综述：关于生物乙醇生产过程脱碳综合策略的综述

《Green Energy and Resources》：A Review on Comprehensive Strategies for Decarbonizing Bioethanol Production Process

本文系统分析了生物乙醇生产四代技术演进，指出传统方法碳强度高，需整合过程优化、CCU和CCS策略。通过发酵优化、高效蒸馏、燃料裂解等技术降低能耗，结合发酵CO?捕获生产甲酸、碳酸二甲酯等高附加值产品，或通过BECCS实现负排放。研究强调多技术协同和可再生能源整合的必要性，提出第四代生物乙醇通过基因工程和微藻固定CO?实现直接制乙醇，为全球碳中和提供关键路径。

　　### 生物乙醇：全球可持续发展的关键角色

生物乙醇作为全球向可持续发展转型的重要组成部分，不仅在交通领域展现出显著的减排潜力，还在工业领域扮演着多面手的角色。作为一种可再生燃料，它为减少对化石燃料的依赖提供了替代方案，同时其作为可再生化学前体的特性也使其在制药、食品饮料、个人护理和清洁剂生产中具有重要价值。随着全球对碳排放控制的呼声日益高涨，生物乙醇的生产过程正面临从低碳到负碳的转型挑战。目前，尽管已有大量研究探讨了生物乙醇的碳减排潜力，但多数工作仍集中在单一的碳减排技术上，缺乏对这些技术协同作用的系统性分析。本文旨在通过全面审视生物乙醇生产流程的演变，识别主要的二氧化碳排放源，并在统一框架下评估先进的减排策略，包括工艺优化、碳捕集与利用（CCU）以及碳捕集与储存（CCS），从而填补现有研究的空白。

#### 生物乙醇在全球能源转型中的作用

气候变化的加剧使得全球能源系统向可持续和低碳转型变得愈发紧迫。过去一个世纪，温室气体（GHG）排放显著增加，打破了地球的能量平衡，导致全球气温上升。2024年全球二氧化碳排放量已达到37.6 GtCO?等效，而大气中二氧化碳浓度更是突破了426 ppm，较上一年增长3.78 ppm，远超工业化前水平。这种趋势使得2015至2024年成为有记录以来最热的十年。世界气象组织（WMO）指出，2024年全球平均地表温度首次突破工业化前1.5°C的阈值。全球碳预算估计为235 GtCO?，这意味着如果维持当前排放水平，预算将在大约六年内耗尽。为实现《巴黎协定》设定的控制升温目标，全球排放需在2030年前减少43%，并在2050年前实现净零排放。

交通领域作为全球排放的主要来源之一，占据了约四分之一的碳排放总量，因此，燃料的脱碳至关重要。生物乙醇作为一种清洁替代燃料，相较于传统化石燃料能显著降低碳排放。根据市场预测，到2028年，全球生物燃料市场将增长至约1438亿美元，其中生物乙醇占据主导地位，占全球消费的62%，其次是脂肪酸甲酯（FAME）生物柴油，占比约26%。2022年，全球乙醇产量约为1200亿升，其中美国和巴西分别贡献了46.2%和24.3%。生物乙醇的广泛应用不仅限于交通领域，它还被用于生产可持续航空燃料（SAFs）等新兴领域，通过酒精到喷气（ATJ）路径实现从乙醇到航空燃料的转化。

#### 生物乙醇的生产演变与挑战

生物乙醇的生产经历了多个阶段，从第一代到第四代，每一代都代表着对可持续性和碳排放控制的不同应对。第一代生物乙醇主要依赖于可食用作物如甘蔗和玉米，但这种模式引发了对粮食安全和土地使用的伦理问题。第二代生物乙醇则利用非食用性生物质，如农业废弃物和林业残渣，这些生物质更可持续，同时避免了与粮食作物的直接竞争。然而，其转化效率仍受限于预处理过程的高能耗和酶的成本。第三代生物乙醇则利用微藻和光合微生物作为原料，它们的光合效率和快速生长周期使其成为潜在的高产生物乙醇来源。但该技术仍面临能源、成本和规模化方面的挑战。第四代生物乙醇则通过代谢工程和合成生物学手段，进一步优化微生物的乙醇生产能力，实现从二氧化碳直接转化到乙醇，从而减少传统生物质处理步骤。

尽管生物乙醇的生产技术已经相当成熟，但其当前形式仍存在明显的碳减排挑战。发酵过程不可避免地会产生二氧化碳，而蒸馏和脱水过程则需要大量能源。同时，虽然联合发电（cogeneration）提高了能源自给率，但它仍是主要的排放来源，其低浓度的烟气使得捕集和封存过程更为复杂和昂贵。这些差异表明，仅靠渐进式的改进无法满足碳负排放的要求，必须采取更具颠覆性的措施，如先进的工艺技术与CCU/CCS的整合，才能实现生物乙醇的负碳转型。

#### 碳减排策略：从工艺优化到碳捕集与利用

为了实现生物乙醇的碳负排放，需要从多个层面进行技术革新。工艺优化是其中的关键环节，包括改进热回收系统、采用高效设备和优化发酵与蒸馏流程。这些改进可以显著降低能源消耗和碳排放，同时提高整体生产效率。例如，膜分离技术已被证明可以减少蒸发过程所需的蒸汽量，从而降低能耗和环境影响。此外，先进的发酵策略，如连续发酵、高密度培养以及整合的糖化与发酵（SSF）和糖化与共发酵（SSCF），有助于提高乙醇产量并减少二氧化碳排放。这些技术不仅提升了乙醇生产的效率，还减少了对高能耗设备的依赖，从而降低了整体碳足迹。

除了工艺优化，碳捕集与利用（CCU）和碳捕集与储存（CCS）也是实现生物乙醇负碳化的重要策略。CCU通过将捕集的二氧化碳转化为有价值的副产品，不仅有助于减少排放，还能创造额外的收入来源。例如，二氧化碳可以用于生产建筑材料、食品添加剂以及生物基化学品。而CCS则通过捕集并安全封存二氧化碳，进一步减少碳排放。在生物乙醇生产中，由于发酵过程产生的二氧化碳纯度较高，捕集和封存相对简单，只需进行脱水和压缩即可。此外，一些研究还探讨了将捕集的二氧化碳与绿色氢气结合，以生产更环保的乙醇或相关醇类，这种技术路径在理论上展现出巨大的潜力。

然而，这些技术的实施仍然面临诸多挑战。CCU技术需要大量的资本投入，并且其经济可行性高度依赖于市场需求和碳定价政策。CCS则由于高能耗和高昂的基础设施需求，使得其在工业应用中面临较大的经济压力。此外，CCU和CCS的协同作用尚未被充分研究，如何将这些技术有效整合到生物乙醇生产过程中，是未来研究的重点。

#### 生物乙醇的未来展望

随着生物乙醇技术的不断发展，未来的重点将放在实现超低碳排放和向负碳系统的过渡。新一代的碳捕集与转化技术将推动更高效、低能耗的二氧化碳捕集方案，如基于膜的分离、电化学二氧化碳还原和酶辅助的碳固定。这些技术有望取代传统的后燃烧捕集方法，从而减少对能源的依赖。此外，合成生物学的进步将使微生物能够更有效地固定二氧化碳，并将碳流导向更高的乙醇产量。生物精炼厂的协同效应也将成为未来的重要趋势，生物乙醇工厂可以作为可持续化学品和燃料的碳枢纽，推动二氧化碳转化为高价值产品。

在工艺优化方面，未来的生物乙醇工厂将采用整合的热化学和生物化学路径，以消除传统工艺中的低效环节。例如，多效蒸馏（MED）、微波辅助发酵和催化生物质升级等技术将显著降低能源需求。同时，生物精炼厂的热能耦合和电化学协同发电技术也将重新定义能源效率的标准。这些技术的进步将有助于实现生物乙醇生产过程的全面优化，提高其在低碳经济中的竞争力。

此外，政策和市场机制的演变也将对生物乙醇的负碳化起到关键作用。为了促进负碳生物乙醇的商业化，需要动态的碳定价模型和完善的碳信用框架。政策制定者需要制定激励措施，支持跨行业应用，如生物乙醇驱动的氢能枢纽和负碳航空燃料。同时，生物乙醇与可再生能源的结合将为其提供更大的经济和环境优势。风能和太阳能等低碳电力来源可以显著降低生物精炼厂的碳排放，提高其盈利能力。未来的研究和技术创新应集中在低能耗捕集和转化技术、合成生物学和微生物工程等领域，以实现生物乙醇的可持续发展。

#### 结论

生物乙醇的生产从低碳燃料向负碳技术的转变，是全球脱碳努力中的关键一步。通过综合分析生物乙醇生产流程的演变，识别主要的二氧化碳排放源，并在统一框架下评估先进的减排策略，本文揭示了生物乙醇作为负碳技术的潜力。尽管目前的生物乙醇生产仍然面临挑战，但工艺优化、CCU和CCS等策略的结合，为实现碳负排放提供了可行路径。未来的生物乙醇生产将依赖于技术突破、跨学科合作和健全的政策支持，以实现从传统生产模式向负碳系统的全面转型。通过这些努力，生物乙醇有望成为全球碳减排战略的核心组成部分，为应对气候变化和实现可持续发展目标做出重要贡献。