先进生物燃料怎么了？

艾姆斯堡，爱荷华州——自由项目工厂是一项耗资数亿美元的努力，旨在使汽车乙醇能够克服食物与燃料之争、农民的抵制以及最终的化石燃料等障碍。它也是乙醇生产公司 POET 的创始人兼执行董事长杰夫·布罗因 16 年旅程的成果——这段旅程始于南达科他州苏格兰的一个试验工厂，并通过美国能源部 (DoE) 提供的 1.05 亿美元拨款逐步发展。

政府投资是因为希望这种先进的生物燃料能够减少车辆排放的全球变暖污染物，与汽油相比。而且，用玉米植物不可食用的部分制造乙醇可能比使用玉米粒中可食用的淀粉更好，因为这些淀粉可以作为食品或动物饲料。“我们每天加工约 770 吨玉米秸秆——基本上是玉米田的残余物——制成乙醇，”布罗因在参观 POET 新的自由项目工厂时告诉我，该工厂用纤维素生产乙醇，并且毗邻一家传统工厂，该工厂用玉米粒中的淀粉生产燃料。“[这是]世界上首批这样做的工厂之一，所以我们非常兴奋。”

关于支持科学新闻

如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。

从玉米秸秆中制造燃料的能力是自该工厂于 2014 年 9 月正式开业以来近两年不断改进的结果。自由项目是美国为打破石油对运输燃料的垄断，转而支持国内种植的生物燃料而做出的努力的顶峰之一。最近，美国国会根据 可再生燃料标准联邦计划的条款，强制规定美国车辆使用的燃料中必须有一定比例来自生物燃料，该计划于 2005 年生效，旨在强制生物燃料的开发。RFS 特别关注非食品生物燃料，因为传统的玉米乙醇来自可以用作食品或动物饲料的淀粉。人们最大的希望是使用纤维素（玉米叶、秸秆、玉米皮和玉米芯中不可食用的植物纤维）制造更清洁、更环保的乙醇。

为了使自由项目启动并运行，POET 及其荷兰合作伙伴帝斯曼已经至少投资了 2.75 亿美元，其中包括能源部和爱荷华州的拨款。假设现在问题已经解决，该工厂每年可以使用约 26 万公吨玉米植物的非食用部分，生产多达 9500 万升纤维素乙醇。在新工厂周围已经堆满了成捆的秸秆，等待被工业过程消耗——而不是被蘑菇消耗。

自由项目基本上将真菌生长和其他腐烂过程自然完成的过程工业化，以释放绿色植物储存的太阳能。玉米秸秆首先从捆包中取出并切碎。

然后将玉米叶条和玉米芯块浸泡在硫酸中，开始将它们分解成纤维。酶——从其活体宿主中释放出来进行工业工作的生物蛋白质——进一步侵蚀这些纤维，然后对产生的酸汤进行处理以去除水分。

然后，这种看起来像泥浆的糊状物进入巨型发酵罐，在那里，特殊的酵母会吃掉其中的糖分以产生乙醇。

此时，泥浆中仍然含有残留的纤维，特别是木质素——这种坚韧的纤维使玉米秸秆或树木能够直立，并在活着时抵抗腐烂——在被压制成类似煤炭的饼状物后，成为该工厂锅炉的工业燃料。

剩下的残余物被送入美国最大的生物消化器之一——可以容纳约 400 万升残余物进行厌氧消化的反应器——以产生甲烷，工厂可以利用甲烷发电，从而消除对天然气燃料的需求。这有助于减少温室气体污染，工厂的主要产品也是如此——一种从植物材料发酵而来的燃料，这种植物材料在生长过程中从空中吸收了二氧化碳。燃烧纤维素乙醇作为燃料可能只会产生燃烧汽油所产生的二氧化碳排放量的 10%。

使这一切奏效的一个重要秘诀是先进的生物燃料精炼厂的位置紧挨着一家传统的玉米乙醇工厂，该工厂用玉米粒中的淀粉制造乙醇。该工厂的规模大约是其纤维素燃料邻居的一半，建造和运行成本不到后者的一半，但生产的乙醇却是后者的两倍。它可以利用纤维素工厂剩余的木质素和生物消化甲烷作为蒸馏和其他工艺的燃料。“我们实际上可以关闭淀粉工厂的天然气阀门，”布罗因指出。

在美国的农田和其他地方，有大量的纤维素残留物，不仅有玉米秸秆，还有其他能源作物，如柳枝稷，以及木材废料和农业残余物，如麦秸。美国能源部估计，每年大约有 9 亿公吨此类材料可用——这是一种可再生资源，可以生产约 3000 亿升乙醇。而且附近有很多传统的乙醇工厂可以选址——根据美国能源部最新数据，几乎有200 家——而这仅仅是在美国。“我们看到了在世界各地建造这些工厂的机会，”布罗因说。

POET 并非孤军奋战。农化巨头杜邦公司去年 10 月在爱荷华州内华达州开设了自己的纤维素生物炼油厂，毗邻一家传统的淀粉燃料工厂，它最终应该能够每年生产约 1.15 亿升纤维素乙醇。“你知道，这一天已经很久了，但我们很自豪它终于到来了，”爱荷华州州长特里·布兰斯塔德去年 10 月 30 日在新杜邦工厂的开幕式上说，该工厂仍未满负荷运转。

“将生产 3000 万加仑生物燃料，而无需消耗额外的玉米，”长期以来一直是乙醇支持者的美国参议员查克·格拉斯利补充道，他是 RFS 的架构师之一。“你们在这里实现了国会的期望：更清洁、更环保、更高效的新型生物燃料。”

但杜邦公司新工厂的开业也导致了杜邦公司在田纳西州的另一家纤维素炼油厂的关闭。“杜邦仍然致力于纤维素生物燃料的商业化，并将将其资源集中在爱荷华州的工厂上，”杜邦公司先进生物燃料全球业务总监 Jan Koninckx 在一封电子邮件声明中告诉《大众科学》。

纤维素燃料的主要障碍似乎是经济性。2012 年 4 月，南达科他州的蓝色糖业公司生产了第一批合格的纤维素乙醇，略多于 75,500 升，然后迅速倒闭。2013 年没有生产纤维素乙醇，但到去年——在几家能源部支持的工厂上线后——美国环境保护署（RFS 的管理者）的数据显示，所有五家生物炼油厂总共生产了 830 万升纤维素乙醇。西班牙跨国公司阿本戈亚的纤维素乙醇工厂于 2014 年在堪萨斯州休戈顿开业，但由于技术问题以及阿本戈亚的破产，目前处于闲置状态。该工厂消耗了 1.32 亿美元的贷款担保以及能源部提供的 9700 万美元的拨款，然后陷入停顿。

简而言之，纤维素乙醇的制造成本高于玉米淀粉或甘蔗发酵的乙醇，甘蔗是世界第二大燃料乙醇来源。“这里的一切都很昂贵，因为这是首创，”布罗因说。“下一家工厂会便宜得多。”

在更基本的层面上，在工业设施中输送纤维和污泥很难做到不出故障。玉米秸秆运抵 POET 的纤维素工厂时，其中混合的沙子和砾石比工程师预期的多三到四倍，这些砂砾严重破坏了泵、阀门和其他设备。

“我们实际上进行了数百次小的工艺变更”，包括在玉米秸秆从捆包中取出后对其进行彻底清洗，布罗因说。还进行了一些并非不小的工艺变更，例如使用大型起重机撕开建筑物以更换设备。

但布罗因指出，在玉米乙醇几十年来的发展过程中，玉米乙醇也面临着同样的困难。现在，自由项目肯定正在大量生产纤维素乙醇。“我们正在运输纤维素乙醇，”布罗因说。“我们正在装满铁路货车。”

这很好，因为 环保署现在要求根据 RFS 的条款，2017 年纤维素生物燃料的产量接近 12 亿升。这仍然远低于格拉斯利等立法者认为纤维素乙醇现在应该达到的水平——早在 2007 年，他们就设定了每年约 110 亿升的目标。当这一目标未能实现时，环保署强制规定 2015 年至少生产 4.65 亿升纤维素生物燃料，但最终只有 830 万升混合到该国的燃料供应中。因此，剩余的近 570 亿升乙醇燃料来自玉米粒，并带有相关的担忧，即工业化农业实践、水污染以及对食品价格的影响。

“关于乙醇的一切都是好的，没有什么是坏的。它对农业有利，对环境有利，对农村社区的经济发展有利，”格拉斯利在 10 月份杜邦公司开业典礼上告诉《大众科学》。“我们将证明我们可以永远生产食物和燃料。我们不需要担心在食物和燃料之间做出选择。”

纤维素生物炼油厂与淀粉基乙醇工厂的结合可能在经济上更有效，但如果目标是减少玉米乙醇的产量，那么它就会失败。纤维素乙醇可能只是补充玉米乙醇，而不是取代它。

无论如何，乙醇行业的雄心远不止自由项目及其同行，甚至远不止数百家传统乙醇燃料工厂：布罗因表示，该行业希望有一天每年生产约 5700 亿升，其中包括纤维素的主要贡献。“我们希望取代的市场很大——那就是整个汽油市场，”布罗因说。“我们可以通过发展摆脱对化石燃料的依赖，但人们就是不明白这一点。”

要了解更多关于乙醇（纤维素乙醇和其他乙醇）的信息，请于今年秋季收看 PBS 电视台由 David Biello 主持的《乙醇效应》节目。