世界上的化學(xué)家、化學(xué)工程師和合成生物學(xué)家都在努力應(yīng)對(duì)開發(fā)生物燃料的技術(shù)挑戰(zhàn)，并將在未來數(shù)十年內(nèi)為補(bǔ)充和替代石油衍生的燃料而盡力。世界每一家主要的化學(xué)和石化公司都在聲稱要在生物燃料商業(yè)化的比賽中爭(zhēng)一高低。

　　生物燃料可以有多個(gè)起始原料，包括糖類、淀粉、植物油、再生紙和紙板，以及粗生物質(zhì)稻殼、秸稈，它們可通過生物或化學(xué)方法，或兩者方法進(jìn)行加工。無論哪一種方法取勝，這些競(jìng)爭(zhēng)性技術(shù)的通用性均可確保公司取得盈利，并且通過消除對(duì)進(jìn)口石油的依賴而保證能源安全，以及減少溫室氣體排放而保證氣候安全，這是一個(gè)重要的使命。

　　化學(xué)方法：水相化學(xué)反應(yīng)

　　化學(xué)方法提供了較廣闊的平臺(tái)，從這一平臺(tái)來運(yùn)作，可在化學(xué)上調(diào)控碳水化合物，而不是將糖類進(jìn)行發(fā)酵，從而可制取醇類、酯類和呋喃，從單一的出發(fā)點(diǎn)可制取不同類型的運(yùn)輸燃料。

　　化學(xué)方法制取生物燃料的主要途徑之一是水相化學(xué)反應(yīng)。一種雙相酸/溶劑反應(yīng)器，可在一個(gè)單一步驟中，從纖維素原料制取取代的呋喃，這單一步驟無需先進(jìn)行預(yù)處理或?qū)⑸镔|(zhì)進(jìn)行分解，通常是溶液相化學(xué)所需的步驟。研究人員使用鹽酸溶液來消化纖維素起始原料，用二氯乙烷連續(xù)地萃取反應(yīng)混合物，以獲得取代的呋喃5 -(氯甲基)糠醛，這是一種生物燃料中間體。

　　改進(jìn)之后可以用于將生物質(zhì)作物，如牧草，或廢棄生物質(zhì)如谷物秸稈、木質(zhì)、稻草和再生紙轉(zhuǎn)化為5 -(氯甲基)糠醛或另一種生物燃料中間體乙酰丙酸，根據(jù)反應(yīng)條件的不同，產(chǎn)率可高達(dá)95%。據(jù)所知，這一將碳水化合物原料轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單的有機(jī)分子的水平在當(dāng)前是無與倫比的。作為額外的好處，單一反應(yīng)器處理不產(chǎn)生任何二氧化碳，而大多數(shù)生物燃料技術(shù)都會(huì)產(chǎn)生二氧化碳。一個(gè)關(guān)鍵的問題是大多數(shù)生物燃料過程低的效率和差的碳經(jīng)濟(jì)性，這些生物燃料過程意味著經(jīng)濟(jì)性差，并與生物燃料的碳中性目標(biāo)相抵觸。

　　微生物很容易將葡萄糖轉(zhuǎn)化成乙醇，但效率低下，因?yàn)檫m用的碳的三分之一最終會(huì)成為CO2。另外，在纖維素和半纖維素多糖物質(zhì)(它們組成生物質(zhì))中存在各種五碳和六碳糖類，但在發(fā)酵過程中通常使用的酵母僅能消耗六碳糖類。與工業(yè)化學(xué)過程相比，這些微生物的工作也很慢，并且不能忍受它們產(chǎn)生的高濃度的乙醇，這就使之限制于批量加工水平。對(duì)于生物燃料而不是乙醇生產(chǎn)商，碳的重要部分也被作為CO2被損失了，這就影響到烴類產(chǎn)率?；谶@些原因，可以認(rèn)為，制取呋喃和其他類似成分的單一的反應(yīng)器路線具有優(yōu)勢(shì)。然而，一個(gè)缺點(diǎn)是要使用鹵化溶劑，鹵化溶劑可能在工業(yè)規(guī)模的過程中要被取代。

　　當(dāng)被衍生加工時(shí)，糠醛或乙酰丙酸可生成其他呋喃或乙酰丙酸酯，它們可用作為獨(dú)立的燃料，這將需要監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)，或者可能用作調(diào)合料，用以制取傳統(tǒng)的汽油、柴油或噴氣燃料。雖然迄今為止，他們的過程從采用糖類開始，而不是纖維素，但它最終仍是要得到所需的烴類，而不是含氧化合物。

該工藝過程在適宜的溫度和壓力下，采用非均相催化劑，通過平行和串聯(lián)反應(yīng)，先將部分去氧化的可溶性糖類原料轉(zhuǎn)化成糖醇，然后使糖醇通過水相重整工藝過程，將它們轉(zhuǎn)化成燃料化學(xué)品。例如，Virent公司生產(chǎn)出主要含有C5~C10烷烴和芳烴的汽油調(diào)合物，這些烷烴和芳烴的汽油調(diào)合物基本上是與石油衍生汽油的化合物相同的調(diào)合物。該公司還可生產(chǎn)柴油和噴氣燃料調(diào)合物。BioForming技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之一是，需要的氫氣可就地產(chǎn)生，這可降低成本。此外，該產(chǎn)品烴類很容易從水相中被分離出來，可節(jié)約精餾成本。

　　目前正在1萬加侖/年中型裝置上驗(yàn)證該工藝過程。Virent公司將于2015年底投運(yùn)商業(yè)化規(guī)模的生物汽油裝置。

　　化學(xué)方法：熱解

　　生產(chǎn)生物燃料的另一個(gè)主要的化學(xué)途徑是熱解。連續(xù)催化熱解法，直接將粗生物質(zhì)如木屑轉(zhuǎn)化成汽油范圍的化合物。

　　熱解使用溫和的熱量和低氧條件，將纖維素材料破解成“生物原油”，生物原油是擁有超過300種液態(tài)烴類的混合物。熱解是使生物質(zhì)制取液體燃料最廉價(jià)的方式。但它存在一些問題：生物原油呈酸性，有較高的含水量，這兩個(gè)特征使其不穩(wěn)定，且難以處理。因此，這種油要快速處理，以使其改質(zhì)為燃料范圍的衍生物。

　　改質(zhì)可通過標(biāo)準(zhǔn)的煉油廠化學(xué)來進(jìn)行，包括催化裂化和加氫處理，使復(fù)雜的熱解化合物轉(zhuǎn)化成較簡(jiǎn)單的烴類。這兩種方法均已被廣泛試驗(yàn)，并經(jīng)幾十年的開發(fā)，但現(xiàn)在才認(rèn)為，高的原油價(jià)格將使熱解成為經(jīng)濟(jì)上可行。不過，目前只有少數(shù)采用熱解制取生物燃料的公司正處于商業(yè)規(guī)模化過程的關(guān)口。

　　與此同時(shí)，將熱解與催化裂化和加氫處理相結(jié)合，以便在一個(gè)單一的步驟中從粗生物質(zhì)來直接制取烴類。這種方法，稱之為催化快速熱解，在600℃°和在專門的反應(yīng)器中，可迅速地將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成生物原油，在催化快速熱解時(shí)，沸石催化劑ZSM–5的細(xì)顆粒與生物質(zhì)相混合，生成芳香族化合物。烯烴為聯(lián)產(chǎn)品，而芳烴/烯烴比例可通過改變反應(yīng)條件進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)在單一的流化床反應(yīng)器中應(yīng)用時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)可產(chǎn)生含有5~6種主要石化產(chǎn)品的混合物，這些石化產(chǎn)品可作化學(xué)原料：苯、甲苯、二甲、乙烯和丙烯。

　　現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是要使該技術(shù)能放大。在實(shí)驗(yàn)室中幾乎都可行，但是實(shí)際問題仍然存在，要使其在大規(guī)模范圍內(nèi)進(jìn)行，并使其成本與石油競(jìng)爭(zhēng)，才能有足夠經(jīng)濟(jì)吸引力

　　目前制取生物燃料的合成生物學(xué)路線是眾所周知的、安全的工程微生物。但在未來，生產(chǎn)方案可能包括細(xì)胞設(shè)計(jì)，這種細(xì)胞將為得到所需的化學(xué)品或燃料以及生產(chǎn)過程而定制。已有幾家公司在利用微生物生產(chǎn)商業(yè)化生物燃料中起步。采用了工程微生物用以生產(chǎn)2 -甲基丙醇，2 -甲基丙醇在行業(yè)中被作為異丁醇，異丁醇可用作汽油調(diào)合料，或脫水為異丁烯，然后轉(zhuǎn)化為辛烷、芳烴和其他汽油成分。

　　脂肪酸及類異戊二烯兩種產(chǎn)品可使工程化細(xì)胞擴(kuò)散出來，并且因?yàn)樗鼈冊(cè)谒腥芙舛鹊?，故可隨時(shí)從發(fā)酵液中分離，取得純化的單一產(chǎn)品。因無需耗能的蒸餾，與乙醇相比，可減少燃料成本。該產(chǎn)品的低溶解度也意味著它們對(duì)微生物的毒性低，與乙醇和酵母菌相比，允許在發(fā)酵罐中可擁有較高的濃度，并且從糖可產(chǎn)生較高的產(chǎn)率。

　　這類微生物不產(chǎn)生短的高度支鏈的分子，這些都是汽油所需要的，但仍面臨生物合成法制取它們的挑戰(zhàn)。另一限制是工程化的微生物通常只生產(chǎn)一種類型的分子，而燃料通常是許多不同的分子的混合物，后者的品質(zhì)對(duì)燃燒是重要的。然而，沒有任何理由認(rèn)為，燃料必需這么復(fù)雜。對(duì)于擁有正確屬性的某些理想分子，單一化合物也可望作為一種獨(dú)立的燃料。

　　原材料選擇決定工藝過程

　　原材料的選擇最終決定工藝過程。對(duì)于木質(zhì)材料，熱過程如熱解和氣化，是更好的技術(shù)，因?yàn)槟举|(zhì)素含量高的生物質(zhì)用于生物學(xué)轉(zhuǎn)化不利。對(duì)于牧草和作物殘余物，生物學(xué)路線可予采用，因?yàn)槟敛莓a(chǎn)生的高灰份會(huì)產(chǎn)生少許堵塞問題。但是，當(dāng)用糖作為起始時(shí)，化學(xué)法和生物學(xué)路線則可平等看待。

　　此外，熱法需要低濕度的生物質(zhì)，但大多數(shù)生物質(zhì)不都是很干的。如果材料在處理前必須干燥，這將花費(fèi)更多的能量。對(duì)于生物學(xué)方法，對(duì)水分含量要求不高。

　　決策過程中的另一個(gè)因素是生物質(zhì)的供應(yīng)、運(yùn)輸和倉儲(chǔ)的物流問題。要在商業(yè)上可行，氣化裝置需要多達(dá)約15000噸/天原料數(shù)量，而發(fā)酵設(shè)施則可需要約5000噸/天，熱解設(shè)施約需要2000噸/天。為了獲得成功，一些公司必須制定長(zhǎng)期的、可靠的原料供應(yīng)合約，并擁有提供其生產(chǎn)的燃料的合作伙伴。

　　業(yè)已建立了上游和下游連接的一家公司是美國馬斯科馬(Mascoma)公司，該公司利用細(xì)菌的酶法技術(shù)，這種細(xì)菌能產(chǎn)生多種使纖維素降解的酶和使糖發(fā)酵的酶，從纖維素生物質(zhì)經(jīng)一步法直接生產(chǎn)出乙醇。該公司已制定了從密歇根州上半島(upper peninsula)供應(yīng)木質(zhì)材料的長(zhǎng)期合約，在該地區(qū)正在建設(shè)一套4000萬加侖/年乙醇裝置。從事石化業(yè)的瓦萊羅能源(Valero Energy)公司是馬斯科馬公司的投資者之一，已簽署了購買該裝置生產(chǎn)的所有纖維素乙醇合同。

　　結(jié)語

生物質(zhì)氣化爐

　　為了解決面臨的問題，生物學(xué)方法將在一個(gè)較大的規(guī)模進(jìn)行運(yùn)作。據(jù)某些估計(jì)，美國將需要4,000個(gè)100萬加侖發(fā)酵罐才能提供足夠的生物燃料，以滿足不使用石油的全部需求。但與此同時(shí)，發(fā)酵罐價(jià)格較便宜，而化學(xué)反應(yīng)器都不便宜。

　　在商品市場(chǎng)上，從某一點(diǎn)上看，規(guī)模經(jīng)濟(jì)的作用仍是重要的。

　　正在開發(fā)的生物燃料技術(shù)有很多，并且它們都是可以實(shí)現(xiàn)的。并且需要采取某些政策，以幫助推動(dòng)其發(fā)展，以盡可能有效地利用生物質(zhì)資源。