标题：生物炼制
简介
高级生物炼制已被设想作为新型生物产业的基础。通过开发新的化学、生物和机械技术，生物炼制大幅扩展可再生植物基原材料的应用，使其成为环境可持续发展的化学和能源经济转变的手段。 
美国国家再生能源实验室（U.S. National Renewable Energy Laboratory, NREL）将生物炼制定义为以生物质为原料，将生物质转化工艺和设备相结合，用来生产燃料、电热能和化学产品集成的装置。 
随着原油及天然气价格地不断上扬，生物基原料的竞争优势愈发显现。据统计，1995年美国玉米价格约为2美元/bu（蒲式耳） (1bu=35.24L, 下同)、原油为2.8美元/ft3（1ft3=28.3L,下同）、天然气为2.8美元/kft3，而2005年则分别为2美元、6.8美元和7美元。从价格比较看，玉米将成为重要的生物基原料。多数专家分析认为，矿物基原材料价格将长期居高不下。 
生物炼制研究情况
未来的生物炼制将是生物转化技术和化学裂解技术的组合，包括改进的木质纤维素分级和预处理方法、可再生原料转化的反应器优化设计、合成、生物催化剂及催化工艺的改进。由木质素纤维制工业乙醇的生物炼厂正在开发上述技术，乙醇将成为高级生物炼制的主产品。 
根据美国生物质规划，能源部将在2010年建成第一座基于农业废弃物的大规模综合性生物炼厂。 
1999年成立的生物质加工应用联合体（CAFI）是政府投资的合作研究计划，重点是纤维素生物质的预处理技术开发，如Auburn大学的氨水循环预处理技术、达特茅斯学院 (Dartmouth College)的水和稀酸水解逆流和直流系统、密歇根大学的氨纤维裂解预处理技术、普渡大学（Purdue University）的可控制pH预处理技术及德克萨斯农业机械大学 (Texas A&amp;M University)的石灰预处理技术等。 
在生物质（如玉米秸秆）转化为生物基产品如乙醇的过程中，纤维素酶的费用占据重要位置。90年代后期，生产每加仑（1加仑=3.785L）乙醇所用纤维素分解酶的费用为5美元，而2003～2004年酶转化费用仅为原来的1/10，生产每加仑乙醇所需酶的费用降低到50美分。 
高级炼制技术已成为学术界、政府部门和产业界的研究重点，美国能源部和农业部从2000年起共同投资支持创新性高级生物炼制项目如： 
*综合玉米生物炼制：用玉米（包括秸秆、外皮、叶和玉米芯）作原料，生产燃料和增值化学品。2005年7月已制得所需要的酶，性能达到计划目标。 
*以木质纤维素生物质为基本原料生产糖，进一步转化为燃料（如乙醇）和化学品（乳酸）。 
*美国玉米种植者协会正在组织一个生物炼制项目，将玉米纤维进行分离，生产燃料和化学品。 
*建立1座新型生物质转化中试工厂，开发新型淀粉和生物质加工工艺技术，提高乙醇收率。 
当前欧洲也在开发生物炼制技术，奥地利、丹麦、德国、冰岛和瑞士等国都在进行基础性生物炼制技术的研究开发。荷兰于2003年开始一项4年的研发计划，内容是开发木质纤维素原料向乙醇、乳酸以及电力和热能转化的技术，该项目是由产业部门和研究机构合作进行的。欧盟委员会于2003年投资BREW计划，研究用可再生原料生产大宗化学品和化学中间体的应用生物技术。此项研究提出了一个有关技术建议的整体方案，涉及环境、经济效益及相关风险，由化学工业和研究机构的专家组成的工作组研究并提出未来10～20年甚至更长时期的发展建议。 
生物质原料问题
生物质将为未来世界不断地提供可再生能源和材料。美国能源部提出到2030年生物质要为美国提供5%的电力、20%的运输燃料和25%的化学品，相当于当前石油消耗量的30%，每年需要用10亿t干生物质原料，是当前消耗量的5倍。要达到此目标，廉价原料的持续供应是关键。农作物废弃物生物质可作为近期生产燃料和化学品的纤维素原料。但是，必须要开发一个综合的原料供应系统，以合理的价格提供原料。 
当前，玉米是工业应用的主要生物原料。2003年美国玉米生产量101亿bu，玉米炼制产品量约560亿lb。其中17亿bu玉米(相当于玉米作物的17%)用于生产淀粉、甜味剂、乙醇、饲料添加剂、植物油、有机酸、氨基酸和多元醇。在2004/2005年度，美国用14亿bu（12%）玉米生产乙醇34亿加仑，是2000年产量的2倍多。随着美国乙醇生产装置地不断增扩建，用作乙醇的玉米量将不断增加。 
在美国，秸秆是最大量的生物质废弃物，每年约有2.2亿t，其中30%～60%(0.8亿～1.2亿t)可以利用。其组分是70%纤维素和半纤维素，15%～20%木质素。 
美国为农业生物质原料供应而开发的实施计划的总体目标是能以30美元/t的价格售与生物炼制。当前生物质原料的售价大约为50～55美元/t。 
工艺过程经济学问题
斯坦福国际研究所（SRI）的《Process Economics Program, PEP报告》对新型生物炼制的工艺过程经济学进行了估算。 
全玉米生物炼制（whole corn biorefinery）的结构框图（见图1）。 
从整体概念看，上述框图代表的全玉米生物炼制生产工艺是充分利用原料，生产高附加值的产品。玉米作物在收获时即进行分离，将秸秆与玉米分别送至炼厂，秸秆用稀酸预处理，使大部分半纤维素水解成糖，水解物料再进行纤维素糖化成葡萄糖，与其他糖一起进行发酵成乙醇，用蒸馏和分子筛吸附将乙醇纯度提高到99.5%。玉米棒及芯进行干磨，在生物炼制的另一部分进行糖化，所得水解玉米淀粉进行有氧发酵生成1,3-丙二醇(PDO)，再经回收和加氢精馏进行纯化，而干酒糟回收后作为副产品销售。 
全玉米生物炼制界区内投资组成：回收及纯化27%、预处理和调节系统26%、蒸馏和脱水17%、有氧发酵14%、糖化及发酵11%、干磨及糖化3%、干酒糟回收2%。 
此类炼厂与同规模的玉米湿法加工厂相比属于投资集约型装置，日处理2000t玉米秸秆和2000t玉米的全玉米生物炼制投资约4.5亿美元，60%是界区内投资，玉米秸秆预处理和调节系统投资大，因为用稀酸预水解，同时用过量石灰处理水解产物进行解毒，由于过程中的腐蚀性，需要用特殊结构材料（如Incoloy 825钢），PDO的回收和纯化过程投资较大。该过程类似于杜邦和AE Staley公司专利申请中所进行过程。 
界区外投资约占总投资的40%，包括冷却水、蒸汽装置、洁净水、包装和废物处理等公用工程，还应有用作焚烧固体木质素副产物的焚烧炉，用透平发电机生产蒸汽和电力。过剩的电力可以销售。 
在PEP报告中，PDO设定是玉米生物炼制的主要产品，乙醇和干酒糟为重要的联产物，按当前价格计，可从中取得13美分/lb的回报。木质素产量虽大，但价值很低，只能用它发电和生产蒸汽以取得相当补偿。 
CO2是发酵的副产品，而这里所讨论的经济模式中并未提及CO2。 
在全玉米生物炼制未经进一步优化的情况下，乙醇规模显得尤为重要，当前每加仑乙醇约1.07美元，能源部已将其作为2010年的目标售价。乙醇的价格受很多因素影响，包括税率减免、动力燃料对乙醇需求以及汽油价格。 
PDO是由葡萄糖发酵制备，葡萄糖是湿法玉米加工厂产品，而全玉米炼厂中则用部分水解玉米淀粉发酵生产，原料较便宜又省去了葡萄糖纯化工序，如果生物炼制与相关的公用工程和废料处理系统协调同步建设，生物炼制将展现其经济上的优势。据估算，在生物炼厂中1座2.4亿lb/a的PDO装置投资只相当于用葡萄糖作原料的3/4。 
由于全玉米生物炼制投资大，迄今为止尚未建成1座工业化装置，可能会在现在玉米加工厂扩改建时进行考虑，尽量利用现有乙醇加工设备和公用设施，这对玉米加工厂的产品多样化十分有益，这类装置生产的利润率与乙醇和饲料等大宗产品的市场和价格浮动影响不大，重点应是新产品如PDO的市场开发。 
玉米加工厂转为全玉米生物炼制的主要技术变化在于增加加工木质纤维素材料的可能性。但迄今为止，哪种技术比较适用尚不明朗。现在的生物炼制模型是用稀酸预处理，再用过量石灰解毒，此工艺产生大量废渣，最近美国NREL有中试厂改进了此工艺过程，还有一些工艺极具工业化应用潜力，其中欧洲和加拿大的蒸汽裂解原来是用于纸浆厂，现在看来有可能扩大利用到其他工业上。还有一些玉米转化技术可望组合到这类全玉米生物炼制模式中，其中有些技术已在工业规模上实施，处于不同的技术阶段，相关技术大致有以下几种： 
*糖平台技术：从木质纤维素生物质分离出糖。用稀酸水解半木质素纤维生成5碳糖和6碳糖，但其副产品对发酵微生物有毒。 
*发酵技术：将糖或混合糖转化生成燃料和化学品，已开发了转化混合糖为乙醇的酶，用基因组合方法可以有效地转化水解玉米淀粉在有氧条件下生成PDO。 
*研磨技术可以粉碎玉米芯，生成糖，同时开发了淀粉液化和糖化技术。 
该文是从可再生资源工业应用的角度讨论生物炼制问题，虽是应用了工艺过程经济学观点进行评估分析，但是炼厂是以化学品为主产品，其中生产乙醇亦只作为主产品的副产物，因此，在炼厂效益评估中，只做了经济效益的评测，以及副产品回收对主产品成本的影响。可以明显地看出，该文作者着眼点是在可再生资源作为工业原材料的综合利用。如果要从能源的层次上考虑，可再生能源替代不可再生的矿物能源，则必须要考虑将可再生资源转换成替代能源时，需要投入多少矿物能源，即可再生资源转换成能源材料的能源效益、投入能源与产出能源的能效比
化石资源日渐匮乏 生物炼制浮出水面--生物质资源利用备受关注 
石油价格持续高位，一次性能源日渐枯竭，环境恶化带来的生存危机，使得人们的目光再一次聚焦到可再生资源，而生物质资源以其现代技术的高效利用成为备受关注的亮点。早在20世纪70年代的全球能源危机中，美国和巴西以玉米和甘蔗为原料生产的燃料乙醇崭露头角，欧洲以菜籽油生产生物柴油。而今，从欧洲大陆到美洲再到中国，生物炼制技术正旭日东升，人们在煤、石油等化石资源之外看到了化学品、燃料和聚合材料新的源头，并从中窥视到一片生机盎然的绚丽前景。本刊在“聚焦生物质资源的化工利用”专题的开篇，采访了中国工程院院士、南京工业大学校长欧阳平凯教授以及北京化工大学生命科学与技术学院院长谭天伟教授，请他们就国内外生物质资源利用引发的热潮进行了详细的阐述。 
资源危机生物质产业
【周刊】 近来国内外关注生物质资源利用的热潮不断升温，请问是什么因素导致了生物质利用新一轮的发展热潮？ 
【欧阳平凯】 世界科学界都曾提出关于生物质资源利用的设想，总体来看，一次性能源前景并不乐观，一二百年的强度开采与消费使这些不可再生的化石资源渐趋枯竭，据国际能源机构统计，煤、石油、天然气可供人类开采的年限分别只有240年、40年和50年。另一方面，无节制地使用化石能源，使得数十亿年储存的能量在一、二百年左右的时间释放出来，引发了生产方式、经济增长方式、自然和社会环境一系列的问题。大量CO2、粉尘、SO2等废弃物的排放，对环境和生态造成了严重污染和破坏。 
植物每年光合作用产生的生物质循环约950亿t碳，而世界化石燃料的消耗每年为65亿t碳，远远超出资源需求，因此可再生的生物质是人类能够长久依赖的理想资源和能源。目前，从生物质制取燃料（乙醇、氢能、沼气等）和有机化学品的研究已不乏成功实例，采用生物质资源替代石油生产机动车燃料和有机化学品将成为势不可挡的时代潮流。 
【周刊】 我国生物质资源的来源主要是哪些？ 
【欧阳平凯】 现代的生物质产业概念，是指利用可再生的有机物质，包括农作物、树木等植物及其残体、畜禽粪便、有机废弃物，通过工业加工转化，进行生物基产品(Biobasedproducts)、生物燃料(Biofuels)和生物能源(Bioenergy)生产的一种新兴产业。我国每年有7亿t作物秸秆、2亿t林地废弃物、25亿t畜禽粪便及大量有机废弃物，另外每年有1000多万公顷农田因覆盖石油基塑料地膜而导致土壤肥力衰退，尚有1亿多公顷(稍少于现耕地面积)不宜垦为农田，但可种植高抗逆性能源植物的边际性土地。这些农林废弃物和边际性土地，对生物质产业而言，是一笔宝贵的物质财富。 
根据我国生物质资源的特点和技术潜在优势，可以将燃料乙醇、生物柴油、生物塑料以及沼气发电和固化成型燃烧作为主导产品。如果能利用全国每年50%的作物秸秆、40%的畜禽粪便、30%的林业废弃物，开发5%（约550万公顷）的边际性土地种植能源植物，建设约1000个生物质转化工厂，那么其生产能力可相当于5000万t石油的年生产能力，即一个大庆油田(年产4800万t)。而且每增加1000万公顷能源植物的种植与加工，就相当于增加4500万t石油的年生产能力，可见生物质产业的潜力之大。 
【周刊】 一些发达国家和地区例如欧盟等与我国的能源结构非常类似，请问他们在能源战略和生物质利用方面有什么新的进展？ 
【谭天伟】 欧盟同中国一样，石油的对外依赖度都在40%以上，但是欧盟的能源结构更为合理，除了石油等基础能源之外，他们的风能、核能、生物质利用比例比我国高得多，因此在面临各种不稳因素时所受的影响比我国小很多。随着油价的不断攀升，欧盟已将生物质能源的利用提到了一个前所未有的高度，在能源战略、税收政策、法律法规、技术支持等方面都对生物质能的利用进行了部署。目前欧盟生物质能源占总能源量的2%，计划到2010年可再生资源利用量将占其总能耗的12%，占总耗电量的22%，机动车燃料中使用生物燃料比例占5.75%，温室气体排放量减少8%。 
美国占有很多石油资源，但是也非常重视生物质的利用。2000年美国国会通过了“生物质研发法案”；2002年提出了《发展和推进生物质基产品和生物能源》报告和《生物质技术路线图》，成立了“生物质项目办公室”和生物质技术咨询委员会。美国计划2020年使生物质能源和生物质基产品较2000年增加20倍，达到能源总消费量的25%（2050年达到50%），每年减少碳排放量1亿t和增加农民收入200亿美元的宏大目标。 
日本有“阳光计划”；印度有“绿色能源工程计划”；加拿大惊呼本国生物质行业落后于美欧和日本，大力调整政策和迎头赶上。世界经济合作组织(OCED)在最新研究报告中指出：“各国政府应大力支持和鼓励生物质能源领域的技术创新，最终达到替代一次能源的结果”。 
【周刊】 从产业化发展的角度来看，生物质利用不仅靠政府来支持和推广，世界各大石油和化工公司也“春江水暖鸭先知”，纷纷开始在该领域的投入和研究，请您介绍一下这些企业的产业化进展？ 
【谭天伟】 世界各大化工巨头敏锐地看到了这一新兴产业的勃勃生机，纷纷进行战略投资和业务转移。英荷皇家壳牌石油公司估计，21世纪的前50年，生物质将提供世界化学品和燃料的30%，全球市场份额达到1500亿美元；英国石油公司/美国国际石油公司等也都开始了对生物质能源产品的投资。巴斯夫2003年宣布，将以可再生的生物质资源作为化学品生产的主要原料；杜邦公司剥离石油资产，购买了生物技术公司和组织农业综合企业，将2010年销售额的25%定位于生物质产品；美国的森林工业已开始与电力、石油、化工公司合作，利用林木废弃物生产能源及化工产品。另外，丰田公司用白薯淀粉基塑料制成了汽车配件；富士通公司用玉米淀粉基塑料替代了计算机的塑料外壳；杜邦公司用玉米生产1,3-丙二醇的成本比化学法降低了25%；卡杰尔-陶氏公司用玉米淀粉发酵已建成了13万t/a聚乳酸装置。 
时不我待 生物炼制应时而出 
　【周刊】 目前世界生物技术的核心——“生物炼制”受到人们普遍的关注，请问这一概念主要包括哪些领域？有哪些重大的产品体系？ 
【谭天伟】 生物炼制主要包括四个部分：生物质化学品（乙烯、乙醇、丙烯酸、丙烯酰胺、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、琥珀酸），生物质材料（PLA、PTT、尼龙工程塑料），生物质资源（沼气、乙醇汽油、生物柴油）以及生物可再生原料的修饰（大豆蛋白改性纤维）等。 
从产品体系来看，生物质加工从技术上已经达到了几大碳链体系都能制备出来的水平了，其基本思路是生物质加工成糖，然后转化为几大产品体系：C1体系主要包括甲烷、甲醇等；C2体系主要包括乙醇、醋酸、乙烯、乙二醇等；C3体系主要包括乳酸、丙烯酸、丙二醇等；C4体系主要包括丁二酸、富马酸、丁二醇等；C5体系主要包括衣康酸、木糖醇等；C6体系主要包括柠檬酸、山梨醇等。其中一些化学品的生产已在大规模应用，农用化学品、精细化学品、大宗化学品、药物及高分子材料等领域的工业化应用也呈现快速增长的趋势。 
【周刊】 这些产品体系中最具有经济性和产业化前景的产品有哪些？ 
【谭天伟】 以生物质为源头几乎可以生产出所有的基础有机化工原料，并且很多产品已经显现出很好的经济性。例如以生物质生产乙烯，是一个“生物质水解产生糖，糖发酵后产出乙醇，乙醇脱水制成乙烯”的过程，其中乙醇对乙烯的转化率、选择性均为99%，1t乙醇约生产出0.72t乙烯，其生产成本不会超过6500元/t，并且规模无需太大。以目前石油乙烯超过7000元/t的价格计，再加上其庞大的设备投资，生物法乙烯在经济上非常可行。另外，生物法乳酸脱水制造丙烯酸的成本约为1.1万元/t，目前丙烯酸售价已经高达1.4万～1.8万元/t，也具有相当的成本竞争力。总体来说，世界原油价格将在很长时间内保持高位，降至30～40美元/桶的可能性很小，生物质产品的成本竞争力逐渐显现，这在一定程度上促进了生物质资源的利用。 
预计到2010年，生物质制氢作为化工原料将最具成本竞争力，价格有可能比煤、油源氢便宜；在“十一五”期间，生物法制乙烯很可能会获得突破性发展，形成一个新的产业；生物质制丙烯酸、聚乳酸也会呈现较好的发展势头；20年后，纤维素水解制造乙醇将大踏步跨入工业化的时代。 
【周刊】 目前我国在生物质资源利用方面与国际先进水平有何差距？ 
【欧阳平凯】 我国的生物质产业在新世纪起步，于2000年开始了燃料乙醇试点工作，目前已经建成了三大乙醇燃料生产基地，总产能超过了100万t/a，生物柴油每年产量约5万t；安徽丰原集团用农作物生产乙烯、环氧乙烷等替代石油基产品获得成功；南京工业大学生物质制丙烯酸的转化率已经达到了85%（世界报道最高为88%）。目前来看，我国在生物质利用这一新兴领域中处在与发达国家相近的起跑线上，一些技术和研究成果已经处在领先的水平。 
我们应该注意到，解决“三农”问题、保护环境与改善生态、舒缓能源瓶颈、建设节约型社会、发展循环经济，都呼唤着新兴的生物质产业。在与发达国家处在相近的起跑线上，我国不能错过历史机遇，急需制定和实施一项推进我国生物质产业的国家重大专项计划，发挥我国现有的资源优势、技术优势和人才优势，在新世纪的资源、材料领域国际竞争中取得领先地位。 
【周刊】 您对我国发展生物质能源有何建议？ 
【欧阳平凯】 第一，生物质能应用技术的研究开发，现阶段的社会效益远远大于经济效益，因此需要国家的政策扶持和财力支撑，制订相关政策，鼓励和支持企业投资生物质利用的开发项目。 
第二，加强基础和应用研究，国家在科研项目的安排方面，要注重给生物质应用研究的发展方面留有一定的空间。 
第三，生物质发展更重要的是个“农业问题”。以“三农”政策为基石，统筹规划、工农联盟，解决生产分散与工业生产需要规模原料之间的矛盾，建立“小型、分散、统分结合和适度规模”的经营模式，提高农民的生产积极性。综合利用滩涂、盐碱地、山坡的生态和能源效益；综合封山育林、荒漠化治理发展“能源农业”；综合利用农副产品中的粮食、秸秆、废弃物等，实现经济增长模式的转变。 
第四，以企业创新为主体，以研究院所为龙头，切实地走一条“产、学、研”相结合的路子，抓住机遇，大力发展。生物质化工不仅是农业技术、生物工程技术，还运用了化学和工程的多项集成技术，要研究什么技术能解决问题，就大胆地运用什么技术。 
欧阳平凯 南京工业大学校长、中国工程院院士，973项目首席科学家，我国生物化工工程研究和工程教育领域的先行者。 
谭天伟 北京化工大学生命科学与技术学院院长，北京市生物加工过程重点实验室主任，长江学者，国家杰出青年基金获得者。
我国生物燃料产业化前景展望
“十一五”我国将投入1010亿美元，到2020年实现生物能源占交通能源需要的15%，即1200万吨。我国还计划到2010年种植1300万公顷麻疯树，从中提取600万吨生物柴油。柴油机燃料调合用生物柴油(BDl00)生产标准近日正式颁布，于2007年5月1日实施。这必将大大促进我国生物燃料产业的发展。
但是为避免对粮食生产威胁，我国发展燃料乙醇也正在从粮食为主的原料路线向非粮转变，当然，作为调节粮食供需余缺的手段，玉米燃料乙醇仍将保持适度的规模。2010年，我国可再生能源在能源结构中的比例将提高到10%，到2020年将达到16%左右。到2020年，我国需要在新能源领域的投资达8000亿元左右，致力于发展新能源将带来巨大商机。目前很多企业盲目上马新项目，已经涉及到粮食安全问题，从大方向来看，不能再用粮食做燃料乙醇。用非粮物质替代石油将是长远的方向。我国农村劳动力丰富，在田头地角都可以种植纤维素原料植物，更有条件发展。
当2008年国际油价重挫曾一度冲破40美元之时，作为替代能源之一的燃料乙醇的发展前景也令人担心。但燃料乙醇拥有清洁、可再生等特点，可以降低汽车尾气中一氧化碳和碳氢化合物的排放。未来我国燃料乙醇行业的重点是降低生产成本、减少政府补贴，为此，制定生物燃料乙醇生产过程的消耗控制规范，及产品质量技术标准，统一燃料乙醇生产消耗定额标准，包括物耗、水耗、能耗等，是降本增效的有力手段。而未来我国燃料乙醇行业发展的方向是如何实现非粮乙醇的规模化。因此，决定未来燃料乙醇发展前景的关键是成本和技术。
未来，中国政府还将继续适度发展燃料乙醇行业。“十一五”期间，中国燃料乙醇的潜在市场规模将急剧扩大。以中国四家燃料乙醇生产企业的产能来看，远远不能满足未来国内对燃料乙醇的需求，燃料乙醇装置产能扩张不可避免。因此计划到“十一五”末，国内乙醇汽油消费量占全国汽油消费量的比例将上升到50%以上，这意味着届时中国燃料乙醇的产能和产量将会有一个质的飞跃。