從化石燃料到生物燃料，一場生物能源技術革命已然到來。

隨著經濟的快速發(fā)展，全球對能源的需求劇增。作為不可再生資源，傳統(tǒng)化石燃料日益枯竭難以支撐經濟可持續(xù)發(fā)展，并且其大量使用導致溫室效應和全球氣候變化，當前迫切需要開發(fā)可再生的新型燃料來逐步替代化石燃料。

與化石燃料相比，以生物乙醇、生物柴油為代表的生物燃料（尤其是液體生物燃料，本文主要圍繞液體生物燃料展開論述）源于可再生的生物質資源，能夠實現(xiàn)綠色、可持續(xù)循環(huán)，發(fā)展生物燃料對經濟社會發(fā)展和國家安全具有重要意義。

時至今日，生物燃料的發(fā)展已經歷經數(shù)次迭代，而近年來隨著合成生物學技術的不斷成熟更是讓生物燃料的生產方式愈發(fā)多樣化。未來，采用合成生物學技術，利用 CO?，結合太陽能、水能、風能和生物質能等可再生能源開發(fā)新型生物燃料將是綠色能源的重要途徑。

現(xiàn)階段業(yè)界圍繞生物燃料的開發(fā)取得了哪些新進展？研發(fā)過程所面臨哪些挑戰(zhàn)以及該如何應對？產業(yè)層面化工企業(yè)對于生物燃料布局又是如何？

01 第四代生物燃料以合成生物學為基礎

根據使用的原料和合成技術的迭代，生物燃料的發(fā)展可劃分為四代，第一代生物燃料主要包括糧食乙醇及糧食柴油，第二代則以纖維素乙醇和生物柴油為代表，第三代主要是微藻燃料，第四代是以合成生物學為基礎開發(fā)的合成生物燃料。

第一代至第四代生物燃料（來源：Synthetic Biology Journal）

生物燃料主要包括生物乙醇、生物柴油，以及其他新型生物燃料，比如生物高級醇（生物汽油）、聚酮類物質及萜類物質（高密度燃料）等。

以生物乙醇為例，它不僅能夠作為可再生和可持續(xù)的液體燃料以減少石油消耗，還可以用作化學工業(yè)中的各種原材料和溶劑，現(xiàn)階段生物乙醇仍然占據全球生物燃料的主導地位。

生物乙醇的發(fā)展包括四個階段，第一代糧食乙醇主要是通過含糖類或含淀粉類糧食作物（比如甘蔗、玉米等作物）進行發(fā)酵生產。統(tǒng)計數(shù)據顯示，2019 年國內生物乙醇的產量已達 2841 萬噸，其原料主要包括玉米、木薯和陳化糧等。

第二代纖維素乙醇使用木質纖維素（比如秸稈、稻殼、甘蔗渣等廢棄農作物）為原料，通過水解發(fā)酵或微生物直接轉化等進行生產，相較第一代更具經濟性、可持續(xù)性，且不與糧食供應產生競爭，能夠進行更大規(guī)模的量產。第三代生物乙醇則是以微藻為原料進行生物煉制，生產過程更為環(huán)保，生產周期短，土地占用少。有研究報道顯示，在產率方面，微藻乙醇要明顯高于前兩代生物乙醇。

如今在第四代生物乙醇的生產中業(yè)界使用木質纖維素等作為原料，利用代謝工程對大腸桿菌、藍細菌等細胞工廠進行改造，實現(xiàn)了生物乙醇的產量進一步提升。具體而言，第四代生物乙醇通過綜合利用可再生能源（比如太陽能、水能、風能、生物質能等），通過合成生物學、電化學等技術，以多種微生物作為細胞工廠，利用多種類型的底物原料（除了木質纖維素、食品廢棄物，還包括 CO?、甲醇、甲烷和合成氣等）進行生物煉制生產生物乙醇，實現(xiàn)降本增產。

目前，全球前兩大生物乙醇生產國分別為巴西和美國，兩者約占據世界產量的 84%，其中，巴西以甘蔗作為主要原料，是世界上少數(shù)可以低成本生產乙醇的國家之一；美國前期以玉米作為主要原料，而后開始著力發(fā)展第二代生物乙醇并逐漸占據主導地位，此外，美國和歐盟等都正在加速布局第三代及第四代生物乙醇的生產，大力開展以微藻、一碳物質等作為原料，結合新型的生物煉制技術，進一步降低生物乙醇的生產成本并擴大產能。

生物柴油是一種來源于植物油或動物脂肪中的單烷基酯混合物，由于具有較低的碳排放量，燃燒性能更好，是一種極具前景的新型綠色能源。根據其使用的原料不同，生物柴油的發(fā)展與生物乙醇類似也分為四代，第一代生物柴油主要使用油料作物（比如大豆、花生、油菜籽等）；第二代主要使用地溝油、工業(yè)廢棄油、富含油脂的植物等；第三代以富含脂類物質的微生物（比如微藻）為原料；在前三代生物柴油的生產中，原料成本較高是限制其大規(guī)模生產的主要挑戰(zhàn)。相較之下，第四代生物柴油在原料的選擇上更為豐富，比如可以是 CO?、甲醇、甲酸等一碳物質，生產方式更加環(huán)保且可持續(xù)。

基于工程微生物合成生物燃料（來源：Synthetic Biology Journal）

除了生物乙醇、生物柴油，業(yè)界也在探索開發(fā)燃燒值更高、凝固點更低、穩(wěn)定性更好的新型生物燃料以滿足各行各業(yè)的不同需求。現(xiàn)階段，研究人員已經利用葡萄糖、木糖、果糖、甘油等原料通過工程微生物生產生物燃料（比如生物高級醇、萜類化合物、脂肪酸及其衍生物等），其中不乏大量研究通過改造微生物、優(yōu)化合成途徑等實現(xiàn)了更高的產量和產量。

比如，此前曾有報道工程改造后的釀酒酵母利用葡萄糖合成脂肪酸的產量高達 33.4 g/L，是迄今為止非天然產油酵母的最高脂肪酸產量；近期有研究報道通過工程改造梭菌 Clostridium acetobutylicum 補料分批發(fā)酵后可使丁醇產量高達 18.9 g/L；還有研究通過在釀酒酵母中構建人工能量合成系統(tǒng)提升葡萄糖到脂肪酸的轉化率并使產率達到 40%。

02 新型生物燃料開發(fā)圍繞 CO? 的固定轉化

就目前而言，業(yè)界圍繞前三代生物燃料的研究較為深入，并且也已實現(xiàn)廣泛的生產和應用。作為使用最為廣泛的生物燃料（包括生物乙醇、生物柴油等），傳統(tǒng)的生物合成方式已經難以滿足日益增長的大規(guī)模應用需求。

為了進一步提高產量、降低成本，第四代生物燃料的開發(fā)通過借助合成生物學技術對微生物進行工程改造（比如構建更高效的生物燃料合成途徑），并結合使用多種可再生能源，將生物質、一碳物質（具有單個碳原子的化合物，比如 CO?、甲烷等溫室氣體、甲酸、甲醇等）等轉化為多種新型生物燃料，比如與汽油、柴油、高密度航空用油性質類似具有不同碳鏈長度、不同碳飽和度的化合物。

底物方面，之所以選擇一碳物質，主要是由于它們來源廣泛、價格低廉，將其作為底物合成生物燃料，不但可以緩解化石燃料短缺危機，還可以解決溫室氣體排放帶來的環(huán)境污染，助力“雙碳”目標，這也正是當前全球新型生物能源的研究熱點。

一碳底物合成生物燃料途徑（來源：Synthetic Biology Journal）

目前，如何高效利用 CO? 進行生物燃料的合成是當前生物煉制的一大熱門領域，然而，把 CO? 用作底物進行生物煉制面臨不小的挑戰(zhàn)，主要是由于 CO? 的轉化需要消耗大量能量。相較之下，CO? 還原后的產物，比如甲烷、甲醇等本身就帶有能量從而避免了耗能高的難題。

甲烷不僅是天然氣的主要成分，也可來自垃圾等有機廢物的厭氧消化，甲醇可來自甲烷的氧化，劣質煤炭和生物廢料的轉化等方式，甲烷和甲醇的來源豐富且均具有較高能量，是作為底物合成生物燃料的有效策略。比如，有研究報道，在畢赤酵母中構建脂肪酸合成途徑可利用甲醇生產脂肪酸，產量達 23.4 g/L。

解決了底物來源，接下來就是構建高效合成途徑，其大體可分為酮酸途徑、類異戊二烯途徑、輔酶 A 依賴的逆 β 氧化途徑、脂肪酸生物合成途徑，以及聚酮生物合成途徑等。

為了提高生物燃料的產量，業(yè)界已經開發(fā)出多種代謝工程策略，比如利用酶工程、蛋白質工程、啟動子工程提高關鍵酶的活性，通過區(qū)域化表達產物合成途徑，以及降低產物毒性、切斷副產物生產途徑等。有研究報道，借助適應性進化解決了中鏈脂肪酸細胞毒性問題，最終將脂肪酸產量提高了 250 倍。

03 煉化巨頭將生物燃料作為推動轉型引擎

近年來，全球生物燃料總產量呈逐年增長趨勢，統(tǒng)計數(shù)據顯示已從 2017 年的 5.45 億桶增長至 2022 年的 7.62 億桶。不同國家和地區(qū)產量增長存在差異，其中，美國、巴西，以及一些歐洲國家增量排名靠前，近幾年來美國、巴西的生物燃料年均增量達 20% 以上。

2022 年，美國生物燃料產量達 2.6 余萬桶，約占全球總產量的 35%，巴西的產量和占比分別為 1.5 萬桶和 20%。此外，巴西還在其頒布的《國家生物燃料發(fā)展規(guī)劃》中制定目標，計劃到 2030 年將生物燃料在全國能源結構中的比例提升至 18%，產值預計屆時將達 283 億美元。

據測算，生物燃料的 CO? 排放量僅為傳統(tǒng)化石燃料的一半，是交通、航運、航空等眾多領域的有效減碳策略。據國際能源署和國際糧農組織統(tǒng)計數(shù)據，以生物乙醇為例，自 2008 年以來，美國交通運輸行業(yè)按照可再生燃料標準（RFS）的規(guī)定使用乙醇或其他生物燃料已減少了 9.8 億噸的溫室氣體排放，僅在 2021 年間通過使用生物乙醇就減少了 5450 萬噸的溫室氣體排放。

放眼國內，2020 年，中國的生物燃料產量超 268 萬噸，約占國內石油消費總量的 3%，2021 年，生物燃料產量提升至 275 萬噸，同比增長了 25.7%，生物燃料產業(yè)近年來表現(xiàn)出強勁的發(fā)展勢頭。

政策方面，2006 年實施的《可再生能源法》明確國家鼓勵生產和利用液體生物燃料；2017 年，國家發(fā)展改革委、國家能源局等 15 部門聯(lián)合印發(fā)的《關于擴大生物燃料乙醇生產和推廣使用車用乙醇汽油的實施方案》指出，擴大生物燃料乙醇生產和推廣使用車用乙醇汽油；2022 年實施的《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》要求大力發(fā)展生物柴油等非糧生物燃料，同年，國家發(fā)改委印發(fā)的《“十四五”生物經濟發(fā)展規(guī)劃》明確了包括生物質替代應用在內的四大重點發(fā)展領域。

生物燃料的應用可擺脫對傳統(tǒng)石化資源的依賴，并且其兼具可持續(xù)和環(huán)境友好屬性，隨著一系列鼓勵政策的頒布，尤其自世界各國提出“碳中和”氣候目標后，全球煉化巨頭紛紛加速布局生物燃料產業(yè)，并將其視為推動能源轉型的關鍵驅動力之一。

例如，法國能源巨頭道達爾能源（Total Energies）正加速推進以微藻類生物為原料的第三代生物燃料的研發(fā)；無獨有偶，美國埃克森美孚也曾將基于微藻原料的第三代生物燃料作為公司進軍生物燃料的切入點，值得注意的是，該公司在幾次業(yè)務重組中都保留了生物燃料業(yè)務部門，并投入大量資金探索利用不同生物質原料生產生物燃料及生物化學品的新技術。

美國油氣巨頭雪佛龍于 2022 年斥資 31.5 億美元收購美國生物柴油生產商可再生能源集團（REG），此前該公司曾表示投資 100 億美元以減少到 2028 年的碳排放，其中 30 億美元用于生產可再生燃料，還承諾到 2050 年實現(xiàn)凈零排放的目標；同年，殼牌全資子公司殼牌石油公司以 20 億美元收購丹麥 Nature Energy 公司以加快新能源轉型。

美國阿徹丹尼爾斯米德蘭公司（ADM）和先正達集團合作擴大低碳油籽的研究和商業(yè)化生產，滿足全球對生物燃料和其他可持續(xù)來源產品日益增長的需求；SGP 生物能源公司在巴拿馬建設生物精煉廠以生產高級生物燃料等，完全投入運營后的生物精煉廠每天可生產 18 萬桶生物燃料，該生物燃料精煉工廠還聲稱擁有最低的碳足跡。

2023 年，LanzaTech 以 SPAC 方式正式登陸納斯達克，成為第一家上市的碳捕獲和轉化公司，其核心技術依托于一種名為產乙醇梭菌（Clostridium autoethanogenum）的自養(yǎng)微生物，可以同時發(fā)酵 CO 和 ?CO? 并在適當?shù)臈l件下將其轉化為乙醇。2018 年 LanzaTech 與首鋼集團京唐鋼鐵廠合作在中國建立了世界上第一座商業(yè)廢氣乙醇工廠，隨后又在中國建立了兩大商業(yè)廢棄乙醇工廠，總共年產燃料乙醇超 4700 萬加侖。