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一种简化的新工艺将农业和森林管理中的木材废料转化为乙醇

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妙手带夫 楼主
发布于 2021-05-11 18:05
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A simplified new process transforms wood waste from agriculture and forest management into ethanol

对石油燃料的依赖和肆虐的野火:这两个独立的、大规模的挑战可以通过一项科学突破来解决。

来自劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)和桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)的团队已经合作开发了一种简化和高效的过程,将木质植物物质,如森林过度生长和农业废弃物——目前有意或无意地燃烧的材料——转化为液体生物燃料。他们的研究最近发表在该杂志上美国化学学会可持续化学与工程

“根据最近的一份报告,到2050年,每年将有3800万公吨的干木质生物质可用,使其成为生物燃料生产异常丰富的碳源,”伯克利实验室高级生物燃料和生物产品过程开发单元(ABPDU)的高级过程工程师Carolina Barcelos说。

然而,ABPDU研究科学家Eric Sundstrom补充说,将木质生物质转化为生物燃料的努力通常受到木材固有特性的阻碍,这使得木材很难用化学方法分解。“我们的两项研究详细介绍了一种低成本转化生物质资源的途径,否则这些生物质资源将在野外或劈柴堆中燃烧,或增加季节性野火的风险和严重程度。我们有能力将这些空气污染和火灾隐患的可再生碳源转化为可持续燃料。”

A simplified new process transforms wood waste from agriculture and forest management into ethanol 幕后照片。森德斯特姆和巴塞罗论文的合著者、ABPDU前高级工艺工程师严纪鹏正在收集木屑。信贷:伯克利实验室

在一项由Barcelos和Sundstrom领导的研究中,科学家们使用了无毒的化学物质,商业上可用的酶,以及一种特殊设计的酵母菌菌株,在一个反应器或“锅”中将木材转化为乙醇。此外,随后的技术和经济分析帮助该团队确定了通过这种转换途径以每加仑汽油当量3美元(GGE)生产乙醇所需的必要改进。这项工作是第一个从木质生物质中生产乙醇的端到端的过程,具有高转换效率和简单的一锅配置。(所有厨师都知道,一锅的菜谱总是比多锅的菜谱简单,而且在这种情况下,这也意味着更低的水和能源消耗。)

在互补的一项研究中,由约翰·喜悦和Lalitendu Das联合生物能源研究所(JBEI),一个团队调整锅法,以便它可以转换加州伍迪biomass-such松树,杏仁,核桃,和冷杉树碎砾中用相同级别的效率现有方法用于转换草本生物量、即使输入的是不同木材类型的混合。

“从森林中去除木质生物量,比如Sierra的过度生长的松树,从农业地区,比如加利福尼亚中央谷的杏仁果园,我们可以同时解决多个问题:在容易发生火灾的州发生灾难性的野火,有控制地燃烧农作物残留物造成的空气污染危害,以及我们对化石燃料的依赖,”达斯说。“最重要的是,我们将显著减少排放到大气中的碳量,并在生物能源行业创造新的就业机会。”

A simplified new process transforms wood waste from agriculture and forest management into ethanol 从木材到纯化乙醇的转化过程快照。Credit: Eric Sundstrom和Carolina Araujo Barcelos/Berkeley Lab

乙醇已经作为一种减少排放的添加剂在传统汽油中使用,通常占我们注入汽车和卡车的汽油的10%。一些特殊车辆被设计为使用更高的乙醇成分高达83%的燃料。此外,从植物生物量中产生的乙醇可以用作制造更复杂的柴油和航空燃料的原料,这有助于使难以电气化的航空和货运部门脱碳。目前,生物基乙醇最常见的来源是玉米粒,这是一种淀粉物质,更容易被化学分解,但需要土地、水和其他资源来生产。

这些研究表明,木质生物质可以有效地分解并转化为先进的生物燃料,其集成过程的成本与淀粉基玉米乙醇具有竞争力。这些技术还可以用于生产“插入式”生物燃料,这种生物燃料的化学性质与已经存在于汽油和柴油中的化合物相同。

这项工作的下一步是在试点规模上开发、设计和部署这项技术,试点规模的定义是每天转换一吨生物质的过程。伯克利实验室团队正在与海湾地区的先进可再生燃料和生物化学公司Aemetis合作,将该技术商业化,并在试验阶段完成后进行更大规模的推广。


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