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加州大學(xué)洛杉磯分校的 Charles Cai 和一個(gè)新安裝的 20 加侖 CELF 反應(yīng)器，該反應(yīng)器將用于放大項(xiàng)目。圖片來源：Stan Lim / UCR

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

加州大學(xué)河濱分校副研究員 Charles Cai 說："木質(zhì)素利用是以最經(jīng)濟(jì)、最環(huán)保的方式從生物質(zhì)中提取所需物質(zhì)的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)一種能夠更好地利用生物質(zhì)中的木質(zhì)素和糖的工藝，是這一領(lǐng)域最令人興奮的技術(shù)挑戰(zhàn)之一"。

為了克服木質(zhì)素障礙，Cai 發(fā)明了 CELF，即共溶劑增強(qiáng)木質(zhì)纖維素分餾技術(shù)。這是一種創(chuàng)新的生物質(zhì)預(yù)處理技術(shù)。

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

CELF 在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面的優(yōu)勢(shì)

一篇具有里程碑意義的《能源與環(huán)境科學(xué)》論文詳細(xì)介紹了 CELF 生物精煉廠與石油燃料和早期生物燃料生產(chǎn)方法相比，在多大程度上具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

這篇論文由加州大學(xué)洛杉磯分校蔡的研究團(tuán)隊(duì)、橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室管理的生物能源創(chuàng)新中心（Center for Bioenergy Innovation）和美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（National Renewable Energy Laboratory）合作完成，由美國(guó)能源部科學(xué)辦公室提供資金支持。其中，研究人員考慮了兩個(gè)主要變量：哪種生物質(zhì)最理想，以及提取木質(zhì)素后如何處理。

加州大學(xué)河濱分校副研究員查Charles Cai發(fā)明了生物質(zhì)預(yù)處理技術(shù) CELF，該技術(shù)可使下一代生物燃料與石油燃料競(jìng)爭(zhēng)。圖片來源：Stan Lim / UCR

第一代生物燃料生產(chǎn)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(chǎn)所需的土地和水資源，用它們來生產(chǎn)生物燃料并不理想。

第二代操作使用非食用植物生物質(zhì)作為原料。生物質(zhì)原料的例子包括制粉過程中產(chǎn)生的木材殘?jiān)⒏收嵩蛴衩捉斩挘@些都是林業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中大量的低成本副產(chǎn)品。

根據(jù)能源部的數(shù)據(jù)，僅在美國(guó)，每年就有多達(dá) 10 億噸的生物質(zhì)可用于制造生物燃料和生物產(chǎn)品，能夠替代 30% 的石油消耗，同時(shí)還能創(chuàng)造新的國(guó)內(nèi)就業(yè)機(jī)會(huì)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，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(zhì)，從而產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)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(xù)航空燃料的生產(chǎn)成本可低至每加侖汽油當(dāng)量 3.15 美元。而目前美國(guó)每加侖航空燃料的平均價(jià)格為 5.96 美元。

美國(guó)政府以可再生識(shí)別碼信用額度的形式發(fā)放生物燃料生產(chǎn)信用額度，這是一種旨在促進(jìn)國(guó)內(nèi)生物燃料生產(chǎn)的補(bǔ)貼。為第二代生物燃料發(fā)放的 D3 級(jí)信用額度通常以每加侖 1 美元或更高的價(jià)格進(jìn)行交易。該文件表明，按照這個(gè)價(jià)格，人們可以預(yù)期從這項(xiàng)業(yè)務(wù)中獲得 20% 以上的回報(bào)率。

Cai說："與玉米秸稈這樣的廉價(jià)原料相比，多花一點(diǎn)錢購(gòu)買楊樹這樣碳含量更高的原料仍然能產(chǎn)生更多的經(jīng)濟(jì)效益，因?yàn)槟憧梢杂盟圃旄嗟娜剂虾突瘜W(xué)品。"

該論文還說明了木質(zhì)素的利用如何在保持盡可能低的碳足跡的同時(shí)，對(duì)整個(gè)生物精煉廠的經(jīng)濟(jì)效益做出積極貢獻(xiàn)。在舊的生物精煉模式中，生物質(zhì)是在水和酸中煮熟的，木質(zhì)素除了其熱值外大多無法利用。老式的生物煉油廠會(huì)選擇燃燒木質(zhì)素來補(bǔ)充熱量和能源，因?yàn)樗鼈兇蠖嘀荒芾蒙镔|(zhì)中的糖分--這是一個(gè)成本高昂的提議，會(huì)使很多價(jià)值落空。

除了更好地利用木質(zhì)素，CELF 生物煉制模型還建議生產(chǎn)可再生化學(xué)品。這些化學(xué)品可用作生物塑料和食品飲料調(diào)味化合物的基本成分。這些化學(xué)品吸收了植物生物質(zhì)中的部分碳，而這些碳不會(huì)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(yù)處理的能源成本，并有助于分離木質(zhì)素，這樣就不必再焚燒木質(zhì)素了。除此之外，我們還可以制造可再生化學(xué)品，幫助我們實(shí)現(xiàn)近乎零的全球變暖潛能值，"Cai 說。"我認(rèn)為這將從第二代生物燃料邁向第二+代生物燃料。"

鑒于該團(tuán)隊(duì)最近取得的成功，能源部生物能源技術(shù)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(xué)洛杉磯分校建立一個(gè)小規(guī)模的 CELF 試驗(yàn)工廠。蔡希望通過試驗(yàn)工廠的示范，促成對(duì)該技術(shù)的更大規(guī)模投資，因?yàn)槔没剂袭a(chǎn)生的能源會(huì)加劇全球變暖并對(duì)地球造成傷害。

"十多年前，我開始從事這項(xiàng)工作，因?yàn)槲蚁氘a(chǎn)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(jīng)做到了，"Cai 說。"利用 CELF，我們已經(jīng)證明有可能從生物質(zhì)和木質(zhì)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。"