新一代的生物燃料
——丁醇的開發(fā)動向

宋 錦 玉

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

新一代的生物燃料
——丁醇的開發(fā)動向

宋 錦 玉

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

作為新一代的生物燃料，生物丁醇因其物理性能、燃燒性能優(yōu)于生物乙醇，越來越受到人們的關(guān)注。生物丁醇的開發(fā)，對緩解能源危機(jī)，保護(hù)環(huán)境具有重要的意義。對生物丁醇與生物乙醇的性能進(jìn)行了比較，介紹了生物丁醇的開發(fā)動向。

生物燃料； 生物丁醇； 生物乙醇

能源作為現(xiàn)代社會賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ),受到世界各國的廣泛關(guān)注。目前,石油、煤炭、天然氣等化石燃料在價格不斷上漲的同時,正面臨資源枯竭的危險[1]。而且，化石燃料在生產(chǎn)和使用的過程中所排放的二氧化碳和二氧化硫給人類社會帶來了惡化環(huán)境、全球變暖等負(fù)面效應(yīng)。因此,開發(fā)利用可替代能源迫在眉睫。生物燃料以其環(huán)保、可再生、資源豐富等優(yōu)點(diǎn)已成為一種重要的替代能源。

目前，世界上許多化學(xué)公司已經(jīng)開始進(jìn)行重大的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)向，用生物資源代替石油資源，用生物技術(shù)路線代替化學(xué)技術(shù)路線進(jìn)行生物燃料及化學(xué)品的生產(chǎn)。一種新生代生物能源—— 生物丁醇正在進(jìn)入人們的視野。

1 新一代生物燃料——丁醇

在包括美國在內(nèi)的全球范圍內(nèi)，生物乙醇可以說是可再生能源的代表。但是，近年來美國科學(xué)家的研究表明，丁醇是一種極具潛力的新型生物液體燃料。與乙醇相比，丁醇的分子結(jié)構(gòu)比乙醇更接近于汽油，性能上更接近于汽油(參見表1)，在作為車用燃料使用時具有很多優(yōu)點(diǎn)，所以更加引起了研究者和企業(yè)的興趣，投資者和研究機(jī)構(gòu)紛紛開展了丁醇的研發(fā)和生產(chǎn)工作。2005年美國能源部進(jìn)行了一項以丁醇作為汽車唯一燃料的試驗，穿越10個州，歷時1個月，行程16 000多公里。在10個州的測定結(jié)果表明，1 L丁醇完全可以替代1 L汽油。EPA在修訂可再生燃料標(biāo)準(zhǔn)（2010年3月26日在官方公報公布）時，公布了玉米丁醇與玉米乙醇同樣，適合承擔(dān)降低溫室氣體排放量20%的義務(wù)的評價結(jié)果，以法的形式認(rèn)定玉米丁醇也是可再生燃料[2]。

表1 1-丁醇（n-丁醇）的性能[3]Table 1 The performance of 1 - butanol（n- butanol）

與生物乙醇相比，生物丁醇具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 生物丁醇燃燒效率高于生物乙醇，與汽油混合時無需調(diào)整發(fā)動機(jī)。

乙醇的燃燒熱只有汽油的 2/3，而丁醇的燃燒熱幾乎與汽油相當(dāng)，因此丁醇的燃費(fèi)性能優(yōu)于乙醇。另外，汽油中混合10%以上的生物乙醇時，需要高速發(fā)動機(jī)，而汽油中混合丁醇時即使提高與汽油的混合比例，也沒有必要調(diào)整發(fā)動機(jī)[4]。以美國的標(biāo)準(zhǔn)，乙醇在汽油中的混合比率最高為10%，而丁醇的混合比例可達(dá)到16%[5]。

（2）丁醇的親水性弱，腐蝕性小，適合在現(xiàn)有的汽油供應(yīng)和分銷系統(tǒng)應(yīng)用

乙醇在水中的溶解度大，并有腐蝕的傾向，因此對乙醇與汽油進(jìn)行調(diào)和時必須使用汽車槽車、鐵路貯罐等。相反，丁醇在水中的溶解度只有17%，親水性弱，且丁醇的蒸汽壓低，腐蝕性小，可用管道輸送，不需要在分銷終端進(jìn)行調(diào)和，可用現(xiàn)有的加油站系統(tǒng)無需進(jìn)行改造，更適合在現(xiàn)有的汽油供應(yīng)和分銷系統(tǒng)中應(yīng)用。

（3）丁醇與汽油的配伍性更好，能夠與汽油達(dá)到更高的混合比。

生物丁醇在替代石油方面尤其有優(yōu)勢。汽油中的主要組成是 C6～C8，因此丁醇比乙醇更類似于“油”，它與燃料添加劑和潤滑油配伍性更好。在不對汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)行改造的情況下，乙醇與汽油混合比的極限為 10% ，而汽油中允許調(diào)入的丁醇可以達(dá)到16%[6]。

2 生物丁醇的開發(fā)動向[7]

作為涂料及合成橡膠的原料使用的丁醇，目前在石油化學(xué)工業(yè)中由乙烯合成，但是在1960年以前則通過丙酮·丁醇菌使甜菜、玉米發(fā)酵而制得。之后，被具有成本優(yōu)勢的石油化學(xué)方法所取代。但是，隨著原油價格的上漲及環(huán)境問題的出現(xiàn)，對通過丙酮·丁醇發(fā)酵方法生產(chǎn)生物丁醇的方法有了新的認(rèn)識。近年來技術(shù)開發(fā)的中心是，通過基因重組等方法開發(fā)效率高于丙酮·丁醇菌的發(fā)酵菌及發(fā)酵技術(shù)。

2.1 淀粉原料批量生產(chǎn)生物丁醇的技術(shù)開發(fā)動向

生產(chǎn)生物丁醇可使用的原料，有甜菜、甘蔗中所含的糖，玉米、小麥中所含的淀粉或纖維素類生物質(zhì)。其中，以淀粉為原料生產(chǎn)生物丁醇的技術(shù)相對而言最為成熟，目前為進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)而進(jìn)行的活動非?；钴S。

① DuPont 公司與 BP 公司的生物丁醇的生產(chǎn)計劃[8-10]

DuPont 公司的丁醇開發(fā)動向如下：

2009年成立Butamax? 先進(jìn)的生物燃料公司

這是一家與 BP合資的技術(shù)管理公司，總部設(shè)在特拉華州威爾明頓。除了對為了丁醇市場而進(jìn)行的研究開發(fā)以外，還負(fù)責(zé)向生產(chǎn)公司提供技術(shù)。

與BP公司共同開發(fā)中的生產(chǎn)驗證裝置于2010年第3季度運(yùn)轉(zhuǎn)。

本裝置由Kingston Research公司（DuPont公司與BP公司共同創(chuàng)立）在位于英格蘭東北部Hull的BP公司的化學(xué)工廠區(qū)域內(nèi)建設(shè)。

Butamax? 先進(jìn)的生物燃料公司已經(jīng)在實(shí)驗室完成生物丁醇的各種試驗，并完成了行車試驗。

此外，由BP公司、DuPont 公司及British Sugar公司共同出資的Vivergo Fuels公司，在位于Hull的BP公司的工廠區(qū)域內(nèi)正在建設(shè)以小麥的淀粉為原料的年產(chǎn)1.1億加侖的乙醇商業(yè)生產(chǎn)裝置，計劃于2011年完成。建設(shè)完成后，用于生產(chǎn)丁醇，計劃于2012——2013年開始商業(yè)化生產(chǎn)丁醇。然后，從2013年開始向全球市場提供制造技術(shù)。

② Gevo 公司的生物丁醇批量生產(chǎn)計劃[7]

總部位于科羅拉多州 Englewood的 Gevo 公司成立于2005年，從加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）引進(jìn)基因重組技術(shù)開發(fā)了由生物質(zhì)選擇性地生產(chǎn)異丁醇的技術(shù)。異丁醇除了可作為生物燃料使用以外，還可期待作為化學(xué)產(chǎn)品的原料使用。

Gevo公司的宗旨是通過對現(xiàn)有乙醇生產(chǎn)裝置進(jìn)行小規(guī)模的改造盡早地、低成本地進(jìn)行丁醇的商業(yè)化生產(chǎn)。2009年，Gevo 公司與對很多乙醇生產(chǎn)裝置進(jìn)行設(shè)計、施工的工程公司ICM公司共同對明尼蘇達(dá)州的ICM的乙醇生產(chǎn)裝置（年產(chǎn)100萬加侖）成功地進(jìn)行了改造，目的是轉(zhuǎn)用于生產(chǎn)丁醇。

2010年 8月，還簽訂了從生產(chǎn)乙醇的Agri-Energy購買生產(chǎn)能力為1 800萬加侖/年的乙醇生產(chǎn)設(shè)備的協(xié)議。然后，為了收購下一個乙醇生產(chǎn)設(shè)備，以發(fā)行新股票的方式進(jìn)行了融資。

2.2 開發(fā)中的纖維素類生物丁醇生產(chǎn)技術(shù)

以纖維素類生物質(zhì)為原料的生物丁醇尚處于研究開發(fā)階段，2010年 1月美國加利福利亞州的Cobalt Technologies 公司公開了纖維素類生物丁醇的驗證生產(chǎn)設(shè)備。2010年8月，Cobalt Technologies公司與美國大型工程公司 Fluor公司簽署了與生物丁醇生產(chǎn)技術(shù)相關(guān)的伙伴關(guān)系協(xié)議。

2010年8月，日本的出光興產(chǎn)與財團(tuán)法人.地球環(huán)境產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究機(jī)構(gòu)（RITE）發(fā)表了共同開發(fā)比生物乙醇效率更高的生物丁醇的批量生產(chǎn)技術(shù)，引起人們的關(guān)注。該技術(shù)以稻草等為原料，利用轉(zhuǎn)基因細(xì)菌進(jìn)行丁醇的生產(chǎn)[11]。

據(jù)披露，該技術(shù)以稻草等植物纖維為原料，利用RITE 開發(fā)的基因重組菌生產(chǎn)生物丁醇，計劃于2013 年建設(shè)實(shí)驗裝置，2020年由1 噸植物生產(chǎn)300公升的生物丁醇[12]。

[1] 王丹,林建強(qiáng),張瀟,等. 直接生物轉(zhuǎn)化纖維素類資源生產(chǎn)然料乙醇的研究進(jìn)展[J]. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2002, 33 (4)：525-529．

[2] Environmental Protection Agency.Regulation of Fuels and Fuel Additives:Changes to Renewable Fuel Standard Program;Final Rule[EB/OL]. http://www.betalabservices.com/PDF/US-EPA-RFS2.pdf．

[3] Mobile Sources Technical Review Subcommittee.1-Butanol as a Gasoline Blending Bio-component[EB/OL].http://www.epa.gov/air/caaac/mstrs/ March2007/Wolf.pdf．

[4] K-Bets のニュース.新しい代替燃料バイオ□ブタノールを[EB/OL].http://response.jp/article/2006-06-22/83161.html.

[5] K-BETSのニュース.バイオブタノール開発生産の勧め[EB/OL].http://www.kuramae-bioenergy.jp/news/?p=4102010-07-15．

[6] NEDO海外レポート．石油企業(yè)や大學(xué)が模索するバイオ燃料研究開発の別の道筋(米國)[R].2008-06-04．

[7] JPEC. 米國バイオ燃料事情（第3回）(～ブタノールの市場導(dǎo)入に向けた動き～)[R]. JPEC 海外石油 情報（ミニレポート）．

[8] riibs.新しい代替燃料「バイオ ?ブタノール」を開発.化學(xué)工業(yè)日.[EB/OL].http://response.jp/article/2006-06-22/83161.html．

[9] A joint venture between BP and DuPont.Butamax? Advanced Biofuels LLCfact sheet[EB/OL].http://www.butamax.com/_assets/pdf/butamax_ advanced_biofuels_llc_fact_sheet.pdf．

[10] BP Global .Mandelson Welcomes World Class Advanced Biofuel Centre [EB/OL].http://www.bp.com/genericarticle.do?categoryId=2012968&cont entId=7058143．

[11] 伊藤 小巻.出光興産とRITE バイオブタノールの量産技術(shù)を共同で開発[EB/OL].http://www.bloomberg.co.jp/apps/news?pid= jp09_newsarchive&sid=atgG9HVFbCDM．

[12] J-CASTニュース．雑草からバイオディーゼル燃料、地球環(huán)境産業(yè)技術(shù)研究機(jī)構(gòu)が開発[EB/OL].http://www.j-cast.com/2007-08-140103 26.html．

Development Trend of a New Generation of Biofuels - Butanol

SONG Jin-yu
(Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

Biobutanol has been got more and more attention as a new generation of biofels because its physical properties and combustion performance are better than those of bioethanol.The development of biobutanol has a great significance to alleviate the energy crisis and to protect environment.In this article, performances of biobutanol and bioethanol were compared, and development trend of biobutanol was put forward.

Biofuels; Biobutanol; Bioethanol

TQ 214

A

1671-0460（2011）06-0631-03

2011-03-22

宋錦玉（1963-），女，遼寧撫順人，高級工程師，1985年畢業(yè)于撫順石油學(xué)院石油加工專業(yè)，從事情報調(diào)研及編輯工作。E-mail：sjy631122@163.com，電話：0413-6865105-801。