未來(lái)的生物燃料

文/Dominik Stephan

Lariant 公司的Sunliquid 生物燃料生產(chǎn)試驗(yàn)工廠

特種化工產(chǎn)品與生物燃料之間的相互聯(lián)系——為什么催化劑都依賴乙醇？未來(lái)的燃料生長(zhǎng)在田野中嗎？經(jīng)過(guò)對(duì)第二代生物燃料的長(zhǎng)期研究，Clariant 公司終于宣布在羅馬尼亞建設(shè)第一座工業(yè)化規(guī)模的Sunliquid 技術(shù)工廠，這是農(nóng)作物燃料領(lǐng)域中的突破。

在Clariant 公司實(shí)驗(yàn)工廠的廠區(qū)內(nèi)，鋁合金儲(chǔ)罐在陽(yáng)光的照射下閃閃發(fā)光。儲(chǔ)罐中存放的是生物技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的乙醇，其既可充當(dāng)溶劑，也可以當(dāng)作清潔劑或者燃料使用。而它背后承載著Clariant 公司的旗艦項(xiàng)目——Sunliquid，即液體陽(yáng)光，是來(lái)自太陽(yáng)的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力。

最初，許多人都在考慮光伏技術(shù)和電動(dòng)汽車(chē)。但目前的電池技術(shù)和可持續(xù)發(fā)展的發(fā)電技術(shù)是限制開(kāi)發(fā)商的阻力。而對(duì)于生物燃料，即基于高能生物質(zhì)的合成燃料生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，依舊潛力無(wú)限。因此，專家們要求開(kāi)發(fā)第2 代生物燃料，不再是利用谷物、玉米或者甘蔗，而是利用稻草、樹(shù)葉和鋸末等生物殘留物和生物廢棄物生產(chǎn)的合成燃料。例如，含有大量生物質(zhì)的纖維素就可以用來(lái)生產(chǎn)乙醇，但打破長(zhǎng)鏈多糖是一個(gè)技術(shù)難題?！敖斩捴兴奶菐缀鹾凸任镆粯佣?，只是它們鏈接得更加牢固?！?Clariant 公司液體陽(yáng)光項(xiàng)目經(jīng)理Markus Rarbach 先生說(shuō)。雖然在十年前生物燃料討論的高峰時(shí)節(jié)就宣布了大型項(xiàng)目計(jì)劃，但技術(shù)突破仍然遙遙無(wú)期。

“如果不了解整個(gè)價(jià)值鏈和如何使用這一過(guò)程中的副產(chǎn)品，那么企業(yè)就沒(méi)有一個(gè)成熟的工藝流程?！薄?Markus Rarbach 先生，Clariant公司

如今，Clariant 公司將一家特種化工企業(yè)帶進(jìn)了生物燃料的研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)之中。目前，一家瑞士企業(yè)正在羅馬尼亞的Craiova 市建造一座利用生物燃料生產(chǎn)5 萬(wàn)t/a 乙醇的工廠，這將使東歐國(guó)家成為生物燃料技術(shù)的先驅(qū)。滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，這家工廠每年從當(dāng)?shù)剞r(nóng)民那里消耗掉大約25 萬(wàn)t 的小麥秸稈和其他秸稈。2020 年，首批生物燃料產(chǎn)品按計(jì)劃上市。

這一切依托于瑞士的Sunliquid技術(shù)。但這一技術(shù)的關(guān)鍵不是化學(xué)，而是高度專業(yè)化的水解酶技術(shù)。這些酶能夠通過(guò)添加水而裂解長(zhǎng)鏈底物分子，可以將它們分解為五聚糖和六聚糖。這一技術(shù)離不開(kāi)生物催化劑，故Clariant 公司將這一業(yè)務(wù)劃歸給催化劑業(yè)務(wù)部。Sunliquid 技術(shù)是Clariant 公司在Plannegg 的生物技術(shù)研究中心開(kāi)發(fā)出來(lái)的。從2009 年起，這里從數(shù)千種合適的生物體中選擇了合適的菌株，利用基因突變技術(shù)和靶向工程進(jìn)行制備，開(kāi)發(fā)出了多階段利用農(nóng)業(yè)廢棄物的工藝技術(shù)。從微生物實(shí)驗(yàn)室到試驗(yàn)設(shè)備，開(kāi)發(fā)人員優(yōu)化工藝步驟、酶和有機(jī)生物體。至此，無(wú)論使用的農(nóng)業(yè)廢棄物原料是麥秸、甘蔗渣或者是稻草都能確保得到最佳的效果。

羅馬尼亞地區(qū)的小麥種植戶很多，而消耗秸稈的畜牧業(yè)從業(yè)人員不多。未加利用而腐爛變質(zhì)的秸稈不是被犁到地下漚肥就是簡(jiǎn)單地?zé)袅?，這對(duì)空氣和土壤都產(chǎn)生了相應(yīng)的影響，但土地上的秸稈可以收獲3.5 t 的纖維素-糖。當(dāng)然，我們不能直接將秸稈放到生物反應(yīng)器中。首先要制備原材料，打開(kāi)木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)，將麥秸切碎后放進(jìn)壓力容器中蒸煮。當(dāng)壓力容器突然釋放壓力時(shí)，麥秸木質(zhì)纖維素材料破裂，潮濕且增大的表面積為酶提供了攻擊纖維素的最佳可能性。因此，下巴伐利亞州高科技工廠的第一個(gè)工藝步驟就是將成捆的秸稈堆疊起來(lái)。Rarbach 先生說(shuō)，一個(gè)微小的因素就可以使復(fù)雜的工藝過(guò)程停頓，例如秸稈粉碎機(jī)切到了秸稈中夾雜的一塊石頭。

然后，秸稈進(jìn)行水解和發(fā)酵，在此期間產(chǎn)生了人們需要的醇。與傳統(tǒng)的發(fā)酵過(guò)程不同，此時(shí)的酵母菌株同時(shí)代謝了C5 和C6 糖，這比僅使用C6 糖的傳統(tǒng)工藝技術(shù)得到的乙醇含量高出了50%。同時(shí)，酵母還能生產(chǎn)出用于水解酶的微生物。按照這種方法就可以在植物中現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生生物催化劑。“如果不了解整個(gè)價(jià)值鏈和如何使用這一過(guò)程中的副產(chǎn)品，那么企業(yè)就沒(méi)有一個(gè)成熟的工藝流程?！盨unliquid 項(xiàng)目的經(jīng)理說(shuō)道。此外，就連發(fā)酵中剩余的殘留木糖和木質(zhì)素也能過(guò)濾出來(lái)并作為熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備的燃料。按照這種方法，Sunliquid 工廠可以自給自足地工作運(yùn)行。含有營(yíng)養(yǎng)的“酒糟”、水性的流程工藝殘留物等都可以當(dāng)做農(nóng)作物的肥料使用。

從2012 年開(kāi)始，Clariant 公司就在巴伐利亞州的Straubing 市運(yùn)營(yíng)著一套可以生產(chǎn)1 000 t/a 的測(cè)試設(shè)備，F(xiàn)rosch 公司生產(chǎn)的自噴灌清潔劑中就使用了這種“生物乙醇”。德國(guó)和巴西的試點(diǎn)項(xiàng)目正在測(cè)試生物燃料的用途。在Straubing 市，Clariant 公司與梅賽德斯公司組成的聯(lián)合車(chē)隊(duì)正在嘗試20%的生物乙醇與80%優(yōu)質(zhì)汽油組成的混合燃料，測(cè)試車(chē)輛連續(xù)使用這種燃料的情況。

Clariant 公司認(rèn)為Sunliquid技術(shù)的潛力是非常大的。根據(jù)目前的估算，全球每年利用木質(zhì)纖維素可以生產(chǎn)出多達(dá)7 億t 的生物乙醇。僅在歐洲每年就有大約2.25 億t 的農(nóng)業(yè)廢棄物，這可以生產(chǎn)出3 670 萬(wàn)t 的生物乙醇，足以滿足2030 年預(yù)計(jì)所需燃料的16%左右。農(nóng)業(yè)廢棄物的利用也許會(huì)解決人們對(duì)生物燃料的認(rèn)可問(wèn)題，使人們接受生物燃料、愿意使用生物燃料。因此，歐盟就為Sunliquid 項(xiàng)目提供了高達(dá)數(shù)十億歐元的資金資助。

“將太陽(yáng)裝進(jìn)儲(chǔ)罐”并不是開(kāi)發(fā)人員唯一的目的。Clariant公司已經(jīng)開(kāi)始研究從纖維素中提取基本化工原理和生物技術(shù)制品的工藝技術(shù)了，這是為了滿足可持續(xù)發(fā)展的塑料的要求。同時(shí)，Clariant 公司為羅馬尼亞展示這一流程工藝技術(shù)性能的旗艦項(xiàng)目投入了大約1 億歐元的資金。將來(lái)，Clariant 公司計(jì)劃將Sunliquid技術(shù)作為技術(shù)包打包上市。提供的打包方案包括從酶到設(shè)備方案的設(shè)計(jì)，需要針對(duì)每一個(gè)用戶和原材料單獨(dú)選用合適的酶和酵母菌株以保證最佳的生物發(fā)酵效果。無(wú)論是小麥秸稈、木屑還是樹(shù)葉都能找到最佳的微生物組合和過(guò)程控制?！拔覀兊臉I(yè)務(wù)是最終有一天銷售酶，因?yàn)樗鼈兙褪谴呋瘎！盧arbach 先生說(shuō)。

目前，生物乙醇的價(jià)格比石油燃料貴，但生物燃料可以有效緩解氣候變化帶來(lái)的不利影響。頁(yè)巖氣和天然氣的火爆以及新發(fā)現(xiàn)的深海油田都無(wú)法掩蓋石油是一種有限資源的事實(shí)。如果想在未來(lái)更具競(jìng)爭(zhēng)力，生物燃料或許是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

羅馬尼亞Craiova 市Suliquid 工廠奠基儀式