绿色生物制造

生命科学和生物技术的发展推动了生物经济概念的形成与发展。生物技术领域(如基因组学等)新的发现与应用正在促使医药、健康、农业、食品、营养、能源、环境等产业发生重组和融合，进而导致世界经济发生深刻变化。生物经济是基于现有生物技术及其外延技术的发展而产生的新经济模式，是以物质的自然循环为出发点，基于现有技术对生物资源(各种自然和可再生的陆地和海洋生物资源、生物多样性和生物材料如植物、动物和微生物)进行利用、改造、生产并得到满足用户需求的产品而产生的所有经济活动。

绿色生物制造是生物经济发展的关键。绿色生物制造使用可持续的生物质，如糖、淀粉、木质纤维素、动植物油等作为生产的基础原料，同时充分利用工业化过程的侧线产品(CO2、CO、合成气、甲烷等)以及工业过程废弃物，通过多种物理、化学、生物等加工处理过程将其转化为具有更高附加值的生物基产品，包括食品、饲料、药物、复合材料、能源燃料等。正是由于绿色生物制造在生物经济中的重要地位，世界范围内多国发布了生物制造发展规划以持续加强生物经济顶层设计。近5年来，生物产业的基本目标被纳入了30多个国家的战略规划，包括世界上主要国家和地区，例如美国的“国际生物经济联盟(2012)”、欧盟委员会的“欧洲生物经济(2012)”、加拿大的“加拿大蓝图(2011)”、英国的“英国生物能源战略(2011)”、德国的“生物经济国际政策(2013)”、印度的“国际生物技术发展战略(2014)”以及日本的“生物质工业化战略(2013)”等。本文将对一些目前比较前沿的绿色生物制造产业进行举例

1. 生物质液体燃料

  生物质液体燃料是唯一的以液体为储能方式的可再生能源形式。利用农业秸秆生物质资源生产生物醇类燃料并实现能源化利用，是推动能源生产和消费革命、突破能源和环境约束以及增加能源供给的重要手段。在不同种类的生物质液体燃料中，乙醇已成为全球应用最为广泛的一种生物能源。近年来，随着产品规模不断扩大，以粮食为基础的乙醇生产模式受到限制，以低值纤维质农林废弃物为基础的第二代生物燃料乙醇的开发受到世界各国的重视。相比之下，丁醇作为另一种生物替代燃料，在能量密度和相容性等方面比乙醇更具优势，也成为近年来相关领域研发的热点。

燃料乙醇的相关技术研发与产业建设作为生物燃料产业的主要技术研发方向和产业组成部分，受到世界各国的重视与推动。现阶段，有纤维素资源生产燃料乙醇技术已进入产业化示范阶段，伴随纤维乙醇关键技术的开发，世界主要国家不同程度上开始开发技术的商业化生产尝试，纤维素酶、戊糖己糖共发酵菌株构建方面的技术已进入工业验证阶段。美国在纤维乙醇生产技术方面的研究走在了世界前列，欧洲燃料乙醇原料正处于由第一代到第二代过渡阶段。尽管纤维乙醇产业发展受到原油价格波动的影响，但近年来依然涌现出多项商业化试生产项目，如2012~2015年前后，意大利、巴西、美国等国家先后建立了至少6家纤维乙醇示范工厂，年生产规模达到3~9万t。

除解决秸秆原料季节性、分散性、储运困难等问题，在现阶段研究中还迫切需要开发3类关键核心技术：①在低化学品、低能耗和低废水排放下高效破坏植物细胞壁并分离出纤维素、半纤维素和木质素等组分，以显著提高纤维素酶解效率；②纤维素酶复配和就地生产关键技术；③构建高抑制物耐受性的、戊糖、己糖共发酵的稳定基因工程菌。由于相比乙醇具有更高的碳氢比，丁醇在作为液体燃料使用时具有能量密度高、与汽油互溶性好等诸多优点，是一种具有前景的生物燃料。近年来，随着可再生能源技术开发不断得到重视和发展，发酵法制备丙酮-丁醇-乙醇(acetone-butanol-ethanol，ABE)重获关注。国际方面，Govo公司通过改造一代燃料乙醇生产线；国内尽管部分厂家也积极推动了纤维丁醇的产业化示范，但受制于国际原油价格，目前世界范围内多数生物丁醇产能无法实现生产。

造成生物丁醇原料成本高的主要原因是ABE发酵副产溶剂产物较多。理论上，葡萄糖底物对ABE发酵的总溶剂转化率为0.4 g/g，其中丁醇的转化率仅为0.24 g/g左右，远低于乙醇的理论转化率0.51 g/g[3]。由于严重的丁醇产物细胞毒性，生物丁醇制备过程中的能量消耗主要集中在产物分离阶段；多种副产物的存在也进一步增加了ABE发酵下游分离的技术难度；此外，产物的毒性使得ABE发酵的溶剂时空产率较低。在生产规模上，生产单位质量纤维丁醇产能的设备投入和生产规模远超纤维乙醇。

为解决上述生产瓶颈，目前生物丁醇的技术发展趋势主要有：①在原料的选择上，面向非粮生物质资源，选择低值底物进行发酵，从生产源头控制生物丁醇的生产成本；②构建高耐受性和高产丁醇的发酵菌株，提高底物对生物丁醇的转化率；③通过发酵过程强化和发酵分离耦合，提升溶剂产率，减小生产装置规模，实现溶剂产物的低成本原位分离和浓缩；④构建生物炼制系统和延伸产业链，通过高附加值副产物的制备和生产，提高ABE发酵的产物经济性和生产可行性。

2. 低值生物质资源的高值转化

我国是世界上有机废弃物产生量最大的国家，大量的固体有机废弃物未被资源化利用，而是被随意焚毁、丢弃或直接排放到环境中，造成严重的环境污染和资源浪费，使资源成为污染源。废弃生物质材料作为一类重要的固体有机废弃物，主要来源于植物、动物、微生物等生物质资源，例如农林废弃物、废弃微生物菌渣、餐饮有机废弃物等。废弃生物质材料富含多糖、蛋白、核酸等生物大分子，以其为原料可以获得能源化学品、精细化学品、生物基功能材料等多种高附加值产品。世界各国都十分重视并开展有机生物质残渣资源化与高值化方面的基础和应用基础研究，强化废弃物减量化、资源化利用与安全处置，提高生物质残渣资源的有效利用率。因此研发和建设有机生物质残渣无害化和资源化技术，是一项提升我国有机废弃物资源处理与利用水平、发展循环经济的重要途径，具有明显的经济效益、环境效益和社会效益。

近年来，针对植物来源的农林废弃物的高值转化得到了研究者的广泛关注并取得了显著的进展，例如生物乙醇、生物质重整制氢、纤维素基平台化合物等。但是，同样作为大宗低值生物质材料的废弃微生物菌渣和餐饮有机废弃物则得到关注较少，因其成分相比农林废弃物而言更加复杂，转化和利用的难度也更大。我国发酵工业每年产生废弃微生物菌渣超过8 000万t，目前主要作为固体废弃物直接排放，少量进行了低价值的饲料化和堆肥处理。废弃微生物菌渣以微生物菌体为主要成分，富含多糖、蛋白、核酸等生物大分子，而其中不乏一些高附加值产品，其中最具代表性的当属壳聚糖。壳聚糖作为一种重要的生物活性多糖，在生物医用材料、吸附材料、食品等领域都具有重要的用途，目前主要通过虾壳、蟹壳、食用真菌提取的方法进行生产，成本较高。研究者已从青霉、曲霉等发酵废菌渣中成功实现了壳聚糖的提取，证明这些低值微生物生物质同样可以作为壳聚糖提取的原料。此外，亦有研究者开发出由发酵废菌渣提取红曲色素、粗蛋白、麦角固醇等有效成分的新工艺，但是目前以废弃微生物菌渣为原料进行的高值成分提取仍集中在单一或少数几种产品上，难以对其进行充分的资源化利用。

微生物菌体表面富含羟基、氨基、羧基等功能基团，对废水中的重金属、染料等多种污染物具有优异的吸附性能，以废弃微生物菌渣为原料制备水处理剂，不仅能实现其高值转化，同时可以用于废水中污染物的治理，达到“以废治废、变废为宝”的目的。不同种类的低值微生物生物质均可用于制备生物吸附材料，例如以酿酒酵母废弃菌丝体、褐藻废弃菌体为主要原料制备的生物吸附剂能够用于重金属、贵金属、放射性金属、有机染料等污染物的吸附去除或回收。然而直接以废弃微生物菌体作为生物吸附剂，其机械强度和吸附性能往往不尽如人意；此外，基于废弃微生物菌体的生物吸附作用仍然是一种污染物转移的物理过程，无法实现彻底去除，容易造成严重的二次污染。

目前国内已有团队针对低值生物质废弃物组分复杂、经济性差、环境污染严重等关键共性问题，基于学科交叉与过程集成，以生物化学转化与过程耦合为主要手段，围绕低值有机生物质资源的高值/高效利用与生态环境的有效治理，重点开展“低值生物质原料的高效转化”的基础性、前瞻性研究工作，建立了低值微生物生物质资源高效利用和转化关键技术平台，以物尽其用、变废为宝为原则，使废弃有机生物质变废为宝，实现低值生物质功能化和生物资源利用最大化。通过对复杂低值有机生物质资源高效/定向转化机制与过程优化，以废弃或低值生物质如秸秆、酒糟等为原料，以不同原料生物质特征的优化利用与原料转化机制为关键科学问题，围绕不同生物基产物的反应和传递行为的过程耦合，探讨生物质原料的功能转化机制。