生物质不仅仅是一种用于发电的原材料（无论是在热电联产电厂当中直接用于发电，还是在生物气/合成气工艺路径中间接用于发电），还用于生产多种化学半成品和成品。由于政府从政策上给予了支持，故其存在着巨大的成长潜能。这对于行业中的设备制造商和处于供应基地领域的公司来说是一个机遇，他们可以利用这个新机遇中获得更好的发展，但在这一整条的增值链当中，仍然存在着一些挑战。

本文摘自ACHEMA趋势报告。

生物质及相关市场正处于上升期，这种上升反映在投资额水平上。Pike Research于2010年末发表的《生物质市场和技术研究》报告为这一观点提供了支持，该报告预测，生物质市场的全球投资额将在5年内以稳定的速率持续增长。据此报告说，投资额将从2010年的282亿美元增长至2015年的337亿美元。

生物质是人类历史最悠久的能源。从远古时代起，人们就开始用木头取暖。应用生物质作为原材料基础是生物质较为近代的发展。据德国化学协会（VCI）统计，德国化学工业的生物质年消耗量约为270万t，占本行业原材料的13%。化石能源煤炭、石油和天然气曾经是比较便宜的，但是这种态势已经发生了极大的改变。

生物质从原材料来源和终极产品的角度来说都覆盖了更为宽广的种类范围。欧洲生物质行业协会（EUBIA）定义了4种类型的生物质转化过程：直接燃烧、热化学转化过程（热分解和气化）、生物化学过程（厌氧水化、发酵）和物理化学转化（转化成生物柴油）。技术的选择取决于原材料的化学成分和目标产品。

制造化学产品

类似于石油化工炼油厂，生物炼油厂能够将生物质原料转化用于生产一系列的化学原材料和燃料产品。绝大部分一体化生物炼油厂概念仍然处于初始发展阶段，德国和欧洲其他地区的生物炼油厂极为稀少，绝大多数均为示范厂或试验厂。一些运行在商用基础上的生物炼油厂呈现出例外的状况。截止2010年，在德国有7家生物炼油厂，全欧洲为121座。美国在生物炼油厂的建设和运行方面占据着领先的地位，并为这个行业提供支持。仅美国能源部的生物质项目一项就为29家生物炼油厂提供着支持。而在德国，将来由谁来运行生物炼油厂成为了一个重大问题。化学行业并不愿意承担这一责任。因此，化学工业园区和农业综合经营组织成为了最有可能的候选方。

德国工程师协会（VDI）技术中心开展了一项研究项目，旨在评估有哪些生物质及其在生物炼油厂内的最大化利用将取代传统基于石油的生产技术。这项研究提供了有关26种化学前体（平台化学物质）基于生物生产的技术。有一些强有力的迹象表明，在其中11种前体的生产正在转移至基于生物的技术。例如，完全采用生物质生产的琥珀酸和聚乳酸（PLA）的生产能力正在全球范围内扩张。

利用独立酶或酶系统在活细胞或生物催化剂内对生物质进行生物转化的方式，在白色生物技术行业当中得到了广泛推广。种类范围非常宽广的微生物都应用于生物转化当中，目前最为常用的微生物是酵母菌、大肠杆菌和谷氨酸棒杆菌。一般应用葡萄糖和果糖之类的各种已糖（C6糖）用作前体物质，举例来说，这些物质可通过水解预处理从生物质当中分离出来。但是，木质纤维素需要采取一种特殊的方法将不可发酵的木质素从糖中分离出来。目前，木质纤维素生物质采用了酸、苯酚衍生物或高温蒸汽的机械或化学预处理方式，并且越来越多地采用了纤维素酶水解-催化预处理方式。从木质纤维素当中回收的半纤维素当中存在高戊糖（C5糖）成份，例如木糖，需要特定的微生物才能将这些物质分解。

技术难题和解决方案

若要成工业规模地部署具有竞争力、成本效益良好的基于生物的生产方法，就必须克服一系列的技术难题。

首先遇到的挑战是，这些生物质的输送方面的问题。我们必须收获、运输和加工大量的生物质，体积并不是本行业要面对的惟一难题，原材料多样化的问题同样需要解决。生物质除了玉米和木屑这样干燥散装的固体，还包括高黏度的液体，例如下水污泥和液肥。考虑到原材料的多样性，就需要采用不同的技术将生物质输送至目的地。

物流运输并不是惟一需要采取特殊解决方案的难题。生物质必须在运输和工业加工之间进行仓储。自燃一直是木屑经常发生的问题之一，这个问题是由木头内部的微生物分解所引发的。散装物料内部很难散热，经常会导致焖燃甚至是明火。
 
除了整个过程中化学氧化反应产生大量的热以外，德国材料研究和试验局（BAM）指出，物理和微生物过程也会放出大量的热。这项信息是在该局的生物质贮存防火指南当中公布的。例如，相对干燥固体表面的吸水释放吸收热导致温度升高。需要非常谨慎处理的不限是干燥生物质。在贮存商用液肥中要遵守各项建筑和水管理规范，确保溢出或漏出的液肥不会进入下水道系统，甚至进入地下水系统。

在转化之后，这些产品通常进行了高度的稀释，经常采用复杂的产品混合物形式，其中包含了彼此之间非常相似的成份。这些产物还包含了各种各样的残余物和废品，例如发酵溶液、细胞培养液和工厂萃取物。

产品提纯/下游加工方面在满足化学标准方面也存在巨大的挑战。产品通常会涉及到大量的水溶液，而且经常还要从生物体当中分离出来。从发酵液中萃取产品经常会占据生产成本的80%，成为生物科技生产当中的一项重大成本要素。其他技术难题还包括开发新型专用催化剂和生物催化剂。

如果生产所涉及的微生物不能适应高浓度，那么发酵期间的产品抑制作用也会成为一个问题。分离产品或低pH值过程设计方案都可作为应对手段，解决这一难题。

从实验室环境向更大生产规模的转化也会存在问题。基于生物的加工过程需要与传统的化学技术相结合。混合式的化学生产方法在开发工作的早期具有特别具体的意义。美国和中国正在聚丁烯琥珀酸盐领域大力展开研究。这种工艺将生物发酵与化学氢化方法结合了起来。

生物气工厂面临的难题

在垃圾和其他生物质的厌氧发酵当中，微生物的自然新陈代谢能够将这些基质转化成生物气。

这些固体基质的组成对于生物气工厂当中的发酵过程有着重大的影响。为了增加适用范围，玉米青贮料等标准原材料已经被粪肥、青草、稻草或甜菜等替代基质所取代。将大块物料击碎和将固体粉碎可增加物料表面积，这使工艺细菌能够更快地作用于各种营养物质。而且，如果基质已经粉碎，更快速和均质的分散方式可以在液相下达成。这种方式给整个过程都会带来如下好处：

可获得更高的产气量/减少发酵容器内平均验证驻留时间；

减少搅拌器和泵机的负荷；

改进发酵残留物的成份。

据化学工业雇主责任保险协会（BG Chemie）的评估，80%的生物气工厂内都存在效率太低的问题。由于生物气工厂会生产易燃性、易爆气的甲烷气体，所以也会成为一项特别关注问题。生物气工厂也会生产其他可能具有关键性的中间产物和最终产品，例如二氧化碳和硫化氢。在结构部件无法承受生物质或耐受气体压力的情况下，设计错误和材质缺陷也有可能导致事故发生。热电联产电厂，特别是燃气发动机都有可能成为难点。泵机输送固体也会存在问题。

生物气工厂的运营状况经常处在商业上可行范围的边缘区域。各种技术问题和过程中断现象导致了更长的停运时间或较高的修理成本，从而可能在生物气工厂中带来经济问题。不受控制的泡沫累积是造成生物气工厂运行问题最常见的原因之一。泡沫会导致流动堵塞并在生物气反应器内造成缺陷。泡沫相关问题还包括了在反应器壁上形成硬壳、器门故障、气体管路、凝结水管路和循环泵的污染和堵塞、过多的泡沫累积和生产过程完全中止。而产气量的下降，利润率也将随之下降。

Helmholtz环境研究中心正在研发一种能够预测和避免即将发生泡沫事故的早期警报系统。这个研究中心正在检验取自多家生物气工厂的基质样品，以便更好地理解生物气工厂内形成的泡沫。中心正在分析那些来自稳定运行状态且不产生泡沫工厂的样品以便作为对比基准。所有数据均输入数据库，这一数据库将在以后用于测定意外事故并根据已检测到的模式来做出预测。

Hohenheim大学正在研究一种用于生产天然气级生物气的全新过程工艺。这种方法的不同之处在于，负责进行生物气生产的甲烷细菌本身就用于保持生产天然气级生物气所需要的压力和纯度水平。这所大学的研究人员正在开发一种能够达成这个目标的专用仪表和控制系统。这样就无需进行下游的气体压缩和提纯过程，从而将能源成本降低40%。这种新工艺将给生物气生产带来真正的大幅改进。目前能源成本的绝大部分都将被削减掉，与传统过程工艺相比，小型工厂从经济角度是可行的。
由于不再需要气体升级过程，总投资额将显著降低。

西门子公司正在努力开发设计用于提升生物气工厂过程管理和工厂效率的仪表控制系统。在生物质发酵制成甲烷中会产生酸。如果酸浓度过高，则过程将达到一个临界点。此时就必须清洗后再重新启动系统。目前，运行方会定期从反应槽中采取样本进行实验分析。这是因为他们并不知道在任意给定时刻发酵容器内的实际酸含量，许多用户会留出宽阔的安全裕量，这也意味着必须承受较高的资金投入。

红外线光谱技术能解决这个问题。各种分子会在暴露于红外光下时发射出具有特质性的光谱。这种光谱提供了有关化学键的信息，而这种信息可随后用于测定具体元素或化学物质的存在。西门子开发的仪表将通过一个玻璃容器发射红外光至发酵容器内以检测出酸含量。这样可以消灭酸浓度过高的风险，而用户就可以发挥自己生产系统的全部潜能了。专家估算能源生产量将增加5%~10%。

Stephan Prechtl和Martin Faulstich（ATZ开发中心）发布过一项研究结果，这项研究重点提出了设备制造商所面对的一个挑战。生物膜能够在用于工业规模的生物质加工或发电设备的金属、天然石、混凝土和塑料表面上繁殖生长。

许多农业生物气系统采用混凝土制造，并采用机械搅拌器进行混和操作。在基质原料厌氧微生物分解过程中形成的硫化氢及其副产品（亚硫酸和硫酸）经常会导致搅拌器、换热器和热电联产系统结构和设备的腐蚀。在发酵容器内直接进行生物除硫是除去生物质内硫化氢含量最为常见的技术。微生物除硫是一种非常简单的工艺。资本投入和运行成本都较低，此类技术正应用于大多数系统当中。在优化条件下，除硫率可以高达95%。

硫元素的分解会导致管道内发生堵塞。不断波动的原生气体浓度对于在发酵容器气体腔室内直接进行的微生物除硫存在着不利的影响。通过采用更为合适的生物气除硫方法可以避免设备的腐蚀损坏。以下技术均在实际应用中采用。但是，各种可选方案的技术适合性以及资本投入和运行成本都必须针对具体应用进行评估：

直接添加高铁酸进行沉淀；

碱漂洗；

用富铁体进行吸附；
 
用活性炭进行吸附；
 
在单独的反应器内进行外部生物除硫。

据估计，在德国境内约有7?000家生物气工厂，其中许多工厂已经不间断地运行了多年。这些工厂当中的绝大多数设备已经很陈旧。易受影响的部件正在发生磨损，专家预测将进行大规模的设备改进，例如引进先进的仪表和控制系统以便于进行过程管理。那些在高应力下易受影响部件（例如，搅拌器、进料单元和热电联产装置）将被替换。

形成焦油是一个与采用生物气生产合成气相关的过程。主要困难在于流畅无碍地供应生物质、产品混合当中的高焦炭和焦油含量以及进行气体升级处理的成本和投入。

与在斯特林发动机应用中使用生物质原材料相关的主要问题是热量从生物质燃烧烟气向斯特林发动机内作功气体的高效传导。高温气体换热器提供了烟气与作功气体之间的界面。为了确保高电气效率，高温气体换热器入口处的烟气温度应当尽可能高，但是这样有可能出现由于烟灰沉积在这部分系统上而出现问题。业界已经开发了一种用于计算高温气体换热器烟气端导热量的计算机程序以解决这个问题。通过深入大量的工程设计和开发工作，这些系统部件的效率已经得到了显著的提升。目前市场上还推出了应用于高温气体换热器的自动化气体洗涤器。

采用基于纳米技术的涂层技术，Nanostir项目正在采用不同的方法来解决这个问题。其目标是长期性地消除或最大程度上减少高温气体头部的烟渣形成现象。

小结

化学工业已经在开发基于生物的能源和原材料方面展开了深入广泛的工作。正如传统技术的发展历程一样，并不是实验室内开发出来的每一种技术都可以升级放大成为工业化的应用。2012年6月18~22日在德国法兰克福举行的ACHEMA 2012展会上，参展商将展示新型过程战略、更出色的催化剂和创新产品，这些都将进一步提高用于生产能源和原材料的生物质转化效率和降低投资成本。
 

图1 生物质不仅仅是一种用于发电的原材料，而且还可以用于生产多种化学半成品和成品