一、前言

按照我國《可再生能源法》的定義，生物質能是指利用自然界的植物、糞便及城鄉有機廢物轉化成的能源。生物燃料則是生物質能的載體，泛指由生物質組成或經加工得到的固體、液體或氣體燃料。

燃料乙醇是目前世界上應用最廣泛的可再生能源，也是我國重點培育和發展的戰略性新興產業之一，符合我國能源供給側結構性改革和能源發展戰略的方向。生物燃料乙醇是聯通農業、能源和環保的國家戰略性新興產業，在保障國家糧食安全、解決能源危機和環境治理等方面將發揮更大的作用。一方面，燃料乙醇作為傳統石化能源的替代品之一，有助于進一步優化我國能源結構，降低石油對外依賴度，保證能源安全；另一方面，生物燃料乙醇是糧食生產的“推進器”和糧食安全的“調節閥”，通過生物燃料乙醇的生產和加工，有助于穩定糧食生產，是解決“問題糧食”的唯一現實途徑，可以有效促進農業健康發展。同時，燃料乙醇還是一種清潔能源，是汽油最環保的增氧劑和辛烷值促進劑，能夠有效減少溫室氣體和PM2.5排放，對于改善大氣環境質量有著積極作用。

目前美國和巴西燃料乙醇的生產及消費在全球居于領先地位，主要得益于穩定且廉價的原料供應和可再生能源的激勵政策。以美國為例，2019年美國共計生產了4.717×10⁷t乙醇，替代了從5億桶原油中提煉的汽油，創造了320億美元的收入，支持了6.8萬個直接工作崗位和28萬個間接工作崗位。十多年來，我國生物燃料乙醇產業累計生產量超過1.98×10⁷t，調合汽油近2×10⁸t，改善了現有的能源消費結構，間接減少原油進口量達3.2×10⁸t；消化人畜不能食用的玉米、水稻、小麥等糧食作物1.43×10⁷t，副產1.24×10⁷t高蛋白飼料；累計減排CO₂當量2.52×10⁷t，減少汽車尾氣有害物質排放，替代甲基叔丁基醚（MTBE）使用，保護了地下水資源。在拉動農業、保護環境、替代能源三大戰略方面初見成效，社會、經濟和生態效益顯著。

近年來，一系列國家層面的扶持和推廣政策陸續出臺，推動了我國燃料乙醇產業的發展步伐。2016年，國家能源局發布《生物質能發展“十三五”規劃》，提出加快生物液體燃料的示范和推廣，尤其是推進燃料乙醇的應用。2017年，我國確定加快發展燃料乙醇的策略，15個國家部委聯合印發《關于擴大生物燃料乙醇生產和推廣使用車用生物乙醇汽油的實施方案》，大力推廣燃料乙醇的使用；之后，又確定了《全國生物燃料乙醇產業總體布局方案》。2018年我國燃料乙醇裝置產能新增近1×10⁶t，總量達到3.7×10⁶t，2020年在全國范圍推廣后，燃料乙醇年需求量將超過1×10⁷t，而燃料乙醇市場至少有7×10⁶t的缺口。

我國燃料乙醇產業即將迎來廣闊的發展空間和重大的發展機遇。盡管生物燃料乙醇產業已基本形成了從生產、混配、儲運到銷售的完整產業體系，但整體發展與美國仍有很大差距。在國家推進工業化與信息化深度融合的背景下，利用我國工業互聯網和第五代移動通信（5G）技術優勢，以大數據、數字孿生和區塊鏈等新技術為支撐，結合先進信息管理系統，探討未來生物燃料乙醇工廠的智能化、安全化發展新模式，對于我國燃料乙醇產業高質量發展具有重要價值。

二、生物燃料乙醇產業發展現狀

燃料乙醇產業是國家重點推廣的新型產業，是基于石油危機和控制大氣污染所產生的新興綠色產業之一，目前我國生物燃料乙醇主要生產方式分為糧食乙醇和纖維素乙醇。使用生物發酵法制乙醇在我國主要經歷了3個發展階段：1代燃料乙醇以玉米、小麥等陳糧為原料，通過生物發酵將淀粉轉化為乙醇；1.5代燃料乙醇以非糧農作物（木薯）為原料，同樣通過發酵將淀粉轉化為乙醇，雖然此路線可避免與人爭糧的問題，但目前該原料主要依賴于進口；2代燃料乙醇主要是纖維素乙醇，優勢在于原料充足，但由于我國的纖維素乙醇關鍵技術還沒有實現突破，所以成本與糧食乙醇相比偏高。整體來看，我國燃料乙醇生產水平處于從1代向1.5代過渡的階段，2代纖維素乙醇將是未來生物燃料乙醇的主流路線。

2018年，全球約有2000家燃料乙醇工廠處于運行狀態，燃料乙醇年產量達到8.5×10⁷t，同比增長5.28%。國際能源署（IEA）于2018年10月發布了《2018年可再生能源：2018—2023年市場分析和預測》，認為可再生能源市場將繼續擴張，遠期可占全球能源消費增長量的40%；生物燃料產量將增長15%，到2023年達到1.65×1011L（約1.3×10⁸t）。根據美國可再生燃料協會（RFA）公布的數據，美國作為燃料乙醇的主要生產國，2018年燃料乙醇產量達到4.796×10⁷t，占全球總產量的56%；巴西是乙醇全球第二大生產國，2018年乙醇產量達到2.365×10⁷t，約占全球總產量的28%；歐盟1993年生物燃料乙醇產量僅為4.8×10⁴t，經過十余年發展，于2004年達到4.2×10⁵t，隨后開始大幅增長并于2006年達到1.2×10⁶t，2018年達到4.27×10⁶t（見表1）。無論是起步時間還是增長速度，歐盟生物燃料乙醇產業均不能和美國、巴西等生物燃料乙醇大國相比，但具備了較為牢固的生物燃料乙醇產業基礎。世界上多數國家均已發布推廣應用的相關法律或政策，燃料乙醇產業前景可期。

表12014—2018年世界燃料乙醇產量×10⁴t

數據來源：美國可再生燃料協會（RFA）。

提升生產效率一直是燃料乙醇關鍵技術的研發核心。這將使生產企業在多方面受益：一是提高現有裝置產能，提升設備利用率和各操作單元的轉化效率；二是優化產品結構，通過分級利用實現產品價值的最大化；三是節約能源及水的消耗；四是降低“三廢”排放；五是降低新增產能的投資成本和現有裝置的生產成本，提升裝置整體效益。未來的裝置工藝過程將會更加簡潔、綠色，設備更加穩定可靠，使產品在全生命周期內的碳排放及凈能量、污染物排放方面有更大的提升。合成生物學和分子生物學作為先進生物技術的發展方向，將在未來燃料乙醇產業發展中起到重要作用，包括基因育種、高效酶制劑、酵母等在內的多項生物技術正在全面進入燃料乙醇產業鏈。

國家非糧生物質能源工程技術研究中心利用合成生物學技術構建得到乙醇耐受性加強的工程菌YM-27，與原始釀酒酵母相比，在12%乙醇脅迫條件下，生長量提升至1.97倍。該菌株在木薯乙醇生產中運用，可克服濃醪發酵中后期酵母菌受高濃度乙醇抑制而導致發酵活力不足的問題。將乙醇耐受性、滲透壓耐受性提高的酵母應用于濃醪發酵，原料可快速糖化，發酵后無殘糖剩余，乙醇終濃度接近20%（v/v）。采用發酵–滲透汽化耦合技術原位分離乙醇可以減小產物抑制作用、提高單位體積產率。應用生物技術使我國的燃料乙醇產業逐漸實現產品質量的提高與生產成本的降低，但由于我國現階段生產燃料乙醇的主要原料仍為玉米等糧食作物，生產成本相對較高，與美國和巴西存在較大差距。此外，相對煤制乙醇等其他燃料乙醇生產途徑，生物燃料乙醇的生產成本處于劣勢。

近年來，我國生物燃料乙醇生產線逐步實現了自動化，通過“機器代人”顯著提升了生產效率，同時降低了生產過程的人力勞動成本。然而，生產線的信息化和智能化程度依然偏低，難以通過感知、獲取、分析生產線的全要素信息以進一步優化生產線資源配置和生產力；同時企業決策層難以及時了解和掌握生產現場的實際情況，導致管理難度大、成本高。為保證生物燃料乙醇產業安全高效生產和提升未來核心競爭力，相關企業亟需通過新技術手段進行資源整合、優化生產過程，以提高自身產能、降低生產成本，由此走出一條高質量發展路線。

此外，化工行業生產過程具有危險性大、連續性強、規模大、生產工藝復雜等特點，安全生產始終是化工行業的第一基本準則。根據2018年全國化工事故分析報告統計，2018年全國范圍內共發生化工事故176起、死亡223人；其中中毒和窒息事故32起、化學爆炸26起。化工企業目前仍缺乏有效的生產過程智能管控平臺，企業存在監測盲點多的安全隱患，化工生產安全、環境安全仍是眾多化工企業的痛點問題。生物燃料乙醇產業是集生物、化工、能源產業于一體的復合型產業，安全生產同樣是企業長遠發展面臨的重要挑戰。

三、生物燃料乙醇產業未來發展的新模式

2019年7月，《流程型智能制造白皮書》正式發布，在智能制造這一新的背景和機遇下，流程型制造業在設備運維和資產管理模式、生產模式、運營模式、商業模式等方面都將發生顯著變化。為了保證企業安全高效生產、提升未來核心競爭力，尋找生物燃料乙醇產業發展的新模式迫在眉睫。

利用智能控制、工業大數據、5G網絡等先進信息化技術保證生物燃料乙醇企業的安全高效生產，這是尋找生物燃料乙醇產業發展新模式的主要方向。我國先后出臺《關于深化制造業與互聯網融合發展的指導意見》《關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》《智能制造發展規劃（2016—2020年）》《關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》等政策文件，為智能制造發展提供了有力的政策支持，標志著信息化與工業化深度融合成為我國發展的新戰略[10,11]。5G商用進程快速推進，將提供10倍于4G網絡的連接速率，網絡延遲降低至1ms。5G網絡的靈活便捷將直接促進各行各業的數字化轉型，并為智能化發展提供關鍵的網絡基礎設施。工業大數據是制造強國建設技術路線圖中的重要突破點，以數據為核心構建智能化體系有望成為支撐智能制造和工業互聯網的核心動力。

（一）基于發酵過程大數據的智能生產新模式

近年來，與工業大數據相關的國家政策加快了信息化與工業的深度融合，創新實現產業新模式。2018年，中國信息通信研究院發布的《中國大數據發展調查報告（2018年）》顯示，2016—2018年中國工業大數據市場規模穩步增長，預計2018—2020年增速將保持在30%以上。生物發酵過程具有原料來源多樣且不確定、發酵過程機理復雜、過程變量維數眾多且交互影響復雜、設備單元特征各不相同等特點。同時，生物發酵過程保存了海量的歷史生產數據，這些數據蘊含著生產過程豐富的特征信息。

生物燃料乙醇作為生物發酵的典型過程，未來生產過程的新模式可基于生產線的歷史運行數據，構建工藝知識圖譜，利用大數據分析和深度學習來實現生產過程的建模與動態調度（見圖1）：①針對生物燃料乙醇生產過程原料來源不確定性造成的全局單一模型難以精確描述生產過程的難點，通過基于層次聚類算法的生產條件宏觀模態判別技術以及對應的海量歷史數據分割技術，結合不同類別樣本構建對應類別的仿真模型，為生物燃料乙醇生產過程的智能化控制提供可靠樣本數據；②針對目前生物燃料乙醇生產線發酵和分離等關鍵工藝過程機理認識不清的現狀，對模型關鍵參數、結構等進行優化校正和自適應選擇，通過開展大數據的信息挖掘來彌補機理認知的不足，實現發酵和分離等生物燃料乙醇生產線關鍵工藝過程的精確仿真；同時通過大數據整合的關鍵工藝過程性能指標在線計算模型，進行關鍵性能指標精確計算，用于指導生產過程的全局優化，實現生物燃料乙醇生產過程的智能化控制。基于工業大數據，結合先進控制、工藝優化等技術，使生產過程中的物料趨于平衡，顯著提高生產效率、節約能源消耗，構成了生物燃料乙醇生產的新模式。

圖1 燃料乙醇產業生產過程新模式

注：ERP為企業資源計劃；MES為制造執行系統；DCS為集散控制系統。

（二）基于數字孿生技術的安全生產新模式

生物燃料乙醇行業的生產設備需要長時間不停機運行，傳統的被動診斷與維護技術因其嚴重的滯后效應和低自適應性而難以有效預示事故現象。升級傳統的診斷與維護技術，使其具備主動和自適應的狀態評估能力，這是保障設備安全運行、提升作業質量、減少經濟損失和避免人員傷亡的有效方式。數字孿生、遠程運維、故障診斷等技術構成了燃料乙醇產業設備運維新模式的關鍵技術（見圖2）。

圖2 燃料乙醇產業設備運維新模式

數字孿生的應用場景涵蓋制造、建筑、醫療、城市規劃等，相關技術正在深刻地改變制造業：美國國家航空航天局（NASA）在月球車、戰斗機、新型發動機等高端產業研發與制造方面成功應用了數字孿生技術；國內科大訊飛股份有限公司發布了建設數字孿生城市計劃；在北京新機場建設過程中，通過對建筑物龍骨、管網等進行孿生，提升建造效率的同時降低了5%~10%的建造成本，縮短了10%的建造工期。構建生物燃料乙醇生產線數字孿生系統，建立涵蓋多空間尺度和多時間尺度的數字孿生對象模型，可以實現設備遠程在線監測能力；結合增強現實（AR）技術，將設備數據實時傳送至故障診斷專家，直接指導現場工作人員開展設備維修操作，顯著節約人工成本。此外，數字孿生系統提供三維沉浸式智能巡檢、工藝流程培訓、操作培訓、安環監控等功能，成為解決大范圍廠區、高危區域、惡劣天氣下的人工巡檢、產線管理等難題的潛在手段。

預測性維護是建立在現代數字信號處理、人工智能等先進技術基礎上的一種新型設備維護方式，包括對燃料乙醇生產線裝備進行實時監測和故障報警，對設備運行數據實行遠程分析和綜合管理，賦予燃料乙醇生產線完善的自檢和自診斷能力。整合傳感器檢測、信號處理和大數據分析技術，對生物燃料乙醇生產線的關鍵設備特征進行動態觀測和數據分析，具備實時監測和診斷能力，提早發現問題并及時部署維護方案，確保設備正常運轉，將運行風險系數降到最低。通過燃料乙醇產業設備運維的模式轉變，提高設備運維的效率和準確性，保證相關企業的安全生產。

（三）基于工業互聯網和區塊鏈技術的能源產業管理新模式

在國家政策的推動下，生物燃料乙醇產業發展迅速，但也面臨著一些挑戰，比如如何使國家政策更加高效地落地，如何避免定價機制轉換帶來的影響等。無論是在行業層面，還是在企業層面，對生物燃料乙醇市場實施精益管理（及全數字化管理）都是非常必要的：生產總量需要控制，上下游各環節需要協作，避免市場失控，既要消化多余的糧食又要確保糧食儲備處于安全線之上。因此，采用工業互聯網和區塊鏈技術打造燃料乙醇產業新管理模式，有助于生物燃料乙醇產業實施精益管理，為國家政策全方位執行、高質量推進提供保障。

2017年以來，我國工業互聯網產業蓬勃發展，傳統制造企業、工業軟件企業、工業設備供應商、信息通信企業均開展了工業互聯網平臺的建設。構建產業的互聯網平臺有助于打通上下游信息、整合數據，進而提升企業的管理效率[18,19]。工業互聯網是第四次工業革命的關鍵支撐，5G是新一代信息通信技術升級的重要方向，二者的融合發展將推動我國制造業轉型升級，支撐制造強國和網絡強國建設。目前“5G+工業互聯網”的研究與建設還處于起步階段，在生物燃料乙醇產業的應用方面亟待突破，發展空間廣闊。基于生物燃料乙醇企業發展需求和行業政策，以“5G+工業互聯網”為手段，對企業進行工業互聯網內網設計、建設和管理運維，將分布于各地的生產企業連接起來，通過平臺進行生產數據、工業模型、業務服務的積累，通過工業應用程序（APP）進行工業知識、經驗的傳遞和復制，從而實現數據共享和產業鏈信息集成。由此提升生產企業的管理水平，探索燃料乙醇產業可持續發展的商業管理模式，支持企業轉型、跨企業價值鏈延伸、全行業生態構建與配置優化。

區塊鏈技術作為新一代信息技術，是繼蒸汽機、電力、互聯網之后的顛覆性創新，將為新一輪技術創新和產業變革帶來新機遇。采用區塊鏈技術有助于解決能源行業“三難”問題：一是優化能源流程降低成本；二是提高供應的安全性；三是提供更多的可再生能源和低碳解決方案。相關資料顯示，目前能源行業采用區塊鏈技術的主要是電力企業和石油石化企業。區塊鏈模式在供應鏈金融平臺和產品溯源平臺等方面的應用探索，可作為生物燃料乙醇行業商業模式創新的重要突破口。通過商業模式的轉變，推動企業轉型升級，優化業務實施模式，提高管理效率并降低交易成本，從而促進燃料乙醇產業的轉型。

四、對策建議

（一）關鍵技術攻關

《國家可再生能源中長期發展規劃》明確提出，從長遠考慮，要積極發展以纖維素類生物質為原料的生物燃料技術。目前2代纖維素乙醇發展的瓶頸問題在于缺乏先進、高效、廉價的酶和工業菌種，核心技術尚缺乏競爭力和抗風險能力，尤其受制于纖維原料綜合利用水平差、技術集成度低等因素。針對纖維素乙醇技術存在的技術瓶頸和市場需求，亟需有效整合不同學科和特定技術領域，重點攻克秸稈預處理、糖平臺、生物轉化、生化分離、生物煉制和副產物聯產等制約纖維醇類產業化發展的關鍵技術，將相關技術組合形成一套完整的技術體系。在整體突破的基礎上，將解決方案整合集成為緊密銜接的完整工藝包，進行產業化示范和推廣，由此保障我國油品質量升級和替代，以期帶來可觀的經濟、社會和環境效益。

在近期，建議將纖維素乙醇作為發展切入點，推行互利共贏的理念，與現有生產裝置（1代或1.5代）進行深度整合，依托其公用工程來實現資源的最大化利用，從而降低纖維素乙醇工廠的整體投資和運行成本。這是目前行業先行者認可和推崇的新模式，預期具有可觀的綜合效益。

（二）政策保障

加強頂層設計，從國家戰略層面引導產業發展，加快制定培育生物燃料產業智能化發展的專項綱領性文件。加強組織管理，盡快建立國家生物液體燃料推廣和研發工作協調機制，成立國家生物液體燃料工作領導小組，統籌生物燃料乙醇生產和車用乙醇汽油推廣使用工作。健全生物燃料乙醇產業標準體系。

地方政府在國家戰略明確的基礎上，開展體制機制改革試點，積極促進產業新形態形成。針對現有產業規模企業、基地和集群，出臺相關政策，對產業智能化升級和建設給予必要扶持，加強對相關企業政策優惠支持。鼓勵人才、技術、資金向優勢區域集中，引導生物燃料乙醇產業基地特色化、聯合化、智能化發展，有步驟、有重點地培育若干世界級生物液體燃料產業集群，在有條件的地區開展生物液體燃料新技術和新模式示范。

企業層面注重創新生產模式和生產技術，加強與科研機構合作，堅持自主研發與引進吸收并舉、基礎研究與商業化應用結合的原則，建立完善以企業為主體、市場為導向、產學研相結合的技術創新體系。加強創新平臺建設，增強自主研究能力，集中力量突破關鍵共性技術，探索適合國情的先進生物燃料技術路線。積極配合國家政策導向，提升市場競爭力，提高企業內部工作效率，支撐生物燃料乙醇產業的高質量發展。（文/王夢田曉俊陳必強林海龍岳國君,北京化工大學生命科學與技術學院國投生物科技投資有限公司）