生物丁醇是继生物燃料乙醇之后另一种极具发展前景的新一代生物液体燃料。生物丁醇作为典型的生物质能源，与燃料乙醇相比，具有诸多优势，一是与汽油配伍性好，不需要改造车辆发动机；二是蒸汽压较低，安全系数高，更适合做燃料添加剂；三是热值比乙醇高，能量密度高，抗爆性好^{[1, 2, 3, 4]}。因此，生物丁醇作为新型燃料，受到了各国政府、科研单位及企业的日益重视。目前，生物丁醇已被联合国国际能源署列为第二代生物燃料，在国际上受到了广泛关注^{[5, 6, 7]}。

生物发酵法生产纤维素丁醇是以农林剩余物为原料通过产溶剂梭菌厌氧发酵合成，同时副产丙酮和乙醇^[8]，所形成的丙酮、丁醇、乙醇的混合液简称ABE发酵液。早期生物丁醇的制备主要以玉米、糖蜜等淀粉质和糖质为原料，但使用玉米原料存在“与人争粮、与粮争地”等问题，且粮食类原料成本高，不利于未来丁醇的产业化发展。相反，农林剩余物产量巨大并且价格低廉，因此以农林剩余物为原料生产纤维素丁醇不仅可以降低原料成本，还可成为解决大量农林剩余物处理问题的有效途径^[9]。

本文主要总结了纤维素丁醇产业化发展现状、存在问题及未来纤维素丁醇产业化发展前景，并提出建议以期促进纤维素丁醇的产业化发展。

生物质发酵法生产生物丁醇工艺首先于1911年在欧洲产生并产业化，当时主要为满足丙酮和丁醇的消费需求。在上世纪50年代以石油衍生产品为原料的化学合成法生产丙酮、丁醇产业发展起来后，由于生产成本和规模竞争劣势，生物发酵法生产ABE的方式在发达国家逐渐被淘汰，只有少数国家还坚持生物发酵法生产ABE^[10]。

我国生物发酵法生产ABE自1955年开始，主要以粮食为原料。上世纪80年代国内共有年产能规模3000吨~10000吨的ABE生产企业30多家，总产能17万吨/年^{[11, 12]}。以后由于国内石化工业的发展，以粮食为原料的生物质ABE生产企业因缺乏成本竞争优势也逐步关闭。1999年以后，国内陈化粮库存问题比较严重，国家在政策层面对燃料乙醇企业予以支持，加之同期国际石油价格较高，化学合成法生产丙酮、丁醇对生物质ABE的抑制有所减轻^[13]，国内部分生物质ABE企业恢复生产，并出现一些新建企业。

2007年，国家发改委叫停粮食生物燃料生产，同样以陈化粮为主要原料的生物质ABE企业陷入举步维艰状态，产能停止扩张。据有关统计数据显示，2008年，国内共11家生物质ABE企业，年总产能32.8万吨^[12]；2010年，生物质ABE企业9家，总产能30万吨；目前，早期建成的粮食原料ABE生产企业基本处于停产状态^[14]。此后，生物质ABE生产企业和国内科研机构将研究重点放在以秸秆等纤维素原料生产ABE方面。

目前，针对纤维素丁醇的研究仍处于实验研究和示范生产阶段。中国科学院青岛生物能源与过程研究所、中国科学院上海生命科学研究院、中国科学院过程工程研究所、河南农业大学和华中农业大学等对纤维素原料生产丁醇技术进行了前期探索，这些研究将有力地促进纤维素燃料丁醇的产业化进程^{[15, 16]}。

中国科学院上海生命科学研究院采用传统诱变法，获得了高丁醇质量分数的丙酮-丁醇梭菌(EA2018)，产物中生物丁醇、丙酮、乙醇质量比为7∶2∶1，比传统菌种的生物丁醇提高了10个百分点，但从其发酵总溶剂浓度看，丁醇质量浓度尚处在14克/升左右，与国外技术仍有一定差距(美国加州大学研究的丁醇质量浓度达到30克/升)^[17]。

中国科学院青岛生物能源与过程研究所已建成400千克/天秸秆蒸汽爆破预处理中试设备，研究开发了木质纤维分级预处理及耦合酶解糖化工艺，打通秸秆纤维素-糖-丁醇的生产转化工艺流程，开发出固定化细胞连续发酵丁醇、纤维素高温混菌发酵产丁醇、膜汽提溶剂的在线分离等丁醇发酵相关技术^[18]。

吉林松原来禾化学有限公司与中国科学院过程所合作，2010年11月在吉林建成国内外首条万吨级以秸秆、玉米芯为原料生产非粮生物ABE工业示范装置。但据调研了解到，该项目在试生产几个月后由于种种原因目前也处于停产状态。

目前，国外生物丁醇技术也多处于实验研究阶段，虽有小型生产或示范装置，但装置规模小、技术不成熟。

美国农业部的Qureshi等从2003年就开始对玉米秸秆、柳枝稷和麦秆等多种生物质的稀酸水解液进行丁醇发酵研究。2004年，美国农业部农业研究所(USDA-ARS)对利用拜氏梭菌将纤维素生物质发酵转化生物丁醇进行了研究。

美国Cobalt科技公司将纤维素原料经水解、糖化、发酵及分离，选择性地转化为生物丁醇，并在美国科罗拉多州立大学能源和能源转化实验室用发动机进行了燃料性能测试^[19]。2010年，该公司与美国Fluor公司签署工程咨询服务合同，以便将Cobalt纤维素生物丁醇技术推向商业化^[20]。同年，美国海军空战中心与该公司签署研究开发合作协议，共同开发用生物丁醇生产生物柴油和生物喷气燃料的转化工艺。2011年，该公司还与美国API公司达成协议，将建设世界首家工业规模纤维素生物丁醇生产厂(约1440吨/年)^[21]。

美国Gevo公司从2005年开始开发生物发酵法生产生物丁醇技术。2010年，将位于密苏里州的乙醇装置改造为第一套生物丁醇示范装置并开始生产，同时开发出回收发酵产物的专用分离技术^[22]。2010年11月，Gevo公司生物异丁醇作为燃料添加剂在美国环境保护署(EPA)注册^[23]，这是列入EPA燃料注册目录中的第一款生物异丁醇。目前，Gevo公司在完成密苏里州生物丁醇示范试验的基础上，陆续与其他公司展开合作，实施乙醇装置改造生物丁醇生产装置工程，以期将纤维素异丁醇的转化技术推向商业化^{[24, 25]}。

加拿大Syntec生物燃料公司2010年与美国北达科他大学能源和环境研究中心(EERC)签署合作协议，开发B2A工艺，研究将更广范围的生物质和废弃物转化为生物正丁醇技术^[26]。

英国石油公司(BP)2006年联合美国杜邦公司(Dupont)开发生物丁醇及第2代生物酶催化剂，用以生产可再生运输燃料。2007年底，两家公司与英国糖业公司合作，建成以甜菜为原料的年产3万吨生物丁醇生产装置。按照英国政府计划，英国将加速生物丁醇和其他生物燃料的生产，使生物燃料的销售份额2015年提高至10%。目前该公司正积极开发生物酶、优化甘蔗基生物丁醇工艺条件，以推进生物丁醇商业化^{[27, 28, 29]}。

纤维素原料生产生物丁醇主要存在问题包括技术瓶颈及技术经济性等。

目前，实验室和工业化生物发酵制备纤维素丁醇还存在诸多技术问题，尚未有实质性突破。一是生物发酵制备生物质丙酮-丁醇-乙醇总溶剂产率低(大约30%左右)，总溶剂浓度为15～18克/升；二是丁醇在总溶剂中的比例低，在传统丙酮丁醇梭菌发酵产生的总溶剂中丁醇比例一般为60%左右，其余副产物丙酮和乙醇所占比例分别是30%和10%；三是丁醇对发酵菌种的毒害抑制作用较大。

上述技术问题导致纤维素丁醇工业化生产技术经济性较差。一方面较低的生物质丙酮-丁醇-乙醇总溶剂生成浓度造成原料消耗的增加，从而增加了原料成本；另一方面丁醇的低产率导致后期分离设备投入和能耗的增加，进而增加产品分离成本；此外，以农林剩余物等纤维素原料制备丁醇所需的纤维素酶制剂价格昂贵也导致丁醇生产的高成本。

虽然纤维素丁醇产业化生产尚存在一定的技术瓶颈，且经济性有待提高，但未来通过政策支持，在丰富农林剩余物资源及巨大的市场需求条件之下，纤维素丁醇作为新型能源仍具有非常广阔的发展前景。

在政策层面，国家积极推动开发和利用以燃料乙醇为代表的生物质液体燃料。从制定生物液体燃料发展目标，到构建燃料乙醇消费市场、制定燃料乙醇行业标准规范等，国家均给予生物液体燃料产业较大的政策扶持。

为保障粮食安全，“不与人争粮，不与粮争地”，2006年12月国家发改委、财政部联合发布《关于加强生物燃料乙醇项目建设管理促进产业健康发展》和《关于加强玉米加工项目建设管理》的紧急通知，叫停粮食乙醇项目核准和建设，并对国家已批准的粮食原料定点燃料乙醇生产企业严格控制。2007年6月，国务院通过《可再生能源中长期发展规划》，提出发展可再生能源“不得占用耕地，不得大量消耗粮食，不得破坏生态环境”的“三不得”原则。2007年9月，国家发改委再次强调生物燃料乙醇的生产必须坚持“因地制宜，非粮为主”。

国家能源局《生物质能发展“十二五”规划》也明确“到‘十二五’末，建设一批产业化规模的纤维素乙醇示范工程，建成纤维素酶批量生产基地”的目标，并提出突破关键设备和集成工艺、提高成套设备制造能力、降低纤维素乙醇生产成本、提高纤维素乙醇经济性的目标。

2014年国家给与纤维素乙醇每吨800元的补贴，并以“可再生能源发展专项资金”补贴形式下发。纤维素乙醇国家支持政策的落地对非粮生物质燃料行业整体发展起到积极推动作用，也进一步表明未来国家政策支持方向将转向纤维素液体燃料，对助力新型生物液体燃料——纤维素丁醇产业化发展起到积极作用。

我国发展纤维素液体燃料可以解决农林废弃物处理的刚性需求以及液体燃料短缺问题。因此，农林剩余物可能源化利用资源量即成为纤维素液体燃料产业发展的资源限定条件。农林剩余物资源主要包括农作物秸秆、农产品加工剩余物及林业剩余物。

根据《中国统计年鉴2014》粮食产量及谷草比测算^[30]，2013年全国农作物秸秆理论资源量约为8.70亿吨。秸秆是目前工、农业生产的重要资源，已在肥料、饲料、生活燃料等领域广泛使用，此外还作为造纸、纤维板产业的主要原料。考虑既有已形成的秸秆资源消费格局，只将剩余未合理利用资源作为纤维素丁醇产业可利用资源量。目前该部分资源约占秸秆资源总量40%左右^[31]，即纤维素丁醇产业可利用的农作物秸秆资源理论最大量约3.50亿吨。

按目前生物发酵产丁醇技术水平，每吨丙酮-丁醇-乙醇总溶剂消耗6吨绝干秸秆计算，现有可利用秸秆理论最大支撑近4700万吨丙酮-丁醇-乙醇总溶剂，其中丁醇约2800万吨。

农产品加工剩余物是指粮食加工厂、食品加工厂、制糖厂和酿酒厂等以农作物为原料的生产企业产生的剩余物。种类主要包括稻壳、花生壳、甘蔗渣、玉米芯等。由于农产品加工剩余物已经经过了收集过程，资源集中度高，收集成本低，是良好的生物质能源生产原料。根据《中国统计年鉴2014》粮食产量及调研系数测算^{[32, 33]}，2013年，我国农产品加工剩余物总量约1.21亿吨。其中较大宗资源包括稻壳约4500万吨，玉米芯约4000万吨，甘蔗渣约2000万吨。

农产品加工剩余物由于集中度高，利用方便，大部分已经得到利用，据估算尚未被利用的加工剩余物资源量约6000万吨，此资源量理论最大可支撑约800万吨总溶剂生产，其中丁醇约480万吨。

根据《中国森林资源报告——第七次全国森林资源清查》，我国现有林地面积约3亿公顷，现有森林面积约1.95亿公顷，森林蓄积137亿立方米，人工林保存面积0.60亿公顷，蓄积19.60亿立方米，林木生物质资源潜力总量约180亿吨。林业剩余物资源主要包括薪炭林、木竹材生产的剩余物、灌木林平茬剩余物、森林抚育间伐产生的枝条、小径材等剩余物及经济林和城市绿化修剪枝杈等剩余物。根据现有森林资源及系数测算^{[34, 35]}，目前，我国现有可利用林业剩余物约3.50亿吨。各类林业剩余物产生情况见表 1。

由于目前我国木材资源缺乏，所以木材的利用率极高，剩余可作为生物质能原料的部分较少。根据调研情况估算，林业剩余物可能源化利用量约为1800万吨。此资源量理论最大可支撑约250万吨总溶剂生产，其中丁醇约150万吨。

综合以上分析，2013年我国农林剩余物可能源化利用总量约4.28亿吨，理论最大可支撑约5750万吨总溶剂生产，其中丁醇约3430万吨。未来农林剩余物总量变化较小，具体变化趋势分析如下：农作物秸秆：影响未来秸秆资源量的主要因素表现在两方面：一是耕地面积的变化；二是土地集约化经营的发展趋势。预计在未来十年内，我国耕地面积将不会有大的变化，土地集约化经营模式也不会有全国性的改变，因此，预计在不远的未来农作物秸秆资源总量及可能源化利用量将基本保持不变。

农产品加工剩余物：受我国农业种植结构影响，农产品加工剩余物在未来十年内也不会有大的改变，仍将保持目前产量水平。

林业剩余物：随着环境保护问题越来越受重视，未来天然林禁伐措施将会越来越严格，采伐剩余物总量难以增长，森林抚育则将受到重视，林间抚育剩余物将有所增加。同时，未来绿化面积将增加，修枝剩余物将有所增加。因此，未来十年间林业剩余物资源可获得量将有小幅上升，但增量较小约200万吨左右。

根据以上各种类农林剩余物资源量变化情况预测，2020年我国农林剩余物可能源化利用量约4.30亿吨左右，可利用资源量变化不大。理论最大可支撑约5780万吨总溶剂生产，其中丁醇约3450万吨。

生物质丁醇作为液体燃料可以替代部分汽油，未来汽油需求量即为生物质丁醇的市场需求潜力。因此，可以依据国内汽油消费量增长情况预测未来燃料丁醇市场容量。

2013年，我国汽油表观消费量9340万吨(国家统计局数据)，依据目前我国乙醇汽油政策，燃料乙醇在汽油中的添加比例是10%，如丁醇汽油也按照10%比例添加，则燃料丁醇需求量为934万吨。在国家逐年削减粮食燃料补贴额，最终将取消粮食燃料补贴的形势下，未来燃料丁醇消费量将全部由纤维素丁醇提供，燃料丁醇消费量即为纤维素丁醇消费量。

据国家统计局预测，“十二五”期间，我国GDP年均增长率8%左右，“十三五”期间GDP平均增速为7%左右。随着我国节能工作深入开展以及产业结构的升级，我国单位产值综合能耗将有明显下降。“十二五”期间我国石油消费弹性系数整体下降，预测汽煤柴油消费弹性系数0.60左右。“十三五”期间，我国石油消费弹性系数将进一步回落，如按0.50计算，预测2020年，我国汽煤柴油需求量约3.40亿吨，其中汽油9700万~10000万吨，柴油2.10亿~2.20亿吨。若按燃料乙醇现行10%与汽油调配比例测算，2020年纤维素燃料丁醇需求量约为1000万吨。由于燃料丁醇与汽油良好的混配性，不需要对现有汽车发动机进行改造即可大比例使用丁醇汽油。因此，理论上燃料丁醇消费量还可以大规模扩展，其消费上限是国内汽油总消费量，市场空间广阔。

另外，由于丁醇还可用作化工原料、溶剂、脱蜡剂等，在化工、医药、石油化工等行业具有广泛的用途，开发生物质产品应用于化工、医药等行业高端市场也将是未来纤维素丁醇的应用方向之一，其市场前景也十分广阔。

纤维素生物质是一种价格低廉、来源丰富的可再生资源，利用其作为原料生产丁醇是未来发展趋势。纤维素丁醇作为生物质液体燃料之一，未来将在缓解我国石油短缺问题上起到重要作用，必将在原料供应、政策措施等方面得到国家产业政策的优先保障。但目前纤维素液体燃料产业因存在一定的技术瓶颈，经济性较差，尚缺乏成本竞争优势，商业化生产条件尚不成熟。因此，为加快其产业化发展，建议政府从以下几方面给与支持。

一是加大技术研发投入。虽然纤维素丁醇作为新型生物液体燃料在国内外已经引起重视，但丁醇生物液体燃料产业化生产仍存在较大的技术瓶颈。因此，为加快丁醇产业化发展，及早成为液体燃料补充，建议在纤维素酶制剂生产、纤维素丁醇发酵等关键环节加大技术研发投入。

二是加强政策引导与支持。燃料乙醇产业在国家一系列激励政策的支持下，已基本实现商业化发展。对于燃料丁醇产业来说，在产业培育初期，急需国家出台相关政策对产业发展进行引导，并在技术发展较为成熟、产业发展到适当阶段给与一定财政支持及财税优惠政策等，以引导、扶持燃料丁醇产业健康发展。

三是建立健全标准体系。标准规范对一个产业发展具有十分必要的作用，同样对于燃料丁醇产业来讲，在产业发展起步阶段即建立健全行业标准体系，加强组织领导和协调，严格市场准入，加大市场监管力度，对推进我国生物质燃料丁醇产业健康发展也会起到非常重要的作用。