今年上半年以来，全球粮价上涨让“人车争粮”的生物燃料生产模式广受诟病。而甘蔗、油菜及其他可用于制取生物燃料的作物，要么仍需占用大量耕地，要么加工工艺尚不成熟。在此背景下，业界的目光开始转向更为丰富的原料来源——大量存在于植物茎叶中的纤维素。
作为目前全面替代化石燃油的最大希望，纤维素生物燃料已成为第二代生物燃料研发中的焦点。那么，这一前途广阔的领域目前进展如何，距离实用生产还存在哪些困难？
解开能量“封印”，工艺复杂
“这两年来，纤维素生物燃料的技术研发取得了许多突破，国外已经有了一些小规模的投产尝试。”中国科学院青岛生物能源与过程研究所（筹）生物能源资源中心主任、研究员徐健在近日举办的中国科学院生物能源与过程学术研讨会上说，“总体来看，目前这个领域还是以实验室阶段为主，尚未具备商业化的条件”。
作为构建植物身体的主要成分，纤维素是把光合作用吸收的碳“封印”储存的形式，分子结构稳定。比起用于制取第一代生物燃料的淀粉、蔗糖和生物油脂，将纤维素分解成可直接用于转化燃料的单糖更为困难，传统的化工方法几乎无能为力。
为此，人们只有求助它在自然界中的“克星”：能分解纤维素的各种酶与微生物。目前用纤维素制取生物燃料的主流技术是采用两步法，即先用酶把纤维素分解为单糖，再由细菌将其转化为乙醇、丁醇或脂肪酸，后者再进一步合成为生物柴油。
“生物柴油的二氧化碳排放量远低于传统柴油，不过目前一般是从动植物油脂中提炼，原料成本较高。而改用秸秆等农业废弃物，就将获得大量廉价的原料。”研究所“工程大肠杆菌制备生物柴油关键技术”项目首席科学家、研究员咸漠介绍说，其团队正在研究如何将秸秆中的纤维素分解，并由改造过的工程大肠杆菌转化为合成生物柴油所需的脂肪酸燃料酯。目前，该项目已取得阶段性进展，从植物、细菌中成功克隆了脂肪酸合成的部分酶基因。
从实验室到工厂，尚存难点
中国科学院青岛生物能源与过程研究所（筹）所长王利生表示，比起太阳能、风能等其他可再生能源，生物能源更难实现大规模集中生产。其中一个重要原因，就是微生物生产工艺若要达到产业化所需的规模，就不能采用实验室那一套的简单放大。
“从小型生物反应器到大型设备，微生物的生存空间、个体数量等都要增长至少几个数量级。如何让它们充分与外界接触并完成生理过程、达到足够高的反应效率，甚至维持基本生存，工艺上都会有许多新的困难。”王利生说。
在研究所不久前刚刚迁入的崂山园区，有一个1700平方米的中试车间。和该所开发的各项生物能源技术一样，微生物燃料项目的实验室工作完成后，将首先在这里进行中等规模试产，通过检验后才算拿到继续扩大规模、进入工厂的“合格证”。
规模化的工业生产，需要微生物具备良好的厌氧、耐高温特性，而现有菌种很少能满足要求。为克服这一难题，徐健主持的研发团队正在培育一种嗜热厌氧的杆菌，用于制取微生物乙醇。
此外，纤维素降解而成的单糖中一般只有葡萄糖能被有效转化，而难以利用的木糖也占了相当比例，如玉米秸秆的木糖含量就高达25％。如果不能有效利用这部分物质，整条生产线的原料利用率和经济效益都难以取得突破。近年来，业界正在开发能使木糖发酵的微生物及生产工艺，并取得了一定突破。
成本问题更是限制微生物燃料推广的重要因素。据介绍，从棕榈油中提炼的生物柴油比传统石化柴油成本高出30％以上，而目前用微生物制取柴油的工艺更为复杂，无论建设投入还是产品价格都缺乏吸引力。
“超级细菌”梦想，何日实现？
徐健介绍说，第二代生物燃料技术高成本的一个原因，是目前全球的纤维素酶技术集中在少数国际大公司手中，难于引进。如果改用微生物代替酶来分解纤维素，将显著降低成本并摆脱技术依赖。
“更理想的状态，当然是只用一种微生物直接把纤维素转化为醇类或脂肪酸，并具备足够的转化效率。可惜至今为止，还从未发现过这样的‘超级细菌’。”徐健说，“就连自然条件下能快速、充分分解纤维素的菌种，目前发现得也很少，而且还不能直接用于生产。”
实际上，目前人类连地球上微生物的种类总数都难以准确估计，更谈不上详细研究每个物种的生理特点了。因此，对工程微生物的筛选、培育，是一项浩繁艰巨甚至充满偶然性的工作。而某些国际生物工程集团通过专利对菌种进行技术垄断，一定程度上也会影响其他科研机构的选择余地。
“用现代生物技术对微生物进行定向改造，比如让大肠杆菌、酵母菌等易于大量培养的工程菌含有分解纤维素或合成脂肪酸的酶，也将是今后微生物燃料的重要发展方向。”咸漠表示，用转基因等方式将多项关键特性在某些菌种上“集成”，或许正是打造“超级细菌”的有效途径。
（何全） 2008-11-16