生物质的进化及其世代

发布：2023-06-12 | 浏览：708

一起来探索宇宙的奥秘

To explore universe

我们看到的从很远星系来的光是在几百万年之前发出的，在我们看到的最远的物体的情况下，光是在80亿年前发出的。这样当我们看宇宙时，我们是在看它的过去。——霍金《时间简史》

全球日益增长的能源需求和化石燃料库存的枯竭，促使人们对生物质及其后代越来越感兴趣，特别是在过去十年左右的时间里对生物燃料的兴趣越来越大。

但更重要的是，随着20世纪的新发现和突破，人类也开始面临世界上最严重的问题之一——气候变化。

在那个世纪的大部分时间里，对生物质的研究几乎跟随着石油的价格。在过去的五十年里，人们越来越关注液体燃料的使用对环境的影响。

例如，加拿大每年消耗超过80亿升的汽油作为运输车辆的燃料。这一点以及对碳排放的担忧导致人们更加关注生物燃料的使用。它们的使用往往成为更环保的选择，因为它们的碳平衡几乎是中性的，而柴油或汽油等化石燃料则对地球有害。

本文将追溯生物质及其三代产品的发展，讨论它们的主要属性以及它们的主要好处和优势。

但首先，让我们定义什么是生物质，为什么世界不得不转向使用它生物燃料。

什么是生物质？

生物质是可再生的有机材料，这意味着它来自活的有机体，如植物和动物。在许多国家，它仍然是一种重要的燃料来源，并且直到19世纪中期，它还是美国年度总能耗的最大来源。

生物量一直是一种可靠的能源来源，现在已经缩小到可再生的碳源。

乙醇是美国最著名的生物燃料之一，而生物柴油等其他类型的燃料也在亚洲和欧洲等其他国家使用。

在19世纪早期，乙醇被称为酒精油，直到它被测试并发现可用于内燃机。乙醇逐渐淘汰了鲸油，取而代之的是用于照明的石油馏出物。在本世纪末，乙醇被引入运输部门。

在20世纪初，化石衍生产品取代了乙醇，直到今天。但是随着地球变暖的化石燃料问题的加剧，生物质开始占据能源生产的中心舞台。

虽然有许多方法可以从其他可再生资源中制造清洁能源，但生物质是至关重要的，因为这些其他资源不会产生可以为运输车辆提供燃料的液体燃料。然而，有一点是，将生物质转化为生物燃料是一个巨大的挑战。生物质的化学成分越复杂，转化过程就越昂贵。

美国是生物燃料市场的先行者，旨在取代20%生物燃料取代化石燃料。

基于其生产方法和使用的特定原料，生物质被分为三类，也称为代。

第一代生物质

第一代生物质来自可食用作物，如玉米和甘蔗，通常涉及生产乙醇和生物柴油。

由传统酵母或转基因酵母发酵的C6糖是用于生产乙醇的主要原料或原材料。用于生产生物乙醇的普通原料是甘蔗和玉米。其他用于或被认为是制造第一代生物燃料的粮食作物包括大麦、乳清和马铃薯废料。

来自甘蔗的生物乙醇

甘蔗是生产生物燃料的常用原料，生产生物乙醇的过程非常简单。该植物在水中被碾碎以提取蔗糖，蔗糖被纯化以生产乙醇或粗糖。

这是这个过程的样子，由哈库姆和考德威尔，2020年。

用甘蔗生产乙醇

巴西是甘蔗生物乙醇的最大消费者之一。

考虑到简单的转化过程，从甘蔗生物质生产乙醇对生产者是有益的。然而，不断上涨的糖价给生物乙醇市场带来了问题。

当生产原糖的成本比制造乙醇更便宜时，市场选择关注前者。用甘蔗生产原糖比制造乙醇更有利可图。

但是多亏了玉米，它使得生物乙醇的生产仍然可行。

来自玉米的生物乙醇

玉米是生产生物燃料的另一个主要来源。这种普通作物需要对淀粉进行初步水解，以从玉米中提取糖分，然后发酵生产乙醇。

好消息是水解过程中使用的酶的成本并不昂贵。玉米市场的价值如此巨大，使得它作为乙醇生产的生物质来源不成问题。更不用说该过程的副产品也是用作动物饲料的有价值的产品。

生物柴油生产

除了乙醇，生物柴油是唯一可商业化的生物燃料。与生产生物乙醇的简单过程不同，制造生物柴油非常不同，因为这是一个化学过程。

当然，它也使用主要来自种子和含油植物的生物质。然而，生产过程本身很大程度上依赖于化学分离生物油，将其转化为生物燃料。

这个过程叫做酯交换反应包括打破连接长链脂肪酸和甘油的键，然后用甲醇代替。

生产生物柴油也需要甲醇，甲醇的价格是影响其产量的最重要因素。这意味着使用成本较低的来源，如废油或来自非食用植物的油变得更加重要。

第一代生物质的缺点

从甘蔗或玉米生产生物乙醇和从食用油生产生物柴油取决于国际市场的价格。这些原料通过与粮食生产竞争，也加剧了粮食价格的波动。

如前所述，甘蔗是制糖的宝贵原料。因此，将其作为生产生物乙醇的原料与糖的生产相竞争。

玉米的情况也是如此，因为制作各种各样的食品对玉米的需求更大。在美国，玉米是生产谷物、休闲食品等的主要作物。

此外，生产生物乙醇和生物柴油的过程会对环境产生负面影响。

例如，在国际能源机构预计从粮食作物生产生物燃料所需的土地面积将会增加3到4倍在接下来的几十年里。在北美和欧洲，土地利用的变化甚至更快，这进一步加剧了对森林砍伐的担忧。

此外，生物燃料生产还需要大量的水资源。事实上，在许多情况下，缺水而不是土地将是生产生物燃料的主要限制因素。

全世界约70%的淡水用于农业目的，而每年生产5000万加仑乙醇需要消耗约2亿加仑的水.

这意味着更多的生物燃料生产将需要更多的水，加剧了全球面临的水资源短缺。这些和其他负面影响将生物燃料生产商的注意力转向了下一代生物质。

第二代生物质

第二代生物燃料来自各种原料，尤其是非食用木质纤维素生物质。生产这类生物燃料的生物质来源有三种类型:

同质的，例如白色木片
准均质，例如农业和林业残留物
非均质，包括作为城市固体废物的低值原料

这一代生物质之所以比他们的前辈更受欢迎，是因为原材料成本更低。毕竟，价格是生产的最大动力。另外，它们不与粮食作物生产竞争。

然而，有一个问题。第二代生物质转化通常更复杂，需要先进的技术。

通过两种不同的途径转化这一代生物燃料是可能的:生物和热学。这些生产途径的简单示意图如下图所示。

木质纤维素生物质转化为生物燃料的“生物”和“热”途径的简化方案。资料来源:Lee和Lavoie，2013年。

生物质热生产

顾名思义，如果需要，可以使用氧化剂加热生物质，将其转化为所需的产品。特别是，为了制造生物炭，生物质要经过烘焙过程(在250°C到350°C的低温下加热)。

在550°C到750°C的高温下，生物质转化发生在一个称为热解的过程中，主要产物是生物油。而在更高的温度下，合成气主要是通过气化产生的，副产品是生物油和生物炭。

生物炭是一种固体生物燃料，由于其减碳特性，最近受到了广泛关注。在世界上的一些地方，木质纤维素生物质是廉价的，这使得生物炭的生产更加有利可图。

但是最均质和昂贵的生物质并不是现有转化技术的良好候选。使用这类生物质扩大热加工存在一定的技术和经济限制。

这是准均质和非均质生物质源更适合的地方。

“生物”生物质生产

该途径类似于制浆过程，其中从木质纤维素生物质中提取纤维素。但这一过程伴随着一个技术挑战:它必须在不使用太多能源或大量化学物质的情况下生产最纯净的纤维素，同时去除抑制剂。

好消息是，有一种替代方法可以使这个过程更便宜，比如使用木质素和半纤维素。

木质素尤其是，最近获得了很多关注。作为在木材和植物中发现的第二丰富的天然聚合物，它提供了许多优势。它可以用来生产生物燃料、生化制品和其他生物产品。纸浆和造纸行业正在使用它作为燃料，为该部门提供低碳能源。

除了是生物燃料的良好来源，木质素还因其芳香族单体而非常适合制造高价值化学品和粘合剂。行业专家表示，这种第二代生物质可以为生物塑料和生物粘合剂打开一个新的市场。

甚至建筑业也发现木质素是沥青粘结剂的良好替代品。木质素基生物沥青可以减少沥青的温室气体排放。为了更多地了解这种生物资源，阅读这篇文章.

第三代生物质

虽然木质素有许多好处和应用，但藻类生物质，也被称为第三代生物燃料或“油时代”，显示出更大的潜力。这种生物燃料来自藻类，与木质素相比，藻类具有非常独特的生长产量。这是关于10x高于第二代生物燃料。

除了生长迅速之外，藻类需要较少的土地，并且可以在非耕地区域生长。更不用说海洋如此广阔，足以生长藻类和其他水生生物资源。

藻类可以生产各种生物燃料，如乙醇、丁醇、生物柴油、丙醇和汽油。

从藻类中生产生物燃料基本上依赖于微生物的脂质含量。因此为此目的选择具有高脂质含量和高生产力的物种，例如小球藻。

藻类或微藻也非常能够从烟道气或空气中捕获CO2用于光合作用。在合适的生长条件下，藻类可以捕获高达99%的二氧化碳。

难怪一些创业公司投入大量资金知识转化为学习培养藻类和其他水生生物用于碳捕获技术。他们已经利用藻类的力量作为一种负担得起的方法来锁定千兆吨级的碳。

而且，一个总部位于波多黎各的创业公司一直在收集海藻(马尾藻)并将其转化为高价值的碳中性产品。这些产品包括生物兴奋剂、化妆品和药品的乳化剂以及服装和时装用的生物皮革。

然而，与第一代和第二代生物燃料一样，藻类生物量的扩大面临一些挑战。

技术关注更多的是开发从水生生物中提取脂类的正确方法。在提取之前还需要一些预先处理，例如过滤以使藻类脱水。

此外，在工业规模的燃料中生产藻类需要大量的水，这对许多国家来说是一个大问题。例如，加拿大会发现在气温可能为零下的地方，这是一个巨大的挑战。

不是一个或另一个，但也许在一起

显然，每一代生物质都有自己的利弊需要考虑。

第一代生物燃料已经在世界范围内广泛使用，尽管它们会与粮食生产争夺原料和耕地。

这推动了对第二代生物质的兴趣，第二代生物质的投入更便宜，因为它们主要是来自农业、森林和市政当局的废物。但它们的成分更复杂，需要更先进的工艺，因此规模化生产被证明是困难的。

最后，来自藻类的第三代生物燃料解决了原料问题，因为它们可以更快地生产生物质，需要更少的土地。然而，可用于扩大产量的技术仍处于早期阶段，需要进一步的研究、开发和投资。

最终，这个世界别无选择，只能选择更环保的方式为汽车和人们使用的东西提供燃料。这使得生物燃料成为未来，生产生物燃料可能不是依靠一代人，而是三代人的结合。