簡介
高級生物煉製已被構想作為新型生物產業的基礎。通過開發新的化學、生物和機械技術，生物煉製大幅擴展可再生植物基原材料的套用，使其成為環境可持續發展的化學和能源經濟轉變的手段。美國國家再生能源實驗室（U.S. National Renewable Energy Laboratory, NREL）將生物煉製定義為以生物質為原料，將生物質轉化工藝和設備相結合，用來生產燃料、電熱能和化學產品集成的裝置。
隨著原油及天然氣價格地不斷上揚，生物基原料的競爭優勢愈發顯現。據統計，1995年美國玉米價格約為2美元/bu（蒲式耳） (1bu=35.24L, 下同)、原油為2.8美元/ft3（1ft3=28.3L,下同）、天然氣為2.8美元/kft3，而2005年則分別為2美元、6.8美元和7美元。從價格比較看，玉米將成為重要的生物基原料。多數專家分析認為，礦物基原材料價格將長期居高不下。
生物煉製研究情況
未來的生物煉製將是生物轉化技術和化學裂解技術的組合，包括改進的木質纖維素分級和預處理方法、可再生原料轉化的反應器最佳化設計、合成、生物催化劑及催化工藝的改進。由木質素纖維制工業乙醇的生物煉廠正在開發上述技術，乙醇將成為高級生物煉製的主產品。根據美國生物質規劃，能源部將在2010年建成第一座基於農業廢棄物的大規模綜合性生物煉廠。
1999年成立的生物質加工套用聯合體（CAFI）是政府投資的合作研究計畫，重點是纖維素生物質的預處理技術開發，如Auburn大學的氨水循環預處理技術、達特茅斯學院 (Dartmouth College)的水和稀酸水解逆流和直流系統、密西根大學的氨纖維裂解預處理技術、普渡大學（Purdue University）的可控制pH預處理技術及德克薩斯農業機械大學 (Texas A&M University)的石灰預處理技術等。
在生物質（如玉米秸稈）轉化為生物基產品如乙醇的過程中，纖維素酶的費用占據重要位置。90年代後期，生產每加侖（1加侖=3.785L）乙醇所用纖維素分解酶的費用為5美元，而2003～2004年酶轉化費用僅為原來的1/10，生產每加侖乙醇所需酶的費用降低到50美分。
高級煉製技術已成為學術界、政府部門和產業界的研究重點，美國能源部和農業部從2000年起共同投資支持創新性高級生物煉製項目如：
*綜合玉米生物煉製：用玉米（包括秸稈、外皮、葉和玉米芯）作原料，生產燃料和增值化學品。2005年7月已製得所需要的酶，性能達到計畫目標。
*以木質纖維素生物質為基本原料生產糖，進一步轉化為燃料（如乙醇）和化學品（乳酸）。
*美國玉米種植者協會正在組織一個生物煉製項目，將玉米纖維進行分離，生產燃料和化學品。
*建立1座新型生物質轉化中試工廠，開發新型澱粉和生物質加工工藝技術，提高乙醇收率。
當前歐洲也在開發生物煉製技術，奧地利、丹麥、德國、冰島和瑞士等國都在進行基礎性生物煉製技術的研究開發。荷蘭於2003年開始一項4年的研發計畫，內容是開發木質纖維素原料向乙醇、乳酸以及電力和熱能轉化的技術，該項目是由產業部門和研究機構合作進行的。歐盟委員會於2003年投資BREW計畫，研究用可再生原料生產大宗化學品和化學中間體的套用生物技術。此項研究提出了一個有關技術建議的整體方案，涉及環境、經濟效益及相關風險，由化學工業和研究機構的專家組成的工作組研究並提出未來10～20年甚至更長時期的發展建議。
生物質原料問題
生物質將為未來世界不斷地提供可再生能源和材料。美國能源部提出到2030年生物質要為美國提供5%的電力、20%的運輸燃料和25%的化學品，相當於當前石油消耗量的30%，每年需要用10億t乾生物質原料，是當前消耗量的5倍。要達到此目標，廉價原料的持續供應是關鍵。農作物廢棄物生物質可作為近期生產燃料和化學品的纖維素原料。但是，必須要開發一個綜合的原料供應系統，以合理的價格提供原料。當前，玉米是工業套用的主要生物原料。2003年美國玉米生產量101億bu，玉米煉製產品量約560億lb。其中17億bu玉米(相當於玉米作物的17%)用於生產澱粉、甜味劑、乙醇、飼料添加劑、植物油、有機酸、胺基酸和多元醇。在2004/2005年度，美國用14億bu（12%）玉米生產乙醇34億加侖，是2000年產量的2倍多。隨著美國乙醇生產裝置地不斷增擴建，用作乙醇的玉米量將不斷增加。
在美國，秸稈是最大量的生物質廢棄物，每年約有2.2億t，其中30%～60%(0.8億～1.2億t)可以利用。其組分是70%纖維素和半纖維素，15%～20%木質素。
美國為農業生物質原料供應而開發的實施計畫的總體目標是能以30美元/t的價格售與生物煉製。當前生物質原料的售價大約為50～55美元/t。
工藝過程經濟學問題
斯坦福國際研究所（SRI）的《Process Economics Program, PEP報告》對新型生物煉製的工藝過程經濟學進行了估算。全玉米生物煉製（whole corn biorefinery）的結構框圖（見圖1）。
從整體概念看，上述框圖代表的全玉米生物煉製生產工藝是充分利用原料，生產高附加值的產品。玉米作物在收穫時即進行分離，將秸稈與玉米分別送至煉廠，秸稈用稀酸預處理，使大部分半纖維素水解成糖，水解物料再進行纖維素糖化成葡萄糖，與其他糖一起進行發酵成乙醇，用蒸餾和分子篩吸附將乙醇純度提高到99.5%。玉米棒及芯進行乾磨，在生物煉製的另一部分進行糖化，所得水解玉米澱粉進行有氧發酵生成1,3-丙二醇(PDO)，再經回收和加氫精餾進行純化，而乾酒糟回收後作為副產品銷售。
全玉米生物煉製界區內投資組成：回收及純化27%、預處理和調節系統26%、蒸餾和脫水17%、有氧發酵14%、糖化及發酵11%、乾磨及糖化3%、乾酒糟回收2%。
此類煉廠與同規模的玉米濕法加工廠相比屬於投資集約型裝置，日處理2000t玉米秸稈和2000t玉米的全玉米生物煉製投資約4.5億美元，60%是界區內投資，玉米秸稈預處理和調節系統投資大，因為用稀酸預水解，同時用過量石灰處理水解產物進行解毒，由於過程中的腐蝕性，需要用特殊結構材料（如incoloy 825鋼），PDO的回收和純化過程投資較大。該過程類似於杜邦和AE Staley公司專利申請中所進行過程。
界區外投資約占總投資的40%，包括冷卻水、蒸汽裝置、潔淨水、包裝和廢物處理等公用工程，還應有用作焚燒固體木質素副產物的焚燒爐，用透平發電機生產蒸汽和電力。過剩的電力可以銷售。
在PEP報告中，PDO設定是玉米生物煉製的主要產品，乙醇和乾酒糟為重要的聯產物，按當前價格計，可從中取得13美分/lb的回報。木質素產量雖大，但價值很低，只能用它發電和生產蒸汽以取得相當補償。
CO2是發酵的副產品，而這裡所討論的經濟模式中並未提及CO2。
在全玉米生物煉製未經進一步最佳化的情況下，乙醇規模顯得尤為重要，當前每加侖乙醇約1.07美元，能源部已將其作為2010年的目標售價。乙醇的價格受很多因素影響，包括稅率減免、動力燃料對乙醇需求以及汽油價格。
PDO是由葡萄糖發酵製備，葡萄糖是濕法玉米加工廠產品，而全玉米煉廠中則用部分水解玉米澱粉發酵生產，原料較便宜又省去了葡萄糖純化工序，如果生物煉製與相關的公用工程和廢料處理系統協調同步建設，生物煉製將展現其經濟上的優勢。據估算，在生物煉廠中1座2.4億lb/a的PDO裝置投資只相當於用葡萄糖作原料的3/4。
由於全玉米生物煉製投資大，迄今為止尚未建成1座工業化裝置，可能會在現在玉米加工廠擴改建時進行考慮，儘量利用現有乙醇加工設備和公用設施，這對玉米加工廠的產品多樣化十分有益，這類裝置生產的利潤率與乙醇和飼料等大宗產品的市場和價格浮動影響不大，重點應是新產品如PDO的市場開發。
玉米加工廠轉為全玉米生物煉製的主要技術變化在於增加加工木質纖維素材料的可能性。但迄今為止，哪種技術比較適用尚不明朗。現在的生物煉製模型是用稀酸預處理，再用過量石灰解毒，此工藝產生大量廢渣，最近美國NREL有中試廠改進了此工藝過程，還有一些工藝極具工業化套用潛力，其中歐洲和加拿大的蒸汽裂解原來是用於紙漿廠，現在看來有可能擴大利用到其他工業上。還有一些玉米轉化技術可望組合到這類全玉米生物煉製模式中，其中有些技術已在工業規模上實施，處於不同的技術階段，相關技術大致有以下幾種：
*糖平台技術：從木質纖維素生物質分離出糖。用稀酸水解半木質素纖維生成5碳糖和6碳糖，但其副產品對發酵微生物有毒。
*發酵技術：將糖或混合糖轉化生成燃料和化學品，已開發了轉化混合糖為乙醇的酶，用基因組合方法可以有效地轉化水解玉米澱粉在有氧條件下生成PDO。
*研磨技術可以粉碎玉米芯，生成糖，同時開發了澱粉液化和糖化技術。
該文是從可再生資源工業套用的角度討論生物煉製問題，雖是套用了工藝過程經濟學觀點進行評估分析，但是煉廠是以化學品為主產品，其中生產乙醇亦只作為主產品的副產物，因此，在煉廠效益評估中，只做了經濟效益的評測，以及副產品回收對主產品成本的影響。可以明顯地看出，該文作者著眼點是在可再生資源作為工業原材料的綜合利用。如果要從能源的層次上考慮，可再生能源替代不可再生的礦物能源，則必須要考慮將可再生資源轉換成替代能源時，需要投入多少礦物能源，即可再生資源轉換成能源材料的能源效益、投入能源與產出能源的能效比
化石資源日漸匱乏 生物煉製浮出水面--生物質資源利用備受關注
石油價格持續高位，一次性能源日漸枯竭，環境惡化帶來的生存危機，使得人們的目光再一次聚焦到可再生資源，而生物質資源以其現代技術的高效利用成為備受關注的亮點。早在20世紀70年代的全球能源危機中，美國和巴西以玉米和甘蔗為原料生產的燃料乙醇嶄露頭角，歐洲以菜籽油生產生物柴油。而今，從歐洲大陸到美洲再到中國，生物煉製技術正旭日東升，人們在煤、石油等化石資源之外看到了化學品、燃料和聚合材料新的源頭，並從中窺視到一片生機盎然的絢麗前景。本刊在“聚焦生物質資源的化工利用”專題的開篇，採訪了中國工程院院士、南京工業大學校長歐陽平凱教授以及北京化工大學生命科學與技術學院院長譚天偉教授，請他們就國內外生物質資源利用引發的熱潮進行了詳細的闡述。
資源危機生物質產業
【周刊】 近來國內外關注生物質資源利用的熱潮不斷升溫，請問是什麼因素導致了生物質利用新一輪的發展熱潮？【歐陽平凱】 世界科學界都曾提出關於生物質資源利用的構想，總體來看，一次性能源前景並不樂觀，一二百年的強度開採與消費使這些不可再生的化石資源漸趨枯竭，據國際能源機構統計，煤、石油、天然氣可供人類開採的年限分別只有240年、40年和50年。另一方面，無節制地使用化石能源，使得數十億年儲存的能量在一、二百年左右的時間釋放出來，引發了生產方式、經濟成長方式、自然和社會環境一系列的問題。大量CO2、粉塵、SO2等廢棄物的排放，對環境和生態造成了嚴重污染和破壞。
植物每年光合作用產生的生物質循環約950億t碳，而世界化石燃料的消耗每年為65億t碳，遠遠超出資源需求，因此可再生的生物質是人類能夠長久依賴的理想資源和能源。目前，從生物質製取燃料（乙醇、氫能、沼氣等）和有機化學品的研究已不乏成功實例，採用生物質資源替代石油生產機動車燃料和有機化學品將成為勢不可擋的時代潮流。
【周刊】 我國生物質資源的來源主要是哪些？
【歐陽平凱】 現代的生物質產業概念，是指利用可再生的有機物質，包括農作物、樹木等植物及其殘體、畜禽糞便、有機廢棄物，通過工業加工轉化，進行生物基產品(Biobasedproducts)、生物燃料(Biofuels)和生物能源(Bioenergy)生產的一種新興產業。我國每年有7億t作物秸稈、2億t林地廢棄物、25億t畜禽糞便及大量有機廢棄物，另外每年有1000多萬公頃農田因覆蓋石油基塑膠地膜而導致土壤肥力衰退，尚有1億多公頃(稍少於現耕地面積)不宜墾為農田，但可種植高抗逆性能源植物的邊際性土地。這些農林廢棄物和邊際性土地，對生物質產業而言，是一筆寶貴的物質財富。
根據我國生物質資源的特點和技術潛在優勢，可以將燃料乙醇、生物柴油、生物塑膠以及沼氣發電和固化成型燃燒作為主導產品。如果能利用全國每年50%的作物秸稈、40%的畜禽糞便、30%的林業廢棄物，開發5%（約550萬公頃）的邊際性土地種植能源植物，建設約1000個生物質轉化工廠，那么其生產能力可相當於5000萬t石油的年生產能力，即一個大慶油田(年產4800萬t)。而且每增加1000萬公頃能源植物的種植與加工，就相當於增加4500萬t石油的年生產能力，可見生物質產業的潛力之大。
【周刊】 一些已開發國家和地區例如歐盟等與我國的能源結構非常類似，請問他們在能源戰略和生物質利用方面有什麼新的進展？
【譚天偉】 歐盟同中國一樣，石油的對外依賴度都在40%以上，但是歐盟的能源結構更為合理，除了石油等基礎能源之外，他們的風能、核能、生物質利用比例比我國高得多，因此在面臨各種不穩因素時所受的影響比我國小很多。隨著油價的不斷攀升，歐盟已將生物質能源的利用提到了一個前所未有的高度，在能源戰略、稅收政策、法律法規、技術支持等方面都對生物質能的利用進行了部署。目前歐盟生物質能源占總能源量的2%，計畫到2010年可再生資源利用量將占其總能耗的12%，占總耗電量的22%，機動車燃料中使用生物燃料比例占5.75%，溫室氣體排放量減少8%。
美國占有很多石油資源，但是也非常重視生物質的利用。2000年美國國會通過了“生物質研發法案”；2002年提出了《發展和推進生物質基產品和生物能源》報告和《生物質技術路線圖》，成立了“生物質項目辦公室”和生物質技術諮詢委員會。美國計畫2020年使生物質能源和生物質基產品較2000年增加20倍，達到能源總消費量的25%（2050年達到50%），每年減少碳排放量1億t和增加農民收入200億美元的宏大目標。
日本有“陽光計畫”；印度有“綠色能源工程計畫”；加拿大驚呼本國生物質行業落後於美歐和日本，大力調整政策和迎頭趕上。世界經濟合作組織(OCED)在最新研究報告中指出：“各國政府應大力支持和鼓勵生物質能源領域的技術創新，最終達到替代一次能源的結果”。
【周刊】 從產業化發展的角度來看，生物質利用不僅靠政府來支持和推廣，世界各大石油和化工公司也“春江水暖鴨先知”，紛紛開始在該領域的投入和研究，請您介紹一下這些企業的產業化進展？
【譚天偉】 世界各大化工巨頭敏銳地看到了這一新興產業的勃勃生機，紛紛進行戰略投資和業務轉移。英荷皇家殼牌石油公司估計，21世紀的前50年，生物質將提供世界化學品和燃料的30%，全球市場份額達到1500億美元；英國石油公司/美國國際石油公司等也都開始了對生物質能源產品的投資。巴斯夫2003年宣布，將以可再生的生物質資源作為化學品生產的主要原料；杜邦公司剝離石油資產，購買了生物技術公司和組織農業綜合企業，將2010年銷售額的25%定位於生物質產品；美國的森林工業已開始與電力、石油、化工公司合作，利用林木廢棄物生產能源及化工產品。另外，豐田公司用白薯澱粉基塑膠製成了汽車配件；富士通公司用玉米澱粉基塑膠替代了計算機的塑膠外殼；杜邦公司用玉米生產1,3-丙二醇的成本比化學法降低了25%；卡傑爾-陶氏公司用玉米澱粉發酵已建成了13萬t/a聚乳酸裝置。
時不我待 生物煉製應時而出
【周刊】 目前世界生物技術的核心——“生物煉製”受到人們普遍的關注，請問這一概念主要包括哪些領域？有哪些重大的產品體系？
【譚天偉】 生物煉製主要包括四個部分：生物質化學品（乙烯、乙醇、丙烯酸、丙烯醯胺、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、琥珀酸），生物質材料（PLA、PTT、尼龍工程塑膠），生物質資源（沼氣、乙醇汽油、生物柴油）以及生物可再生原料的修飾（大豆蛋白改性纖維）等。
從產品體系來看，生物質加工從技術上已經達到了幾大碳鏈體系都能製備出來的水平了，其基本思路是生物質加工成糖，然後轉化為幾大產品體系：C1體系主要包括甲烷、甲醇等；C2體系主要包括乙醇、醋酸、乙烯、乙二醇等；C3體系主要包括乳酸、丙烯酸、丙二醇等；C4體系主要包括丁二酸、富馬酸、丁二醇等；C5體系主要包括衣康酸、木糖醇等；C6體系主要包括檸檬酸、山梨醇等。其中一些化學品的生產已在大規模套用，農用化學品、精細化學品、大宗化學品、藥物及高分子材料等領域的工業化套用也呈現快速增長的趨勢。
【周刊】 這些產品體系中最具有經濟性和產業化前景的產品有哪些？
【譚天偉】 以生物質為源頭幾乎可以生產出所有的基礎有機化工原料，並且很多產品已經顯現出很好的經濟性。例如以生物質生產乙烯，是一個“生物質水解產生糖，糖發酵後產出乙醇，乙醇脫水製成乙烯”的過程，其中乙醇對乙烯的轉化率、選擇性均為99%，1t乙醇約生產出0.72t乙烯，其生產成本不會超過6500元/t，並且規模無需太大。以目前石油乙烯超過7000元/t的價格計，再加上其龐大的設備投資，生物法乙烯在經濟上非常可行。另外，生物法乳酸脫水製造丙烯酸的成本約為1.1萬元/t，目前丙烯酸售價已經高達1.4萬～1.8萬元/t，也具有相當的成本競爭力。總體來說，世界原油價格將在很長時間內保持高位，降至30～40美元/桶的可能性很小，生物質產品的成本競爭力逐漸顯現，這在一定程度上促進了生物質資源的利用。
預計到2010年，生物質制氫作為化工原料將最具成本競爭力，價格有可能比煤、油源氫便宜；在“十一五”期間，生物法制乙烯很可能會獲得突破性發展，形成一個新的產業；生物質制丙烯酸、聚乳酸也會呈現較好的發展勢頭；20年後，纖維素水解製造乙醇將大踏步跨入工業化的時代。
【周刊】 目前我國在生物質資源利用方面與國際先進水平有何差距？
【歐陽平凱】 我國的生物質產業在新世紀起步，於2000年開始了燃料乙醇試點工作，目前已經建成了三大乙醇燃料生產基地，總產能超過了100萬t/a，生物柴油每年產量約5萬t；安徽豐原集團用農作物生產乙烯、環氧乙烷等替代石油基產品獲得成功；南京工業大學生物質制丙烯酸的轉化率已經達到了85%（世界報導最高為88%）。目前來看，我國在生物質利用這一新興領域中處在與已開發國家相近的起跑線上，一些技術和研究成果已經處在領先的水平。
我們應該注意到，解決“三農”問題、保護環境與改善生態、舒緩能源瓶頸、建設節約型社會、發展循環經濟，都呼喚著新興的生物質產業。在與已開發國家處在相近的起跑線上，我國不能錯過歷史機遇，急需制定和實施一項推進我國生物質產業的國家重大專項計畫，發揮我國現有的資源優勢、技術優勢和人才優勢，在新世紀的資源、材料領域國際競爭中取得領先地位。
【周刊】 您對我國發展生物質能源有何建議？
【歐陽平凱】 第一，生物質能套用技術的研究開發，現階段的社會效益遠遠大於經濟效益，因此需要國家的政策扶持和財力支撐，制訂相關政策，鼓勵和支持企業投資生物質利用的開發項目。
第二，加強基礎和套用研究，國家在科研項目的安排方面，要注重給生物質套用研究的發展方面留有一定的空間。
第三，生物質發展更重要的是個“農業問題”。以“三農”政策為基石，統籌規劃、工農聯盟，解決生產分散與工業生產需要規模原料之間的矛盾，建立“小型、分散、統分結合和適度規模”的經營模式，提高農民的生產積極性。綜合利用灘涂、鹽鹼地、山坡的生態和能源效益；綜合封山育林、荒漠化治理髮展“能源農業”；綜合利用農副產品中的糧食、秸稈、廢棄物等，實現經濟成長模式的轉變。
第四，以企業創新為主體，以研究院所為龍頭，切實地走一條“產、學、研”相結合的路子，抓住機遇，大力發展。生物質化工不僅是農業技術、生物工程技術，還運用了化學和工程的多項集成技術，要研究什麼技術能解決問題，就大膽地運用什麼技術。
歐陽平凱 南京工業大學校長、中國工程院院士，973項目首席科學家，我國生物化工工程研究和工程教育領域的先行者。
譚天偉 北京化工大學生命科學與技術學院院長，北京市生物加工過程重點實驗室主任，長江學者，國家傑出青年基金獲得者。
我國生物燃料產業化前景展望
“十一五”我國將投入1010億美元，到2020年實現生物能源占交通能源需要的15%，即1200萬噸。我國還計畫到2010年種植1300萬公頃麻瘋樹，從中提取600萬噸生物柴油。柴油機燃料調合用生物柴油(BDl00)生產標準近日正式頒布，於2007年5月1日實施。這必將大大促進我國生物燃料產業的發展。但是為避免對糧食生產威脅，我國發展燃料乙醇也正在從糧食為主的原料路線向非糧轉變，當然，作為調節糧食供需餘缺的手段，玉米燃料乙醇仍將保持適度的規模。2010年，我國可再生能源在能源結構中的比例將提高到10%，到2020年將達到16%左右。到2020年，我國需要在新能源領域的投資達8000億元左右，致力於發展新能源將帶來巨大商機。目前很多企業盲目上馬新項目，已經涉及到糧食安全問題，從大方向來看，不能再用糧食做燃料乙醇。用非糧物質替代石油將是長遠的方向。我國農村勞動力豐富，在田頭地角都可以種植纖維素原料植物，更有條件發展。
當2008年國際油價重挫曾一度衝破40美元之時，作為替代能源之一的燃料乙醇的發展前景也令人擔心。但燃料乙醇擁有清潔、可再生等特點，可以降低汽車尾氣中一氧化碳和碳氫化合物的排放。未來我國燃料乙醇行業的重點是降低生產成本、減少政府補貼，為此，制定生物燃料乙醇生產過程的消耗控制規範，及產品質量技術標準，統一燃料乙醇生產消耗定額標準，包括物耗、水耗、能耗等，是降本增效的有力手段。而未來我國燃料乙醇行業發展的方向是如何實現非糧乙醇的規模化。因此，決定未來燃料乙醇發展前景的關鍵是成本和技術。
未來，中國政府還將繼續適度發展燃料乙醇行業。“十一五”期間，中國燃料乙醇的潛在市場規模將急劇擴大。以中國四家燃料乙醇生產企業的產能來看，遠遠不能滿足未來國內對燃料乙醇的需求，燃料乙醇裝置產能擴張不可避免。因此計畫到“十一五”末，國內乙醇汽油消費量占全國汽油消費量的比例將上升到50%以上，這意味著屆時中國燃料乙醇的產能和產量將會有一個質的飛躍。
