纖維主宰未來能源？

呂　靜

將作物秸稈、野草、廢木料和家用廢料等等又便宜又豐富的東西轉(zhuǎn)化為乙醇，或許在不久之后將成為生物燃料發(fā)展的主流技術(shù)

今年5月29日，經(jīng)合組織與聯(lián)合國糧農(nóng)組織在其發(fā)表的一份報(bào)告中稱，到2017年，全世界的乙醇產(chǎn)量將是2007年的2倍，達(dá)到1250億升。該報(bào)告還指出，政策上的支持，油價(jià)的攀升，都會(huì)強(qiáng)烈影響未來對(duì)生物燃料的需求。而這種上升趨勢將導(dǎo)致全球糧食價(jià)格的繼續(xù)攀升和減小糧食在食物和飼料中的使用率。

那么，在未來lO年，以家用和農(nóng)林廢料為原料的第二代生物燃料究竟能不能取代糧食乙醇，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)生產(chǎn)呢?

黎明前的纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)

很多專家估測，由于玉米乙醇的生產(chǎn)將占用更多耕地，并與糧食需求相競爭，其發(fā)展勢必受到限制。纖維素乙醇的吸引力在于其原料包括作物秸稈、野草、廢木料和家用廢料，將這些又便宜又豐富的東西，轉(zhuǎn)化為乙醇所需要的燃料比較少，因此它比生產(chǎn)玉米乙醇的過程所釋放的溫室氣體要少。此外，一定面積的野草或其他作物可以比玉米多生產(chǎn)約兩倍的乙醇，因?yàn)檫@些植物的秸稈和種子都可以利用，而不是像現(xiàn)在的玉米乙醇一樣只能利用玉米粒。美國自然資源保護(hù)委員會(huì)的一份報(bào)告指出，到2050年，纖維素來源的巨大生產(chǎn)力將最終使得其達(dá)到5600億升的乙醇生產(chǎn)量，相當(dāng)于現(xiàn)在美國汽油消耗量的2／3。

2007年，美國新的聯(lián)邦法規(guī)要求到2022年將可再生能源的產(chǎn)量增加到每年1360億升，這是現(xiàn)水平的5倍。2007年，美國生產(chǎn)了約250億升的乙醇，這個(gè)數(shù)目還不到美國汽油供應(yīng)量的5％。眼下纖維素乙醇還沒有達(dá)到大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)，但是這項(xiàng)技術(shù)業(yè)已得到了各國政府的認(rèn)可和支持。

愛荷華大學(xué)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村發(fā)展中心的主任布魯斯·巴伯考克指出，市場會(huì)指示出乙醇生產(chǎn)的需求量，玉米乙醇的產(chǎn)量目前還在增長。他預(yù)測今年美國的乙醇產(chǎn)量將達(dá)到400億升，到2010年則將增至530億升，因?yàn)楦鞣N利弊的平衡，也許玉米乙醇的產(chǎn)量會(huì)停止增長。最終，纖維素乙醇將成為玉米乙醇的補(bǔ)充，或進(jìn)而成為市場的主角。

不過，美國人要在2022年達(dá)到1360億升的目標(biāo)是很困難的。這需要相當(dāng)大的一部分燃料從非玉米的原料如纖維素生物原料而來。

示范工廠已經(jīng)出現(xiàn)

到現(xiàn)在為止，世界上還沒有商業(yè)規(guī)模的纖維素乙醇工廠，不過，已經(jīng)有一些公司計(jì)劃在未來的幾年中開始生產(chǎn)。美國能源部目前已經(jīng)投資了大約12家即將建立示范和商業(yè)規(guī)模工廠的公司。其中一個(gè)就是計(jì)劃明年開工一個(gè)商業(yè)規(guī)模工廠的雷奇燃料公司，該廠預(yù)計(jì)將有年產(chǎn)8000萬升乙醇和甲醇的生產(chǎn)能力。

今年5月27日，馬薩諸塞州劍橋的麥斯科馬公司披露，明尼蘇達(dá)有望成為年產(chǎn)560萬升燃料示范商業(yè)化纖維素乙醇工廠的所在地。麥斯科馬還有好幾個(gè)生物乙醇項(xiàng)目正在運(yùn)作中，其中一個(gè)是在田納西的柳枝稷乙醇的先鋒項(xiàng)目。也是5月下旬，藍(lán)火乙醇公司在接受路透社采訪時(shí)宣布，他們計(jì)劃在5年內(nèi)在美國建立10個(gè)纖維素乙醇工廠，每個(gè)工廠的生產(chǎn)能力至少為2億升。其原料將為農(nóng)業(yè)廢料、廢木料和非糧食作物，比如柳枝稷。

依然是5月，通用公司先后與科斯卡塔能源公司和馬斯科馬公司建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，將攜手推進(jìn)從非糧食生物質(zhì)中提取制造低碳可替代能源的單步驟生物化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)的研發(fā)進(jìn)程。杜邦公司與丹尼斯克公司旗下的子公司杰能科簽署的一份聲明，雙方將創(chuàng)建一個(gè)各占50％股份的合資項(xiàng)目，這個(gè)被命名為杜邦丹尼斯克纖維素乙醇的合資公司，將投資1．4億美元，結(jié)合杜邦公司預(yù)處理等技術(shù)以及杰能科公司的先進(jìn)酶技術(shù)的優(yōu)勢，首先開發(fā)以玉米秸稈和甘蔗渣作為原料的纖維素乙醇生產(chǎn)技術(shù)。此后，還將開發(fā)使用木質(zhì)纖維素原料如麥稈、各種能源作物和其他生物質(zhì)為原料的纖維素乙醇生產(chǎn)工藝。該合資企業(yè)計(jì)劃于2012年商業(yè)化生產(chǎn)纖維素乙醇。

5月29日，一個(gè)年生產(chǎn)530萬升纖維素乙醇的生物精煉廠已在美國路易斯安那州的詹寧斯動(dòng)工。這一項(xiàng)目是由美國馬薩諸塞州劍橋的沃瑞尼姆公司建設(shè)的，將以甘蔗渣作為生產(chǎn)乙醇的原料。

這一新建的工廠將成為美國的首座示范規(guī)模的纖維素乙醇工廠。沃瑞尼姆纖維素乙醇計(jì)劃造價(jià)將達(dá)到每加侖2美元，這種價(jià)格比起汽油和其他類型的乙醇更具競爭能力。明年，沃瑞尼姆計(jì)劃將建設(shè)年生產(chǎn)能力為8000萬升的商業(yè)規(guī)模工廠。

與此同時(shí)，德國兩大公司南方化學(xué)公司與林德公司也宣布5月初組建了合資企業(yè)，將開發(fā)基于不與人爭糧的作物生產(chǎn)第二代生物燃料技術(shù)。

加拿大現(xiàn)在的乙醇產(chǎn)量是10億升，2012年計(jì)劃將達(dá)到25億升。加拿大渥太華的艾歐基公司早在2003年1月就建成了周處理25噸小麥秸稈、年產(chǎn)32萬升纖維素乙醇的示范工廠。2005年5月，加拿大政府核準(zhǔn)其投資5億美元在薩斯喀徹溫省建設(shè)年產(chǎn)將為8700萬升纖維素乙醇的裝置，預(yù)計(jì)于2011年建成。艾歐基公司的項(xiàng)目得到了殼牌公司、高盛投資銀行和加拿大石油公司的資金支持。

中國也在積極進(jìn)行纖維素乙醇的研發(fā)工作，5月8日，由河南天冠集團(tuán)建設(shè)的1萬噸纖維乙醇一期產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目，進(jìn)入試運(yùn)行階段。河南天冠纖維乙醇產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目，包括建設(shè)中的年產(chǎn)1萬噸纖維素酶和5千噸纖維乙醇的生產(chǎn)裝置，基本做到了純生物制乙醇生產(chǎn)。

在今年晚些時(shí)候，美國會(huì)頒布一個(gè)可再生能源的新標(biāo)準(zhǔn)，將去年的能源賬單變成法律，要求2010年時(shí)纖維素生物燃料的使用將達(dá)到3．8億升，到2020年達(dá)到600億升。

巧用基因工程

纖維素是所有植物都存在的一種復(fù)雜碳水化合物，玉米的莖葉、牧草和木屑都可以成為供給纖維素的主要候選者。從纖維素制造乙醇比起用玉米制成的乙醇有很多優(yōu)勢。要使制造纖維素乙醇在商業(yè)上可行的最大障礙就是纖維素的降解。降解纖維素的酶叫做木纖維酵素或纖維素酶，一般是大型生物反應(yīng)器中生長的微生物所產(chǎn)生的，而這種大型生物反應(yīng)器是造價(jià)昂貴的，同時(shí)這還是一個(gè)能源密集型的生產(chǎn)過程。

邁克爾J·布雷洛克是美國堪薩斯曼哈頓一家叫做伊甸園的農(nóng)作物生物技術(shù)公司的系統(tǒng)發(fā)展副總裁，他說：“為了使得制造纖維素乙醇變得具有真實(shí)的競爭力，我們實(shí)在是需要將造價(jià)降下來。”

瑪利亞·斯蒂克林是密歇根州立大學(xué)作物與土壤學(xué)教授，她表示，可以通過對(duì)玉米進(jìn)行基因工程改造來讓作物本身產(chǎn)生這種酶，從而減免制造酶的費(fèi)用。與其用能源密集型的加工在生物反應(yīng)器中制造酶，倒不如按照她所說的，“讓植物利用免費(fèi)的太陽能制造酶”。

一般情況下，纖維素的降解需要三種不同的酶。去年，斯蒂克林發(fā)表了用基因修飾的辦法改造玉米的研究，她可以將分別產(chǎn)生3種不同的酶的3個(gè)基因整合在一種作物中。她是在今年4月美國化學(xué)學(xué)會(huì)在新奧爾良的國家會(huì)議上宣講其轉(zhuǎn)基因成果的。

伊甸園公司最近發(fā)展了斯蒂克林的技術(shù)，希望在今年內(nèi)開始其轉(zhuǎn)基因玉米的大田試驗(yàn)。布雷洛克說，在未來的三年內(nèi)，他們將開始實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的商業(yè)化目標(biāo)。這家公司并不是單槍匹馬在從事這一研究策略，美國馬薩諸塞州美德福德的一家農(nóng)業(yè)生物技術(shù)公司艾格瑞維達(dá)，也在用轉(zhuǎn)基因技術(shù)來改造玉米，他們的目的很簡單，就是想提高纖維素乙醇的產(chǎn)量。

曾為美國普渡大學(xué)的農(nóng)業(yè)和生物工程教授邁克爾·萊迪石說：“這真是一個(gè)值得研究的方向。”但是，最終的情況要比看起來的更為復(fù)雜。萊迪石已經(jīng)離開了普渡大學(xué)，現(xiàn)在是麥斯科馬的主任技術(shù)員，他說，主要困難就是要找到保證這些酶在化學(xué)物理的預(yù)處理期間保持活性的方法，預(yù)處理是為了去掉木質(zhì)素，木質(zhì)素是細(xì)胞壁上堅(jiān)硬的聚合物，具有抗壓和有保護(hù)纖維素纖維的作用。

一種辦法就是通過轉(zhuǎn)基因的辦法使得植物僅需要輕微的預(yù)處理，比如，斯蒂克林正在致力于降低玉米中木質(zhì)素含量的研究，她還希望可以修改木質(zhì)素的分子構(gòu)造，這樣，就可以使之更容易降解。雖然其研究目前集中在玉米的基因修飾上，但她指出，這項(xiàng)技術(shù)最終將轉(zhuǎn)移到其他作物，比如柳枝稷等制造纖維素乙醇的原料上。

回首歷史，人類大規(guī)模開采化石燃料不過是最近幾百年的事，纖維素乙醇的異軍突起為可再生能源的藍(lán)圖畫上了濃重的一筆。變廢為寶的話題引人注目，無論是5年還是10年，讓我們拭目以待其普及的那一天。