生物炼厂 化工原料战略新选择
中国化工信息中心教授级高级工程师 朱曾惠
可再生资源的开发和利用是经济可持续发展中的核心问题，近年来，油气资源供应日益紧张导致能源产品
链价格上涨的步伐加速，生物经济（Bio-ecoomy）、生物基产品（Bio-based Products）和生物炼厂（Biorefinery，
或称生物炼制）等词汇频频出现，相关的发展规划、关键技术、平台支撑等方面备受关注。对化学工业来说，
生物炼厂的发展则显得尤为重要，涉及化学工业原料和产品的替代和拓展，为化学工业可持续发展开辟了新的
途径。
生物炼厂是指应用生物和化学技术，将生物质原料转化为各种潜在的基础原料、中间体和其他产品。近来，
有关可再生资源开发利用的论著较多，而较全面介绍生物炼厂的文章比较少见。近来，国际纯粹与应用化学国
际联合会（IUPAC）旗下期刊《Pure and Applied Chemistry》发表了一篇题为《国际生物炼厂系统》（International
biorefinery systems）的文章，全面系统地介绍了生物炼厂的原理和基础，各级产品筛选，并详细介绍各类
炼制系统（如木质素原料炼厂、全作物原料炼厂、绿色炼厂），并对每种炼厂的基础产品及其应用扩展潜势进
行评析，本文对其主要观点及内容进行了摘译，希望相关人士可以从中了解当前生物炼厂发展的全貌。
开发背景
工业原料安全是社会经济可持续发展的前提，各种工艺过程（物理、化学、生物和热）有机结合制造的生
物基化学品，可为相应工业产业链的原料经济性提供保障。因此需要不同学科、领域间展开充分合作，对目前
生物炼厂的基础性技术进行研究和开发，使生物炼厂设计更趋成熟，即将先进的科学技术基础与可行的技术、
产品和生产线在生物炼厂中完美结合。
生物炼厂中基本转换如下：
首先，将生物质中的前置体化合物用物理方法进行分离。主要产品（M1～Mn）和副产品（B1～Bn）将按要
求用微生物或化学方法进行进一步处理，从而得到主产品（F1～Fn）和副产物，进一步进行转化或送运传统炼
厂。
当前，生物炼厂系统研究开发的重点集中在以下四种情形：
a）木质素纤维素原料（LCF）生物炼厂，采用自然界干式原料，如含纤维素的生物质和废料；
b）全农作物生物炼厂，采用玉米等农作物为原料；
c）绿色生物炼厂，采用自然界湿式生物质，如青草、苜蓿、三叶草或未熟高粱等；
d）二平台概念（two-platform concept），包括糖类与合成气两个平台。
木质素纤维素原料生物炼厂
在未来大规模工业生物炼厂中，LCF生物炼厂取得成功的可能性最大。一方面是因为它的原料形势乐观（如
稻草、种子、木材、废纸等）；另一方面，最终产品可以进入传统的石油化工市场和未来的生物基产品市场。
应用生物质作化工原料的一个重要原因是其价格相对低廉，当前玉米桔杆价格为30美元/t，玉米价格约110
美元/t。
木质素纤维素材料由三种初级化学组分或前体组成：a）半纤维素/多糖，以五碳糖为主的糖聚合物；b）
纤维素，一种葡萄糖聚合物；c）木质素，一种酚类聚合物。
LCF生物炼厂可形成系列产品，此种方法的主要优点是保存了其自然的结构和结构基础部分，原料价格低
廉，可以制备多种产品，见图1。
当然，这些技术有进一步开发和优化的需要，例如，在纤维素、半纤维素和木质素分离方面以及木质素的
化工利用方面，特别是糠醛和羟甲基糠醛是非常有意义的产品。糠醛曾是生产尼龙66和尼龙6的原料，但由
于当时石油价格较低，鉴于成本的经济性，美国最后一家工厂于1961年关闭。此外，目前木质素只用作燃料
和粘合剂，而木质素含有大量单环芳烃，如能进行有效分离，便可以提高产品价值。目前尚无一种天然酶能将
天然木质素分解为基础性单体。
目前，备受关注的生物质尼龙工艺可将纤维素水解为葡萄糖并生产乙醇，利用一种酵母可以在生产乙醇和
葡萄糖过程中减少乙醇的比例，使之90%生成葡萄糖。近来美国一家工厂利用木质素纤维素生产糠醛和乙醇，
每天消耗4630t原料，每年可生产4750万加仑乙醇和32.3万t糠醛。
乙醇可以用作燃料添加剂，也可以将其转换成乙烯，从而制造一系列C2化学品。此外，有许多石化产品
可通过微生物转换方法制得，例如由葡萄糖制造氢、甲烷、丙醇、丙酮、丁醇、丁二醇、衣康酸、琥珀酸等。
2002年杜邦公司与Diversa联合投资建设生物炼厂，通过桔杆、草类物质生产糖，并开发出乙醇和1,3-丙二
醇(PDO)等产品的联产工艺。此后，杜邦公司与Tate & Lyly公司成立合资企业，通过代谢工程生产生物型PDO。
PDO用来生产聚对苯二甲酸丙二醇酯纤维(PTT)，预计2010年PDO产能将达到50万t/a。
全农作物生物炼厂
全农作物生物炼厂的原料是谷类作物，诸如黑麦、小麦、杂交黑小麦和玉米等。全农作物生物炼厂包括干
式（见图2）和湿式两种类型。
A． 干式全农作物生物炼厂
首先机械分离麦（corn）和麦杆（straw），其中麦重量约占10%，麦杆为90%，麦杆包括谷壳、各种茎、
叶、穗等，是一种木质素纤维素原料，可在生物炼厂中进行进一步加工。
一方面麦可以分离成纤维素、半纤维素和木质素，进一步转化为各种产品系列；而麦杆作为起始原料通过
裂解技术生产合成气，作为合成燃料和甲醇的基础原料。
麦可以转化为淀粉也可以先磨成粉再进行应用，也可以通过破碎、塑化、化学改性、通过葡萄糖进行生物
技术转化等方法进行进一步的加工。粗粉可以进行处理和挤压制成为粘接剂和填料等最终产品。淀粉可通过塑
化、化学改性制脂肪酸酯，进行还原胺化为乙烯二胺，经加氢生成山梨醇、乙烯乙二醇、丙烯乙二醇和甘油，
进一步通过生物技术方法转化为聚3-羟基丁酸等。
ICI公司将小麦碳水化合物经发酵生产一种称之为Biopol的共聚物（poly-3-hydroxybutyrate/3-
hydroxvalerte）。瑞典Scandinavian Farming公司开发了一种可以替代传统谷物分离的系统，在该全作物收
获系统中，谷物收获后通过保存或干燥后长期贮存，需要时进行加工和分级处理（见以下绿色生物炼厂）。
分级物适合作为淀粉聚合物、饲料和纤维素工业的原料，此外，也可用于纸板生产，或制成谷朊（面筋）
用作化工原料，以及用做固体燃料。干法分级技术可以优化生物质多组份的利用，以提高利润率。
B. 湿式全农作物生物炼厂
为了扩展产品生产线，可采用湿法全农作物生物炼厂模式。将谷物浸润，压成谷物浆料，提取高价值的油。
湿式全农作物生物炼厂具有可以最大程度的保持淀粉、纤维素、油、氨基酸等的结构不发生变化的优势，
以便进一步加工利用。其缺点是浸泡技术较为昂贵导致成本提升，但所制得的许多产品价格也较高，如药品和
日用化妆品等。1992年美国利用生物炼厂技术将收获谷物的11%进行了湿法加工，生产的产品价值约达70亿
美元。
湿法处理谷物生产出谷物油、谷物纤维和谷物淀粉。美国淀粉产品（湿法）包括燃料乙醇约占31%，高粱
糖糖浆约占36%，淀粉16%，右旋糖17%。此外，还可以生产谷朊粉、谷朊饲料及油等。
绿色生物炼厂
化工产品的价格主要受原料成本的影响，因此生物工艺的经济性经常成为人们关注的主要方面。然而，绿
色生物炼厂与农作物产量较好的匹配，每公顷作物可以获得较高的生物量利润，因此原料价格相对低廉。一方
面，简单的基础性技术可以应用并具有进一步生物技术和化学转换的潜势；另一方面，需要应用一种快速初级
加工或储存方法（如青饲料的干燥）将原料和初级产品保存，但是各种保存方法都会使材料成份发生变化。绿
色生物炼厂系统见图3。
绿色生物炼厂属多产品系统，可按照相应植物的生理机能，并根据需要进行炼制分级以便进一步加工，因
此需要根据其自然情况保持和利用其合成的多样性。
绿色农作物俨然一座天然的化学工厂和食品厂，如多年生草，以及苜蓿、未成熟的谷物等，目前绿色农作
物主要用作饲料和蔬菜。被称之为绿色生物质湿式分级（wet fractionation）和绿色作物分级的过程可以同
时制造食品和非食品产物。
绿色生物炼厂通过作物分级加工，规模从每小时数吨（农庄规模）到每小时超过100吨（工厂规模）。湿
式分级技术是分离的第一步，经挤压可分离出高营养成份的浆汁（PJ）和高纤维的压饼（PC）。
PC除纤维素外，还含有染料和颜料、药物成份和其他有机物；GJ则含有蛋白质、游离氨基酸、有机酸、
染料、酶、激素以及其他有机物和矿物质，可以用作生物技术转化，但是其木质素纤维素含量较LCF材料少。
从GJ可以制造乳酸及其衍生物、氨基酸、乙醇和蛋白质。PC则可被用作生产绿色饲料饼，也可作化学品原料，
或转化为合成气，而残渣则可用于生产生物气体联产热电。
双平台概念
“双平台概念（Two-palteform Concept）”是指，生物质中碳水化合物含量平均达75%，可作为“中间体
糖平台”（intermediate sugar platform）进行进一步转化，同时生物质可通过热化学转化为合成气，再加工
转化为各种产品，作为“合成气平台”（syngas platform），见图4。
糖平台的基础是生物化学转化工艺过程，重点是糖的发酵，而糖是从生物质原料中萃取而来。合成气平台
的基础是热化学转化工艺过程，重点是生物质原料的气化，以及其他转化工艺的副产物的气化。
生物炼厂为化学工业的原料向可再生资源转换提供了一条科学的战略途径。化学工业要走可持续发展道
路，当前以化石资源为主的原料路线必须向可再生资源转换，这已是全球共识无争的发展战略。但是纵观技术
和经济层面，虽取得很大进展，但从整体上看近期内尚难以实现。为了达到该战略目标，就必须从现在起考虑
这种转换，从战略的高度，从技术、经济和相关基础设施上为其实施做好准备。在当前资源（特别是能源）供
应状况急剧变化下，没有“远虑”就会丧失机遇，难以保持主动，要与时俱进，适应世界发展潮流。