清华李十中教授：生物基材料产业发展难点与建议
2023年2月，生物降解材料研究院、TK生物基材料主办的《生物基与降解材料2022年度大会暨颁奖典礼》将在苏州举办，陈国强、刘德华、孙东平、余木火、刘保华教授将作演讲，现诚邀行业专家、企业代表出席，欢迎报名参展参会。
新兴生物燃料和生物基材料产业举步维艰的原因有哪些？
发展生物燃料和生物基材料产业有哪些建议？
开发与利用生物能源是目前最有潜力的人类从根本上改善环境、提供燃料和材料产品的发展方向。生物能源的优势不仅在于可再生、植物自身吸收 CO2，还在于其 “物质性” 特质使其可替代化石能源提供人类所需的燃料和材料，拓宽农产品市场，使绿水青山变成金山银山。
我国是农业大国，生物质资源丰富，大力发展生物能源符合国情，在保证粮饲供应的前提下，通过调整种植结构和在边际土地上种植能源作物、利用秸秆生产清洁燃料与合成材料，既可减少石油进口，又可带动农业发展和乡村振兴。
用生物质替代石油生产人类必须的燃料和材料是目前石油化工领域实现碳中和的唯一途径。从能源安全和气候变化的角度考虑，各国都把减少化石能源消耗、发展可再生能源、保护人类共同家园作为首要任务，发达国家已把用生物质替代石油作为国家能源战略。
生物燃料和生物基材料是以可再生的生物质为原料，利用生物化学转化技术生产的材料和燃料，其原料源自 “生物”，转化过程是能耗低的 “生物过程”。新能源革命推动了生物和化工领域的技术进步，促进了燃料与材料变革，使化石燃料逐步向乙醇、氢等生物燃料以及电、合成燃料转变；石化材料逐步向生物基材料转变。
生物燃料和生物基材料产业具备战略性新兴产业的全部特征，有利于解决我国农产品价格和市场波动问题，聚焦每年进口 5 亿多吨石油和 2 百多万吨牛肉的巨大市场，可培育 “三农” 的自身 “造血” 功能与成长机制，进而显著增加农民收入，解决数千万农民工就业问题，促进乡村振兴，让绿水青山真正成为金山银山。
生物燃料和生物基材料产业已经形成。第一，生物燃料有利于温室气体、颗粒物减排，带动农业发展。首先，生物燃料产业在能源安全、环保、控制气候变化领域作用巨大。
其次，发展生物燃料产业还扩大了农产品市场、增加农民收入。美国在 20 世纪 70 年代为了解决农业和农民问题，用玉米加工乙醇替代汽油以保持玉米价格稳定，并就地创造就业岗位，保障农民收入，“歪打正着” 地同时解决了能源、环境、玉米价格三个棘手问题，使美国在主导全球气候变化方面有了资本。
第二，生物基材料性能优异，可生物降解塑料还解决了石油基塑料造成的污染问题。生物基高分子材料具有优异的性能。聚羟基脂肪酸酯系列材料有非常好的生物相容性和可降解性，广泛应用于骨钉、缝合线、药物载体等医药材料及塑料、纤维领域；
生物基聚氨酯环保无毒，性能比石油基产品更优异，用其生产的人造革、油漆涂料等具有透气、无毒的特点；生物基聚碳酸酯通过利用二氧化碳与生物发酵产生的二元醇催化聚合制备而成，不再使用有毒的双酚 A，因此环保无毒；
聚乳酸无毒，既可用于一次性餐饮用具、食品包装材料等以解决石油基塑料造成的污染问题，又因亲肤、抑菌、抗螨、防臭、阻燃等特性可替代化纤，且在服装、床上用品等方面的应用效果优于棉织品。
《科学美国人》和世界经济论坛把可生物降解塑料排在 2019 年全球十大新兴技术的第 1 位中国在技术上取得突破，具备了 “换道超车” 条件。大规模用玉米生产乙醇，会影响粮饲安全，而利用秸秆等木质纤维素生产的第二代生物燃料 —— 纤维素乙醇尚不能商业化。
相较而言用高粱生产乙醇则优势明显。甜高粱是高粱的一个品种，其茎秆和甘蔗的蔗糖含量一样，达到 10%～15%，是能同时提供粮食、饲料和能源的多功能作物。我国自主创新的 “连续固体发酵生产甜高粱秆乙醇技术” 日臻成熟，已示范成功。甜高粱秆乙醇发酵时间仅为 24 小时（玉米乙醇发酵时间为 50 小时），乙醇收率达 91%；
其生产过程无发酵废水排放；分离乙醇后的酒糟营养成分与青贮玉米相同，替代青贮玉米喂牛可日增重 1.08 公斤。每生产 1 万吨甜高粱乙醇可带动相关产业新增经济效益 4.3 亿元、提供 2000 个就业岗位，使农民种植收入增加 1 倍以上，既可提供清洁燃料和饲料，又可推动乡村振兴，让绿水青山变金山银山。
在低成本的甜高粱乙醇基础上，用 46% 乙醇水溶液在线重整制氢解决了可再生氢源和加氢基础设施问题。利用现有加油站，仅把汽、柴油换成 46% 乙醇，车载重整反应器即可在线制氢供燃料电池发电，安全无忧，更无需建设昂贵、复杂的加氢站和贮运设施；用自主创新技术生产的 46% 甜高粱乙醇可使车的燃料成本与用汽、柴油相同。因此，集成甜高粱乙醇重整制氢和氢动力系统，有可能使我国汽车产业后来居上。
在生物基材料方面，国家发改委发布的《增强制造业核心竞争力三年行动计划（2018-2020 年）》中所确定的重点化工新材料关键技术产业化项目就包括新型可降解材料；中国石油和化学工业联合会在《石油和化学工业 “十三五” 发展规划指南》中将可生物降解材料作为战略新兴产业列入优先发展领域，立足自主创新，鼓励企业推进科技成果转化。
现我国已开发出从玉米到聚乳酸，再到下游可生物降解塑料和纤维的全产业链新材料制备技术，成为与美国、荷兰并驾齐驱掌握核心技术与装备的三个国家之一。
我国大规模发展生物经济有技术和原料保障，可以使绿水青山成为金山银山，形成具有中国特色、引领全球的碳中和之路。
依托自主创新技术生产的乙醇、聚乳酸经济性较强。甜高粱耐贫瘠，水肥用量是玉米的一半。采用国际领先的连续固体发酵技术，16 吨含糖 13～14% 的茎秆可生产 1 吨乙醇；蒸馏分离乙醇后的酒糟除了替代青贮玉米喂牛（羊）外，还可用于机械法造纸，能耗比现行机械磨浆工艺低 31%，或可用于改良重度盐碱地，每亩施用 2～4 吨酒糟，2～3 年即可将其改造成良田；
通过蒸馏时加碱破坏甜高粱秸秆结构，节省预处理能耗，可经济地生产纤维素乙醇、乳酸或纳米纤维素，并副产木质素，而每公斤木质素可治理 20 平方米沙漠。由于甜高粱得到充分利用，没有废水处理问题，所以乙醇成本能与油价 50 美元／桶的汽油相竞争。
乙醇可先满足全国使用 E10 乙醇汽油的需求，再扩大产量为氢燃料电池或氢发动机汽车提供燃料。我国开发的过渡金属催化剂乙醇重整制氢技术居国际领先水平，氢收率高达 90%，再结合低成本的甜高粱乙醇，有望在绿氢领域先拨头筹。
我国不仅是三个掌握聚乳酸全产业链生产技术、装备的国家之一，而且我国聚乳酸生产成本比国外产品低 20%。政策法规保障加之聚乳酸环保、无毒、阻燃等优点，可以使民众接受以聚乳酸替代一次性塑料制品；聚乳酸纤维成本已低于天丝、莫代尔等天然植物纤维，与棉花相近，但性能优于棉织品，具备一定的市场竞争优势，因此有望使传统的轻纺工业重获新生。
用甜高粱生产乙醇和牛羊饲料相得益彰。甜高粱和连续固体发酵生产乙醇技术可以同时解决乙醇原料和牲畜饲料两个难题，乙醇替代汽油还可减排 CO2。调整种植结构，将青贮玉米改为甜高粱，可提高饲料供给能力。
甜高粱已被农业农村部纳入《粮改饲工作实施方案》和《2017 年推进北方农牧交错带农业结构调整工作方案》之中。预计到 2030 年，全国将种植 1 亿亩青贮玉米，如果改种甜高粱，可饲养 6000 万头牛、副产 3300 万吨乙醇。
再通过种植甜高粱改造 8000 万亩盐碱化耕地、利用 1.2 亿亩盐碱荒地、调整 1 亿亩压采地下水耕地种植结构，又可以生产 1.1～1.2 亿吨乙醇，副产饲料、土壤改良剂、纸浆、纤维素乙醇或乳酸等产品。每吨甜高粱乙醇替代汽油能减排 2 吨 CO2，1.5 亿吨乙醇就可减排 3 亿吨 CO2。
用玉米和秸秆生产聚乳酸带动一二三产业融合发展。可生物降解聚乳酸塑料能够推动农业供给侧结构性改革，使农业减排 CO2 成为现实。聚乳酸是可生物降解高分子，能替代塑料、化纤，解决塑料污染问题。
基于我国当前玉米 15753 万吨饲用、8152 万吨深加工用的现状，通过发展聚乳酸产业来调整玉米加工业结构，拉动玉米市场、维持玉米的高价位，激发农民种粮积极性，提高农民收入，既能达到保障粮饲供应的目的，又能满足全球限塑、禁塑需求，还能带动轻纺、服装工业，形成产业集群，进而新增万亿元 GDP 经济规模，实现新时代东北振兴、形成西部大开发新格局。
同时，聚乳酸还能和甜高粱乙醇联产。甜高粱耐盐碱、耐干旱，适合在边际土地上生长，高粱米可为粮饲，并可采用自主研发技术把甜高粱秆中的蔗糖转化为乙醇，用剩余的秸秆生产乳酸，再聚合为聚乳酸。
由于玉米、秸秆和甜高粱秆全部转化为聚乳酸材料和木质素，使玉米、甜高粱生长过程吸收的 CO2 都被固定，不再经过粮饲利用后释放到大气中，因此可产生显著的 CO2 减排效果。1 吨玉米聚乳酸能固定 8.24 吨 CO2、1 吨甜高粱聚乳酸可固定 11.22 吨 CO2。
推广以乙醇为动力的农业机械，促进石油农业向生态农业转型。现代农业大量使用以石油产品为动力的农机和以石油制品为原料的化肥、农药等农用化学品，被称为 “石油农业”。我国农机每年消耗 1468 万吨柴油，既排放 CO2，又增加农民负担。农机亦属于难以电动化的领域。
落实 2021 年中央一号文件 “强化现代农业科技和物质装备支撑” 的要求与部署，可利用我国在国际上领先的 “压燃式高辛烷值燃料发动机” 技术，开发乙醇替代以柴油为动力的农机，使农业不仅可以通过光合作用吸收 CO2，而且可提供农业自身生产过程所需能源，实现 “负碳” 排放。
构建 “甜高粱种植／低成本饲料和燃料／乙醇农机／优质肉奶” 低碳农工生态产业，可 “一举多得” 地解决粮食和饲料、农民增收、低成本农机用油、农业减排 CO2 等多重问题，引领世界农业从石油农业向生态农业过渡。
有利于解决 “三农” 问题，规避石油断供风险。用生物质替代石油与 “三农” 问题的解决密切相关，既能保证粮饲供应，又能从根本上解决农产品市场出路问题，显著增加农民收入，带动乡村振兴。同时，减少进口石油，能有效规避石油断供风险，从国际地缘政治角度看，可改变因石油进口受制于人的局面，增加外交主动权；从军事角度看，可避免为石油保供而发生武装冲突的风险。
有利于实现碳中和目标，消除大气污染。一方面，生物质在生长过程中吸收 CO2，利用边际土地改善生态环境，替代石油生产的燃料与材料又可减排 CO2；另一方面，汽车尾气是造成雾霾等大气污染的主要原因之一，使用乙醇燃料，尾气排放颗粒物仅是使用汽油的 1／10，而氢作为燃料时尾气排放颗粒物更是低为 “零”。
有利于经济转型，发展新兴产业、创造就业机会。利用现有资源生产生物燃料和生物基材料，可替代 1.5 亿吨汽柴油和 1 亿吨石油基塑料、化纤，并使传统的纺织服装行业获得新生，形成 50 万亿元级生物经济链，提供 5000 万个就业岗位。同时，有利于培育 “三农” 的自身 “造血功能” 和 “成长机制”，增加农民收入，进而维系社会公平与稳定。
有利于全球减排，落实 “一带一路” 倡议。从石油经济向生物经济转型是全球发展需要，中国 “换道超车” 输出生物燃料和生物基材料技术、装备，可以引领全球碳中和，帮助沿线国家发展经济、改善民生，应对美欧提出 “重返更好世界倡议”，更好地落实 “一带一路” 倡议。
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