生物能源是指通過生物的活動，從動植物、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，是人類最主要的可再生能源之一。發(fā)展生物能源對于保障能源安全、改善生態(tài)環(huán)境、助力“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)等具有重要意義，已成為全球“未來能源”的戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域。國際能源署預(yù)測，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中占比將達到18.8%。當(dāng)前生產(chǎn)成本高、市場競爭弱、經(jīng)濟效益低等問題制約了生物能源技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進程。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
生物燃料實現(xiàn)原料替代
生物燃料指通過生物質(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)化進程最快的細分領(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)展推動下，利用“細胞工廠”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)實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)，美國（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，產(chǎn)量規(guī)模合計占全球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)等先進生物技術(shù)推動下正趨于成熟。全球各國陸續(xù)建設(shè)了纖維素燃料乙醇生產(chǎn)示范項目，如我國國投先進生物質(zhì)燃料（海倫）有限公司于2022年4月在黑龍江建成國內(nèi)首套纖維素燃料乙醇裝置（年產(chǎn)能3萬噸）。
第三代生物乙醇技術(shù)：
以微藻為原料，尚處培育階段，多個能源公司正加速推進研發(fā)布局，如法國能源巨頭道達爾能源與威立雅集團（Veolia）聯(lián)手推進二氧化碳培養(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，通過化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng)來制備氫氣，包括熱化學(xué)法（相對較為成熟）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、無細胞生成酶生物轉(zhuǎn)化等多種細分技術(shù)，具有原料來源廣泛、低碳環(huán)保等顯著優(yōu)勢。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)被視為未來發(fā)展綠色氫能的最佳方式之一。
圖2 幾種制氫方式對比及占比
自2015年以來我國超越歐美成為生物制氫領(lǐng)域“科研大國”。通過合成生物技術(shù)改造工程菌、優(yōu)化過程調(diào)控等，生物制氫效率大幅提升。如，中國工程院任南琪院士團隊首創(chuàng)“發(fā)酵法生物制氫技術(shù)”，通過培養(yǎng)高效產(chǎn)氫新菌屬、開展生產(chǎn)規(guī)模試驗等加快生物制氫降本增效，逐步推動暗發(fā)酵生物制氫技術(shù)進入中試放大階段。依托于其團隊最新科研成果，集合氫藍時代、工大環(huán)境在系統(tǒng)集成、解決方案等方面的優(yōu)勢，國內(nèi)首個生物制氫及發(fā)電一體化項目于2023年2月在哈爾濱市啟動試運行。該項目以秸稈、廚余、有機廢水等為發(fā)酵底物，以高效厭氧產(chǎn)氫菌為生產(chǎn)者，實現(xiàn)了在處理廢棄物的同時回收大量的清潔能源氫，有力推動了生物制氫技術(shù)的示范推廣和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
圖3 國內(nèi)首個生物制氫發(fā)電項目
三、前沿突破
加速生物光伏研發(fā)進程
生物光伏（BPV），也被稱為光合微生物燃料電池或微生物太陽能電池，是利用光合微生物（如藍藻）捕捉太陽能來生產(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)、回收利用難等負面影響，被視為太陽能利用的最優(yōu)路線。但也存在光合微生物光電轉(zhuǎn)化效率低等問題，長期以來BPV尚處實驗室開發(fā)階段。
在合成生物學(xué)推動下，BPV開發(fā)取得重大突破性進展。研究人員通過在遺傳﹑環(huán)境和裝置層面的設(shè)計﹑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，微生物所李寅團隊構(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1700mW/m2，打破了長期以來BPV效率低、壽命短的技術(shù)瓶頸，為進一步推動BPV開發(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、細胞工廠與生物催化劑的開發(fā)與優(yōu)化、全新能量轉(zhuǎn)化路線的設(shè)計與構(gòu)建等方面實現(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。強化生物能源生產(chǎn)工藝及裝備研制，進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)化市場準(zhǔn)入
開展生物能源產(chǎn)品實用性評價和經(jīng)濟可行性分析，研究與探索市場準(zhǔn)入相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范制定，加快推進生物能源產(chǎn)品進入市場。完善生物能源生態(tài)補償、無障礙消納和市場化發(fā)展機制，提升生物能源產(chǎn)品市場競爭力。
拓展應(yīng)用場景
在交通、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活供電供熱等重點領(lǐng)域，因地制宜地推進生物能源示范項目建設(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)，進一步實現(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，長期從事生物經(jīng)濟領(lǐng)域研究工作
