生物燃料新寵兒高效益的丁醇

何莎莎

還在為全球油價(jià)沒(méi)有懸念的一路飆升而頭疼嗎?還在為全球生態(tài)環(huán)境的日益惡化而擔(dān)憂嗎?成為汽車(chē)新“食譜”的生物丁醇將會(huì)減除所有憂慮與擔(dān)憂。

當(dāng)雷曼德厭倦了終日為自己3L排量私家車(chē)的碳排放買(mǎi)單時(shí),他可以選擇使用那些基于農(nóng)林廢棄物生產(chǎn)的生物丁醇了,因?yàn)槿紵〈贾皇鞘褂卯?dāng)年的碳而已。雷曼德的這種經(jīng)歷未來(lái)三五年內(nèi)也許就將實(shí)現(xiàn),因?yàn)楝F(xiàn)在開(kāi)發(fā)生物丁醇的技術(shù)已經(jīng)日漸突破。

英國(guó)石油公司專(zhuān)門(mén)成立了BP生物燃料公司,旨在為生物丁醇的商業(yè)化大手筆投產(chǎn)。無(wú)獨(dú)有偶,英國(guó)綠色生物制劑公司(GreenBiologic)斥資320英鎊進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用多種生物基廢料生產(chǎn)丁醇的技術(shù),其中158萬(wàn)英鎊是由碳基金信托公司(Carbon Trust Investments)、牛津資產(chǎn)合伙人公司(Oxford Capital Partners)等企業(yè)資助。

從美國(guó)杜邦公司和英國(guó)石油公司宣布將合作生產(chǎn)生物燃料開(kāi)始,生物丁醇就成為了頭版頭條的熱門(mén)話題。事實(shí)上,燃料巨頭英國(guó)石油公司開(kāi)發(fā)丁醇的信心已堅(jiān)如磐石不可動(dòng)搖,5億美元的巨大投資、10年時(shí)間的悉心栽培,確實(shí)讓人們看到英國(guó)石油公司對(duì)于生物丁醇的志在必得。

生物燃料,是指通過(guò)生物資源生產(chǎn)的適用于汽油或者柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料,包括燃料乙醇、生物柴油、生物丁醇、生物氣體、生物甲醇、生物二甲醚等,目前最為人所熟知的是生物乙醇和生物柴油。盡管生物丁醇和生物乙醇相似,可以和汽油混合,但是不論是在燃料性能還是經(jīng)濟(jì)性方面,生物丁醇都有著更加明顯的優(yōu)勢(shì)。

首先,與現(xiàn)有的生物燃料相比,生物丁醇與汽油的混合比更高,在不對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造的情況下,可以使用幾乎100%濃度的生物丁醇,而生物乙醇在同等條件下與汽油混合比的極限僅為10%。其次,生物丁醇具有較高的能量密度。由于丁醇分子結(jié)構(gòu)中含有的碳原子數(shù)高于乙醇,因此單位體積的丁醇能夠儲(chǔ)存更多的能量。

測(cè)試表明,丁醇能量密度接近汽油,而乙醇的能量密度比汽油低35%,換言之,等量的丁醇相比乙醇可多走將近35%的路程。丁醇的揮發(fā)性是乙醇的1/6倍,汽油的1/13.5倍,與汽油混合對(duì)水的寬容度更大,對(duì)潮濕和低水蒸氣壓力有更好的適應(yīng)能力,能夠通過(guò)管道流動(dòng),因此可以在現(xiàn)有的燃料供應(yīng)和分銷(xiāo)系統(tǒng)中使用。丁醇還具有腐蝕性小,燃燒時(shí)不產(chǎn)生破壞環(huán)境的SOx或NOx等氣體。

丁醇可采用與乙醇相似的發(fā)酵流程制取,但是由于生產(chǎn)丁醇需要較大的蒸發(fā)、加熱、冷卻等設(shè)施,投資費(fèi)用較高,因此相比較于乙醇,丁醇的生產(chǎn)成本要高得多,因此,實(shí)現(xiàn)生物丁醇商業(yè)化的關(guān)鍵就是提高原料加工成丁醇的轉(zhuǎn)化率,加快轉(zhuǎn)化過(guò)程,這完全取決于高效生物催化劑的開(kāi)發(fā),以及生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

除了美國(guó)杜邦公司、英國(guó)石油公司以及英國(guó)綠色生物制劑公司以外,還有很多公司都在關(guān)注丁醇的生產(chǎn)工藝。加利福尼亞技術(shù)研究院(Caltech)、下屬公司Gevo、Khosla風(fēng)險(xiǎn)投資公司及Virgin Fuels公司目前已經(jīng)將研究從乙醇轉(zhuǎn)向了丁醇;Gevo公司將利用甘蔗、玉米副產(chǎn)品和草等不同類(lèi)型的生物質(zhì)生產(chǎn)生物丁醇。美國(guó)Ener Genetics International Inc.(EGI)用DNA遺傳改良菌株,通過(guò)代謝工程調(diào)控和專(zhuān)利技術(shù)開(kāi)發(fā)的連續(xù)固定化反應(yīng)器,采用膜技術(shù)回收產(chǎn)物,發(fā)酵僅需6小時(shí),菌種能夠耐受4%-5%的丁醇,發(fā)酵液中丁醇占總?cè)軇┑?0%(傳統(tǒng)發(fā)酵法丁醇一般占60%),丁醇產(chǎn)量達(dá)4.5-5.0g/(L-h),產(chǎn)率為40%-50%,比傳統(tǒng)丁醇工藝產(chǎn)量提高400%-500%,生產(chǎn)成本每升不到0.264美元,車(chē)間成本500萬(wàn)至1000萬(wàn)美元,而傳統(tǒng)丙酮丁醇發(fā)酵法生產(chǎn)成本2.5美元,傳統(tǒng)發(fā)酵車(chē)間至少需要投資1億美元。

美國(guó)Buty Fuel公司采用BFL公司專(zhuān)利生產(chǎn)的BioButanol,據(jù)初步成本估算,用石油生產(chǎn)丁醇的成本為每升1.35美元,而用玉米生產(chǎn)生物丁醇的價(jià)格為每升0.317美元(不包括所產(chǎn)氫氣),可以和玉米生產(chǎn)乙醇每升0.338美元的價(jià)格相競(jìng)爭(zhēng)。用飼料等廢棄物代替玉米,所生產(chǎn)丁醇的成本可以降至每升0.225美元。

發(fā)酵法生產(chǎn)丁醇的方法可以追溯到1861年,當(dāng)年路易斯·巴斯德(Louis Pasteur)發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌可以產(chǎn)生丁醇;1912年哈伊姆·魏茨曼(Chaim Azriel Weizmann)分離出丙丁梭菌,這種微生物可發(fā)酵淀粉產(chǎn)生丁醇、丙酮和乙醇(稱(chēng)為總?cè)軇?;1918年,世界上第一個(gè)商業(yè)化總?cè)軇┥a(chǎn)廠在美國(guó)建成;1945年,總?cè)軇┏蔀閮H次于乙醇的第二大發(fā)酵產(chǎn)品;上世紀(jì)60年代,由于石油化工的競(jìng)爭(zhēng),發(fā)酵法丁醇業(yè)走向衰退。

近年來(lái),隨著原油價(jià)格的上漲,石化資源的耗竭和溫室氣體排放等環(huán)境問(wèn)題的日益突出,生物化工和生物能源得到高度重視。丙丁梭菌發(fā)酵生產(chǎn)丁醇凸顯競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),到2008年底,有8個(gè)總?cè)軇S在運(yùn)轉(zhuǎn)或興建,但是2008年金融危機(jī)的到來(lái)使得丁醇價(jià)格巨幅跌落,需求嚴(yán)重萎縮,大部分總?cè)軇S處于停建、停產(chǎn)或半停產(chǎn)的狀態(tài)。于是以農(nóng)林廢棄物為原料,通過(guò)發(fā)酵生產(chǎn)低成本丁醇已經(jīng)成為眾多科研機(jī)構(gòu)和廠商的研究項(xiàng)目。

以農(nóng)林廢棄物作為原料生產(chǎn)丁醇不僅降低生產(chǎn)成本,而且能夠避免“糧食危機(jī)”的問(wèn)題,在生產(chǎn)實(shí)踐中更加可行,然而,生物丁醇也不是完美無(wú)缺,其唯一的缺點(diǎn)就是目前在價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)較弱。

目前中國(guó)吉林的一家丁醇公司已經(jīng)成功利用5碳糖發(fā)酵生產(chǎn)生物丁醇,突破了困擾業(yè)界多年的農(nóng)業(yè)廢棄物搜集、儲(chǔ)運(yùn)、預(yù)處理、脫毒、菌種的定向選育和馴化、環(huán)保、纖維絲固體發(fā)酵、高純木質(zhì)素提取等諸多問(wèn)題,系統(tǒng)化解決了6碳糖、木質(zhì)素、發(fā)酵尾氣的綜合回收利用。