剖析美国生物基工业设想 制订生物炼厂发展目标
中国化工信息中心教授级高级工程师 朱曾惠
美国生物能源和生物基产品设想及技术路线
美国政府根据“生物质研究和开发法案2000”组建了生物质技术咨询委员会，由26名来自产业、科研机构、
非盈利组织以及农业和林业部门的专家组成。2002年10月，该委员会通过对生物能源和生物基产品的发展现状
以及当前的生物质技术水平的论述和分析，提出了《美国生物能源和生物基产品设想》（以下简称“设想”）；之
后又于该年的12月出台了“美国生物质技术路线图”。
1.生物能源和生物基产品设想目标
到2030年，美国生物能源和生物基产品将发展成一个完善的、成熟的、可持续健康发展的产业，并将为美
国农业经济增长创造新的机遇；同时，为保护和加强国家环境安全提供可靠的清洁能源，也将进一步增强美国的
能源独立性，并向消费者提供性能优良、绿色环保的生物基产品。鉴于此，生物质技术咨询委员会提出了如下三
方面长期目标。
生物能量 到2030年工业部门的生物质消耗量年均增长率达2%，即从2001年的2.7quads（1quads=1015 Btu)
提高到2010年的3.2guads， 2020年达到3.9guads，2030年为4.8guads。每10年发电装置消耗生物质的量增
加一倍。两者综合，即到2010年美国生物质发电将满足该国整个工业和发电的能源需求的4%，2020年时将达到
5%。
生物基运输用燃料 由生物质制成的运输用燃料占国内燃料总需求量的比例要从2001年的0.5%
（0.147guads）增至2010年的4%（1.3guads）， 2020年增至10%（4.0guads），2030年达到20%。
生物基产品 未来美国以生物基为原料制化学品和材料的产量将大幅度增加，其中在通用化学品领域所占比
例将由2001年的5%（125亿磅）提高到2010的12%，2020年提升至18%，2030年达到25%。
2.生物质技术路线
为了确保实现“设想”中确定的3个具体目标，各级政府及相关部门与生物质技术咨询委员会从生物质原料
生产、加工和转化，以及生物基产品的应用、分销和支持生物质开发的公共政策措施等四个方面提出技术方案并
组织相关课题研究。
● 原料生产
为顺利实现“设想”目标，原料生产方面面临着以下挑战：需要进一步了解植物生物化学和酶；需要用科学
方法生产和培育植物，并使其所产生的废料能被充分合理利用；必须提高农业基因学实践水平，提高生产效率，
低生物质生产和分销成本，并确保农作物资源供给的可持续性；
先进的原料生产研究应当取得一些重要成果，如：提高亩产率；降低单元植物原料成本；确保种植者获得合
理的收益；生物质生产过程要确保环境安全，并逐步改善其质量。
生物技术和植物生理学 加强对植物生物化学和酶的相关技术的了解，提高所需农作物工程化酶的开发能
力；开发化学和化学/生物学途径，提高原料的能源密度和化学特性。
农业基因学实践 为可持续生物质原料生产优化农业基因的实践。
原料储运 规范收集、储存等后勤工作程序，将多种原料进行优化组合，拓宽其环境友好的生物基产品的应
用范畴。
● 加工和转化
生物质加工和转化技术的进步将提高转化效率以及产品产率，并减少对环境的负面影响。
热化学转化 开发低成本、环境友好型热化学转化技术，生产高效的电力、热能、燃料和化学品，直接燃烧，
气化，厌氧发酵，调节系统和裂解。
生物转化 包括物理/化学预处理、分馏和分离、化学/酶转化、催化和化学转化、物质分离和纯化、生物质
发酵和水解、合成气发酵等，要求这些工艺过程经济可靠、环境友好、可工业化。
生物炼制的集成 生物炼制工艺改善包括：①将生物质材料有效分离成各个组份；②将这些组份转化为可应
用的产品。
● 产品应用和分销
增加生物基燃料、电力和产品在社会生产、生活中的应用，提高生产效率，及生物质能源和产品的环境友好
性和可持续性。
● 最终产品及其分销系统
目标1：加强对生物质应用的认识，扩大现有应用领域，开拓新市场，改进产品分销系统；
目标2：提高生物质能源和生物基产品的附加值；
目标3：确认和开发分销系统，对生物质资源进行就地加工和转化，推动农业和农村经济发展，减少对环境
的负面影响。
研究途径 生物燃料利用研究；生物燃料性能研究：降低乙醇的挥发性，提高生物柴油的闪点，改进生物柴
油的结集和倾点，降低NOx排放；乙醇分销用管道系统；生物炼厂装置示范计划；气化：解决动物排泄物问题；
氢能；生物基产品相关标准；
● 生物质开发的政策措施
目标 推进环境友好生物技术示范项目工业化进程；适时对相关组织和政策进行必要改革和完善，消除可持
续生物质系统在经济发展中的障碍；确保开发的生物质技术对环境友好，并推动社会发展向可持续生物质系统方
向迈进；增加农村经济发展的机遇。
基本措施 A.经济分析：促进取得成功的示范项目工业化；B.生命周期评价：生命周期中成本、资源和环境
影响评价；C.采购和市场：联邦范畴采购，性能标准，可再生方案等标准；D.管理措施：开发管理法规系统，除
去分销中障碍等；E.优惠政策：对现有装置的财政支持，公众效益基金等；F.生物质资源供应：农村基础设施，
加强生物质供应等；G.教育和延伸事业：技术转移，对生物质的认可，建立优秀业绩中心，采用生物基标记车用
生物燃油及其注意事项等；H.研究开发投资：技术认证和财政风险，促进创新，风险互担等。
生物炼厂——生物质工业发展的要塞
美国能源部于2007年10月发表了《2007～2017年生物质发展规划》，在此前曾公开发表了“生物质规划：
多年技术计划”方案供讨论评议用。两份规划和计划书内容丰富，现将其中有关生物炼厂的内容进行综述，可以
从“生物炼厂”的概念形成来了解它的内容以及它将遇到的各种挑战。可见，生物炼厂对发展生物基产品和生物
能源具有重要作用，从而理解生物炼厂在开发利用生物质、推动可再生资源的发展中的地位。
1.生物质发展规划的工作流程
生物质开发利用工业化的核心研究开发规划分为五个部分：原料界面核心研究开发，糖平台核心研究开发，
热化学平台核心研究开发，产品核心研究开发和集成的生物炼厂，工作流程示意图如下：
2.生物炼厂内涵
所谓“集成式生物炼厂”是一种概念式框架，建立于各个独立的生物质相关规划的技术的基础上，此基础是
按互相协调的原则集成组合起来，与传统老式生物质工厂相比，不用或少用非再生资源（煤、油、天然气）减少
对化石能源的依赖。现代生物炼厂概念不限于以生物化学转化为基础的生物炼制，或是以热化学转化为基础的生
物炼制，而是将两者结合为优化生物质转化为各种燃料、化学品和能源产品提供最大的机遇。当然，并非所有的
生物炼厂都是如此复杂，但有些炼厂可能有更复杂的组成，因此，生物炼厂就是一种装置，它能将生物质转化为
燃料、电力和化学品。生物炼厂的概念与当前石油炼厂相类似，只不过后者是从石油生产多种燃料产品。
生物炼厂的结构示意图如下：
3.生物炼厂分类
按技术进展状态生物炼厂可分为三个系列：
现存生物炼厂：指已经工业化的装置，在糖类平台方面，现已拥有年产20亿加仑玉米乙醇能力的工厂；热
化学转化方面有造纸和纸浆厂，生物质发电厂是与煤共燃烧的，产品是电力和热能，最近也有生物质通过快速裂
解装置制专用化学品的工艺。
新建生物炼厂：其技术尚未通过工业化，但在未来5～10年内有望突破。实现工业化，生产以非传统的木质
素纤维素为原料，目前在经济上尚存在一定的问题。在糖类平台方面是用生物质进行酶水解生产糖和木质素，可
以制备各种燃料和化学品。热化学平台方面，以气化和裂解技术为基础，亦即煤气化技术的延伸，但仍存在一定
的经济问题尚待解决。
高级生物炼厂：其基础技术目前尚不清楚，一系列核心研究开发项目有待攻破。
4.生物炼厂发展目标
2012年前建成3座不同途径集成式生物炼厂的示范装置，并成功运行到2017年，通过采用先进装置而获取
的数据建立技术成熟的乙醇厂，其生产成本要达到1.3美元/加仑，并通过认证。为达到此目标要进行以下两方
面的研究：
·改进玉米干法生产：2012年实现在玉米干法示范工厂中通过纤维素制乙醇的经济认证；
·农业残渣加工：2012年农业残渣制乙醇工艺认证达到工业化示范要求，农业残渣合成气制多种醇，从中分
离乙醇；
为此围绕以下六条途径组织集成生物炼厂平台：
湿法加工厂的改进：每条途径以及组成的集成式炼厂均要进行三方面的改进和完善，即示范和实施，给予技
术支持和进行综合分析；
干法加工厂的改进；
农业残渣加工；
原料能源作物加工；
林业资源加工；
使用后废料加工。
综上所述，可以认为可再生资源的开发利用是一个旨在长远目标而应从现在起步的战略规划。在可再生资源
中生物质的开发利用是最有现实意义的，也是与当前科学和技术衔接较近的领域，它与化学和化工联系也较密切，
对化学工业可持续发展有着重大意义。可再生资源特别是生物质的开发利用是化学工业原料交换、能耗节约、排
放减少的根本途径。希望我们能通过对美国相关规划资料的分析研究，尽早地提出具有我国特色的开发利用生物
质发展战略，推动我国经济向具有一定基础并拥有相当优势的领域迅速发展。