重視可再生資源的開發(fā)和利用 —關(guān)于美國(guó)可再生資源的長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略
2016-04-15 19:03:45 安裝信息網(wǎng)
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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S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)
12200 7500 7000 1500 1200 900
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�、質(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 30 0.75 0.78 97.0
粘合劑 500 1.65 1.40 40.0
脂肪酸 250 0.46 0.33 40.0
表面活性劑 350 0.45 0.45 35.0
醋酸 230 0.33 0.35 17.5
增塑劑 80 1.50 2.50 15.0
炭黑 150 0.50 0.45 12.0
洗滌劑 1260 1.10 1.75 11.0
顏料 1550 2.00 5.80 6.0
染料 450 12.00 21.00 6.0
墻涂料 780 0.50 1.20 3.5
油墨 350 2.00 2.50 3.5
專用涂料 240 0.80 1.75 2.0
塑料 3000 0.50 2.00 1.8
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Pioneer Hi-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(type monipulation)、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-coligenen entrophus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�。美�?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。基因改性植物生產(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。沒有要變革的沖擊，就不會(huì)有更多的變革。因此，如果沒有各種經(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希静暮驮旒埻�，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�；蜣D(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�！凹夹g(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germ plasm base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�，F(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)。可再生資源需要將注意焦點(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”。
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S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)
12200 7500 7000 1500 1200 900
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�、質(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 30 0.75 0.78 97.0
粘合劑 500 1.65 1.40 40.0
脂肪酸 250 0.46 0.33 40.0
表面活性劑 350 0.45 0.45 35.0
醋酸 230 0.33 0.35 17.5
增塑劑 80 1.50 2.50 15.0
炭黑 150 0.50 0.45 12.0
洗滌劑 1260 1.10 1.75 11.0
顏料 1550 2.00 5.80 6.0
染料 450 12.00 21.00 6.0
墻涂料 780 0.50 1.20 3.5
油墨 350 2.00 2.50 3.5
專用涂料 240 0.80 1.75 2.0
塑料 3000 0.50 2.00 1.8
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Pioneer Hi-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(type monipulation)、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-coligenen entrophus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�。美�?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。基因改性植物生產(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。沒有要變革的沖擊，就不會(huì)有更多的變革。因此，如果沒有各種經(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希静暮驮旒埻�，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�；蜣D(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�！凹夹g(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germ plasm base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�，F(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)。可再生資源需要將注意焦點(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”。
關(guān)鍵字：經(jīng)濟(jì)
