農(nóng)業(yè)新質(zhì)生產(chǎn)力——生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)“點金術”

原文發(fā)表于《科技導報》2025 年第19 期 《 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)“點金術”——生物質(zhì)產(chǎn)業(yè) 》

多年來，中國的農(nóng)產(chǎn)品尤其是糧食作物的單產(chǎn)水平一直在穩(wěn)定地提高。但由于多種原因，農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)值一直在較低水平踏步不前。本文分析了生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術和微生物技術的前景及發(fā)展?jié)摿ΑＭ瑫r“雙碳”目標下，生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化等技術的突破為農(nóng)產(chǎn)物對工業(yè)品實施部分綠色替代提供了可能。

農(nóng)產(chǎn)品價格普遍低下是中國農(nóng)業(yè)特有的現(xiàn)象，也是農(nóng)業(yè)弱質(zhì)化的重要原因之一。現(xiàn)有的農(nóng)產(chǎn)品加工增值、提高附加值等手段均效果有限。要想從根本上解決問題，須靠發(fā)展某種農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，以及在其基礎上進行第一二三產(chǎn)業(yè)的融合。這個“某種產(chǎn)業(yè)”，即新興的“農(nóng)業(yè)生物質(zhì)制造”，所依靠的是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（生物質(zhì)）“點金術”。最終形成的是農(nóng)業(yè)的新質(zhì)生產(chǎn)力。

1 農(nóng)產(chǎn)物“點石成金”的探索

在衡量生產(chǎn)力的諸要素中，與農(nóng)產(chǎn)品單產(chǎn)水平、生產(chǎn)效率相比，提高產(chǎn)品的產(chǎn)值是最困難的。近年來出現(xiàn)的生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化等技術展示了一種新的情景：利用農(nóng)、林、牧業(yè)的廢棄物、剩余物和下腳料，和在邊際土地上能種植的能源植物（灌木，草類），可制造出生物質(zhì)合成能源、材料和化學品。這種因創(chuàng)新農(nóng)業(yè)生物質(zhì)利用方式并大幅升值而獲得的生產(chǎn)力，即可稱之為農(nóng)業(yè)的“新質(zhì)生產(chǎn)力”。

1.1 中國古代的“點石成金”和西方古代的煉金術

“點石成金”和西方“煉金術”在人類的不斷嘗試下最終證明為不可實現(xiàn)。然而，現(xiàn)代生物技術卻使農(nóng)業(yè)真正能做到“點”生物質(zhì)成價值可追“金”的產(chǎn)品。

這里所論述的農(nóng)業(yè)“生物質(zhì)制造”，屬廣義的生物制造，是指以農(nóng)林生物質(zhì)為原料、通過生物化學/物理手段轉(zhuǎn)化的生物能源、材料和化學品的制造業(yè)；是生物質(zhì)向工業(yè)制造業(yè)滲透，從而正在形成的新興產(chǎn)業(yè)——生物質(zhì)化工（含生物能源和生物基材料），以及生物質(zhì)儲能。

1.2 國際學術界關于生物質(zhì)“點石成金”的探索

近年來，生物質(zhì)價值大幅度抬升的概念在發(fā)達國家出現(xiàn)，產(chǎn)生了一個新詞意：valorization（英文原意是指賦于高價），我們借用來表達農(nóng)業(yè)生物質(zhì)“點金”升值。

隨著研究的深入，發(fā)表有關生物質(zhì)研發(fā)成果的論文大量涌現(xiàn)。2012年8月，英國諾丁漢大學Christopher O. Tuck在

Science

的“廢棄物利用專欄“ （special section） 發(fā)表題為“Valorization of biomass: Deriving more value from waste”的論文。他在論文中提供了以下數(shù)據(jù)：生物質(zhì)（如秸稈）如果以垃圾形態(tài)到送填埋場，每噸要消耗400 $的費用；如用作牛飼料，每噸價值僅70 $；如轉(zhuǎn)化為車用生物燃料，每噸價值可提高到400 $；如果轉(zhuǎn)化為生物合成材料中間體，平均價格可達1000 $或更高。其價值是飼料的十幾倍到數(shù)十倍。

又如，2014年在

Bioresource Technology

上刊登的一篇論文，介紹了造紙廢液經(jīng)微生物——化學轉(zhuǎn)化（“煉金”）制取價值很高的全生物可降解塑料——羥基脂肪酸聚酯（PHA）。

2014年8月，

PNAS

刊登美國國家可再生能源研究中心Linger等的論文，闡述以木質(zhì)素類原料，通過化學轉(zhuǎn)化加微生物產(chǎn)芳香烴機制進一步合成高價值的全生物可降解塑料PHA的獨特途徑。

2022年，美國麻省理工學院的Calvo–Flores等在《化學前沿》（

Frontiers in Chemistry

）上發(fā)表論文，介紹了C1~C6共8種生物基平臺化合物及其具有商業(yè)化前景的衍生物，論文的第一個關鍵詞便是biomass valorisation。

2025年，

Sustainability

發(fā)表了由da Paix?o等撰寫的關于生物質(zhì)“點金術”的分類型發(fā)展；Pandey等發(fā)表了關于生物質(zhì)通過“點金術”生產(chǎn)生物燃油和生物基產(chǎn)品的綜述。

不同于國際上新興的生物質(zhì)“點金”（valorize）研發(fā)觀念，國內(nèi)通行的“農(nóng)產(chǎn)品加工（agricultural products processing）”觀念，既缺乏學科交叉，更談不上產(chǎn)業(yè)融合，難以與國際前沿接軌，無法對大幅度增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)值和農(nóng)民收入作出有力的貢獻。以agricultural products processing（農(nóng)產(chǎn)品加工）為關鍵詞，在Web of Sciece collection搜索，只發(fā)現(xiàn)50篇論文，而且絕大部分都是中國作者（以英文）在專業(yè)會議上發(fā)表的。這與以biomass valorize為關鍵詞，能搜索到數(shù)千篇大多在國際高影響因子期刊發(fā)表論文的狀況，形成鮮明的對比。

1.3 美國研發(fā)“農(nóng)產(chǎn)物應用”對農(nóng)產(chǎn)物升值作出重大貢獻

國際上，與valorization近義的詞有biorefinery（生物煉制）。但最能反映生物質(zhì)“點金”涵義的，則是美國的“農(nóng)產(chǎn)物應用”（agricultual utilization）。其在技術創(chuàng)新上已作出了不凡的貢獻。

20世紀30年代，為解決農(nóng)產(chǎn)品滯銷和低價問題，美國農(nóng)業(yè)部成立了5個區(qū)域性“農(nóng)產(chǎn)物應用研究中心”。其中中部中心的代表性的成就有：

（1）玉米濕磨漿廢液替代昂貴的培養(yǎng)基生產(chǎn)青霉素，突破了青霉素從試管培養(yǎng)到工廠生產(chǎn)的屏障，大大降低了戰(zhàn)場死亡率；

（2）20世紀50年代，研發(fā)出玉米制燃料乙醇；

（3）研發(fā)出耦聯(lián)淀粉高吸水物Super Slurpet系列。

2 生物質(zhì)熱化學技術的突破為誕生“農(nóng)業(yè)生物制造”產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了基本條件

當前，生物質(zhì)“點金”出現(xiàn)了一系列的機遇。首先，“循環(huán)經(jīng)濟”觀念開始深入人心。其次，全球應對氣候變化的行動帶來生物質(zhì)“綠色”價值的顯現(xiàn)和“變現(xiàn)”。最后，則是生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術出現(xiàn)一系列突破，特別是熱化學轉(zhuǎn)化技術的突破。

2.1 生物質(zhì)“綠色”價值的“變現(xiàn)”和“碳關稅”對貿(mào)易的壓力

國際海洋航運業(yè)多年來使用的燃料是化石基輕柴油和重油。每年排放的溫室氣體占全球總排量（二氧化碳當量）的2.5%。為此，國際海事組織（IMO）2023年7月通過溫室氣體減排戰(zhàn)略修正案，規(guī)定到2030年和2040年，國際航運的年溫室氣體排放總量要分別比2008年減少20%和70%。據(jù)航運界研究確認，主要依靠生物質(zhì)轉(zhuǎn)化生產(chǎn)的“綠色甲醇”“綠色LNG”和“綠氨”，將是今后替代船用柴油的理想碳減排燃料。目前，生物基“綠色甲醇”已經(jīng)開始被馬士基集團等國際航運巨頭的船隊使用。

2.2 生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術出現(xiàn)重大突破，生物質(zhì)“點金”有術

生物質(zhì)微生物發(fā)酵和微生物培養(yǎng)是比較成熟的技術，近年來，出現(xiàn)了3類技術突破，其中屬于生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化范疇的生物質(zhì)氣化?合成技術最為突出。

2.2.1 高價值有效成分的發(fā)現(xiàn)和提取

國內(nèi)某紙業(yè)集團除利用秸稈生產(chǎn)環(huán)保型出口本色紙?zhí)娲緷{外，還在造紙黑液中提取黃腐酸制成優(yōu)質(zhì)有機肥，黃腐酸具有促進植物生長、增進化肥肥效和改良土壤的作用。兩方面的增值效果顯著，秸稈“點金”價值抬升約10~15倍。

2.2.2 生物質(zhì)氣化—合成技術取得重大突破

在生物質(zhì)熱裂解轉(zhuǎn)化方面，以南京林業(yè)大學張齊生、周建斌團隊生物質(zhì)熱解聯(lián)產(chǎn)多種產(chǎn)品的技術為例。該技術集氣化發(fā)電、供熱、制炭、制肥于一體，已在河北省平泉縣落地生根開花結(jié)果。

生物質(zhì)氣化—合成技術取得重大突破。生物質(zhì)本質(zhì)上是碳、氫、氧的化合物，與同樣以碳、氫、氧組成的烷、烴類為基本構成的化石能源相比，存在氧含量高、熱值較低、常規(guī)氣化產(chǎn)生難處理的焦油、易結(jié)渣等缺陷，但沒有實質(zhì)性區(qū)別。理論上生物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化出幾乎所有與石油、煤和天然氣衍生物相對應的工業(yè)品，包括合成材料和合成燃料。

而生物質(zhì)如果要產(chǎn)生烯烴類產(chǎn)物，常規(guī)途徑要經(jīng)過復雜的包括物料預處理、化學轉(zhuǎn)化或微生物轉(zhuǎn)化的過程，而且需通過若干種平臺化合物“中轉(zhuǎn)”和進行多道脫氧加氫反應，效率很低，成本高昂。

目前，已經(jīng)從原理上克服技術瓶頸，使生物質(zhì)氣化成類似煤化工的“合成氣”形態(tài)，從而打通直接合成多種化合物的通道，可以轉(zhuǎn)化出幾乎所有與石油、煤和天然氣衍生物相對應的工業(yè)品，是生物質(zhì)轉(zhuǎn)化最高效的方式之一（圖1）。

圖1 生物質(zhì)化工與石油化工/煤化工的對比

生物質(zhì)氣化技術歷經(jīng)國內(nèi)外200多年的研發(fā)，始終因為原料不具備氣流輸送性、產(chǎn)生焦油引起管道堵塞、產(chǎn)生的混合氣中H2和CO的含量不高、雜質(zhì)多等問題無法根本解決，一直未能實現(xiàn)穩(wěn)定的工業(yè)化生產(chǎn)。

國內(nèi)某集團通過對生物質(zhì)原料實施“氣流床生物質(zhì)蒸汽重整制煤化生物質(zhì)”工藝，實行“煤化”（半焦化）改性，物料具備了工業(yè)化生產(chǎn)必需的氣流輸送性，從而使生物質(zhì)轉(zhuǎn)化既能像現(xiàn)代煤化工那樣產(chǎn)生多種高價值能源、材料和化學品，又能避免煤化工那樣的大量碳排放。

以氣化—合成的生物基甲醇、生物甲烷和綠色航煤為例，測算生物質(zhì)“點金”（轉(zhuǎn)化提質(zhì)+綠色溢價）的效果：作物秸稈和木質(zhì)纖維類生物質(zhì)價格為100~300 元/t。

2.2.3 木質(zhì)纖維類生物質(zhì)三素分離及分別利用

生物質(zhì)的組分除直接被食物和飼料利用的淀粉、糖類、蛋白質(zhì)和脂肪外，主要是纖維素、半纖維素及木質(zhì)素（“三素”）。尤其對木質(zhì)纖維類生物質(zhì)而言，三素是最主要的組分，也是生物質(zhì)非糧利用的主要原料。

當前的生化技術已發(fā)展到用葡萄糖、果糖作原料，轉(zhuǎn)化出一系列重要的平臺化合物，進而合成替代石油基樹脂的生物基樹脂，典型案例有替代聚對苯二甲酸乙二酯（PET）的生物基呋喃二甲酸乙二醇（PEF）和聚乳酸。

1）PET樹脂用于生產(chǎn)聚酯纖維（滌綸）、聚酯瓶片和聚酯薄膜，廣泛用于化學纖維、輕工、電子、建筑等國民經(jīng)濟的各個方面，有望成為未來產(chǎn)能最大的聚合物之一，但原料的2個組分都來自石油。

目前，生物基2,5?呋喃二甲酸需用葡萄糖或果糖為原料生產(chǎn)。正在研發(fā)中的秸稈類生物質(zhì)轉(zhuǎn)化出5?羥甲基糠醛（HMF）和乙酰丙酸，生物基HMF經(jīng)轉(zhuǎn)化為呋喃二甲酸后，可替代石化基PET的組分對苯二甲酸，而乙酰丙酸則是合成各種輕化工產(chǎn)品的基本原料。

目前，中國PET的2組分PTA和乙二醇（EG），或丁二醇尚需進口。石化PET的國內(nèi)市場價格為6650 元/t；而生物基PET因?qū)倏山到馑芰希瑑r格超萬元/t。

2）生物基聚乳酸（PLA）是一種新型的生物降解材料。在食品包裝、纖維面料、無紡布、薄膜等領域替代石油基聚丙烯等。最突出的是在醫(yī)用材料（手術線、骨釘?shù)龋┥系玫綇V泛應用。

鑒于酶解纖維素經(jīng)生物發(fā)酵也可產(chǎn)生乳酸，再經(jīng)化學合成形成丙交酯，最后聚合形成純聚乳酸PLA生物塑料。這樣生產(chǎn)的生物PLA成本可大幅降低。

中國科學院植物研究所桑濤團隊創(chuàng)新秸稈類生物質(zhì)三素分離、纖維素酶解等技術，在湖北石首市洞庭湖區(qū)建成項目（一期），已具備年產(chǎn)3000 t纖維素（葡萄糖）∕半纖維素（木糖）聚乳酸和酶解木質(zhì)素的能力。木質(zhì)素用于制備石化基環(huán)氧樹脂的生物基替代品（用于碳纖維復合材料），以及高價值的硬碳負電極材料。

3 農(nóng)業(yè)生物質(zhì)“成金”和形成新質(zhì)生產(chǎn)力的其他重要條件

生物質(zhì)“點金術”要能對發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和振興鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)真正有意義，還必須具備2個前提條件：

（1）數(shù)量和市場規(guī)模巨大，絕非所謂“特色產(chǎn)業(yè)”或若干個案可與之相提并論；

（2）“點金術”須有能在農(nóng)村就地開展和有很多農(nóng)民參與工作的特質(zhì)，而不是都集中到開發(fā)區(qū)或城市里。

3.1 巨大的市場

生物質(zhì)“點金”衍生出的生物質(zhì)能源和生物質(zhì)化工，特別是生物基合成材料均有著極為廣闊的市場。2004年，美國能源部針對石油基的300多種石化產(chǎn)品，尋找到12種對應替代的重要生物基平臺化合物。目前僅中國航空煤油一項，年消費量就約為4000 萬t，預計2030年達6000 萬t。

再具體來看若干石化—煤化工產(chǎn)品的市場規(guī)模：石油化工產(chǎn)品是工業(yè)最重要的基礎原料。“少油缺氣”的國情迫使大量進口。煤化工取得突破后，情況有了較大改善。然而煤化工的致命缺陷是大量排放CO2，生物質(zhì)化工則完全可以替代而且零碳排放。生物基燃料可部分替代的進口大宗商品能源有：

（1）年進口原油5.64億t（占總消費量70%）；

（2）年進口天然氣1800億m3（占總消費量43.2%）。

3.2 農(nóng)民能廣泛參與和獲得收入

（1）點“金”得先有“石”。生物質(zhì)原料的種植、收獲、收集、儲運需要大量勞動力。使有生物質(zhì)原料和有邊際土地的農(nóng)民都能參與和收益。

（2）目前已經(jīng)在進行的有：生物質(zhì)就地變性：壓縮成型（顆粒、塊）；研磨，可以進一步建立大量鄉(xiāng)村工廠；

（3）生物質(zhì)原料的就地改性和預處理；在與下游產(chǎn)品市場聯(lián)通的情況下，確保綠色環(huán)保工藝，可以逐步增加建立在鄉(xiāng)村的工廠；

（4）部分生物質(zhì)衍生產(chǎn)品，如PHA和PLA可降解地膜、包裝膜，在農(nóng)村深加工后就地銷售，農(nóng)民可以分享到商業(yè)利潤。

4 結(jié)論

綜上所述，在農(nóng)村建起大批生物質(zhì)“點金術”的預處理和初加工的工廠（生物質(zhì)制造業(yè)），農(nóng)業(yè)聯(lián)接工業(yè)，真正實現(xiàn)農(nóng)業(yè)一二三產(chǎn)融合，有必要對生物質(zhì)的現(xiàn)代應用重新、準確定位：

• 即改變以往側(cè)重生物質(zhì)直燃發(fā)電和制備生物乙醇、脂交換生物柴油的利用路線；

• 不與常規(guī)化石能源直接競爭和尋求對其大規(guī)模替代；

• 除了滿足煤電低碳化改造（摻燒）和分布式供熱，以及制備價值高的生物天然氣和特種燃油（綠色甲醇，綠色航煤，綠氨）的需要之外，將應用重點放到能使農(nóng)林產(chǎn)物，尤其是難以利用的廢棄/剩余物和木質(zhì)纖維類生物質(zhì)“點石成金”的領域，特別是能夠替代高價值石化和煤化工產(chǎn)品的生物質(zhì)化工領域，以實現(xiàn)生物質(zhì)的綠色價值；

• 作為一種新質(zhì)生產(chǎn)力，幫助農(nóng)業(yè)逐步擺脫“弱質(zhì)”局面。

本文作者：程序，朱萬斌，王洪亮

作者簡介：程序，中國農(nóng)業(yè)大學生物質(zhì)工程中心，教授，研究方向為生物質(zhì)工程，可持續(xù)農(nóng)業(yè)與農(nóng)村發(fā)展。

文章來 源 ： 程序, 朱萬斌, 王洪亮. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)“點金術”——生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)[J]. 科技導報, 2025, 43(19): 16?22 .

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