生物质资源利用转化路径概述

生物质资源凭借其高值物质组成与天然结构奠定了向能源、化学品和材料等经济产品转化的基础。从物质组成方面，生物质资源利用分为分离组分和复杂（全）组分利用两类。为适应特定行业的产品性能需求，优先通过化学与物理方法对生物质进行组分分离设计，以“Up→Down”策略制得既定需求的高经济价值小分子化学品或高燃烧热能源燃料分子，亦可续以“Up→Down→Up”策略制备大分子类化学品或材料。

生物质资源向能源、化学品与材料等重要制造业产品的转化利用路径

生物质利用化学转化技术

生物质热化学转化技术是生物质能源技术中的重要组成部分，涵盖了一系列将生物质转换为热能、液态生物油、气态可燃分子、固态生物质炭或其他化学品的过程，技术核心包括直接燃烧、气化、液化和热解并设置特定输入需求、操作条件和对应的产物特性控制，主要机制是利用热能切断生物质大分子的化学键转变为低分子物质。

生物质资源的热化学转化利用路线

目前，热化学转化技术对推进中国能源结构的可再生能源转型发挥了关键作用，具有一定程度提高能源利用效率、减少环境污染的优势，适应能源系统可持续和循环经济的需求。

生物质直接液化技术特指生物质以水或有机物为溶剂在反应器与通入的H2、CO或惰性气体，在催化剂在400~550℃温度与5~30 MPa压力等合适条件下经催化剂作用将生物质快速热分解得到液态油的过程技术，主要影响因素包括原料种类、催化剂、溶剂、反应温度与压力等。液化技术制得的生物油成分复杂，种类达数百种之多，几乎包括醚、酯、醛、酮、酚、有机酸、醇等所有种类的含氧有机物。

生物质气化技术是特定热力学条件下生物质原料在气化炉中与空气、氧气和水蒸气等气化剂作用，促使生物质高分子发生热解、氧化、还原、重整等反应，产生的焦油和炭进一步热裂解或催化裂解生成小分子碳氢化合物、CO、H2等气体的过程技术。生物质气化装备通常由进料、气化反应炉、气体净化和后处理等四大系统模块组成。目前，生物质气化技术在中国已实现工业规模应用。

值得关注的是，当下生物质资源向能源和化学品的化学转化过程，面临产品附加值偏低和分离成本较高的双重挑战，并且转化效率和产品选择性方面也存在技术局限，导致难以获得高燃烧热的能源燃料或高值的化学品。为克服这些限制，应集中突破催化氧化、加氢、酸解、偶联、重排等一系列化学转化的催化过程技术，结合生物质精炼技术发展更精细化的转化路径，加速发展生物柴油、生物航煤和生物基化学品等生物质高值产品的产业链，与化石资源化工并行推动整体化工行业的绿色低碳可持续发展方向转型。

生物质利用生物转化技术

生物质资源的生物转化利用，主要依赖生物炼制的生物发酵与生物催化两种方式将“三素”分离为主要代表的生物质原料转化为聚合单体、化学品等平台化合物，其中生物发醇转化形成细胞代谢产物的物质结构和工程效能可设计性较高。

合成生物学对生物质产业的作用突出，能对生物底盘进行有目标的工程化设计、改造乃至重塑，实现微生物代谢网络重构和目标代谢产物的高效生物合成，承担了生物转化路径的原理论证和方法创新任务。

生物炼制是将生物质资源向聚合单体、化学品等平台化合物产品定向转化的细胞工厂与生物催化技术融合并行的过程放大结果。该工程与生物质化学转化一样起始于资源预处理，但其目标是通过物理预处理（如研磨、挤压等方式）、化学预处理（使用酸、碱或其他溶剂处理）、生物学预处理（利用微生物降解）、热化学预处理（如蒸汽爆破等技术）以及组合预处理技术，提高微生物发醇或酶解转化的效率。利用计算机控制系统精确控制温度、pH、搅拌速度、氧气供应和营养成分浓度等环境参数，调控发酵过程或酶催化转化路径，实现生物质转化过程的规模化和工业化。

材料生物基化与生物质替代推进技术

资源结构多元化和“双碳”行动目标驱动材料的生物质替代，主要聚焦于高分子材料体系针对现今主流的化石基高分子材料，是生物质产业技术最具挑战性的领域。材料生物基化主流采用生物炼制平台化合物继而聚合、天然高分子直接转化两条途径，也可通过生物直接合成高分子的方法生产聚羟基脂肪酸酯、细菌纤维素等材料，对应形成生物基合成高分子材料与天然高分子材料两大体系，同时还有利用生物质资源分离组分或不经分离的复多组分复合改性的生物基复合材料类型，近期兴起以生物质资源天然结构为模板仿生制造生物基结构材料新类型。

生物基材料产业融汇了化学、化工、材料与生物、制造等相关多行业领域的产业链，与化石基材料形成“双基”并行格局发挥材料的产业底端支撑作用，将带来相关产业集群的发展理念变革，甚至引领形成“绿色度”更高和“碳足迹”更优化的产业新模式。