發(fā)展生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)，要求生物質(zhì)成為生物化學(xué)工程領(lǐng)域的通用工業(yè)原料，應(yīng)該將原料結(jié)構(gòu)、過程轉(zhuǎn)化和產(chǎn)品特點(diǎn)三者有機(jī)聯(lián)系，開發(fā)使生物質(zhì)原料選擇性結(jié)構(gòu)拆分和定向轉(zhuǎn)化的煉制技術(shù)，不僅獲得產(chǎn)品，還實(shí)現(xiàn)最低能耗、最佳效率、最大價(jià)值的清潔轉(zhuǎn)化。分析了生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的資源狀況、產(chǎn)業(yè)前景和目前面臨的困境，提出突破關(guān)鍵技術(shù)制約進(jìn)而解決技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)化的根本途徑。在分層多級(jí)定向轉(zhuǎn)化的煉制思路下，依托生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)的突破及過程集成，走原料與產(chǎn)品多元化的道路，生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的春天已經(jīng)來臨。

生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)以作物秸稈、畜禽糞便、有機(jī)垃圾等農(nóng)林廢棄物和環(huán)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(zhì)資源深度開發(fā)和循環(huán)利用，堪稱循環(huán)經(jīng)濟(jì)之典范。大力發(fā)展以生物質(zhì)能為主的低碳生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)，部分替代和節(jié)約化石能源，有利于改善能源結(jié)構(gòu)，減少二氧化碳排放，緩解和應(yīng)對(duì)全球氣候變化[1]。生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)是低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展、清潔能源替代方面的最佳契合點(diǎn)和切入點(diǎn)。

低碳經(jīng)濟(jì)以降低溫室氣體排放為主要關(guān)注點(diǎn)，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(jīng)濟(jì)最直觀的表現(xiàn)。減少CO2排放量應(yīng)從消除根源著手，第一，壓縮碳源，發(fā)展生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)生物質(zhì)能源及生物基化學(xué)品，減少對(duì)化石燃料的依賴;第二，增加碳匯，恢復(fù)并加強(qiáng)地球植被建設(shè)，通過植樹造林等來固定CO2，發(fā)展碳匯林業(yè)，實(shí)現(xiàn)森林面積的增加、森林蓄積量的增加，最終實(shí)現(xiàn)森林生態(tài)效益。利用可再生能源，發(fā)展生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與碳排放最終脫鉤，實(shí)現(xiàn)工業(yè)減排，是我們的著眼點(diǎn)。通過生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的建立和發(fā)展，將循環(huán)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能降耗、清潔生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)調(diào)整四大領(lǐng)域融為一體。

1生物質(zhì)資源和產(chǎn)業(yè)前景

生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)是利用對(duì)環(huán)境友好的可再生資源生產(chǎn)清潔能源及相關(guān)化工產(chǎn)品的新興產(chǎn)業(yè)。從資源枯竭、能源安全、環(huán)境保護(hù)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展等方面考慮，建立低碳生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的大勢(shì)所趨。

1.1資源狀況

規(guī)?；镔|(zhì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展使生物質(zhì)資源的開拓成為必然，現(xiàn)在世界各國(guó)都將各類植物木質(zhì)纖維素作為豐富、廉價(jià)的原料來源[2]。在中國(guó)，生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的原料利用目前主要側(cè)重于廢棄的生物質(zhì)資源，如農(nóng)作物秸稈、林業(yè)加工廢料及城市垃圾中所含的廢棄生物質(zhì)等。

農(nóng)作物秸稈是地球上第一大可再生資源。國(guó)家農(nóng)業(yè)部完成了首次全國(guó)農(nóng)作物秸稈資源專項(xiàng)調(diào)查，并發(fā)布了《全國(guó)農(nóng)作物秸稈資源與評(píng)價(jià)報(bào)告》。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)顯示(圖1)，2009年，全國(guó)農(nóng)作物秸稈理論資源量為8.20億t(風(fēng)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(duì)中國(guó)各地農(nóng)作物機(jī)械收獲和人工收獲的留茬高度進(jìn)行調(diào)查，考慮到收集過程中的損耗，估算2009年全國(guó)農(nóng)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(yè)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(zhì)產(chǎn)業(yè)原料高值化利用的潛力非常大。秸稈資源的浪費(fèi)，實(shí)質(zhì)上是耕地、水資源、勞動(dòng)力、化肥和農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)投入品的浪費(fèi)。秸稈資源多層次轉(zhuǎn)化為高效生物質(zhì)能源、生物基化學(xué)品具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.2產(chǎn)業(yè)前景

太陽能是地球上幾乎一切能量的源泉，生物質(zhì)是太陽能循環(huán)轉(zhuǎn)化的載體，現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的能源基礎(chǔ)——煤炭、石油、天然氣就是古代生物質(zhì)埋藏在地下，經(jīng)微生物和地質(zhì)化學(xué)的共同作用演變而來。人類使用能源的趨勢(shì)為生物質(zhì)—煤—石油—煤—生物質(zhì)，人類通過改變利用方式來提高能源的利用效率。生物質(zhì)轉(zhuǎn)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(nóng)作物—生物質(zhì)能源—CO2的C平衡(圖2)，形成一個(gè)理論上的CO2凈排放為零的物質(zhì)循環(huán)。如果完全用生物質(zhì)替代化石能源，生物質(zhì)能源如生物乙醇在生產(chǎn)、運(yùn)輸過程中的CO2排放量，等同于化石能源在開采、運(yùn)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(zhì)，是更加綠色的能源，因此使用生物質(zhì)能源替代化石能源，符合低碳經(jīng)濟(jì)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(duì)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

《BP世界能源統(tǒng)計(jì)報(bào)告2011》稱，到2010年底，按世界石油、天然氣和煤炭的探明儲(chǔ)量及生產(chǎn)量，三者可分別供開采46.2年、58.6年和118年。中國(guó)是個(gè)化石能源資源匱乏，特別是石油和天然氣資源極貧的國(guó)家。由于中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消費(fèi)激增，2010年的能源消費(fèi)量占全球能源消費(fèi)總量的20.3%，超過美國(guó)成為世界最大能源消費(fèi)國(guó)，其中煤炭消費(fèi)量占全球消費(fèi)總量的48.3%[5]。盡管新型能源增長(zhǎng)很快，但煤炭依然是中國(guó)的主要能源，這在短期內(nèi)很難改變，造成中國(guó)的SO2和CO2排放量分居全球第一和第二位，尋找環(huán)境友好型的清潔能源逐步替代石油和煤炭，以滿足人類對(duì)液體能源的大量需求，是一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的方向。人類不是因?yàn)槭^用完了才結(jié)束石器時(shí)代，石油時(shí)代的結(jié)束，也將早在石油用完之前，當(dāng)人們找到更廉價(jià)的替代能源時(shí)，自然也就會(huì)告別石油時(shí)代。同時(shí)我們也不能等到石油用完了再開發(fā)新的可用能源。隨著中國(guó)倡導(dǎo)發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)和低碳經(jīng)濟(jì)，碳權(quán)交易、稅費(fèi)優(yōu)惠、上網(wǎng)電價(jià)等政策環(huán)境不斷完善，為生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了良好的宏觀環(huán)境。所以，生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的前途是光明的。

2生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)面臨的困境

在看到生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的美好前景與效益的同時(shí)，也不能忽視相應(yīng)存在的依然嚴(yán)峻的困難。與其他新興產(chǎn)業(yè)一樣，生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也受到資金、政策、技術(shù)等各方面的制約。

2.1原料供應(yīng)

任何資源都是有限的，雖然現(xiàn)在有大量的生物質(zhì)資源亟待開發(fā)，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，這些資源也會(huì)變成有限的和寶貴的。生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)化所需原料消耗非常大，所以，生物質(zhì)資源的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用生物質(zhì)的根本前題。應(yīng)在不同地域?qū)崿F(xiàn)甘蔗和甜高粱等能源作物、麻風(fēng)樹和小桐子等能源植物，以及微藻等藻類資源規(guī)?；膬?yōu)良品種培育和品質(zhì)優(yōu)化，進(jìn)行能源作物和能源植物的基因工程改良，提高單位面積產(chǎn)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(chǎn)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(bǔ)給。中國(guó)幅員遼闊，自然條件復(fù)雜，生物質(zhì)原料種類繁多和分散，適宜形成以地域和原料為導(dǎo)向的生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的原料多元化發(fā)展戰(zhàn)略[6]。合理布局我國(guó)廣袤非農(nóng)牧邊際土地的生物質(zhì)資源發(fā)展，保障國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展所需的生物質(zhì)資源安全和可持續(xù)利用是生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵。

2.2技術(shù)瓶頸

技術(shù)進(jìn)步是促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸尚未被完全突破。如何將生物質(zhì)原材料經(jīng)濟(jì)高效地轉(zhuǎn)化為低成本、高品質(zhì)的五碳糖、六碳糖和木質(zhì)素及其衍生物，進(jìn)而生產(chǎn)更有價(jià)值的生物基化學(xué)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(shù)關(guān)鍵難題。顯然生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)不僅僅是一個(gè)生物學(xué)問題，更是一個(gè)工程學(xué)問題，因?yàn)榧夹g(shù)經(jīng)濟(jì)問題屬于工程科學(xué)家的研究范圍，是生物化學(xué)工程學(xué)科中最具挑戰(zhàn)性的課題。正如青霉素的大工業(yè)生產(chǎn)開發(fā)過程，只是在工程技術(shù)上開創(chuàng)了液體深層純種培養(yǎng)技術(shù)，使在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上獲得決定性突破，并開創(chuàng)了生物化學(xué)工程這一新學(xué)科[8]。我們認(rèn)為，生物質(zhì)的產(chǎn)業(yè)化也正面臨著類似的局面，必須有新的重大技術(shù)突破，才能扭轉(zhuǎn)產(chǎn)業(yè)化困難的局面。

2.3產(chǎn)業(yè)的國(guó)家支持

生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)鏈不完整，也缺乏規(guī)模化、市場(chǎng)化的基礎(chǔ)設(shè)施和相關(guān)產(chǎn)業(yè)配套。生物質(zhì)新能源目前只能作為主流能源的補(bǔ)充，同傳統(tǒng)化石能源相比，其研發(fā)和利用成本比較高，大部分生產(chǎn)企業(yè)需要額外的補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠才能贏利或生存。但目前國(guó)家扶持政策在研發(fā)、財(cái)政、金融、市場(chǎng)等政策間缺少銜接、配套和細(xì)化。這方面需要完善生物質(zhì)產(chǎn)品的價(jià)格補(bǔ)貼政策，逐步從建設(shè)投資補(bǔ)貼轉(zhuǎn)向原料補(bǔ)貼、產(chǎn)品補(bǔ)貼、消費(fèi)補(bǔ)貼、投資補(bǔ)貼，創(chuàng)新有利于生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的商業(yè)模式。

3生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)突破點(diǎn)

盡管產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間廣闊，生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化的進(jìn)程中，成本居高不下是最大阻力。迫切需要從其關(guān)鍵過程入手，尋找降低成本的途徑，通過基礎(chǔ)應(yīng)用研究和關(guān)鍵核心技術(shù)(如原料預(yù)處理、酶制劑)的研究，在基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)耦合和設(shè)備研發(fā)等技術(shù)方面獲得新的突破，才能實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)資源的高效、高值的利用。

3.1原料多元化

地球上不同地區(qū)的多樣化氣候和土壤條件，形成了多樣化的植物種類，因?yàn)榭梢允褂枚喾N不同的原料，采用多種不同的形式，生物質(zhì)能源的地域適應(yīng)性才更好，是唯一能全面替代化石能源的資源。由于生物質(zhì)原料的多樣性，因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮產(chǎn)品本身的用途，還必須選擇相應(yīng)的植物原料及轉(zhuǎn)化途徑，要把產(chǎn)品、原料和生產(chǎn)過程有機(jī)地聯(lián)系在一起[9]。

生物質(zhì)原料是生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)之本，包括廢棄生物資源(農(nóng)林廢棄物、禽畜糞便、有機(jī)垃圾、有機(jī)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(fēng)樹、油桐、文冠果、光皮樹、烏桕等)。農(nóng)作物秸稈是最具有代表性的木質(zhì)纖維素資源。秸稈和木材同屬于木質(zhì)纖維素，都由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，然而兩者在結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成上卻有較大的差異，其轉(zhuǎn)化特性也不同(表1)。

傳統(tǒng)的生物轉(zhuǎn)化過程把秸稈作為性質(zhì)單一的原料，主要利用秸稈中的纖維素，使得秸稈的高值轉(zhuǎn)化難以適應(yīng)工業(yè)化的要求。為解決在秸稈轉(zhuǎn)化過程中采用單一的生物轉(zhuǎn)化方式所存在的問題，充分認(rèn)識(shí)秸稈性質(zhì)的不均一性是非常重要的。這種思想可將生物轉(zhuǎn)化技術(shù)與秸稈組分分離技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，避免在秸稈原料轉(zhuǎn)化為液體燃料的研究上，套用或沿用木材的技術(shù)，從而有利于實(shí)現(xiàn)秸稈生物量全利用，并可大大降低秸稈的轉(zhuǎn)化成本。筆者所在的課題組經(jīng)過長(zhǎng)期探索發(fā)現(xiàn)，麻類作物的纖維細(xì)胞長(zhǎng)，適于生產(chǎn)紡織纖維;玉米秸稈的纖維細(xì)胞短，半纖維素含量高，適于生產(chǎn)纖維素酶、聚醚多元醇、酚醛樹脂或者酶解發(fā)酵乙醇;稻草、麥草等的纖維細(xì)胞較長(zhǎng)，適于造紙及生產(chǎn)丁醇和酚醛樹脂;闊葉木片的木質(zhì)素含量高、半纖維素含量低，適于開展木質(zhì)素與纖維素的綜合利用。

3.2產(chǎn)品多元化

生物質(zhì)可以與化石資源一樣被用來生產(chǎn)化工原料等物質(zhì)性產(chǎn)品(圖3)。生物質(zhì)原料組成豐富，不同原料組分差別很大，如農(nóng)作物秸稈的主要組分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)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(xué)物質(zhì)：碳水化合物(糖、淀粉、纖維素和半纖維素)、木質(zhì)素、脂類和蛋白質(zhì)，包括多種物質(zhì)，并含有羥基、羰基、苯環(huán)等含氧基團(tuán)，與石油原料只含—(CH2)n—線性聚合結(jié)構(gòu)相比較，能提供生物燃料等生物質(zhì)能源以外更多的開發(fā)新產(chǎn)品的機(jī)會(huì)，更有利于進(jìn)行化學(xué)改造、生產(chǎn)各類化工產(chǎn)品。

通過不同的技術(shù)，生物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化成不同的產(chǎn)品。生物質(zhì)可以直接燃燒或發(fā)電，可以氣化發(fā)電或供氣，可以轉(zhuǎn)化為生物燃?xì)?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(zhuǎn)化為生物材料與化學(xué)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(jù)不同的市場(chǎng)需要，經(jīng)加熱蒸餾、催化裂化、加氫裂化等工藝生產(chǎn)出汽油、柴油等燃料和乙烯、丙烯等化學(xué)品[12]。因此，隨著生物質(zhì)資源開發(fā)利用技術(shù)的不斷進(jìn)步，生物質(zhì)能源必將在人類的生活中發(fā)揮重要的作用。

3.3生物技術(shù)轉(zhuǎn)化路線

生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的途徑中，生物技術(shù)路線轉(zhuǎn)化法因性質(zhì)溫和、對(duì)環(huán)境后續(xù)影響低、溫室氣體排放少，成為生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)研究開發(fā)的重點(diǎn)之一(圖4)。以生物質(zhì)能源的生產(chǎn)為例，生物質(zhì)資源預(yù)處理后水解為單糖，利用微生物復(fù)雜的酶系和一系列的生物化學(xué)代謝途徑，將單糖轉(zhuǎn)化為生物能源，如生物乙醇、生物丁醇、生物氫氣、生物天然氣等，以及生物基化學(xué)品如乳酸、檸檬酸[13]。

由于生物質(zhì)原料的生物構(gòu)造和化學(xué)組成的復(fù)雜性造成直接水解發(fā)酵的效果很差，如秸稈必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，破壞木質(zhì)素的包裹作用以及纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)才能得到較高的單糖得率，因此，原料的預(yù)處理技術(shù)是生物質(zhì)有效利用過程中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)有常用的預(yù)處理方法很多，其中蒸汽爆破法具有處理時(shí)間短、不用或少用藥品、節(jié)能環(huán)保、無回收工藝等優(yōu)點(diǎn)，是一種較為理想的預(yù)處理技術(shù)。陳洪章研究員的課題組以自主研發(fā)的無污染蒸汽爆破預(yù)處理技術(shù)為平臺(tái)，結(jié)合機(jī)械篩分，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)秸稈纖維素、半纖維素、木質(zhì)素各組分的充分利用，而且大幅度降低了秸稈轉(zhuǎn)化過程中的生產(chǎn)成本。在實(shí)驗(yàn)室研究基礎(chǔ)上，該技術(shù)通過改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了工程放大，目前已經(jīng)達(dá)到50m3的規(guī)模[14]。

水解是生物質(zhì)生化轉(zhuǎn)化的限速步驟，需要采用酸或酶水解法將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成可發(fā)酵性單糖。同酸法水解工藝相比，酶水解法具有反應(yīng)條件溫和、環(huán)境友好、產(chǎn)物專一、糖得率高(轉(zhuǎn)化率>90%)和設(shè)備投資低等優(yōu)點(diǎn)，所以成為世界各國(guó)重點(diǎn)研發(fā)的熱點(diǎn)工藝技術(shù)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(zhì)降解成本過高的主要技術(shù)瓶頸是工業(yè)生產(chǎn)中纖維素酶用量較高，酶解效率有待改進(jìn)。為此眾多研究者圍繞纖維素酶和生物質(zhì)的生物降解轉(zhuǎn)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(duì)各種微生物進(jìn)行發(fā)酵代謝工程改造，有效地?cái)U(kuò)大菌株的底物利用范圍，提高產(chǎn)品產(chǎn)率等。

好的發(fā)酵工藝不僅要有生產(chǎn)性能優(yōu)良的菌株，還要有合適的發(fā)酵條件和設(shè)備，才能使生產(chǎn)潛力充分表達(dá)出來。與目前發(fā)酵工業(yè)上常用的液體深層通風(fēng)發(fā)酵相比，固態(tài)發(fā)酵憑借其低成本、高產(chǎn)出、低能耗及低發(fā)酵有機(jī)廢水污染等優(yōu)勢(shì)，日益受到關(guān)注。然而固態(tài)發(fā)酵中的純種培養(yǎng)、基質(zhì)傳質(zhì)和傳熱、發(fā)酵參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制等一直是有待解決的難題。陳洪章基于對(duì)化工原理的深刻認(rèn)識(shí)，強(qiáng)調(diào)生物信息傳遞在固態(tài)發(fā)酵生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)中的重要性，認(rèn)為生物反應(yīng)器是一個(gè)由生物系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)組成的特定生態(tài)系統(tǒng)[15]，提出了氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵的新過程。此過程中沒有加入機(jī)械攪拌，而僅對(duì)固態(tài)發(fā)酵過程的氣相狀態(tài)進(jìn)行控制。

一方面，氣壓處于上升和下降的脈動(dòng)中;另一方面，反應(yīng)器的氣相也處于流動(dòng)中，改善了固態(tài)發(fā)酵過程的熱量傳遞和氧傳遞，促進(jìn)了菌體的生長(zhǎng)和代謝，解決了傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵難以純種大規(guī)模培養(yǎng)的問題，并且使發(fā)酵過程中的溫度、濕度可控，發(fā)酵水平提高2~3倍。目前已經(jīng)設(shè)計(jì)出了100m3的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，這是迄今全球最大的固態(tài)發(fā)酵規(guī)模，真正實(shí)現(xiàn)了纖維素酶大規(guī)模、低成本的生產(chǎn)。使用氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，以汽爆玉米秸稈為發(fā)酵的主要原料進(jìn)行纖維素酶的生產(chǎn)，經(jīng)過5批實(shí)驗(yàn)，平均纖維素酶活達(dá)到了120FPA/g干曲，最高達(dá)到了210FPA/g干曲[16]。

生物質(zhì)轉(zhuǎn)化生物基產(chǎn)品的過程中，一般需要許多個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，才能得到目的產(chǎn)品。通過過程整合將反應(yīng)或分離步驟中的不同方法集成在一個(gè)反應(yīng)器或一個(gè)工藝步驟中，可以簡(jiǎn)化工藝流程，提高生產(chǎn)效率。此外，在生物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化過程中，往往只注重開發(fā)主發(fā)酵產(chǎn)品，而忽略了發(fā)酵過程中副產(chǎn)物的利用，如果能夠通過產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的整合，使更高價(jià)值的化學(xué)品作為生物燃料的聯(lián)產(chǎn)品，將顯著提高整個(gè)發(fā)酵生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，將更吸引投資者的關(guān)注，這是相關(guān)研究需要注意的。

3.4化學(xué)轉(zhuǎn)化的路線

生物質(zhì)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(xué)鍵型、化學(xué)成分等十分復(fù)雜，使其從固體原料到固體或液體產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化過程要難于傳統(tǒng)的石油煉制過程(圖5)。生物質(zhì)化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)成為達(dá)到CO2減排和能源可再生目標(biāo)的生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)化的一條重要途徑，已成為世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)，其中熱化學(xué)轉(zhuǎn)化是應(yīng)用研究的重點(diǎn)[17]。

在眾多生物質(zhì)能源的轉(zhuǎn)化方式中，熱化學(xué)定向轉(zhuǎn)化制備燃?xì)夂秃铣蓺饧夹g(shù)是極具發(fā)展前景的方式[18]。生物質(zhì)的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化利用主要包括直接燃燒、熱解、氣化和液化等。國(guó)內(nèi)外研究者普遍認(rèn)為氣化和熱解工藝是最為有效的生物質(zhì)熱化學(xué)制備燃?xì)?、合成氣的方法[19-20]。

雖然不同生物質(zhì)氣化、液化、熱解的轉(zhuǎn)化方式、轉(zhuǎn)化效率、產(chǎn)物各不相同[21]，但都是在一定的條件下將生物質(zhì)高分子(纖維素、半纖維素、木質(zhì)素)裂解，切斷生物質(zhì)大分子鍵，使之轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿拥奈镔|(zhì)。

生物質(zhì)的氣化、液化、熱解是大規(guī)模利用生物質(zhì)的有效方法之一[22]。由于生物質(zhì)屬于高分子化合物，原料組成差異很大，熱化學(xué)轉(zhuǎn)化產(chǎn)物組分很復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外對(duì)于生物質(zhì)的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)雖有所突破，但目前液化、熱解還沒有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。生物質(zhì)氣化供氣技術(shù)已基本成熟[23]，秸稈氣化集中供氣工程所產(chǎn)生的燃?xì)獗粦?yīng)用于管道煤氣和天然氣普及不到的農(nóng)村或小城鎮(zhèn)，為用戶集中供應(yīng)炊事、取暖用能，對(duì)于增加農(nóng)村能源供給、改變農(nóng)村炊事結(jié)構(gòu)、改善農(nóng)村衛(wèi)生條件、減輕環(huán)境污染、構(gòu)建節(jié)約型社會(huì)和社會(huì)主義新農(nóng)村具有重大意義。燃?xì)庵械慕褂秃突覊m含量超標(biāo)、進(jìn)一步提高燃?xì)赓|(zhì)量則是其進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化時(shí)需要完善之處[24]。

4前景和展望

生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景非常廣闊。在分層多級(jí)定向轉(zhuǎn)化的煉制思路下，可以綜合利用生物質(zhì)的不同成分與中間產(chǎn)物，使得生物質(zhì)原料的價(jià)值最大化。相關(guān)企業(yè)在兼顧環(huán)保的同時(shí)，可獲得高盈利空間和生產(chǎn)靈活性，可以依據(jù)市場(chǎng)變化改變產(chǎn)品組成，來獲得最大的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。筆者所在的課題組經(jīng)過二十多年的研究探索，應(yīng)用和發(fā)展低壓無污染蒸汽爆破技術(shù)、新型大規(guī)模固態(tài)純種發(fā)酵技術(shù)、酶解發(fā)酵分離多級(jí)耦合技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)平臺(tái)，解決生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了秸稈資源的生物量全利用，并對(duì)多產(chǎn)品的生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行試驗(yàn)開發(fā)，目前已經(jīng)建立了纖維素酶、生物乙醇、低聚木糖、蛋白飼料、生物農(nóng)藥和清潔制漿造紙等生態(tài)產(chǎn)業(yè)化的實(shí)施案例。在能源替代、生態(tài)環(huán)境和發(fā)展經(jīng)濟(jì)三大要素拉動(dòng)下，在市場(chǎng)與政府的雙重努力下，生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的春天即將到來!