生物炼制的内涵与体系界定

（一）生物炼制系统构成

根据《生物炼制路线图》专家组的定义，生物炼制生产链条主要由4部分构成：一是原料供应，生物质原材料的制备供应；二是一次炼制，即对生物质原材料进行成分分离，此阶段主要采用的是物理机械技术工艺；三是二次炼制，即对经过一次加工后的中间产品进行转化处理，此阶段主要采用的是化学生物技术工艺；四是成品销售，生物炼制制成品进入销售市场。一次炼制过程中，生物质原材料被分离成为中间产品（如纤维素、淀粉、糖料、汕料、木质素、植物纤维、沼气、混合气等）。二次炼制过程中，对经过一次炼制后中间原料产品进行转化精炼，形成半成品或者成品。因此，生物炼制作为整体系统包括4项核心要素：生物质原料、中间产品、工艺流程、最终产品。表4-4详细列出了生物炼制系统核心要素构成情况。

从表4-4可以看出，生物炼制所需生物质原材料来源丰富多样，包括陆生植物、水生植物、工业生物质废弃物、生活生物质废弃物等等，但仍可以按照其组成成分划分为：碳水化合物、脂类、蛋白质、木质素等四大基本类型。生物炼制工艺技术流程可分为：物理机械工艺（粉碎、干燥、加温、冷却、压缩、过滤、蒸馏和萃取等）、热化学工艺（焚烧、气化、热解和水热法等）、化学工艺（氧化、加氢、酯化、醚化、水解、聚合和化学催化等）、生物工艺（发酵、酶催化等）等四种类。生物炼制的最终产品分为“工业生产原材料产品”和“生物质能源产品”两大类。目前，与传统石化工业相比，生物炼制产品所占市场份额依然很小。2008年，德国约有360万吨生物质原料用于原材料产品生产；2010年，生物质能源占德国能源消费总量的7.9%，占可再生能源消费总量的71%。

表4-4　生物炼制系统核心要素构成表

（二）生物炼制物质流程

国际能源署（IEA）对生物炼制系统及其相关技术概念作出了标准规范，并将生物炼制的“中间产品”定义为“生物炼制平台”（这些中间产品是生物质原材料在一次炼制过程中分离出来的产品，成为二次炼制的生产原料），并给出了生物炼制物质流程图。

（三）生物炼制技术体系

按照生物炼制体系内部原料、平台、工艺和产品组成，生物炼制技术体系包括：糖与淀粉生物炼制，植物与藻类油脂生物炼制，木质纤维素生物炼制，合成气生物炼制，沼气生物炼制等五大技术领域。各领域内容构成如下：

图4-13　生物炼制物质流程示意图

1.糖与淀粉生物炼制

（1）糖料生物炼制以在一次炼制过程中利用分离技术工艺获得砂糖中间产品为基本特征，在一次炼制过程中获得的砂糖可在二次炼制中用于生产乙醇等产品的发酵原料。目前，德国的主要糖料生物炼制作物是甜菜。

（2）淀粉生物炼制以在一次炼制过程中利用分离技术工艺获得淀粉中间产品为基本特征。玉米、小麦、水稻、土豆和木薯均可作为其生产原材料，德国主要种植应用的材料是土豆、玉米和小麦。作为淀粉生物炼制中间产品，天然淀粉可直接用于食品生产加工行业。同时，淀粉在化工领域也有着广泛应用（如纸张、论坛、黏结剂、添加剂等）。

2.植物与藻类油脂生物炼制

（1）植物油脂生物炼制以通过一次炼制获得植物油料中间产品为基本特征。从全球范围来看，植物油脂生物炼制生产原材料包括油菜籽、棉花籽、花生、大豆、葵花、橄榄、棕榈等多种油料作物。油莱和葵花是德国主要植物油料作物。植物油脂生物炼制中间产品经过二次炼制，可直接生产生物柴油用于发电、供热和动力燃料，也可以提炼脂肪酸和甘油等生产原料用于化工生产。

（2）藻类油脂生物炼制以通过一次炼制获得藻类脂类中间产品为基本特征。目前，藻类油脂生物炼制原材料主要是微藻。微藻中富含的蛋白质成分可以直接用于饲料食品生产。微藻中富含的酯类和甘油可用于制备液体燃料，经二次炼制制备生物质燃油热值很高（是木材或农作物秸秆的1.4～2倍）。此外，微藻富含的维生素、硫胺素、核黄素、吡多醇、生物素、肌醇、叶酸、泛酸钙和烟酸等成分等在医药化工领域也有着广泛应用。

3.木质纤维素生物炼制 木质纤维素生物炼制以通过一次炼制获得木质素、纤维素和半纤维素等中间产品为基本特征。木质纤维素生物炼制原料来源广泛包括：农业生产废弃物（稻草、蔗渣、玉米穗轴等）、能源作物（一年生或多年生牧草）、木材和有机废物（废纸等）等。目前，德国木质纤维素生物炼制原料主要是农业生产废弃物和木材。木质素和纤维素经过二次炼制可以用于制备葡萄糖、木糖、乙醇、有机酸、氨基酸等能源化工产品原料。

4.合成气生物炼制 合成气生物炼制在一次炼制中没有经过独立的物理分离过程，而是通过类似利用生物质有机质制备沼气的方式生产合成气。农业生产废弃物、能源作物、木材、干生物废弃物等均可以作为合成气生物炼制原料。目前，德国合成气生物炼制原料主要是农业生产废弃物和木材。合成气生物炼制的最大优势是可以经过二次炼制可以获得多种能源和化工产品，如氨及相关产品、甲醇及相关产品、费托合成产品、氢甲酰化产品等。

5.沼气生物炼制 沼气生物炼制在一次炼制中也没有独立的物理分离过程，主要利用微生物发酵工艺生产原始沼气。有机农业生产废弃物、作物秸秆、食品加工有机废弃物、城市有机废弃物和能源作物废弃物等均可以作为沼气生物炼制原材料。原始沼气经过二次炼制可以直接用于供热、发电和汽车燃料，也可以通过净化、干燥、脱硫等工艺流程并入能源供应网络。沼气发酵的残余物可以用农业肥料生产。