资源、能源与环境与人类的发展息息相关，人类社会的发展需要消耗大量的资源和能源，同时对环境产生不可逆转的影响。进入21世纪，如何协调经济社会高速发展与资源，能源的短缺以及环境恶化的关系，已成为人类发展所必需面临的重要挑战。石化炼制为社会提供基础的能源产品以及大量的基础材料和化学品，是推动社会经济高速发展的重要动力，成为国民经济发展的基础。

然而，进入21世纪以来，随着石油资源的不断枯竭以及石化炼制所带来的一系列环境问题，人们开始寻找一种新的可持续的发展模式来替代传统的石化炼制这一重要的基础工业产业链。在这一背景下，生物炼制应运而生。

生物炼制的概念

面对资源和环境双重危机，人类需要找到一种新的可持续的发展模式来替代传统的石化炼制这一重要的基础工业产业链。在这一背景下，生物炼制应运而生。所谓的生物炼制，就是以地球上可不断再生的生物质为资源，通过化工与生物技术相结合的加工过程，将其转变为能源、化学品、原材料等，使其能够部分或者全部替代石化炼制的产品链。

生物炼制的优势首先体现在原料的选择上，与石油的不可再生相比，生物炼制所用原料可以是木质纤维素、糖基化学品、生物基油脂、蛋白基材料等生物质资源。地球上蕴含着极为丰富的生物质资源，如遍布陆地的植物以及遍布海洋的微藻等，最重要的是这些生物质资源是可再生资源，这些生物质资源能够通过生态圈循环不断再生，取之不尽、用之不竭。据估计，全球每年能产生相当于650×108t 碳的生物质，仅需利用小于10% 生物质资源，即可替代化石资源。且生物质在加工生产的过程中产生的二氧化碳，又可以作为植物光合作用的原料被消耗掉，因此整个过程是一个绿色可循环的生态工业过程，理论上可以实现碳的零排放环境保护造成巨大压力，这样既可解决人类面临的资源能源危机问题，又减少了环境的压力，在化石资源被高速开采导致逐渐匮乏的今天，生物质资源是一种非常可行和绿色的替代资源。

图1：生物炼制过程的碳循环

通过对自然界大量可再生生物质资源的充分利用，可以同时解决环境与资源之间的矛盾。例如生物炼制就能够以农业废弃物为原料进行加工炼制，将农业生产中流失的资源再利用起来，真正做到变“废”为“宝”，并且能够减轻农业垃圾造成的环境污染和土壤问题，其产生的一系列产品也能帮助农村改善经济状况，节约能源消耗。以秸秆为例，我国每年有7×108t 吨左右的作物秸秆，其中被焚烧的量就有15% 左右，焚烧秸秆不仅是一种资源的浪费，且其焚烧产生大量的CO、CO2、氮氧化物、多环芳烃等会造成环境污染，给人类的健康带来威胁。如果将秸秆变废为宝，就可以将其加工成纤维素、半纤维素等，成为生物炼制的原料。地球上还有大量的非粮作物，这些植物不能够直接成为人类的食物，但是通过生物炼制过程就能将他们分离成木质纤维素、淀粉、油脂、蛋白质等基础原料。还有海洋上的微藻，微藻在自然界中含量丰富，易于大量培养，并且不占用耕地，也不会因为大量收货而造成生态系统的破坏，它的光合作用的效率也非常高，生长的周期较短，单位面积年产量是粮食的几十倍乃至上百倍，而且其干细胞中含油超高，能够通过生物炼制合成生物柴油替代石化炼制生产的燃料，是非常理想的生物炼制原料。

生物炼制过程

生物炼制过程就是将生物质通过物理、化学、生物方法或这几种方法集成的方法进行成分分离和加工，使其转化成基础原料糖、脂肪、蛋白质等，其中糖类化合物可以通过生物催化的方法生产各种不同碳链长度的平台化合物，这些平台化合物可以进一步通过现代的化学工业体系合成纤维、塑料、橡胶、医药品、化肥、农药等；油脂类需要可以通过酶催化的方法合成生物柴油等能源化学品；蛋白质既可以直接作为营养产品，也可以通过进一步的聚合工艺合成高分子材料；当然生物质也可以直接通过热电处理，直接进行发电。生物炼制也具有与石油炼制类似的产业链结构( 图9.4)，因此理论上，生物炼制可以全部或者部分替代石油炼制过程。生物炼制的发展需要将生物、化学、化工以及工程的技术充分的结合起来，实现对原料的高效、低成本的转化。

图2：生物炼制过程的产业链

以玉米为例，对于生物炼制来说玉米全身都是宝，无论是玉米粒籽还是秸秆及穗轴都可以作为生物炼制的原料。玉米粒籽富含淀粉、蛋白质和油脂等，秸秆又富含纤维素、半纤维素等碳水化合物。通过现代化学加工的方法，可以将玉米进行原料成分分离，获得淀粉、纤维素、半纤维素、木质素、油脂和蛋白质等基础原料。这些基础原料既可以直接作为产品，又可以进行进一步的深加工。其中淀粉、纤维素、半纤维素等碳水化合物进一步在酶催化或者化学催化的作用下分解成五碳糖和六碳糖，这两类糖可以直接作为微生物发酵的原料合成二碳到六碳的平台化合物，如乙醇、乳酸、丁二醇等。木质素可以作为原料通过化学催化生成芳烃类化合物。二碳到六碳的平台化合物及芳烃类化合物又可以作为基础的化工原料，通过现代的有机化学工业体系合成纤维、塑料、橡胶、医药品、化肥、农药等。玉米油脂可以在脂肪酶的催化下合成生物柴油。生物柴油、乙醇、丁醇等可以作为能源产品，用作燃料供汽车、飞机及轮船等使用。由此可见，经过生物炼制，小小的玉米将变成一个资源宝藏，生产出传统上由石油才能炼制出的各种产品。