生物燃料新宠儿高效益的丁醇

何莎莎

还在为全球油价没有悬念的一路飙升而头疼吗?还在为全球生态环境的日益恶化而担忧吗?成为汽车新“食谱”的生物丁醇将会减除所有忧虑与担忧。

当雷曼德厌倦了终日为自己3L排量私家车的碳排放买单时,他可以选择使用那些基于农林废弃物生产的生物丁醇了,因为燃烧丁醇只是使用当年的碳而已。雷曼德的这种经历未来三五年内也许就将实现,因为现在开发生物丁醇的技术已经日渐突破。

英国石油公司专门成立了BP生物燃料公司,旨在为生物丁醇的商业化大手笔投产。无独有偶,英国绿色生物制剂公司(GreenBiologic)斥资320英镑进一步开发利用多种生物基废料生产丁醇的技术,其中158万英镑是由碳基金信托公司(Carbon Trust Investments)、牛津资产合伙人公司(Oxford Capital Partners)等企业资助。

从美国杜邦公司和英国石油公司宣布将合作生产生物燃料开始,生物丁醇就成为了头版头条的热门话题。事实上,燃料巨头英国石油公司开发丁醇的信心已坚如磐石不可动摇,5亿美元的巨大投资、10年时间的悉心栽培,确实让人们看到英国石油公司对于生物丁醇的志在必得。

生物燃料,是指通过生物资源生产的适用于汽油或者柴油发动机的燃料,包括燃料乙醇、生物柴油、生物丁醇、生物气体、生物甲醇、生物二甲醚等,目前最为人所熟知的是生物乙醇和生物柴油。尽管生物丁醇和生物乙醇相似,可以和汽油混合,但是不论是在燃料性能还是经济性方面,生物丁醇都有着更加明显的优势。

首先,与现有的生物燃料相比,生物丁醇与汽油的混合比更高,在不对汽车发动机进行改造的情况下,可以使用几乎100%浓度的生物丁醇,而生物乙醇在同等条件下与汽油混合比的极限仅为10%。其次,生物丁醇具有较高的能量密度。由于丁醇分子结构中含有的碳原子数高于乙醇,因此单位体积的丁醇能够储存更多的能量。

测试表明,丁醇能量密度接近汽油,而乙醇的能量密度比汽油低35%,换言之,等量的丁醇相比乙醇可多走将近35%的路程。丁醇的挥发性是乙醇的1/6倍,汽油的1/13.5倍,与汽油混合对水的宽容度更大,对潮湿和低水蒸气压力有更好的适应能力,能够通过管道流动,因此可以在现有的燃料供应和分销系统中使用。丁醇还具有腐蚀性小,燃烧时不产生破坏环境的SOx或NOx等气体。

丁醇可采用与乙醇相似的发酵流程制取,但是由于生产丁醇需要较大的蒸发、加热、冷却等设施,投资费用较高,因此相比较于乙醇,丁醇的生产成本要高得多,因此,实现生物丁醇商业化的关键就是提高原料加工成丁醇的转化率,加快转化过程,这完全取决于高效生物催化剂的开发,以及生产工艺设计的优化。

除了美国杜邦公司、英国石油公司以及英国绿色生物制剂公司以外,还有很多公司都在关注丁醇的生产工艺。加利福尼亚技术研究院(Caltech)、下属公司Gevo、Khosla风险投资公司及Virgin Fuels公司目前已经将研究从乙醇转向了丁醇;Gevo公司将利用甘蔗、玉米副产品和草等不同类型的生物质生产生物丁醇。美国Ener Genetics International Inc.(EGI)用DNA遗传改良菌株,通过代谢工程调控和专利技术开发的连续固定化反应器,采用膜技术回收产物,发酵仅需6小时,菌种能够耐受4%-5%的丁醇,发酵液中丁醇占总溶剂的90%(传统发酵法丁醇一般占60%),丁醇产量达4.5-5.0g/(L-h),产率为40%-50%,比传统丁醇工艺产量提高400%-500%,生产成本每升不到0.264美元,车间成本500万至1000万美元,而传统丙酮丁醇发酵法生产成本2.5美元,传统发酵车间至少需要投资1亿美元。

美国Buty Fuel公司采用BFL公司专利生产的BioButanol,据初步成本估算,用石油生产丁醇的成本为每升1.35美元,而用玉米生产生物丁醇的价格为每升0.317美元(不包括所产氢气),可以和玉米生产乙醇每升0.338美元的价格相竞争。用饲料等废弃物代替玉米,所生产丁醇的成本可以降至每升0.225美元。

发酵法生产丁醇的方法可以追溯到1861年,当年路易斯·巴斯德(Louis Pasteur)发现了细菌可以产生丁醇;1912年哈伊姆·魏茨曼(Chaim Azriel Weizmann)分离出丙丁梭菌,这种微生物可发酵淀粉产生丁醇、丙酮和乙醇(称为总溶剂);1918年,世界上第一个商业化总溶剂生产厂在美国建成;1945年,总溶剂成为仅次于乙醇的第二大发酵产品;上世纪60年代,由于石油化工的竞争,发酵法丁醇业走向衰退。

近年来,随着原油价格的上涨,石化资源的耗竭和温室气体排放等环境问题的日益突出,生物化工和生物能源得到高度重视。丙丁梭菌发酵生产丁醇凸显竞争优势,到2008年底,有8个总溶剂厂在运转或兴建,但是2008年金融危机的到来使得丁醇价格巨幅跌落,需求严重萎缩,大部分总溶剂厂处于停建、停产或半停产的状态。于是以农林废弃物为原料,通过发酵生产低成本丁醇已经成为众多科研机构和厂商的研究项目。

以农林废弃物作为原料生产丁醇不仅降低生产成本,而且能够避免“粮食危机”的问题,在生产实践中更加可行,然而,生物丁醇也不是完美无缺,其唯一的缺点就是目前在价格上的优势较弱。

目前中国吉林的一家丁醇公司已经成功利用5碳糖发酵生产生物丁醇,突破了困扰业界多年的农业废弃物搜集、储运、预处理、脱毒、菌种的定向选育和驯化、环保、纤维丝固体发酵、高纯木质素提取等诸多问题,系统化解决了6碳糖、木质素、发酵尾气的综合回收利用。