由于生物质原料的生物构造和化学组成的复杂性造成直接水解发酵的效果很差，如秸秆必须经过适当的预处理，破坏木质素的包裹作用以及纤维素的结晶结构才能得到较高的单糖得率，因此，原料的预处理技术是生物质有效利用过程中的一个关键技术。现有常用的预处理方法很多，其中蒸汽爆破法具有处理时间短、不用或少用药品、节能环保、无回收工艺等优点，是一种较为理想的预处理技术。陈洪章研究员的课题组以自主研发的无污染蒸汽爆破预处理技术为平台，结合机械筛分，可以同时实现秸秆纤维素、半纤维素、木质素各组分的充分利用，而且大幅度降低了秸秆转化过程中的生产成本。在实验室研究基础上，该技术通过改进实现了工程放大，目前已经达到50m3的规模[14]。
水解是生物质生化转化的限速步骤，需要采用酸或酶水解法将生物质转化成可发酵性单糖。同酸法水解工艺相比，酶水解法具有反应条件温和、环境友好、产物专一、糖得率高(转化率>90%)和设备投资低等优点，所以成为世界各国重点研发的热点工艺技术之一。酶水解法主要的制约因素是纤维素酶的成本。造成生物质降解成本过高的主要技术瓶颈是工业生产中纤维素酶用量较高，酶解效率有待改进。为此众多研究者围绕纤维素酶和生物质的生物降解转化展开了广泛的研究。除了从自然界中寻找具有高比活的纤维素酶外，还对各种微生物进行发酵代谢工程改造，有效地扩大菌株的底物利用范围，提高产品产率等。
好的发酵工艺不仅要有生产性能优良的菌株，还要有合适的发酵条件和设备，才能使生产潜力充分表达出来。与目前发酵工业上常用的液体深层通风发酵相比，固态发酵凭借其低成本、高产出、低能耗及低发酵有机废水污染等优势，日益受到关注。然而固态发酵中的纯种培养、基质传质和传热、发酵参数的调节与控制等一直是有待解决的难题。陈洪章基于对化工原理的深刻认识，强调生物信息传递在固态发酵生物反应器设计中的重要性，认为生物反应器是一个由生物系统和环境系统组成的特定生态系统[15]，提出了气相双动态固态发酵的新过程。此过程中没有加入机械搅拌，而仅对固态发酵过程的气相状态进行控制。
一方面，气压处于上升和下降的脉动中;另一方面，反应器的气相也处于流动中，改善了固态发酵过程的热量传递和氧传递，促进了菌体的生长和代谢，解决了传统固态发酵难以纯种大规模培养的问题，并且使发酵过程中的温度、湿度可控，发酵水平提高2~3倍。目前已经设计出了100m3的固态发酵反应器，这是迄今全球最大的固态发酵规模，真正实现了纤维素酶大规模、低成本的生产。使用气相双动态固态发酵反应器，以汽爆玉米秸秆为发酵的主要原料进行纤维素酶的生产，经过5批实验，平均纤维素酶活达到了120FPA/g干曲，最高达到了210FPA/g干曲[16]。
生物质转化生物基产品的过程中，一般需要许多个生产环节，才能得到目的产品。通过过程整合将反应或分离步骤中的不同方法集成在一个反应器或一个工艺步骤中，可以简化工艺流程，提高生产效率。此外，在生物质的生物转化过程中，往往只注重开发主发酵产品，而忽略了发酵过程中副产物的利用，如果能够通过产品生产工艺的整合，使更高价值的化学品作为生物燃料的联产品，将显著提高整个发酵生产的经济效益，将更吸引投资者的关注，这是相关研究需要注意的。
3.4化学转化的路线
生物质资源是替代化石类资源的理想选择，但由于其元素组成、化学键型、化学成分等十分复杂，使其从固体原料到固体或液体产品的转化过程要难于传统的石油炼制过程(图5)。生物质化学转化技术成为达到CO2减排和能源可再生目标的生物质产业化的一条重要途径，已成为世界各国研究的热点，其中热化学转化是应用研究的重点[17]。
在众多生物质能源的转化方式中，热化学定向转化制备燃气和合成气技术是极具发展前景的方式[18]。生物质的热化学转化利用主要包括直接燃烧、热解、气化和液化等。国内外研究者普遍认为气化和热解工艺是最为有效的生物质热化学制备燃气、合成气的方法[19-20]。
虽然不同生物质气化、液化、热解的转化方式、转化效率、产物各不相同[21]，但都是在一定的条件下将生物质高分子(纤维素、半纤维素、木质素)裂解，切断生物质大分子键，使之转变为小分子的物质。
生物质的气化、液化、热解是大规模利用生物质的有效方法之一[22]。由于生物质属于高分子化合物，原料组成差异很大，热化学转化产物组分很复杂，国内外对于生物质的热化学转化的关键技术虽有所突破，但目前液化、热解还没有实现工业化。生物质气化供气技术已基本成熟[23]，秸秆气化集中供气工程所产生的燃气被应用于管道煤气和天然气普及不到的农村或小城镇，为用户集中供应炊事、取暖用能，对于增加农村能源供给、改变农村炊事结构、改善农村卫生条件、减轻环境污染、构建节约型社会和社会主义新农村具有重大意义。燃气中的焦油和灰尘含量超标、进一步提高燃气质量则是其进一步产业化时需要完善之处[24]。
4前景和展望
生物质产业的发展前景非常广阔。在分层多级定向转化的炼制思路下，可以综合利用生物质的不同成分与中间产物，使得生物质原料的价值最大化。相关企业在兼顾环保的同时，可获得高盈利空间和生产灵活性，可以依据市场变化改变产品组成，来获得最大的经济回报。笔者所在的课题组经过二十多年的研究探索，应用和发展低压无污染蒸汽爆破技术、新型大规模固态纯种发酵技术、酶解发酵分离多级耦合技术等关键技术平台，解决生物质高效转化的技术瓶颈，实现了秸秆资源的生物量全利用，并对多产品的生态产业链进行试验开发，目前已经建立了纤维素酶、生物乙醇、低聚木糖、蛋白饲料、生物农药和清洁制浆造纸等生态产业化的实施案例。在能源替代、生态环境和发展经济三大要素拉动下，在市场与政府的双重努力下，生物质产业发展的春天即将到来!
参考文献
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