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快速的政策轉變、可持續性目標及工藝層面的創新已在過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在技術、監管及市場驅動方面的近期發展，重點集中在2023年至2025年間實現的進展。
在玉米乙醇系統中，酶促工藝增強提高了淀粉和纖維的轉化效率，從而在不增加土地用量的情況下增加了乙醇產量，同時加強了酒糟蛋白飼料和生物炭等副產品的市場。碳捕集與封存方面的并行進展使得乙醇生產商得以進入自愿碳市場，降低了生命周期碳強度并提高了經濟韌性。
在甘蔗乙醇方面，利用農業殘留物的第二代（2G）生產路徑的整合擴大了運營窗口并提高了整體資源效率，而遺傳改良技術的進步則加速了產量增長和氣候適應性。
這些技術發展得到了包括巴西、歐盟以及新興的航空和船用燃料領域在內的主要市場中不斷演變的混合法規與可再生燃料政策的強化。
總的來說，這些變化解釋了全球范圍內觀察到的投資與產能擴張激增的現象，并標志著乙醇正從一種合規燃料向一種戰略優化的低碳能源載體過渡。理解這些匯集的驅動因素對于指導生物燃料系統未來的研究、工業部署和政策設計至關重要。
引言
交通運輸行業產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射紅外輻射，將熱量滯留在大氣中，導致全球變暖和氣候變化。因此，可再生且環境可持續的燃料變得越來越重要。
乙醇，源自玉米和甘蔗，已在全球燃料工業中得到廣泛使用，并且在某些情況下是強制要求使用的。使用玉米和甘蔗生產乙醇是因為它們富含可發酵碳水化合物并且擁有成熟的生產方法。限制甘蔗產業在全球發展的一個因素是其種植所需的氣候條件。
生物燃料技術的最新進展包括改進的酶、更高產量的作物以及利用作物殘留物來提高產量的工藝。這些發展，連同可再生能源和碳減排的努力，正在加強該領域的協作。
盡管取得了這些進展，仍然有必要審視和整合生物燃料技術的最新進展，尤其是過去三年間的進展。因此，本綜述重點介紹了在此期間乙醇領域主要的、由可持續性驅動的技術創新。理解這些進步對于該領域未來的研究、全球可持續性以及工業優化至關重要。
玉米基乙醇的進展
2.1. 酶與工藝增強
過去三年中，大量努力被導向開發在不擴大土地用量的情況下提高產量的技術。酶技術是一個關鍵的解決方案：特定的酶現在直接應用于作物或在加工過程中使用，通過促進更高效的植物原料分解來提高酒糟蛋白飼料和乙醇的產量，如表1所示。該技術估計能將乙醇總產量提高10%。至關重要的是，這些酶只需要資金投入，因為實現這些增益不需要額外的機械或空間。
2.2. 副產品價值化
隨著用于碳移除技術的生物炭生產的興起，供應鏈無法跟上步伐。這需要擴大原料攝入以支持更高的產量。擴張重點集中在乙醇工廠產生的殘留物上，這些工廠開始銷售這些材料。即使將乙醇生產的“廢棄物”用于生物炭生產，到2024年，大約62%的供應量已經售出，另有28%預留給2026年。這提高了價格并為乙醇生產商帶來了額外收入。
不僅生物炭價格上漲，酒糟蛋白飼料的價格也上漲了，預計從2025年到2030年將增長7.3%，如圖1所示。
這種價值增長可歸因于幾個因素：政府已開始通過補貼和宣傳活動要求并鼓勵在牲畜營養中使用酒糟蛋白飼料。另一個因素是價格，估計比另一種廣泛使用的牲畜飼料大豆低10%至15%。為滿足這一需求，行業已開始投資于機械升級，例如現在安裝在蒸餾廠中的去除纖維并提高消化率的分離系統。
2.3. 碳強度降低
蒸餾廠抵消其環境足跡的一種方法是通過政府碳信用。這些信用曾因氣體排放而被認為是無法獲得的。然而，在2024年，第一家乙醇工廠自愿進入碳市場。Red Trail Energy為未來的設施奠定了基礎。
在玉米乙醇生產中，酵母發酵玉米淀粉，產生乙醇、固體和一股高純度二氧化碳流作為副產品。原本會釋放到大氣中的二氧化碳被捕集。來自發酵罐的廢氣被引導至一個捕集設施，在那里被凈化、壓縮成液態并脫水去除雜質。液化后的二氧化碳隨后通過一條管道輸送至現場注入井，并被注入到設施下方約6500英尺（1981.2米）處一個安全的砂巖層——Broom Creek地層，旨在被永久封存在那里。
甘蔗基乙醇的進展
3.1. 第二代甘蔗
將第二代生產設施與現有的第一代工廠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額外種植面積的需求。第一代生產每年僅運行約九到十個月。納入第二代殘留物使乙醇工廠能夠全年運營，從而提高了效率。
在巴西的投資也在密切關注利用蔗渣發電的研究，如表3所示。這可能對降低未來工廠成本至關重要。
3.2. 遺傳改良
轉基因甘蔗性狀旨在提高產量、抗蟲害能力以及對新氣候的適應性。諸如基于CRISPR的育種和標記輔助選擇等方法有助于改良性狀，同時最大限度地減少意外后果。
傳統育種可能需要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。
利用現代技術，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間。
新興趨勢和市場影響——強制增加乙醇消費的法律
越來越多的國家、經濟集團和州正在向其能源系統開放生物燃料。
巴西已批準一項法律，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%。最顯著的變化發生在航空領域，從2027年開始混合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，目標是到2030年實現5.5%的可再生燃料。
在美國，沒有強制性的乙醇百分比，盡管諸如豁免之類的財務法規會影響消費者行為。從E10向E15過渡，加上供應范圍的擴大，進一步證明了需求的增長。
未來水運與航空的需求
生物燃料通常用于陸地運輸，但在航空和海運領域使用較少。這種情況正在開始改變。
貨船已開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了額外的處理考量。麻省理工學院的研究人員也正在開發來自生物質的航空燃料，為更廣泛的生物燃料應用創造了另一條途徑。
除了監管驅動因素外，在航海和航空領域的擴展使用還帶來了與燃料處理、濕度控制和排放相關的挑戰。乙醇基燃料比石油燃料更具吸濕性，需要改進的存儲和監測系統。包括受控混合、自適應燃燒調整和實時質量監測在內的綜合燃料管理策略將支持安全有效的使用。
這些發展表明，未來的生物燃料部署不僅取決于化學，還取決于基礎設施和運營的共同演變。
市場反應
生物燃料公司正在積極為未來增長定位。INPASA，拉丁美洲最大的生物精煉公司，目前每年生產高達56億升乙醇。它擁有世界上最大的生物精煉廠，并計劃進一步擴張，投資近10億美元進行設施升級。他們的行動顯示了對該領域未來的信心。
金融市場越來越多地將碳強度和監管一致性納入投資決策考量。能夠證明減排和副產品整合的生產商更有機會獲得有利的融資。
市場正在向規模和整合方向轉變，大型設施受益于規模經濟和改進的物流。隨著整合的繼續，標準化和透明度有望提高。
這些趨勢證實，生物燃料正在從一種小眾選擇轉變為一個成熟的全球能源系統組成部分。
結論
在2023年至2025年間，基于玉米和甘蔗的乙醇領域通過產量提高、副產品市場增強和支持性政策取得了明顯進展。酶技術已將乙醇產量提高了約10%。生物炭占2024年供應量的62%，其中28%已預留給2026年。酒糟蛋白飼料價格仍比大豆價格低10%-15%，預計在2025年至2030年間將上漲7.3%。對于甘蔗乙醇，第二代工藝現已實現全年運營。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，表明了采用率的上升。
這些發展表明，該領域正變得更高效、對環境更負責、在經濟上更具競爭力。研究人員、政策制定者和行業領導者可以利用這些見解，進一步加速向低碳交通的進程。這些因素共同解釋了過去三年在生物燃料領域觀察到的投資增長。
作者簡介：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25年。他是ASTM、IChemE、AOCS、CMI、STLE、AIC、NLGI、INSTMC、物理學會、能源學會和皇家化學學會的當選會員。作為ASTM Eagle獎獲得者，Shah博士最近合編了暢銷書《燃料與潤滑劑手冊》。他在賓夕法尼亞州立大學獲得博士學位，并且是倫敦特許管理學會的會士。他也是英國的特許科學家、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。他在多個咨詢委員會任職，并擁有超過750篇出版物。
Diogo Moscato先生是亞利桑那州立大學計算機科學專業的三年級學生。他是一名職業賽車手，參加巴西的Copa Truck比賽，之前參加過NASCAR。他還擔任Koehler Instrument Company的石油研究實習生。
Mathew Stephen Roshan先生是石溪大學化學與分子工程專業的本科生。他從事可持續能源系統研究，并擔任石溪大學Formula SAE車隊的加油與潤滑負責人。
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