從化石燃料到生物燃料，一場生物能源技術(shù)革命已然到來。

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全球?qū)δ茉吹男枨髣≡觥Ｗ鳛椴豢稍偕Y源，傳統(tǒng)化石燃料日益枯竭難以支撐經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，并且其大量使用導(dǎo)致溫室效應(yīng)和全球氣候變化，當(dāng)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(zhì)資源，能夠?qū)崿F(xiàn)綠色、可持續(xù)循環(huán)，發(fā)展生物燃料對經(jīng)濟(jì)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(jīng)歷經(jīng)數(shù)次迭代，而近年來隨著合成生物學(xué)技術(shù)的不斷成熟更是讓生物燃料的生產(chǎn)方式愈發(fā)多樣化。未來，采用合成生物學(xué)技術(shù)，利用 CO?，結(jié)合太陽能、水能、風(fēng)能和生物質(zhì)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(jìn)展？研發(fā)過程所面臨哪些挑戰(zhàn)以及該如何應(yīng)對？產(chǎn)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(xué)為基礎(chǔ)

根據(jù)使用的原料和合成技術(shù)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(xué)為基礎(chǔ)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(zhì)及萜類物質(zhì)（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(xué)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(jù)全球生物燃料的主導(dǎo)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(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2019 年國內(nèi)生物乙醇的產(chǎn)量已達(dá) 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(zhì)纖維素（比如秸稈、稻殼、甘蔗渣等廢棄農(nóng)作物）為原料，通過水解發(fā)酵或微生物直接轉(zhuǎn)化等進(jìn)行生產(chǎn)，相較第一代更具經(jīng)濟(jì)性、可持續(xù)性，且不與糧食供應(yīng)產(chǎn)生競爭，能夠進(jìn)行更大規(guī)模的量產(chǎn)。第三代生物乙醇則是以微藻為原料進(jìn)行生物煉制，生產(chǎn)過程更為環(huán)保，生產(chǎn)周期短，土地占用少。有研究報道顯示，在產(chǎn)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(chǎn)中業(yè)界使用木質(zhì)纖維素等作為原料，利用代謝工程對大腸桿菌、藍(lán)細(xì)菌等細(xì)胞工廠進(jìn)行改造，實現(xiàn)了生物乙醇的產(chǎn)量進(jìn)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(fēng)能、生物質(zhì)能等），通過合成生物學(xué)、電化學(xué)等技術(shù)，以多種微生物作為細(xì)胞工廠，利用多種類型的底物原料（除了木質(zhì)纖維素、食品廢棄物，還包括 CO?、甲醇、甲烷和合成氣等）進(jìn)行生物煉制生產(chǎn)生物乙醇，實現(xiàn)降本增產(chǎn)。

目前，全球前兩大生物乙醇生產(chǎn)國分別為巴西和美國，兩者約占據(jù)世界產(chǎn)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(chǎn)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(jù)主導(dǎo)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(chǎn)，大力開展以微藻、一碳物質(zhì)等作為原料，結(jié)合新型的生物煉制技術(shù)，進(jìn)一步降低生物乙醇的生產(chǎn)成本并擴(kuò)大產(chǎn)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(jù)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(zhì)的微生物（比如微藻）為原料；在前三代生物柴油的生產(chǎn)中，原料成本較高是限制其大規(guī)模生產(chǎn)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(zhì)，生產(chǎn)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(jīng)利用葡萄糖、木糖、果糖、甘油等原料通過工程微生物生產(chǎn)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(chǎn)量和產(chǎn)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(chǎn)量高達(dá) 33.4 g/L，是迄今為止非天然產(chǎn)油酵母的最高脂肪酸產(chǎn)量；近期有研究報道通過工程改造梭菌 Clostridium acetobutylicum 補(bǔ)料分批發(fā)酵后可使丁醇產(chǎn)量高達(dá) 18.9 g/L；還有研究通過在釀酒酵母中構(gòu)建人工能量合成系統(tǒng)提升葡萄糖到脂肪酸的轉(zhuǎn)化率并使產(chǎn)率達(dá)到 40%。

02 新型生物燃料開發(fā)圍繞 CO? 的固定轉(zhuǎn)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(chǎn)和應(yīng)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(jīng)難以滿足日益增長的大規(guī)模應(yīng)用需求。

為了進(jìn)一步提高產(chǎn)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(xué)技術(shù)對微生物進(jìn)行工程改造（比如構(gòu)建更高效的生物燃料合成途徑），并結(jié)合使用多種可再生能源，將生物質(zhì)、一碳物質(zhì)（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(zhuǎn)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(zhì)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(zhì)，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(jī)，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(biāo)，這也正是當(dāng)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(jìn)行生物燃料的合成是當(dāng)前生物煉制的一大熱門領(lǐng)域，然而，把 CO? 用作底物進(jìn)行生物煉制面臨不小的挑戰(zhàn)，主要是由于 CO? 的轉(zhuǎn)化需要消耗大量能量。相較之下，CO? 還原后的產(chǎn)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(jī)廢物的厭氧消化，甲醇可來自甲烷的氧化，劣質(zhì)煤炭和生物廢料的轉(zhuǎn)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(gòu)建脂肪酸合成途徑可利用甲醇生產(chǎn)脂肪酸，產(chǎn)量達(dá) 23.4 g/L。

解決了底物來源，接下來就是構(gòu)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(chǎn)量，業(yè)界已經(jīng)開發(fā)出多種代謝工程策略，比如利用酶工程、蛋白質(zhì)工程、啟動子工程提高關(guān)鍵酶的活性，通過區(qū)域化表達(dá)產(chǎn)物合成途徑，以及降低產(chǎn)物毒性、切斷副產(chǎn)物生產(chǎn)途徑等。有研究報道，借助適應(yīng)性進(jìn)化解決了中鏈脂肪酸細(xì)胞毒性問題，最終將脂肪酸產(chǎn)量提高了 250 倍。

03 煉化巨頭將生物燃料作為推動轉(zhuǎn)型引擎

近年來，全球生物燃料總產(chǎn)量呈逐年增長趨勢，統(tǒng)計數(shù)據(jù)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(chǎn)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(dá) 20% 以上。

2022 年，美國生物燃料產(chǎn)量達(dá) 2.6 余萬桶，約占全球總產(chǎn)量的 35%，巴西的產(chǎn)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(biāo)，計劃到 2030 年將生物燃料在全國能源結(jié)構(gòu)中的比例提升至 18%，產(chǎn)值預(yù)計屆時將達(dá) 283 億美元。

據(jù)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(yùn)、航空等眾多領(lǐng)域的有效減碳策略。據(jù)國際能源署和國際糧農(nóng)組織統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以生物乙醇為例，自 2008 年以來，美國交通運(yùn)輸行業(yè)按照可再生燃料標(biāo)準(zhǔn)（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(nèi)，2020 年，中國的生物燃料產(chǎn)量超 268 萬噸，約占國內(nèi)石油消費(fèi)總量的 3%，2021 年，生物燃料產(chǎn)量提升至 275 萬噸，同比增長了 25.7%，生物燃料產(chǎn)業(yè)近年來表現(xiàn)出強(qiáng)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(chǎn)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(guān)于擴(kuò)大生物燃料乙醇生產(chǎn)和推廣使用車用乙醇汽油的實施方案》指出，擴(kuò)大生物燃料乙醇生產(chǎn)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(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》明確了包括生物質(zhì)替代應(yīng)用在內(nèi)的四大重點發(fā)展領(lǐng)域。

生物燃料的應(yīng)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(biāo)后，全球煉化巨頭紛紛加速布局生物燃料產(chǎn)業(yè)，并將其視為推動能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵驅(qū)動力之一。

例如，法國能源巨頭道達(dá)爾能源（Total Energies）正加速推進(jìn)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(jìn)軍生物燃料的切入點，值得注意的是，該公司在幾次業(yè)務(wù)重組中都保留了生物燃料業(yè)務(wù)部門，并投入大量資金探索利用不同生物質(zhì)原料生產(chǎn)生物燃料及生物化學(xué)品的新技術(shù)。

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(chǎn)商可再生能源集團(tuán)（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(chǎn)可再生燃料，還承諾到 2050 年實現(xiàn)凈零排放的目標(biāo)；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(zhuǎn)型。

美國阿徹丹尼爾斯米德蘭公司（ADM）和先正達(dá)集團(tuán)合作擴(kuò)大低碳油籽的研究和商業(yè)化生產(chǎn)，滿足全球?qū)ι锶剂虾推渌沙掷m(xù)來源產(chǎn)品日益增長的需求；SGP 生物能源公司在巴拿馬建設(shè)生物精煉廠以生產(chǎn)高級生物燃料等，完全投入運(yùn)營后的生物精煉廠每天可生產(chǎn) 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(dá)克，成為第一家上市的碳捕獲和轉(zhuǎn)化公司，其核心技術(shù)依托于一種名為產(chǎn)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(dāng)?shù)臈l件下將其轉(zhuǎn)化為乙醇。2018 年 LanzaTech 與首鋼集團(tuán)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(chǎn)燃料乙醇超 4700 萬加侖。