1 生物质能源的重要战略地位
随着世界人口的快速增长，各国经济突飞猛进，工业化进程不断深入，能源危机已经成为世界性的问题。传统的化石能源储量不断下降，同时使用化石能源所造成的严重的环境污染以及治理污染所需的不菲的成本，都使得人们迫切得需要一种新型的、环境友好的、可再生的绿色能源。目前已经进入人们视线的新能源有太阳能、风能、水能以及新兴的生物质能源。
生物质能源是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能，通过生物质能转换技术可以高效地利用生物质能源，生产各种清洁燃料，替代煤炭，石油和天然气等燃料。从而减少对传统矿物能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费给环境造成的污染。生物质能源通常包括：各种速生的能源林、薪炭林、经济林、用材林灌木林，木材及森林工业废弃物；农业生产和加工剩余物；水生植物；油料植物；城市和工业有机废弃物；动物粪便等[1]。
从能源的消费变化来看，人类最终会过度到可再生能源的持久利用，生物质能通常被认为是世界上最大可再生能源资源，其研究和开发成为世界各国可再生能源发展的热点和焦点。
美国计划到2020年使生物质能源和生物质基产品较2000年增加20倍，达到能源总消费量的25%，2050年达到50%。2000年，欧盟委员会在其发布的“欧盟能源发展战略白皮书”中指出，2015年生物质能将由目前占总能源消费量的2%左右提高到15%，其中大部分来自生物沼气、农林废弃物及能源作物的利用；到 2020年生物质燃料将替代 20%的化石燃料。德国生物质能源的发展处世界前列，生物质能源占一次性能源消费的2.3% （电力占 0.6%，供热1.4%，动力燃料0.3%），占可再生能源市场的份额超过60% 。2004年 ，交通领域能源消费中生物质能源所占份额为1.6%。2010年所占市场份额将从2004年的1.6%升到 4%，2020年和2030年将分别达到10%和18%。加拿大计划到2020年使再生能源（不计水电）特别是生物质能增加56%。预计2010年，生物质能的利用将增加14%。日本通产省已启动一项名为“新阳光工程”的新能源研究计划，主要研究植物生物量的高效转化利用；巴西实施了“乙醇能源计划”，主要是促进甘蔗燃料乙醇的生产和研究开发。
多年来我国政府非常重视新能源，把生物质能源等可再生能源的发展提高到了能源战略的高度，先后签署了《里约宣言》、《气候变化框架公约》等国际公约，在十届全国人大第四次会议通过了《国民经济和社会发展“十一五”规划纲要》，确定了可再生能源的发展目标（其中生物质能源为重要组成部分），即到2020年可再生能源（不包括传统生物质）占到能源总消费比例由 2006年的8%提高到15%，要实现这一目标，开展生物质能源产业化开发是必由之路[2]。
2 生物质能源主要转化技术[3]
各种生物质能源在利用时均需转化，由于不同生物质资源在物理化学方面的差异，转化途径各不相同，除人畜粪便的厌氧处理以及油料与含糖作物的直接提取外，多数生物质能要经过转化过程。生物质能源转换技术的研究开发工作主要包括物理、化学和生物等三大类转换技术，将可再生的生物质能源转化为洁净的高品位气体或者液体燃料，作为化石燃料的替代能源用于电力、交通运输、城市煤气等方面。生物质能源转换的方式涉及到固化、直接燃烧、气化、液化和热解等技术。其中，直接燃烧是生物质能源最早获得应用的方式。生物质的热解气化是热化学转化中最主要的一种方式。在这里我们主要讨论生物化学方法转化生物质能源技术的发展现状。
2.1 生物质水解技术 生物质制取乙醇最主要的原料是：糖液、淀粉和木质纤维素等。生物技术制备乙醇的生产过程为先将生物质碾碎，通过化学水解（一般为硫酸）或者催化酶作用将淀粉（或者纤维素、半纤维素）转化为多糖 ,再用发酵剂将糖转化为乙醇，得到的乙醇体积分数较低 5 %～15 % 的产品，蒸馏除去水分和其他一些杂质，最后浓缩的乙醇（一步蒸馏过程可得到体积分数为95 %的乙醇）冷凝得到液体。木质纤维素生物质（木材和草）的转化较为复杂，其预处理费用昂贵，需将纤维素经过几种酸的水解才能转化为糖，然后再经过发酵生产乙醇。这种化学水解转化技术能耗高，生产过程污染严重、成本高，缺乏经济竞争力。目前正开发用催化酶法水解，但是因为酶的成本高，尚处于研究阶段。
2.2 厌氧发酵技术 厌氧发酵是指在隔绝氧气的情况下，通过细菌作用进行生物质的分解。将有机废水（如制药厂废水、人畜粪便等）置于厌氧发酵罐（反应器、沼气池）内，先由厌氧发酵细菌将复杂的有机物水解并发酵为有机酸、醇、H2和CO2等产物，然后由产氢产乙酸菌将有机酸和醇类代谢为乙酸和氢，最后由产CH4菌利用已产生的乙酸和H2、CO2等形成CH4 ，可产生CH4 (体积分数为55 %～65 %)和CO2 (体积分数为30 %～40 %)气体混合物。
许多专性厌氧和兼性厌氧微生物，如丁酸梭状芽孢杆菌、大肠埃希式杆菌、产气肠杆菌、褐球固氮菌等，能利用多种底物在氮化酶或氢化酶的作用下将底物分解制取氢气。厌氧发酵制氢的过程是在厌氧条件下进行的，氧气的存在会抑制产氢微生物催化剂的合成与活性。由于转化细菌的高度专一性，不同菌种所能分解的底物也有所不同。因此，要实现底物的彻底分解并制取大量的氢气，应考虑不同菌种的共同培养。厌氧发酵细菌生物制氢的产率较低，能量的转化率一般只有33 %左右。为提高氢气的产率，除选育优良的耐氧菌种外，还必须开发先进的培养技术才能够使厌氧发酵有机物制氢实现大规模生产。
2.3 生物质生物制氢技术 光合微生物制氢主要集中于光合细菌和藻类 ,它们通过光合作用将底物分解产生氢气。1949年，GEST等首次报道了光合细菌深红红螺菌 （Rhodospirillum rubrum）在厌氧光照下能利用有机质作为供氢体产生分子态的氢。此后人们进行了一系列的相关研究。目前的研究表明，有关光合细菌产氢的微生物主要集中于红假单胞菌属、红螺菌属梭状芽孢杆菌属、红硫细菌属、外硫红螺菌属丁酸芽孢杆菌属、红微菌属等7个属的20余个菌株。光合细菌产氢机制，一般认为是光子被捕获得光合作用单元，其能量被送到光合反应中心，进行电荷分离，产生高能电子并造成质子梯度，从而形成腺苷三磷酸（ATP）。另外，经电荷分离后的高能电子产生还原型铁氧还原蛋（Fdred），固氮酶利用ATP和Fdred进行氢离子还原生成氢气。
3.1 固体产品 [4] 成型物的形式主要有棒状、颗粒两大类。生物质的固体产品主要是通过压缩成型后，成型产物作为工业锅炉、民用炉灶和工厂、家庭取暖炉以及农业暖房的燃料，也可进一步加工成木炭。生物质固体燃料在能源消费中仍然占有非常重要位置。德国生物质固体燃料（生物质压制颗粒燃料、碎木片、劈柴）在生物能源中所占的比例超过90%。美国已有9个日产250 吨的生产厂，还有16个州兴建日产300 吨的树皮成型燃料加工厂。瑞典有生物质颗粒厂10多家，单个企业的年生产能力达到 20 万吨以上。俄罗斯、加拿大、日本、芬兰等国的成型燃料研究发展很快，已建立了完善的研究试验、检测系统和成熟的生产技术。
我国80年代才重视生物质压缩成型技术的研究和开发，近几年，在螺旋挤压成型技术和液压压辊式成型技术方面取得了较大的进展。预计2010年，我国生物质成型燃料年产500 万吨，2020年达5000万吨，可替代2500万吨标准煤。需要解决的关键问题是：降低压缩成型机的单位产品耗能、生产效率和生产成本等问题。
3.2 燃料乙醇 巴西是利用能源甘蔗生产乙醇作为汽车燃料最为成功的国家，全国有 370多家甘蔗加工厂，其燃料乙醇早已进入商业化运行。早在 20世纪 70年代的全球能源危机中，美用玉米生产的燃料乙醇就崭露头角，近几年以年30%左右的速度增长，其产量占全美乙醇总量的 95%，已成为世界上玉米乙醇产量最大的家。
我国目前生产燃料乙醇的原料，主要是玉米、木薯和糖 如甘蔗和甜高粱汁 。“十五”期间经过国家发改委批准，已经完成建设10万吨的4个燃料乙醇生产企业：吉林燃料乙醇公司、河南天寇企业集团、安徽丰原生化有限公司和黑龙江华润金玉酒精公司。这些企业 2006年已经生产100万吨燃料乙醇和900万吨普通汽油掺兑后成为1000万吨生物汽油，占全国消费量的1/5以上[5]。
3.3 生物柴油 [6] 随着石油的供求矛盾日益加剧，世界各国纷纷开展生物柴油的研究和开发。利用的原料主要是油菜籽、大豆、蓖麻油、棕榈油等油脂植物。目前生物柴油的大型生产厂家主要集中在欧洲，利用的主要原料是油菜籽。2004年，欧盟以低芥酸菜油为原料生产了生物柴油约160万吨占欧盟同期生物柴油生产总量的80%。到2010年，欧盟预期将以低芥酸菜油生产生物柴油340万吨以上。
我国生物柴油起步较晚 ,目前有 20多家总生产能力在 30万吨左右的生产厂，以废食用油和工业废油为主要原料，少数厂家以小桐子为原料。存在的问题是：以餐饮业废油为原料生产的生物柴油的质量很难达到车用油标准，而以优质植物油为原料生产的生物柴油成本较高。而且我国目前不可能利用大量油菜籽等食用油料作物生产柴油。科研工作者把目光转向了小桐子、黄连木、光皮树种子、油楠制取生物柴油，最近我国又引进了西蒙德树、绿玉树、古巴香蕉树等高含油量树种，并加强了木本油料林基地的建设，完善生物柴油生产技术。但需要解决木本油料植物资源分散、采集和运输成本高等问题。
为进一步开展生物柴油的产业化开发，2005年国家专项农林生物工程启动，规划2010年生物柴油年产量达200万吨，2020年生物燃油开发量预计为1900万吨左右。
3.4 生物沼气 沼气是有机物质在厌氧条件下经过多种细菌的发酵作用而最终生成的一种混合气体。
目前德国大中型沼气工程有2000多处，分别应用于垃圾填埋场、禽畜养殖场、个人农庄。99%的沼气工程都利用沼气发电。以前德国的沼气原料主要是禽畜粪便和有机垃圾，为了提高沼气的生产效率，现在主要使用未成熟的农作物秸秆。
中国沼气产业开始于 1980年 ,其开发利用在国际上处于领先地位。特别是农村目前仍在推广使用的水压式沼气池被称为“中国式沼气池”。90年代以来我国沼气建设一直处于稳步发展的态势，到2005年底，全国沼气利用量达到80 万m3，户用沼气池发展到1807万户，大中型沼气工程累计建成3556处，城市污水净化沼气池累计49300处。
4生物质的生物转化技术发展趋势
4.1 非粮物质的生物转化和利用 生物质能开发利用的原料中，除了能源植物和农作物外，生物质废弃物也是一类重要来源。“不与人争粮，不与粮争地”是发展生物质能源的
必然趋势，突破秸秆等劣质生物质资源的利用技术是根本途径。其中，利用植物纤维素资源生产燃料乙醇在技术上是可行的。2006年，中国科学院过程工程研究所与山东泽生生物技术有限公司合作，建立起了年产3000万吨的秸秆乙醇示范工程[7]。我国应该大力研发非粮食原料的生物转换，综合利用生物质资源，延长产品，提高附加值，从而真正解决生物质能源发展面临的资源紧缺和效益不佳等问题。
4.2 关键酶的改进和微生物代谢的调控 由于纤维素酶及其作用底物的复杂性，其酶解效率远低于淀粉酶，在很大程度上影响了纤维素酶的大量生产和广泛应用。近年来，许多细菌和真菌的纤维素酶基因已经被分离提纯，特别是里氏木霉（Trichoderma reesei）的纤维素酶基因的克隆研究最深入，并在大肠杆菌和酵母菌中成功地克隆和表达。由于酶的耐热性在生产中具有实用意义，所以耐热细菌的纤维素酶基因的克隆表达也受到了人们的关注[8]。
代谢工程的发展使微生物的底物利用范围逐渐拓宽，五碳糖、纤维素、半纤维素等的降解利用成为研究的热点。酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）是具有良好工业生产性状的乙醇生产菌株，但只能利用木质纤维素水解后产生的葡萄糖，不能利用木糖。将酿酒酵母所缺少的木糖代谢途径有关基因引入到酿酒酵母中，可以使其利用木糖进行生物转化。然而由于重组菌株发酵木糖产生的乙醇副产物较多，未进入实际应用。
4.3 生物转化过程集成化和生物质资源的综合利用 生物质转化产品的过程中，一般需要许多个生产环节，才能得到目的产品。生物转化过程集成化技术就是要将反应或分离步骤中的不同方法集成在一个反应器或一个工艺步骤中，简化工艺流程、提高生产效率[9]。目前，生物转化过程集成化技术的主要研究内容包括： 1 同步糖化水解发酵的集成；2 构建有集成趋势的新菌种；3 生物反应与分离过程的集成；4 生物反应与过程模型化和控制的集成。
在生物质的生物转化过程中，往往只注重开发主发酵产品，而忽略了发酵过程的副产物的利用，如果能将这些副产物加工成高附加值产品出售，将显著提高整个发酵生产的经济效益。以秸秆的生物转化为例，经过蒸汽爆破预处理，溶于水洗液中的半纤维素可用来制取低聚木糖，得到的纤维素经过疏分机分级，长纤维用来造纸，短纤维用来发酵，发酵剩余物还可进一步转化为生物油燃料和纳米二氧化硅。
