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黄腐酸产业的创新发展与未来展望——再论小秸秆能撑起大产业

时间:2023-07-10 12:46:38 来源:东方网 点击:593次

北京理工大学 绿色产业发展研究中心

  摘要:随着全球能源绿色低碳转型加速和生物底层技术的持续突破成熟,非粮生物基新材料产业迈进大发展阶段。本中心以往研究介绍了以秸秆等农林废弃物为原料的非粮生物基新材料聚乳酸产业,本篇基于秸秆制糖联产黄腐酸技术再论小秸秆能撑起大产业。秸秆制糖联产黄腐酸,是指以农作物秸秆为原料制备混合糖,并利用富含木质素的糖渣配合已分离的木质素经发酵联产黄腐酸。随着技术的创新发展,利用该工艺能够一次性将秸秆“吃干榨净”,生产的黄腐酸也可重新还田,共同构建生物质循环利用体系。不仅有利于加快我国非粮生物基新材料的前进步伐,推动乡村振兴,还有助于保障国家粮食安全和“双碳”目标实现。

  国家指出“全面推进乡村振兴是新时代建设农业强国的重要任务”。当前乡村振兴正如火如荼地推进,因地制宜发展新兴的高附加值产业可以为乡村振兴注入新的活力。本中心在前期的研究中基于产业整体视角,阐述了非粮生物基新材料聚乳酸产业通过秸秆的高值化利用,实现对乡村产业发展的拉动,并协助改善乡村生态和就业质量。

  秸秆制糖联产黄腐酸作为非粮生物基新材料聚乳酸产业流程的重要一环,是以秸秆等农林废弃物为原材料,经过处理分离出综纤维素和木质素,利用综纤维素经酶解生产混合糖并产出糖渣,含有木质素的糖渣和之前分离出的木质素经过发酵生产黄腐酸的生产工艺,如图1所示。与以往秸秆制糖工艺相比,在制糖的同时增加了黄腐酸的联合产出,实现了秸秆高值化高效率利用。与其他黄腐酸相比,秸秆制糖联产的黄腐酸(后文简称联产黄腐酸)在保证农业效用的同时有巨大的价格优势,为农业“双减行动”的实现提供了有效方案,是保障黑土地改善乡村生态的有力支撑,其带来的收益也为非粮生物基新材料聚乳酸产业的进一步发展提供抓手,在改变黄腐酸产业发展走向的同时助力全面推进乡村振兴。

  图 1秸秆制糖联产黄腐酸生产流程图

  一、黄腐酸产业的创新发展

  神奇的黄腐酸。黄腐酸是腐植酸中分子量较小的有机混合物,可以用作高效绿色肥料,兼有菌肥和有机肥的共同优点,在农业生产中具有改良土壤、减少化肥使用、增强抗逆和改善农作物品质等积极作用,特别在培肥土壤、提高化肥利用率、缩短作物生长周期等方面作用突出。据中国农业科学院资料,黄腐酸主要分为矿源黄腐酸和生化黄腐酸两种,如表1所示。其中矿源黄腐酸是由泥炭、风化煤等矿物质腐化形成的一类无定形高分子化合物组成的混合物,一般通过碱溶酸析法从矿物质中提取,黄腐酸含量可达约50%~60%,农业用效果较好,但环境污染较大、提取成本高,很难替代化肥在农田里大规模施用。生化黄腐酸是指利用微生物技术从农业废弃物中提取得到的黄腐酸,由于农业废弃物种类繁多且生产工艺不同,不同厂家生产的生化黄腐酸在含量和成份上都有差异,效果差别也较大。另外,生化黄腐酸相较于矿源黄腐酸,农用效果往往比较有限,但生产过程环保且成本普遍较低。

  数据来源:《秸秆制糖联产黄腐酸技术及产业进展专题研究报告》(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所)与相关文献

  技术进步推动黄腐酸产业实现创新发展。秸秆制糖联产黄腐酸技术通过对秸秆等农林废弃物进行预处理,进而通过生物酶催化糖化得到混合糖,剩余的木质素和糖渣等副产物可以制成黄腐酸。国内企业基于该技术建立了秸秆高值利用技术体系,有效提高了秸秆“三素”分离及糖化效率,污染物实现高效回收利用,无生产废水排放,副产物也得到高值化利用,让秸秆从废弃物变成新资源,助推中国生物制造经济换道超车。据农业农村部科技发展中心消息,安徽丰原等国内领军企业通过全链条关键技术研发与运行模式创新,创新性地研发农作物秸秆制糖关键技术和微生物高效生产复合酶技术,酶解总还原糖得率可达到90%以上,同时发明了秸秆糖渣生产黄腐酸肥料技术,共同构成了秸秆制糖联产黄腐酸技术,并实现产能落地。基于技术进步,国内黄腐酸产业实现了创新发展:由于联产黄腐酸生产成本低效率高,巨大的产能潜力将助推黄腐酸肥料在农业中得到更加广泛的应用,也将促进黄腐酸在医疗、食品等更多领域应用,并推动黄腐酸产业逐步从矿源和低端生化黄腐酸向联产黄腐酸方向发展。

  联产黄腐酸优势明显。基于秸秆制糖联产黄腐酸技术生产的黄腐酸本质是中高端生化黄腐酸,其黄腐酸含量在35%~50%,经技术工艺提升后黄腐酸含量可达50%~65%,与矿源黄腐酸相当。凭借其生产工艺优势,联产黄腐酸中还有16%~20%含量的腐殖酸。据江西省农业科学院、云南省农业科学院的研究,联产黄腐酸的农业效用强于矿源黄腐酸。因矿源黄腐酸价格高,一般仅用于蔬菜、水果等农业经济作物中,很难推广到大田农业。联产黄腐酸的生产成本约2500~3000元/吨,市场售价约3000~5000元/吨,与矿源黄腐酸相比,联产黄腐酸生产成本大大降低,从有机质到黄腐酸的转化时间也显著缩短,凭借其成本和生产速度优势可推广落实到大田农业。另外,由于使用秸秆等可再生资源生产,既有低碳可持续的特点,也解决了秸秆处理难的问题,并实现了秸秆的高值化利用。

  二、联产黄腐酸的重大意义

  联产黄腐酸对非粮生物基新材料聚乳酸产业的撬动作用。随着国内秸秆制糖联产黄腐酸技术的发展,以该技术为核心的联产黄腐酸凭借其低成本高产量的特点,已经成为非粮生物基新材料聚乳酸产业的重要产品之一。非粮生物基新材料聚乳酸产业受限于产能和技术因素,聚乳酸成本居高不下一直是影响市场竞争力的重要因素,也大大限制了产业的进一步发展。基于秸秆制糖联产黄腐酸技术,联产黄腐酸带来的经济和社会收益可以增强产业整体竞争力,进而有力撬动非粮生物基新材料聚乳酸产业的发展。据测算,若以500-600元/吨的价格收购秸秆,黄腐酸价格(黄腐酸含量不低于35%,腐殖酸含量不低于20%)按2500-3000元/吨计算,秸秆混合糖成本约2500-3000元/吨,比玉米葡萄糖低约1500元/吨,且无废水排放,后续利用秸秆混合糖生产聚乳酸的成本也大幅降低。

  联产黄腐酸对“双碳目标”实现、乡村生态改善的推动作用。仅从秸秆收集、转化到产品应用过程的能源消耗进行分析,秸秆制糖生产聚乳酸联产黄腐酸技术的温室气体减排主要包括两个方面,一是黄腐酸有机肥还田固碳,腐殖酸有机肥还田封存部分碳,据中国农业科学院数据,若每吨秸秆原料转化黄腐酸肥的固碳量按20%计算(以秸秆风干基计),即温室气体减排量为200g CO2e /kg秸秆;此外,混合糖若后续生产聚乳酸代替传统塑料,实现替代化石基材料温室气体减排折合761.8g CO2e /kg秸秆;因此,秸秆制糖联产黄腐酸,后续生产聚乳酸的温室气体减排量961.8g/kg秸秆,可有效助力“双碳”目标实现。同时,基于秸秆生产的黄腐酸可以减少对化肥和农药的需求,降低农业对环境的负面影响,在一定程度上解决秸秆焚烧带来的环境污染问题,助力乡村生态改善。

  联产黄腐酸对推动大田农业、保障粮食安全的支持作用。一方面,与矿源黄腐酸相比,联产黄腐酸凭借其低成本特质,其适用范围不再局限于瓜果蔬菜等经济作物,可以更大范围地用于粮食作物,既提高粮食产量也提升粮食质量,可以有效满足人民群众对食品消费更高层次的需求,顺应了“解决温饱”转向“营养多元”的新趋势,有力推动大田农业的发展。据中国农业科学院数据,利用秸秆制糖联产黄腐酸技术可实现1亩地产出的黄腐酸可供5~6亩地大田作物使用、3~4亩经济作物使用,预计可减少30%~50%化肥使用量,为农业“双减行动”的实现提供了有效方案,是保障粮食安全、改善耕地质量的有力支撑。另一方面,我国有20亿亩边际性土地,不宜种植粮食作物。如果用于种植芦竹、甜高梁、苜蓿草等农作物,可在农业生产过程中对土壤进行生态修复,同时为联产黄腐酸提供原材料,既能改善耕地质量,也能够进一步保障粮食安全。

  三、黄腐酸产业的未来展望

  基于秸秆制糖联产黄腐酸技术的不断发展,未来黄腐酸产业具有巨大的发展潜力和市场前景。随着环境意识的提高和可持续发展的要求,联产黄腐酸将得到更广泛的应用和推广。未来应以系统观念为指导,坚持目标导向、试点先行和联合共建,共同推动黄腐酸产业的可持续发展。

  坚持目标导向,推动生产方式转变。实现黄腐酸产业的可持续发展既要有一个明确的、贯穿于各项活动的长期目标,也要有若干短期目标支持长期目标,通过构建统一可行的目标体系保证长期目标与短期目标的有效统一。黄腐酸产业的发展应充分发挥技术进步带来的新优势,长期目标为推动以石油煤炭为主的“黑金经济”向以生物质加工为主的“绿金经济”演变;短期可凭借联产黄腐酸的高经济、高产能和高生态收益优势,推动国内黄腐酸产业逐步从矿源和低端生化黄腐酸向联产黄腐酸发展和转变。下一步,国家可发挥“一张蓝图绘到底”的体制优势,围绕产业模式、盈利模式、补贴方式、基础设施建设等方面开展扶持,并进一步细化、实化支持政策。

  坚持试点先行,建设试点示范项目。通过在有限的范围内验证和积累秸秆制糖联产黄腐酸工艺和产能的成功经验,为整个黄腐酸产业提供可复制、可推广的模式和做法,加速产业的发展和推广。国家可鼓励在秸秆资源量较大的重点区域,以县为单位建设半径合理的分布式秸秆制糖联产黄腐酸加工厂。在国家的引导和支持下,通过在全国选择基础好、代表性强的区域开展联产黄腐酸作为有机肥生产试点示范,优先支持联产黄腐酸替代化肥示范县,开展联产黄腐酸应用推广,打造可复制可推广的秸秆高值化利用典型模式和示范样板。

  坚持联合共建,形成产业共同体。依托使用秸秆制糖联产黄腐酸技术的黄腐酸产业,各方主体可以形成紧密的联结,共同合作解决资源受限等问题,促进共同体力量的形成,推动产业的可持续发展。通过加强产学研深度融合,形成技术创新体系,提升创新能力和技术水平,推动黄腐酸产业的创新发展;通过加强产业整合,形成联产黄腐酸的产业集群,实现产业链上下游的紧密配合,并与其他相关产业实现耦合,提高产业集聚效应,增强产业的竞争力和影响力;通过加强协会与产业的联系,在政府的指导下通过行业协会和相关企业制定共同规范和标准,推动产业规范化健康化发展。

  参考文献:

  1,中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所.秸秆制糖联产黄腐酸技术及产业进展专题研究报告[R].北京:2023.

  2,北京理工大学现代组织管理研究中心.小秸秆能撑起大产业:非粮生物基新材料聚乳酸产业起步与愿景[EB/OL].(2023-06-12) [2023-07-06].

  3,冯佩诗,李桥桥,江山山等.矿源黄腐酸的生理学功能及其在畜禽生产中应用的研究进展[J].中国畜牧杂志,2020,56(10):13-17.

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