生物燃料:2020年及以后，创新和进步

简介

越来越多的环境问题已经暴露出来，这促使人们转向使用环保的生物燃料，而不是化石燃料。与化石燃料相比，生物燃料的积极影响是众所周知的，例如生物燃料燃烧的温室气体(GHG)排放非常低，而且它们是由环境来源产生的。然而，人们对生物燃料有很大的担忧，例如“食物vs.燃料”的争论。这场争论最初是在21世纪初开始生根发芽的，当时生物燃料开始变得越来越流行。利用玉米和其他富含食用油的植物等原料来进行技术进步，被解释为通过夺走基本资源来偏袒中产阶级而不是下层阶级人口。

目前有四种生物燃料:第一代、第二代、第三代和第四代，每一种都有其优缺点。第二代、第三代和第四代生物燃料解决了食品与燃料辩论的主要问题，因为它们的原料来源是不可食用的。在全球范围内，生物燃料生产在加工和初始材料使用方面取得了重大进展。2006年，美国、巴西、中国、尼日利亚、巴基斯坦和泰国等国共生产了1.15亿吨植物油，占总产量的80%。多年来，随着许多其他国家加快生物燃料生产，这种情况发生了变化，其中一些国家不再是市场的领导者。在过去的十年里，发生了很多变化。使用木质纤维素原料和藻类的国家是值得注意的，因为生物燃料作为第二代和第三代燃料的未来已经取得了新的成就。在这篇文章中，我们将试着关注那些在过去十年中市场领先的国家，如巴西、尼日利亚、马来西亚和巴基斯坦，看看他们现在的情况以及他们在生物燃料生产过程中利用现有资源取得的最新进展。它给我们提供了一个有趣的机会来研究世界各地正在进行的新发展和进步。

概述

第一代(1G)生物燃料是由收获的以食物为基础的生物质生产的，如玉米和大豆植物。1G生物燃料具有大规模生产的显著潜力，但与第二代、第三代或第四代生物燃料的化石能源投入相比，它们的交付能量收益并不高。此外，这类生物燃料还涉及到土地面积问题，因为种植这些作物的初始过程和随后的培育它们需要大量的可耕地[4]。
第二代(2G)生物燃料不同于1G生物燃料，因为它们是由玉米秸秆和其他非粮食生物质，如柳枝稷或木材生产的。2G生物燃料也可以被称为木质纤维素，可以用作生物柴油、乙醇和其他生物化学品[3]。虽然2G生物燃料的最初来源可以来自可食用作物，但在生产过程中使用的作物的实际部分是不可食用的。
近年来，人们发现藻类生物质正逐渐取代植物生物质成为生物燃料生产的主要来源。第三代(3G)生物燃料是由藻类生产的，不产生土地面积问题，因为藻类可以在水环境或未使用的旱地种植。微藻是一组可以在极端环境条件下生存的真核生物和蓝藻。通过代谢工程增加脂类和碳水化合物组成，可提高微藻生物量产量[4]。使用微藻的一个主要进步是可以通过光合作用和光穿透改善[6]进行基因修饰。转基因藻类被用于第四代(4G)生物燃料。
具体来说，巴西在过去几年里生产了大量的生物燃料，使用甘蔗生产第一代生物燃料，并使用香蕉废料生产第二代生物燃料。尼日利亚已经使用甜高粱生产生物乙醇，并正在研究使用木薯生产生物油的机会。马来西亚通过使用棕榈油生产第一代和第二代生物燃料，在生物燃料生产方面也取得了类似的进展。此外，微藻最近在马来西亚和巴基斯坦被研究用于生产第三代生物燃料。

百强榜

14世纪甘蔗在巴西的出现，促使葡萄牙和其他殖民地大力投资巴西的制糖业，证明了这种产品对巴西的重要性。在随后的几十年里，制糖业的发展可以归因于这些最初的殖民投资。此外，巴西签署了2015年巴黎气候会议，以减少温室气体排放，导致更多使用生物燃料[7]。2005年之后，由于汽车工业的柔性技术，甘蔗产量有所增加。这表明巴西是世界上最大的甘蔗生产国，2017年产量约为6.5亿吨。
鉴于甘蔗的重要性以及该国已采取措施减少对环境的破坏，合理的发展是利用这种作物生产对环境友好的燃料来源。1975年的国家酒精计划，或Proalcool计划，鼓励该国从甘蔗供应中生产乙醇，以限制该国的石油进口。通过蔗糖发酵，可以直接从甘蔗中生产1G乙醇。其他起始生物质(如淀粉)的一个主要缺点是，淀粉必须首先水解为可发酵的糖，然后才能转化为乙醇。
巴西在甘蔗和生物燃料方面的丰富历史导致了1G乙醇生产的许多改进和进步。图1展示了用甘蔗生产电力、乙醇和糖的九个过程。收割甘蔗后，必须对甘蔗进行清洗，以去除90%的污垢。然后用碾碎机生产甘蔗汁，效率为96%。然后通过加热和快速蒸发将杂质从果汁中去除。杂质除去后，澄清的果汁中有15%的固体存在。果汁必须经过进一步的蒸发过程在98°C，使果汁有65%的固体存在。结晶器将澄清的果汁中的糖晶体分离成两组;成品糖和中间糖。糖蜜是糖的副产品，被回收到发酵反应器中。 Through yeast fermentation of predominantly sucrose, as well as the other simple sugars of glucose and fructose, ethanol is produced. Yeast acid washing can then be done with the remaining yeast available from the fermentation processes, demonstrating a recycling mechanism where the yeast undergoes another fermentation cycle. Finally, to achieve alcohol content between 92.6-93.8 wt.%, dehydration and distillation processes must occur.
除了甘蔗，香蕉也是一种很有前途的生物燃料资源。在巴西，每收获一吨香蕉，就有大约3吨假茎，收获的果实中大约85%是假茎[11]。通常，假茎被留在收获的田地里作为一种肥料，但将这种废物留在田地里会产生大量多余的二氧化碳[12,13]。沼气可以从这些假茎中产生;然而，由于其化学结构，产量很低。沼气是一种重要的生物燃料，因为它可以生产化肥和收集有机废物。它是由由48-65%的甲烷和36-41%的二氧化碳组成的有机物厌氧消化而成。为了解决废料的化学结构问题，可以采用碱预处理，如NaOH。碱性预处理破坏化学键，使微生物更容易进行厌氧消化。

表1。[13]碱法预处理前后香蕉假茎的性质。

表1中的pH值是用Elico-L1617 pH计测定的，水分含量是用烘箱干燥法测定的，碳和氮含量是用马弗炉滴定法测定的。本实验采用沼气池模拟在27-39℃温度范围内50天甲烷生成过程。这些温度范围是甲烷产量最优的地方。在一次试验中，使用了7kg新鲜香蕉假茎和5kg水，在第二次试验中，使用了7kg香蕉假茎和5kg水进行碱预处理。
在潮湿的NaOH状态下浸泡香蕉假茎2天后，发现与未浸泡任何预处理的假茎相比，其甲烷产量更高。通过蓝色火焰点火试验确定的更高的甲烷产量表明更大的沼气产量，这意味着通过适当的预处理程序可以提高利用这种香蕉副产品的沼气产量。

尼日利亚

尼日利亚约85%的能源消耗来自传统生物质炭和木材燃料。然而，尼日利亚的能源消耗率很低，平均只有40%的尼日利亚人用上了电，18%的农村地区用上了电。这些小比例导致该国经济增长有限，工业化程度低。
尼日利亚位于西非，有41.2%的土地是可耕地。此外，大约70%的人口从事农业。《除武器以外的一切倡议》、《经济伙伴关系协定》和《非洲增长与机会法案》允许非洲通过这些贸易政策轻松向美国和欧盟出口生物燃料[3]。可用于生物燃料生产的原料种类繁多，其中最主要的两种是甘蔗和木薯。尼日利亚每年生产3000万吨木薯，是世界上木薯产量领先的国家之一。
尼日利亚是第二大甜高粱生产国，这种谷物植物具有相似数量的可溶性(蔗糖和葡萄糖)和不可溶性(纤维素和半纤维素)碳水化合物[16,17]。这些可溶性和不可溶性碳水化合物的存在意味着高粱将是一种非常适合生产生物乙醇的作物。甜高粱在光合作用方面非常高效，能承受干旱和洪水的条件，表现出很高的稳定性。这种谷物的生物乙醇生产过程与巴西使用甘蔗[17]的生物乙醇生产过程非常相似。从高粱生产生物燃料的三种方法是糖-乙醇法、淀粉-乙醇法和纤维素乙醇法。
已经研究了高粱麸皮用于生物乙醇生产的潜力，因为木质纤维素生物质比1G和3G原料有更低的水足迹。利用高粱废料的一个缺点是必须进行预处理，因为不溶性糖存在木质素，不容易水解产生单糖，如葡萄糖、蔗糖和果糖。这种预处理过程包括蒸汽爆炸或碱性预处理，这增加了生产成本。
用二甲基亚砜进行酶解，得到水解产物。结果表明，该水解过程中白高粱麸皮(WB)的葡萄糖浓度为55g/L，红高粱麸皮(RB)的葡萄糖浓度为61g/L。这些浓度对应的水解率分别为49.9%和57.6%。结果表明，用热水对水解产物进行糊化可以提高水解得率。此外，用硫酸对WB和RB进行了稀酸水解。
表2显示了稀释酸水解如何导致WB和RB的高葡萄糖产量。WB中观察到的最高葡萄糖产率是在3%硫酸作用30分钟后，而RB中观察到的最高葡萄糖产率也是在3%硫酸作用15分钟后。在稀酸水解过程中进行固载比试验，发现酶水解和稀水解过程的水解收率相似。这是有希望的，因为硫酸比酶解所需的酶更便宜，提供了一种更经济高效和更容易获得的方法来生产用于发酵的水解物。
随着尼日利亚木薯的大量生产，已经进行了使用这种原料作为生物燃料资源的实验。木薯的不可食用部分包括茎、叶、皮和甘蔗渣。已确定通过热解，可以从这种作物的果皮生产生物油。热解是在没有空气的情况下加热材料的过程。在525℃的特定温度下，生物油收率为51.2%。使用无毒的茎高木质纤维素含量，沼气也可以通过裂解产生。研究发现，每毫克无糖木薯茎能产生153.3Nm3的沼气。大约35%的木薯植物是茎，使用这部分作物和果皮表明木薯残留物可以有效地生产生物燃料[18]。
木薯生物乙醇可以从木薯根中提取，就像巴西用甘蔗提取生物乙醇的过程一样。木薯生物乙醇是碳中性的，可以进行碳捕获，从空气中去除二氧化碳。表3显示了在替代全国汽油消耗量的5、10和15%时二氧化碳的去除值。
正如预期的那样，随着生物燃料替代比例的提高，碳捕获值将更大。由于温室气体排放和目前在大气中的数量是一个主要问题，从木薯制成的生物燃料的碳中性是一个吸引人的特点。木薯具有很高的通用性，可以制成生物油、沼气和生物乙醇。使用植物的木质纤维素材料不会干扰食物的消耗，并产生有用的燃料。

马来西亚

东南亚国家联盟(东盟)拥有可用于种植生物量的适宜土地。具体来说，马来西亚有大量适于农业的肥沃土地，每年生产1.68亿吨生物质。2019年，马来西亚被认为是世界第二大棕榈油生产国，棕榈油是生物燃料的良好来源。
马来西亚生产大量生物柴油，2017年生产4.9亿升生物柴油，预计到2027年将增长到8.15亿升。酯交换是一个一步过程，由于更高的生物柴油产量，更具有成本效益，比酯交换更可持续，一个两步生物柴油生产过程[20]。马来西亚目前有16家棕榈油生物柴油炼油厂，由于棕榈油价格低廉，每公顷产油量高达400 - 500万吨，这种特定类型的原料是马来西亚最有希望制造不同生物燃料[21]的原料之一。酯交换过程包括使用催化剂加氢甘油三酯和木质纤维素转化。甘油三酯与酒精反应生成酯和甘油，导致生物柴油和甘油因密度差异[20]而可分离。
与第一代、第二代、第三代和第四代生物燃料类似，还有第一代、第二代和第三代生物乙醇。第一代生物乙醇是从基于食物的生物质中生产的，其相当大的缺点是生产需求，如土地面积的使用和破坏。第二代生物乙醇是由木质纤维素生物质生产的，在环境友好性和能源输出方面优于化石燃料。第二代生物乙醇所具有的这些优点使其成为化石燃料的更可靠的替代品。马来西亚的一项进步是使用非常便宜且含糖量高的空果串(efb)生产第二代生物乙醇。纤维素是EFBs的主要成分，易于发酵生产生物乙醇。

表4显示了根据FFBs 23%的产量计算出的大约400万公吨/公顷的EFBs产量。纤维素计算如下:“从纤维素中提取的潜在生物乙醇(公吨)=纤维素量(公吨)×理论产量(0.5111)×葡萄糖回收率(0.76)×葡萄糖发酵效率(0.75)”。此外，半纤维素计算如下:“从半纤维素中获得的潜在生物乙醇(公吨)=半纤维素量(公吨)×理论产量(0.5175)×木糖回收率(0.90)×木糖发酵效率(0.50)”。
油棕空果束展示了马来西亚生物乙醇生产的潜在原料。通过适当的预处理工艺，如酶水解，可以优化糖的生产，并可以进行水解和发酵的后续步骤。然而，必须进行更多的研究来探索乙醇产量[22]。棕榈压纤维也可用于乙醇生产，含有24 wt.%的纤维素成分和14.40 wt.%的半纤维素成分。值得注意的是，在被用于生产生物燃料[23]之前，油棕的空果实串必须以纤维的形式存在。油棕残渣由于其高纤维素和半纤维素含量以及乙醇产量潜力，是一种很有前途的第二代乙醇生产原料。
由于大量棕榈油被用于生物柴油和生物燃料生产，可食用棕榈油的食品价格很高。寻找生产3G生物燃料的替代资源将有利于该国减少对棕榈油的环保能源依赖，并允许民众为棕榈油消费支付更低的价格。微藻被发现是一个很好的替代品，因为它们的生物量可以在一天内翻倍，通过它们的自然光合作用过程，二氧化碳会被吸收，氧气和水会被释放。绿藻科和绿藻科微藻类通常用于3G生物燃料[4]。硅藻科的微藻硅藻也是常用的[24]。使用微藻作为原料的另一个优点是，与棉花或棕榈植物相比，它们有更高的生物柴油产量。
从表5可以看出，与棕榈油、油菜籽等众所周知的原料相比，微藻可以在最少的种植用地上生产出最多的生物柴油。马来西亚的地理位置有最大的太阳辐照度，这有利于微藻的生长。在马来西亚，用微藻制造化妆品和药品已经是一项重要的发展，证明了这种原料在未来被用于生物燃料的前景广阔。

巴基斯坦

巴基斯坦是一个能源短缺的国家，就像尼日利亚一样，全国电力短缺约4760兆瓦。已经对巴基斯坦本土的微藻进行了研究，以帮助改善能源部门。微藻具有氧化稳定性和脂肪酸组成，是生产生物柴油的一种有前途的来源。此外，与传统柴油相比，生物柴油向环境中释放的一氧化碳和碳氢化合物更少，对环境的破坏更小。

生物柴油11%的含氧量减少了因疲劳而产生的有害排放。表6表明，微藻生物柴油释放的碳氢化合物和氮氧化物的ppm含量明显低于石油柴油。氮氧化物释放的巨大差异可能是因为微藻油不含有很多短链脂肪酸。
与陆地作物相比，微藻的光合效率也很高。使用本土微藻意味着无需进口成本，微藻能够适应当地环境[26]。在12、20和35°C的温度下，研究了来自炎热的Cholistan沙漠、寒冷的北部地区和巴基斯坦盐塘的32个不同菌株的生物量生产、中性脂质含量和脂肪酸含量。所有菌株的纲均为吊兰科或Trebouxiophyceae。生物量产量由孵化15天后微藻的干重决定，中性脂质含量由产生的脂质/干重的百分比乘以产生的生物量决定。最后，用气相色谱仪和火焰电离检测器测定了脂肪酸的组成。
结果表明，11株菌株在不同温度下均表现出良好的生长速率，且在不同温度下产量相近。人们已经认识到，许多微藻种类可以产生其生物量[27]的20-50%的脂质含量，其中19个研究菌株显示出有希望的中性脂质含量，适合于生物燃料。油酸C18:1在32株菌株中有31株检出，其中9株>值为75%，6株<50%。棕榈酸C16:0是这15个菌株中含量第二高的脂肪酸。高油酸含量有助于微藻具有良好的氧化稳定性[26]。
由于不利的生长条件，巴基斯坦有2800万公顷土地没有使用，但这些土地可以用来培育微藻，创造新的就业机会[25]。由于微藻生长在水环境中，利用废水生产微藻以减少营养需求已被建议。农业废水或人工废水都显示出高生物量和高脂含量的微藻生物燃料生产[27]。但是，由于废水中含有污染物，必须进行预处理处理，这可能是及时的，可能需要更多的成本。海水可以作为微藻培养的一种替代方法，因为它含有微藻所需的许多营养物质，而且不需要进行预处理。

结论

巴西、尼日利亚、马来西亚和巴基斯坦都在生物燃料生产方面取得了进展。生物燃料是更好的能源来源，因为它们更环保，而且在资源和生产方面对富裕国家不利。在温室气体排放方面，微藻生物柴油的排放明显低于石油柴油。此外，能量不足的问题可以通过可用的资源来解决。生物燃料的一个主要吸引力在于，经过处理的废物有可能在创造就业机会和促进工业化方面帮助经济。
巴西已经展示了非常高效的1G生物乙醇生产，以及利用香蕉废料生产2G沼气的巨大潜力。尼日利亚有丰富的甜高粱和木薯，鼓励生产2G生物燃料的可能性。马来西亚的油棕生物柴油产量很高，已有大量生物柴油炼油厂。油棕空果串纤维素和半纤维素含量高，具有较高的乙醇生产潜力。最后，巴基斯坦特别关注用于3G生物燃料生产的微藻，因为其环境类型多样。原生微藻生长速度快，中性脂质含量高，应用前景广阔。
虽然已经确定了各种生物燃料的经济上可行的加工方法，但重要的是这些方法的实施。未来所有不同类型的原料都有可能生产生物燃料，但目前取决于各个国家和国家如何以及何时实施这些方法。随着人们对环境问题的关注不断增加，许多新的想法和方法已经被提出，这对未来是大有希望的。

关于作者

Raj Shah博士是纽约科勒仪器公司的董事，他在那里工作了25年。他是IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSTMC，能源研究所和皇家化学学会的同行推选的研究员，astmeagle奖获得者，Shah博士最近共同编辑了畅销书“燃料和润滑剂手册”，
详情可浏览https://www.astm.org/DIGITAL_LIBRARY/MNL/SOURCE_PAGES/MNL37-2ND_foreword.pdf
Shah博士是宾夕法尼亚州立大学的化学工程博士和伦敦特许管理学院的研究员，也是科学理事会的特许科学家，能源研究所的特许石油工程师和英国工程理事会的特许工程师。作为纽约州立大学石溪分校材料科学与化学工程系的兼职教授，Raj发表了300多篇论文，在石油领域活跃了30年。更多关于Raj的信息，请访问//m.gxlakj.com/news/fuel-for-thought/13/koehler-instrument-company/dr-raj-shah-director-at-koehler-instrument-company-conferred-with-multifarious-accolades/53404

Mr. Nathan Aragon和Ms. Amanda Loo是纽约州立大学石溪分校化学工程专业的学生，Shah博士是该校材料科学和化学工程系的兼职教授和外部咨询委员会主席。

作者非常感谢David Forester先生对手稿的审阅。

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