未来的生物燃料

特种化工产品与生物燃料之间的相互联系

作者:Dominik Stephan 发布时间:2020-04-02
为什么催化剂都依赖乙醇?未来的燃料生长在田野中吗?经过对第二代生物燃料的长期研究,Clariant 公司终于宣布在罗马尼亚建设第一座工业化规模的Sunliquid 技术工厂,这是农作物燃料领域中的突破。

在Clariant 公司实验工厂的厂区内,铝合金储罐在阳光的照射下闪闪发光。储罐中存放的是生物技术生产出来的乙醇,其既可充当溶剂,也可以当作清洁剂或者燃料使用。而它背后承载着Clariant 公司的旗舰项目——Sunliquid,即液体阳光,是来自太阳的驱动动力。

最初,许多人都在考虑光伏技术和电动汽车。但目前的电池技术和可持续发展的发电技术是限制开发商的阻力。而对于生物燃料,即基于高能生物质的合成燃料生产来说,依旧潜力无限。因此,专家们要求开发第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、树叶和锯末等生物残留物和生物废弃物生产的合成燃料。例如,含有大量生物质的纤维素就可以用来生产乙醇,但打破长链多糖是一个技术难题。“秸秆中所含的糖几乎和谷物一样多,只是它们链接
得更加牢固。” Clariant 公司液体阳光项目经理Markus Rarbach 先生说。虽然在十年前生物燃料讨论的高峰时节就宣布了大型项目计划,但技术突破仍然遥遥无期。

如今,Clariant 公司将一家特种化工企业带进了生物燃料的研发竞争之中。目前,一家瑞士企业正在罗马尼亚的Craiova 市建造一座利用生物燃料生产5 万t/a 乙醇的工厂,这将使东欧国家成为生物燃料技术的先驱。满负荷生产时,这家工厂每年从当地农民那里消耗掉大约25 万t 的小麦秸秆和其他秸秆。2020 年,首批生物燃料产品按计划上市。

这一切依托于瑞士的Sunliquid技术。但这一技术的关键不是化学,而是高度专业化的水解酶技术。这些酶能够通过添加水而裂解长链底物分子,可以将它们分解为五聚糖和六聚糖。这一技术离不开生物催化剂,故Clariant 公司将这一业务划归给催化剂业务部。Sunliquid 技术是Clariant 公司在Plannegg 的生物技术研究中心开发出来的。从2009 年起,这里从数千种合适的生物体中选择了合适的菌株,利用基因突变技术和靶向工程进行制备,开发出了多阶段利用农业废弃物的工艺技术。从微生物实验室到试验设备,开发人员优化工艺步骤、酶和有机生物体。至此,无论使用的农业废弃物原料是麦秸、甘蔗渣或者是稻草都能确保得到最佳的效果。

罗马尼亚地区的小麦种植户很多,而消耗秸秆的畜牧业从业人员不多。未加利用而腐烂变质的秸秆不是被犁到地下沤肥就是简单地烧掉了,这对空气和土壤都产生了相应的影响,但土地上的秸秆可以收获3.5 t 的纤维素-糖。当然,我们不能直接将秸秆放到生物反应器中。首先要制备原材料,打开木质纤维素的结构,将麦秸切碎后放进压力容器中蒸煮。当压力容器突然释放压力时,麦秸木质纤维素材料破裂,潮湿且增大的表面积为酶提供了攻击纤维素的最佳可能性。因此,下巴伐利亚州高科技工厂的第一个工艺步骤就是将成捆的秸秆堆叠起来。Rarbach 先生说,一个微小的因素就可以使复杂的工艺过程停顿,例如秸秆粉碎机切到了秸秆中夹杂的一块石头。

生物燃料的获取来源

生物燃料的潜力几乎是取之不尽用之不竭的。研究表明,仅欧盟每年就有大约3.8 亿t 玉米秸和1.5 亿t 玉米秸秆。由于各个国家和地区的不同特点,仅有30% ~60%的秸秆得到了利用。预计到2030 年时,欧洲总共可以从农业副产品(1.39 亿t)生产2 800 万t(相当于约3 500 万L)纤维素乙醇。这些纤维素乙醇作为第2 代生物燃料,几乎可以通过整株植物(包括难以分解的纤维素成分)来获得。而第一代生物燃料技术则只能用植物的果实来生产油、糖和淀粉。藻类生物燃料被称之为“第3 代”生物燃料,因为它比植物有着更高的生物质生产能力。

然后,秸秆进行水解和发酵,在此期间产生了人们需要的醇。与传统的发酵过程不同,此时的
酵母菌株同时代谢了C5 和C6 糖,这比仅使用C6 糖的传统工艺技术得到的乙醇含量高出了50%。同时,酵母还能生产出用于水解酶的微生物。按照这种方法就可以在植物中现场产生生物催化剂。“如果不了解整个价值链和如何使用这一过程中的副产品,那么企业就没有一个成熟的工艺流程。”Sunliquid 项目的经理说道。此外,就连发酵中剩余的残留木糖和木质素也能过滤出来并作为热电联产设备的燃料。按照这种方法,Sunliquid 工厂可以自给自足地工作运行。含有营养的“酒糟”、水性的流程工艺残留物等都可以当做农作物的肥料使用。

从2012 年开始,Clariant 公司就在巴伐利亚州的Straubing 市运营着一套可以生产1 000 t/a 的测试设备,Frosch 公司生产的自喷灌清洁剂中就使用了这种“生物乙醇”。德国和巴西的试点项目正在测试生物燃料的用途。在Straubing 市,Clariant 公司与梅赛德斯公司组成的联合车队正在尝试20% 的生物乙醇与80% 优质汽油组成的混合燃料,测试车辆连续使用这种燃料的情况。

Clariant 公司认为Sunliquid技术的潜力是非常大的。根据目前的估算,全球每年利用木质纤
维素可以生产出多达7 亿t 的生物乙醇。仅在欧洲每年就有大约2.25 亿t 的农业废弃物,这可以生产出3 670 万t 的生物乙醇,足以满足2030 年预计所需燃料的16% 左右。农业废弃物的利用也许会解决人们对生物燃料的认可问题,使人们接受生物燃料、愿意使用生物燃料。因此,欧盟就为Sunliquid 项目提供了高达数十亿欧元的资金资助。

“将太阳装进储罐”并不是开发人员唯一的目的。Clariant公司已经开始研究从纤维素中提取基本化工原理和生物技术制品的工艺技术了,这是为了满足可持续发展的塑料的要求。同时,Clariant 公司为罗马尼亚展示这一流程工艺技术性能的旗舰项目投入了大约1 亿欧元的资金。将来,Clariant 公司计划将Sunliquid技术作为技术包打包上市。提供的打包方案包括从酶到设备方案
的设计,需要针对每一个用户和原材料单独选用合适的酶和酵母菌株以保证最佳的生物发酵效果。无论是小麦秸秆、木屑还是树叶都能找到最佳的微生物组合和过程控制。“我们的业务是最终有一天销售酶,因为它们就是催化剂。”Rarbach 先生说。

目前,生物乙醇的价格比石油燃料贵,但生物燃料可以有效缓解气候变化带来的不利影响。页岩
气和天然气的火爆以及新发现的深海油田都无法掩盖石油是一种有限资源的事实。如果想在未来更具竞争力,生物燃料或许是个不错的选择。

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