生物質產業以作物秸稈、畜禽糞便、有機垃圾等農林廢棄物和環境污染物為原料，使之無害化和資源化，將植物蓄存的太陽能與物質資源深度開發和循環利用，堪稱循環經濟之典范。大力發展以生物質能為主的低碳生物質產業，部分替代和節約化石能源，有利于改善能源結構，減少二氧化碳排放，緩解和應對全球氣候變化[1]。生物質產業是低碳經濟發展、清潔能源替代方面的最佳契合點和切入點。
低碳經濟以降低溫室氣體排放為主要關注點，而化石燃料排放的CO2是最大的溫室氣體來源，所以“CO2減排”是低碳經濟最直觀的表現。減少CO2排放量應從消除根源著手，第一，壓縮碳源，發展生物質產業，生產生物質能源及生物基化學品，減少對化石燃料的依賴;第二，增加碳匯，恢復并加強地球植被建設，通過植樹造林等來固定CO2，發展碳匯林業，實現森林面積的增加、森林蓄積量的增加，最終實現森林生態效益。利用可再生能源，發展生物質產業，促進經濟發展與碳排放最終脫鉤，實現工業減排，是我們的著眼點。通過生物質產業的建立和發展，將循環經濟、節能降耗、清潔生產和產業調整四大領域融為一體。
1生物質資源和產業前景
生物質產業是利用對環境友好的可再生資源生產清潔能源及相關化工產品的新興產業。從資源枯竭、能源安全、環境保護、循環經濟可持續發展等方面考慮，建立低碳生物質產業是發展循環經濟的大勢所趨。
1.1資源狀況
規?；镔|產業的發展使生物質資源的開拓成為必然，現在世界各國都將各類植物木質纖維素作為豐富、廉價的原料來源[2]。在中國，生物質產業的原料利用目前主要側重于廢棄的生物質資源，如農作物秸稈、林業加工廢料及城市垃圾中所含的廢棄生物質等。
農作物秸稈是地球上第一大可再生資源。國家農業部完成了首次全國農作物秸稈資源專項調查，并發布了《全國農作物秸稈資源與評價報告》。據調查統計顯示(圖1)，2009年，全國農作物秸稈理論資源量為8.20億t(風干，含水量為15%);從品種上看，稻草約為2.05億t，占理論資源量的25%;麥秸為1.50億t，占18.3%;玉米秸為2.65億t，占32.3%;棉稈為2584萬t，占3.2%;油料作物秸稈(主要為油菜和花生)為3737萬t，占4.6%;豆類秸稈為2726萬t，占3.3%;薯類秸稈為2243萬t，占2.7%[3]。
通過對中國各地農作物機械收獲和人工收獲的留茬高度進行調查，考慮到收集過程中的損耗，估算2009年全國農作物秸稈可收集資源量約為6.87億t，占理論資源量的83.8%。其中，秸稈作為肥料的使用量約為1.02億t(不含根茬還田，根茬還田量約1.33億t)，占可收集資源量的14.78%;作為飼料的使用量約為2.11億t，占30.69%;作為燃料的使用量(含秸稈新型能源化利用)約為1.29億t，占18.72%;作為種植食用菌基料量約為1500萬t，占2.14%;作為造紙等工業原料量約為1600萬t，占2.37%;廢棄及焚燒約為2.15億t，占31.31%。
秸稈資源作為生物質產業原料高值化利用的潛力非常大。秸稈資源的浪費，實質上是耕地、水資源、勞動力、化肥和農藥等農業投入品的浪費。秸稈資源多層次轉化為高效生物質能源、生物基化學品具有非常重要的現實意義。
1.2產業前景
太陽能是地球上幾乎一切能量的源泉，生物質是太陽能循環轉化的載體，現代工業發展的能源基礎——煤炭、石油、天然氣就是古代生物質埋藏在地下，經微生物和地質化學的共同作用演變而來。人類使用能源的趨勢為生物質—煤—石油—煤—生物質，人類通過改變利用方式來提高能源的利用效率。生物質轉化為生物能源替代煤、石油和天然氣等化石能源符合CO2+陽光—農作物—生物質能源—CO2的C平衡(圖2)，形成一個理論上的CO2凈排放為零的物質循環。如果完全用生物質替代化石能源，生物質能源如生物乙醇在生產、運輸過程中的CO2排放量，等同于化石能源在開采、運輸過程中的CO2排放量，但是替代能源可以通過能源利用方式和利用效率的改善，減少CO2排放量。此外，生物燃料在加工過程中最大限度地去除了N、S等雜質，是更加綠色的能源，因此使用生物質能源替代化石能源，符合低碳經濟減少CO2排放的要求，可以大大減少大氣中其他污染物的濃度，對環境保護具有重要意義。
《BP世界能源統計報告2011》稱，到2010年底，按世界石油、天然氣和煤炭的探明儲量及生產量，三者可分別供開采46.2年、58.6年和118年。中國是個化石能源資源匱乏，特別是石油和天然氣資源極貧的國家。由于中國經濟的快速發展，能源消費激增，2010年的能源消費量占全球能源消費總量的20.3%，超過美國成為世界最大能源消費國，其中煤炭消費量占全球消費總量的48.3%[5]。盡管新型能源增長很快，但煤炭依然是中國的主要能源，這在短期內很難改變，造成中國的SO2和CO2排放量分居全球第一和第二位，尋找環境友好型的清潔能源逐步替代石油和煤炭，以滿足人類對液體能源的大量需求，是一個不可逆轉的方向。人類不是因為石頭用完了才結束石器時代，石油時代的結束，也將早在石油用完之前，當人們找到更廉價的替代能源時，自然也就會告別石油時代。同時我們也不能等到石油用完了再開發新的可用能源。隨著中國倡導發展綠色經濟和低碳經濟，碳權交易、稅費優惠、上網電價等政策環境不斷完善，為生物質產業的發展創造了良好的宏觀環境。所以，生物質產業的前途是光明的。
2生物質產業面臨的困境
2.1原料供應
任何資源都是有限的，雖然現在有大量的生物質資源亟待開發，但隨著技術的進步，這些資源也會變成有限的和寶貴的。生物質產業化所需原料消耗非常大，所以，生物質資源的發展是實現大規模商業化應用生物質的根本前題。應在不同地域實現甘蔗和甜高粱等能源作物、麻風樹和小桐子等能源植物，以及微藻等藻類資源規?；膬灹计贩N培育和品質優化，進行能源作物和能源植物的基因工程改良，提高單位面積產量，提高耐鹽、抗旱的抗逆特性，使之能夠在荒山荒坡、鹽堿地、戈壁灘甚至沙漠上得到高產量，以提供豐富的原料。此外，各種速生的薪炭林、灌木林是秸稈之外原材料的有效補給。中國幅員遼闊，自然條件復雜，生物質原料種類繁多和分散，適宜形成以地域和原料為導向的生物質產業的原料多元化發展戰略[6]。合理布局我國廣袤非農牧邊際土地的生物質資源發展，保障國家經濟和社會發展所需的生物質資源安全和可持續利用是生物質產業的關鍵。
2.2技術瓶頸
技術進步是促進產業化的關鍵。生物質產業發展的技術瓶頸尚未被完全突破。如何將生物質原材料經濟高效地轉化為低成本、高品質的五碳糖、六碳糖和木質素及其衍生物，進而生產更有價值的生物基化學品、生物基材料和生物乙醇等生物能源[7]，依然是降低成本的技術關鍵難題。顯然生物質轉化技術不僅僅是一個生物學問題，更是一個工程學問題，因為技術經濟問題屬于工程科學家的研究范圍，是生物化學工程學科中最具挑戰性的課題。正如青霉素的大工業生產開發過程，只是在工程技術上開創了液體深層純種培養技術，使在技術經濟上獲得決定性突破，并開創了生物化學工程這一新學科[8]。我們認為，生物質的產業化也正面臨著類似的局面，必須有新的重大技術突破，才能扭轉產業化困難的局面。
2.3產業的國家支持
生物質產業鏈不完整，也缺乏規?；?、市場化的基礎設施和相關產業配套。生物質新能源目前只能作為主流能源的補充，同傳統化石能源相比，其研發和利用成本比較高，大部分生產企業需要額外的補貼、稅收優惠才能贏利或生存。但目前國家扶持政策在研發、財政、金融、市場等政策間缺少銜接、配套和細化。這方面需要完善生物質產品的價格補貼政策，逐步從建設投資補貼轉向原料補貼、產品補貼、消費補貼、投資補貼，創新有利于生物質產業發展的商業模式。
3生物質產業關鍵技術突破點
盡管產業發展空間廣闊，生物質產業化和商業化的進程中，成本居高不下是最大阻力。迫切需要從其關鍵過程入手，尋找降低成本的途徑，通過基礎應用研究和關鍵核心技術(如原料預處理、酶制劑)的研究，在基礎研究、關鍵技術耦合和設備研發等技術方面獲得新的突破，才能實現生物質資源的高效、高值的利用。
3.1原料多元化
地球上不同地區的多樣化氣候和土壤條件，形成了多樣化的植物種類，因為可以使用多種不同的原料，采用多種不同的形式，生物質能源的地域適應性才更好，是唯一能全面替代化石能源的資源。由于生物質原料的多樣性，因此在產品設計時，不僅要考慮產品本身的用途，還必須選擇相應的植物原料及轉化途徑，要把產品、原料和生產過程有機地聯系在一起[9]。
生物質原料是生物質產業之本，包括廢棄生物資源(農林廢棄物、禽畜糞便、有機垃圾、有機廢水等)、專用能源作物(木薯、甘薯、甜高粱、菊芋等)、專用能源植物(黃連木、麻風樹、油桐、文冠果、光皮樹、烏桕等)。農作物秸稈是最具有代表性的木質纖維素資源。秸稈和木材同屬于木質纖維素，都由纖維素、半纖維素和木質素組成，然而兩者在結構和化學組成上卻有較大的差異，其轉化特性也不同(表1)。
傳統的生物轉化過程把秸稈作為性質單一的原料，主要利用秸稈中的纖維素，使得秸稈的高值轉化難以適應工業化的要求。為解決在秸稈轉化過程中采用單一的生物轉化方式所存在的問題，充分認識秸稈性質的不均一性是非常重要的。這種思想可將生物轉化技術與秸稈組分分離技術有機結合起來，避免在秸稈原料轉化為液體燃料的研究上，套用或沿用木材的技術，從而有利于實現秸稈生物量全利用，并可大大降低秸稈的轉化成本。筆者所在的課題組經過長期探索發現，麻類作物的纖維細胞長，適于生產紡織纖維;玉米秸稈的纖維細胞短，半纖維素含量高，適于生產纖維素酶、聚醚多元醇、酚醛樹脂或者酶解發酵乙醇;稻草、麥草等的纖維細胞較長，適于造紙及生產丁醇和酚醛樹脂;闊葉木片的木質素含量高、半纖維素含量低，適于開展木質素與纖維素的綜合利用。
3.2產品多元化
生物質可以與化石資源一樣被用來生產化工原料等物質性產品(圖3)。生物質原料組成豐富，不同原料組分差別很大，如農作物秸稈的主要組分為纖維素、半纖維素和木質素，薯類的主要組分為淀粉，而油料作物種子則以油脂為主要組分。但歸納起來植物原料主要有4種基本化學物質：碳水化合物(糖、淀粉、纖維素和半纖維素)、木質素、脂類和蛋白質，包括多種物質，并含有羥基、羰基、苯環等含氧基團，與石油原料只含—(CH2)n—線性聚合結構相比較，能提供生物燃料等生物質能源以外更多的開發新產品的機會，更有利于進行化學改造、生產各類化工產品。
通過不同的技術，生物質可以轉化成不同的產品。生物質可以直接燃燒或發電，可以氣化發電或供氣，可以轉化為生物燃氣(沼氣、生物氫氣)、生物燃料(生物乙醇、生物柴油、生物丁醇、生物油、固體成型燃料)，還可以轉化為生物材料與化學品(乳酸、聚乳酸)等。具體哪種利用途徑好，需要具體問題具體分析。石油也是根據不同的市場需要，經加熱蒸餾、催化裂化、加氫裂化等工藝生產出汽油、柴油等燃料和乙烯、丙烯等化學品[12]。因此，隨著生物質資源開發利用技術的不斷進步，生物質能源必將在人類的生活中發揮重要的作用。
3.3生物技術轉化路線
由于生物質原料的生物構造和化學組成的復雜性造成直接水解發酵的效果很差，如秸稈必須經過適當的預處理，破壞木質素的包裹作用以及纖維素的結晶結構才能得到較高的單糖得率，因此，原料的預處理技術是生物質有效利用過程中的一個關鍵技術?，F有常用的預處理方法很多，其中蒸汽爆破法具有處理時間短、不用或少用藥品、節能環保、無回收工藝等優點，是一種較為理想的預處理技術。陳洪章研究員的課題組以自主研發的無污染蒸汽爆破預處理技術為平臺，結合機械篩分，可以同時實現秸稈纖維素、半纖維素、木質素各組分的充分利用，而且大幅度降低了秸稈轉化過程中的生產成本。在實驗室研究基礎上，該技術通過改進實現了工程放大，目前已經達到50m3的規模[14]。
水解是生物質生化轉化的限速步驟，需要采用酸或酶水解法將生物質轉化成可發酵性單糖。同酸法水解工藝相比，酶水解法具有反應條件溫和、環境友好、產物專一、糖得率高(轉化率>90%)和設備投資低等優點，所以成為世界各國重點研發的熱點工藝技術之一。酶水解法主要的制約因素是纖維素酶的成本。造成生物質降解成本過高的主要技術瓶頸是工業生產中纖維素酶用量較高，酶解效率有待改進。為此眾多研究者圍繞纖維素酶和生物質的生物降解轉化展開了廣泛的研究。除了從自然界中尋找具有高比活的纖維素酶外，還對各種微生物進行發酵代謝工程改造，有效地擴大菌株的底物利用范圍，提高產品產率等。
好的發酵工藝不僅要有生產性能優良的菌株，還要有合適的發酵條件和設備，才能使生產潛力充分表達出來。與目前發酵工業上常用的液體深層通風發酵相比，固態發酵憑借其低成本、高產出、低能耗及低發酵有機廢水污染等優勢，日益受到關注。然而固態發酵中的純種培養、基質傳質和傳熱、發酵參數的調節與控制等一直是有待解決的難題。陳洪章基于對化工原理的深刻認識，強調生物信息傳遞在固態發酵生物反應器設計中的重要性，認為生物反應器是一個由生物系統和環境系統組成的特定生態系統[15]，提出了氣相雙動態固態發酵的新過程。此過程中沒有加入機械攪拌，而僅對固態發酵過程的氣相狀態進行控制。
一方面，氣壓處于上升和下降的脈動中;另一方面，反應器的氣相也處于流動中，改善了固態發酵過程的熱量傳遞和氧傳遞，促進了菌體的生長和代謝，解決了傳統固態發酵難以純種大規模培養的問題，并且使發酵過程中的溫度、濕度可控，發酵水平提高2~3倍。目前已經設計出了100m3的固態發酵反應器，這是迄今全球最大的固態發酵規模，真正實現了纖維素酶大規模、低成本的生產。使用氣相雙動態固態發酵反應器，以汽爆玉米秸稈為發酵的主要原料進行纖維素酶的生產，經過5批實驗，平均纖維素酶活達到了120FPA/g干曲，最高達到了210FPA/g干曲[16]。
生物質轉化生物基產品的過程中，一般需要許多個生產環節，才能得到目的產品。通過過程整合將反應或分離步驟中的不同方法集成在一個反應器或一個工藝步驟中，可以簡化工藝流程，提高生產效率。此外，在生物質的生物轉化過程中，往往只注重開發主發酵產品，而忽略了發酵過程中副產物的利用，如果能夠通過產品生產工藝的整合，使更高價值的化學品作為生物燃料的聯產品，將顯著提高整個發酵生產的經濟效益，將更吸引投資者的關注，這是相關研究需要注意的。
3.4化學轉化的路線
生物質資源是替代化石類資源的理想選擇，但由于其元素組成、化學鍵型、化學成分等十分復雜，使其從固體原料到固體或液體產品的轉化過程要難于傳統的石油煉制過程(圖5)。生物質化學轉化技術成為達到CO2減排和能源可再生目標的生物質產業化的一條重要途徑，已成為世界各國研究的熱點，其中熱化學轉化是應用研究的重點[17]。
雖然不同生物質氣化、液化、熱解的轉化方式、轉化效率、產物各不相同[21]，但都是在一定的條件下將生物質高分子(纖維素、半纖維素、木質素)裂解，切斷生物質大分子鍵，使之轉變為小分子的物質。
生物質的氣化、液化、熱解是大規模利用生物質的有效方法之一[22]。由于生物質屬于高分子化合物，原料組成差異很大，熱化學轉化產物組分很復雜，國內外對于生物質的熱化學轉化的關鍵技術雖有所突破，但目前液化、熱解還沒有實現工業化。生物質氣化供氣技術已基本成熟[23]，秸稈氣化集中供氣工程所產生的燃氣被應用于管道煤氣和天然氣普及不到的農村或小城鎮，為用戶集中供應炊事、取暖用能，對于增加農村能源供給、改變農村炊事結構、改善農村衛生條件、減輕環境污染、構建節約型社會和社會主義新農村具有重大意義。燃氣中的焦油和灰塵含量超標、進一步提高燃氣質量則是其進一步產業化時需要完善之處[24]。
4前景和展望
生物質產業的發展前景非常廣闊。在分層多級定向轉化的煉制思路下，可以綜合利用生物質的不同成分與中間產物，使得生物質原料的價值最大化。相關企業在兼顧環保的同時，可獲得高盈利空間和生產靈活性，可以依據市場變化改變產品組成，來獲得最大的經濟回報。筆者所在的課題組經過二十多年的研究探索，應用和發展低壓無污染蒸汽爆破技術、新型大規模固態純種發酵技術、酶解發酵分離多級耦合技術等關鍵技術平臺，解決生物質高效轉化的技術瓶頸，實現了秸稈資源的生物量全利用，并對多產品的生態產業鏈進行試驗開發，目前已經建立了纖維素酶、生物乙醇、低聚木糖、蛋白飼料、生物農藥和清潔制漿造紙等生態產業化的實施案例。在能源替代、生態環境和發展經濟三大要素拉動下，在市場與政府的雙重努力下，生物質產業發展的春天即將到來!
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