生物能源是指通過生物的活動，從動植物、微生物等生物質得到的能源，主要包括沼氣、生物燃料、生物制氫等，是人類最主要的可再生能源之一。發展生物能源對于保障能源安全、改善生態環境、助力“雙碳”目標實現等具有重要意義，已成為全球“未來能源”的戰略必爭領域。國際能源署預測，到2050年生物能源將成為支撐凈零排放能源新系統的三大核心支柱之一，在全球一次能源消費中占比將達到18.8%。當前生產成本高、市場競爭弱、經濟效益低等問題制約了生物能源技術產業化應用進程。合成生物技術的興起為生物能源技術創新與產業化應用提供了新手段與新途徑，助力加快培育能源新質生產力。
一、生產模式變革
生物燃料實現原料替代
生物燃料指通過生物質生產的生物乙醇、生物柴油、生物航煤等，是生物能源產業化進程最快的細分領域之一。在基因工程、代謝工程、合成生物學等多學科技術發展推動下，利用“細胞工廠”高效合成生物燃料的綠色生產模式日益成熟。其生產原料由第一代糧食作物加快向第二代非糧原料轉變，微藻等第三代原料技術也逐漸興起。以生物乙醇為例：
圖1 三代生物燃料乙醇技術對比
第一代生物乙醇技術：
以糖/淀粉作物為原料，已在全球范圍內實現大規模商業化生產，美國（以玉米生產為主）和巴西（以甘蔗生產為主）是最主要的兩大生產國，產量規模合計占全球80%左右。
第二代生物乙醇技術：
以農業廢棄物和木質纖維素材料為原料，在合成生物學等先進生物技術推動下正趨于成熟。全球各國陸續建設了纖維素燃料乙醇生產示范項目，如我國國投先進生物質燃料（海倫）有限公司于2022年4月在黑龍江建成國內首套纖維素燃料乙醇裝置（年產能3萬噸）。
第三代生物乙醇技術：
以微藻為原料，尚處培育階段，多個能源公司正加速推進研發布局，如法國能源巨頭道達爾能源與威立雅集團（Veolia）聯手推進二氧化碳培養微藻的技術研究。
二、產業化提速
有效提升生物產氫效能
生物制氫是指以生物質為原料，通過化學反應或生物反應來制備氫氣，包括熱化學法（相對較為成熟）與生物法兩大路徑。其中生物法制氫包括生物光解、光發酵、暗發酵、光暗耦合發酵、無細胞生成酶生物轉化等多種細分技術，具有原料來源廣泛、低碳環保等顯著優勢。在綠色能源轉型與“雙碳”目標背景下，化石燃料制氫、工業副產物制氫等傳統制氫方式因不可持續性只能作為氫氣制備的過渡性技術手段，以生物制氫為代表的“綠氫”技術被視為未來發展綠色氫能的最佳方式之一。
圖2 幾種制氫方式對比及占比
自2015年以來我國超越歐美成為生物制氫領域“科研大國”。通過合成生物技術改造工程菌、優化過程調控等，生物制氫效率大幅提升。如，中國工程院任南琪院士團隊首創“發酵法生物制氫技術”，通過培養高效產氫新菌屬、開展生產規模試驗等加快生物制氫降本增效，逐步推動暗發酵生物制氫技術進入中試放大階段。依托于其團隊最新科研成果，集合氫藍時代、工大環境在系統集成、解決方案等方面的優勢，國內首個生物制氫及發電一體化項目于2023年2月在哈爾濱市啟動試運行。該項目以秸稈、廚余、有機廢水等為發酵底物，以高效厭氧產氫菌為生產者，實現了在處理廢棄物的同時回收大量的清潔能源氫，有力推動了生物制氫技術的示范推廣和產業化應用。
圖3 國內首個生物制氫發電項目
三、前沿突破
加速生物光伏研發進程
生物光伏（BPV），也被稱為光合微生物燃料電池或微生物太陽能電池，是利用光合微生物（如藍藻）捕捉太陽能來生產電能的清潔發電技術。與傳統光伏發電系統相比，BPV可不受光照時域、地域限制，能有效規避光伏材料及器件生產涉及毒害物質、回收利用難等負面影響，被視為太陽能利用的最優路線。但也存在光合微生物光電轉化效率低等問題，長期以來BPV尚處實驗室開發階段。
在合成生物學推動下，BPV開發取得重大突破性進展。研究人員通過在遺傳﹑環境和裝置層面的設計﹑改造和優化，構建出合成微生物組（雙菌、四菌等），有效提升了BPV系統的電能輸出。如，微生物所李寅團隊構建的雙菌BPV系統最大功率密度比單菌BPV系統提高10倍以上，可穩定產電40天以上，四菌BPV系統最大功率密度最高可達1700mW/m2，打破了長期以來BPV效率低、壽命短的技術瓶頸，為進一步推動BPV開發利用奠定了重要基礎。
圖4 雙菌、四菌合成微生物組生物光伏系統對比
四、小結
當前合成生物技術已在生物質的轉化與利用、細胞工廠與生物催化劑的開發與優化、全新能量轉化路線的設計與構建等方面實現變革性突破，為生物能源的高效制備與生產提供了有效手段。為加速推進生物能源技術創新突破與產品規模化生產應用，提出如下建議。
加強技術研發
深入挖掘和研究生物能源合成關鍵路徑，支持多種類生物質原料高效定向轉化技術創新，構建低成本、高效率生產技術體系。強化生物能源生產工藝及裝備研制，進一步提升生物能源生產效率，拓展生物能源產品品種。
優化市場準入
開展生物能源產品實用性評價和經濟可行性分析，研究與探索市場準入相關標準與規范制定，加快推進生物能源產品進入市場。完善生物能源生態補償、無障礙消納和市場化發展機制，提升生物能源產品市場競爭力。
拓展應用場景
在交通、工業、農業、生活供電供熱等重點領域，因地制宜地推進生物能源示范項目建設，探索可復制可推廣的發展路徑，逐步形成示范效應和規模效應，進一步實現生物能源在各應用領域的有效替代與規模化應用。
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作 者
謝亞楠，長期從事生物經濟領域研究工作
