先進生物燃料怎麼了？

艾姆斯堡，愛荷華州——自由專案工廠是一項耗資數億美元的努力，旨在使汽車乙醇能夠克服食物與燃料之爭、農民的抵制以及最終的化石燃料等障礙。它也是乙醇生產公司 POET 的創始人兼執行董事長傑夫·布羅因 16 年旅程的成果——這段旅程始於南達科他州蘇格蘭的一個試驗工廠，並透過美國能源部 (DoE) 提供的 1.05 億美元撥款逐步發展。

政府投資是因為希望這種先進的生物燃料能夠減少車輛排放的全球變暖汙染物，與汽油相比。而且，用玉米植物不可食用的部分製造乙醇可能比使用玉米粒中可食用的澱粉更好，因為這些澱粉可以作為食品或動物飼料。“我們每天加工約 770 噸玉米秸稈——基本上是玉米田的殘餘物——製成乙醇，”布羅因在參觀 POET 新的自由專案工廠時告訴我，該工廠用纖維素生產乙醇，並且毗鄰一家傳統工廠，該工廠用玉米粒中的澱粉生產燃料。“[這是]世界上首批這樣做的工廠之一，所以我們非常興奮。”

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從玉米秸稈中製造燃料的能力是自該工廠於 2014 年 9 月正式開業以來近兩年不斷改進的結果。自由專案是美國為打破石油對運輸燃料的壟斷，轉而支援國內種植的生物燃料而做出的努力的頂峰之一。最近，美國國會根據 可再生燃料標準聯邦計劃的條款，強制規定美國車輛使用的燃料中必須有一定比例來自生物燃料，該計劃於 2005 年生效，旨在強制生物燃料的開發。RFS 特別關注非食品生物燃料，因為傳統的玉米乙醇來自可以用作食品或動物飼料的澱粉。人們最大的希望是使用纖維素（玉米葉、秸稈、玉米皮和玉米芯中不可食用的植物纖維）製造更清潔、更環保的乙醇。

為了使自由專案啟動並執行，POET 及其荷蘭合作伙伴帝斯曼已經至少投資了 2.75 億美元，其中包括能源部和愛荷華州的撥款。假設現在問題已經解決，該工廠每年可以使用約 26 萬公噸玉米植物的非食用部分，生產多達 9500 萬升纖維素乙醇。在新工廠周圍已經堆滿了成捆的秸稈，等待被工業過程消耗——而不是被蘑菇消耗。

自由專案基本上將真菌生長和其他腐爛過程自然完成的過程工業化，以釋放綠色植物儲存的太陽能。玉米秸稈首先從捆包中取出並切碎。

然後將玉米葉條和玉米芯塊浸泡在硫酸中，開始將它們分解成纖維。酶——從其活體宿主中釋放出來進行工業工作的生物蛋白質——進一步侵蝕這些纖維，然後對產生的酸湯進行處理以去除水分。

然後，這種看起來像泥漿的糊狀物進入巨型發酵罐，在那裡，特殊的酵母會吃掉其中的糖分以產生乙醇。

此時，泥漿中仍然含有殘留的纖維，特別是木質素——這種堅韌的纖維使玉米秸稈或樹木能夠直立，並在活著時抵抗腐爛——在被壓制成類似煤炭的餅狀物後，成為該工廠鍋爐的工業燃料。

剩下的殘餘物被送入美國最大的生物消化器之一——可以容納約 400 萬升殘餘物進行厭氧消化的反應器——以產生甲烷，工廠可以利用甲烷發電，從而消除對天然氣燃料的需求。這有助於減少溫室氣體汙染，工廠的主要產品也是如此——一種從植物材料發酵而來的燃料，這種植物材料在生長過程中從空中吸收了二氧化碳。燃燒纖維素乙醇作為燃料可能只會產生燃燒汽油所產生的二氧化碳排放量的 10%。

使這一切奏效的一個重要秘訣是先進的生物燃料精煉廠的位置緊挨著一家傳統的玉米乙醇工廠，該工廠用玉米粒中的澱粉製造乙醇。該工廠的規模大約是其纖維素燃料鄰居的一半，建造和執行成本不到後者的一半，但生產的乙醇卻是後者的兩倍。它可以利用纖維素工廠剩餘的木質素和生物消化甲烷作為蒸餾和其他工藝的燃料。“我們實際上可以關閉澱粉工廠的天然氣閥門，”布羅因指出。

在美國的農田和其他地方，有大量的纖維素殘留物，不僅有玉米秸稈，還有其他能源作物，如柳枝稷，以及木材廢料和農業殘餘物，如麥秸。美國能源部估計，每年大約有 9 億公噸此類材料可用——這是一種可再生資源，可以生產約 3000 億升乙醇。而且附近有很多傳統的乙醇工廠可以選址——根據美國能源部最新資料，幾乎有200 家——而這僅僅是在美國。“我們看到了在世界各地建造這些工廠的機會，”布羅因說。

POET 並非孤軍奮戰。農化巨頭杜邦公司去年 10 月在愛荷華州內華達州開設了自己的纖維素生物煉油廠，毗鄰一家傳統的澱粉燃料工廠，它最終應該能夠每年生產約 1.15 億升纖維素乙醇。“你知道，這一天已經很久了，但我們很自豪它終於到來了，”愛荷華州州長特里·布蘭斯塔德去年 10 月 30 日在新杜邦工廠的開幕式上說，該工廠仍未滿負荷運轉。

“將生產 3000 萬加侖生物燃料，而無需消耗額外的玉米，”長期以來一直是乙醇支持者的美國參議員查克·格拉斯利補充道，他是 RFS 的架構師之一。“你們在這裡實現了國會的期望：更清潔、更環保、更高效的新型生物燃料。”

但杜邦公司新工廠的開業也導致了杜邦公司在田納西州的另一家纖維素煉油廠的關閉。“杜邦仍然致力於纖維素生物燃料的商業化，並將將其資源集中在愛荷華州的工廠上，”杜邦公司先進生物燃料全球業務總監 Jan Koninckx 在一封電子郵件宣告中告訴《大眾科學》。

纖維素燃料的主要障礙似乎是經濟性。2012 年 4 月，南達科他州的藍色糖業公司生產了第一批合格的纖維素乙醇，略多於 75,500 升，然後迅速倒閉。2013 年沒有生產纖維素乙醇，但到去年——在幾家能源部支援的工廠上線後——美國環境保護署（RFS 的管理者）的資料顯示，所有五家生物煉油廠總共生產了 830 萬升纖維素乙醇。西班牙跨國公司阿本戈亞的纖維素乙醇工廠於 2014 年在堪薩斯州休戈頓開業，但由於技術問題以及阿本戈亞的破產，目前處於閒置狀態。該工廠消耗了 1.32 億美元的貸款擔保以及能源部提供的 9700 萬美元的撥款，然後陷入停頓。

簡而言之，纖維素乙醇的製造成本高於玉米澱粉或甘蔗發酵的乙醇，甘蔗是世界第二大燃料乙醇來源。“這裡的一切都很昂貴，因為這是首創，”布羅因說。“下一家工廠會便宜得多。”

在更基本的層面上，在工業設施中輸送纖維和汙泥很難做到不出故障。玉米秸稈運抵 POET 的纖維素工廠時，其中混合的沙子和礫石比工程師預期的多三到四倍，這些砂礫嚴重破壞了泵、閥門和其他裝置。

“我們實際上進行了數百次小的工藝變更”，包括在玉米秸稈從捆包中取出後對其進行徹底清洗，布羅因說。還進行了一些並非不小的工藝變更，例如使用大型起重機撕開建築物以更換裝置。

但布羅因指出，在玉米乙醇幾十年來的發展過程中，玉米乙醇也面臨著同樣的困難。現在，自由專案肯定正在大量生產纖維素乙醇。“我們正在運輸纖維素乙醇，”布羅因說。“我們正在裝滿鐵路貨車。”

這很好，因為 環保署現在要求根據 RFS 的條款，2017 年纖維素生物燃料的產量接近 12 億升。這仍然遠低於格拉斯利等立法者認為纖維素乙醇現在應該達到的水平——早在 2007 年，他們就設定了每年約 110 億升的目標。當這一目標未能實現時，環保署強制規定 2015 年至少生產 4.65 億升纖維素生物燃料，但最終只有 830 萬升混合到該國的燃料供應中。因此，剩餘的近 570 億升乙醇燃料來自玉米粒，並帶有相關的擔憂，即工業化農業實踐、水汙染以及對食品價格的影響。

“關於乙醇的一切都是好的，沒有什麼是壞的。它對農業有利，對環境有利，對農村社群的經濟發展有利，”格拉斯利在 10 月份杜邦公司開業典禮上告訴《大眾科學》。“我們將證明我們可以永遠生產食物和燃料。我們不需要擔心在食物和燃料之間做出選擇。”

纖維素生物煉油廠與澱粉基乙醇工廠的結合可能在經濟上更有效，但如果目標是減少玉米乙醇的產量，那麼它就會失敗。纖維素乙醇可能只是補充玉米乙醇，而不是取代它。

無論如何，乙醇行業的雄心遠不止自由專案及其同行，甚至遠不止數百家傳統乙醇燃料工廠：布羅因表示，該行業希望有一天每年生產約 5700 億升，其中包括纖維素的主要貢獻。“我們希望取代的市場很大——那就是整個汽油市場，”布羅因說。“我們可以透過發展擺脫對化石燃料的依賴，但人們就是不明白這一點。”

要了解更多關於乙醇（纖維素乙醇和其他乙醇）的資訊，請於今年秋季收看 PBS 電視臺由 David Biello 主持的《乙醇效應》節目。