制造和分销等活动集成起来。

通过功能基因学来提高对植物新陈代谢的理解,优化对专门的增值加工工艺的设计和应用,除应用现有的组分外,要开拓新型聚合物生产和应用。要保证开发的新工艺过程的效率高于95百分号,同时应用伴生工艺,应用所有副产物,消除废料,保证新的平台能在特殊的环境条件下坚持目标方向对确定目标与研究指标要反复交叉检验,使其能坚持可再生燃料/能源需要的目标。

在生产和分销中要开发保持稳定供应的途径,在年生产一定范围基础上控制一些因素,如价格。数量。性能。地区分布。质量等。同时要制定提出这些因素的标准。

建立进一步合作伙伴关系,改进综合集成,通过加强农村发展来支持取得成功。

设想“的目标要实现,主要要使本技术指南“中所列出的目的大纲都能达到。基因改性植物生产专门的代谢产品和开发补充性的化学改性产品取得成效就可以达到2020年可再生资源应用增加5倍的目标。这些进展也将为2020年以后的进一步发展奠定基础。

可再生资源应用技术和市场的障碍及问题

将可再生资源制成消费产品的整个系统中有许多障碍和问题,其中关键性障碍和问题是:

植物科学方面:基因学。酶。新陈代谢和组分。

生产方面:单位成本。收率。持续性。基础设计。植物设计。

加工方面:经济学。分离。转化。生物催化。基础设施。

应用方面(由技术和材料驱动的问题):经济学。功能性。性能。新用途。

应用方面(由市场和需求驱动的问题):价格性能比。性能。知觉。市场开发。

现将上述关键性障碍和问题择要分别介绍于下。

一。关于应用方面(材料驱动问题)

1。经济学

单位成本是当前植物衍生材料使用的主要障碍,也是经常引起争论的一个问题,问题的核心是竞争性成本状态。在多数情况下,应用植物基原料的成本都比较高,难以与以烃类原料为基础的加工工艺竞争。但是,成本竞争情况有几个非常复杂的因素互相影响,诸如产品价值。材料成本。产量。需要加工程度以及所用基础原料的性能等。因此如果未来的战略只考虑降低本是不会成功的。最重要的经济推动因素不是成本本身,而是制得的产品和制造费用的差价(即增值)。

产品价格是诸多因素的函数,诸如产品利用。性能。消费者喜好和需求等,而制造成本则受原材料价格。供应的持续性。加工。废料处理费用和投资等诸因素影响,要符合当前的具有竞争性的通用化学品工业的低成本需要。但是,从长远考虑,只进行成本比较是有问题的,因为未来的化石燃料的成本是难以预测的。

在当前情况下,用烃类原料生产消费型产品的加工效率是很高的。但这并非是化石原料本身具备的特点。因为石油化工已经研究了100年,有了3代科学家,政府投入了大量资源才使之达到今日的水平。与之相比,植物基材料应用尚处于较低的水平,开拓植物基原料应用来适应已臻成熟的烃类加工需要并不是一条唯一的道路,目前应用数量还是很少的。另一条路线是通过弄清植物衍生材料性能进行技术开发,用基因改性植物,使之能提供含有需要功能的组分。

2。功能性

改变植物中的不同组分含量的目的是提高其功能性。在石油化工中先进行原料裂解降级成为简单的分子,随后用它们再行合成为较复杂的分子和聚合物。植物中已经含有不同形态的聚合物,可以在许多产品中应用。但是,在现在加工系统中尚无大量应用。用量有限的原因有几个方面,其中主要的是由于缺乏对其功能性的理解,而只注意其成本。最近,已经由植物衍生的蛋白质聚合物研制出塑料薄膜的试验产品,显示出其应用的潜力。而且,植物拥有立体化学结构,可以得到一些有价值的手性分子,如糖类。维生素。氨基酸等。从总体看,目前对植物基础原料的反应性和功能性尚不够了解,因此限制了新应用思路的产生。

二。关于应用方面(需求驱动问题)

1。市场开发的费用

植物衍生材料应用的一个关键性障碍是市场开发费用高。正如许多新产品市场一样,新产品的研究往往是由小公司开始的,它们投资不足,缺乏继续发展的资源,常常只停留在试验阶段。工业化的成功率低,由于没有一定的供应量而常使产品衰落。因此,需要大力改进产品开发和支持机制,而且要进行与产品相关的市场开发,这是扩大利用可再生资源的主要工作。目前市场上应用的标准都是石化产品,没有适应生物基产品的标准,这也是要成功地与石化产品竞争的另一障碍。

2。认识问题

植物衍生材料常给人以较低级的印象,这可能是由于当前处于石化时代“之故。对某些制造厂商来说,它的性能较差,主要是因为未得优化。虽然公众环境意识增强,但是对植物基产品需求尚不足以创造市场来拉动技术开发。因此,当前可再生资源的进展主要是技术推动的结果,只有增加市场拉动才能有力吸引公司更多投资。没有要变革的冲击,就不会有更多的变革。因此,如果没有各种经济倾斜途径,现状是难以改变的。

三。加工问题

1。基础设施中分销问题

多年来石油化学工业已经建立了加工和分销烃类基础产品的有效基础设施。由于依赖进口原油,美国的多数基础设施是建设在海岸线上。因此,许多现有的加工装置并不适合大量植物基材料的收集。植物原料都是在木材加工厂。榨油厂和玉米湿法加工厂进行加工,它们最好接近于供应地。要应用大量植物原料就需要进一步将供应和加工制造集成起来。应当开拓确立农村发展优势和重点的战略和措施,更好地鼓励多用可再生资源。

2。分离技术

应用植物于工业用途的一个关键性障碍是缺少植物组分的分离技术。树木具有非常复杂的成分如木质纤维素。此成分强度高,但要将它分离为有用的分子组分则很困难。多数农作物收获品是种子,它们含有碳水化合物。蛋白质。油分和数万种其他组分。通常对许多谷物发芽和生长都能进行良好的安排,而对其作为原料进行分别管理则很困难。一些除去原始粗组分的工艺,如榨油和提取糖分等已经开发,但如何将专门形态的蛋白质和纯的含碳组分分离则仍是困难。在植物基原料加工中常遇到非常稀的水溶液物料,处理费用很高而且技术困难,这是应当要解决的问题。将反应与分离集成起来的加工系统(如催化蒸馏)可能是一个解决问题的方向。但是此类系统目前应用有限。而且还未被开发作为植物基原料方面的应用。通过引入某些基因而使植物增加新的组分,就更需要应用先进的分离技术来回收有意义的新组分。例如生物聚合物开发中目前就因缺少高效纯净的经济上可行的分馏工艺技术而受到限制。植物的组分如不能有效地分离出来,就不可能控制最终产品的特性和质量。

3。转换技术

要利用植物中各种组分的另一问题是将这些非均相的混杂原料转换成较为简单的分子,这才可以进行进一步反应。在植物基原料中,加工工艺需要有高性能的多功能生物催化剂或是非均相催化剂,这些催化剂具有多种功能并可以进行回收。

知识不足是另一关键性障碍,目前人们尚缺乏关于植物组分的自然差别和来自不同作物的同样组分的特性等方面知识。这些知识的缺乏和不足就构成难以鉴别植物的差异性,缺少鉴别的手段,因此也就难以考虑作为原料的应用。发酵是用来将某些农作物转化为各种产品的工艺,转化是非均相的。所用的转化方式,副产利用和分离等方面仍有许多有待改进之处。一般地说,植物系统的复杂化学问题使新型或改进植物基加工工艺的设计较为困难。烃类化学制造中有丰富的氧化化学知识,还原化学方面较少,这些都是植物系统加工所需要的。目前特别缺少关于还原生物催化剂共生因子系统方面的实践知识。

植物原料加工工艺开发的另一个大的障碍是当前缺乏有关的教育培训。目前化学工程课程中只有少数涉及生物化学课题,多数毕业生成为化学工程师只拥有非常基础的生物工艺知识和有限的重要生物分离的知识。多年来,工艺化学家和工程师的培训重点都是烃类化学,考虑植物基可再生资源加工需要很少。

四。生产方面

1。收率。持续性和基础设施

因为目前尚未利用大量植物基原料,除木材和造纸外,只是关注未来的供应分销而不是现实存在的问题。但是,这些对实现可再生资源的目标都是十分重要的。在供应的持续性方面,数量和质量都是未知数。如果植物基原料能加工成简单的碳分子,其持续性问题就不成关键。但是如果要设计应用其中某种特殊组分(如聚合物),或是要直接抽取其中某种专门组分,原料的质量和数量的稳定性就非常重要。

在一些情况下,供应持续性中的不确定因素实际上就是风险管理的内容。未来的石油化工供应问题和可再生资源供应问题都有风险。对石油化工来说,未来的供应不桷定因素可能因世界上一些区域的政治变化而增加。而对植物基原料来说,气候可能成为不确定的地区因素。如果某些专门植物不能大量生产可能导致贸易上的不确定因素,这些问题不需要采取断然措施,但是需要重视通过改变基础设施来保证经济可靠性。另一个冲击供应持续性的不确定因素是未来的农作物用途是作为食物还是作为工业原料。一方面是根据供应短缺理论,认为农业难以供应飞跃增长的人口和消费品增长所需的原料。实际上,从需求角度看,食物和原料都在增长,即使不考虑可再生资源进行工业利用,食物本身也存在问题。解决食物问题的方案也可能就是解决工业原料问题的方案。因此,在供应方面必须应用新技术,如生物技术,这样才能保持产率不断提高,使农业能达到一个新的水平。

2。植物设计。植物科学。基因学

转基因技术已经显示出令人鼓舞的前景,要进一步充分利用尚有大量工作有待进行。存在的一个主要障碍是对植物本身内在新陈代谢过程还不够了解,不能按特殊聚合物和其他材料的需要进行设计。因此,对植物新陈代谢和碳流的知识匮乏是其发展中的限制因素。

近年来功能基因学的进展有望促进对材料合成设计的理解。但是这门科学目前刚开始,与类似的医学领域相比所取得的支持还是很有限的。基因转变中的另一成就是让更多的专用基因嵌入和对质体以及细胞核的常规转变。在植物变化。基因学和生物信息等方面有着广泛的研究项目,但是将这些出现的新技术应用于可再生资源的专门研究则很少。

要使科学知识不断深化,在一定程度上取决于消除这些主要障碍,有些已被称为多学科的研究。但是,需要努力加强和协调才能促进现有的障碍及时地被克服。换言之,基因管理的研究必须紧密地与植物内含聚合物的功能性以及分离工程等研究相结合。

研究和开发的课题

美国植物/农作物基可再生资源2020年设想的技术指南(以下简称技术指南)列出为解决植物/农作物基可再生资源利用中的主要障碍应当进行研究开发的课题。技术指南“按4个主要方面的障碍依重要性大小列出研究开发课题,每个研究课题的影响都有其时间范围,其中近期表示0_3年。中期表示2010年。长期表示2020年,近期目标的达到可用以衡量面向2020年可再生资源开发利用设想的前进步伐。

一。植物科学研究方面

1。近期影响课题(按重要性依次减小顺序排列,,下同)

(1)应用功能基因学了解植物新陈代谢和组成,至少要与1种主要农作物基因计划结合;

(2)开发能实时进行植物组分的定量分析工具;

(3)改进转基因方法,特别是对麦杆基因的专门嵌入,要在1998年基础上提高效益10倍;

(4)开发1_2种主要农作物的基因标记系列,使之有助于摆在有用的可再生组件含量;

(5)将80百分号现有的germplasmbase进行编目,有效利用各类淀粉。蛋白质和油分;

(6)找寻发展中的生物信息学利用途径,推动可再生资源的研究和开发,

(7)弄清nuclear-plastid相互作用。

2。中期影响课题

(1)在新陈代谢过程和碳流中至少弄清50个限制速率的关键步骤;

(2)利用功能基因学弄清分子。细胞和整个植物的控制管理;

(3)为主要植物用于可再生资源的组分制定标准;

(4)在2种植物中,建立碳库并为细胞分割确定控制点;

(5)在plastid转变中高效率(大于90百分号)方法的建立;

(6)创建示范工厂,使主要组分利用率大于60百分号(如油料。淀粉)或是专门碳键(如C5)大于3O百分号;

(7)利用基因开关的方法;

(8)建立为植物可再生资源利用的生物信息学基础。

3。长期影响课题

(1)重新设计新陈代谢过程,提供有用的碳结构骨架;

(2)应用有针对性进化技术建立100个未来原料的品种库;

(3)设计新型分子或改性现有化合物,使之适应于功能需要;

(4)为提供工业用原料,创制2种新植物种类;

(5)利用简单的细胞组织进行成本和能源效率评价;

(6)利用计算机技术设计植物组分。

二。生产研究方面

1。近期影响课题

(1)提高亩产量10百分号~15百分号以降低原材料单位成本;

(2)改善农业管理,提高肥料利用效率和虫害防治,

(3)确定至少10种影响原料组分和质量的因素;

(4)对至少10种具有潜力的系统和植物类型的亩产效率进行定标赶超(如主要农作物。林业和多年生种类等);

(5)调节气候条件对生产的影响;

(6)每年对2种农作物的潜力进行评价或用其他方法评价亩产量;

(7)提高当前农业加工中废料利用率5倍;

(8)在单位投入基础上提高贫瘠土地产量2倍。

2。中期影响课题

(1)提高产量,使单位投入的碳产出为1998年基础上的2倍;

(2)为长期可持续发展,开发尽量减小土地。大气和水利用影响的系统方法;

(3)对收获产物和主要植物成分建立标准;

(4)专门设计收获装备,尽量增大碳的收获;

(5)开发新的利用方法,使现在遗留在土地上的农作物45百分号能得到利用,

(6)培育适应专门土地和土壤的农作物;

(7)建立农业信息学基础,重点是不同来源的可再生资源植物类型。生产价值。质量和单位成本。

3。长期影响课题

(l)在化石燃料排出废气中CO2的固定;

(2)从现在植物/农作物生产中消除碳的废料;

(3)设计新的农作物/植物生长系统,优化原料回收率(大于95百分号可利用);

(4)对主要能源获取和固定,提高化合效率;

(5)对收获前期工作和部分就地加工的装置进行设计;

(6)对连续生产系统进行设计和评价。

三。加工研究方面

1。近期影响课题

(1)改进分离技术,处理大于95百分号的非均_植物材料;

(2)改进单体基础原料变换的生物催化剂;

(3)开发3种具有高选择性的快速反应强力催化剂;

(4)为将植物聚合物转换为有用的单体,找出新型和性能优良的酶(具有10倍活性)并进行评价;

(5)将微生物进行工程化,改善非均_植物的发酵;

(6)提高废物利用率2倍;

(7)开发高效的除水技术并对改进的非水溶剂反应系统进行评价;

(8)在植物材料中利用天然立体化学方法的评价。

2。中期影响课题

(1)应用5种以上高级分离系统(如自行清净膜。离子交换。精馏等);

(2)为经济捕集植物单体和聚合物开发改进的分离_纯化技术;

(3)为2种以上植物类型建立经济共生系统;

(4)通过分子进化技术设计并创制50种新型酶;

(5)开发100种以上具有性能成本特性的新型酶库;

(6)研究反应性分级系统;

(7)对微生物。酶和化学品库的性能建立信息学基础,用于特殊的转化。

3。长期影响课题

(1)实现原料加工中无废料的多种产出的连续工艺;

(2)为改性植物和组分设计新设备;

(3)为3种以上新产品(如将工程化酶转入植物并在收获中得到活化)设计新机制;

(4)固态酶转化;

(5)设计14种化学与生物结合型反应器;

(6)评价植物组分在分离前相内的作用。

四。应用和基础设施研究方面

1。近期影响课题

(3)探求3种在现有加工装置(如玉米湿法加工厂。纸浆厂)上扩大应用植物原料的机遇;

(4)分析测量系统,对90百分号以上的主要植物组分进行定量;

(5)实时评价单位性能成本和增值成本的方法;

(6)评价运输系统及成本;

(7)计算出100百分号年加工贮存量和投人产出的需求量;

(8)创建基础设施,扩大利用农业废料。

2。中期影响课匾

(1)深入掌握植物中10种以上组分和碳键新陈代谢体的结构与功能关系知识;

(2)开发对高质量原材料的100百分号鉴别保护系统;

(3)为价值驱动的生产和定货实现营销系统;

(4)对在同一地点的多目的利用区的协同作用进行评价;

(5)对原材料组分和加工过程中的中间产物实现实时定量分析手段(小于3分钟/试样);

(6)开发生产预测手段,准确性大于95百分号;

(7)在一组植物原料性能基础上建立信息学基础,如单位成本。性能。功能性。最佳来源。应用范围等。

3。长期影响课题

(1)所需功能进行分子结构设计制备植物化合物至少10种;

(2)在植物生产区内开发至少5个制造利用中心;

(3)开发3种以上有新功能的新材料;

(4)提出扩大利用可再生资源所需的教育培训需求;

(5)在植物组分功能间协同作用的利用;

(6)设计最终产品的贮存和运输,使之到达销售中心和出口;

(7)为供需关系的控制创建减轻超过90百分号风险的战略。

当前,美国有一些项目已在进行,可视为工业原料中应用可再生资源的先驱,也可视为本技术指南“中研究项目的示范事例。其一是在转基因植物开发中的聚羟基丁酸酯(PIB)。PHB可在植物中生成,作为制造生物降解塑料的原料,用适当的细菌基因进行转化并弄清植物内在的新陈代谢路径,从而构成制备方法。现在正在进行分离。生产标准等项工作。

其二是用玉米淀粉作原料,通过酶反应制备聚乳酸(PLA)。Cargi11-Dow合资企业已在充分研究的基础上进一步投资数百万美元建立制造装置进行工业开发。PLA是一种生物裂解聚合物,原料是由玉米湿法加工工艺制备的葡萄糖,其中发酵过程和酶的活性是重要因素。最终的PLA树脂可视用户制膜。纤维。碳制品和涂层的需要分别制出不同规格品种。PLA具有聚苯乙烯。聚烯烃和纤维素的功能性。

协同与合作是取得成功的途径

未来利用可再生资源需要采取一条多学科和跨行业途径。在许多领域内的研究成就都提供了发展机遇,如生物聚合物。立体结构型分子。新型酶。新材料和转基因设计等。但是每个方面内的任何进展如果只当作孤立的技术领域是远远不够的,需要更有力的相关研究计划,采取平行的和协调的方式进行工作,才能取得成果。

要取得有效益的进展必须采取多学科的途径,这是非常清楚的。但是,任何一个组织都难以具备有如此深度和广度的技术能力。因此,对研究提供的支持应当是多方面的,而且要在跨行业的系统中进行。

植物/农作物基可再生资源2020年设想“(以下简称设想“)中提出的要求需将重点瞄准有限的热点目标同步取得进展。对于研究工作则需要有准确的时间表和系统中各方面的广泛交流,所有这些都要走相互协同的道路。例如,一位科学家可能发现一种新型聚合物,具有可以作为高级生物降解塑料的功能,但是,此研究成果的价值受到以下一些因素的限制:发现适当的基因。新陈代谢过程可靠性。:最佳作物类型是否能有足够的产率和可承受的成本。各种聚合物组分分离可能和利用此材料制造新产品的方法等。所有这些因素都需通过研究和开发才能取得相应的进展。进行这些研究开发要采取最佳途径保证研究成果关键的目标互相协调。平行地进行,此途径要鼓励私营部门的参与。

当前,植物和农作物作为生物质和原料已被应用,诸如淀粉。蛋白质。脂肪酸和异戊二烯化合物。林业主要是为纸浆和造纸提供原料。黄豆则是用于油墨和涂料。玉米通过湿法加工发酵工艺已经进入几个工业部门,但是各种用量都很少。由于基因工程可以通过新陈代谢操作使植物或农作物生成有功能需要的材料,从而显示出新的发展机遇。

技术指南“已经突出了未来取得进展的途径,而且确定了系统的各个组成部分的目标。成功地达到这些目标就可实现设想“中确定的到2020年可再生资源利用增加5倍的目的,同时也为2020年以后进一步发展奠定了基础。按技术指南“目标提出课题是人们用所有的天然资源满足不断增长的消费品和能源的需要。当前进行研究将为今后的产品选择提供机会。可再生资源需要将注意焦点放在以下几个方面:发展方向。最佳科学思维的应用。最先进技术的应用和最高级智能水平的继续研究等。本技术指南“已经提出了需求和研究开发课题,其目的就是为美国开拓实施一条成功的可再生资源战略。而且也选出了需要优先支持的领域,它们都是从几个已经确定的科学研究和工业开发需求中选择出来的,而且考虑了在高级可再生资源的关键部门有最大的投资回报。

未来世界许多方面都会延续但将发生变化。幸运的是我们已看见其需求并具有科学智慧适应变化的发展。美国要保持领先地位就要继续采取迅速的行动来满足扩大利用可持续发展的可再生资源的需求。不断的科学突破和技术进步(正如技术指南“文件中所列出的项目和课题)才能满足资源利用的挑战。这些挑战正在我们面前,我们面临的挑战是为满足人们对产品不断增长的需求。

技术指南“中从两个方面表明多学科和跨部门的研究开发对实现设想“的重要性:

一是植物的投人,同时要考虑废料和副产物利用。改性基因学的应用。

二是加工系统,同时考虑当前化学和新型分子。

由上述两个方面的各有关内容组成技术前沿,从中再确定热点,集中力量。协同突破,最终的共同目的是实现植物/农作物基可再生资源2020年设想“。