生物能源是指通過(guò)生物的活動(dòng)，從動(dòng)植物、微生物等生物質(zhì)得到的能源，主要包括沼氣、生物燃料、生物制氫等，是人類(lèi)最主要的可再生能源之一。發(fā)展生物能源對(duì)于保障能源安全、改善生態(tài)環(huán)境、助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)等具有重要意義，已成為全球“未來(lái)能源”的戰(zhàn)略必爭(zhēng)領(lǐng)域。國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，到2050年生物能源將成為支撐凈零排放能源新系統(tǒng)的三大核心支柱之一，在全球一次能源消費(fèi)中占比將達(dá)到18.8%。當(dāng)前生產(chǎn)成本高、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)弱、經(jīng)濟(jì)效益低等問(wèn)題制約了生物能源技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。合成生物技術(shù)的興起為生物能源技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了新手段與新途徑，助力加快培育能源新質(zhì)生產(chǎn)力。
一、生產(chǎn)模式變革
生物燃料實(shí)現(xiàn)原料替代
生物燃料指通過(guò)生物質(zhì)生產(chǎn)的生物乙醇、生物柴油、生物航煤等，是生物能源產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程最快的細(xì)分領(lǐng)域之一。在基因工程、代謝工程、合成生物學(xué)等多學(xué)科技術(shù)發(fā)展推動(dòng)下，利用“細(xì)胞工廠”高效合成生物燃料的綠色生產(chǎn)模式日益成熟。其生產(chǎn)原料由第一代糧食作物加快向第二代非糧原料轉(zhuǎn)變，微藻等第三代原料技術(shù)也逐漸興起。以生物乙醇為例：
圖1 三代生物燃料乙醇技術(shù)對(duì)比
第一代生物乙醇技術(shù)：
以糖/淀粉作物為原料，已在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)，美國(guó)（以玉米生產(chǎn)為主）和巴西（以甘蔗生產(chǎn)為主）是最主要的兩大生產(chǎn)國(guó)，產(chǎn)量規(guī)模合計(jì)占全球80%左右。
第二代生物乙醇技術(shù)：
以農(nóng)業(yè)廢棄物和木質(zhì)纖維素材料為原料，在合成生物學(xué)等先進(jìn)生物技術(shù)推動(dòng)下正趨于成熟。全球各國(guó)陸續(xù)建設(shè)了纖維素燃料乙醇生產(chǎn)示范項(xiàng)目，如我國(guó)國(guó)投先進(jìn)生物質(zhì)燃料（海倫）有限公司于2022年4月在黑龍江建成國(guó)內(nèi)首套纖維素燃料乙醇裝置（年產(chǎn)能3萬(wàn)噸）。
第三代生物乙醇技術(shù)：
以微藻為原料，尚處培育階段，多個(gè)能源公司正加速推進(jìn)研發(fā)布局，如法國(guó)能源巨頭道達(dá)爾能源與威立雅集團(tuán)（Veolia）聯(lián)手推進(jìn)二氧化碳培養(yǎng)微藻的技術(shù)研究。
二、產(chǎn)業(yè)化提速
有效提升生物產(chǎn)氫效能
生物制氫是指以生物質(zhì)為原料，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng)來(lái)制備氫氣，包括熱化學(xué)法（相對(duì)較為成熟）與生物法兩大路徑。其中生物法制氫包括生物光解、光發(fā)酵、暗發(fā)酵、光暗耦合發(fā)酵、無(wú)細(xì)胞生成酶生物轉(zhuǎn)化等多種細(xì)分技術(shù)，具有原料來(lái)源廣泛、低碳環(huán)保等顯著優(yōu)勢(shì)。在綠色能源轉(zhuǎn)型與“雙碳”目標(biāo)背景下，化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)物制氫等傳統(tǒng)制氫方式因不可持續(xù)性只能作為氫氣制備的過(guò)渡性技術(shù)手段，以生物制氫為代表的“綠氫”技術(shù)被視為未來(lái)發(fā)展綠色氫能的最佳方式之一。
圖2 幾種制氫方式對(duì)比及占比
自2015年以來(lái)我國(guó)超越歐美成為生物制氫領(lǐng)域“科研大國(guó)”。通過(guò)合成生物技術(shù)改造工程菌、優(yōu)化過(guò)程調(diào)控等，生物制氫效率大幅提升。如，中國(guó)工程院任南琪院士團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)“發(fā)酵法生物制氫技術(shù)”，通過(guò)培養(yǎng)高效產(chǎn)氫新菌屬、開(kāi)展生產(chǎn)規(guī)模試驗(yàn)等加快生物制氫降本增效，逐步推動(dòng)暗發(fā)酵生物制氫技術(shù)進(jìn)入中試放大階段。依托于其團(tuán)隊(duì)最新科研成果，集合氫藍(lán)時(shí)代、工大環(huán)境在系統(tǒng)集成、解決方案等方面的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)首個(gè)生物制氫及發(fā)電一體化項(xiàng)目于2023年2月在哈爾濱市啟動(dòng)試運(yùn)行。該項(xiàng)目以秸稈、廚余、有機(jī)廢水等為發(fā)酵底物，以高效厭氧產(chǎn)氫菌為生產(chǎn)者，實(shí)現(xiàn)了在處理廢棄物的同時(shí)回收大量的清潔能源氫，有力推動(dòng)了生物制氫技術(shù)的示范推廣和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
圖3 國(guó)內(nèi)首個(gè)生物制氫發(fā)電項(xiàng)目
三、前沿突破
加速生物光伏研發(fā)進(jìn)程
生物光伏（BPV），也被稱(chēng)為光合微生物燃料電池或微生物太陽(yáng)能電池，是利用光合微生物（如藍(lán)藻）捕捉太陽(yáng)能來(lái)生產(chǎn)電能的清潔發(fā)電技術(shù)。與傳統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，BPV可不受光照時(shí)域、地域限制，能有效規(guī)避光伏材料及器件生產(chǎn)涉及毒害物質(zhì)、回收利用難等負(fù)面影響，被視為太陽(yáng)能利用的最優(yōu)路線。但也存在光合微生物光電轉(zhuǎn)化效率低等問(wèn)題，長(zhǎng)期以來(lái)BPV尚處實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)階段。
在合成生物學(xué)推動(dòng)下，BPV開(kāi)發(fā)取得重大突破性進(jìn)展。研究人員通過(guò)在遺傳﹑環(huán)境和裝置層面的設(shè)計(jì)﹑改造和優(yōu)化，構(gòu)建出合成微生物組（雙菌、四菌等），有效提升了BPV系統(tǒng)的電能輸出。如，微生物所李寅團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的雙菌BPV系統(tǒng)最大功率密度比單菌BPV系統(tǒng)提高10倍以上，可穩(wěn)定產(chǎn)電40天以上，四菌BPV系統(tǒng)最大功率密度最高可達(dá)1700mW/m2，打破了長(zhǎng)期以來(lái)BPV效率低、壽命短的技術(shù)瓶頸，為進(jìn)一步推動(dòng)BPV開(kāi)發(fā)利用奠定了重要基礎(chǔ)。
圖4 雙菌、四菌合成微生物組生物光伏系統(tǒng)對(duì)比
四、小結(jié)
當(dāng)前合成生物技術(shù)已在生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化與利用、細(xì)胞工廠與生物催化劑的開(kāi)發(fā)與優(yōu)化、全新能量轉(zhuǎn)化路線的設(shè)計(jì)與構(gòu)建等方面實(shí)現(xiàn)變革性突破，為生物能源的高效制備與生產(chǎn)提供了有效手段。為加速推進(jìn)生物能源技術(shù)創(chuàng)新突破與產(chǎn)品規(guī)?；a(chǎn)應(yīng)用，提出如下建議。
加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)
深入挖掘和研究生物能源合成關(guān)鍵路徑，支持多種類(lèi)生物質(zhì)原料高效定向轉(zhuǎn)化技術(shù)創(chuàng)新，構(gòu)建低成本、高效率生產(chǎn)技術(shù)體系。強(qiáng)化生物能源生產(chǎn)工藝及裝備研制，進(jìn)一步提升生物能源生產(chǎn)效率，拓展生物能源產(chǎn)品品種。
優(yōu)化市場(chǎng)準(zhǔn)入
開(kāi)展生物能源產(chǎn)品實(shí)用性評(píng)價(jià)和經(jīng)濟(jì)可行性分析，研究與探索市場(chǎng)準(zhǔn)入相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范制定，加快推進(jìn)生物能源產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。完善生物能源生態(tài)補(bǔ)償、無(wú)障礙消納和市場(chǎng)化發(fā)展機(jī)制，提升生物能源產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
拓展應(yīng)用場(chǎng)景
在交通、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活供電供熱等重點(diǎn)領(lǐng)域，因地制宜地推進(jìn)生物能源示范項(xiàng)目建設(shè)，探索可復(fù)制可推廣的發(fā)展路徑，逐步形成示范效應(yīng)和規(guī)模效應(yīng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)生物能源在各應(yīng)用領(lǐng)域的有效替代與規(guī)?；瘧?yīng)用。
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作 者
謝亞楠，長(zhǎng)期從事生物經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域研究工作
