来了！"德国循环生物经济" 路线图！
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生物基能源与材料
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德国政府致力于到2045年实现碳中和，并计划到2050年实现负温室气体排放。
【生物质能源与材料】获悉，近日，欧洲最大的应用科学研究机构
弗劳恩霍夫研究所
(Fraunhofer Institute) 提出了资源保护、气候保护和粮食安全的
循环
生物经济路线图
（简称路线图）
。
路线图
主要包括
四大内容
：循环生物经济的指导原则、现状与挑战、在生物经济中的应用和机遇、建议采取行动。
其中，生物经济应用主要涵盖
三大部分
：食品（全球粮食安全、可持续和健康的营养等）、以生物质或CO2为碳源材料（生物基塑料、建筑用真菌材料、CO2作为原材料、生物质的热化学转化等）、生物转化实验。
弗劳恩霍夫研究所的研究小组分析了
生物经济应用各个领域的技术现状、机遇和挑战
。他们利用这些调查结果为政治行动提出建议。因此，
路线图
包括了
建议在政治层面采取的短期、中期与长期行动目标
，以帮助加速以生物为基础的产品和技术的市场繁荣，并应对社会和生态挑战。
以下就
路线图
生物经济应用：以生物质或CO2为碳源材料
和
小组建议全社会采取的建议与行动部分
作简要介绍。
该图（图1）展示了循环生物经济的基本要素，并提供了各自的工艺阶段、原材料和产品的例子。以下是循环生物经济所面临的挑战和发展需求。其中包括：
图1 生物经济价值创造周期及各过程阶段（绿色）、原材料及其产品（蓝色）的实例
目前，寻找可持续的原材料来源的工作主要集中在纤维素和木质纤维素残留物（非粮生物质）以及大量可获得的材料上。未来的一个目标是
扩大塑料的原料范围
，
将CO2作为主要成分
，尽管该技术仍处于开发的早期阶段（TRL为2 - 4）。
图2 德国生物经济中的生物质流量（在1000吨干物质中）(2015年）。绿色：林业，橙色：农业植物，蓝色：水生植物。
有许多技术可以帮助分解
木质纤维素
，木质纤维素是木质化植物（木材、稻草等）细胞壁的一个组成部分。然而，这些物质必须单独适应每种类型的生物量。木质纤维素的主要成分是纤维素（C6糖）、半纤维素（C5糖）和木质素（芳香化合物），是其作为可再生化学原料充分、高价值物质利用的必要要求。
在发酵过程中，细菌和真菌等微生物代谢这些碳化合物，并将其转化为生物质和各种化学物质，包括乙醇（进一步加工成乙烯）、丁二酸、丁二醇或乳酸，然后可以进一步加工成聚合物，如生物聚乙烯（bio-PE）、聚丁烯琥珀酸（PBS）和聚乳酸（PLA）。各种聚合物，如聚羟基丁酸盐（PHB），也可以通过发酵直接从糖中获得。
图3 以2018年收入计算的全球生物塑料市场份额、2023年和2030年的生物基塑料和石油基生物可降解塑料预期
目前，有两种类型的生物塑料具有在更大的工业规模和广泛的应用中取代传统的石油基塑料的潜力：
PBS和PLA
。这两种材料目前都在进行广泛的进一步开发过程；通过改善其现有的性能分布和增加各种类型，该工艺旨在使这些塑料适合于更多的应用领域，达到工程塑料的水平。
到目前为止，由于市场上生物基塑料的数量很少，生物基塑料在实现可持续性方面的潜力
尚未得到充分的开发
，这在垃圾回收行业中尤其如此。
实施现有的技术解决方案和创新的回收方法需要调整有关的政治约束，并促进其进入市场；这不仅有助于
关闭回收循环
，而且将具有经济竞争力，并确保生物基塑料的环境优势得到充分利用。
然而，在整个价值创造周期中实现急需的创新，包括
原材料提取、加工和回收
，对于生物基塑料在各种应用中的广泛应用至关重要。这是生物塑料从经济和技术角度赶上传统塑料并在市场上建立起来的唯一途径。
改善塑料工业的可持续性
在几乎所有的部门都是一个非常重要的问题；在进一步发展生物基塑料经济的背景下，主要的技术挑战是在以下领域：
1、生物基原料（农产品、木材、天然纤维、残留物等）；
2、扩展材料性能轮廓和加工过程；
3、
将生物功能整合到塑料中，以扩大其应用范围和增加循环度；
4、开发可回收和可生物降解的塑料，以防止“乱扔垃圾”，以实现全面的循环经济；
5、新的回收技术；
化学、工艺工程和合成生物技术领域的科学家们
正在密切合作，为高效捕获、净化和利用CO2提供智能解决方案。其目的是将这些技术进一步发展成经济上可行的模型。CO2在生物经济方面使用CO2的不同途径，即作为化石碳源的前瞻性替代品。概述如下。
利用陆生植物将CO2转化为生物量和有价值的成分仍然是一个高度优先事项。例如，培养微藻为利用CO2提供了另一条直接途径。它们需要CO2才能生长，因此，可以将大气中的碳直接转化为
各种具有高附加值的创新产品
。
另一种化学合成方法是将CO2和氢转化为
甲醇
，其中氢是通过由可再生能源驱动的PtX生产路线生产的。甲醇的用途包括进一步合成备用燃料或为未来的化学工业生产平台化学品（图4）
已经直接从微藻中提取的产品包括
藻类油
和
脂肪酸
。这些材料既可以以藻类燃料的形式用于能源目的，也可以用于生产塑料，例如，纺织工业的藻类线。
微藻也是宝贵的膳食补充剂的优秀生产者，如
类胡萝卜素
。它们还可以用于生产蛋白质，因此可以为不断增长的全球人口提供有效、可持续的食物供应（见“食物”章）。
利用PtX方法，可以直接从CO2中作为初级中间产物生产甲醇。在随后的过程中，该甲醇被转化为其他中间产物，最终从汽油和中间馏馏分中形成液体燃料。这就是所谓的甲醇路线，它提供了发展可持续发展的可能性。
甲醇合成
是一个工业规模的过程（TRL 9）；最大的（世界规模）工厂目前的产能约为7200吨。2019年，全球生产了约9000万吨甲醇。工业甲醇合成法使用化石或生物合成气（一种氢气和一氧化碳（CO）的混合物）作为基础材料。其目的是完全从CO2公司中生产绿色甲醇，例如，从工业来源（来自水泥厂、生物精炼厂等的废气排放）以及电解法产生的绿色氢。
为了使藻类生物技术在更广泛的应用中更加经济，特别是在目标的较低的价格区间内，需要更高效的反应器系统来培养藻类，同时优化生产工艺[75]。
为了达到最大的效率，不仅要继续推动LED技术的发展，以最大限度地提高每单位能量的光产量，而且要使用新的反应堆设计来提高每单位光的生物质产量
。目前只有少数藻类生物技术产品，它们的价格更高。阻碍这一领域进步的一个特殊因素是，需要基因工程工具，以实现有针对性地开发生物技术修饰的高产藻类。
此外，
需要提高CO2在陆生植物中的利用及其转化为原料（蔗糖、淀粉、菊粉、天然橡胶等）
。在为许多行业提供可回收材料方面，这将会促进生物经济的巨大飞跃。
从生物残留物（如农业和林业、食品工业和藻类养殖）中提取化学原料和可持续燃料的热化学生产形成了包括以下阶段的生物经济价值链：通过热化学过程（热解、气化、热炭化）转化为生物炭（炭盐）、热解凝析油、热解焦和合成气等中间产物。这些中间产品随后被用于进一步的工艺步骤和应用中。
当涉及到碳酸盐盐和热解焦时，这包括作为一种材料的利用（土壤应用，建筑材料的骨料等），这也使长期的碳储存和作为能源的利用成为可能。根据其质量，热解冷析油（热解油）可以通过各种后处理步骤提炼成燃料或用于炼油过程。通过在初级合成气中加入绿色氢，可以从原料中几乎完全回收碳。
与这些过程相关的主要挑战是找到一种有经济价值的方法来转化生物残留流，这些残留流目前被归为低价值的商业化途径，或根本不被利用。
近年来，残留物的热化学转化技术取得了巨大的进步。例如，在热催化重整（TCR）中，热稳定油可以作为中间产物生产，然后可以氢化形成燃料。
一般来说，当涉及到未来基于能源的燃料（动力制成液体（PtL）燃料）的使用时，预计出于成本原因和扩大可用原材料的范围，将建议使用从废物中提取的生物燃料的混合物。然而，在实践中，混合燃料是一个复杂的过程，有必要为每种情况开发特殊的添加剂。
路线图
指出，要使生物经济成为整个社会的现实，就必须在学术界、工业界和社会中创造适当的条件，以便为研究、发展、创新、生产和提供服务创造一个持久、可靠和可预测的环境。经济体系从线性过程向循环过程的转变必须贯穿社会的各个层次。
弗劳恩霍夫研究所的研究小组提出
短期、中期、长期行动与实施的框架条件、技术与转变
，从提供信息到与社会进行对话，以有助于实现对生物经济所需的接受。
通过欧洲生物经济战略、德国国家生物经济战略和德国联邦各州和地区的一系列生物经济战略，奠定了可持续的生物经济体系的战略基础。向循环的生物经济过程的转变需要可靠的、支持性的政治。
https://www.fraunhofer.de/content/dam/zv/de/forschung/FSF/biooekonomie/Roadmap-Circular-Bioeconomy-for-Germany.pdf
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