“生物燃料”何时能成为用之不竭的可再生资源？

相比于代替石油等传统燃料的第一代、第二代方法，使用光和二氧化碳在农作物中制造生物量，利用生物量萃取固体、液体或气体燃料，第三代将捕捉能量和产生燃料两个系统构建在一个蓝细菌等藻类中，这样完整的生物燃料制造体系可以产生更高效能、更直接的效果。一方面，相对于大多数农作物只有1%的效能，太阳能转化的效能在微藻（microalgae）中可以达到3%；另一方面，蓝细菌等物种可以生长在海洋环境或者废水中，只需要非常简单的营养物质。数据显示，微藻可以制造100000升石油/公顷/年，而第一代二代只能达到1000-6000升/公顷/年。藻类发酵可以产生大约9000升/公顷/年生物乙醇，而玉米则只可以产生大约600升/公顷/年。

图1 植物的光合作用，图源：百度

但大规模的藻类培养仍然在探索中，藻类培养可以在开放的体系例如池塘海洋等，也可以在闭合的体系例如光生物反应器中。前者花费更低但可能有污染风险，闭合体系培养条件更易把控和调整，但花费很高，不适合大规模应用。

如果解决在非光化学淬灭中的光损耗，扩大可利用的光波谱范围，以及解决增大碳固定的效能等问题，成本可以极大降低。目前已有研究针对三个方面提出解决方法：第一，截短藻类中的叶绿素A可以有效提高太阳能到产物的转化效率；第二，由于大多数情况下蓝藻细菌等只能吸收可见光范围内的波长（400-700nm），导致大约50%的的能量被消耗，而有研究发现，当蓝藻细菌生长在远红外光照的条件下时，它会表达一种全新的叶绿素F。当将叶绿素F转入聚球藻时，其光吸收范围增大到了750nm，扩大了可吸收光的范围。第三，RuBisCo与二氧化碳的固定效率密切相关，但由于二氧化碳的亲和性和羧化速率需要平衡，调整RuBisCo较为困难，因此有研究通过调整RuBisCo的底物RuBP增大二氧化碳的固定效能。

图2 叶绿素对应吸收光谱，图源：文献7

人造装置如太阳光电板等，因为捕捉更大范围太阳光谱的能力更强，相对于光合作用能够更有效地利用太阳光，但太阳光电板对能量的储存相比光合作用更难。中和两种方式的优点，利用微生物的生物电化学是一种全新思路，利用电流提供电子，通过自养型微生物完成碳固定和能量储存，能量转换通过电极或电子媒介体完成。有研究通过多种产乙酸菌将二氧化碳转化为醋酸盐以及少部分羟基丁酸，这种体系在阳极模拟光合作用中氧气生成，在阴极模拟二氧化碳转化为带电荷分子，但缺点在于电极表面积增加了大规模生产的难度。另一种方法是利用电子媒介体，将电子从电极传递到细，例如脱硫弧菌产生H2作为氧化还原媒介，存在于阴极和氢化酶中。

图3 电化学固定方法模拟

厌氧细菌消化（AD）可将厨余垃圾转化成含大约50%-75%甲烷和25%-50%二氧化碳的沼气。AD通过细菌的水解作用将高分子量转化为可溶的小分子片段，降解为挥发性脂肪酸，最终被消化为醋酸盐、二氧化碳和氢气。这些分子可以用于产烷生物制造甲烷。这种转化方式需要的费用低，且厨余垃圾包括了碳水化合物、蛋白质和脂肪等易于被细菌消耗，无需更多前处理。另一方面，该转化方式可以避免厨余垃圾填满过程中引起的二氧化碳释放，保护环境。同样地，塑料降解和转化也可以通过一些微生物降解，例如Ideonella sakaiensis可以代谢聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）为伯碳。

图4 不同类型生物燃料的生产方式，图源：文献8

目前，世界各国使用的生物燃料以生物柴油和生物乙醇为主[1]。传统化石燃料以严重的环境污染作为代价，2017年全球温室气体的排放量达334.44亿吨。并且由于传统化石燃料的“不可再生”性，对社会发展造成局限。除此之外，从硫化物含量、燃点和可降解性来看，生物燃料较柴油燃料等传统能源具有优势。

生物燃料可以分为四类：第一类是可以由油基作物、糖类作物等营养类产品生产；第二类是生物燃料由各类纤维植物等非营养产品生产；第三类是生物燃料由藻类生产，与前两种相比，他们可以不与耕地的粮食作物竞争；第四类是生物燃料包含藻类的基因工程[2]。目前，以木制纤维素植物为来源的第二类生物燃料作为世界各地能源部门发展生物燃料的主要目标。尽管近年来我国生物燃料的发展较快，但面临的困难和问题还有很多[3]。

发展生物燃料最关键的瓶颈就是原料的供应少，转换成可使用燃料的成本高。生物乙醇的主要原料为农作物。黑龙江、吉林、河南地区以粮食为原料，广东、广西则以甘蔗为原料。据不完全的统计，以玉米和陈化小麦为原料的乙醇燃料生产成本为8200-8500元/吨，以甘蔗为原料的成本为6300元/吨，以甜高粱为原料的的生产成本为4600元/吨。并且随着粮食价格的上涨，以粮食作为原料的生物燃料已经不具备跨大规模发展的资源条件。但是传统非粮食作物作为乙醇原料的竞争优势也并不明显，导致没有市场优势。对于生物柴油而言，我国的油脂类资源本就匮乏，食用类油脂的进口依存甚至高于原油。对于其他国家而言，油类作物需要大面积种植才能提供一定量的柴油原料。以可食用植物作为原料，会对粮食生产造成压力，还可能引起粮食价格上涨等社会问题。所以，资源的短缺将是制约生物柴油发展的最主要因素。

除此之外，生产工艺的不完备也是制约生物燃料发展的一大因素。纤维素乙醇生产的关键技术一直未能突破，生产过程中的高消耗问题也得不到解决。比如纤维素原料的预处理方法，目前常用的物理法、化学法、物化方法及生物法，我国与国外均存在一定差距。与此同时，生物合成柴油技术与纤维素燃料乙醇生产技术均处于研究阶段，距离工业化生产还有差距。

就目前而言，生物燃料的市场推广还存在问题。生物燃料的生产成本比较高，而且热值与汽油比较不占优势。除此之外，想要更高水平的使用生物燃料，还需要对发动机进行改造。因此，生物燃料市场的推广力度还是很弱的，也需要政府部门的资金补贴才能得到发展。

以微藻为原料生产的生物燃料，相比其他可再生资源，具有很大的优势[4]。藻类培养条件简单，不占耕地，因此生产成本较低，而且具备环境友好，可再生等优点[5]。待以微藻为原料的生物燃料生产技术的进一步发展，它将拥有非常光明的应用场景。

由于现有的市场和技术进步，生物乙醇和生物柴油可能在不久的将来仍然是生物燃料的领跑者，但与汽油和柴油相比，缺乏化学多样性限制了它们的广泛应用。为了合成崭新的、更高效的分子，需要新的生物生产方法，包括复杂的、非自然的生物合成途径。由于合成生物学已经证明了通过精确控制分子结构和功能来传递目标分子的能力，这种多功能性可以转化为未来的生物燃料生产计划。

图5 合成生物学合成生物燃料工程实例[6]

如上所述，有许多可再生、碳中性生物燃料的可能途径。然而，由于缺少对碳征税（燃烧化石燃料产生的二氧化碳）、建设大规模的生物燃料生产设施的高成本、转移农业生产生物能源作物和石油燃料的低成本，发展大力生物燃料任重而道远。幸运的是，许多最初为生产先进生物燃料而创造的技术可以用于生产其他产品，比如本来可以从石油中合成而且利润率较高的产品，或者很难或不可能从石油中合成的产品。随着生产这些产品的方法变得更有效率，当世界各国政府决定将气候变化优先于石油工业时，将很容易将这些收益转化为生物燃料生产。