快速的政策轉(zhuǎn)變、可持續(xù)性目標(biāo)及工藝層面的創(chuàng)新已在過去三年從根本上重塑了全球生物燃料格局。

本綜述審視了基于玉米和甘蔗的乙醇生產(chǎn)在技術(shù)、監(jiān)管及市場驅(qū)動方面的近期發(fā)展，重點集中在2023年至2025年間實現(xiàn)的進展。

在玉米乙醇系統(tǒng)中，酶促工藝增強提高了淀粉和纖維的轉(zhuǎn)化效率，從而在不增加土地用量的情況下增加了乙醇產(chǎn)量，同時加強了酒糟蛋白飼料和生物炭等副產(chǎn)品的市場。碳捕集與封存方面的并行進展使得乙醇生產(chǎn)商得以進入自愿碳市場，降低了生命周期碳強度并提高了經(jīng)濟韌性。

在甘蔗乙醇方面，利用農(nóng)業(yè)殘留物的第二代（2G）生產(chǎn)路徑的整合擴大了運營窗口并提高了整體資源效率，而遺傳改良技術(shù)的進步則加速了產(chǎn)量增長和氣候適應(yīng)性。

這些技術(shù)發(fā)展得到了包括巴西、歐盟以及新興的航空和船用燃料領(lǐng)域在內(nèi)的主要市場中不斷演變的混合法規(guī)與可再生燃料政策的強化。

總的來說，這些變化解釋了全球范圍內(nèi)觀察到的投資與產(chǎn)能擴張激增的現(xiàn)象，并標(biāo)志著乙醇正從一種合規(guī)燃料向一種戰(zhàn)略優(yōu)化的低碳能源載體過渡。理解這些匯集的驅(qū)動因素對于指導(dǎo)生物燃料系統(tǒng)未來的研究、工業(yè)部署和政策設(shè)計至關(guān)重要。

引言

交通運輸行業(yè)產(chǎn)生大量的溫室氣體排放，例如二氧化碳和甲烷。這些氣體吸收并重新發(fā)射紅外輻射，將熱量滯留在大氣中，導(dǎo)致全球變暖和氣候變化。因此，可再生且環(huán)境可持續(xù)的燃料變得越來越重要。

乙醇，源自玉米和甘蔗，已在全球燃料工業(yè)中得到廣泛使用，并且在某些情況下是強制要求使用的。使用玉米和甘蔗生產(chǎn)乙醇是因為它們富含可發(fā)酵碳水化合物并且擁有成熟的生產(chǎn)方法。限制甘蔗產(chǎn)業(yè)在全球發(fā)展的一個因素是其種植所需的氣候條件。

生物燃料技術(shù)的最新進展包括改進的酶、更高產(chǎn)量的作物以及利用作物殘留物來提高產(chǎn)量的工藝。這些發(fā)展，連同可再生能源和碳減排的努力，正在加強該領(lǐng)域的協(xié)作。

盡管取得了這些進展，仍然有必要審視和整合生物燃料技術(shù)的最新進展，尤其是過去三年間的進展。因此，本綜述重點介紹了在此期間乙醇領(lǐng)域主要的、由可持續(xù)性驅(qū)動的技術(shù)創(chuàng)新。理解這些進步對于該領(lǐng)域未來的研究、全球可持續(xù)性以及工業(yè)優(yōu)化至關(guān)重要。

玉米基乙醇的進展

2.1. 酶與工藝增強

過去三年中，大量努力被導(dǎo)向開發(fā)在不擴大土地用量的情況下提高產(chǎn)量的技術(shù)。酶技術(shù)是一個關(guān)鍵的解決方案：特定的酶現(xiàn)在直接應(yīng)用于作物或在加工過程中使用，通過促進更高效的植物原料分解來提高酒糟蛋白飼料和乙醇的產(chǎn)量，如表1所示。該技術(shù)估計能將乙醇總產(chǎn)量提高10%。至關(guān)重要的是，這些酶只需要資金投入，因為實現(xiàn)這些增益不需要額外的機械或空間。

2.2. 副產(chǎn)品價值化

隨著用于碳移除技術(shù)的生物炭生產(chǎn)的興起，供應(yīng)鏈無法跟上步伐。這需要擴大原料攝入以支持更高的產(chǎn)量。擴張重點集中在乙醇工廠產(chǎn)生的殘留物上，這些工廠開始銷售這些材料。即使將乙醇生產(chǎn)的“廢棄物”用于生物炭生產(chǎn)，到2024年，大約62%的供應(yīng)量已經(jīng)售出，另有28%預(yù)留給2026年。這提高了價格并為乙醇生產(chǎn)商帶來了額外收入。

不僅生物炭價格上漲，酒糟蛋白飼料的價格也上漲了，預(yù)計從2025年到2030年將增長7.3%，如圖1所示。

這種價值增長可歸因于幾個因素：政府已開始通過補貼和宣傳活動要求并鼓勵在牲畜營養(yǎng)中使用酒糟蛋白飼料。另一個因素是價格，估計比另一種廣泛使用的牲畜飼料大豆低10%至15%。為滿足這一需求，行業(yè)已開始投資于機械升級，例如現(xiàn)在安裝在蒸餾廠中的去除纖維并提高消化率的分離系統(tǒng)。

2.3. 碳強度降低

蒸餾廠抵消其環(huán)境足跡的一種方法是通過政府碳信用。這些信用曾因氣體排放而被認為是無法獲得的。然而，在2024年，第一家乙醇工廠自愿進入碳市場。Red Trail Energy為未來的設(shè)施奠定了基礎(chǔ)。

在玉米乙醇生產(chǎn)中，酵母發(fā)酵玉米淀粉，產(chǎn)生乙醇、固體和一股高純度二氧化碳流作為副產(chǎn)品。原本會釋放到大氣中的二氧化碳被捕集。來自發(fā)酵罐的廢氣被引導(dǎo)至一個捕集設(shè)施，在那里被凈化、壓縮成液態(tài)并脫水去除雜質(zhì)。液化后的二氧化碳隨后通過一條管道輸送至現(xiàn)場注入井，并被注入到設(shè)施下方約6500英尺（1981.2米）處一個安全的砂巖層——Broom Creek地層，旨在被永久封存在那里。

甘蔗基乙醇的進展

3.1. 第二代甘蔗

將第二代生產(chǎn)設(shè)施與現(xiàn)有的第一代工廠整合涉及使用甘蔗殘留物，包括甘蔗葉子、蔗渣、酒糟和濾泥。這些殘留物在第一代工藝中未得到充分利用。使用甘蔗蔗渣還減少了對額外種植面積的需求。第一代生產(chǎn)每年僅運行約九到十個月。納入第二代殘留物使乙醇工廠能夠全年運營，從而提高了效率。

在巴西的投資也在密切關(guān)注利用蔗渣發(fā)電的研究，如表3所示。這可能對降低未來工廠成本至關(guān)重要。

3.2. 遺傳改良

轉(zhuǎn)基因甘蔗性狀旨在提高產(chǎn)量、抗蟲害能力以及對新氣候的適應(yīng)性。諸如基于CRISPR的育種和標(biāo)記輔助選擇等方法有助于改良性狀，同時最大限度地減少意外后果。

傳統(tǒng)育種可能需要15到17年，并且需要大量的植物材料，其中許多由于遺傳或育種失敗而被浪費。

利用現(xiàn)代技術(shù)，研究人員可以直接修改植物的遺傳密碼，減少獲得所需甘蔗性狀所需的時間。

新興趨勢和市場影響——強制增加乙醇消費的法律

越來越多的國家、經(jīng)濟集團和州正在向其能源系統(tǒng)開放生物燃料。

巴西已批準(zhǔn)一項法律，將汽油中的乙醇含量從27.5%提高到35%。生物柴油從15%上升到25%。最顯著的變化發(fā)生在航空領(lǐng)域，從2027年開始混合1%，到2037年上升到10%，之后每年增加1%。

在歐洲，歐盟正在最終確定其乙醇混合政策，目標(biāo)是到2030年實現(xiàn)5.5%的可再生燃料。

在美國，沒有強制性的乙醇百分比，盡管諸如豁免之類的財務(wù)法規(guī)會影響消費者行為。從E10向E15過渡，加上供應(yīng)范圍的擴大，進一步證明了需求的增長。

未來水運與航空的需求

生物燃料通常用于陸地運輸，但在航空和海運領(lǐng)域使用較少。這種情況正在開始改變。

貨船已開始在船上混合生物柴油，改善了燃料特性和可用性。乙醇較高的水溶性帶來了額外的處理考量。麻省理工學(xué)院的研究人員也正在開發(fā)來自生物質(zhì)的航空燃料，為更廣泛的生物燃料應(yīng)用創(chuàng)造了另一條途徑。

除了監(jiān)管驅(qū)動因素外，在航海和航空領(lǐng)域的擴展使用還帶來了與燃料處理、濕度控制和排放相關(guān)的挑戰(zhàn)。乙醇基燃料比石油燃料更具吸濕性，需要改進的存儲和監(jiān)測系統(tǒng)。包括受控混合、自適應(yīng)燃燒調(diào)整和實時質(zhì)量監(jiān)測在內(nèi)的綜合燃料管理策略將支持安全有效的使用。

這些發(fā)展表明，未來的生物燃料部署不僅取決于化學(xué)，還取決于基礎(chǔ)設(shè)施和運營的共同演變。

市場反應(yīng)

生物燃料公司正在積極為未來增長定位。INPASA，拉丁美洲最大的生物精煉公司，目前每年生產(chǎn)高達56億升乙醇。它擁有世界上最大的生物精煉廠，并計劃進一步擴張，投資近10億美元進行設(shè)施升級。他們的行動顯示了對該領(lǐng)域未來的信心。

金融市場越來越多地將碳強度和監(jiān)管一致性納入投資決策考量。能夠證明減排和副產(chǎn)品整合的生產(chǎn)商更有機會獲得有利的融資。

市場正在向規(guī)模和整合方向轉(zhuǎn)變，大型設(shè)施受益于規(guī)模經(jīng)濟和改進的物流。隨著整合的繼續(xù)，標(biāo)準(zhǔn)化和透明度有望提高。

這些趨勢證實，生物燃料正在從一種小眾選擇轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€成熟的全球能源系統(tǒng)組成部分。

結(jié)論

在2023年至2025年間，基于玉米和甘蔗的乙醇領(lǐng)域通過產(chǎn)量提高、副產(chǎn)品市場增強和支持性政策取得了明顯進展。酶技術(shù)已將乙醇產(chǎn)量提高了約10%。生物炭占2024年供應(yīng)量的62%，其中28%已預(yù)留給2026年。酒糟蛋白飼料價格仍比大豆價格低10%-15%，預(yù)計在2025年至2030年間將上漲7.3%。對于甘蔗乙醇，第二代工藝現(xiàn)已實現(xiàn)全年運營。政策變化，包括巴西提高乙醇混合比例和歐盟的可再生燃料目標(biāo)，表明了采用率的上升。

這些發(fā)展表明，該領(lǐng)域正變得更高效、對環(huán)境更負責(zé)、在經(jīng)濟上更具競爭力。研究人員、政策制定者和行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者可以利用這些見解，進一步加速向低碳交通的進程。這些因素共同解釋了過去三年在生物燃料領(lǐng)域觀察到的投資增長。

作者簡介：Dr Raj Shah, Diogo Moscato 與 Mathew Stephen Roshan

Dr Raj Shah是紐約Koehler Instrument Company的董事，他已在該公司工作超過25年。他是ASTM、IChemE、AOCS、CMI、STLE、AIC、NLGI、INSTMC、物理學(xué)會、能源學(xué)會和皇家化學(xué)學(xué)會的當(dāng)選會員。作為ASTM Eagle獎獲得者，Shah博士最近合編了暢銷書《燃料與潤滑劑手冊》。他在賓夕法尼亞州立大學(xué)獲得博士學(xué)位，并且是倫敦特許管理學(xué)會的會士。他也是英國的特許科學(xué)家、特許石油工程師和特許工程師。他被Tau Beta Pi授予“杰出工程師”榮譽。他在多個咨詢委員會任職，并擁有超過750篇出版物。

Diogo Moscato先生是亞利桑那州立大學(xué)計算機科學(xué)專業(yè)的三年級學(xué)生。他是一名職業(yè)賽車手，參加巴西的Copa Truck比賽，之前參加過NASCAR。他還擔(dān)任Koehler Instrument Company的石油研究實習(xí)生。

Mathew Stephen Roshan先生是石溪大學(xué)化學(xué)與分子工程專業(yè)的本科生。他從事可持續(xù)能源系統(tǒng)研究，并擔(dān)任石溪大學(xué)Formula SAE車隊的加油與潤滑負責(zé)人。

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