从化石燃料到生物燃料，一场生物能源技术革命已然到来。

随着经济的快速发展，全球对能源的需求剧增。作为不可再生资源，传统化石燃料日益枯竭难以支撑经济可持续发展，并且其大量使用导致温室效应和全球气候变化，当前迫切需要开发可再生的新型燃料来逐步替代化石燃料。

与化石燃料相比，以生物乙醇、生物柴油为代表的生物燃料（尤其是液体生物燃料，本文主要围绕液体生物燃料展开论述）源于可再生的生物质资源，能够实现绿色、可持续循环，发展生物燃料对经济社会发展和国家安全具有重要意义。

时至今日，生物燃料的发展已经历经数次迭代，而近年来随着合成生物学技术的不断成熟更是让生物燃料的生产方式愈发多样化。未来，采用合成生物学技术，利用 CO₂，结合太阳能、水能、风能和生物质能等可再生能源开发新型生物燃料将是绿色能源的重要途径。

现阶段业界围绕生物燃料的开发取得了哪些新进展？研发过程所面临哪些挑战以及该如何应对？产业层面化工企业对于生物燃料布局又是如何？

01 第四代生物燃料以合成生物学为基础

根据使用的原料和合成技术的迭代，生物燃料的发展可划分为四代，第一代生物燃料主要包括粮食乙醇及粮食柴油，第二代则以纤维素乙醇和生物柴油为代表，第三代主要是微藻燃料，第四代是以合成生物学为基础开发的合成生物燃料。

第一代至第四代生物燃料（来源：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，比如生物高级醇（生物汽油）、聚酮类物质及萜类物质（高密度燃料）等。

以生物乙醇为例，它不仅能够作为可再生和可持续的液体燃料以减少石油消耗，还可以用作化学工业中的各种原材料和溶剂，现阶段生物乙醇仍然占据全球生物燃料的主导地位。

生物乙醇的发展包括四个阶段，第一代粮食乙醇主要是通过含糖类或含淀粉类粮食作物（比如甘蔗、玉米等作物）进行发酵生产。统计数据显示，2019 年国内生物乙醇的产量已达 2841 万吨，其原料主要包括玉米、木薯和陈化粮等。

第二代纤维素乙醇使用木质纤维素（比如秸秆、稻壳、甘蔗渣等废弃农作物）为原料，通过水解发酵或微生物直接转化等进行生产，相较第一代更具经济性、可持续性，且不与粮食供应产生竞争，能够进行更大规模的量产。第三代生物乙醇则是以微藻为原料进行生物炼制，生产过程更为环保，生产周期短，土地占用少。有研究报道显示，在产率方面，微藻乙醇要明显高于前两代生物乙醇。

如今在第四代生物乙醇的生产中业界使用木质纤维素等作为原料，利用代谢工程对大肠杆菌、蓝细菌等细胞工厂进行改造，实现了生物乙醇的产量进一步提升。具体而言，第四代生物乙醇通过综合利用可再生能源（比如太阳能、水能、风能、生物质能等），通过合成生物学、电化学等技术，以多种微生物作为细胞工厂，利用多种类型的底物原料（除了木质纤维素、食品废弃物，还包括 CO₂、甲醇、甲烷和合成气等）进行生物炼制生产生物乙醇，实现降本增产。

目前，全球前两大生物乙醇生产国分别为巴西和美国，两者约占据世界产量的 84%，其中，巴西以甘蔗作为主要原料，是世界上少数可以低成本生产乙醇的国家之一；美国前期以玉米作为主要原料，而后开始着力发展第二代生物乙醇并逐渐占据主导地位，此外，美国和欧盟等都正在加速布局第三代及第四代生物乙醇的生产，大力开展以微藻、一碳物质等作为原料，结合新型的生物炼制技术，进一步降低生物乙醇的生产成本并扩大产能。

生物柴油是一种来源于植物油或动物脂肪中的单烷基酯混合物，由于具有较低的碳排放量，燃烧性能更好，是一种极具前景的新型绿色能源。根据其使用的原料不同，生物柴油的发展与生物乙醇类似也分为四代，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）；第二代主要使用地沟油、工业废弃油、富含油脂的植物等；第三代以富含脂类物质的微生物（比如微藻）为原料；在前三代生物柴油的生产中，原料成本较高是限制其大规模生产的主要挑战。相较之下，第四代生物柴油在原料的选择上更为丰富，比如可以是 CO₂、甲醇、甲酸等一碳物质，生产方式更加环保且可持续。

基于工程微生物合成生物燃料（来源：Synthetic Biology Journal）

除了生物乙醇、生物柴油，业界也在探索开发燃烧值更高、凝固点更低、稳定性更好的新型生物燃料以满足各行各业的不同需求。现阶段，研究人员已经利用葡萄糖、木糖、果糖、甘油等原料通过工程微生物生产生物燃料（比如生物高级醇、萜类化合物、脂肪酸及其衍生物等），其中不乏大量研究通过改造微生物、优化合成途径等实现了更高的产量和产量。

比如，此前曾有报道工程改造后的酿酒酵母利用葡萄糖合成脂肪酸的产量高达 33.4 g/L，是迄今为止非天然产油酵母的最高脂肪酸产量；近期有研究报道通过工程改造梭菌 Clostridium acetobutylicum 补料分批发酵后可使丁醇产量高达 18.9 g/L；还有研究通过在酿酒酵母中构建人工能量合成系统提升葡萄糖到脂肪酸的转化率并使产率达到 40%。

02 新型生物燃料开发围绕 CO₂ 的固定转化

就目前而言，业界围绕前三代生物燃料的研究较为深入，并且也已实现广泛的生产和应用。作为使用最为广泛的生物燃料（包括生物乙醇、生物柴油等），传统的生物合成方式已经难以满足日益增长的大规模应用需求。

为了进一步提高产量、降低成本，第四代生物燃料的开发通过借助合成生物学技术对微生物进行工程改造（比如构建更高效的生物燃料合成途径），并结合使用多种可再生能源，将生物质、一碳物质（具有单个碳原子的化合物，比如 CO₂、甲烷等温室气体、甲酸、甲醇等）等转化为多种新型生物燃料，比如与汽油、柴油、高密度航空用油性质类似具有不同碳链长度、不同碳饱和度的化合物。

底物方面，之所以选择一碳物质，主要是由于它们来源广泛、价格低廉，将其作为底物合成生物燃料，不但可以缓解化石燃料短缺危机，还可以解决温室气体排放带来的环境污染，助力“双碳”目标，这也正是当前全球新型生物能源的研究热点。

一碳底物合成生物燃料途径（来源：Synthetic Biology Journal）

目前，如何高效利用 CO₂ 进行生物燃料的合成是当前生物炼制的一大热门领域，然而，把 CO₂ 用作底物进行生物炼制面临不小的挑战，主要是由于 CO₂ 的转化需要消耗大量能量。相较之下，CO₂ 还原后的产物，比如甲烷、甲醇等本身就带有能量从而避免了耗能高的难题。

甲烷不仅是天然气的主要成分，也可来自垃圾等有机废物的厌氧消化，甲醇可来自甲烷的氧化，劣质煤炭和生物废料的转化等方式，甲烷和甲醇的来源丰富且均具有较高能量，是作为底物合成生物燃料的有效策略。比如，有研究报道，在毕赤酵母中构建脂肪酸合成途径可利用甲醇生产脂肪酸，产量达 23.4 g/L。

解决了底物来源，接下来就是构建高效合成途径，其大体可分为酮酸途径、类异戊二烯途径、辅酶 A 依赖的逆 β 氧化途径、脂肪酸生物合成途径，以及聚酮生物合成途径等。

为了提高生物燃料的产量，业界已经开发出多种代谢工程策略，比如利用酶工程、蛋白质工程、启动子工程提高关键酶的活性，通过区域化表达产物合成途径，以及降低产物毒性、切断副产物生产途径等。有研究报道，借助适应性进化解决了中链脂肪酸细胞毒性问题，最终将脂肪酸产量提高了 250 倍。

03 炼化巨头将生物燃料作为推动转型引擎

近年来，全球生物燃料总产量呈逐年增长趋势，统计数据显示已从 2017 年的 5.45 亿桶增长至 2022 年的 7.62 亿桶。不同国家和地区产量增长存在差异，其中，美国、巴西，以及一些欧洲国家增量排名靠前，近几年来美国、巴西的生物燃料年均增量达 20% 以上。

2022 年，美国生物燃料产量达 2.6 余万桶，约占全球总产量的 35%，巴西的产量和占比分别为 1.5 万桶和 20%。此外，巴西还在其颁布的《国家生物燃料发展规划》中制定目标，计划到 2030 年将生物燃料在全国能源结构中的比例提升至 18%，产值预计届时将达 283 亿美元。

据测算，生物燃料的 CO₂ 排放量仅为传统化石燃料的一半，是交通、航运、航空等众多领域的有效减碳策略。据国际能源署和国际粮农组织统计数据，以生物乙醇为例，自 2008 年以来，美国交通运输行业按照可再生燃料标准（RFS）的规定使用乙醇或其他生物燃料已减少了 9.8 亿吨的温室气体排放，仅在 2021 年间通过使用生物乙醇就减少了 5450 万吨的温室气体排放。

放眼国内，2020 年，中国的生物燃料产量超 268 万吨，约占国内石油消费总量的 3%，2021 年，生物燃料产量提升至 275 万吨，同比增长了 25.7%，生物燃料产业近年来表现出强劲的发展势头。

政策方面，2006 年实施的《可再生能源法》明确国家鼓励生产和利用液体生物燃料；2017 年，国家发展改革委、国家能源局等 15 部门联合印发的《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》指出，扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油；2022 年实施的《“十四五”现代能源体系规划》要求大力发展生物柴油等非粮生物燃料，同年，国家发改委印发的《“十四五”生物经济发展规划》明确了包括生物质替代应用在内的四大重点发展领域。

生物燃料的应用可摆脱对传统石化资源的依赖，并且其兼具可持续和环境友好属性，随着一系列鼓励政策的颁布，尤其自世界各国提出“碳中和”气候目标后，全球炼化巨头纷纷加速布局生物燃料产业，并将其视为推动能源转型的关键驱动力之一。

例如，法国能源巨头道达尔能源（Total Energies）正加速推进以微藻类生物为原料的第三代生物燃料的研发；无独有偶，美国埃克森美孚也曾将基于微藻原料的第三代生物燃料作为公司进军生物燃料的切入点，值得注意的是，该公司在几次业务重组中都保留了生物燃料业务部门，并投入大量资金探索利用不同生物质原料生产生物燃料及生物化学品的新技术。

美国油气巨头雪佛龙于 2022 年斥资 31.5 亿美元收购美国生物柴油生产商可再生能源集团（REG），此前该公司曾表示投资 100 亿美元以减少到 2028 年的碳排放，其中 30 亿美元用于生产可再生燃料，还承诺到 2050 年实现净零排放的目标；同年，壳牌全资子公司壳牌石油公司以 20 亿美元收购丹麦 Nature Energy 公司以加快新能源转型。

美国阿彻丹尼尔斯米德兰公司（ADM）和先正达集团合作扩大低碳油籽的研究和商业化生产，满足全球对生物燃料和其他可持续来源产品日益增长的需求；SGP 生物能源公司在巴拿马建设生物精炼厂以生产高级生物燃料等，完全投入运营后的生物精炼厂每天可生产 18 万桶生物燃料，该生物燃料精炼工厂还声称拥有最低的碳足迹。

2023 年，LanzaTech 以 SPAC 方式正式登陆纳斯达克，成为第一家上市的碳捕获和转化公司，其核心技术依托于一种名为产乙醇梭菌（Clostridium autoethanogenum）的自养微生物，可以同时发酵 CO 和 CO₂ 并在适当的条件下将其转化为乙醇。2018 年 LanzaTech 与首钢集团京唐钢铁厂合作在中国建立了世界上第一座商业废气乙醇工厂，随后又在中国建立了两大商业废弃乙醇工厂，总共年产燃料乙醇超 4700 万加仑。