潜力燃料明日之星

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近年来，随着能源问题受到越来越多的重视，生物燃料课题也被提上了各国能源界的议程。其中，生物丁醇被视为21世纪最有潜力的生物燃料。不过，大多数人所不知道的是，生物丁醇曾经有过辉煌的历史，如今的热潮可以说是它的一次“复兴”。

昨日昙花东山再起

丁醇的分子中含有4个碳原子。它无色、有酒气味，不仅是化工行业中重要的原料中间体，也是一种性能优良的液体燃料。目前，丁醇可通过以石油为原料的化学合成和微生物发酵两种方法生产，通过后者获得的丁醇称为生物丁醇。

微生物发酵法制造丁醇的历史最早可追溯到第一次世界大战期间。当时所采用的微生物是产溶剂梭菌。产溶剂梭菌在生长过程中会产生乙醇、丙醇和丁醇，丁醇是其中最主要的一种，占到总量的60%～70%。采用微生物发酵工艺的丁醇产业曾一度是世界第二大的发酵工业。但从20世纪50年代开始，石油工业迅速崛起，石油化学合成法取而代之。在欧洲、北美洲等地逐步停产后，当时只有中国等少数国家仍保有这种工艺。

不料，进入21世纪后，国际石油价格节节攀升，石油的不可再生性成为共识，陆续有权威机构指出世界石油储备量不足以支撑人类进入下一世纪。在这种背景下，微生物发酵工业再次成为了“香饽饽”。诸多国家将越来越多的精力投入到生物燃料开发中，生物丁醇二度兴起。近几年，中国已有多家企业建成或恢复了微生物发酵制备丁醇的生产线。全部投产后，中国生物丁醇年产量将达到百万吨规模。

那么，在多种生物燃料中，科学家因何对生物丁醇青睐有加？

多种优势难以割舍

如今，很多人将生物丁醇称为继生物乙醇后的新一代液体燃料。实际上，在很多方面，生物丁醇相对于生物乙醇具有更大的优势。

首先，生物丁醇能以更高的比例掺入到汽油中供汽车发动机使用。目前，国内许多省市已在试点将乙醇添加到汽油中作为商用液体燃料，但其混入的比例限定在15%以内。而生物丁醇可以在不对汽车发动机进行改造的情况下，以更高的比例添加到汽油中使用。甚至有研究表明，汽车可以使用几乎100%浓度的生物丁醇作为燃料。为了验证其可行性，美国能源部在2005年曾进行了一项完全以生物丁醇作为汽车燃料的实验，实验汽车历时1个月，穿越了10个州，行程16000多千米。结果显示，1升生物丁醇完全可以替代1升汽油。

其次，生物丁醇所含的能量密度比生物乙醇更高，一些关键性能指标也优于生物乙醇。简单来说，前者比后者更“接近”于汽油。因此，采用生物丁醇作为液体燃料可以获得更高的燃油率，即同样的液体燃料用量可以让汽车行驶更远的距离。

再次，生物丁醇比生物乙醇更适用于现有的燃油供应和分销系统。生物丁醇与水的亲和能力差，难溶于水，腐蚀性小，所以可通过管道实现便捷运输。与之相比，必须使用汽车槽车、铁路储罐车或驳船运输的生物乙醇大为不便。

然而，即使有如此多的好处，由于成本等因素的制约，生物丁醇在短时间内依旧无法撼动汽油的统治地位。为了扫平生物丁醇“复兴之路”上的障碍，科学家为此作出了各种努力。

技术复兴成就未来

发展到今天，用于工业生产丁醇的产溶剂梭菌主要有两种。一种是丙酮丁醇梭菌，它可将玉米、小麦等粮食原料转化为丁醇；另一种是拜氏梭菌，用于发酵制糖工业的一种副产品――糖蜜来生产丁醇。基于玉米和小麦的主要粮食作物地位，丙酮丁醇梭菌一度是生物丁醇制造工艺的不二选择。可是，在粮食价格一路走高的国际形势下，开发生物丁醇也受到了不利影响。就中国农产品的种植结构而言，大量使用玉米、薯干、谷物等淀粉质原料来生产丁醇也与国家粮食安全战略不符。要解决这些问题，开发经济性更好的产溶剂梭菌是根本方法。具体的方向主要有两个：拓宽产溶剂梭菌的原料来源和提高产品中的丁醇比例。

对于前者，科学家把目光投向了薯类、菊芋等非粮原料，以及木质纤维原料与合成气。

薯类等非粮原料薯类是淀粉含量很高的农作物，在世界各地均有大量种植，且价格较玉米、小麦等粮食类原料低得多，但薯类原料中除淀粉以外的营养成分（蛋白质等）的含量明显低于玉米，因此需要优化培养基和发酵条件才能实现薯类原料对玉米的完全替代。

木质纤维原料植物纤维中含有大量的纤维素和半纤维素类高聚糖，它们经过处理，可水解为葡萄糖、木糖等单糖，然后能作为原料被微生物用于发酵生产丁醇。可惜的是，受阻于技术问题，木质纤维原料距离真正的产业化利用还有距离。

合成气合成气主要是指由CO、H2、CO2等组成的混合气体。合成气来源广泛，在各种原料拓宽研究中，通过厌氧发酵方法将合成气转化丁醇是最前沿的热点。一般来说，能利用合成气发酵的微生物要么是以CO或CO2为碳源、以氢为能源，要么是以CO为碳源和能源的。但是这些微生物发酵丁醇的产量都很低，无法达到以粮食或植物纤维为原料生产丁醇的水平。为此，科学家动足了脑筋，他们或寻找一些合成气利用效率较高但不能生产丁醇的微生物，在其体内构建生成丁醇的代谢途径；或对天生能利用合成气发酵生产丁醇的微生物进行代谢工程改造，提高其丁醇生产能力。可以预见的是，一旦这一方法取得重大突破，生物丁醇的生产成本将大幅降低。

要想让生物丁醇真正在能源行业中兴起，还要着力于提高发酵终点的丁醇浓度、底物转化效率、生产强度。可以想见，随着科学技术的不断发展，生物丁醇一定会成为人类文明中的一股大潮，势不可挡。

（杨晟顾阳）