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加州大学洛杉矶分校的 Charles Cai 和一个新安装的 20 加仑 CELF 反应器，该反应器将用于放大项目。图片来源：Stan Lim / UCR

生物燃料要想与石油竞争，生物精炼操作的设计必须更好地利用木质素。木质素是植物细胞壁的主要成分之一。它为植物提供了更高的结构完整性和抵御微生物侵袭的能力。然而，木质素的这些天然特性也使其难以从植物物质（也称为生物质）中提取和利用。

加州大学河滨分校副研究员 Charles Cai 说："木质素利用是以最经济、最环保的方式从生物质中提取所需物质的关键。设计一种能够更好地利用生物质中的木质素和糖的工艺，是这一领域最令人兴奋的技术挑战之一"。

为了克服木质素障碍，Cai 发明了 CELF，即共溶剂增强木质纤维素分馏技术。这是一种创新的生物质预处理技术。

"在生物质预处理过程中，CELF 使用四氢呋喃或 THF 来补充水和稀酸。它提高了整体效率，并增加了木质素提取能力，"Cai 说。"最重要的是，四氢呋喃本身可以用生物质糖类制成。"

CELF 在经济和环境方面的优势

一篇具有里程碑意义的《能源与环境科学》论文详细介绍了 CELF 生物精炼厂与石油燃料和早期生物燃料生产方法相比，在多大程度上具有经济和环境效益。

这篇论文由加州大学洛杉矶分校蔡的研究团队、橡树岭国家实验室管理的生物能源创新中心（Center for Bioenergy Innovation）和美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory）合作完成，由美国能源部科学办公室提供资金支持。其中，研究人员考虑了两个主要变量：哪种生物质最理想，以及提取木质素后如何处理。

加州大学河滨分校副研究员查Charles Cai发明了生物质预处理技术 CELF，该技术可使下一代生物燃料与石油燃料竞争。图片来源：Stan Lim / UCR

第一代生物燃料生产使用玉米、大豆和甘蔗等粮食作物作为原材料或原料。由于这些原料占用了粮食生产所需的土地和水资源，用它们来生产生物燃料并不理想。

第二代操作使用非食用植物生物质作为原料。生物质原料的例子包括制粉过程中产生的木材残渣、甘蔗渣或玉米秸秆，这些都是林业和农业生产过程中大量的低成本副产品。

根据能源部的数据，仅在美国，每年就有多达 10 亿吨的生物质可用于制造生物燃料和生物产品，能够替代 30% 的石油消耗，同时还能创造新的国内就业机会。

研究人员发现，与碳密度较低的玉米秸秆相比，CELF 生物精炼厂能更充分地利用植物物质，从而产生更大的经济和环境效益。

研究人员通过在 CELF 生物精炼厂中使用杨木，证明了可持续航空燃料的生产成本可低至每加仑汽油当量 3.15 美元。而目前美国每加仑航空燃料的平均价格为 5.96 美元。

美国政府以可再生识别码信用额度的形式发放生物燃料生产信用额度，这是一种旨在促进国内生物燃料生产的补贴。为第二代生物燃料发放的 D3 级信用额度通常以每加仑 1 美元或更高的价格进行交易。该文件表明，按照这个价格，人们可以预期从这项业务中获得 20% 以上的回报率。

Cai说："与玉米秸秆这样的廉价原料相比，多花一点钱购买杨树这样碳含量更高的原料仍然能产生更多的经济效益，因为你可以用它制造更多的燃料和化学品。"

该论文还说明了木质素的利用如何在保持尽可能低的碳足迹的同时，对整个生物精炼厂的经济效益做出积极贡献。在旧的生物精炼模式中，生物质是在水和酸中煮熟的，木质素除了其热值外大多无法利用。老式的生物炼油厂会选择燃烧木质素来补充热量和能源，因为它们大多只能利用生物质中的糖分--这是一个成本高昂的提议，会使很多价值落空。

除了更好地利用木质素，CELF 生物炼制模型还建议生产可再生化学品。这些化学品可用作生物塑料和食品饮料调味化合物的基本成分。这些化学品吸收了植物生物质中的部分碳，而这些碳不会以二氧化碳的形式释放回大气中。

"添加四氢呋喃有助于降低预处理的能源成本，并有助于分离木质素，这样就不必再焚烧木质素了。除此之外，我们还可以制造可再生化学品，帮助我们实现近乎零的全球变暖潜能值，"Cai 说。"我认为这将从第二代生物燃料迈向第二+代生物燃料。"

鉴于该团队最近取得的成功，能源部生物能源技术办公室向研究人员提供了 200 万美元的资助，用于在加州大学洛杉矶分校建立一个小规模的 CELF 试验工厂。蔡希望通过试验工厂的示范，促成对该技术的更大规模投资，因为利用化石燃料产生的能源会加剧全球变暖并对地球造成伤害。

"十多年前，我开始从事这项工作，因为我想产生影响。我想找到化石燃料的可行替代品，我和我的同事们已经做到了，"Cai 说。"利用 CELF，我们已经证明有可能从生物质和木质素中制造出具有成本效益的燃料，并帮助遏制我们向大气中的碳排放。"