加强对生物质能的利用已成为各国解决能源危机和环境污染问题的重要途径。本文简述了发展生物质能源的战略地位，以及目前国内外生物能源技术的研究进展和利用现状，并进一步分析了生物能源技术面临的挑战和未来发展趋势。

1 生物质能源的重要战略地位

随着世界人口快速增长和工业化进程深入，传统化石能源储量下降，环境污染严重，迫切需要新型、环境友好的可再生能源。太阳能、风能、水能及生物质能源备受关注。生物质能源通过植物光合作用固定太阳能，经转换技术生产清洁燃料，替代煤炭、石油和天然气，减少对矿物能源的依赖。生物质能源包括能源林、薪炭林、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市有机废弃物等。

美国计划到2020年使生物质能源和生物基产品较2000年增加20倍，占能源总消费量的25%；欧盟计划到2020年生物质燃料替代20%的化石燃料；德国生物质能源占一次性能源消费的2.3%，占可再生能源市场的60%以上；加拿大计划到2020年使生物质能增加56%；日本实施“新阳光工程”；巴西实施“乙醇能源计划”。我国政府高度重视新能源，将生物质能源发展提升到战略高度，计划到2020年可再生能源（不包括传统生物质）占能源总消费比例由2006年的8%提高到15%。

2 生物质能源主要转化技术

生物质能源转化技术包括物理、化学和生物三大类，将生物质转化为高品位气体或液体燃料。主要技术有固化、直接燃烧、气化、液化和热解。本文重点讨论生物化学转化技术。

2.1 生物质水解技术 生物质制取乙醇的原料包括糖液、淀粉和木质纤维素。生产过程为：碾碎生物质，通过化学水解或酶作用将淀粉或纤维素转化为糖，再用发酵剂将糖转化为乙醇，最后蒸馏浓缩。木质纤维素转化复杂，预处理费用高，目前正开发酶法水解，但酶成本高，尚处研究阶段。

2.2 厌氧发酵技术 在隔绝氧气条件下，通过细菌作用分解生物质，产生甲烷和二氧化碳。厌氧发酵过程包括水解、产酸和产甲烷阶段。许多微生物如丁酸梭状芽孢杆菌、大肠杆菌等能利用底物制取氢气，但产率较低，能量转化率约33%。

2.3 生物质生物制氢技术 光合微生物如光合细菌和藻类通过光合作用分解底物产生氢气。1949年GEST等首次报道深红红螺菌在厌氧光照下产氢。产氢机制涉及光合作用单元捕获光子，产生高能电子和质子梯度，形成ATP，固氮酶利用ATP和还原型铁氧还蛋白还原氢离子生成氢气。

3 生物质能源产品开发现状

3.1 固体产品 生物质固体燃料通过压缩成型制成棒状或颗粒，用于工业锅炉、民用炉灶等。德国生物质固体燃料占生物能源的90%以上；美国有多个成型燃料加工厂；瑞典有年产能20万吨以上的颗粒厂。我国自80年代开始研究，预计2020年成型燃料年产5000万吨，可替代2500万吨标准煤。

3.2 燃料乙醇 巴西利用甘蔗生产乙醇最为成功，美国以玉米为原料，产量占全美乙醇总量的95%。我国以玉米、木薯和糖为原料，已建成4个年产10万吨的燃料乙醇企业，2006年生产100万吨燃料乙醇，掺兑后成为1000万吨生物汽油，占全国消费量的1/5以上。

3.3 生物柴油 欧洲以油菜籽为原料生产生物柴油，2004年产量约160万吨。我国有20多家生产厂，总产能约30万吨，以废食用油和工业废油为原料，但质量难达标。科研转向小桐子、黄连木等木本油料植物，规划2010年生物柴油年产量达200万吨。

3.4 生物沼气 沼气是有机物质在厌氧条件下经细菌发酵生成的混合气体。德国有2000多处大中型沼气工程，99%用于发电。我国沼气产业始于1980年，到2005年底，户用沼气池达1807万户，大中型沼气工程3556处。

4 生物质生物转化技术发展趋势

4.1 非粮物质的生物转化和利用 发展生物质能源应“不与人争粮，不与粮争地”，突破秸秆等劣质生物质资源利用技术。利用植物纤维素资源生产燃料乙醇在技术上可行，2006年中国科学院过程工程研究所建立了年产3000万吨的秸秆乙醇示范工程。

4.2 关键酶的改进和微生物代谢的调控 纤维素酶解效率低，影响其应用。许多纤维素酶基因已被克隆，如里氏木霉的纤维素酶基因在大肠杆菌和酵母中表达。耐热细菌的纤维素酶基因克隆受到关注。代谢工程拓宽了微生物底物利用范围，如将木糖代谢途径基因引入酿酒酵母，使其能利用木糖，但副产物较多，未实际应用。

4.3 生物转化过程集成化和生物质资源的综合利用 集成化技术将反应或分离步骤集成在一个反应器或工艺步骤中，简化流程，提高效率。研究内容包括同步糖化水解发酵集成、构建新菌种、反应与分离过程集成、过程模型化与控制集成。同时，注重副产物利用，如秸秆经蒸汽爆破预处理，半纤维素制取低聚木糖，纤维素分级用于造纸和发酵，发酵剩余物转化为生物油和纳米二氧化硅。

参考文献

[1] 顾树华.开发利用生物质能是我国农林业发展的重要领域[J].中国能源,2006,28(9):11-15.

[2] 陈建省,张春庆等.生物质能源发展的趋势及策略[J].山东农业科学,2008,4:120-124.

[3] HIMMEL M E, DING S Y, JOHNSON D K, et al. Biomass recalcitrance: engineering plants and enzymes for biofuels production[J]. Science, 2007, 315(5813):804-807.

[4] 殷福珊.中国生物质能源的发展现状及趋势[J].日用化学品科学,2006,29(11):1-7.

[5] 宋维平.我国生物质液体燃烧发展的新趋势[J].中国石化,2007,7:29-31.

[6] 何凤苗,雷昌菊,江香梅.生物质能源——生物柴油研究进展[J].江西林业科技,2007,1:45-49.

[7] 陈洪章,邱卫华.秸秆发酵燃料乙醇关键问题及其进展[J].化学进展,2007,19(7/8):1116-1121.

[8] LYND L R, WEIMER P J, VAN ZYL W H, et al. Microbial cellulose utilization: Fundamentals and biotechnology[J]. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 2002, 66(3):506-577.

[9] 陈洪章.生物过程工程与设备[M].北京:化学工业出版社,2004:83-94.