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加州大學洛杉磯分校的 Charles Cai 和一個新安裝的 20 加侖 CELF 反應器，該反應器將用于放大項目。圖片來源：Stan Lim / UCR

生物燃料要想與石油競爭，生物精煉操作的設計必須更好地利用木質素。木質素是植物細胞壁的主要成分之一。它為植物提供了更高的結構完整性和抵御微生物侵襲的能力。然而，木質素的這些天然特性也使其難以從植物物質（也稱為生物質）中提取和利用。

加州大學河濱分校副研究員 Charles Cai 說："木質素利用是以最經濟、最環保的方式從生物質中提取所需物質的關鍵。設計一種能夠更好地利用生物質中的木質素和糖的工藝，是這一領域最令人興奮的技術挑戰之一"。

為了克服木質素障礙，Cai 發明了 CELF，即共溶劑增強木質纖維素分餾技術。這是一種創新的生物質預處理技術。

"在生物質預處理過程中，CELF 使用四氫呋喃或 THF 來補充水和稀酸。它提高了整體效率，并增加了木質素提取能力，"Cai 說。"最重要的是，四氫呋喃本身可以用生物質糖類制成。"

CELF 在經濟和環境方面的優勢

一篇具有里程碑意義的《能源與環境科學》論文詳細介紹了 CELF 生物精煉廠與石油燃料和早期生物燃料生產方法相比，在多大程度上具有經濟和環境效益。

這篇論文由加州大學洛杉磯分校蔡的研究團隊、橡樹嶺國家實驗室管理的生物能源創新中心（Center for Bioenergy Innovation）和美國國家可再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory）合作完成，由美國能源部科學辦公室提供資金支持。其中，研究人員考慮了兩個主要變量：哪種生物質最理想，以及提取木質素后如何處理。

加州大學河濱分校副研究員查Charles Cai發明了生物質預處理技術 CELF，該技術可使下一代生物燃料與石油燃料競爭。圖片來源：Stan Lim / UCR

第一代生物燃料生產使用玉米、大豆和甘蔗等糧食作物作為原材料或原料。由于這些原料占用了糧食生產所需的土地和水資源，用它們來生產生物燃料并不理想。

第二代操作使用非食用植物生物質作為原料。生物質原料的例子包括制粉過程中產生的木材殘渣、甘蔗渣或玉米秸稈，這些都是林業和農業生產過程中大量的低成本副產品。

根據能源部的數據，僅在美國，每年就有多達 10 億噸的生物質可用于制造生物燃料和生物產品，能夠替代 30% 的石油消耗，同時還能創造新的國內就業機會。

研究人員發現，與碳密度較低的玉米秸稈相比，CELF 生物精煉廠能更充分地利用植物物質，從而產生更大的經濟和環境效益。

研究人員通過在 CELF 生物精煉廠中使用楊木，證明了可持續航空燃料的生產成本可低至每加侖汽油當量 3.15 美元。而目前美國每加侖航空燃料的平均價格為 5.96 美元。

美國政府以可再生識別碼信用額度的形式發放生物燃料生產信用額度，這是一種旨在促進國內生物燃料生產的補貼。為第二代生物燃料發放的 D3 級信用額度通常以每加侖 1 美元或更高的價格進行交易。該文件表明，按照這個價格，人們可以預期從這項業務中獲得 20% 以上的回報率。

Cai說："與玉米秸稈這樣的廉價原料相比，多花一點錢購買楊樹這樣碳含量更高的原料仍然能產生更多的經濟效益，因為你可以用它制造更多的燃料和化學品。"

該論文還說明了木質素的利用如何在保持盡可能低的碳足跡的同時，對整個生物精煉廠的經濟效益做出積極貢獻。在舊的生物精煉模式中，生物質是在水和酸中煮熟的，木質素除了其熱值外大多無法利用。老式的生物煉油廠會選擇燃燒木質素來補充熱量和能源，因為它們大多只能利用生物質中的糖分--這是一個成本高昂的提議，會使很多價值落空。

除了更好地利用木質素，CELF 生物煉制模型還建議生產可再生化學品。這些化學品可用作生物塑料和食品飲料調味化合物的基本成分。這些化學品吸收了植物生物質中的部分碳，而這些碳不會以二氧化碳的形式釋放回大氣中。

"添加四氫呋喃有助于降低預處理的能源成本，并有助于分離木質素，這樣就不必再焚燒木質素了。除此之外，我們還可以制造可再生化學品，幫助我們實現近乎零的全球變暖潛能值，"Cai 說。"我認為這將從第二代生物燃料邁向第二+代生物燃料。"

鑒于該團隊最近取得的成功，能源部生物能源技術辦公室向研究人員提供了 200 萬美元的資助，用于在加州大學洛杉磯分校建立一個小規模的 CELF 試驗工廠。蔡希望通過試驗工廠的示范，促成對該技術的更大規模投資，因為利用化石燃料產生的能源會加劇全球變暖并對地球造成傷害。

"十多年前，我開始從事這項工作，因為我想產生影響。我想找到化石燃料的可行替代品，我和我的同事們已經做到了，"Cai 說。"利用 CELF，我們已經證明有可能從生物質和木質素中制造出具有成本效益的燃料，并幫助遏制我們向大氣中的碳排放。"