未來的生物燃料

文/Dominik Stephan

Lariant 公司的Sunliquid 生物燃料生產試驗工廠

特種化工產品與生物燃料之間的相互聯系——為什么催化劑都依賴乙醇？未來的燃料生長在田野中嗎？經過對第二代生物燃料的長期研究，Clariant 公司終于宣布在羅馬尼亞建設第一座工業化規模的Sunliquid 技術工廠，這是農作物燃料領域中的突破。

在Clariant 公司實驗工廠的廠區內，鋁合金儲罐在陽光的照射下閃閃發光。儲罐中存放的是生物技術生產出來的乙醇，其既可充當溶劑，也可以當作清潔劑或者燃料使用。而它背后承載著Clariant 公司的旗艦項目——Sunliquid，即液體陽光，是來自太陽的驅動動力。

最初，許多人都在考慮光伏技術和電動汽車。但目前的電池技術和可持續發展的發電技術是限制開發商的阻力。而對于生物燃料，即基于高能生物質的合成燃料生產來說，依舊潛力無限。因此，專家們要求開發第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、樹葉和鋸末等生物殘留物和生物廢棄物生產的合成燃料。例如，含有大量生物質的纖維素就可以用來生產乙醇，但打破長鏈多糖是一個技術難題。“秸稈中所含的糖幾乎和谷物一樣多，只是它們鏈接得更加牢固。” Clariant 公司液體陽光項目經理Markus Rarbach 先生說。雖然在十年前生物燃料討論的高峰時節就宣布了大型項目計劃，但技術突破仍然遙遙無期。

“如果不了解整個價值鏈和如何使用這一過程中的副產品，那么企業就沒有一個成熟的工藝流程。”—— Markus Rarbach 先生，Clariant公司

如今，Clariant 公司將一家特種化工企業帶進了生物燃料的研發競爭之中。目前，一家瑞士企業正在羅馬尼亞的Craiova 市建造一座利用生物燃料生產5 萬t/a 乙醇的工廠，這將使東歐國家成為生物燃料技術的先驅。滿負荷生產時，這家工廠每年從當地農民那里消耗掉大約25 萬t 的小麥秸稈和其他秸稈。2020 年，首批生物燃料產品按計劃上市。

這一切依托于瑞士的Sunliquid技術。但這一技術的關鍵不是化學，而是高度專業化的水解酶技術。這些酶能夠通過添加水而裂解長鏈底物分子，可以將它們分解為五聚糖和六聚糖。這一技術離不開生物催化劑，故Clariant 公司將這一業務劃歸給催化劑業務部。Sunliquid 技術是Clariant 公司在Plannegg 的生物技術研究中心開發出來的。從2009 年起，這里從數千種合適的生物體中選擇了合適的菌株，利用基因突變技術和靶向工程進行制備，開發出了多階段利用農業廢棄物的工藝技術。從微生物實驗室到試驗設備，開發人員優化工藝步驟、酶和有機生物體。至此，無論使用的農業廢棄物原料是麥秸、甘蔗渣或者是稻草都能確保得到最佳的效果。

羅馬尼亞地區的小麥種植戶很多，而消耗秸稈的畜牧業從業人員不多。未加利用而腐爛變質的秸稈不是被犁到地下漚肥就是簡單地燒掉了，這對空氣和土壤都產生了相應的影響，但土地上的秸稈可以收獲3.5 t 的纖維素-糖。當然，我們不能直接將秸稈放到生物反應器中。首先要制備原材料，打開木質纖維素的結構，將麥秸切碎后放進壓力容器中蒸煮。當壓力容器突然釋放壓力時，麥秸木質纖維素材料破裂，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工藝步驟就是將成捆的秸稈堆疊起來。Rarbach 先生說，一個微小的因素就可以使復雜的工藝過程停頓，例如秸稈粉碎機切到了秸稈中夾雜的一塊石頭。

然后，秸稈進行水解和發酵，在此期間產生了人們需要的醇。與傳統的發酵過程不同，此時的酵母菌株同時代謝了C5 和C6 糖，這比僅使用C6 糖的傳統工藝技術得到的乙醇含量高出了50%。同時，酵母還能生產出用于水解酶的微生物。按照這種方法就可以在植物中現場產生生物催化劑。“如果不了解整個價值鏈和如何使用這一過程中的副產品，那么企業就沒有一個成熟的工藝流程。”Sunliquid 項目的經理說道。此外，就連發酵中剩余的殘留木糖和木質素也能過濾出來并作為熱電聯產設備的燃料。按照這種方法，Sunliquid 工廠可以自給自足地工作運行。含有營養的“酒糟”、水性的流程工藝殘留物等都可以當做農作物的肥料使用。

從2012 年開始，Clariant 公司就在巴伐利亞州的Straubing 市運營著一套可以生產1 000 t/a 的測試設備，Frosch 公司生產的自噴灌清潔劑中就使用了這種“生物乙醇”。德國和巴西的試點項目正在測試生物燃料的用途。在Straubing 市，Clariant 公司與梅賽德斯公司組成的聯合車隊正在嘗試20%的生物乙醇與80%優質汽油組成的混合燃料，測試車輛連續使用這種燃料的情況。

Clariant 公司認為Sunliquid技術的潛力是非常大的。根據目前的估算，全球每年利用木質纖維素可以生產出多達7 億t 的生物乙醇。僅在歐洲每年就有大約2.25 億t 的農業廢棄物，這可以生產出3 670 萬t 的生物乙醇，足以滿足2030 年預計所需燃料的16%左右。農業廢棄物的利用也許會解決人們對生物燃料的認可問題，使人們接受生物燃料、愿意使用生物燃料。因此，歐盟就為Sunliquid 項目提供了高達數十億歐元的資金資助。

“將太陽裝進儲罐”并不是開發人員唯一的目的。Clariant公司已經開始研究從纖維素中提取基本化工原理和生物技術制品的工藝技術了，這是為了滿足可持續發展的塑料的要求。同時，Clariant 公司為羅馬尼亞展示這一流程工藝技術性能的旗艦項目投入了大約1 億歐元的資金。將來，Clariant 公司計劃將Sunliquid技術作為技術包打包上市。提供的打包方案包括從酶到設備方案的設計，需要針對每一個用戶和原材料單獨選用合適的酶和酵母菌株以保證最佳的生物發酵效果。無論是小麥秸稈、木屑還是樹葉都能找到最佳的微生物組合和過程控制。“我們的業務是最終有一天銷售酶，因為它們就是催化劑。”Rarbach 先生說。

目前，生物乙醇的價格比石油燃料貴，但生物燃料可以有效緩解氣候變化帶來的不利影響。頁巖氣和天然氣的火爆以及新發現的深海油田都無法掩蓋石油是一種有限資源的事實。如果想在未來更具競爭力，生物燃料或許是個不錯的選擇。

羅馬尼亞Craiova 市Suliquid 工廠奠基儀式