農業新質生產力——生物質產業“點金術”

原文發表于《科技導報》2025 年第19 期 《 現代農業“點金術”——生物質產業 》

多年來，中國的農產品尤其是糧食作物的單產水平一直在穩定地提高。但由于多種原因，農產品的產值一直在較低水平踏步不前。本文分析了生物質熱化學轉化技術和微生物技術的前景及發展潛力。同時“雙碳”目標下，生物質熱化學轉化等技術的突破為農產物對工業品實施部分綠色替代提供了可能。

農產品價格普遍低下是中國農業特有的現象，也是農業弱質化的重要原因之一。現有的農產品加工增值、提高附加值等手段均效果有限。要想從根本上解決問題，須靠發展某種農業產業，以及在其基礎上進行第一二三產業的融合。這個“某種產業”，即新興的“農業生物質制造”，所依靠的是現代農業（生物質）“點金術”。最終形成的是農業的新質生產力。

1 農產物“點石成金”的探索

在衡量生產力的諸要素中，與農產品單產水平、生產效率相比，提高產品的產值是最困難的。近年來出現的生物質熱化學轉化等技術展示了一種新的情景：利用農、林、牧業的廢棄物、剩余物和下腳料，和在邊際土地上能種植的能源植物（灌木，草類），可制造出生物質合成能源、材料和化學品。這種因創新農業生物質利用方式并大幅升值而獲得的生產力，即可稱之為農業的“新質生產力”。

1.1 中國古代的“點石成金”和西方古代的煉金術

“點石成金”和西方“煉金術”在人類的不斷嘗試下最終證明為不可實現。然而，現代生物技術卻使農業真正能做到“點”生物質成價值可追“金”的產品。

這里所論述的農業“生物質制造”，屬廣義的生物制造，是指以農林生物質為原料、通過生物化學/物理手段轉化的生物能源、材料和化學品的制造業；是生物質向工業制造業滲透，從而正在形成的新興產業——生物質化工（含生物能源和生物基材料），以及生物質儲能。

1.2 國際學術界關于生物質“點石成金”的探索

近年來，生物質價值大幅度抬升的概念在發達國家出現，產生了一個新詞意：valorization（英文原意是指賦于高價），我們借用來表達農業生物質“點金”升值。

隨著研究的深入，發表有關生物質研發成果的論文大量涌現。2012年8月，英國諾丁漢大學Christopher O. Tuck在

Science

的“廢棄物利用專欄“ （special section） 發表題為“Valorization of biomass: Deriving more value from waste”的論文。他在論文中提供了以下數據：生物質（如秸稈）如果以垃圾形態到送填埋場，每噸要消耗400 $的費用；如用作牛飼料，每噸價值僅70 $；如轉化為車用生物燃料，每噸價值可提高到400 $；如果轉化為生物合成材料中間體，平均價格可達1000 $或更高。其價值是飼料的十幾倍到數十倍。

又如，2014年在

Bioresource Technology

上刊登的一篇論文，介紹了造紙廢液經微生物——化學轉化（“煉金”）制取價值很高的全生物可降解塑料——羥基脂肪酸聚酯（PHA）。

2014年8月，

PNAS

刊登美國國家可再生能源研究中心Linger等的論文，闡述以木質素類原料，通過化學轉化加微生物產芳香烴機制進一步合成高價值的全生物可降解塑料PHA的獨特途徑。

2022年，美國麻省理工學院的Calvo–Flores等在《化學前沿》（

Frontiers in Chemistry

）上發表論文，介紹了C1~C6共8種生物基平臺化合物及其具有商業化前景的衍生物，論文的第一個關鍵詞便是biomass valorisation。

2025年，

Sustainability

發表了由da Paix?o等撰寫的關于生物質“點金術”的分類型發展；Pandey等發表了關于生物質通過“點金術”生產生物燃油和生物基產品的綜述。

不同于國際上新興的生物質“點金”（valorize）研發觀念，國內通行的“農產品加工（agricultural products processing）”觀念，既缺乏學科交叉，更談不上產業融合，難以與國際前沿接軌，無法對大幅度增加農業產值和農民收入作出有力的貢獻。以agricultural products processing（農產品加工）為關鍵詞，在Web of Sciece collection搜索，只發現50篇論文，而且絕大部分都是中國作者（以英文）在專業會議上發表的。這與以biomass valorize為關鍵詞，能搜索到數千篇大多在國際高影響因子期刊發表論文的狀況，形成鮮明的對比。

1.3 美國研發“農產物應用”對農產物升值作出重大貢獻

國際上，與valorization近義的詞有biorefinery（生物煉制）。但最能反映生物質“點金”涵義的，則是美國的“農產物應用”（agricultual utilization）。其在技術創新上已作出了不凡的貢獻。

20世紀30年代，為解決農產品滯銷和低價問題，美國農業部成立了5個區域性“農產物應用研究中心”。其中中部中心的代表性的成就有：

（1）玉米濕磨漿廢液替代昂貴的培養基生產青霉素，突破了青霉素從試管培養到工廠生產的屏障，大大降低了戰場死亡率；

（2）20世紀50年代，研發出玉米制燃料乙醇；

（3）研發出耦聯淀粉高吸水物Super Slurpet系列。

2 生物質熱化學技術的突破為誕生“農業生物制造”產業創造了基本條件

當前，生物質“點金”出現了一系列的機遇。首先，“循環經濟”觀念開始深入人心。其次，全球應對氣候變化的行動帶來生物質“綠色”價值的顯現和“變現”。最后，則是生物質轉化技術出現一系列突破，特別是熱化學轉化技術的突破。

2.1 生物質“綠色”價值的“變現”和“碳關稅”對貿易的壓力

國際海洋航運業多年來使用的燃料是化石基輕柴油和重油。每年排放的溫室氣體占全球總排量（二氧化碳當量）的2.5%。為此，國際海事組織（IMO）2023年7月通過溫室氣體減排戰略修正案，規定到2030年和2040年，國際航運的年溫室氣體排放總量要分別比2008年減少20%和70%。據航運界研究確認，主要依靠生物質轉化生產的“綠色甲醇”“綠色LNG”和“綠氨”，將是今后替代船用柴油的理想碳減排燃料。目前，生物基“綠色甲醇”已經開始被馬士基集團等國際航運巨頭的船隊使用。

2.2 生物質轉化技術出現重大突破，生物質“點金”有術

生物質微生物發酵和微生物培養是比較成熟的技術，近年來，出現了3類技術突破，其中屬于生物質熱化學轉化范疇的生物質氣化?合成技術最為突出。

2.2.1 高價值有效成分的發現和提取

國內某紙業集團除利用秸稈生產環保型出口本色紙替代木漿外，還在造紙黑液中提取黃腐酸制成優質有機肥，黃腐酸具有促進植物生長、增進化肥肥效和改良土壤的作用。兩方面的增值效果顯著，秸稈“點金”價值抬升約10~15倍。

2.2.2 生物質氣化—合成技術取得重大突破

在生物質熱裂解轉化方面，以南京林業大學張齊生、周建斌團隊生物質熱解聯產多種產品的技術為例。該技術集氣化發電、供熱、制炭、制肥于一體，已在河北省平泉縣落地生根開花結果。

生物質氣化—合成技術取得重大突破。生物質本質上是碳、氫、氧的化合物，與同樣以碳、氫、氧組成的烷、烴類為基本構成的化石能源相比，存在氧含量高、熱值較低、常規氣化產生難處理的焦油、易結渣等缺陷，但沒有實質性區別。理論上生物質可以轉化出幾乎所有與石油、煤和天然氣衍生物相對應的工業品，包括合成材料和合成燃料。

而生物質如果要產生烯烴類產物，常規途徑要經過復雜的包括物料預處理、化學轉化或微生物轉化的過程，而且需通過若干種平臺化合物“中轉”和進行多道脫氧加氫反應，效率很低，成本高昂。

目前，已經從原理上克服技術瓶頸，使生物質氣化成類似煤化工的“合成氣”形態，從而打通直接合成多種化合物的通道，可以轉化出幾乎所有與石油、煤和天然氣衍生物相對應的工業品，是生物質轉化最高效的方式之一（圖1）。

圖1 生物質化工與石油化工/煤化工的對比

生物質氣化技術歷經國內外200多年的研發，始終因為原料不具備氣流輸送性、產生焦油引起管道堵塞、產生的混合氣中H2和CO的含量不高、雜質多等問題無法根本解決，一直未能實現穩定的工業化生產。

國內某集團通過對生物質原料實施“氣流床生物質蒸汽重整制煤化生物質”工藝，實行“煤化”（半焦化）改性，物料具備了工業化生產必需的氣流輸送性，從而使生物質轉化既能像現代煤化工那樣產生多種高價值能源、材料和化學品，又能避免煤化工那樣的大量碳排放。

以氣化—合成的生物基甲醇、生物甲烷和綠色航煤為例，測算生物質“點金”（轉化提質+綠色溢價）的效果：作物秸稈和木質纖維類生物質價格為100~300 元/t。

2.2.3 木質纖維類生物質三素分離及分別利用

生物質的組分除直接被食物和飼料利用的淀粉、糖類、蛋白質和脂肪外，主要是纖維素、半纖維素及木質素（“三素”）。尤其對木質纖維類生物質而言，三素是最主要的組分，也是生物質非糧利用的主要原料。

當前的生化技術已發展到用葡萄糖、果糖作原料，轉化出一系列重要的平臺化合物，進而合成替代石油基樹脂的生物基樹脂，典型案例有替代聚對苯二甲酸乙二酯（PET）的生物基呋喃二甲酸乙二醇（PEF）和聚乳酸。

1）PET樹脂用于生產聚酯纖維（滌綸）、聚酯瓶片和聚酯薄膜，廣泛用于化學纖維、輕工、電子、建筑等國民經濟的各個方面，有望成為未來產能最大的聚合物之一，但原料的2個組分都來自石油。

目前，生物基2,5?呋喃二甲酸需用葡萄糖或果糖為原料生產。正在研發中的秸稈類生物質轉化出5?羥甲基糠醛（HMF）和乙酰丙酸，生物基HMF經轉化為呋喃二甲酸后，可替代石化基PET的組分對苯二甲酸，而乙酰丙酸則是合成各種輕化工產品的基本原料。

目前，中國PET的2組分PTA和乙二醇（EG），或丁二醇尚需進口。石化PET的國內市場價格為6650 元/t；而生物基PET因屬可降解塑料，價格超萬元/t。

2）生物基聚乳酸（PLA）是一種新型的生物降解材料。在食品包裝、纖維面料、無紡布、薄膜等領域替代石油基聚丙烯等。最突出的是在醫用材料（手術線、骨釘等）上得到廣泛應用。

鑒于酶解纖維素經生物發酵也可產生乳酸，再經化學合成形成丙交酯，最后聚合形成純聚乳酸PLA生物塑料。這樣生產的生物PLA成本可大幅降低。

中國科學院植物研究所桑濤團隊創新秸稈類生物質三素分離、纖維素酶解等技術，在湖北石首市洞庭湖區建成項目（一期），已具備年產3000 t纖維素（葡萄糖）∕半纖維素（木糖）聚乳酸和酶解木質素的能力。木質素用于制備石化基環氧樹脂的生物基替代品（用于碳纖維復合材料），以及高價值的硬碳負電極材料。

3 農業生物質“成金”和形成新質生產力的其他重要條件

生物質“點金術”要能對發展農業生產力和振興鄉村產業真正有意義，還必須具備2個前提條件：

（1）數量和市場規模巨大，絕非所謂“特色產業”或若干個案可與之相提并論；

（2）“點金術”須有能在農村就地開展和有很多農民參與工作的特質，而不是都集中到開發區或城市里。

3.1 巨大的市場

生物質“點金”衍生出的生物質能源和生物質化工，特別是生物基合成材料均有著極為廣闊的市場。2004年，美國能源部針對石油基的300多種石化產品，尋找到12種對應替代的重要生物基平臺化合物。目前僅中國航空煤油一項，年消費量就約為4000 萬t，預計2030年達6000 萬t。

再具體來看若干石化—煤化工產品的市場規模：石油化工產品是工業最重要的基礎原料。“少油缺氣”的國情迫使大量進口。煤化工取得突破后，情況有了較大改善。然而煤化工的致命缺陷是大量排放CO2，生物質化工則完全可以替代而且零碳排放。生物基燃料可部分替代的進口大宗商品能源有：

（1）年進口原油5.64億t（占總消費量70%）；

（2）年進口天然氣1800億m3（占總消費量43.2%）。

3.2 農民能廣泛參與和獲得收入

（1）點“金”得先有“石”。生物質原料的種植、收獲、收集、儲運需要大量勞動力。使有生物質原料和有邊際土地的農民都能參與和收益。

（2）目前已經在進行的有：生物質就地變性：壓縮成型（顆粒、塊）；研磨，可以進一步建立大量鄉村工廠；

（3）生物質原料的就地改性和預處理；在與下游產品市場聯通的情況下，確保綠色環保工藝，可以逐步增加建立在鄉村的工廠；

（4）部分生物質衍生產品，如PHA和PLA可降解地膜、包裝膜，在農村深加工后就地銷售，農民可以分享到商業利潤。

4 結論

綜上所述，在農村建起大批生物質“點金術”的預處理和初加工的工廠（生物質制造業），農業聯接工業，真正實現農業一二三產融合，有必要對生物質的現代應用重新、準確定位：

• 即改變以往側重生物質直燃發電和制備生物乙醇、脂交換生物柴油的利用路線；

• 不與常規化石能源直接競爭和尋求對其大規模替代；

• 除了滿足煤電低碳化改造（摻燒）和分布式供熱，以及制備價值高的生物天然氣和特種燃油（綠色甲醇，綠色航煤，綠氨）的需要之外，將應用重點放到能使農林產物，尤其是難以利用的廢棄/剩余物和木質纖維類生物質“點石成金”的領域，特別是能夠替代高價值石化和煤化工產品的生物質化工領域，以實現生物質的綠色價值；

• 作為一種新質生產力，幫助農業逐步擺脫“弱質”局面。

本文作者：程序，朱萬斌，王洪亮

作者簡介：程序，中國農業大學生物質工程中心，教授，研究方向為生物質工程，可持續農業與農村發展。

文章來 源 ： 程序, 朱萬斌, 王洪亮. 現代農業“點金術”——生物質產業[J]. 科技導報, 2025, 43(19): 16?22 .

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