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Nature:纤维素乙醇为生存而战

Nature:纤维素乙醇为生存而战

在美国堪萨斯州的原野上,一堆闪闪发光、堪比 16 层高楼的铁架和钢管直插天空。1000 多名建筑工人不辞辛苦地赶着建成雨果顿镇附近的乙醇工厂,它的主人则期待着其能够加入一场利用发酵技术制取燃料的革命。

大多数乙醇工厂利用酵母菌将诸如玉米籽粒等粮食中的糖分转变为酒精。然而,和这些工厂不同,雨果顿的设备将充分利用迄今为止依然是农业废弃物的纤维素。成千上万吨玉米秸秆,包括玉米收获后残留的叶子、茎秆和外皮已“蓄势待发”。到了 6 月份,工厂将开始把这些秸秆加工成乙醇,再将其和石油混合在一起,变成汽车燃料。

这个西班牙跨国公司 Abengoa 所属的工厂,是未来几个月内将在美国开始商业化生产纤维素乙醇的三大工厂之一(另外两个均位于爱荷华州,分别由 POET —帝斯曼高级生物燃料公司和杜邦公司运营)。长久以来,纤维素乙醇产业显示出良好的发展前景:这种二代生物燃料可以减排温室气体,减少美国对进口石油的依赖,同时促进农业经济的繁荣。然而,正当这种燃料几近成功时,市场力量和政府政策却阻挡了它的发展。“今年将会是至关重要的一年。”美国能源部化学工程师和高级分析师 Zia Haq 表示。这些挑战已促使一部分研究人员和公司选择另一种方式,即利用化学而不是生物过程将纤维素转变成碳氢燃料。

玉米乙醇产业在美国颇具规模,正在运行的工厂超过 200 家。这种飞速发展主要得益于税收减免和“可再生燃料标准”(RFS)。该标准由美国环境保护署执行,并规定在国家的燃料供应中各种可再生燃料产量每年均应有一定的增长。

Nature:纤维素乙醇为生存而战

不过,各种问题随之而来。和石油相比,玉米乙醇在减排温室气体方面作用非常有限。同时,燃料生产受粮食歉收影响颇大,而且会导致食品价格上涨,因为原本可用来生产食物的土地却被种上了玉米。相较之下,利用玉米收获后留下的生物质宝库就没有引发那么多争议。用玉米秸秆制取的乙醇要比石油少产生至少 60% 的温室气体排放,而且生产这种乙醇并不需要额外的农田。

然而,将这种纤维素乙醇发酵并非易事。生产商必须把诸如纤维素和半纤维素等难“消化”的大分子分解掉,才能得到易发酵糖。该过程需要将生物质碾碎,并用酸类进行预处理。随后,各种混合酶会被用来分解生物聚合物分子。所有的工序都要在酵母添加和糖分生成前完成。因此, Abengoa 公司的处理设备在规模上比任何一家玉米乙醇厂都要大,花费也多出不少。

混合墙(Blend Wall)

注:Blend Wall,混合墙或添加总量,指当前市场所能够吸收或消费的生物质乙醇总量。

目前乙醇市场已经饱和。2012 年,该行业生产了超过 500 亿升玉米乙醇,占美国交通燃料的 10%,而这已完全满足目前多数车辆对 E10 混合汽油的需求。市场所能消化的乙醇产量也有上限,而且该上限正在被不断地逼近:事实上对石油的需求正在缩减,对诸如电池动力汽车等替代产品的兴趣正在增长。纤维素乙醇的“春天”可能到来了,但时机却糟透了。印第安纳州普渡大学西拉法叶分校农业经济学家 Wallace Tyner 认为,对于任何乙醇都已没有更多的需求空间。

目前,玉米乙醇比石油稍便宜,但纤维素乙醇比前两者都贵。 Tyner 介绍说,一座纤维素乙醇工厂的投资费用约是玉米乙醇厂的两倍,酶类更是进一步提高了运营费用。由于无法削弱竞争对手的地位,纤维素乙醇严重依赖于 RFS 为其进入汽车加油泵开路。然而,它的姗姗来迟已迫使美国环境保护署减少了要求炼油厂混合进石油中的纤维素乙醇产量。

今年的 RFS 计划原本提出了 660 亿升的纤维素乙醇产量。然而,到了去年 11 月份,该保护署却提议降至 6400 万升。致力于可再生燃料的团体组织四处抱怨。“我们认为环境保护署低估了这个产业的能力。” Abengoa 公司负责全球事务的执行副总裁 Christopher Standlee 表示。

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容量问题

纤维素乙醇生产商有多种选择以增加市场份额。首先,它们可以突破“混合燃料标准”的藩篱。过去 10 年间出厂的所有美国车辆都能使用含有 15% 乙醇的混合汽油,但消费者和经销商大多对此半信半疑。另一个可能方法是将纤维素乙醇出口至欧盟。欧盟计划到 2020 年实现 10% 的交通燃料为可再生能源。与此同时,随着秸秆收割效率更高、酶类活力更强、预处理工艺更低廉,纤维素乙醇会变得越来越便宜。国家可再生能源实验室下属国家生物能源中心主任 Thomas Foust 表示,该行业的生产成本已经从五六年前的每加仑高达 9 美元(合每公升 34 美元)降至现在的约 2 美元。

不过, Tyner 认为,迄今为止这种方式就像在挤牙膏。他们从另外一种分解纤维素的方式中看到了更多生机,即把温度、压力和化学强力地结合在一起。这些热化学方法能够产生生物原油或一氧化碳和氢,也称作合成气。在化学催化剂的帮助下,经过进一步的处理和提炼,两者都可以被转化成碳氢化合物,例如石油、柴油和航空煤油。更重要的是,这些替代燃料无须跳过“混合燃料标准”这道藩篱。

与此同时,热化学路线可以使用品质更低的原材料。位于加拿大蒙特利尔的 Enerkem 公司正在埃德蒙顿市启动第一个达到商业化规模的工厂,将固体废弃物变成合成气。生产合成气同时赋予公司很大的灵活性。

Haq 表示,研究经费也正在向热化学方法转移。“这并非意味着我们放弃了纤维素乙醇。但毋庸置疑,下一步我们会更加认真地看待碳氢路线。”

去年,一项旨在为美国海军提供高级生物燃料的能源部工程,向四座将全部采用热化学方法生产替代燃料的设备提供了资金支持。同时,对于去年开张的美国最早的两个商业化纤维素工厂来说,热化学过程也至关重要。这两个工厂分别是位于密西西比州哥伦布市的 KiOR 公司和佛罗里达维罗海滩附近的 INEOS Bio 公司,两者目前均处于闲置状态,等待升级改造。 Haq 认为,在未来几年,生命周期更长的催化剂将进一步减少通过热化学方法生产纤维素碳氢燃料所需要的费用。

不过, Standlee 表示,通过获取更为廉价的原材料,生物学方法依旧可与热化学法一争高下。他所在的公司将赌注压在新一代酶能将城市垃圾变成乙醇上,并于去年7月在西班牙萨拉曼卡市附近建立了一套示范装置专门做此项工作。 Abengoa 公司希望该技术最终能将其在美国的业务扩展出中西部玉米种植带。

原文检索:

Mark Peplow. Cellulosic ethanol fights for life. Nature, 13 March 2014; doi:10.1038/507152a

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