生物能源是指通过生物的活动，从动植物、微生物等生物质得到的能源，主要包括沼气、生物燃料、生物制氢等，是人类最主要的可再生能源之一。发展生物能源对于保障能源安全、改善生态环境、助力“双碳”目标实现等具有重要意义，已成为全球“未来能源”的战略必争领域。国际能源署预测，到2050年生物能源将成为支撑净零排放能源新系统的三大核心支柱之一，在全球一次能源消费中占比将达到18.8%。当前生产成本高、市场竞争弱、经济效益低等问题制约了生物能源技术产业化应用进程。合成生物技术的兴起为生物能源技术创新与产业化应用提供了新手段与新途径，助力加快培育能源新质生产力。
一、生产模式变革
生物燃料实现原料替代
生物燃料指通过生物质生产的生物乙醇、生物柴油、生物航煤等，是生物能源产业化进程最快的细分领域之一。在基因工程、代谢工程、合成生物学等多学科技术发展推动下，利用“细胞工厂”高效合成生物燃料的绿色生产模式日益成熟。其生产原料由第一代粮食作物加快向第二代非粮原料转变，微藻等第三代原料技术也逐渐兴起。以生物乙醇为例：
图1 三代生物燃料乙醇技术对比
第一代生物乙醇技术：
以糖/淀粉作物为原料，已在全球范围内实现大规模商业化生产，美国（以玉米生产为主）和巴西（以甘蔗生产为主）是最主要的两大生产国，产量规模合计占全球80%左右。
第二代生物乙醇技术：
以农业废弃物和木质纤维素材料为原料，在合成生物学等先进生物技术推动下正趋于成熟。全球各国陆续建设了纤维素燃料乙醇生产示范项目，如我国国投先进生物质燃料（海伦）有限公司于2022年4月在黑龙江建成国内首套纤维素燃料乙醇装置（年产能3万吨）。
第三代生物乙醇技术：
以微藻为原料，尚处培育阶段，多个能源公司正加速推进研发布局，如法国能源巨头道达尔能源与威立雅集团（Veolia）联手推进二氧化碳培养微藻的技术研究。
二、产业化提速
有效提升生物产氢效能
生物制氢是指以生物质为原料，通过化学反应或生物反应来制备氢气，包括热化学法（相对较为成熟）与生物法两大路径。其中生物法制氢包括生物光解、光发酵、暗发酵、光暗耦合发酵、无细胞生成酶生物转化等多种细分技术，具有原料来源广泛、低碳环保等显著优势。在绿色能源转型与“双碳”目标背景下，化石燃料制氢、工业副产物制氢等传统制氢方式因不可持续性只能作为氢气制备的过渡性技术手段，以生物制氢为代表的“绿氢”技术被视为未来发展绿色氢能的最佳方式之一。
图2 几种制氢方式对比及占比
自2015年以来我国超越欧美成为生物制氢领域“科研大国”。通过合成生物技术改造工程菌、优化过程调控等，生物制氢效率大幅提升。如，中国工程院任南琪院士团队首创“发酵法生物制氢技术”，通过培养高效产氢新菌属、开展生产规模试验等加快生物制氢降本增效，逐步推动暗发酵生物制氢技术进入中试放大阶段。依托于其团队最新科研成果，集合氢蓝时代、工大环境在系统集成、解决方案等方面的优势，国内首个生物制氢及发电一体化项目于2023年2月在哈尔滨市启动试运行。该项目以秸秆、厨余、有机废水等为发酵底物，以高效厌氧产氢菌为生产者，实现了在处理废弃物的同时回收大量的清洁能源氢，有力推动了生物制氢技术的示范推广和产业化应用。
图3 国内首个生物制氢发电项目
三、前沿突破
加速生物光伏研发进程
生物光伏（BPV），也被称为光合微生物燃料电池或微生物太阳能电池，是利用光合微生物（如蓝藻）捕捉太阳能来生产电能的清洁发电技术。与传统光伏发电系统相比，BPV可不受光照时域、地域限制，能有效规避光伏材料及器件生产涉及毒害物质、回收利用难等负面影响，被视为太阳能利用的最优路线。但也存在光合微生物光电转化效率低等问题，长期以来BPV尚处实验室开发阶段。
在合成生物学推动下，BPV开发取得重大突破性进展。研究人员通过在遗传﹑环境和装置层面的设计﹑改造和优化，构建出合成微生物组（双菌、四菌等），有效提升了BPV系统的电能输出。如，微生物所李寅团队构建的双菌BPV系统最大功率密度比单菌BPV系统提高10倍以上，可稳定产电40天以上，四菌BPV系统最大功率密度最高可达1700mW/m2，打破了长期以来BPV效率低、寿命短的技术瓶颈，为进一步推动BPV开发利用奠定了重要基础。
图4 双菌、四菌合成微生物组生物光伏系统对比
四、小结
当前合成生物技术已在生物质的转化与利用、细胞工厂与生物催化剂的开发与优化、全新能量转化路线的设计与构建等方面实现变革性突破，为生物能源的高效制备与生产提供了有效手段。为加速推进生物能源技术创新突破与产品规模化生产应用，提出如下建议。
加强技术研发
深入挖掘和研究生物能源合成关键路径，支持多种类生物质原料高效定向转化技术创新，构建低成本、高效率生产技术体系。强化生物能源生产工艺及装备研制，进一步提升生物能源生产效率，拓展生物能源产品品种。
优化市场准入
开展生物能源产品实用性评价和经济可行性分析，研究与探索市场准入相关标准与规范制定，加快推进生物能源产品进入市场。完善生物能源生态补偿、无障碍消纳和市场化发展机制，提升生物能源产品市场竞争力。
拓展应用场景
在交通、工业、农业、生活供电供热等重点领域，因地制宜地推进生物能源示范项目建设，探索可复制可推广的发展路径，逐步形成示范效应和规模效应，进一步实现生物能源在各应用领域的有效替代与规模化应用。
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作 者
谢亚楠，长期从事生物经济领域研究工作
