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(guò)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(chǎng)驅(qū)動(dòng)方面的近期發(fā)展，重點(diǎn)集中在2023年至2025年間實(shí)現(xiàn)的進(jìn)展。

在玉米乙醇系統(tǒng)中，酶促工藝增強(qiáng)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(shí)加強(qiáng)了酒糟蛋白飼料和生物炭等副產(chǎn)品的市場(chǎng)。碳捕集與封存方面的并行進(jìn)展使得乙醇生產(chǎn)商得以進(jìn)入自愿碳市場(chǎng)，降低了生命周期碳強(qiáng)度并提高了經(jīng)濟(jì)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(kuò)大了運(yùn)營(yíng)窗口并提高了整體資源效率，而遺傳改良技術(shù)的進(jìn)步則加速了產(chǎn)量增長(zhǎng)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(chǎng)中不斷演變的混合法規(guī)與可再生燃料政策的強(qiáng)化。

總的來(lái)說(shuō)，這些變化解釋了全球范圍內(nèi)觀察到的投資與產(chǎn)能擴(kuò)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?xún)?yōu)化的低碳能源載體過(guò)渡。理解這些匯集的驅(qū)動(dòng)因素對(duì)于指導(dǎo)生物燃料系統(tǒng)未來(lái)的研究、工業(yè)部署和政策設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

引言

交通運(yùn)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(lái)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(qiáng)制要求使用的。使用玉米和甘蔗生產(chǎn)乙醇是因?yàn)樗鼈兏缓砂l(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(gè)因素是其種植所需的氣候條件。

生物燃料技術(shù)的最新進(jìn)展包括改進(jìn)的酶、更高產(chǎn)量的作物以及利用作物殘留物來(lái)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(qiáng)該領(lǐng)域的協(xié)作。

盡管取得了這些進(jìn)展，仍然有必要審視和整合生物燃料技術(shù)的最新進(jìn)展，尤其是過(guò)去三年間的進(jìn)展。因此，本綜述重點(diǎn)介紹了在此期間乙醇領(lǐng)域主要的、由可持續(xù)性驅(qū)動(dòng)的技術(shù)創(chuàng)新。理解這些進(jìn)步對(duì)于該領(lǐng)域未來(lái)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(jìn)展

2.1. 酶與工藝增強(qiáng)

過(guò)去三年中，大量努力被導(dǎo)向開(kāi)發(fā)在不擴(kuò)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(gè)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(guò)程中使用，通過(guò)促進(jìn)更高效的植物原料分解來(lái)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(jì)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?yàn)閷?shí)現(xiàn)這些增益不需要額外的機(jī)械或空間。

2.2. 副產(chǎn)品價(jià)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(wú)法跟上步伐。這需要擴(kuò)大原料攝入以支持更高的產(chǎn)量。擴(kuò)張重點(diǎn)集中在乙醇工廠(chǎng)產(chǎn)生的殘留物上，這些工廠(chǎng)開(kāi)始銷(xiāo)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(jià)格并為乙醇生產(chǎn)商帶來(lái)了額外收入。

不僅生物炭?jī)r(jià)格上漲，酒糟蛋白飼料的價(jià)格也上漲了，預(yù)計(jì)從2025年到2030年將增長(zhǎng)7.3%，如圖1所示。

這種價(jià)值增長(zhǎng)可歸因于幾個(gè)因素：政府已開(kāi)始通過(guò)補(bǔ)貼和宣傳活動(dòng)要求并鼓勵(lì)在牲畜營(yíng)養(yǎng)中使用酒糟蛋白飼料。另一個(gè)因素是價(jià)格，估計(jì)比另一種廣泛使用的牲畜飼料大豆低10%至15%。為滿(mǎn)足這一需求，行業(yè)已開(kāi)始投資于機(jī)械升級(jí)，例如現(xiàn)在安裝在蒸餾廠(chǎng)中的去除纖維并提高消化率的分離系統(tǒng)。

2.3. 碳強(qiáng)度降低

蒸餾廠(chǎng)抵消其環(huán)境足跡的一種方法是通過(guò)政府碳信用。這些信用曾因氣體排放而被認(rèn)為是無(wú)法獲得的。然而，在2024年，第一家乙醇工廠(chǎng)自愿進(jìn)入碳市場(chǎng)。Red Trail Energy為未來(lái)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(huì)釋放到大氣中的二氧化碳被捕集。來(lái)自發(fā)酵罐的廢氣被引導(dǎo)至一個(gè)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(guò)一條管道輸送至現(xiàn)場(chǎng)注入井，并被注入到設(shè)施下方約6500英尺（1981.2米）處一個(gè)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(jìn)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(chǎng)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(duì)額外種植面積的需求。第一代生產(chǎn)每年僅運(yùn)行約九到十個(gè)月。納入第二代殘留物使乙醇工廠(chǎng)能夠全年運(yùn)營(yíng)，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(duì)降低未來(lái)工廠(chǎng)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(chóng)害能力以及對(duì)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(shí)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(fèi)。

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(shí)間。

新興趨勢(shì)和市場(chǎng)影響——強(qiáng)制增加乙醇消費(fèi)的法律

越來(lái)越多的國(guó)家、經(jīng)濟(jì)集團(tuán)和州正在向其能源系統(tǒng)開(kāi)放生物燃料。

巴西已批準(zhǔn)一項(xiàng)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(kāi)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(shí)現(xiàn)5.5%的可再生燃料。

在美國(guó)，沒(méi)有強(qiáng)制性的乙醇百分比，盡管諸如豁免之類(lèi)的財(cái)務(wù)法規(guī)會(huì)影響消費(fèi)者行為。從E10向E15過(guò)渡，加上供應(yīng)范圍的擴(kuò)大，進(jìn)一步證明了需求的增長(zhǎng)。

未來(lái)水運(yùn)與航空的需求

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

貨船已開(kāi)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(lái)了額外的處理考量。麻省理工學(xué)院的研究人員也正在開(kāi)發(fā)來(lái)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(dòng)因素外，在航海和航空領(lǐng)域的擴(kuò)展使用還帶來(lái)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(jìn)的存儲(chǔ)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。包括受控混合、自適應(yīng)燃燒調(diào)整和實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(lái)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(yùn)營(yíng)的共同演變。

市場(chǎng)反應(yīng)

生物燃料公司正在積極為未來(lái)增長(zhǎng)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(dá)56億升乙醇。它擁有世界上最大的生物精煉廠(chǎng)，并計(jì)劃進(jìn)一步擴(kuò)張，投資近10億美元進(jìn)行設(shè)施升級(jí)。他們的行動(dòng)顯示了對(duì)該領(lǐng)域未來(lái)的信心。

金融市場(chǎng)越來(lái)越多地將碳強(qiáng)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(jī)會(huì)獲得有利的融資。

市場(chǎng)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(jì)和改進(jìn)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(shì)證實(shí)，生物燃料正在從一種小眾選擇轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)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(guò)產(chǎn)量提高、副產(chǎn)品市場(chǎng)增強(qiáng)和支持性政策取得了明顯進(jìn)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(jià)格仍比大豆價(jià)格低10%-15%，預(yù)計(jì)在2025年至2030年間將上漲7.3%。對(duì)于甘蔗乙醇，第二代工藝現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)全年運(yùn)營(yíng)。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(duì)環(huán)境更負(fù)責(zé)、在經(jīng)濟(jì)上更具競(jìng)爭(zhēng)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(jiàn)解，進(jìn)一步加速向低碳交通的進(jìn)程。這些因素共同解釋了過(guò)去三年在生物燃料領(lǐng)域觀察到的投資增長(zhǎng)。

作者簡(jiǎn)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(guò)25年。他是ASTM、IChemE、AOCS、CMI、STLE、AIC、NLGI、INSTMC、物理學(xué)會(huì)、能源學(xué)會(huì)和皇家化學(xué)學(xué)會(huì)的當(dāng)選會(huì)員。作為ASTM Eagle獎(jiǎng)獲得者，Shah博士最近合編了暢銷(xiāo)書(shū)《燃料與潤(rùn)滑劑手冊(cè)》。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(huì)的會(huì)士。他也是英國(guó)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(yù)。他在多個(gè)咨詢(xún)委員會(huì)任職，并擁有超過(guò)750篇出版物。

Diogo Moscato先生是亞利桑那州立大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)專(zhuān)業(yè)的三年級(jí)學(xué)生。他是一名職業(yè)賽車(chē)手，參加巴西的Copa Truck比賽，之前參加過(guò)NASCAR。他還擔(dān)任Koehler Instrument Company的石油研究實(shí)習(xí)生。

Mathew Stephen Roshan先生是石溪大學(xué)化學(xué)與分子工程專(zhuān)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(chē)隊(duì)的加油與潤(rùn)滑負(fù)責(zé)人。

參考文獻(xiàn)

[1] “Pixbay.” [在線(xiàn)]. 可用: https://pixabay.com/photos/agriculture-artificial-beaker-bio-4402811/

[2] Distiller’s Dried Grains With Solubles (DDGS) Feed Market Size & Share Analysis - Growth Trends and Forecast (2025 - 2030) 來(lái)源: https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/ddgs-feed-market. [在線(xiàn)]. 可用: https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/ddgs-feed-market

[3] In Situ Corn Fiber Conversion for Ethanol Improvement by the Addition of a Novel Lignocellulolytic Enzyme Cocktail. [在線(xiàn)]. 可用: https://www.mdpi.com/2309-608X/8/3/221

[4] Red Trail Energy Is First Ethanol Plant to Enter Voluntary Carbon Markets. [在線(xiàn)]. 可用: https://www.businesswire.com/news/home/20240306717962/en/Red-Trail-Energy-Is-First-Ethanol-Plant-to-Enter-Voluntary-Carbon-Markets

[5] Red Trail Energy is First Ethanol Plant to Enter Voluntary Carbon Markets. [在線(xiàn)]. 可用: https://www.ecoengineers.us/insights/red-trail-energy-is-first-ethanol-plant-to-enter-voluntary-carbon-markets

[6] M. Wróbel-J?drzejewska, ?. Przybysz, E. W?odarczyk, F. Owczarek, and ?. ?ciubak, Carbon Footprint Analysis of Alcohol Production in a Distillery in Three Greenhouse Gas Emission Scopes. [在線(xiàn)]. 可用: https://www.mdpi.com/2071-1050/18/1/57

[7] “Pixbay.” [在線(xiàn)]. 可用: https://pixabay.com/photos/cane-sugar-field-2665662/

[8] Optimization of 2G ethanol production from sugarcane bagasse: Upscaling of soda pretreatment with redox mediator followed by fed-batch enzymatic hydrolysis and co-fermentation. [在線(xiàn)]. 可用: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S019689042401166X#:~:text=Enzymatic%20hydrolysis%20of%20the%20pretreated,economic%20viability%2C%20and%20environmental%20sustainability.

[9] Second generation ethanol in Brazil: Can it compete with electricity production? [在線(xiàn)]. 可用: https://www.researchgate.net/publication/51526700_Second_generation_ethanol_in_Brazil_Can_it_compete_with_electricity_production

[10] Unlocking the potential of sugarcane: Advances in genomic innovation, biorefinery technologies, and stress resilience, and circular bioeconomy. [在線(xiàn)]. 可用: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926669025016267#:~:text=Sugarcane%20genomic%20innovation%20and%20variety%20improvement.%20Sugarcane,primarily%20revolves%20around%20genetic%20transformation%2C%20a%20methodology

[11] Improvement genetic accelerates innovation in the field. [在線(xiàn)]. 可用: https://jornal.unicamp.br/en/edicao/723/melhoramento-genetico-acelera-inovacao-no-campo/

[12] “Law No. 14.993, of October 8, 2024.” Brazilian Gov. [在線(xiàn)]. 可用: https://www.gov.br/mme/pt-br/assuntos/secretarias/petroleo-gas-natural-e-biocombustiveis/combustivel-do-futuro/law-no-14-993-of-october-8-2024

[13] Biofuels. [在線(xiàn)]. 可用: https://energy.ec.europa.eu/topics/renewable-energy/bioenergy/biofuels_en

[14] Ethanol Waivers (E15 and E10). [在線(xiàn)]. 可用: https://www.epa.gov/gasoline-standards/ethanol-waivers-e15-and-e10

[15] “Pixbay.” [在線(xiàn)]. 可用: https://pixabay.com/photos/skiathos-airport-approach-plane-5003984/

[16] Biofuels for the marine shipping sector. [在線(xiàn)]. 可用: https://www.ieabioenergy.com/wp-content/uploads/2018/02/Marine-biofuel-report-final-Oct-2017.pdf

[17] Making aviation fuel from biomass. [在線(xiàn)]. 可用: https://news.mit.edu/2023/making-aviation-fuel-biomass-0823

[18] “Pixbay.” [在線(xiàn)]. 可用: https://pixabay.com/photos/refinery-oil-industry-gas-3613526/

[19] “The world’s largest biorefinery is in SINOP.” [在線(xiàn)]. 可用: https://www.inpasa.com.br/sala-de-imprensa/a-maior-biorrefinaria-de-etanol-de-graos-esta-em-sinop/873440#:~:text=Após%20duas%20ampliações%2C%20em%202024,de%20milho%20de%20segunda%20safra.

[20] “INPASA will make a investment near 3.5 Billion reais in corn ethanol in Mato Grosso (BR).” [在線(xiàn)]. 可用: https://www.novacana.com/noticias/inpasa-fara-investimento-r-3-5-bilhoes-em-etanol-de-milho-mato-grosso-181225