中國(guó)報(bào)告大廳網(wǎng)訊，正丁醇作為重要的大宗化工原料和新一代液體生物燃料，在當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型與環(huán)保需求升級(jí)的背景下，其行業(yè)發(fā)展備受關(guān)注。2025年，正丁醇行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)圍繞生產(chǎn)成本、技術(shù)突破與原料應(yīng)用展開(kāi)，石化法憑借當(dāng)前 1.57 美元 / 千克的成本優(yōu)勢(shì)仍占據(jù)一定市場(chǎng)份額，但生物法正丁醇依托理論原料成本更低、碳中性的特點(diǎn)，在技術(shù)不斷進(jìn)步的推動(dòng)下，逐漸展現(xiàn)出替代石化法的潛力，行業(yè)整體呈現(xiàn)出傳統(tǒng)工藝與新興技術(shù)博弈、成本與環(huán)保需求平衡的發(fā)展態(tài)勢(shì)。以下是2025年正丁醇行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)分析。
正丁醇的生物制造可追溯至第一次世界大戰(zhàn)期間，當(dāng)時(shí)借助產(chǎn)溶劑梭菌厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的正丁醇合成丁二烯橡膠，成為當(dāng)時(shí)合成橡膠生產(chǎn)的理想路線(xiàn)，同時(shí)以玉米粉等碳水化合物為底物的溶劑發(fā)酵快速發(fā)展，一度成為僅次于酒精發(fā)酵的世界第二大發(fā)酵工業(yè)。進(jìn)入 1950 年代后，受石油工業(yè)沖擊，相關(guān)發(fā)酵技術(shù)在歐洲、北美和日本等地逐漸停止生產(chǎn)，而部分國(guó)家因特殊環(huán)境仍繼續(xù)推進(jìn)，1955 年建立了第一家相關(guān)發(fā)酵工廠，隨后二三十年間陸續(xù)建立約 30 家規(guī)模在年產(chǎn) 3000-10000 噸的工廠，使得國(guó)內(nèi)年生產(chǎn)能力達(dá)到 17 萬(wàn)噸。1990 年代起，由于石油合成化工的蓬勃發(fā)展，發(fā)酵法生產(chǎn)正丁醇在成本上逐漸失去競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，相關(guān)企業(yè)逐步關(guān)閉。
21 世紀(jì)以來(lái)，國(guó)際石油價(jià)格劇烈波動(dòng)以及石油資源不可再生的共識(shí)，讓發(fā)酵法生產(chǎn)正丁醇技術(shù)重新受到廣泛關(guān)注，近幾年多個(gè)廠家的正丁醇生產(chǎn)線(xiàn)復(fù)產(chǎn)或建成投產(chǎn)，年設(shè)計(jì)產(chǎn)量可達(dá) 100 萬(wàn)噸規(guī)模。2008 年底金融危機(jī)導(dǎo)致正丁醇價(jià)格從每噸 1.3 萬(wàn)元下跌到 5000 元，迫使很多工廠停工或關(guān)閉。到 2025 年，隨著油價(jià)逐步走低，石化法生產(chǎn)正丁醇的成本下降至約 1.57 美元 / 千克，而傳統(tǒng) ABE 發(fā)酵正丁醇成本約為 1.83 美元 / 千克，石化法在成本上暫時(shí)占優(yōu)。但從正丁醇發(fā)酵原料的理論碳利用率核算，生物法的理論原料成本遠(yuǎn)低于石化法的理論原料成本，且生物法具有可再生優(yōu)勢(shì)，不會(huì)向生物圈碳循環(huán)引入更多碳，目前部分國(guó)家仍是少數(shù)具備正丁醇發(fā)酵生產(chǎn)能力的國(guó)家之一，纖維素正丁醇成為當(dāng)前唯一處于商業(yè)化進(jìn)程中的生物法路線(xiàn)，其經(jīng)濟(jì)效益有待市場(chǎng)進(jìn)一步考證。
產(chǎn)溶劑梭菌是正丁醇工業(yè)生產(chǎn)菌種的唯一來(lái)源，傳統(tǒng) ABE 發(fā)酵中使用的工業(yè)菌種名目繁多，分類(lèi)學(xué)和系統(tǒng)發(fā)育相關(guān)性研究曾較為混亂。經(jīng)過(guò)多年研究，目前普遍認(rèn)為工業(yè)用產(chǎn)溶劑梭菌可歸為 4 個(gè)種，所有原來(lái)的淀粉發(fā)酵型菌株隸屬于丙酮正丁醇梭菌，該菌具有較強(qiáng)的淀粉酶活力，適用于發(fā)酵玉米和谷類(lèi)等淀粉質(zhì)原料，同時(shí)具備獨(dú)特的系統(tǒng)發(fā)育特性。另外 3 個(gè)緊密相關(guān)的種與丙酮正丁醇梭菌親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，已鑒定的糖發(fā)酵菌株大多數(shù)隸屬于其中的拜氏梭菌。針對(duì)部分地區(qū)以谷、薯類(lèi)為主的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況，溶劑發(fā)酵菌種多為丙酮正丁醇梭菌，且由當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)機(jī)構(gòu)自行選育馴養(yǎng)，這些菌種所產(chǎn)溶劑中，正丁醇、丙酮、乙醇 3 種組分的比例均為 6:3:1。在菌種改良過(guò)程中，曾通過(guò)土樣分離和誘變篩選獲得高正丁醇比例的菌株，其溶劑中 3 種組分比例達(dá)到 7:2:1，淀粉轉(zhuǎn)化率比傳統(tǒng)菌種高 5%，同時(shí)部分生產(chǎn)企業(yè)也選育出適用于糖蜜、水解液等特定原料的菌種。
在正丁醇生產(chǎn)工藝方面，傳統(tǒng)發(fā)酵法主要包括溶劑的連續(xù)發(fā)酵、產(chǎn)物和副產(chǎn)物的蒸餾法分離提取以及生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境保護(hù)措施等。20 世紀(jì)四五十年代，工業(yè)生產(chǎn)中生物正丁醇發(fā)酵使用 20 萬(wàn) - 80 萬(wàn)升的大容積批式發(fā)酵罐，發(fā)酵基質(zhì)為玉米粉或糖蜜，每批發(fā)酵需 40-50 小時(shí)，這種方式雖簡(jiǎn)單，但生產(chǎn)效率低、操作麻煩、勞動(dòng)強(qiáng)度大，清洗消毒的物質(zhì)和能量消耗也大。20 世紀(jì)五六十年代開(kāi)始逐步實(shí)施連續(xù)發(fā)酵工藝，目前大規(guī)模正丁醇生產(chǎn)多采用該工藝，連續(xù)發(fā)酵產(chǎn)率通常是批式發(fā)酵的 2-3 倍，減少了清洗消毒操作，同時(shí)降低了物質(zhì)消耗量及廢水排放。產(chǎn)物提取是正丁醇發(fā)酵中能量消耗較大的環(huán)節(jié)，發(fā)酵液中正丁醇含量一般僅 2% 左右，工業(yè)生產(chǎn)通常采用連續(xù)蒸餾方法，通入蒸汽利用各組分凝沸點(diǎn)差異，通過(guò)一系列蒸餾塔裝置分餾各組分，再經(jīng)精餾進(jìn)一步純化，隨著環(huán)保意識(shí)加強(qiáng)，減少三廢排放已成為正丁醇工藝研究的重要方向。
《2025-2030年全球及中國(guó)正丁醇行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報(bào)告》從傳統(tǒng)生物正丁醇生產(chǎn)成本構(gòu)成來(lái)看，原料和蒸汽成本分別占總成本的 75% 和 16%，這兩大成本相關(guān)的問(wèn)題成為制約正丁醇生物制造發(fā)展的關(guān)鍵。在原料方面，獲取廉價(jià)發(fā)酵原料是所有生物基產(chǎn)品的共性問(wèn)題，而正丁醇生產(chǎn)中原料成本占比極高，使得原料問(wèn)題尤為突出。近年由于國(guó)內(nèi)以玉米等糧食作物為原料的生物煉制行業(yè)快速發(fā)展，一定程度上推動(dòng)全國(guó)糧食價(jià)格較快上升，導(dǎo)致生物正丁醇生產(chǎn)成本大幅增加，同時(shí)出于維護(hù)糧價(jià)穩(wěn)定和糧食安全戰(zhàn)略考慮，開(kāi)始限制大規(guī)模使用玉米等糧食作物發(fā)展生物能源，如何提高原料轉(zhuǎn)化率、利用廉價(jià)非糧類(lèi)原料生產(chǎn)正丁醇以降低生產(chǎn)成本，成為該產(chǎn)業(yè)必須直面的瓶頸問(wèn)題。
在正丁醇發(fā)酵過(guò)程中，還存在正丁醇選擇性較低、發(fā)酵液中正丁醇效價(jià)低的問(wèn)題。傳統(tǒng) ABE 發(fā)酵生成丙酮、正丁醇和乙醇三聯(lián)產(chǎn)物，還伴有少量有機(jī)酸，這使得正丁醇占總?cè)軇?丙酮、正丁醇、乙醇)的質(zhì)量比僅為 60%-70%，增加了后續(xù)產(chǎn)品分離設(shè)備的投入及能耗;且正丁醇對(duì)以葡萄糖計(jì)的原料質(zhì)量轉(zhuǎn)化率為 25%-29%，僅為理論值的 61%-71%。在正丁醇濃度方面，傳統(tǒng) ABE 發(fā)酵工藝中，正丁醇濃度不到 2%，導(dǎo)致蒸餾成本約占生物正丁醇生產(chǎn)總成本的 20%，而傳統(tǒng)丙酮正丁醇梭菌發(fā)酵生產(chǎn)中的正丁醇終濃度維持在 13-14 克 / 升，難以超過(guò)這一閾值的主要原因是正丁醇對(duì)產(chǎn)溶劑梭菌細(xì)胞存在毒害作用。
為解決正丁醇生產(chǎn)的原料難題，新型原料開(kāi)發(fā)成為重要方向，主要包括非糧作物、木質(zhì)纖維素和合成氣三類(lèi)。在非糧作物方面，薯類(lèi)(如木薯、紅薯、馬鈴薯等)淀粉含量高，在多地廣泛種植，價(jià)格較玉米、小麥等糧食類(lèi)原料低廉，已被大量用于生物乙醇生產(chǎn)，部分生物正丁醇生產(chǎn)企業(yè)也在玉米原料中混入薯類(lèi)原料發(fā)酵以減少玉米用量;菊芋產(chǎn)量極大，每公頃可產(chǎn)菊芋塊莖 30-75 噸，鮮菊芋塊莖中富含多聚果糖，是極具開(kāi)發(fā)潛力的半野生資源，適合作為微生物發(fā)酵生產(chǎn)生物基化學(xué)品的糖源，國(guó)外以菊芋為原料發(fā)酵制備正丁醇的研究較多;甜高粱作為普通粒用高粱的變種，具有抗旱、耐澇、耐鹽堿、適應(yīng)性強(qiáng)、生物量高、糖分高等特點(diǎn)，是高效能植物，利用邊際性土地種植甜高粱，取其稈榨汁發(fā)酵生產(chǎn)正丁醇，成為一條可行思路，但這些非糧作物雖能一定程度緩解生物正丁醇高成本問(wèn)題，成本仍偏高。
在木質(zhì)纖維素方面，其被普遍認(rèn)為是最具應(yīng)用潛力的發(fā)酵原料，目前主流工藝為原料預(yù)處理和水解為單糖、糖液發(fā)酵生成正丁醇、產(chǎn)物蒸餾回收，但存在諸多技術(shù)瓶頸，僅菌種層面，纖維水解液中五碳糖和六碳糖的同等利用就是亟待解決的難點(diǎn)之一，且纖維素水解需添加大量纖維素酶，會(huì)大幅增加生產(chǎn)成本。利用纖維素直接生產(chǎn)正丁醇是更理想的工藝，但產(chǎn)溶劑梭菌不具備纖維素降解能力，將纖維素降解菌和產(chǎn)溶劑梭菌混菌培養(yǎng)，可實(shí)現(xiàn)纖維素正丁醇的 “一鍋法” 生產(chǎn)，免去纖維素酶生產(chǎn)和添加過(guò)程，不過(guò)共生系統(tǒng)調(diào)控復(fù)雜，需兼顧各微生物種群生長(zhǎng)及代謝特點(diǎn)，維持系統(tǒng)穩(wěn)定和優(yōu)化難度大，一旦種群比例失衡，會(huì)加劇營(yíng)養(yǎng)組分?jǐn)z取競(jìng)爭(zhēng)或?qū)е鹿采到y(tǒng)崩潰，需針對(duì)混菌體系設(shè)計(jì)構(gòu)建原理及物質(zhì)流、能量流、信息流適配調(diào)控機(jī)制開(kāi)展研究，利用合成生物學(xué)手段實(shí)現(xiàn)纖維素正丁醇高產(chǎn)。
在合成氣方面，合成氣主要由 CO、H?組成，來(lái)源廣泛，包括煤、油頁(yè)巖、焦油沙、重殘?jiān)⒘淤|(zhì)天然氣及生物質(zhì)，以合成氣為原料合成化工原料的生產(chǎn)技術(shù)已投入商業(yè)運(yùn)行，近年以生物技術(shù)主導(dǎo)的合成氣綜合利用技術(shù)備受關(guān)注，通過(guò)厭氧發(fā)酵將合成氣轉(zhuǎn)化為燃料和化學(xué)品成為研究熱點(diǎn)。目前已知可利用合成氣發(fā)酵生產(chǎn)正丁醇的微生物菌株較少，正丁醇產(chǎn)量分別為 1.776 克 / 升和 2.7 克 / 升，為實(shí)現(xiàn)合成氣生產(chǎn)正丁醇產(chǎn)業(yè)化，后續(xù)可通過(guò)在乙醇生產(chǎn)菌株中引入乙醇到正丁醇的代謝途徑、對(duì)天然合成氣發(fā)酵產(chǎn)正丁醇微生物進(jìn)行代謝工程改造提高生產(chǎn)強(qiáng)度、在傳統(tǒng)糖源正丁醇生產(chǎn)菌株中導(dǎo)入合成氣代謝途徑等方式提升產(chǎn)量。
同時(shí)，為提高正丁醇生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性，技術(shù)優(yōu)化還圍繞提高正丁醇比例和濃度展開(kāi)。在提高比例方面，通過(guò)對(duì)微生物正丁醇途徑的重構(gòu)和優(yōu)化，降低丙酮和乙醇合成量，近十年來(lái)利用基因工程和代謝工程技術(shù)改造正丁醇發(fā)酵菌種(如基因敲除、基因表達(dá)、應(yīng)用反義 RNA 進(jìn)行基因調(diào)控等)，解除代謝過(guò)程中產(chǎn)物和中間產(chǎn)物抑制，強(qiáng)化正丁醇生產(chǎn)關(guān)鍵酶，切斷或弱化副產(chǎn)物生成代謝途徑，有效提高了正丁醇在溶劑中的比例。在提高濃度方面，正丁醇對(duì)菌體細(xì)胞毒性較大，通過(guò)菌株遺傳改造增強(qiáng)正丁醇耐受性，為提高正丁醇生物合成選擇性和產(chǎn)物濃度創(chuàng)造條件，也可通過(guò)改進(jìn)發(fā)酵和下游工藝減輕發(fā)酵液中正丁醇毒性，或在高耐正丁醇菌株中構(gòu)建異源正丁醇途徑。傳統(tǒng)正丁醇發(fā)酵中產(chǎn)物濃度提高主要受制于菌株正丁醇耐受性差，主要產(chǎn)溶劑梭菌的正丁醇耐受極限低于 2%(體積比)，且菌株正丁醇耐受性由多基因決定，調(diào)控網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，改造難度大，但研究發(fā)現(xiàn)自然界中存在高正丁醇耐受性菌株，部分菌株正丁醇耐受極限高于 3%(體積比)，有望成為構(gòu)建正丁醇途徑的宿主菌。
2025年正丁醇行業(yè)發(fā)展中，石化法雖當(dāng)前在成本上占優(yōu)，但生物法正丁醇憑借理論原料成本更低的優(yōu)勢(shì)，隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，實(shí)際碳利用率將持續(xù)提高，替代石化法的可能性逐步增大，且生物法的碳中性?xún)?yōu)勢(shì)符合全球環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)，在政策鼓勵(lì)與市場(chǎng)需求推動(dòng)下，生物法正丁醇的市場(chǎng)份額有望逐步提升。
纖維素正丁醇作為當(dāng)前唯一處于商業(yè)化進(jìn)程中的生物法路線(xiàn)，其經(jīng)濟(jì)效益需市場(chǎng)進(jìn)一步考證，未來(lái)需依靠各項(xiàng)技術(shù)共同進(jìn)步提升經(jīng)濟(jì)性;以鋼廠尾氣制備正丁醇被認(rèn)為是有望獲得最大經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)路線(xiàn)，但要獲得可商業(yè)化的菌種仍面臨諸多挑戰(zhàn)，需加大研發(fā)投入突破技術(shù)瓶頸。整體來(lái)看，2025 年及未來(lái)，正丁醇行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)將聚焦于生物法技術(shù)突破、新型原料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用以及成本控制，誰(shuí)能率先解決生物法正丁醇生產(chǎn)中的原料成本、菌株耐受性、產(chǎn)物濃度等問(wèn)題，誰(shuí)就能在行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利地位，推動(dòng)正丁醇行業(yè)向更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì)、更可持續(xù)的方向發(fā)展。
綜上所述，2025年正丁醇行業(yè)呈現(xiàn)出石化法與生物法競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展的格局，石化法以 1.57 美元 / 千克的成本暫時(shí)領(lǐng)先，而生物法依托理論原料成本優(yōu)勢(shì)和碳中性特點(diǎn)，在技術(shù)優(yōu)化與新型原料開(kāi)發(fā)的推動(dòng)下逐漸崛起。從歷史演進(jìn)來(lái)看，正丁醇生物制造經(jīng)歷了興衰起伏，當(dāng)前在能源與環(huán)保需求驅(qū)動(dòng)下重新獲得發(fā)展機(jī)遇;在生產(chǎn)層面，菌種分類(lèi)逐漸清晰，工藝不斷改進(jìn)，但仍面臨原料成本高、正丁醇選擇性與濃度低等挑戰(zhàn);通過(guò)非糧作物、木質(zhì)纖維素、合成氣等新型原料開(kāi)發(fā)及技術(shù)優(yōu)化，正丁醇生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性逐步提升。未來(lái)，隨著生物法技術(shù)持續(xù)突破與政策支持，正丁醇行業(yè)將朝著更可持續(xù)的方向發(fā)展，生物法有望逐步替代石化法，成為正丁醇生產(chǎn)的主流方式，同時(shí)新型原料路線(xiàn)的成熟也將為行業(yè)發(fā)展注入新動(dòng)力，推動(dòng)正丁醇在化工原料與生物燃料領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)一步拓展。
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