1生物经济革命的机遇与挑战
21世纪生物经济革命悄然来临，美国国家科学院提出：“生物科学在新世纪对新兴产业带来的影响有如过去物理和化学科学对工业发展的影响一样。”从生物学资源可以得到各种产品，诸如食品、饲料、建筑材料、纸张、服装、燃料和润滑油、化学品、热能和电力等等。随着科学技术不断取得突破，生物科学和过程工程则获得了更大的进步，推动生物基产品和生物能源应用不断扩展。基于生物工艺和资源的产品可为国家经济的健康、可持续发展提供强有力的支撑，同时有助于减轻环境压力，改进农村经济，稳定收支平衡，加强能源安全，从而保持美国经济在世界上的领先地位。为此，美国政府先后提出多项计划和法令，主要内容包括：
（1）国家设想：为形成强大产业提供技术支持和市场开发，为农村创造新的经济增长方向，改善环境，加强美国能源和经济安全，并为消费者带来高质量的产品；
（2）国家目标：2010年美国要在三个方面应用新兴的生物基产品和能源，即燃料、电力和产品；
（3）联邦政府职责：加快研发生物基产品和生物能源生产技术，使之能在国内和国际市场上具有竞争力，同时提高可再生资源的利用效率，保护环境；
（4）全国参与：各行业、学术团体、政府部门，不论联邦级、州级和地方层次非政府组织间加强合作，使国家的设想成为现实。
在推进生物基产品和生物能源的科学技术进展过程中，可再生碳基工业得到了不断的扩展。生物基产品和生物能源比所取代的化石和无机产品耗能少，从而取得良好的环境效益。生物基产品一般可减少废料，改进大气和水的质量，而且可以补集大量的碳。但生物原料的生长、加工和应用过程也对环境存在一些负面影响，如改变土质和作物生长质量而对农药、肥料、水和其他方面的需求，可能带来多方面的风险。为了进一步提升环境效益、降低风险，需要对从计划到实现工业化的整个过程中的每个阶段进行全面评价。
开发新型生物基产品和生物能源也面临着一定的挑战。由于生物质资源种类繁多，相比化石基生产技术，以生物学为基础的技术更为复杂，与石油相比加工难度较大，但可以制备化石燃料及其多种衍生产品，而且产品的性能和价值得到大幅提升。伴随着生物科学和技术的迅速发展，生物基产品生产、转化技术更新换代加速。虽然产业界各公司对待挑战的态度不同，但总的思路是采用集成的、系统的研究开发来推动创新，降低成本，使美国工业能在现已开始的生物学革命中保持领先地位。政府及其相关组织和生产企业等多方参与者及时的投资将有助于实现目标，而且只有加快研究开发和示范项目工业化，推进市场进程，并增加相关领域科技人才的培养，才能使新兴的生物基产品和生物能源更快地进入市场。此外，也须开发农作物和树木生产的综合科学技术，以及将生物质转化为燃料、材料、化学品、电力和热能的技术。
2生物基产品与生物能源开发的现状与未来设想
由生物质转化而得到的糖和生物合成气是两种基础性原料，以其为原料可以制备多种产品。具体方面如下：①糖：对生物产品工业的重要性相当于乙烯在石化工业中的地位。从木质素纤维衍生的糖可以通过发酵和化学方法制备多种产品，诸如醇类、酸类、聚合物等。②生物合成气：生物质通过热转化生成生物合成气(CO、H2、CO2，水汽和少量焦油)，去除其中的焦油可以制备醇类、酸类、清洁烃类燃料和电能以及其他产品。
2.1生物基产品
目前可再生资源每年可提供3000亿磅碳基产品(不包括食品和饲料)，主要是木材产品。化学工业每年也由化石资源生产3000亿磅碳基产品，两者合计每年可提供约6000亿磅材料，广泛用于生产生活的各个领域。
传统生物工业包括新闻纸、包装箱等纸张和包装产品；以及层压板、工程化墙体材料、木质/聚合物结构材料、木质素基聚合物等木基复合材料。新兴生物工业涉及植物基塑料和聚合物薄膜、润滑油、酶、可再生纤维纸张和包装替代品等。生物基产品在多种制造业中得到广泛的应用，例如用作吸附剂、吸收剂、泥瓦和道路作业材料，粘合剂，溶剂、化学中间体和清洁剂，涂装和涂料，化妆品和个人保健用品，新型纤维、新型填料、纤维束和保温绝缘材料，以及药品等。
生物基产品的研发、生产、应用等方面将取得突飞猛进的发展，包括农作物生产，提高和改进农作物转化为各种产品的技术，开发新产品的高新技术等。这些发展依靠生物学、植物基因学、计算机科学、生物技术以及转化和输送等方面的进步，同时需要进一步了解天然产物对环境的影响，提高对产物的设计能力。通过增加生物质和废料的应用可以提高农用土地和森林的质量，并获得良好的环境效益。合成材料公司与农业加工企业合作开发生物降解聚合物已实现工业化，由葡萄糖制聚乳酸，由微生物生产的化学品制造纤维。不断完善和协调各行业间的合作，有效地开拓生物基塑料和其他产品，迎接生物经济新时代的到来。
2.2生物能源
生物质能源约占美国一次能源供应量的3%。在生物质转化过程中，其能量损失了近50%，其余是以热能、电力和气液态燃料形式消费。生物能源主要用于以下几方面：
建筑：木材加热约占美国居民加热用能的10%；
电力：生物质废料、城市垃圾、填埋物产生气用于发电，发电能力约10000兆瓦(占美国电站总能力的1%)，产生600亿kW·h电能，每年可减少700万t CO2排放；
工业：生物质加工过程和废料生产的热和电占造纸工业总热量需求的56%，为木材加工提供75%的热能；
运输业：乙醇(玉米淀粉加工而得)约占液体燃料需求的0.4%，如将乙醇和汽油混配，则可代替3%的汽油供应，1998年美国所消耗的350亿加仑柴油中约600万加仑是生物柴油。自1980年以来，美国玉米乙醇产量提高了10倍，过去20年中建设了730座生物能源发电装置，58座乙醇生产装置和许多加热装置。
将进一步大幅度提升生物质转化为电、热和运输用燃料的效率。当前的生物能源系统是一个多种技术的复合体，每个技术单元的效率一般在15%-60%，能源投入产出比平均为40%-50%。通过高级技术组合，如将热电生产结合，生产液态燃料，平均效率可达60%-80%，即便如此也不足以与化石燃料竞争。因此需要开发和应用高级生物质气化技术，与高级透平机联合循环，并结合燃料电池，则效率可达60%以上，为此要降低这些技术的商业风险。
一些生物能源的实施要与现有的能源基础设施相兼容，生物质的气化与煤的气化结合是可行的，这样可以提高生物质原料所占的比例。与生物合成气相结合，满足管道输送要求，从而可提高天然气的供应量。生物质固体残料与煤共烧，可以提高效率，减少投资。上世纪80-90年代，废品工业投资150亿美元建设了7000兆瓦发电能力，创造了6.6万个就业机会，每年净收入20亿美元，如果采用先进技术与化石燃料基础设施相结合，生物电力工业可在未来10年内增加3倍，与之相应可增20万个工作岗位。按照现已制定的规划，2010年生物质用量增加一倍，产出可达2000年的3倍。
在现有液体燃料基础设施中，增加乙醇生产，可提高乙醇汽油中含氧物比例，从而改进空气质量。MTBE是一种应用广泛的汽油添加剂，美国有些州已开始禁用，每年的乙醇用量将要增加1.8倍。
3生物质开发利用的战略目标与措施
生物质资源开发利用过程中，在市场、技术和政策三个方面相互关联并互相牵制，其核心是市场对生物基产品和生物能源的需求，需要有一个战略计划确定技术和政策的目标，为实现2010年的既定目标提供坚实基础。仅依靠制定目标和战略并不能达到目的，要取得成功，必须要建设示范项目并实现工业化，同时政府要发布一系列法令，联邦政府和各州政府要提出总体和各自的设想、技术路线和战略性计划程序以及单项计划。
3.1技术开发方面
目标1：到2010年要降低生物基产品和生物能源的综合供应、转化和应用技术成本2-10倍，开发250种新型生物基产品并实现工业化。技术范畴包括生物质生产、收集、运输和分销以及生物质制燃料、发电、供热、化学品和其他材料的转化技术。
措施：实施联邦政府生物基研究开发计划，调整跨部门的综合基金申请；协调私营企业、大学等部门与政府试验机构间的竞争，在关键性研究开发问题方面提供结构性、展望性和技术性支持；开发有效利用资源、环境友好、生产效率高的原料生产系统。
目标2：2002-2008年期间建立示范性的关键的综合集成生物基产品和生物能源系统，包括建立一座多种产品联产的集成示范装置以及以木质素纤维素生物质为原料生产糖、乙醇和电力的装置；建立农村加工生产生物基产品示范工厂，如复合材料、建筑材料、农作物废料制塑料以及利用综合气化技术建设小电厂等。
措施：确定所需科学和技术资源，充分利用现有装置，各部门间合作进行技术示范，启动私人投资进行可行技术的示范。
目标3：监测和评价生物基产品和生物能源在开发过程的所有阶段对环境和生态系统的影响，利用这方面信息提高系统的安全性和环境效益。包括2002年由联邦、州和各地政府的农业、林业和环境部门评议环境和生态系统的监测情况，利用信息资源和手段加速制定有利于提高经济效益、农业能源和环境效益的生物基产品和生物能源的发展计划。
措施：推动生物基产品和生物能源的研发进程，使其对化石基燃料、电能和热能、化学品和材料的替代兼具可持续性和环境效益；建立专门评议委员会，进行环境监测和评价；利用先进的信息技术向公众提供生物基产品和能源环境和生态系统影响的信息。
目标4：促进以创新推动生物质原料、生物基产品和生物能源科学进展，并加快与相关技术开发相结合。包括开发10种目标生物催化剂和5种目标原料的功能基因学，开发相应的代谢工程，使反应速率提高3倍。
措施：加强基础性科学研究规划和赞助投资；加强人力资源以支持科学研究开发计划；两年评价一次各部门生物基产品和生物能源研发进展情况，确定前沿科学技术存在的差距；确定最大效益的研发项目及所面临的挑战；鼓励相关科研单位积极参与，并取得生物质工业关键技术的突破。
2.市场和政策方面
目标5：出台相关政策鼓励生物基产品和生物能源尽快占有市场，拓宽应用领域。
措施：掌握生物基产品和生物能源在研究、开发、示范和应用过程中的难题，通过税收优惠、环境补贴等措施和买断机制等政策予以克服；将生物基产品和生物能源的环境效益与公共政策的开发衔接起来；解决基础设施、产品性能、环境和保健方面的测试问题，这是市场接纳生物产品和生物能源的前提；制定生物基产品和生物能源的相关标准。
目标6：通过出台法律法规以提高联邦政府的生物能源采购比例达到5%，到2010年相关的生物基产品采购达到10%。
措施：推动并协调目前的“绿色”采购规划，并与相关组织合作交流；制定立法，促进生物基产品和生物能源的应用；利用目标示范规划收集数据，对效益和成本进行量化。
目标7：2010年推动新兴生物基产品和生物能源在三个方面的应用，使生物燃烧产量增加3倍，并与联邦政府资源节约和环境政策保持一致。
措施：与有关组织合作推动私人资本在关键领域的投资，加快相关技术的实施进程，如能源部与环境署合作可以推进生物质化和化石燃料共燃的工业化进程。
(摘自《中国化工信息》周刊，2008年7期)