第二代生物燃料——概述

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什么是生物燃料？

生物燃料是由生物质等有机材料直接或间接生产的燃料。这里使用的生物质主要是植物材料和动物废物。生物燃料的使用甚至早于石油的使用。美国是已知的领先生物燃料生产国。

生物燃料的世代

生物燃料目前分为四代。

第一代生物燃料

这是最传统的生物燃料类型。它大约在400年前就开始使用了。这些燃料通常由食物作物（如甘蔗、玉米等）的衍生物制成，以糖、淀粉、植物油或动物脂肪的形式，使用最传统的方法，如酵母发酵和其他生化方法，如水解和通过酯交换化学过程进行转化。这里，谷物、土豆、甘蔗发酵并蒸馏以生产生物乙醇，玉米种子压榨产生的植物油用作生物柴油。这里，这些代生物燃料的主要问题在于食物与作物之间的冲突，影响了人类的需求。

第二代生物燃料

这些生物燃料的开发是为了克服第一代生物燃料的局限性，通过利用非食用作物（如木材、有机废物、食物作物废物和一些从农业和森林残留物中获得的木质纤维素生物质）来生产生物燃料。

第三代生物燃料

这些生物燃料主要由藻类生产，被称为藻油。例如，由微藻生产的生物柴油和由海藻生产的生物乙醇。这一代燃料的优势是它不需要任何可耕地。

第四代生物燃料

这些最新一代生物燃料的生产利用转基因藻类，这些藻类与普通藻类相比具有改变的特性和细胞代谢。其优点包括产量高，尽管初始投资高，但从长远来看通常是经济的。

第二代生物燃料

这些第二代生物燃料主要是由于第一代生物燃料的显著局限性而开发的，它们通常由非食用作物制成，不会影响人类对食物的需求。

用于生产这些代燃料的非食用材料包括木质纤维素生物质，例如玉米作物、谷壳和小麦秸秆。

技术能够从植物中分离木质素和纤维素，然后发酵产生酒精。

这些生物燃料具有更高的可持续性百分比和更好的环境效益。

第二代生物燃料的生产

第二代生物燃料的生产是通过以下几种不同的方法进行的。

分步水解和发酵 (SHF)

这包括酶水解和发酵过程的顺序进行，并对温度进行独立优化。水解所需的酶是糖化酶，如纤维素酶，只需要少量。高浓度的糖（最终产物）会抑制纤维素酶活性的效率。它分四个步骤进行：

• 纤维素酶的生产。

• 纤维素的水解。

• 己糖的發酵。

• 戊糖的發酵。

同步糖化发酵 (SSF)

在这种方法中，酶水解和发酵过程在一个阶段组合在一起。这种在一个容器中同时进行糖化和发酵的过程减少了停留时间，并且具有成本效益。SSF方法的基础是使用酶复合物（纤维素酶）将纤维素水解成糖。由于纤维素水解和己糖发酵在一个步骤中进行，因此它分三个步骤进行。

同步糖化共发酵 (SSCF)

这种方法是从富含木糖的木质纤维素生物质生产乙醇的可行方案。在这里，预处理材料的酶水解也与发酵过程在一个容器中一起进行。为了促进发酵过程，它还使用了先进的基因工程技术。它分两步进行。

• 第一步进行纤维素酶的生产。

• 第二步同时进行己糖和戊糖的水解和发酵。

整合生物加工 (CBP)

在这种方法中，四个不同的过程在一个反应器中同时进行。这些包括：

• 使用微生物（如 A. nidulans、Pencillium sps、A. niger 和 Trichoderma reesei）生产糖酵解酶

• 多糖的水解——木质纤维素被酶化学消化，形成可发酵的糖，如葡萄糖和木糖。

• 己糖的发酵——被酵母（如 S. cerevisiae、Pichia stipites、Zymomonas mobilis 等）转化为乙醇。

• 戊糖的发酵

然后通过蒸馏过程分离获得的乙醇，然后将这种蒸馏的生物乙醇转移到精馏塔中，以实现生物燃料的浓缩和纯化。然而，只有通过脱水才能生产极其纯净的乙醇。

CBP 的益处

• 这种方法可以以低至 41% 的成本处理木质纤维素生物质以生产生物燃料和其他有价值的产品。

• 提高了纤维素乙醇的生产率。

• 它可以在单个优化温度下进行。

• 通过在一个反应器中进行，整体操作方法在一个步骤中得到简化，从而从纤维素生物质生产乙醇。

• 此过程所需的能量较少，预处理最少。

• 这确保了酶的完全去除。

• 抑制了其他副产品的产生。

• 因此，选择整合生物加工 (CBP) 技术来生产第二代生物燃料。

缺点

• 由于 CBP 过程涉及木质纤维素生物质的完全糖化，因此它利用了高酶负载进行消化。

• 发酵过程需要很长时间，产量也很低。

• 这里纤维素的水解最佳速率高于乙醇的最佳速率。

为了克服 CBP 的物理和化学挑战的局限性，对生物质进行预处理。在此预处理阶段，纤维素的结晶度降低，木质素降解以产生高产率的糖。

使用改良的酿酒酵母作为 CBP 生物体可以产生更多乙醇。

使用真菌介导的 CBP 可以产生高产量。

第二代生物燃料的局限性

• 与其他先进世代相比，种植原料有限。

• 大多数农业废物用于饲养牲畜。

• 部分废物用于烹饪。

• 与第三代和第四代生物燃料相比，它的产量较低。

结论

第二代生物燃料是随后从木质纤维素生物质（主要来自农业和林业废物）生产的生物燃料。生产这些生物燃料的过程包括不同的阶段，如预处理、酶的生产、木质纤维素的水解、糖的发酵以及生物燃料（如生物乙醇）的脱水和蒸馏。第二代生物乙醇是化石燃料的有用替代品，具有一些优势。