Bio-refinery Industry Development Roadmap of China
FENG Ying
Abstract：With the challenges of energy,resource and environment issues,bio-refinery becomes a fast-developing industry globally.This paper introduces how the governments of the developed nations drive the bio-refinery industry ,what challenges are China facing to,and put up the bio-refinery development roadmap of China.
Key words: bio-refinery roadmap
1.生物炼制的概念
1982年，“生物炼制”的概念在《科学》杂志上首次出现1。与石油炼制相对应，生物炼制是以现代石化工业为模板，采用类似于流化催化裂化、热裂解和加氢裂解等集成化平台技术，用先进的预处理和酶水解等生物平台技术将生物质转化为各种糖类，再通过糖平台技术转化为大宗生物乙醇产品和各种高附加值中间体化学品，生产出生物能源、生物材料、生物基化学品等。生物炼制技术和产品主要包括四个方面：1.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），2.生物质材料（PLA、PTT、尼龙工程塑料），3.生物质资源（沼气、乙醇汽油、生物柴油,4. 药品和食品添加剂（大豆蛋白改性纤维）等。
2. 国外政府对生物炼制的推动及其启示
进入21世纪，随着能源、资源、环境问题的日趋严峻，生物炼制已经成为世界各国的战略性研究方向，生物炼制在全球被广泛接收和迅速发展2。
美国早已开始生物炼制技术布局及产业准备。美国政府于1999年投资开展了一项合作研究计划“生物质加工应用联合体”，其重点是纤维素生物质的预处理技术开发。按照该计划布局，美国奥本大学在氨水循环预处理技术、达特茅斯学院在水和稀酸水解逆流和直流系统、密歇根大学在氨纤维裂解预处理技术、普渡大学在可控制pH预处理技术及德克萨斯农业机械大学在石灰预处理等技术方面，已各据优势地位。技术的就位之后就是产业的跟进，根据美国政府的生物质规划，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制工厂。
美国政府还通过国会立法、科技投资、财政立项等手段给予生物炼制以生物炼制重点推动。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，其中生物炼制的研发投入为3.39亿美元3。从2000年起，美国能源部和农业部共同投资支持创新性高级生物炼制项目。如：1.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； 2.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）； 3.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；4.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。
欧洲也不甘落后，积极开发生物炼制技术，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。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。欧盟还着手实施“欧洲2005～2008可持续能源战略”，计划4年内将生物乙醇的产量提高5倍，并建设450个生物质资源处理工厂和1500个沼气工厂4。2005年，在比利时召开了第一届国际生物炼制大会。OECD研究报告认为：“各国政府应大力支持和鼓励生物质能源领域的技术创新，最终达到替代传统能源的目标” 5。
另外，日本有“阳光计划”；印度有“绿色能源工程计划”；加拿大认为本国生物质行业落后于美欧和日本，也在迎头赶上。
生物炼制在国际上的蓬勃发展态势对我国应有所启示，它反映的是生物经济时代的到来对化工、能源、材料等诸多行业的深刻影响6。首先，正如2006年《科学》上一篇文章指出，生物炼制是一种新的工业制造概念，为实现生物能源和生物材料的可持续生产提供了可能，并将成为一种新的制造技术典范7。其次，随着生物科技的进步，利用生物炼制技术体系来生产生物基化学品替代传统石油化工产品，从原子利用率的角度来讲应该是更合理、可以节省一系列的加工步骤。很多精细化学品如农药、医药中间体很多也是来源于石油化工产品，生物加工可以实现化学品的低成本生产。再次，生物炼制属于清洁生产技术，能有效节能减排，解决环境问题。传统的能源、材料、石化产品造成严重环境污染，而通过生物炼制生产的化学品容易被自然降解，从而实现环境友好。最后，是促进农业发展。发展生物炼制需要大量的农业产品，有机融通工业和农业，对我国“三农”问题的解决有着重要意义。过去，我们往往为了发展工业而牺牲农业，比如化肥、农药等生产的工业技术体系还没有很好地与农业生产相联系，而生物炼制就有希望实现工业和农业之间均衡发展。
3.我国生物炼制产业发展的存在问题
中国政府也非常关注生物炼制的发展。2006年，国家“十一五”规划首次列入了“生物炼制发展计划”。2006年9月，财政部、国家发改委、农业部、国家税务总局和国家林业局联合下发了《关于发展生物能源和生物化工财税扶持政策的实施意见》，提出将通过四项财税政策扶持生物质能源的发展：一是建立风险基金制度，实施弹性亏损补贴；二是原料基地补助；三是项目示范补助；四是实行税收优惠。这些措施为我国加快生物炼制产业发展提供了良好的政策环境。但是，由于缺乏发展规划、政府投资不足等原因，我国生物炼制产业目前还处于起步阶段，还存在一些问题。
3.1.欠缺资源定位和规划
生物质原料有地域性差异,因此不同地域和国家应该尽早对发展生物质产业做原料上的定位。我国应以农作物秸秆、林木残体、畜禽粪便、有机废弃物等农林废弃物,以及利用边际性土地种植的能源、材料植物为原料进行生物能源和生物质基产品生产。生物质原料种类多、分布广、地域性强、年际变化大,因此我国应对各地区的土地及发展实际情况做好勘查和部署,发展优势炼制产业。
3.2.技术还不成熟
目前生物炼制产业的很多技术难题未能解决,这严重影响产业的规模化和推广,各企业、高校和政府应积极合作,就预处理技术、发酵技术、工程技术等方面共同攻关，才能在国际竞争中不落后。
3.3.国家政策扶持力度不够
生物炼制产业目前需要国家的大力扶持。我国四部委虽然联合发布的《关于发展生物能源和生物化工财税扶持政策的实施意见》中，但其中的配套政策还不健全和完善。政府要从财政、税收等方面给予优惠政策以调动积极性，确保生物炼制产业的健康发展。
4.我国生物炼制产业发展思路
（1） 建立健全生物炼制的原料供应和产品体系
生物炼制的原材料是可再生的生物质原料，原料成本是生物炼制产品价格的决定性因素。我国拥有丰富的生物质能资源。每年我国理论上有生物质能资源50亿吨左右，其中农作物残留物占一半多。目前国外已经建立了生物质能源的糖平台和植物油平台，依靠这些平台来制定规划指导发展。我国发展生物炼制必须依靠非粮作物、非食用油料作物和农林废弃物。目前实践中出现了生物能源行业等“一窝蜂”“乱上马”等现象，这是对各地区生物质能的“家底”缺乏科学了解所致，因此目前中国需要开展生物质能资源统计和核查，摸清楚我国到底有多少适合开发的生物质废弃物及农业资源，根据我国区域资源和区域经济的特点对生物能源产业进行系统的可行性研究，在此基础上才能合理制定规划，建立科学的生物质能源路线图。
另一方面，由于生物质时间、空间分布很不均匀，原料的收集、储存、运输成本比较高，这使一些技术相对成熟的生物炼制产业项目存在着明显的资源瓶颈；另一方面，一些有较好资源条件的生物炼制项目如纤维素乙醇项目等，则由于缺乏先进成熟的生物技术而难以真正实现产业化。此外，生物质工业转化中副产品数量也非常庞大，通用的经济规模的概念不适合生物质工业转化项目。 针对上述问题，要想在中国实现生物质资源收集、运输、储存、加工分散的农业生产和连续化、自动化的现代工业生产的有机衔接，除了要突破技术的局限，更要突破体制的阻碍。建议我国生物炼制产业要采用“适度规模、就近转化、统筹规划、模块建设、分散生产、集中营销”的发展模式，考虑建立中介组织指导生物质生产和负责收集运输。在生物炼制产业的起步阶段，制定发展生物炼制产业的国家计划，完善推动产业发展的财政税收政策等也都是必须的。8
（2） 发展生物炼制相关产业群
在生物炼制产业方面，虽然目前一些菌种、酶、催化剂等的筛选体系已经形成，但依然面临着生物质原料利用率不高、缺乏适合我国国情的重大核心生物技术的挑战。我国生物炼制产业应加大力度开发新技术，构建新的生物炼制产业路线图、生物质加工新体系和新生物催化剂体系。只有解决了这些问题，才能充分发挥生物催化和生物转化的高效性和高选择性，并以生物多样性和大生物链为基础，构建生物质循环大模式。9事实上，生物炼制产业的发展可以带动相关产业群的兴起。拿生物柴油产业来说，在欧盟和美国，生物柴油产业早已形成一个产业集群，形成一条长长的贯通上中下游的产业链条。如欧盟（美国）生物柴油协会，包括添加剂、催化剂的化学品供应商、负责油罐清洗的清洁公司，以及设备制造、施工管理的工程建设单位；广告、业务策划、可行性研究、质量保证、选址、危机管理等的咨询服务公司；教育培训、人才招聘；包括土木、电气、工艺设计的工程施工；包括油品销售站、油品调配、分销站等；运输，包括公路运输、铁路车轮租赁等。除此之外，欧盟和美国还创办和出版生物柴油期刊、多本专著，以及关于生物柴油技术或学术会议也频繁召开。
此外，谁为生物炼制产业这样一个高投入、高风险、高回报的行业买单是又一个热点问题。目前，缺乏风险投资基金的支持成为工业生物技术发展的突出问题。建议国家相关部门将推行生物产业发展融资体系，发挥财政、金融、证券的共同投资体系。
（3）将生物炼制产业与石化产业相结合
石油炼制有90多年的历史，其发展模式会给生物炼制提供许多宝贵经验，如原料利用率的最大化，多产物联产等。生物炼制过程与石油炼制过程的一个重要不同在于，大多数中间产物需要经过脱水以进一步得到平台化合物（如乙醇脱水制乙烯，乳酸脱水制丙烯酸，甘油脱水制丙烯醛等）。因此在生物炼制过程中，脱水是一个重要环节，催化剂的选择、脱水条件的控制等都将影响目标产物的收率与选择性。
生物炼制发展的一个方向是从生物质原料种植、加工和产品系统进行优化。10生物炼制中的重点课题是：1、以纤维素乙醇、纤维素热转化生产柴油为主的生物燃料技术；2、生物化学品技术，如：L-乳酸、丁二酸、丁二醇、1，3-丙二醇等生物化学品技术；3、生物材料技术，如：聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）等生物可降解材料成套技术和聚乳酸（PLA）技术等。目前生物炼制要实现这个目标还有很长的路要走，如原料转化率较低、三废排放量较大。在这方面，美国的玉米生物炼制路线值得借鉴。该路线包括玉米油、玉米蛋白、玉米芯和玉米淀粉等多个组分的分级提取和综合利用，可大大提高原料利用率，同时减少了污染排放。工业生物过程在生物炼制的产业化过程中将发挥重要作用。生物化工在生物质预处理技术、发酵技术、发酵产品深加工技术以及发酵残渣处理技术等方面具有显著而优越的特点。而化学催化，经过百年来的发展与不断完善，也在工业催化技术与化工工艺技术方面形成了自己独特的优势。生物质经预处理转变为糖类，再经生物催化转化形成生物基平台化合物，进一步经过工艺成熟的化学催化技术以及化工分离、精制等技术催化平台化合物转化为高附加值的产品。通过将两者的优势结合，形成相互取长补短的更为良好的状态。
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