来源：滚动播报
（来源：科创中国）
多年来，中国的农产品尤其是粮食作物的单产水平一直在稳定地提高。但由于多种原因，农产品的产值一直在较低水平踏步不前。本文分析了生物质热化学转化技术和微生物技术的前景及发展潜力。同时“双碳”目标下，生物质热化学转化等技术的突破为农产物对工业品实施部分绿色替代提供了可能。
农产品价格普遍低下是中国农业特有的现象，也是农业弱质化的重要原因之一。现有的农产品加工增值、提高附加值等手段均效果有限。要想从根本上解决问题，须靠发展某种农业产业，以及在其基础上进行第一二三产业的融合。这个“某种产业”，即新兴的“农业生物质制造”，所依靠的是现代农业（生物质）“点金术”。最终形成的是农业的新质生产力。
1、农产物“点石成金”的探索
在衡量生产力的诸要素中，与农产品单产水平、生产效率相比，提高产品的产值是最困难的。近年来出现的生物质热化学转化等技术展示了一种新的情景：利用农、林、牧业的废弃物、剩余物和下脚料，和在边际土地上能种植的能源植物（灌木，草类），可制造出生物质合成能源、材料和化学品。这种因创新农业生物质利用方式并大幅升值而获得的生产力，即可称之为农业的“新质生产力”。
1.1 中国古代的“点石成金”和西方古代的炼金术
“点石成金”和西方“炼金术”在人类的不断尝试下最终证明为不可实现。然而，现代生物技术却使农业真正能做到“点”生物质成价值可追“金”的产品。
这里所论述的农业“生物质制造”，属广义的生物制造，是指以农林生物质为原料、通过生物化学/物理手段转化的生物能源、材料和化学品的制造业；是生物质向工业制造业渗透，从而正在形成的新兴产业——生物质化工（含生物能源和生物基材料），以及生物质储能。
1.2 国际学术界关于生物质“点石成金”的探索
近年来，生物质价值大幅度抬升的概念在发达国家出现，产生了一个新词意：valorization（英文原意是指赋于高价），我们借用来表达农业生物质“点金”升值。
随着研究的深入，发表有关生物质研发成果的论文大量涌现。2012年8月，英国诺丁汉大学***在Science的“废弃物利用专栏“（special section）发表题为“Valorization of biomass: Deriving more value from waste”的论文。他在论文中提供了以下数据：生物质（如秸秆）如果以垃圾形态到送填埋场，每吨要消耗400 $的费用；如用作牛饲料，每吨价值仅70 $；如转化为车用生物燃料，每吨价值可提高到400 $；如果转化为生物合成材料中间体，平均价格可达1000 $或更高。其价值是饲料的十几倍到数十倍。
又如，2014年在Bioresource Technology上刊登的一篇论文，介绍了造纸废液经微生物——化学转化（“炼金”）制取价值很高的全生物可降解塑料——羟基脂肪酸聚酯（PHA）。
2014年8月，PNAS刊登美国国家可再生能源研究中心Linger等的论文，阐述以木质素类原料，通过化学转化加微生物产芳香烃机制进一步合成高价值的全生物可降解塑料PHA的独特途径。
2022年，美国麻省理工学院的Calvo–Flores等在《化学前沿》（Frontiers in Chemistry）上发表论文，介绍了C1~C6共8种生物基平台化合物及其具有商业化前景的衍生物，论文的第一个关键词便是biomass valorisation。
2025年，Sustainability发表了由da Paixão等撰写的关于生物质“点金术”的分类型发展；Pandey等发表了关于生物质通过“点金术”生产生物燃油和生物基产品的综述。
不同于国际上新兴的生物质“点金”（valorize）研发观念，国内通行的“农产品加工（agricultural products processing）”观念，既缺乏学科交叉，更谈不上产业融合，难以与国际前沿接轨，无法对大幅度增加农业产值和农民收入作出有力的贡献。以agricultural products processing（农产品加工）为关键词，在Web of Sciece collection搜索，只发现50篇论文，而且绝大部分都是中国作者（以英文）在专业会议上发表的。这与以biomass valorize为关键词，能搜索到数千篇大多在国际高影响因子期刊发表论文的状况，形成鲜明的对比。
1.3 美国研发“农产物应用”对农产物升值作出重大贡献
国际上，与valorization近义的词有biorefinery（生物炼制）。但最能反映生物质“点金”涵义的，则是美国的“农产物应用”（agricultual utilization）。其在技术创新上已作出了不凡的贡献。
20世纪30年代，为解决农产品滞销和低价问题，美国农业部成立了5个区域性“农产物应用研究中心”。其中中部中心的代表性的成就有：
（1）玉米湿磨浆废液替代昂贵的培养基生产青霉素，突破了青霉素从试管培养到工厂生产的屏障，大大降低了战场死亡率；
（2）20世纪50年代，研发出玉米制燃料乙醇；
（3）研发出耦联淀粉高吸水物Super Slurpet系列。
2、生物质热化学技术的突破为诞生“农业生物制造”产业创造了基本条件
当前，生物质“点金”出现了一系列的机遇。首先，“循环经济”观念开始深入人心。其次，全球应对气候变化的行动带来生物质“绿色”价值的显现和“变现”。最后，则是生物质转化技术出现一系列突破，特别是热化学转化技术的突破。
2.1 生物质“绿色”价值的“变现”和“碳关税”对贸易的压力
国际海洋航运业多年来使用的燃料是化石基轻柴油和重油。每年排放的温室气体占全球总排量（二氧化碳当量）的2.5%。为此，国际海事组织（IMO）2023年7月通过温室气体减排战略修正案，规定到2030年和2040年，国际航运的年温室气体排放总量要分别比2008年减少20%和70%。据航运界研究确认，主要依靠生物质转化生产的“绿色甲醇”“绿色LNG”和“绿氨”，将是今后替代船用柴油的理想碳减排燃料。目前，生物基“绿色甲醇”已经开始被马士基集团等国际航运巨头的船队使用。
2.2 生物质转化技术出现重大突破，生物质“点金”有术
生物质微生物发酵和微生物培养是比较成熟的技术，近年来，出现了3类技术突破，其中属于生物质热化学转化范畴的生物质气化−合成技术最为突出。
2.2.1 高价值有效成分的发现和提取
国内某纸业集团除利用秸秆生产环保型出口本色纸替代木浆外，还在造纸黑液中提取黄腐酸制成优质有机肥，黄腐酸具有促进植物生长、增进化肥肥效和改良土壤的作用。两方面的增值效果显著，秸秆“点金”价值抬升约10~15倍。
2.2.2 生物质气化—合成技术取得重大突破
在生物质热裂解转化方面，以南京林业大学张齐生、周建斌团队生物质热解联产多种产品的技术为例。该技术集气化发电、供热、制炭、制肥于一体，已在河北省平泉县落地生根开花结果。
生物质气化—合成技术取得重大突破。生物质本质上是碳、氢、氧的化合物，与同样以碳、氢、氧组成的烷、烃类为基本构成的化石能源相比，存在氧含量高、热值较低、常规气化产生难处理的焦油、易结渣等缺陷，但没有实质性区别。理论上生物质可以转化出几乎所有与石油、煤和天然气衍生物相对应的工业品，包括合成材料和合成燃料。
而生物质如果要产生烯烃类产物，常规途径要经过复杂的包括物料预处理、化学转化或微生物转化的过程，而且需通过若干种平台化合物“中转”和进行多道脱氧加氢反应，效率很低，成本高昂。
目前，已经从原理上克服技术瓶颈，使生物质气化成类似煤化工的“合成气”形态，从而打通直接合成多种化合物的通道，可以转化出几乎所有与石油、煤和天然气衍生物相对应的工业品，是生物质转化最高效的方式之一（图1）。
生物质气化技术历经国内外200多年的研发，始终因为原料不具备气流输送性、产生焦油引起管道堵塞、产生的混合气中H2和CO的含量不高、杂质多等问题无法根本解决，一直未能实现稳定的工业化生产。
国内某集团通过对生物质原料实施“气流床生物质蒸汽重整制煤化生物质”工艺，实行“煤化”（半焦化）改性，物料具备了工业化生产必需的气流输送性，从而使生物质转化既能像现代煤化工那样产生多种高价值能源、材料和化学品，又能避免煤化工那样的大量碳排放。
以气化—合成的生物基甲醇、生物甲烷和绿色航煤为例，测算生物质“点金”（转化提质+绿色溢价）的效果：作物秸秆和木质纤维类生物质价格为100~300 元/t。
2.2.3 木质纤维类生物质三素分离及分别利用
生物质的组分除直接被食物和饲料利用的淀粉、糖类、蛋白质和脂肪外，主要是纤维素、半纤维素及木质素（“三素”）。尤其对木质纤维类生物质而言，三素是最主要的组分，也是生物质非粮利用的主要原料。
当前的生化技术已发展到用葡萄糖、果糖作原料，转化出一系列重要的平台化合物，进而合成替代石油基树脂的生物基树脂，典型案例有替代聚对苯二甲酸乙二酯（PET）的生物基呋喃二甲酸乙二醇（PEF）和聚乳酸。
1）PET树脂用于生产聚酯纤维（涤纶）、聚酯瓶片和聚酯薄膜，广泛用于化学纤维、轻工、电子、建筑等国民经济的各个方面，有望成为未来产能最大的聚合物之一，但原料的2个组分都来自石油。
目前，生物基2,5−呋喃二甲酸需用葡萄糖或果糖为原料生产。正在研发中的秸秆类生物质转化出5−羟甲基糠醛（HMF）和乙酰丙酸，生物基HMF经转化为呋喃二甲酸后，可替代石化基PET的组分对苯二甲酸，而乙酰丙酸则是合成各种轻化工产品的基本原料。
目前，中国PET的2组分PTA和乙二醇（EG），或丁二醇尚需进口。石化PET的国内市场价格为6650 元/t；而生物基PET因属可降解塑料，价格超万元/t。
2）生物基聚乳酸（PLA）是一种新型的生物降解材料。在食品包装、纤维面料、无纺布、薄膜等领域替代石油基聚丙烯等。最突出的是在医用材料（手术线、骨钉等）上得到广泛应用。
鉴于酶解纤维素经生物发酵也可产生乳酸，再经化学合成形成丙交酯，最后聚合形成纯聚乳酸PLA生物塑料。这样生产的生物PLA成本可大幅降低。
中国科学院植物研究所桑涛团队创新秸秆类生物质三素分离、纤维素酶解等技术，在湖北石首市洞庭湖区建成项目（一期），已具备年产3000 t纤维素（葡萄糖）∕半纤维素（木糖）聚乳酸和酶解木质素的能力。木质素用于制备石化基环氧树脂的生物基替代品（用于碳纤维复合材料），以及高价值的硬碳负电极材料。
3、农业生物质“成金”和形成新质生产力的其他重要条件
生物质“点金术”要能对发展农业生产力和振兴乡村产业真正有意义，还必须具备2个前提条件：
（1）数量和市场规模巨大，绝非所谓“特色产业”或若干个案可与之相提并论；
（2）“点金术”须有能在农村就地开展和有很多农民参与工作的特质，而不是都集中到开发区或城市里。
3.1 巨大的市场
生物质“点金”衍生出的生物质能源和生物质化工，特别是生物基合成材料均有着极为广阔的市场。2004年，美国能源部针对石油基的300多种石化产品，寻找到12种对应替代的重要生物基平台化合物。目前仅中国航空煤油一项，年消费量就约为4000 万t，预计2030年达6000 万t。
再具体来看若干石化—煤化工产品的市场规模：石油化工产品是工业最重要的基础原料。“少油缺气”的国情迫使大量进口。煤化工取得突破后，情况有了较大改善。然而煤化工的致命缺陷是大量排放CO2，生物质化工则完全可以替代而且零碳排放。生物基燃料可部分替代的进口大宗商品能源有：
（1）年进口原油5.64亿t（占总消费量70%）；
（2）年进口天然气1800亿m3（占总消费量43.2%）。
3.2 农民能广泛参与和获得收入
（1）点“金”得先有“石”。生物质原料的种植、收获、收集、储运需要大量劳动力。使有生物质原料和有边际土地的农民都能参与和收益。
（2）目前已经在进行的有：生物质就地变性：压缩成型（颗粒、块）；研磨，可以进一步建立大量乡村工厂；
（3）生物质原料的就地改性和预处理；在与下游产品市场联通的情况下，确保绿色环保工艺，可以逐步增加建立在乡村的工厂；
（4）部分生物质衍生产品，如PHA和PLA可降解地膜、包装膜，在农村深加工后就地销售，农民可以分享到商业利润。
4、结论
综上所述，在农村建起大批生物质“点金术”的预处理和初加工的工厂（生物质制造业），农业联接工业，真正实现农业一二三产融合，有必要对生物质的现代应用重新、准确定位：
即改变以往侧重生物质直燃发电和制备生物乙醇、脂交换生物柴油的利用路线；
不与常规化石能源直接竞争和寻求对其大规模替代；
除了满足煤电低碳化改造（掺烧）和分布式供热，以及制备价值高的生物天然气和特种燃油（绿色甲醇，绿色航煤，绿氨）的需要之外，将应用重点放到能使农林产物，尤其是难以利用的废弃/剩余物和木质纤维类生物质“点石成金”的领域，特别是能够替代高价值石化和煤化工产品的生物质化工领域，以实现生物质的绿色价值；
作为一种新质生产力，帮助农业逐步摆脱“弱质”局面。
本文作者：程序，朱万斌，王洪亮
作者简介：程序，中国农业大学生物质工程中心，教授，研究方向为生物质工程，可持续农业与农村发展。
文章来源：程序, 朱万斌, 王洪亮. 现代农业“点金术”——生物质产业[J]. 科技导报, 2025, 43(19): 16−22.
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