全球氣候變化的快速步伐增加了開發(fā)減少交通技術(shù)碳足跡的技術(shù)的緊迫性，特別是在難以電氣化的行業(yè)。作為回應(yīng)，通過生物能源創(chuàng)新中心合作的研究人員提出，科學(xué)進(jìn)步支持使用生物和催化方法生產(chǎn)用于飛機(jī)、輪船和長途卡車的纖維素生物燃料的混合方法。

如《能源與環(huán)境科學(xué)》中所述，這種混合方法使用微生物將纖維素生物質(zhì)(如木材和草)轉(zhuǎn)化為中間體、小分子產(chǎn)品(如乙醇)。然后將乙醇催化升級為適用于重型車輛的碳?xì)浠衔锶剂稀?/p>

該研究指出，結(jié)合使用生物和催化方法“是一種有前途的方法，可以彌合目前生物學(xué)最容易制造的燃料分子與世界上最重視從生物質(zhì)生產(chǎn)的燃料分子之間的差距。”

“我們認(rèn)為這是兩全其美：利用生物學(xué)做它真正擅長的事情，即制造這些小分子，然后利用催化來做它擅長的事情，即制造碳?xì)淙剂匣旌衔镅杆伲?rdquo;總部位于能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的 CBI 的合著者兼首席科學(xué)官布賴恩戴維森說。

Lee Lynd 是達(dá)特茅斯學(xué)院的工程學(xué)教授兼生物學(xué)兼職教授，他與國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的 Gregg Beckham 共同領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究，他說該領(lǐng)域之前一直專注于用熱和/或?qū)ι镔|(zhì)進(jìn)行預(yù)處理的兩步過程。生物處理前的化學(xué)品。這篇論文是少數(shù)幾篇試圖改進(jìn)不同方法的論文之一：生物制造小分子，然后在發(fā)酵過程中機(jī)械破壞細(xì)胞壁，并引入催化劑以制造碳?xì)淙剂?。林德說，這種方法比直接使用微生物生產(chǎn)大燃料分子更實(shí)惠。

與降解木質(zhì)素(賦予植物結(jié)構(gòu)和剛性的堅(jiān)韌聚合物)的化學(xué)預(yù)處理方法不同，這種方法保留了更接近木質(zhì)素原始結(jié)構(gòu)的東西。因此，木質(zhì)素殘留物可以更容易地轉(zhuǎn)化為其他產(chǎn)品，而不是不適合燃燒，戴維森說。

“有時(shí)像本文一樣回到基礎(chǔ)很重要，”?？松梨谘芯颗c工程公司的高級研究員 Jim Bielenberg 說，他密切關(guān)注生物燃料產(chǎn)品的研究。“我們已經(jīng)對纖維素生物燃料進(jìn)行了測試，這些技術(shù)的成本和性能似乎并沒有達(dá)到它的吸引力。也許是時(shí)候從根本上重新考慮這些步驟了。”

纖維素生物燃料之路

將植物細(xì)胞壁中的糖轉(zhuǎn)化為液體燃料被廣泛認(rèn)為是生物經(jīng)濟(jì)的基石，也是實(shí)現(xiàn)碳中性或負(fù)碳運(yùn)輸系統(tǒng)的關(guān)鍵。多年生纖維素原料的成本低于石油，并且可廣泛使用和可再生。

與玉米等淀粉質(zhì)原料相比，纖維素生物燃料具有另一個(gè)優(yōu)勢。Bielenberg 說，由于玉米需要氮肥和水，淀粉基乙醇提供的碳優(yōu)勢值得懷疑。由樹木和草制成的乙醇將提供更大的碳效益。“你擁有的一個(gè)重要杠桿是使用正確的原料，”他補(bǔ)充道。

由于當(dāng)前纖維素生物燃料生產(chǎn)方法面臨挑戰(zhàn)，對纖維素生物燃料的投資現(xiàn)在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過對太陽能和風(fēng)能的投資。“過去十年中纖維素生物燃料的部署遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期，因此考慮新方法是有意義的，”林德說。

戴維森說，這篇論文強(qiáng)調(diào)了乙醇作為一種關(guān)鍵中間體的潛力，可以加工成所需的碳?xì)淙剂?。帶著這個(gè)目標(biāo)，“我們正在制造我們知道可以通過催化轉(zhuǎn)化的最好的生物分子。”

已經(jīng)測試了多種方法以在相對較小且價(jià)格合理的反應(yīng)器中催化轉(zhuǎn)化這些中間產(chǎn)物。盡管滿足航空和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的需求需要進(jìn)一步的進(jìn)步，但這些進(jìn)步并不遙遠(yuǎn)。

“如果我們今天能夠獲得纖維素乙醇，我們就有了標(biāo)準(zhǔn)的煉油工藝，可以讓我們在剩下的道路上獲得我們想要的東西，”比倫伯格說。

“與任何其他液體燃料或燃料中間體相比，我們更接近于能夠從纖維素生物質(zhì)中制造乙醇，”林德補(bǔ)充道。

用于穩(wěn)定氣候的大燃料分子

對于輕型車輛，重點(diǎn)正在轉(zhuǎn)向電氣化，作為減少影響氣候的排放的首選方法。然而，林德說，“未來交通能源需求中約有一半難以實(shí)現(xiàn)電氣化——如航空、長途卡車和海運(yùn)。我們需要負(fù)排放來穩(wěn)定氣候變化。光合作用是從空氣中捕獲二氧化碳的最佳選擇所以我們可以把它放在地上。在這種情況下，生物燃料具有突出的潛力，但可能被低估了。

15 年來，航空業(yè)一直在制定脫碳戰(zhàn)略，Steve Csonka 說。他是商業(yè)航空替代燃料計(jì)劃的執(zhí)行董事，該計(jì)劃由航空公司、飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)制造商、能源生產(chǎn)商和其他尋求替代噴氣燃料的公司組成。

Csonka 表示，航空業(yè)一直專注于可以替代石油基噴氣燃料的低碳燃料。為了可行，這些燃料必須是負(fù)擔(dān)得起的，而不需要特殊的基礎(chǔ)設(shè)施或?qū)C(jī)場和飛機(jī)進(jìn)行改造。Csonka 說，正在開發(fā)的替代品，例如氫動(dòng)力飛機(jī)和電動(dòng)氫混合動(dòng)力飛機(jī)，不能滿足這些要求，并且不太可能在短期內(nèi)對大型飛機(jī)有用。

國際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)承諾到 2050 年實(shí)現(xiàn)凈零碳排放，一些航空公司做出了更加嚴(yán)格的承諾。“實(shí)際上，我們實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的唯一途徑是從多種來源引入可持續(xù)航空燃料，”Csonka 說。

盡管他不認(rèn)可任何一種原料或工藝，但 Csonka 表示，研究中選擇的生物/催化組合具有經(jīng)濟(jì)意義：與其他方法相比，這兩個(gè)步驟所需的資本投資更少。

比倫伯格說，這項(xiàng)研究為研究人員和工業(yè)界提供了不同尋常的全局觀。“他們使用的鏡頭非常有價(jià)值，因?yàn)樗麄儾皇菍Ｗ⒂谔囟ǖ姆椒?，而是試圖通過碳效率的鏡頭來理解任何技術(shù)方法——所以你要確保你的努力朝著正確的方向前進(jìn)， “ 他說。“我認(rèn)為這篇論文很好地解決了問題，讓你確信自己正在研究一些值得解決的問題。”

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