第二代生物燃料——概述

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什麼是生物燃料？

生物燃料是由生物質等有機材料直接或間接生產的燃料。這裡使用的生物質主要是植物材料和動物廢物。生物燃料的使用甚至早於石油的使用。美國是已知的領先生物燃料生產國。

生物燃料的世代

生物燃料目前分為四代。

第一代生物燃料

這是最傳統的生物燃料型別。它大約在400年前就開始使用了。這些燃料通常由食物作物（如甘蔗、玉米等）的衍生物製成，以糖、澱粉、植物油或動物脂肪的形式，使用最傳統的方法，如酵母發酵和其他生化方法，如水解和透過酯交換化學過程進行轉化。這裡，穀物、土豆、甘蔗發酵並蒸餾以生產生物乙醇，玉米種子壓榨產生的植物油用作生物柴油。這裡，這些代生物燃料的主要問題在於食物與作物之間的衝突，影響了人類的需求。

第二代生物燃料

這些生物燃料的開發是為了克服第一代生物燃料的侷限性，透過利用非食用作物（如木材、有機廢物、食物作物廢物和一些從農業和森林殘留物中獲得的木質纖維素生物質）來生產生物燃料。

第三代生物燃料

這些生物燃料主要由藻類生產，被稱為藻油。例如，由微藻生產的生物柴油和由海藻生產的生物乙醇。這一代燃料的優勢是它不需要任何可耕地。

第四代生物燃料

這些最新一代生物燃料的生產利用轉基因藻類，這些藻類與普通藻類相比具有改變的特性和細胞代謝。其優點包括產量高，儘管初始投資高，但從長遠來看通常是經濟的。

第二代生物燃料

這些第二代生物燃料主要是由於第一代生物燃料的顯著侷限性而開發的，它們通常由非食用作物製成，不會影響人類對食物的需求。

用於生產這些代燃料的非食用材料包括木質纖維素生物質，例如玉米作物、穀殼和小麥秸稈。

技術能夠從植物中分離木質素和纖維素，然後發酵產生酒精。

這些生物燃料具有更高的可持續性百分比和更好的環境效益。

第二代生物燃料的生產

第二代生物燃料的生產是透過以下幾種不同的方法進行的。

分步水解和發酵 (SHF)

這包括酶水解和發酵過程的順序進行，並對溫度進行獨立最佳化。水解所需的酶是糖化酶，如纖維素酶，只需要少量。高濃度的糖（最終產物）會抑制纖維素酶活性的效率。它分四個步驟進行：

• 纖維素酶的生產。

• 纖維素的水解。

• 己糖的發酵。

• 戊糖的發酵。

同步糖化發酵 (SSF)

在這種方法中，酶水解和發酵過程在一個階段組合在一起。這種在一個容器中同時進行糖化和發酵的過程減少了停留時間，並且具有成本效益。SSF方法的基礎是使用酶複合物（纖維素酶）將纖維素水解成糖。由於纖維素水解和己糖發酵在一個步驟中進行，因此它分三個步驟進行。

同步糖化共發酵 (SSCF)

這種方法是從富含木糖的木質纖維素生物質生產乙醇的可行方案。在這裡，預處理材料的酶水解也與發酵過程在一個容器中一起進行。為了促進發酵過程，它還使用了先進的基因工程技術。它分兩步進行。

• 第一步進行纖維素酶的生產。

• 第二步同時進行己糖和戊糖的水解和發酵。

整合生物加工 (CBP)

在這種方法中，四個不同的過程在一個反應器中同時進行。這些包括：

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

• 多糖的水解——木質纖維素被酶化學消化，形成可發酵的糖，如葡萄糖和木糖。

• 己糖的發酵——被酵母（如 S. cerevisiae、Pichia stipites、Zymomonas mobilis 等）轉化為乙醇。

• 戊糖的發酵

然後透過蒸餾過程分離獲得的乙醇，然後將這種蒸餾的生物乙醇轉移到精餾塔中，以實現生物燃料的濃縮和純化。然而，只有透過脫水才能生產極其純淨的乙醇。

CBP 的益處

• 這種方法可以以低至 41% 的成本處理木質纖維素生物質以生產生物燃料和其他有價值的產品。

• 提高了纖維素乙醇的生產率。

• 它可以在單個最佳化溫度下進行。

• 透過在一個反應器中進行，整體操作方法在一個步驟中得到簡化，從而從纖維素生物質生產乙醇。

• 此過程所需的能量較少，預處理最少。

• 這確保了酶的完全去除。

• 抑制了其他副產品的產生。

• 因此，選擇整合生物加工 (CBP) 技術來生產第二代生物燃料。

缺點

• 由於 CBP 過程涉及木質纖維素生物質的完全糖化，因此它利用了高酶負載進行消化。

• 發酵過程需要很長時間，產量也很低。

• 這裡纖維素的水解最佳速率高於乙醇的最佳速率。

為了克服 CBP 的物理和化學挑戰的侷限性，對生物質進行預處理。在此預處理階段，纖維素的結晶度降低，木質素降解以產生高產率的糖。

使用改良的釀酒酵母作為 CBP 生物體可以產生更多乙醇。

使用真菌介導的 CBP 可以產生高產量。

第二代生物燃料的侷限性

• 與其他先進世代相比，種植原料有限。

• 大多數農業廢物用於飼養牲畜。

• 部分廢物用於烹飪。

• 與第三代和第四代生物燃料相比，它的產量較低。

結論

第二代生物燃料是隨後從木質纖維素生物質（主要來自農業和林業廢物）生產的生物燃料。生產這些生物燃料的過程包括不同的階段，如預處理、酶的生產、木質纖維素的水解、糖的發酵以及生物燃料（如生物乙醇）的脫水和蒸餾。第二代生物乙醇是化石燃料的有用替代品，具有一些優勢。