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日志

 
 

探索未来之盐碱地上“种石油”  

2010-12-10 13:09:27|  分类: 未知探索 |  标签: |举报 |字号 订阅

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2010年7月,柳枝稷的全基因组图谱测序完成,一篇学术论文低调地刊登《遗传学》(Genetics)杂志上。虽然没有像水稻基因组那样过多的报道和关注,但这项工作,却可能是改变人类能量获取方式的浩大工程的一个开端。

传统生物能源前进的绊脚石

使用生物能源并不是什么新鲜事,世界上的第一辆汽车的油箱里就装满了酒精,只是后来人们发现了石油这种丰富并且价格低廉、并且可以提供强劲动力的燃料,酒精才无奈地离开了汽车油箱。如今,在经历了历次石油危机、大规模环境污染事故之后,酒精再次在汽车发动机里找到了发挥热度的空间。

汽油里面加乙醇已经不是什么新鲜事了,越来越多的加油站可以提供。在巴西有50%以上的燃料是生物乙醇,美国汽油中的乙醇添加量标准为10%,我国汽油中的乙醇添加量也在日益提高,已经有9个省市的添加量达到10%。

目前获取乙醇燃料,最常用的原料还是糖和淀粉。没办法,谁让人类用糖(葡萄)制作的酒精有6000年历史,而用淀粉(谷物)来酿酒也有2000以上的历史了。完整的工艺,成熟的发酵微生物,对各生产环节的清晰认识,让建设一座让供汽车喝的特供酒厂,变得轻车熟路。

首先,你得考虑种出这些能做成酒精的农作物。前提是需要有充足的耕地,这在我国目前人口众多的情况下,就像飘渺的美梦。截止到2007年,我国的人均耕地面积已经下降到了1.4亩,连世界人均耕地面积的1/3都够不上。即便是最合理的使用生物乙醇,不造成任何浪费,也会造成对粮食供给的巨大压力。根据联合国粮农组织的统计,2006年的农产品价格指数增幅为8%,2007年增幅为24%,而2008年首季度已经高达53%。虽然,粮价还受到气候等因素的影响,但是燃料用粮食比率的增大,对于粮价的上涨无疑起了巨大地推动作用。

只使用作物的中的淀粉、蔗糖和油脂也是件奢侈的事情,毕竟在植物固定的能量物质中,这些物质只占10%到20%。如果是只满足我们的饭碗,倒还可以去粗取精,但是要灌满油箱,这样的粗放收获显然是不现实的。2006年全球种植玉米、甘蔗和油菜这些主要的能源的耕地面积约为193万公顷,按照每公顷生物燃料的平均产量,我们可以从这些农田里收获3.3亿吨的生物燃料,不过这些在世界能源的餐桌上只能勉强地算作一道甜点,因为这些燃料只相当于2007年世界原油产量的8%和同期世界能源消费的2.3%。

不仅如此,在生物乙醇的生产中也需要消耗巨大的能源,运输原料、处理、纯化都需要能源。曾经有估算,在生产生物燃料中。在巴西,乙醇工厂用燃烧压榨后甘蔗废料的形式来减少化石燃料用量,不过即便如此,恐怕是象征意义大于实际。

看来,用粮食喂汽车的方案几乎已经走到了尽头,新的能源供给方式呼之欲出。

把支撑植物的纤维加进油箱

就像上面提到的,如果只利用植物中淀粉和糖类的话,我们就只能利用所有植物生产的能量的10%-20%。储存着超过80%能量的秸秆、茎叶部分都得不到有效利用。这也是目前新兴的第二代生物燃料的开发方向。

除了种子、中的淀粉,从化学成分上来讲,纤维素和淀粉也是亲兄弟,它们都是由葡萄糖合成的,不过纤维素长链纠缠在一起形成紧密的植物纤维,这些纤维给植物枝叶提供了强力支撑,但是如此紧密的结构也给能量被加上了封印。

要想获得纤维素乙醇,第一步就需要获得纯净的纤维素。如果把植物比作钢筋混凝土大厦,作为植物的支撑系统的重要构件,纤维素就像钢筋。它们的外侧还覆盖着木质素、半纤维这样的混凝土。要想将纤维素抽出来使用,就需要将这些附属物都去掉,这是生产纤维素乙醇的第一步,也是目前技术的瓶颈所在。

目前最常用的使用氢氧化钠等碱液、或者稀酸来处理,还有报道是说将上述手段结合高压来处理,会取得更好的效果,而这个过程被形象地成为“爆破”。可是问题在于这样的处理条件对设备的要求很高,毕竟耐酸碱、耐高压的容器需要一笔不菲的投资。目前的纤维素乙醇工厂,要运转百年才能收回投资。

只要获得了纯净的纤维素,那接下来的事情就比较简单了。用纤维素酶将纤维素分解成葡萄糖,这点人类是从在自然界中早有高效的处理设备——白蚁的那里学来的。这些啃木头,消化纤维素的机器已经存在了上亿年,人类正是模仿白蚁肠道中纤维素酶的运作程序,将大量的纤维素转化成葡萄糖。这之后,就可以像酿造葡萄酒那样“酿制”工业乙醇了。

由于氧元素的存在,乙醇的能量密度要比汽油的低得多,燃烧的实质就是燃料中的碳元素和氢元素同空气中的氧元素结合并放出能量的过程,如果燃料分子中已经掺杂了氧元素,那释放出的热量势必会打折扣。虽然现在的乙醇发动机可以驱动汽车,但是与汽油发动机比起来,同样大小油箱提供的续航能力仍旧稍逊一筹。科研人员正试图纤维素如何变汽油,催化裂解就是这样的方法。将纤维素拆分成,水、二氧化碳、芳香烃和小分子烷烃,而后两者正是汽油的主要成份,通过适当的催化剂和高温高压处理,就能把草变成汽油了。虽然,在草变成油魔幻之旅已经开启,但是其中也有很多问题亟待解决,比如预处理中产生的废液就是个大问题,目前,这些或酸或碱,且掺杂了木质素的液体处理起来需要不菲的成本。

其实对于纤维素最直接的应用方式,就是燃烧。在工业化时代之前,燃烧纤维素一直是人类获取热能的主要方式,锅灶、火炕都离不开熊熊燃烧的秸秆和木柴。通过分拣、压缩等预处理,同样可以满足火力电站发电站的需求。

虽然困难重重,但是纤维素乙醇还是显示出了“不争夺口粮、有效利用植物能源”等优越性,只是如果仅以农作物秸秆作为原料,必然受到工厂周边区域,以及季节性供应的限制,正是因为如此,专门提供纤维素的、性能皮实的能源植物纳入了开发日程。

柳枝稷的真功夫

文章开头提到的柳枝稷就是这样的能源工程植物。之所以选这种禾本科植物(虽然跟玉米、水稻是一家但是没有可以做面包的籽粒),首要的一点就是它们对生活环境不挑不捡,不管是贫瘠、盐碱、干旱都不会影响它们的生活,甚至可以在砾石遍布的荒滩上扎根。并且这些家伙的生长期很长,大有野草“割”不尽,春风吹又生的架势。一般来说,一次种植,可以连续收获10年,其间也不需要可以的打理,只要掌握好收割时间就好了。

不仅如此,柳枝稷还是C4植物。简单来说,就是有个二氧化碳“浓缩器”。作为植物光合作用的重要原料的二氧化碳的浓度是制约能源生产的一个关键因素,可惜正常大气中的二氧化碳浓度是极低的(仅有0.03%),而C4植物收集空气中的二氧化碳,然后再将其浓缩后传输到维管束鞘附近,维持光合作用的高效运转。

除了收集能量的效率高,柳枝稷还有着能量容易被处理的优点,通常的木质素含量仅为6%-9%,远低于玉米秸秆和甘蔗。相对的,其纤维素丰富。这样就使得在生产中提取纯净纤维素的麻烦事。不排除将来以转基因手段,来降低木质素和半纤维素含量。而柳枝稷全基因组测序完成,无疑给这项工作打下了坚实基础。

不确定的用量


1公斤干能源草的热值大多高于14.5MJ,相当于同等重量的煤炭的70%-80%(1公斤原煤的热值平均为20.9 MJ)。目前,能源草的能量利用方式主要还是直接燃烧,这种方式对生物能的利用率比较低。据报道,在火力发电中,1亩地一年产出的能源草相当于4吨煤。乍一看,这些草还是不错的燃料。但是稍微计算一下,我们就会发现其中的问题。目前,一个热电厂每天最少要消耗2000吨煤,一年就是72万吨。那么,要填饱一个中小型电厂的肚子,一年至要种18万亩能源草,这个面积几乎相当于一个中等规模县的耕地总面积的10%-30%。如果将影响能源草产量的因素(干旱、盐碱化)考虑在内,需要的种植面积可能会更大。大规模的生产能源草,很可能会挤占耕地。如果能从基因组中解读出关于生长的特殊信息,使产量得以保证,将是一个一劳永逸的方法。

就在十多年前,柳枝稷还是生长在北美荒原上的野草,而今天,它已经成为生物能源开发的样板植物。我们有理由相信,人类会像驯化水稻、玉米这些粮食作物一样,驯化像柳枝稷这样的能源植物,绿色的清洁能源就生长在今天被我们认为是不毛之地的地方。

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