美国政府设定了到2030年，交通运输燃料的30%由生物燃料替代的目标。为实现这一目标，未来5至15年内需要重要的政策支持和技术进步。本报告将技术研发分为三个阶段（见图1）。

1. 研究阶段（五年内）

通过优化生物原料的预处理、精炼以及将作物残渣、第一代能源作物等转化为液态燃料，纤维素加工过程的优化将是近期焦点。重点包括降低成本、提高原料分离效率、改善酶活性和稳定性，以及开发有效利用纤维素分解糖的发酵工艺。目标是开发世界首创技术，降低工业风险。

原料利用与优化

具有不同物理和化学特性的植物材料（如玉米秸秆和木材）可作为原料在生物精炼厂中转化为乙醇。这类原料可满足美国约1/4至1/3的原料需求，因此还需开发更高产的新能源作物。通过生物和化学方法深入了解植物细胞壁及其在植物功能中的作用，以及糖发酵过程中的优化和抑制因素，是开发这类能源作物的前提。

植物工程学的最终目标是利用合理设计保留植物的关键功能，以最大化产量和农业经济效益。植物细胞壁的复杂结构在植物生长中发挥多种关键功能，但目前仅部分已知。基因组技术将识别参与细胞壁聚合物合成的基因，涉及酶反应、细胞壁设计原理、控制聚合物数量、成分和结构的因素，以及聚合物基质。

细胞壁聚合物的组织和相互作用是酶解的重要障碍，因此必须在预处理阶段对酶进行分离，使糖充分释放。

分离

了解植物细胞壁抵抗加工的原因以及酶与细胞壁基质的相互作用，是实现完整生物炼制计划的关键。目前生物原料的预处理工艺多采用热化学方法，但该方法会降低原料质量并浪费能源。这类高耗能方法需由更温和的工艺替代，包括改进现有的水热和机械方法，以及纤维素制造法。

同时，需结合经济的酶加工方法，以开发综合性生物精炼厂的潜力。基因组学及其相关工具（如蛋白质组学、代谢组学和成像技术）将帮助研究者挖掘新基因组数据库，了解微生物如何攻击生物质。因此，研究酶的相互作用、活动机制及其基本限制是必要的。需确定低活性是否表示某些酶水解速率的基本限制，以及是否可通过实验或建模进行合理设计以提高速率。木质素和半纤维素酶的新类别将得到确认，其活动机制将被了解，性能将得到改善，同时引入酶预处理方法以释放纤维素微纤丝。

改进的方法将更便宜地制造纤维素酶，用于纤维素纤维丝的糖化，其活性更高，生命周期更长。为了解基本设计原则并实现性能增强的合理重设计，将通过生物圈中的多种基因和蛋白质评估纤维素分解酶的机械原理。微生物纤维质体是一种特殊的分子机器，能有效溶解原始和预处理过的纤维素。将对纤维素酶和纤维质体功能表进行多样性建模和优化，以适用于特定生物质基质。纤维质包括所有植物细胞壁多糖降解酶。

发酵与还原

微生物发酵是将生物质糖转化为液体燃料最常用的方法。开发商业上可行的纤维素乙醇生物工艺需要一种有机体，其生物质糖化速度和高浓度酒精产量等于或超过目前基于酵母的葡萄糖发酵法。这些功能与工艺容错特性一起，融合了多种未被完全解析的基因和通路。目前在同一生物体内同时引入和控制多基因变化的能力有限。新种类的发酵生物体和酶能够在生物质分解中产生C-5和C-6糖，先进生物加工需要引入它们。通过对新微生物基因和社区“元基因组”测序，有可能开发微生物世界中广泛的未利用生物化学潜能。第一代生物体正在测试并取得改进，研究重点将朝着消除转化过程中的整个步骤发展。例如，在高温下测试嗜热微生物发酵生物质糖的能力，开发最优化的同步糖化发酵技术，提高工艺整体效率。先进生物诊断法的代谢工程技术将用于开发高耐受性菌株，以抵抗压力、抑制剂和高浓度酒精。基因组学、蛋白质组学、代谢组学和成像技术，结合建模和仿真，可阐明微生物代谢的规则和控制机理，并提供细胞设计的前瞻性知识，为综合生物工艺的系统工程提供支持。

2. 技术开发阶段（十年内）

对于能源安全，新一代能源专用作物必不可少，其成分和结构更利于糖的发酵、高产且纯度高。新解构酶将加强热化学工艺，更有效地分解多种生物质原料。传统的纸浆和木材加工工艺最终将产生高效能且环境友好的工艺。中期技术将合并工艺步骤，例如，经工程改造的生物体将能够发酵混合糖、抵抗毒性物质、产生有效的降解酶。对于了解这些生物能源系统并预测和修改系统功能，系统生物学、新一代合成分析有机化学至关重要。

原料

将建立一个系统来了解用于制造生物质的植物，它们在下游工艺中被转化为糖，并最终转化为乙醇。新的能源植物将被引入，其更高的含糖量和优化的细胞壁结构更利于加工。植物降解和可持续性农业生态系统的多年生植物将达到成熟状态，能提高产量并抗旱抗盐。多种植物将被用于建立地区或全球农业生态。

降解

本阶段将采用改进的预处理过程、提高反应速度和酶特性的糖化酶，扩大应用领域并降低抑制剂产量。随着对细胞壁顽抗性和酶活动了解的深入，将得到新能源植物的设计规范。先进的生物学和化学工具将可用于诊断和操纵酶的相互作用。经改进的具有符合要求特性的生物催化剂将被合理设计，用于特定原料，也可用于纤维素体等分子机器。

发酵与还原

工业加工有机体的新菌株将有利于能量产品效率更高的生物工艺，这些菌株具有新颖性质，如C-5和C-6糖的协同发酵能力，对抑制剂、酒精终端产品和高温的耐受性。系统生物学研究将为关键发酵微生物中的细胞代谢机制和控制原理提供前瞻性知识。这些知识将作为合理开发具有预处理、水解和发酵性能的新菌株的基础。高产出的生物和化学工具将被实现，包括在实验室和生产环境中使用的快速分析和操控技术的计算机建模。

3. 系统综合阶段（十五年内）

生物能源系统包含一个设计者能源作物的同时工程集，以达到特定的农业生态系统、降解和糖化酶、优良的发酵。作为植物和微生物的多工艺，这些方法将加速和简化乙醇燃料的端到端生产，使得地区性的生物精炼厂得以运作。

综合与整合

针对特定地区的天气和土壤特性全面合并生物能源系统，增强这些可持续性生物能源经济。这些系统吞食原料，进行生物质降解和生物加工工程，研究和开发发酵技术，达到只有两个步骤的最佳工艺。第一步基于整合过的原料特性，第二步基于整合过的微生物特性。面向地区和整合过程的系统将得到植物和农业生态系统工具的支持。同伴整合生物工艺工程将和农业生态系统捆绑在一起；利用特制的酶混合物，经加工过的微生物代谢系统将能承受压力，并使整个系统的控制变为可能。在室内和野外都可获得的工具将实现综合生物精炼厂各关键方面的快速诊断和操控。

（参考文献：Technical Strategy: Development of a Viable Cellulosic Biomass to Biofuel Industry, http://www.doegenomestolife.org/biofuels/2005workshop/b2blowres63006.pdf）