前言：本站為你精心整理了資源開發(fā)利用管理范文，希望能為你的創(chuàng)作提供參考價(jià)值，我們的客服老師可以幫助你提供個(gè)性化的參考范文，歡迎咨詢。

20世紀(jì)已經(jīng)過(guò)去。在過(guò)去100年中，科學(xué)技術(shù)、社會(huì)結(jié)構(gòu)、全球人口都發(fā)生了很大變化?？梢灶A(yù)見，21世紀(jì)這些變化仍將對(duì)社會(huì)各方面產(chǎn)生巨大影響。

20世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)雖然經(jīng)歷了多次蕭條、景氣、危機(jī)、復(fù)蘇的反復(fù)，但是世界經(jīng)濟(jì)有了很大的發(fā)展。發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)濟(jì)繼續(xù)發(fā)展，許多新工業(yè)化國(guó)家和地區(qū)，特別是發(fā)展中國(guó)家的經(jīng)濟(jì)呈持續(xù)快速發(fā)展勢(shì)頭。21世紀(jì)的世界經(jīng)濟(jì)，特別是未來(lái)的20—25年中世界經(jīng)濟(jì)仍將保持高速發(fā)展。

在未來(lái)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中，人類將面臨有限的資源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在今后25年內(nèi)，世界人口可能達(dá)到100億，需要滿足如此大量人口的食物和必要的物資。同時(shí)，需要供應(yīng)相應(yīng)能源、交通、住房、學(xué)校以及各種機(jī)器等需求。呈指數(shù)增長(zhǎng)的需求和有限的資源形成了尖銳的矛盾。

回顧20世紀(jì)的發(fā)展，特別是20世紀(jì)30年代以來(lái)，正是烴類經(jīng)濟(jì)發(fā)展的歷史，主要資源來(lái)自于化石資源（煤、石油和天燃?xì)猓?，許多國(guó)家都認(rèn)為化石資源是保證能源和原材料供應(yīng)的基礎(chǔ)。從20年代以來(lái)的靠其提供經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，以至于達(dá)到今日的生活水準(zhǔn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，生物基資源所占份額很小，在能源方面低于1%，在原材料方面也不到5%。盡管烴類對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的貢獻(xiàn)呈強(qiáng)勁勢(shì)頭，但是有限的資源令人擔(dān)憂，而各種化工產(chǎn)品帶來(lái)的生態(tài)和環(huán)境問(wèn)題也日益嚴(yán)重，因此可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略已成為全球共識(shí)，并且已被廣泛接受和推行。

在可持續(xù)發(fā)展的施行中，要使經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保持平衡，經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)、生活健康標(biāo)準(zhǔn)不斷提高、國(guó)家安全與穩(wěn)定，保證資源供應(yīng)具有重要的作用。因此，許多國(guó)家政府的產(chǎn)業(yè)界都呼吁開發(fā)和利用可再生資源來(lái)補(bǔ)充和取代目前過(guò)于依賴的非再生并日益減少的化石燃料資源。

早在1996年，美國(guó)政府就組織有關(guān)行業(yè)協(xié)會(huì)、學(xué)術(shù)團(tuán)體、產(chǎn)業(yè)界和教育科研部門專家講座可再生資源開發(fā)利用問(wèn)題，并于1998年后提出題為《2020植物/農(nóng)作物為基礎(chǔ)的可再生資源——通過(guò)可再生植物/農(nóng)作物資源利用加強(qiáng)美國(guó)經(jīng)濟(jì)安全性的設(shè)想》（以下簡(jiǎn)稱“設(shè)想”）。該設(shè)想公開發(fā)表后，美國(guó)農(nóng)業(yè)部和能源部支持全國(guó)玉米種植者協(xié)會(huì)組織跨產(chǎn)業(yè)部門研究講座設(shè)想的實(shí)施問(wèn)題。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間講座產(chǎn)業(yè)界、深信界和政府部門對(duì)設(shè)想目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)、存在問(wèn)題和實(shí)施步驟取得共識(shí)，并提出了題為《實(shí)施植物/農(nóng)作物為基礎(chǔ)的可再生資源2020年設(shè)想的技術(shù)指南》（以下簡(jiǎn)稱“技術(shù)指南”）。這兩份報(bào)告內(nèi)容詳實(shí)、焦點(diǎn)明確、邏輯性強(qiáng)、實(shí)施步驟清晰，許多觀點(diǎn)和技術(shù)課題及措施具有啟迪性。從該兩份報(bào)告中，不僅可以弄清可再生資源和內(nèi)涵、開發(fā)利用的必要性和可能性，而且對(duì)如何開展和促進(jìn)可再生資源的開發(fā)利用提供了實(shí)施途徑。對(duì)目前可再生資源開發(fā)利用的經(jīng)濟(jì)技術(shù)狀況、存在的障礙和誤區(qū)也都作了明確的闡述。雖然兩份報(bào)告都是針對(duì)美國(guó)情況提出的，但是其科學(xué)性和前瞻性以及許多技術(shù)內(nèi)涵對(duì)我們?nèi)圆环梃b參考價(jià)值。

“設(shè)想”是有關(guān)于發(fā)展以植物/農(nóng)作物為基礎(chǔ)的可再生資源產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略，是由美國(guó)農(nóng)業(yè)、林業(yè)和化學(xué)工業(yè)部門（其中有各類美國(guó)公司企業(yè)）、非盈利組織、商貿(mào)協(xié)會(huì)和學(xué)術(shù)部門、各行各業(yè)的專家學(xué)者共63人經(jīng)過(guò)講座研究，首先提出對(duì)此新興產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展的設(shè)想。

1996年12月美國(guó)全國(guó)玉米種植者協(xié)會(huì)組織戰(zhàn)略設(shè)想研討會(huì)，目的是草擬一個(gè)產(chǎn)業(yè)設(shè)想，使植物/農(nóng)作物為基礎(chǔ)的的可再生物質(zhì)可以作為當(dāng)前慣用的原料的補(bǔ)充來(lái)源以滿足人們對(duì)化學(xué)品、材料和其他產(chǎn)品不斷增長(zhǎng)的需要。

本“設(shè)想”廣泛地規(guī)劃了此產(chǎn)業(yè)如何從目前家庭式的產(chǎn)業(yè)走向全國(guó)規(guī)模的核心制造產(chǎn)業(yè)的道路。公開此“設(shè)想”的目的是為了吸引更多讀者關(guān)注，出謀劃策，共同開發(fā)，使其能成為現(xiàn)實(shí)的技術(shù)實(shí)施方案。

對(duì)于世界資源能否足夠支持當(dāng)前已經(jīng)發(fā)生的急劇經(jīng)濟(jì)膨脹，社會(huì)上歷來(lái)存在兩種不同觀點(diǎn)：一種是悲觀的認(rèn)為，世界資源難以滿足呈指數(shù)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。如果現(xiàn)有技術(shù)不能進(jìn)一步發(fā)展，而非再生資源又有限，這種悲觀看法確實(shí)是現(xiàn)實(shí)的評(píng)價(jià)；另一方面，當(dāng)前的技術(shù)正在突破，并有無(wú)限潛力，因此對(duì)未來(lái)產(chǎn)生樂(lè)觀看法。

歷史教育人們，只有通過(guò)協(xié)調(diào)提出明確設(shè)想，才能引導(dǎo)人們?nèi)ソ鉀Q關(guān)于未來(lái)發(fā)展的重大問(wèn)題。

過(guò)去一直談如何解決未來(lái)25年世界超過(guò)100億人口的食品問(wèn)題。獲得食物只是人類生存的一種需要，其他還有呈指數(shù)增長(zhǎng)的對(duì)能源、運(yùn)輸、住宅、學(xué)校、機(jī)械以及計(jì)算機(jī)等的需要，而滿足這些需求的資源從何而來(lái)是應(yīng)當(dāng)考慮的問(wèn)題。

鉆探更多、更深的油氣井可以供應(yīng)更多的烴類原料，但是油氣儲(chǔ)量畢竟有限。對(duì)現(xiàn)有烴類的有效利用率將會(huì)不斷提高，但是效果不大。納米技術(shù)可能會(huì)促進(jìn)小型化從而節(jié)省材料，但是有些物件不能縮小。問(wèn)題是資源正在耗盡，何時(shí)耗盡并不重要，重要的是探求一種新的資源模式，使之逐步轉(zhuǎn)化。

“設(shè)想”序言稱，不論適用性技術(shù)應(yīng)用如何，凡將現(xiàn)有資源轉(zhuǎn)化為可再生資源，都是符合可持續(xù)發(fā)展的方向，也適應(yīng)環(huán)境和生態(tài)要求。因此，應(yīng)用植物/農(nóng)作物資源的設(shè)想是樂(lè)觀的。

隨著適用性研究和開發(fā)的進(jìn)展，人們可以發(fā)現(xiàn)許多經(jīng)濟(jì)上可行的方案來(lái)滿足整個(gè)地球的需求。該"設(shè)想"確定了方向和相應(yīng)的規(guī)劃，采取措施建立利用植物系統(tǒng)中能源和碳源的可再生資源基礎(chǔ)。面臨的挑戰(zhàn)是嚴(yán)重的，但機(jī)遇也是難以衡量的。人類可以適應(yīng)變化，但必須接受所面臨的挑戰(zhàn)。序言中從兩方面進(jìn)一步闡明“設(shè)想”提出的背景：

1、界定植物/農(nóng)作物基資源

植物/農(nóng)作物基(有時(shí)用生物基bio-based)資源是指來(lái)自于一定范圍的植物系統(tǒng)，主要是農(nóng)作物、林產(chǎn)品和食品、飼料和纖維工業(yè)加工過(guò)程中的副產(chǎn)物。它們可以通過(guò)一年生的作物和樹種，多年生植物和短期輪作樹種等途徑在一個(gè)較短的時(shí)間內(nèi)再生。石油化學(xué)品原本也是以植物為基礎(chǔ)，其基本分子為烴類。植物/農(nóng)作物基可再生資源當(dāng)前所用的大量基本分子是碳水化合物、木質(zhì)素和植物油。也有一些量少高值的分子是來(lái)自二級(jí)植物新陳代謝。另一個(gè)主要區(qū)別是烴類及其提取系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)并加工處理其所需要的原料型產(chǎn)品，而植物基可再生資源在某些程度上雖然也被認(rèn)定，但某種植物會(huì)含有某種資源，加工后會(huì)留下什么，尚未完全搞清。

最近生物技術(shù)進(jìn)展可以改變植物成分和酶提取系統(tǒng)，這就為現(xiàn)在需要的化學(xué)產(chǎn)品和新型中間人體及產(chǎn)品制造提供了新的經(jīng)濟(jì)機(jī)遇。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)的森林、耕地、牧場(chǎng)等面積約22.46億英畝(1英畝=0.405公頃，下同)，其中主要農(nóng)作物的種植面積有4.24億英畝，可以生產(chǎn)大量植物/農(nóng)作物基資源。過(guò)去50年，這類資源的重點(diǎn)主要是面向食物、飼料和纖維生產(chǎn)。

2、烴類經(jīng)濟(jì)

20世紀(jì)后期，世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展很快，生產(chǎn)增長(zhǎng)率有很大提高，尤其是各發(fā)達(dá)國(guó)家，一些發(fā)展中國(guó)家也不斷增長(zhǎng)。成功的增長(zhǎng)和發(fā)展過(guò)程中起主要作用的是烴類經(jīng)濟(jì)。自20年代以來(lái)，礦物化石燃料的采取和利用提供了人們當(dāng)前所享受的經(jīng)濟(jì)效益和生活水準(zhǔn)。許多國(guó)家都依靠這種資源來(lái)滿足能源和原材料的需要。

在過(guò)去50年中，大量的研究開發(fā)在能源生產(chǎn)和基礎(chǔ)產(chǎn)品制造方面創(chuàng)造了許多可以大量增值的工藝過(guò)程。市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)明顯地受人們提高生活水準(zhǔn)的意愿所驅(qū)動(dòng)，以創(chuàng)造各種產(chǎn)品。生物基資源的(主要是用植物基)用量很小。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在能源方面少于1%，在原材料方面亦低于5%。美國(guó)1996年玉米、黃豆和小米等生產(chǎn)用作食品和飼料量約為6900億磅(1磅=0.4536公斤，下同)。由此從經(jīng)濟(jì)角度看還不能趕上工業(yè)原料，而以烴類為基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)卻繁榮昌盛。

烴類雖然將繼續(xù)起到非常有效的經(jīng)濟(jì)發(fā)展平臺(tái)作用，但是在其未來(lái)應(yīng)用中卻有若干問(wèn)題有待解決。首先是對(duì)石油化學(xué)產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境問(wèn)題日益受到關(guān)注，隨著又產(chǎn)生了許多相關(guān)的問(wèn)題?；剂鲜且活愓跍p少的原料資源。應(yīng)用植物/農(nóng)作物基資源作為一種補(bǔ)充，由于它們是可再生的，所以為經(jīng)濟(jì)有序地向可持續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)變創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。

通過(guò)對(duì)能源狀態(tài)的審視就可看到可再生資源作為一種補(bǔ)充的必要性。烴類資源有限，許多專家提出世界可采和探明儲(chǔ)量，如按現(xiàn)在消費(fèi)水平計(jì)算只能提供50-100年，此處的一個(gè)重要假設(shè)是“現(xiàn)在消費(fèi)水平”是保持不變，但是從全世界人口增長(zhǎng)和生活水準(zhǔn)變化來(lái)考慮，此假設(shè)是不合理的。當(dāng)前世界上按人口平均的能源消費(fèi)水平差距很大，詳見表1，許多發(fā)展中國(guó)家都將增加能源消費(fèi)。未來(lái)的能源供應(yīng)問(wèn)題是多方面的，因?yàn)榘l(fā)展中國(guó)家人口眾多。例如，中國(guó)按人口平均能源消費(fèi)相當(dāng)于美國(guó)水平的1/3，其需要增加的能量數(shù)量約相當(dāng)于美國(guó)現(xiàn)在全年能源使用總量。

表1當(dāng)前按人口平均能源消費(fèi)水平KWh/人美國(guó)法國(guó)日本巴西泰國(guó)中國(guó)

122007500700015001200900

一些有效利用烴類的開發(fā)將有助于需要增長(zhǎng)問(wèn)題的解決，但是對(duì)烴類找到補(bǔ)充資源是完全必要的，只有如此才能保持可持續(xù)發(fā)展的工業(yè)基礎(chǔ)。

新技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用需要時(shí)間。石油化學(xué)工業(yè)本身的發(fā)展就是一個(gè)事例。1920年烴類原材料經(jīng)濟(jì)并不像今天這樣具有吸引力，過(guò)了50年，開始適應(yīng)化石燃料狀況的工藝。因此，要使植物/農(nóng)作物基系統(tǒng)達(dá)到同樣現(xiàn)代化水平也需要時(shí)間。

當(dāng)前正是開展大量研究開發(fā)工作、利用各種可再生資源和各種新工藝、并開始在各種可供選擇的途徑中提出選擇標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候?，F(xiàn)在進(jìn)行研究并不意味系統(tǒng)要立即改變，但是，烴類經(jīng)濟(jì)的經(jīng)濟(jì)學(xué)未來(lái)將出現(xiàn)問(wèn)題：要支付高額環(huán)境費(fèi)用，或是由于原料缺少而價(jià)格上揚(yáng)。

投資適用性研究可以在未來(lái)能源和原材料間進(jìn)行相關(guān)的比較，提供非常需要的選擇。在中期至長(zhǎng)期，選擇植物/農(nóng)作物基可再生資源可能是要兼顧環(huán)境方面容許和經(jīng)濟(jì)方面具有吸引力。而在近期，研究和開發(fā)可能只在一些領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行，使植物/農(nóng)作物可再生資源能開始進(jìn)入基本化學(xué)原料市場(chǎng)，從而擴(kuò)大資源基礎(chǔ)，延長(zhǎng)有價(jià)值的化石燃料儲(chǔ)備的應(yīng)用壽命。

在上述背景環(huán)境下，通過(guò)研究討論，提出了2020年開發(fā)利用植物/農(nóng)作物可再生資源的設(shè)想的目標(biāo)；“設(shè)想”是要通過(guò)植物/農(nóng)作物基可再生資源的開發(fā)來(lái)提供經(jīng)濟(jì)繼續(xù)發(fā)展、生活的健康標(biāo)準(zhǔn)和強(qiáng)大的國(guó)家安全。植物/農(nóng)作物基可再生資源可以改變當(dāng)前對(duì)日益減少的非再生資源的依賴。

本“設(shè)想”的內(nèi)涵重點(diǎn)是建立新的觀念，即植物基資源是越來(lái)越重要的工業(yè)原料資源。非再生資源可能因經(jīng)濟(jì)和環(huán)境因素逐步被植物基再生資源所取代，“設(shè)想”反對(duì)等到危機(jī)發(fā)生時(shí)現(xiàn)開始啟動(dòng)替代。

展望2020年，化石燃料可能仍將占90%，增加植物基可再生資源并不是可有可無(wú)的，它對(duì)滿足未來(lái)的需求非常迫切。當(dāng)然，需要有效地加工和利用這些植物衍生原料。其新途徑的研究從現(xiàn)在就要開始，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展有足夠的時(shí)間，保證解決環(huán)境而進(jìn)行良好的合作。

要取得有成效的進(jìn)展，應(yīng)當(dāng)確定以下的方向性目標(biāo)：

1、2020年化學(xué)基礎(chǔ)產(chǎn)品中至少有10%來(lái)自植物的可再生資源原料，到2050年提高到50%。

2、建立植物基(農(nóng)作物，林產(chǎn)，加工業(yè))系統(tǒng)，用有效的轉(zhuǎn)化加工工藝生產(chǎn)可再生原料，為2020年選中的產(chǎn)品提供經(jīng)濟(jì)合理、對(duì)環(huán)境瓜敏感的制造平臺(tái)。用此生產(chǎn)鏈來(lái)示范一個(gè)綜合的植物/農(nóng)作物基原料系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)合理性和潛在效益，顯示工業(yè)應(yīng)用機(jī)遇的新領(lǐng)域，為2020年以后國(guó)內(nèi)和出口的需求做出貢獻(xiàn)。

3、在工業(yè)投資者、植物商、生產(chǎn)者、學(xué)術(shù)界和各級(jí)政府之間建立合作伙伴關(guān)系，開發(fā)從小范圍到大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，重新激活農(nóng)村經(jīng)濟(jì)，改進(jìn)增值加工和制造鏈的集成，消除食品、飼料和纖維加工業(yè)與基礎(chǔ)材料制造業(yè)之間的差別。

“設(shè)想”中提出，科研與開發(fā)方面要制定有詳細(xì)目的和要求的相應(yīng)計(jì)劃，支持上述方向性目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，從而也可取得投資的優(yōu)勢(shì)。

植物/農(nóng)作物基資源利用現(xiàn)狀和前景

一、現(xiàn)狀

烴類提供人類能源和衣著。塑料、油料、油漆、染料、藥品等基礎(chǔ)原料，已經(jīng)成為現(xiàn)代生活的主要依靠。1970-1990年間石油基的塑料增加了4倍，已經(jīng)逐步代替了玻璃、金屬甚至紙張。植物/農(nóng)作物基資源目前尚未有效利用，主要是因?yàn)榭捎眯圆睢①|(zhì)量不高、供應(yīng)不穩(wěn)或是價(jià)格高。要推動(dòng)和提高植物/農(nóng)作物可再生資源應(yīng)用的興趣，需要從以下幾個(gè)方面來(lái)分析。

1、實(shí)用性

盡管消費(fèi)總量不高，但是植物基原料當(dāng)前在化學(xué)品方面應(yīng)用面很廣，如用于油漆、粘合劑及潤(rùn)滑劑等。黃豆是植物袖的傳統(tǒng)原料，隨著基因工程進(jìn)展，可以生產(chǎn)滿足特殊潤(rùn)滑劑市場(chǎng)需要的專門潤(rùn)滑油。最近，可用黃豆衍生物制造油墨，在乙醇、山梨醇、纖維素、擰槽酸、天然橡膠、多數(shù)氨基酸以及各種蛋白質(zhì)等化學(xué)品生產(chǎn)中，植物基資源是主要原料，詳見表2。

表2、美國(guó)植物基資源用量萬(wàn)t/a類別用量用途

木材8090紙，紙板，木質(zhì)素纖維復(fù)合材料

工業(yè)淀粉300粘合劑，聚合物，樹脂

植物油100表面活性劑，油墨，油漆，樹脂

天然橡膠100輪胎，家用品

木材提取物90油料，膠

纖維素50紡織纖維，聚合物

木質(zhì)素20粘合劑，丹寧，vanillin

在多數(shù)情況下，應(yīng)用的植物基材料主要是原始狀態(tài)分子。如木質(zhì)素纖維、植物油和橡膠等復(fù)雜分子的應(yīng)用也只有有限的改性。這就與石油化學(xué)工業(yè)構(gòu)成明顯的反差，石油化工則是用化學(xué)方法按需要將烴類裂解成幾種簡(jiǎn)單分子，如甲烷、丙烯等。用這些基礎(chǔ)原料進(jìn)行化學(xué)合成，制造所需要的復(fù)雜的分子。

在少數(shù)情況下，植物/農(nóng)作物原料進(jìn)行裂解成為不同的基礎(chǔ)分子，例如高果糖的玉米生產(chǎn)糖漿和玉米淀粉發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇。1996年美國(guó)用211億磅(1磅=0.4536公斤，下同)玉米采用新型酶發(fā)酵方法生產(chǎn)9億加侖(1加侖=4.546L,下同)乙醇，從而加工為90億加侖混合汽油。從許多實(shí)例看，植物基原料有一定實(shí)用性，雖還未生產(chǎn)像藥物那樣的高度專業(yè)化的分子，但卻包括了大量生產(chǎn)的中間體及產(chǎn)品。

2、供應(yīng)及質(zhì)量

植物系統(tǒng)地區(qū)分布廣，由于土壤和氣候條件不同，導(dǎo)致供應(yīng)和質(zhì)量的差異。森林和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)縮小了天然野生植物的供應(yīng)差異。

生物質(zhì)的總產(chǎn)量雖然很大，但是由于沒(méi)有經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)化技術(shù)而使其應(yīng)用受限制。一些新進(jìn)展如快速裂解提供了從中獲得低分子量產(chǎn)品的機(jī)會(huì)，如果能在分離技術(shù)上進(jìn)一步創(chuàng)新，就可以推動(dòng)此應(yīng)用。生物質(zhì)資源可以來(lái)自快速增長(zhǎng)木材、田邊作物以及其他專門培植的植物物種。另一潛在的生物質(zhì)資源是當(dāng)前為食用和飼料種植的農(nóng)作物，如玉米、黃豆、小麥和高梁等。一般情況下這些作物只應(yīng)用其產(chǎn)量的一半。此4種作物估計(jì)每英畝(1英畝=0.405公頃,下同)約有2600磅(以干物質(zhì)計(jì),下同)遺留在田地中，總計(jì)約有5200億磅。一部分留在耕地以改良土壤結(jié)構(gòu)，但大部分運(yùn)出去，作為原料應(yīng)用。因此要求有適當(dāng)?shù)摹⒊杀镜偷膬?chǔ)運(yùn)系統(tǒng)和加工技術(shù)。

供應(yīng)方面的主要問(wèn)題是對(duì)原始生產(chǎn)的管理。當(dāng)前，樹木可作木材和紙漿，種植農(nóng)作物只是為食品、飼料和纖維加工，沒(méi)有在綜合利用上進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)植物/農(nóng)作物投入的成本評(píng)價(jià)基礎(chǔ)是未經(jīng)優(yōu)化的植物生產(chǎn)系統(tǒng)，因此經(jīng)濟(jì)性不佳。一些邊際土地的利用可以擴(kuò)大植物基可再生資源原料基地。但是從經(jīng)濟(jì)上比較，其很難達(dá)到經(jīng)濟(jì)可行目標(biāo)。在估算其經(jīng)濟(jì)回報(bào)時(shí)，要考慮化肥、農(nóng)藥等化學(xué)品的使用費(fèi)用。要增加可再生資源來(lái)源，除了要提高邊際土地利用率外，主要應(yīng)是如何對(duì)良田建立優(yōu)化種植生產(chǎn)系統(tǒng)。

當(dāng)前低投入、低產(chǎn)出的植物生產(chǎn)對(duì)農(nóng)民難以盈利，并不利于農(nóng)村發(fā)展，也不能為加工業(yè)提供低價(jià)原料。但是在產(chǎn)出方面，數(shù)量和質(zhì)量相差甚大，從此系統(tǒng)得到的產(chǎn)品必然價(jià)格較高，嚴(yán)重地限制了經(jīng)濟(jì)上的可行性。而且，由于低產(chǎn)出生產(chǎn)就需要更多的土地，其對(duì)環(huán)境的單位影響常常大于更為強(qiáng)化、密集的系統(tǒng)。因此要優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)，同時(shí)改善邊際土地的利用。此外利用生產(chǎn)率高的土地作為植物/農(nóng)作物可再生資源的原料基地，這也有利于解決數(shù)量和質(zhì)量上的波動(dòng)變化。

農(nóng)村根據(jù)市場(chǎng)需求規(guī)劃種植計(jì)劃，如根據(jù)乙醇市場(chǎng)還是植物油供需情況，做出種玉米還是種黃豆的選擇，其次則要進(jìn)行第2輪對(duì)品種的選擇，作乙醇則要種高淀粉含量的玉米品種，如要種飼料，則種含高油量玉米更佳。這些選擇都對(duì)產(chǎn)出經(jīng)濟(jì)效益有很大影響。面對(duì)“設(shè)想”需要擴(kuò)大食品或飼料、飼料或原料、油料或淀粉、纖維或糖、藥品或聚合物等等選擇范圍。要根據(jù)供應(yīng)或需求來(lái)決策，就需要進(jìn)一步仔細(xì)研究有關(guān)課題。

3、植物/農(nóng)作物基原料成本

利用植物/農(nóng)作物基可再生資源主要是成本問(wèn)題，它與烴類相比是不經(jīng)濟(jì)的。工業(yè)生產(chǎn)要求大量的便宜原料。植物原料價(jià)格便宜，如果能開發(fā)適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)將極具競(jìng)爭(zhēng)能力。利用植物/農(nóng)作物基原料生產(chǎn)化學(xué)品的成本比較，詳見表3。

表3、植物/農(nóng)作物基化學(xué)品生產(chǎn)成本類別生產(chǎn)量萬(wàn)噸通常方法美元/1b植物衍生美元/1b植物衍生占總產(chǎn)量%

糠醛300.750.7897.0

粘合劑5001.651.4040.0

脂肪酸2500.460.3340.0

表面活性劑3500.450.4535.0

醋酸2300.330.3517.5

增塑劑801.502.5015.0

炭黑1500.500.4512.0

洗滌劑12601.101.7511.0

顏料15502.005.806.0

染料45012.0021.006.0

墻涂料7800.501.203.5

油墨3502.002.503.5

專用涂料2400.801.752.0

塑料30000.502.001.8

實(shí)際上,在制造業(yè)中選用不同的化學(xué)加工工藝對(duì)其成本影響很大。

植物/農(nóng)作物基可再生資源不是一種替代性資源,而是為工業(yè)原料提供的補(bǔ)充資源。成本問(wèn)題并非只限于原料,而且與加工過(guò)程有關(guān)，因此要進(jìn)一步開發(fā)新的化學(xué)和生物加工工藝，才能擴(kuò)大植物基可再生資源應(yīng)用范圍，使之成為經(jīng)濟(jì)可行系統(tǒng)。

二、前景

由于植物/農(nóng)作物基可再生資源的來(lái)源不同，每種來(lái)源的原料又可以利用不同的加工工藝，構(gòu)成了一種多維的發(fā)展前景。本“設(shè)想”運(yùn)用矩陣分析方法進(jìn)行探討。不同投人的植物原料，可以運(yùn)用不同的加工系統(tǒng)，并取得各種不同的開發(fā)效果。

1、廢料和副產(chǎn)物利用

從當(dāng)前看，利用機(jī)會(huì)多，但需要有新的加工技術(shù)才能使其成為更重要的資源。

(1)現(xiàn)代化學(xué)

森林工業(yè)已經(jīng)將副產(chǎn)物利用發(fā)展成為一個(gè)較大的行業(yè)，如紙漿副產(chǎn)液轉(zhuǎn)化為磺酸木質(zhì)素表面活性劑CH3SOCH3以及用樹皮制丹寧。農(nóng)作物的磨榨工業(yè)開發(fā)了許多應(yīng)用副產(chǎn)物進(jìn)行加工的工藝，如從燕麥制糠醒、淀粉粘合劑、專用棉籽油、從濕磨料生產(chǎn)擰蒙酸鹽和氨基酸等。但是，許多食品加工業(yè)，如蔬菜和水果卻沒(méi)有開發(fā)相應(yīng)的副產(chǎn)利用加工工藝，經(jīng)常將副產(chǎn)淀粉和糖排放入周圍環(huán)境。副產(chǎn)物的利用具有許多發(fā)展機(jī)遇，提取及銷售其所含的有效成分是降低主產(chǎn)物成本的手段，而且從戰(zhàn)略上看是擴(kuò)大利用植物基資源。

(2)改進(jìn)化學(xué)

木本植物和有些農(nóng)作物加工中有較高的木質(zhì)纖維素含量和一些碳水化合物，如烴類工業(yè)一樣，可以將復(fù)雜分子轉(zhuǎn)變?yōu)檩^小分子技術(shù)。便宜的植物衍生發(fā)酵制糖的開發(fā)已在進(jìn)行。用金屬有機(jī)物化學(xué)將碳水化合物轉(zhuǎn)變?yōu)樵鲋祷瘜W(xué)品是擴(kuò)大利用植物基原料的又一技術(shù)途徑。改進(jìn)化學(xué)方法具有潛力，可以使植物衍生的廢料加工利用提高經(jīng)濟(jì)回報(bào)率。

(3)生物加工

在比較復(fù)雜的料漿中用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)某種分子，再將其分離出來(lái)成為需要的產(chǎn)物。生物轉(zhuǎn)化是應(yīng)用微生物、細(xì)胞或不含細(xì)胞的酶系統(tǒng)的一步法工藝，它提供了改進(jìn)廢物料和副產(chǎn)物利用機(jī)會(huì)，隨著分離技術(shù)的提高，生物加工工藝可以獲得更為廣泛的應(yīng)用。

(4)新分子

在此方面似乎不太重要，從廢料中生產(chǎn)新分子不是一條最佳途徑。

2、現(xiàn)有農(nóng)作物

從近期看擴(kuò)大應(yīng)用具有最佳機(jī)會(huì)。

(1)現(xiàn)代化學(xué)

從化學(xué)工業(yè)整體看，并沒(méi)有|認(rèn)為植物衍生材料具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，但是具體|問(wèn)題要具體分析。石油化工利用烴類而不用碳水化合物和其他生物基分子。

(2)改進(jìn)化學(xué)

如果植物衍生原料是結(jié)構(gòu)型的生物質(zhì)，含有木質(zhì)素和纖維素等成分，其具有一定優(yōu)勢(shì)。一些新技術(shù)，如綜合燃燒或金屬有機(jī)化學(xué)等都能提供更好地利用此類資源的機(jī)會(huì)。除林產(chǎn)資源外，約有5200億磅的生物質(zhì)資源目前尚未加以利用。改變加工工藝路線可以提高利用現(xiàn)有資源的效益。新的工藝開發(fā)可以提供利用糖和淀粉的機(jī)會(huì)。植物淀粉有不同來(lái)源，如水稻、土豆、玉米和小麥，它們的性質(zhì)、用途都不同，因此需要改進(jìn)其化學(xué)方法，發(fā)揮其潛能。新化學(xué)工藝與生物加工及先進(jìn)的分離技術(shù)綜合起來(lái)可產(chǎn)生很大效益。

(3)生物加工工藝

植物作為生物加工原料量大而多樣，從結(jié)構(gòu)型生物質(zhì)到一些專門的植物組分，在生物加工方面潛在優(yōu)勢(shì)很大：用酶轉(zhuǎn)換玉米衍生的葡萄糖生產(chǎn)高果糖的玉米糖漿。最近從玉米葡萄糖經(jīng)過(guò)發(fā)酵制琥珀酸也取得成功。琥珀酸鹽可以用作制一些化學(xué)產(chǎn)品如丁二醇、四氫呋喃，這些中間體又可進(jìn)一步加工制成許多種產(chǎn)品。當(dāng)前，用10億磅這種原料可得到價(jià)值13億美元產(chǎn)品，現(xiàn)在正在中試。多種學(xué)科進(jìn)行合作就可取得良好的效果，這是短期內(nèi)取得成效的一種良好運(yùn)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專用酶，可產(chǎn)生新分子。此工作目前只在很小的市場(chǎng)中進(jìn)行。當(dāng)市場(chǎng)對(duì)具有特殊性能的新產(chǎn)品需求增加，投入產(chǎn)出可能會(huì)促使其發(fā)展，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的綜合研究要沿著產(chǎn)品開發(fā)鏈進(jìn)行，從界定所需要的產(chǎn)品——需要的特性——分子結(jié)構(gòu)——中間體——酶技術(shù)——蛋白質(zhì)/基因工程——投入植物的最佳原料——生產(chǎn)優(yōu)化等。

3、新鮮農(nóng)作物

此項(xiàng)作為中期發(fā)展機(jī)遇。

(l)現(xiàn)代化學(xué)

因?yàn)榛瘜W(xué)工業(yè)一般不認(rèn)為農(nóng)作物的利用能獲得較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此新鮮農(nóng)作物并無(wú)吸引力。過(guò)去曾認(rèn)為可以降低成本，但是實(shí)際上的技術(shù)限制否定了其經(jīng)濟(jì)性。

(2)改進(jìn)化學(xué)

從投入產(chǎn)出看，存在類似問(wèn)題，如果改進(jìn)的化學(xué)工藝需要專門的農(nóng)作物，-新鮮農(nóng)作物可能會(huì)有優(yōu)勢(shì)。另一優(yōu)勢(shì)是在物流方面。按照改進(jìn)工藝實(shí)施和運(yùn)作規(guī)模，所需原料只能就近供應(yīng)新鮮農(nóng)作物。因此改進(jìn)工藝應(yīng)當(dāng)與供應(yīng)系統(tǒng)平行進(jìn)行才能互相支持共同發(fā)展。植物作為原料補(bǔ)充資源時(shí)，困難在于許多烴類加工裝置不位于農(nóng)作物和森林種植地區(qū)，而植物基原料運(yùn)輸費(fèi)用很高。

(3)生物加工工藝

與改性化學(xué)類似,區(qū)別在于如何將原料加工成中間體和最終產(chǎn)品。在技術(shù)上要考慮農(nóng)作物品種的適用性，一種生物工藝可以對(duì)多種品種進(jìn)行加工。優(yōu)化工藝是影響運(yùn)作經(jīng)濟(jì)很重要的因素。

4、改性基因類植物

這是中長(zhǎng)期發(fā)展機(jī)遇，其可提供的成效目前尚難以想像，今后是否出現(xiàn)碳水化合物經(jīng)濟(jì)，或是其他經(jīng)濟(jì)，這要看建立在生物工程基礎(chǔ)上的新工業(yè)平臺(tái)所能發(fā)揮的作用。

(1)現(xiàn)代化學(xué)

基因改性植物基原料可能成為現(xiàn)有的烴類加工系統(tǒng)原料。但是，改性植物分子在烴類系統(tǒng)中降解所花代價(jià)太高。因此投入技術(shù)要能跨越加工技術(shù)，或者是較復(fù)雜的分子能直接得到并進(jìn)入制造鏈，再有是新工藝路線能高效地應(yīng)用此改性原料。當(dāng)然這些變革都要從經(jīng)濟(jì)和環(huán)境兩方面來(lái)評(píng)價(jià)其效益。

(2)改性化學(xué)

對(duì)優(yōu)化植物/農(nóng)作物基原料投入和加工有好處，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行此方面研究。至于何時(shí)見效則要根據(jù)基因技術(shù)進(jìn)展及其達(dá)到工業(yè)化時(shí)間來(lái)確定。

(3)生物加工工藝

微生物或酶進(jìn)行基因改變達(dá)到強(qiáng)化工藝過(guò)程目的。生物工程具有長(zhǎng)期潛力，在原料投入和生物技術(shù)本身之間創(chuàng)優(yōu)，有時(shí)所需要的可作基礎(chǔ)原料的分子可以部分在植物原料內(nèi)進(jìn)行合成，用生物轉(zhuǎn)化或高度專門化的生物/化學(xué)工藝進(jìn)行分離。為了繼續(xù)應(yīng)用化石燃料生產(chǎn)專門產(chǎn)品，需要進(jìn)行研究開發(fā)，使有限資源能取得最大的價(jià)值。

(4)新分子

過(guò)去20年中，塑料已成為最大的工業(yè)部門，在日常生活中代替了玻璃、陶瓷、木材和金屬。市場(chǎng)將會(huì)根據(jù)消費(fèi)者的意愿和需求發(fā)生變化。材料科學(xué)將繼續(xù)發(fā)展，市場(chǎng)銷售者將繼續(xù)設(shè)計(jì)新的消費(fèi)品，塑料的未來(lái)變化難以預(yù)料。能作為新工業(yè)發(fā)展平臺(tái)基礎(chǔ)的新分子將會(huì)很多，物理與化學(xué)科學(xué)與生物工程材料結(jié)合將產(chǎn)生新的領(lǐng)域。植物基可再生資源將是未來(lái)的主要資源。新陳代謝工程是將豐富資源制造成所需基礎(chǔ)原料的渠道，支持社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施。開發(fā)和拓寬其可能性，需要先進(jìn)的技術(shù)，這將是未來(lái)新領(lǐng)域。

生物技術(shù)的潛在影響及實(shí)施“設(shè)想”的工作途徑

生物技術(shù)的潛在影響

對(duì)一個(gè)新的技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以從如下幾個(gè)方面來(lái)分析：近來(lái)變化的速度和引入的速度、量度及其帶來(lái)利益的水平及公共公司投資、評(píng)價(jià)專利活動(dòng)和有關(guān)協(xié)會(huì)的活動(dòng)、觀察開發(fā)進(jìn)程、審視所取得的成功進(jìn)展。

90年代初期，許多人對(duì)生物技術(shù)將對(duì)農(nóng)作物帶來(lái)很大變化是持懷疑態(tài)度的。到1996年，轉(zhuǎn)基因作物在產(chǎn)業(yè)化方面取得成功，明確地澄清了這個(gè)問(wèn)題。這些早期的成效是關(guān)于新的作物保護(hù)途徑，對(duì)保護(hù)植物生產(chǎn)免受病蟲害起了重要作用，對(duì)進(jìn)一步了解和掌握如何改進(jìn)植物組分也很重要。

由于管理方面的需要，轉(zhuǎn)基因大田試驗(yàn)記錄由美國(guó)動(dòng)物和植物健康監(jiān)測(cè)服務(wù)中心保存。從記錄中可以看到一些行之有效的轉(zhuǎn)基因改變植物組分的工作正在進(jìn)行之中，試驗(yàn)范圍也在不斷擴(kuò)大，一些主要的公司如杜邦、孟山都和PioneerHi-Bred等都在進(jìn)行。

為了改變植物組分以提高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，改善加工性能，或是為了某些工業(yè)和制藥的應(yīng)用，一些轉(zhuǎn)基因改性品種已經(jīng)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，包括碳水化合物的變革、油和脂肪酸改性、提高氨基酸水平、蛋白質(zhì)形態(tài)操作(typemonipulation)、纖維特性改性、產(chǎn)生抗體、工業(yè)酶生產(chǎn)、二級(jí)化合物操作(甾醇，earotenoids等)、新型聚合物生產(chǎn)。

轉(zhuǎn)基因技術(shù)發(fā)展非常迅速，為植物基材料擴(kuò)大應(yīng)用開辟了新的途徑，使其可以為工業(yè)生產(chǎn)提供分子基礎(chǔ)原料和更為復(fù)雜的分子原料。用植物基原料主產(chǎn)聚合物，制造塑料就是一個(gè)成功事例。從A1-coligenenentrophus細(xì)菌的3種基因已經(jīng)能轉(zhuǎn)入植物的1ipid合成中，可以得到polyhydroxybutyrate(聚羥基丁酸酯)，濃度可達(dá)14%。這種生物可降解的熱塑性塑料正在進(jìn)一步開發(fā)，使之可以從黃豆、棉花和油菜籽制備。

在過(guò)去50年內(nèi)，通常用的植物培植產(chǎn)率已經(jīng)提高了3倍，根據(jù)農(nóng)作物滿足食物、飼料和纖維不同用途，選擇不同的方法得到具有不同特性的產(chǎn)物。高級(jí)植物種植要用基因圖譜和轉(zhuǎn)基因技術(shù)，進(jìn)一步提高食物和飼料生產(chǎn)需要供應(yīng)的植物基原料。

生物技術(shù)對(duì)植物基原料已經(jīng)產(chǎn)生革命性的影響。但是，用生物技術(shù)來(lái)改變植物，使之適合烴類經(jīng)濟(jì)需要，并不是一條最佳途徑。這就需要進(jìn)一步弄清什么是工業(yè)鏈需要的因素，而這些因素又是能在未來(lái)轉(zhuǎn)基因植物基可再生資源中具有最大的優(yōu)勢(shì)。

實(shí)施“設(shè)想”的工作途徑

要成功實(shí)施美國(guó)可再生資源開發(fā)利用的戰(zhàn)略設(shè)想(以下簡(jiǎn)稱“設(shè)想”)中所提出的大綱，需要將研究、開發(fā)、工業(yè)過(guò)程工程以及對(duì)未來(lái)的市場(chǎng)了解等項(xiàng)工作有效地集成起來(lái)。適應(yīng)“設(shè)想”的多學(xué)科計(jì)劃以及各個(gè)項(xiàng)目的協(xié)作都要求有一共同的目標(biāo)，向前沿技術(shù)邁進(jìn)。應(yīng)用改進(jìn)的化學(xué)工藝加工現(xiàn)有的農(nóng)作物，包括集成運(yùn)用生物工藝，可以納入短期計(jì)劃之內(nèi)，從當(dāng)前到今后10年可以著手實(shí)施。這是研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。另一個(gè)熱點(diǎn)是觀念上的飛躍，超越當(dāng)前的烴類化學(xué)，結(jié)合基因改性植物，運(yùn)用新的工藝，這可以納人中長(zhǎng)期計(jì)劃中，在10到20年甚至更長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)實(shí)施并產(chǎn)生影響。上述兩個(gè)熱點(diǎn)都是當(dāng)前在研究中進(jìn)行投資，在不同期限內(nèi)可以取得回報(bào)。

如果在這些領(lǐng)域內(nèi)取得成功，在工業(yè)應(yīng)用上就可以有了一個(gè)可行的堅(jiān)實(shí)科學(xué)基礎(chǔ)。新鮮作物應(yīng)用開發(fā)將被看作是一個(gè)降低這些系統(tǒng)成本的一種機(jī)制，或是改善供應(yīng)狀況(數(shù)量和質(zhì)量)，滿足工業(yè)發(fā)展需要。

當(dāng)審視植物基可再生資源的前景時(shí)，可以看到供應(yīng)鏈本身包含著許多重大課題。不同物種發(fā)展有各自的地理優(yōu)勢(shì)，可以形成專門原料的加工中心，包括進(jìn)入國(guó)內(nèi)和國(guó)外兩個(gè)市場(chǎng)。對(duì)轉(zhuǎn)基因作物的鑒別保護(hù)機(jī)制仍在變化，植物基可再生資源上的這些系統(tǒng)都需要進(jìn)一步研究。

本“設(shè)想”并非要給各種問(wèn)題以答案，而是指出未來(lái)潛在的可能，在各方面采取一定的步驟就可以使其實(shí)現(xiàn)。下一階段就要進(jìn)行各方的協(xié)調(diào)工作，使多方面的投資者能有一個(gè)投入的基礎(chǔ)，針對(duì)“設(shè)想”提出的目標(biāo)進(jìn)行開發(fā)工作。該規(guī)劃要訂出各項(xiàng)目計(jì)劃，通過(guò)研究和開發(fā)來(lái)支持“設(shè)想”中提出的方向性指標(biāo)。各計(jì)劃項(xiàng)目要符合下列一個(gè)或幾個(gè)方面的要求。

優(yōu)化生物質(zhì)和農(nóng)作物基原料生產(chǎn)，達(dá)到計(jì)劃應(yīng)用要求狀況。

為植物基原料的供應(yīng)鏈提出裝置、地點(diǎn)、貯運(yùn)和分銷措施，包括加強(qiáng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的機(jī)制。

加速發(fā)展基于改性化學(xué)和生物工藝的新工藝，同時(shí)考慮利用植物/農(nóng)作物基可再生資源原料。

對(duì)多類投資者支持的項(xiàng)目，對(duì)上述三個(gè)方面中一個(gè)或一個(gè)以上將產(chǎn)生影響的項(xiàng)目，或是多學(xué)科項(xiàng)目等將給以優(yōu)先和優(yōu)惠待遇。投資項(xiàng)目選擇標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)考慮時(shí)間要求和潛在影響的大小來(lái)確定。

植物/農(nóng)作物基可再生資源對(duì)工業(yè)基礎(chǔ)原產(chǎn)的需求增長(zhǎng)是一個(gè)戰(zhàn)略性措施，也是使美國(guó)在21世紀(jì)繼續(xù)保持領(lǐng)先地位的戰(zhàn)略性選擇。開發(fā)基礎(chǔ)資源具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)方面的好處。機(jī)遇是明確的，考慮未來(lái)的設(shè)想是需要的，要聯(lián)合投資者對(duì)新途徑進(jìn)行投資，才能創(chuàng)造一個(gè)安全的未來(lái)。

“設(shè)想”文本中不止一處引用達(dá)爾文的名言“能夠幸存下來(lái)的物種，不是最強(qiáng)的，也不是最聰明的，而是能適應(yīng)變化的”。

2020年可再生資源應(yīng)用將增加五倍

《植物/農(nóng)作物基可再生資源2020年設(shè)想實(shí)施的技術(shù)指南》(以下簡(jiǎn)稱“技術(shù)指南”)，是《植物/農(nóng)作物基可再生資源2020年設(shè)想》(以下簡(jiǎn)稱“設(shè)想”)的補(bǔ)充，提出的目的是：支持“設(shè)想”方向，確定發(fā)展中的主要障礙和問(wèn)題，確定優(yōu)先的研究領(lǐng)域。

要達(dá)到上述目的需要進(jìn)行協(xié)調(diào)觀念開發(fā)，收集專家證明，組織多學(xué)科研討會(huì)、聽證會(huì)，優(yōu)勢(shì)排隊(duì)試驗(yàn)和團(tuán)隊(duì)行動(dòng)計(jì)劃等多項(xiàng)工作。在“技術(shù)指南”編制過(guò)程中吸收了各方面人士的意見，參加研討的共有66名有關(guān)部門不同行業(yè)的專家。專家們就全球性問(wèn)題提出“設(shè)想”，針對(duì)“設(shè)想”結(jié)合現(xiàn)實(shí)狀況提出存在的主要障礙與問(wèn)題，再確定研究與開發(fā)領(lǐng)域，從而找出優(yōu)先研究開發(fā)的課題。這些課題所屬領(lǐng)域都是能為利用可再生資源實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展起最大杠桿作用的研究領(lǐng)域。通過(guò)參加“技術(shù)指南”研究和編制的專家的專業(yè)情況反映出在化工制造中應(yīng)用生物基原料需要涉及多門學(xué)科。但是有3個(gè)產(chǎn)業(yè)是中心，即化學(xué)、生物和農(nóng)業(yè)，每個(gè)產(chǎn)業(yè)都涉及幾門不同的學(xué)科，如農(nóng)業(yè)，林業(yè)和石油化學(xué)。

1、農(nóng)業(yè)和林業(yè)

農(nóng)業(yè)：是一個(gè)廣泛的概念，包括谷物生產(chǎn)、林地和牧場(chǎng)等。這些土地上生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品和林產(chǎn)品一起構(gòu)成生物基材料，它們通過(guò)太陽(yáng)能，大氣中的CO2和土壤中養(yǎng)分進(jìn)行原始生產(chǎn)而成為可再生資源。美國(guó)擁有大量?jī)?yōu)良土地，豐富的自然水資源和先進(jìn)的技術(shù)基礎(chǔ)，通過(guò)資源保護(hù)和利用，每年可產(chǎn)生可再生資源的巨大財(cái)富。林業(yè)：在美國(guó)有超過(guò)6.5億英畝（1英畝=4046.24平方米）的森林，從業(yè)人口140萬(wàn)，每年生產(chǎn)價(jià)值2000億美元產(chǎn)品。過(guò)去10年內(nèi)，紙張部門的增長(zhǎng)比木材業(yè)快。木材和紙產(chǎn)品回收循環(huán)利用率高，每年有約4000萬(wàn)t紙?jiān)偕谩Ｃ绹?guó)的林業(yè)已經(jīng)制定出2020年發(fā)展設(shè)想以及相應(yīng)的研究計(jì)劃。該設(shè)想呼吁進(jìn)行研究，用先進(jìn)的生物和遙感技術(shù)以及樹木生理學(xué)和土壤科學(xué)等理論。

農(nóng)業(yè)和林業(yè)通過(guò)應(yīng)用基因?qū)W技術(shù)和轉(zhuǎn)基因植物等新手段將會(huì)出現(xiàn)大的躍進(jìn)。在不久的將來(lái)，可生產(chǎn)出大數(shù)量和高質(zhì)量的作物。除了飼料和食品，還可以為工業(yè)部門提供原材料。而且還可以引入某些酶標(biāo)記基因，可能會(huì)在植物體內(nèi)制造完全新型的聚合物，并可大量生產(chǎn)，成為經(jīng)濟(jì)的消費(fèi)用品。

美國(guó)將技術(shù)進(jìn)展應(yīng)用于植物和農(nóng)作物的調(diào)整，使其在農(nóng)業(yè)、林業(yè)和制造業(yè)中保持可持續(xù)發(fā)展的領(lǐng)先地位起著主要作用。國(guó)家的未來(lái)明顯地要依靠近期開發(fā)可再生資源基礎(chǔ)的研究來(lái)支持。

2、石油化工業(yè)

化學(xué)、工程學(xué)、物理學(xué)和地理學(xué)等幾門學(xué)科在石油化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用，對(duì)人們生活產(chǎn)生的影響是50年前難以想像的。石油化學(xué)工業(yè)成功地創(chuàng)造了眾多產(chǎn)品，從高性能的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃料到基礎(chǔ)化學(xué)品以及許多聚合物，如聚丙烯、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯和聚碳酸酯等。

石油化學(xué)工業(yè)：是資本密集型工業(yè)，已經(jīng)建立了可觀的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)處理和加工化石燃料。美國(guó)每天要用1390萬(wàn)桶烴類原料，多數(shù)是作為燃料型產(chǎn)品，用于化工及其他工業(yè)基礎(chǔ)原料生產(chǎn)，每天約為260萬(wàn)桶油短類原料。

近年來(lái)，工業(yè)化學(xué)品和塑料生產(chǎn)都有巨大的增長(zhǎng)。塑料工業(yè)從業(yè)人員120萬(wàn)人，有20000套生產(chǎn)加工裝置，過(guò)去在研究開發(fā)上花費(fèi)以10億美元數(shù)計(jì)的投資，才獲得了今日成就。如果塑料制品的原料沒(méi)有可再生資源，遲早有一天會(huì)變得十分昂貴。一方面，是否還有上萬(wàn)億桶的石油開采量，原油價(jià)格能否在每桶10美元以內(nèi)。世界原油生產(chǎn)已經(jīng)變化迅速，而且有許多不定因素。另一方面，化石燃料資源是有限的，這是無(wú)可爭(zhēng)議的事實(shí)。重要的是考慮當(dāng)供應(yīng)呈峰值時(shí)未來(lái)價(jià)格的敏感度，而不是去爭(zhēng)論何時(shí)是油將用盡的理論時(shí)間。最近由于幾處新資源的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用，在20年內(nèi)原油產(chǎn)量可能會(huì)有所增加。但是，必須注意美國(guó)一直是原油進(jìn)口國(guó)，50%原油靠進(jìn)口。如果原油進(jìn)口一旦停止，北美可采用的化石燃料資源儲(chǔ)量按目前消費(fèi)水平只能維持約14年。如果保持目前進(jìn)口水平而不增加，也只能使用28年。當(dāng)然，將會(huì)有新的改進(jìn)的抽提技術(shù)，例如水平鉆探和核磁共振鉆孔等，但是要在近年取得成效，希望是不大的。

用可再生資源補(bǔ)充石油化學(xué)品，要從現(xiàn)在開始，由少量到大量逐步進(jìn)行，有關(guān)研究工作要立即開始。不考慮化石原料供應(yīng)衰退時(shí)間表的爭(zhēng)論，由于人口增長(zhǎng)以及一些新興國(guó)家人們生活水平提高，需求將繼續(xù)增長(zhǎng)。在可再生資源取代化石燃料之前，它將作為一種補(bǔ)充資源。因此，無(wú)論如何在美國(guó)開發(fā)可再生資源作為工業(yè)原料都是十分重要的。

“設(shè)想”中提出的指標(biāo)是“2020年基礎(chǔ)化學(xué)品至少有10%來(lái)自植物衍生可再生資源，隨著發(fā)展觀念到位，2050年要提高到50%”。要注意無(wú)論是美國(guó)還是全世界總消費(fèi)量的增加是很快的，因?yàn)榧词?020年的10%目標(biāo)是按當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)總量計(jì)算，也比當(dāng)前消費(fèi)水平要提高4—5倍，絕對(duì)的增加更大。如果2020年消費(fèi)水平本身提高1倍，可再生資源的絕對(duì)指標(biāo)也要翻番。

換言之，不能期望可再生資源在不變的需求環(huán)境下能完全取代烴類資源，而只有當(dāng)消費(fèi)產(chǎn)品需求增加，可再生資源可以能滿足此增加需求中的一部分。在2040年時(shí)間框架中，指標(biāo)可以是：可再生資源應(yīng)用使化石燃料能穩(wěn)定地維持現(xiàn)在的消費(fèi)水平。按此指標(biāo)可以形成以下的觀念：

由于不是一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)替代戰(zhàn)略，可再生資源并不與非再生資源直接競(jìng)爭(zhēng)。

需要用可再生資源和非再生資源兩種資源來(lái)滿足未來(lái)20年的需要。30年以后，可能要更多依靠可再生資源，因?yàn)槟菚r(shí)的化石燃料將會(huì)很貴而且有限。滿足近期指標(biāo)的支持和研究完全與長(zhǎng)期目標(biāo)保持一致，這些方向性指標(biāo)，非常清楚地表明面臨的挑戰(zhàn)是巨大的，需要從現(xiàn)在就采取行動(dòng)，應(yīng)當(dāng)開始建立通向擴(kuò)大利用可再生資源的道路。除了建立可操作的可再生資源基礎(chǔ)指標(biāo)外，其他一些相關(guān)的指標(biāo)也是很重要的，包括：

建立系統(tǒng)，通過(guò)加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)可靠性的基礎(chǔ)設(shè)施支持，將供應(yīng)、制造和分銷等活動(dòng)集成起來(lái)。

通過(guò)功能基因?qū)W來(lái)提高對(duì)植物新陳代謝的理解，優(yōu)化對(duì)專門的增值加工工藝的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，除應(yīng)用現(xiàn)有的組分外，要開拓新型聚合物生產(chǎn)和應(yīng)用。要保證開發(fā)的新工藝過(guò)程的效率高于95%，同時(shí)應(yīng)用伴生工藝，應(yīng)用所有副產(chǎn)物，消除廢料，保證新的平臺(tái)能在特殊的環(huán)境條件下堅(jiān)持目標(biāo)方向?qū)Υ_定目標(biāo)與研究指標(biāo)要反復(fù)交叉檢驗(yàn)，使其能堅(jiān)持可再生燃料/能源需要的目標(biāo)。

在生產(chǎn)和分銷中要開發(fā)保持穩(wěn)定供應(yīng)的途徑，在年生產(chǎn)一定范圍基礎(chǔ)上控制一些因素，如價(jià)格、數(shù)量、性能、地區(qū)分布、質(zhì)量等。同時(shí)要制定提出這些因素的標(biāo)準(zhǔn)。

建立進(jìn)一步合作伙伴關(guān)系，改進(jìn)綜合集成，通過(guò)加強(qiáng)農(nóng)村發(fā)展來(lái)支持取得成功。

“設(shè)想”的目標(biāo)要實(shí)現(xiàn)，主要要使本“技術(shù)指南”中所列出的目的大綱都能達(dá)到?；蚋男灾参锷a(chǎn)專門的代謝產(chǎn)品和開發(fā)補(bǔ)充性的化學(xué)改性產(chǎn)品取得成效就可以達(dá)到2020年可再生資源應(yīng)用增加5倍的目標(biāo)。這些進(jìn)展也將為2020年以后的進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

可再生資源應(yīng)用技術(shù)和市場(chǎng)的障礙及問(wèn)題

將可再生資源制成消費(fèi)產(chǎn)品的整個(gè)系統(tǒng)中有許多障礙和問(wèn)題，其中關(guān)鍵性障礙和問(wèn)題是：

植物科學(xué)方面：基因?qū)W、酶、新陳代謝和組分。

生產(chǎn)方面：?jiǎn)挝怀杀?、收率、持續(xù)性、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、植物設(shè)計(jì)。

加工方面：經(jīng)濟(jì)學(xué)、分離、轉(zhuǎn)化、生物催化、基礎(chǔ)設(shè)施。

應(yīng)用方面(由技術(shù)和材料驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題)：經(jīng)濟(jì)學(xué)、功能性、性能、新用途。

應(yīng)用方面(由市場(chǎng)和需求驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題)：價(jià)格性能比、性能、知覺、市場(chǎng)開發(fā)。

現(xiàn)將上述關(guān)鍵性障礙和問(wèn)題擇要分別介紹于下。

一、關(guān)于應(yīng)用方面（材料驅(qū)動(dòng)問(wèn)題）

1、經(jīng)濟(jì)學(xué)

單位成本是當(dāng)前植物衍生材料使用的主要障礙，也是經(jīng)常引起爭(zhēng)論的一個(gè)問(wèn)題，問(wèn)題的核心是競(jìng)爭(zhēng)性成本狀態(tài)。在多數(shù)情況下，應(yīng)用植物基原料的成本都比較高，難以與以烴類原料為基礎(chǔ)的加工工藝競(jìng)爭(zhēng)。但是，成本競(jìng)爭(zhēng)情況有幾個(gè)非常復(fù)雜的因素互相影響，諸如產(chǎn)品價(jià)值、材料成本、產(chǎn)量、需要加工程度以及所用基礎(chǔ)原料的性能等。因此如果未來(lái)的戰(zhàn)略只考慮降低本是不會(huì)成功的。最重要的經(jīng)濟(jì)推動(dòng)因素不是成本本身，而是制得的產(chǎn)品和制造費(fèi)用的差價(jià)(即增值)。

產(chǎn)品價(jià)格是諸多因素的函數(shù)，諸如產(chǎn)品利用、性能、消費(fèi)者喜好和需求等，而制造成本則受原材料價(jià)格、供應(yīng)的持續(xù)性、加工、廢料處理費(fèi)用和投資等諸因素影響，要符合當(dāng)前的具有競(jìng)爭(zhēng)性的通用化學(xué)品工業(yè)的低成本需要。但是，從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，只進(jìn)行成本比較是有問(wèn)題的，因?yàn)槲磥?lái)的化石燃料的成本是難以預(yù)測(cè)的。

在當(dāng)前情況下，用烴類原料生產(chǎn)消費(fèi)型產(chǎn)品的加工效率是很高的。但這并非是化石原料本身具備的特點(diǎn)。因?yàn)槭突ひ呀?jīng)研究了100年，有了3代科學(xué)家，政府投入了大量資源才使之達(dá)到今日的水平。與之相比，植物基材料應(yīng)用尚處于較低的水平，開拓植物基原料應(yīng)用來(lái)適應(yīng)已臻成熟的烴類加工需要并不是一條唯一的道路，目前應(yīng)用數(shù)量還是很少的。另一條路線是通過(guò)弄清植物衍生材料性能進(jìn)行技術(shù)開發(fā)，用基因改性植物，使之能提供含有需要功能的組分。

2、功能性

改變植物中的不同組分含量的目的是提高其功能性。在石油化工中先進(jìn)行原料裂解降級(jí)成為簡(jiǎn)單的分子，隨后用它們?cè)傩泻铣蔀檩^復(fù)雜的分子和聚合物。植物中已經(jīng)含有不同形態(tài)的聚合物，可以在許多產(chǎn)品中應(yīng)用。但是，在現(xiàn)在加工系統(tǒng)中尚無(wú)大量應(yīng)用。用量有限的原因有幾個(gè)方面，其中主要的是由于缺乏對(duì)其功能性的理解，而只注意其成本。最近，已經(jīng)由植物衍生的蛋白質(zhì)聚合物研制出塑料薄膜的試驗(yàn)產(chǎn)品，顯示出其應(yīng)用的潛力。而且，植物擁有立體化學(xué)結(jié)構(gòu)，可以得到一些有價(jià)值的手性分子，如糖類、維生素、氨基酸等。從總體看，目前對(duì)植物基礎(chǔ)原料的反應(yīng)性和功能性尚不夠了解，因此限制了新應(yīng)用思路的產(chǎn)生。

二、關(guān)于應(yīng)用方面（需求驅(qū)動(dòng)問(wèn)題）

1、市場(chǎng)開發(fā)的費(fèi)用

植物衍生材料應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵性障礙是市場(chǎng)開發(fā)費(fèi)用高。正如許多新產(chǎn)品市場(chǎng)一樣，新產(chǎn)品的研究往往是由小公司開始的，它們投資不足，缺乏繼續(xù)發(fā)展的資源，常常只停留在試驗(yàn)階段。工業(yè)化的成功率低，由于沒(méi)有一定的供應(yīng)量而常使產(chǎn)品衰落。因此，需要大力改進(jìn)產(chǎn)品開發(fā)和支持機(jī)制，而且要進(jìn)行與產(chǎn)品相關(guān)的市場(chǎng)開發(fā)，這是擴(kuò)大利用可再生資源的主要工作。目前市場(chǎng)上應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)都是基于石化產(chǎn)品，沒(méi)有適應(yīng)生物基產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，這也是要成功地與石化產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的另一障礙。

2、認(rèn)識(shí)問(wèn)題

植物衍生材料常給人以較低級(jí)的印象，這可能是由于當(dāng)前處于“石化時(shí)代”之故。對(duì)某些制造廠商來(lái)說(shuō)，它的性能較差，主要是因?yàn)槲吹脙?yōu)化。雖然公眾環(huán)境意識(shí)增強(qiáng)，但是對(duì)植物基產(chǎn)品需求尚不足以創(chuàng)造市場(chǎng)來(lái)拉動(dòng)技術(shù)開發(fā)。因此，當(dāng)前可再生資源的進(jìn)展主要是基于技術(shù)推動(dòng)的結(jié)果，只有增加市場(chǎng)拉動(dòng)才能有力吸引公司更多投資。沒(méi)有要變革的沖擊，就不會(huì)有更多的變革。因此，如果沒(méi)有各種經(jīng)濟(jì)傾斜途徑，現(xiàn)狀是難以改變的。

三、加工問(wèn)題

1、基礎(chǔ)設(shè)施中分銷問(wèn)題

多年來(lái)石油化學(xué)工業(yè)已經(jīng)建立了加工和分銷烴類基礎(chǔ)產(chǎn)品的有效基礎(chǔ)設(shè)施。由于依賴進(jìn)口原油，美國(guó)的多數(shù)基礎(chǔ)設(shè)施是建設(shè)在海岸線上。因此，許多現(xiàn)有的加工裝置并不適合大量植物基材料的收集。植物原料都是在木材加工廠、榨油廠和玉米濕法加工廠進(jìn)行加工，它們最好接近于供應(yīng)地。要應(yīng)用大量植物原料就需要進(jìn)一步將供應(yīng)和加工制造集成起來(lái)。應(yīng)當(dāng)開拓確立農(nóng)村發(fā)展優(yōu)勢(shì)和重點(diǎn)的戰(zhàn)略和措施，更好地鼓勵(lì)多用可再生資源。

2、分離技術(shù)

應(yīng)用植物于工業(yè)用途的一個(gè)關(guān)鍵性障礙是缺少植物組分的分離技術(shù)。樹木具有非常復(fù)雜的成分如木質(zhì)纖維素。此成分強(qiáng)度高，但要將它分離為有用的分子組分則很困難。多數(shù)農(nóng)作物收獲品是種子，它們含有碳水化合物、蛋白質(zhì)、油分和數(shù)萬(wàn)種其他組分。通常對(duì)許多谷物發(fā)芽和生長(zhǎng)都能進(jìn)行良好的安排，而對(duì)其作為原料進(jìn)行分別管理則很困難。一些除去原始粗組分的工藝，如榨油和提取糖分等已經(jīng)開發(fā)，但如何將專門形態(tài)的蛋白質(zhì)和純的含碳組分分離則仍是困難。在植物基原料加工中常遇到非常稀的水溶液物料，處理費(fèi)用很高而且技術(shù)困難，這是應(yīng)當(dāng)要解決的問(wèn)題。將反應(yīng)與分離集成起來(lái)的加工系統(tǒng)(如催化蒸餾)可能是一個(gè)解決問(wèn)題的方向。但是此類系統(tǒng)目前應(yīng)用有限。而且還未被開發(fā)作為植物基原料方面的應(yīng)用。通過(guò)引入某些基因而使植物增加新的組分，就更需要應(yīng)用先進(jìn)的分離技術(shù)來(lái)回收有意義的新組分。例如生物聚合物開發(fā)中目前就因缺少高效純凈的經(jīng)濟(jì)上可行的分餾工藝技術(shù)而受到限制。植物的組分如不能有效地分離出來(lái)，就不可能控制最終產(chǎn)品的特性和質(zhì)量。

3、轉(zhuǎn)換技術(shù)

要利用植物中各種組分的另一問(wèn)題是將這些非均相的混雜原料轉(zhuǎn)換成較為簡(jiǎn)單的分子，這才可以進(jìn)行進(jìn)一步反應(yīng)。在植物基原料中，加工工藝需要有高性能的多功能生物催化劑或是非均相催化劑，這些催化劑具有多種功能并可以進(jìn)行回收。

知識(shí)不足是另一關(guān)鍵性障礙，目前人們尚缺乏關(guān)于植物組分的自然差別和來(lái)自不同作物的同樣組分的特性等方面知識(shí)。這些知識(shí)的缺乏和不足就構(gòu)成難以鑒別植物的差異性，缺少鑒別的手段，因此也就難以考慮作為原料的應(yīng)用。發(fā)酵是用來(lái)將某些農(nóng)作物轉(zhuǎn)化為各種產(chǎn)品的工藝，轉(zhuǎn)化是非均相的。所用的轉(zhuǎn)化方式，副產(chǎn)利用和分離等方面仍有許多有待改進(jìn)之處。一般地說(shuō)，植物系統(tǒng)的復(fù)雜化學(xué)問(wèn)題使新型或改進(jìn)植物基加工工藝的設(shè)計(jì)較為困難。烴類化學(xué)制造中有豐富的氧化化學(xué)知識(shí)，還原化學(xué)方面較少，這些都是植物系統(tǒng)加工所需要的。目前特別缺少關(guān)于還原生物催化劑共生因子系統(tǒng)方面的實(shí)踐知識(shí)。

植物原料加工工藝開發(fā)的另一個(gè)大的障礙是當(dāng)前缺乏有關(guān)的教育培訓(xùn)。目前化學(xué)工程課程中只有少數(shù)涉及生物化學(xué)課題，多數(shù)畢業(yè)生成為化學(xué)工程師只擁有非?；A(chǔ)的生物工藝知識(shí)和有限的重要生物分離的知識(shí)。多年來(lái)，工藝化學(xué)家和工程師的培訓(xùn)重點(diǎn)都是烴類化學(xué)，考慮植物基可再生資源加工需要很少。

四、生產(chǎn)方面

1、收率、持續(xù)性和基礎(chǔ)設(shè)施

因?yàn)槟壳吧形蠢么罅恐参锘?，除木材和造紙外，只是關(guān)注未來(lái)的供應(yīng)分銷而不是現(xiàn)實(shí)存在的問(wèn)題。但是，這些對(duì)實(shí)現(xiàn)可再生資源的目標(biāo)都是十分重要的。在供應(yīng)的持續(xù)性方面，數(shù)量和質(zhì)量都是未知數(shù)。如果植物基原料能加工成簡(jiǎn)單的碳分子，其持續(xù)性問(wèn)題就不成關(guān)鍵。但是如果要設(shè)計(jì)應(yīng)用其中某種特殊組分(如聚合物)，或是要直接抽取其中某種專門組分，原料的質(zhì)量和數(shù)量的穩(wěn)定性就非常重要。

在一些情況下，供應(yīng)持續(xù)性中的不確定因素實(shí)際上就是風(fēng)險(xiǎn)管理的內(nèi)容。未來(lái)的石油化工供應(yīng)問(wèn)題和可再生資源供應(yīng)問(wèn)題都有風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)石油化工來(lái)說(shuō)，未來(lái)的供應(yīng)不桷定因素可能因世界上一些區(qū)域的政治變化而增加。而對(duì)植物基原料來(lái)說(shuō)，氣候可能成為不確定的地區(qū)因素。如果某些專門植物不能大量生產(chǎn)可能導(dǎo)致貿(mào)易上的不確定因素，這些問(wèn)題不需要采取斷然措施，但是需要重視通過(guò)改變基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)保證經(jīng)濟(jì)可靠性。另一個(gè)沖擊供應(yīng)持續(xù)性的不確定因素是未來(lái)的農(nóng)作物用途是作為食物還是作為工業(yè)原料。一方面是根據(jù)供應(yīng)短缺理論，認(rèn)為農(nóng)業(yè)難以供應(yīng)飛躍增長(zhǎng)的人口和消費(fèi)品增長(zhǎng)所需的原料。實(shí)際上，從需求角度看，食物和原料都在增長(zhǎng)，即使不考慮可再生資源進(jìn)行工業(yè)利用，食物本身也存在問(wèn)題。解決食物問(wèn)題的方案也可能就是解決工業(yè)原料問(wèn)題的方案。因此，在供應(yīng)方面必須應(yīng)用新技術(shù)，如生物技術(shù)，這樣才能保持產(chǎn)率不斷提高，使農(nóng)業(yè)能達(dá)到一個(gè)新的水平。

2、植物設(shè)計(jì)、植物科學(xué)、基因?qū)W

轉(zhuǎn)基因技術(shù)已經(jīng)顯示出令人鼓舞的前景，要進(jìn)一步充分利用尚有大量工作有待進(jìn)行。存在的一個(gè)主要障礙是對(duì)植物本身內(nèi)在新陳代謝過(guò)程還不夠了解，不能按特殊聚合物和其他材料的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，對(duì)植物新陳代謝和碳流的知識(shí)匱乏是其發(fā)展中的限制因素。

近年來(lái)功能基因?qū)W的進(jìn)展有望促進(jìn)對(duì)材料合成設(shè)計(jì)的理解。但是這門科學(xué)目前剛開始，與類似的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域相比所取得的支持還是很有限的。基因轉(zhuǎn)變中的另一成就是讓更多的專用基因嵌入和對(duì)質(zhì)體以及細(xì)胞核的常規(guī)轉(zhuǎn)變。在植物變化、基因?qū)W和生物信息等方面有著廣泛的研究項(xiàng)目，但是將這些出現(xiàn)的新技術(shù)應(yīng)用于可再生資源的專門研究則很少。

要使科學(xué)知識(shí)不斷深化，在一定程度上取決于消除這些主要障礙，有些已被稱為多學(xué)科的研究。但是，需要努力加強(qiáng)和協(xié)調(diào)才能促進(jìn)現(xiàn)有的障礙及時(shí)地被克服。換言之，基因管理的研究必須緊密地與植物內(nèi)含聚合物的功能性以及分離工程等研究相結(jié)合。

研究和開發(fā)的課題

《美國(guó)植物/農(nóng)作物基可再生資源2020年設(shè)想的技術(shù)指南》(以下簡(jiǎn)稱“技術(shù)指南“)列出為解決植物/農(nóng)作物基可再生資源利用中的主要障礙應(yīng)當(dāng)進(jìn)行研究開發(fā)的課題。“技術(shù)指南”按4個(gè)主要方面的障礙依重要性大小列出研究開發(fā)課題，每個(gè)研究課題的影響都有其時(shí)間范圍，其中近期表示0—3年、中期表示2010年、長(zhǎng)期表示2020年，近期目標(biāo)的達(dá)到可用以衡量面向2020年可再生資源開發(fā)利用設(shè)想的前進(jìn)步伐。

一、植物科學(xué)研究方面

1、近期影響課題(按重要性依次減小順序排列,，下同)

(1)應(yīng)用功能基因?qū)W了解植物新陳代謝和組成，至少要與1種主要農(nóng)作物基因計(jì)劃結(jié)合；

(2)開發(fā)能實(shí)時(shí)進(jìn)行植物組分的定量分析工具；

(3)改進(jìn)轉(zhuǎn)基因方法，特別是對(duì)麥桿基因的專門嵌入，要在1998年基礎(chǔ)上提高效益10倍；

(4)開發(fā)1—2種主要農(nóng)作物的基因標(biāo)記系列，使之有助于擺在有用的可再生組件含量；

(5)將80%現(xiàn)有的germplasmbase進(jìn)行編目，有效利用各類淀粉、蛋白質(zhì)和油分；

(6)找尋發(fā)展中的生物信息學(xué)利用途徑，推動(dòng)可再生資源的研究和開發(fā)，

(7)弄清nuclear-plastid相互作用。

2、中期影響課題

(1)在新陳代謝過(guò)程和碳流中至少弄清50個(gè)限制速率的關(guān)鍵步驟；

(2)利用功能基因?qū)W弄清分子、細(xì)胞和整個(gè)植物的控制管理；

(3)為主要植物用于可再生資源的組分制定標(biāo)準(zhǔn)；

(4)在2種植物中，建立碳庫(kù)并為細(xì)胞分割確定控制點(diǎn)；

(5)在plastid轉(zhuǎn)變中高效率(大于90%)方法的建立；

(6)創(chuàng)建示范工廠，使主要組分利用率大于60%(如油料、淀粉)或是專門碳鍵(如C5)大于3O%；

(7)利用基因開關(guān)的方法；

(8)建立為植物可再生資源利用的生物信息學(xué)基礎(chǔ)。

3、長(zhǎng)期影響課題

(1)重新設(shè)計(jì)新陳代謝過(guò)程，提供有用的碳結(jié)構(gòu)骨架；

(2)應(yīng)用有針對(duì)性進(jìn)化技術(shù)建立100個(gè)未來(lái)原料的品種庫(kù)；

(3)設(shè)計(jì)新型分子或改性現(xiàn)有化合物，使之適應(yīng)于功能需要；

(4)為提供工業(yè)用原料，創(chuàng)制2種新植物種類；

(5)利用簡(jiǎn)單的細(xì)胞組織進(jìn)行成本和能源效率評(píng)價(jià)；

(6)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)植物組分。

二、生產(chǎn)研究方面

1、近期影響課題

(1)提高畝產(chǎn)量10%~15%以降低原材料單位成本；

(2)改善農(nóng)業(yè)管理，提高肥料利用效率和蟲害防治，

(3)確定至少10種影響原料組分和質(zhì)量的因素；

(4)對(duì)至少10種具有潛力的系統(tǒng)和植物類型的畝產(chǎn)效率進(jìn)行定標(biāo)趕超（如主要農(nóng)作物、林業(yè)和多年生種類等）；

(5)調(diào)節(jié)氣候條件對(duì)生產(chǎn)的影響；

(6)每年對(duì)2種農(nóng)作物的潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)或用其他方法評(píng)價(jià)畝產(chǎn)量；

(7)提高當(dāng)前農(nóng)業(yè)加工中廢料利用率5倍；

(8)在單位投入基礎(chǔ)上提高貧瘠土地產(chǎn)量2倍。

2、中期影響課題

(1)提高產(chǎn)量，使單位投入的碳產(chǎn)出為1998年基礎(chǔ)上的2倍；

(2)為長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展，開發(fā)盡量減小土地、大氣和水利用影響的系統(tǒng)方法；

(3)對(duì)收獲產(chǎn)物和主要植物成分建立標(biāo)準(zhǔn)；

(4)專門設(shè)計(jì)收獲裝備，盡量增大碳的收獲；

(5)開發(fā)新的利用方法，使現(xiàn)在遺留在土地上的農(nóng)作物45%能得到利用，

(6)培育適應(yīng)專門土地和土壤的農(nóng)作物；

(7)建立農(nóng)業(yè)信息學(xué)基礎(chǔ)，重點(diǎn)是不同來(lái)源的可再生資源植物類型、生產(chǎn)價(jià)值、質(zhì)量和單位成本。

3、長(zhǎng)期影響課題

(l)在化石燃料排出廢氣中CO2的固定；

(2)從現(xiàn)在植物/農(nóng)作物生產(chǎn)中消除碳的廢料；

(3)設(shè)計(jì)新的農(nóng)作物/植物生長(zhǎng)系統(tǒng)，優(yōu)化原料回收率(大于95%可利用)；

(4)對(duì)主要能源獲取和固定，提高化合效率；

(5)對(duì)收獲前期工作和部分就地加工的裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)；

(6)對(duì)連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)。

三、加工研究方面

1、近期影響課題

(1)改進(jìn)分離技術(shù)，處理大于95%的非均—植物材料；

(2)改進(jìn)單體基礎(chǔ)原料變換的生物催化劑；

(3)開發(fā)3種具有高選擇性的快速反應(yīng)強(qiáng)力催化劑；

(4)為將植物聚合物轉(zhuǎn)換為有用的單體，找出新型和性能優(yōu)良的酶(具有10倍活性)并進(jìn)行評(píng)價(jià)；

(5)將微生物進(jìn)行工程化，改善非均—植物的發(fā)酵；

(6)提高廢物利用率2倍；

(7)開發(fā)高效的除水技術(shù)并對(duì)改進(jìn)的非水溶劑反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)；

(8)在植物材料中利用天然立體化學(xué)方法的評(píng)價(jià)。

2、中期影響課題

(1)應(yīng)用5種以上高級(jí)分離系統(tǒng)(如自行清凈膜、離子交換、精餾等)；

(2)為經(jīng)濟(jì)捕集植物單體和聚合物開發(fā)改進(jìn)的分離——純化技術(shù)；

(3)為2種以上植物類型建立經(jīng)濟(jì)共生系統(tǒng)；

(4)通過(guò)分子進(jìn)化技術(shù)設(shè)計(jì)并創(chuàng)制50種新型酶；

(5)開發(fā)100種以上具有性能成本特性的新型酶庫(kù)；

(6)研究反應(yīng)性分級(jí)系統(tǒng)；

(7)對(duì)微生物、酶和化學(xué)品庫(kù)的性能建立信息學(xué)基礎(chǔ)，用于特殊的轉(zhuǎn)化。

3、長(zhǎng)期影響課題

(1)實(shí)現(xiàn)原料加工中無(wú)廢料的多種產(chǎn)出的連續(xù)工藝；

(2)為改性植物和組分設(shè)計(jì)新設(shè)備；

(3)為3種以上新產(chǎn)品(如將工程化酶轉(zhuǎn)入植物并在收獲中得到活化)設(shè)計(jì)新機(jī)制；

(4)固態(tài)酶轉(zhuǎn)化；

(5)設(shè)計(jì)14種化學(xué)與生物結(jié)合型反應(yīng)器；

(6)評(píng)價(jià)植物組分在分離前相內(nèi)的作用。

四、應(yīng)用和基礎(chǔ)設(shè)施研究方面

1、近期影響課題

(3)探求3種在現(xiàn)有加工裝置(如玉米濕法加工廠、紙漿廠)上擴(kuò)大應(yīng)用植物原料的機(jī)遇；

(4)分析測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)90%以上的主要植物組分進(jìn)行定量；

(5)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)單位性能成本和增值成本的方法；

(6)評(píng)價(jià)運(yùn)輸系統(tǒng)及成本；

(7)計(jì)算出100%年加工貯存量和投人產(chǎn)出的需求量；

(8)創(chuàng)建基礎(chǔ)設(shè)施，擴(kuò)大利用農(nóng)業(yè)廢料。

2、中期影響課匾

(1)深入掌握植物中10種以上組分和碳鍵新陳代謝體的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系知識(shí)；

(2)開發(fā)對(duì)高質(zhì)量原材料的100%鑒別保護(hù)系統(tǒng)；

(3)為價(jià)值驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)和定貨實(shí)現(xiàn)營(yíng)銷系統(tǒng)；

(4)對(duì)在同一地點(diǎn)的多目的利用區(qū)的協(xié)同作用進(jìn)行評(píng)價(jià)；

(5)對(duì)原材料組分和加工過(guò)程中的中間產(chǎn)物實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定量分析手段(小于3分鐘/試樣)；

(6)開發(fā)生產(chǎn)預(yù)測(cè)手段，準(zhǔn)確性大于95%；

(7)在一組植物原料性能基礎(chǔ)上建立信息學(xué)基礎(chǔ)，如單位成本、性能、功能性、最佳來(lái)源、應(yīng)用范圍等。

3、長(zhǎng)期影響課題

(1)所需功能進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制備植物化合物至少10種；

(2)在植物生產(chǎn)區(qū)內(nèi)開發(fā)至少5個(gè)制造利用中心；

(3)開發(fā)3種以上有新功能的新材料；

(4)提出擴(kuò)大利用可再生資源所需的教育培訓(xùn)需求；

(5)在植物組分功能間協(xié)同作用的利用；

(6)設(shè)計(jì)最終產(chǎn)品的貯存和運(yùn)輸，使之到達(dá)銷售中心和出口；

(7)為供需關(guān)系的控制創(chuàng)建減輕超過(guò)90%風(fēng)險(xiǎn)的戰(zhàn)略。

當(dāng)前，美國(guó)有一些項(xiàng)目已在進(jìn)行，可視為工業(yè)原料中應(yīng)用可再生資源的先驅(qū)，也可視為本“技術(shù)指南”中研究項(xiàng)目的示范事例。其一是在轉(zhuǎn)基因植物開發(fā)中的聚羥基丁酸酯(PIB)。PHB可在植物中生成，作為制造生物降解塑料的原料，用適當(dāng)?shù)募?xì)菌基因進(jìn)行轉(zhuǎn)化并弄清植物內(nèi)在的新陳代謝路徑，從而構(gòu)成制備方法。現(xiàn)在正在進(jìn)行分離、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)等項(xiàng)工作。

其二是用玉米淀粉作原料，通過(guò)酶反應(yīng)制備聚乳酸(PLA)。Cargi11-Dow合資企業(yè)已在充分研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步投資數(shù)百萬(wàn)美元建立制造裝置進(jìn)行工業(yè)開發(fā)。PLA是一種生物裂解聚合物，原料是由玉米濕法加工工藝制備的葡萄糖，其中發(fā)酵過(guò)程和酶的活性是重要因素。最終的PLA樹脂可視用戶制膜、纖維、碳制品和涂層的需要分別制出不同規(guī)格品種。PLA具有聚苯乙烯、聚烯烴和纖維素的功能性。

協(xié)同與合作是取得成功的途徑

未來(lái)利用可再生資源需要采取一條多學(xué)科和跨行業(yè)途徑。在許多領(lǐng)域內(nèi)的研究成就都提供了發(fā)展機(jī)遇，如生物聚合物、立體結(jié)構(gòu)型分子、新型酶、新材料和轉(zhuǎn)基因設(shè)計(jì)等。但是每個(gè)方面內(nèi)的任何進(jìn)展如果只當(dāng)作孤立的技術(shù)領(lǐng)域是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要更有力的相關(guān)研究計(jì)劃，采取平行的和協(xié)調(diào)的方式進(jìn)行工作，才能取得成果。

要取得有效益的進(jìn)展必須采取多學(xué)科的途徑，這是非常清楚的。但是，任何一個(gè)組織都難以具備有如此深度和廣度的技術(shù)能力。因此，對(duì)研究提供的支持應(yīng)當(dāng)是多方面的，而且要在跨行業(yè)的系統(tǒng)中進(jìn)行。

“植物/農(nóng)作物基可再生資源2020年設(shè)想”(以下簡(jiǎn)稱“設(shè)想”)中提出的要求需將重點(diǎn)瞄準(zhǔn)有限的熱點(diǎn)目標(biāo)同步取得進(jìn)展。對(duì)于研究工作則需要有準(zhǔn)確的時(shí)間表和系統(tǒng)中各方面的廣泛交流，所有這些都要走相互協(xié)同的道路。例如，一位科學(xué)家可能發(fā)現(xiàn)一種新型聚合物，具有可以作為高級(jí)生物降解塑料的功能，但是，此研究成果的價(jià)值受到以下一些因素的限制：發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)幕?、新陳代謝過(guò)程可靠性、:最佳作物類型是否能有足夠的產(chǎn)率和可承受的成本、各種聚合物組分分離可能和利用此材料制造新產(chǎn)品的方法等。所有這些因素都需通過(guò)研究和開發(fā)才能取得相應(yīng)的進(jìn)展。進(jìn)行這些研究開發(fā)要采取最佳途徑保證研究成果關(guān)鍵的目標(biāo)互相協(xié)調(diào)、平行地進(jìn)行，此途徑要鼓勵(lì)私營(yíng)部門的參與。

當(dāng)前，植物和農(nóng)作物作為生物質(zhì)和原料已被應(yīng)用，諸如淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪酸和異戊二烯化合物。林業(yè)主要是為紙漿和造紙?zhí)峁┰?。黃豆則是用于油墨和涂料。玉米通過(guò)濕法加工發(fā)酵工藝已經(jīng)進(jìn)入幾個(gè)工業(yè)部門，但是各種用量都很少。由于基因工程可以通過(guò)新陳代謝操作使植物或農(nóng)作物生成有功能需要的材料，從而顯示出新的發(fā)展機(jī)遇。

“技術(shù)指南”已經(jīng)突出了未來(lái)取得進(jìn)展的途徑，而且確定了系統(tǒng)的各個(gè)組成部分的目標(biāo)。成功地達(dá)到這些目標(biāo)就可實(shí)現(xiàn)“設(shè)想”中確定的到2020年可再生資源利用增加5倍的目的，同時(shí)也為2020年以后進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。按“技術(shù)指南”目標(biāo)提出課題是人們用所有的天然資源滿足不斷增長(zhǎng)的消費(fèi)品和能源的需要。當(dāng)前進(jìn)行研究將為今后的產(chǎn)品選擇提供機(jī)會(huì)?？稍偕Y源需要將注意焦點(diǎn)放在以下幾個(gè)方面：發(fā)展方向、最佳科學(xué)思維的應(yīng)用、最先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用和最高級(jí)智能水平的繼續(xù)研究等。本“技術(shù)指南”已經(jīng)提出了需求和研究開發(fā)課題，其目的就是為美國(guó)開拓實(shí)施一條成功的可再生資源戰(zhàn)略。而且也選出了需要優(yōu)先支持的領(lǐng)域，它們都是從幾個(gè)已經(jīng)確定的科學(xué)研究和工業(yè)開發(fā)需求中選擇出來(lái)的，而且考慮了在高級(jí)可再生資源的關(guān)鍵部門有最大的投資回報(bào)。

未來(lái)世界許多方面都會(huì)延續(xù)但將發(fā)生變化。幸運(yùn)的是我們已看見其需求并具有科學(xué)智慧適應(yīng)變化的發(fā)展。美國(guó)要保持領(lǐng)先地位就要繼續(xù)采取迅速的行動(dòng)來(lái)滿足擴(kuò)大利用可持續(xù)發(fā)展的可再生資源的需求。不斷的科學(xué)突破和技術(shù)進(jìn)步(正如“技術(shù)指南”文件中所列出的項(xiàng)目和課題)才能滿足資源利用的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)正在我們面前，我們面臨的挑戰(zhàn)是為滿足人們對(duì)產(chǎn)品不斷增長(zhǎng)的需求。

“技術(shù)指南”中從兩個(gè)方面表明多學(xué)科和跨部門的研究開發(fā)對(duì)實(shí)現(xiàn)“設(shè)想”的重要性：

一是植物的投人，同時(shí)要考慮廢料和副產(chǎn)物利用、改性基因?qū)W的應(yīng)用。

二是加工系統(tǒng)，同時(shí)考慮當(dāng)前化學(xué)和新型分子。

由上述兩個(gè)方面的各有關(guān)內(nèi)容組成技術(shù)前沿，從中再確定熱點(diǎn)，集中力量、協(xié)同突破，最終的共同目的是實(shí)現(xiàn)“植物/農(nóng)作物基可再生資源2020年設(shè)想”。