如何用秸稈驅動汽車？

乙醇汽油與燃料乙醇

以前一般是這樣處理秸稈的：

秸稈焚燒

這是簡單粗暴的。

近年來，秸稈焚燒已成為威脅人類健康的重要因素。國家嚴格禁止焚燒秸稈，甚至有些地區還禁止使用農村柴火灶。

其他傳統的秸稈處理方法包括飼料用秸稈、堆肥、造紙、建材等，雖然處理方式多種多樣，但對秸稈的消耗量遠遠不夠。

當代科學家提出了一種更時尚的玩法

例如，用稻草開車！

用秸稈驅動汽車需要幾步走？

秸稈驅動汽車

第一步，要把秸稈從田頭拉到工廠。

秸稈是一種不易收集、運輸和儲存的錯位資源。

在現代農業制度發達的歐美國家，普遍采用集、儲、運於一體的模式。

例如，在丹麥，由專業的秸稈收集、儲運公司或規模化農戶負責秸稈的收集、乾燥、儲存、儲運。根據能源企業的要求，對秸稈進行質量檢測。最終形成了較為完整的收儲運輸體系。

秸稈收儲運體系

但我國大部分地區以小農經濟為主，更適合分散收儲運方式。散落的秸稈由農民或秸稈經紀人收集，直接提供給企業。

秸稈收儲運輸是變廢為寶的第一步。如果秸稈所產生的能量不能抵消收集、儲存和運輸過程中所消耗的能量，最終會不會是浪費時間？

為了進一步完善秸稈供應體系，國家甚至出台了《秸稈收儲運輸系統建設規範》。

秸稈收儲運體系建設規範

鑒於國家電網旗下國家能源生物質燃燒發電項目已運行多年，積累了豐富的秸稈商業化收集經驗，相信秸稈收儲運輸不會成為我國實現產業化的短板新一代生物燃料。

第二步，要打破秸稈的抗降解屏障。

秸稈細胞壁木質纖維素是一種豐富的可再生資源，有望通過生物質轉化技術替代傳統化石能源。

如果用催化劑直接降解秸稈，他們會說：“真難啃！”別怪他們的壞牙。如果你想責怪他們，稻草的抗降解屏障太強了。

在幾億年的進化過程中，植物細胞壁形成了一道阻止微生物和酶降解的屏障，使秸稈在玉米成熟之前能夠挺立起來。

如果你把這個屏障比作混凝土牆，那麼細胞壁中的纖維素是鋼，支撐著植物的身體。

兩種葡萄糖反應生成的纖維二糖是纖維素鏈的基本單元。許多纖維二糖分子通過共價鍵手牽手連接形成糖鏈（a）。糖片（b）是由糖鏈之間的氫鍵形成的，其密度高到水分子無法插入。然後，通過疏水作用和範德華力將不同大小的糖片進一步壓縮成六邊形的糖柱（c），糖柱在不同方向上結合在一起，形成不規則的纖維素網絡晶體結構（d）。

微纖絲多層次結構模型

除了纖維素本身複雜的結晶結構，細胞壁中還含有大量結構更加複雜的半纖維素和木質素，它們像水泥一樣包裹在纖維素“鋼筋”的周圍，打造了一面固若金湯的城牆。

植物細胞壁示意圖

抗降解屏障形成了微生物與植物之間的生存平衡，使秸稈的降解過程非常緩慢。在實驗室裏，人類打破了這個障礙。

工程技術人員不僅可以有效地破壞包裹在纖維素中的半纖維素和木質素，而且可以通過破碎、酸堿、加熱和氣體爆炸等方法使纖維素結構變得松散，增加其表面積。

然而，問題又來了。科學家們發現，盡管經過預處理的稻草在物理結構上更容易降解，但微生物們並不高興。

在預處理過程中，會產生多種有毒化合物，抑制微生物的生長繁殖。因此，工程師需要在預處理後增加一個解毒步驟來去除有毒物質。

第三步，要把秸稈變成糖。

在中國，有一個地方常年氣溫在50-60攝氏度之間，而且總是風雨飄搖。這是山東能源研究院實驗室的恒溫搖床。有一種嗜熱厭氧細菌熱梭菌。它們的祖先來自美國黃石公園的溫泉，已經繁衍了幾千代。

熱梭狀芽孢杆菌具有高效降解木質纖維素的能力。因此，熱梭狀芽孢杆菌是一種研究熱點。

考慮到熱細胞梭菌對纖維素的凶猛性，我們傾向於將其與微觀世界的遊牧民族相比較。在他們眼裏，稻草是糖做的城堡。

熱細胞梭菌漫無目的地遊蕩在開放的微觀世界裏，突然一個纖維二糖分子閃過。他們很快捕捉到前方有纖維素的信號。在細胞壁上形成了一個細胞壁上的嗜熱菌，並在細胞壁上形成了一個具有嗜熱性的蛋白質的支架，從而加快了嗜熱菌的合成速度。

纖維小體降解纖維素（圖片來自網絡）

它們利用一種碳水化合物結合模塊將自己牢牢固定在纖維素表面，然後揮舞起纖維小體，打斷纖維素鏈，切割下纖維二糖，最終再水解為葡萄糖分子。

纖維小體能夠高效降解木質纖維素，歸功於不同功能纖維素酶之間的分工合作。更神奇的是，它能夠根據底物的特性動態調控纖維小體的組成和組分，變化多端，被行內譽為“降解木質纖維素的超級分子機器”。

最後一步，要把纖維素糖發酵成生物燃料。

纖維素糖是自然界中最基本的碳源之一，可以與多種下遊過程微生物耦合。

釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）是自然界中廣泛存在的一種“天然發酵劑”，它能將糖發酵成二氧化碳和乙醇。

酒精滅菌是一種生活常識。許多微生物確實很難忍受它們代謝的乙醇。然而，由於不能飲用，釀酒酵母被認為是纖維素乙醇發酵的首選菌種。

生物乙醇制備後，與汽油按1:9的比例混合，制成乙醇汽油。

乙醇汽油

乙醇汽油具有許多優良的性能。

首先，乙醇辛烷值高，可以替代汽油中的含鉛添加劑，提高汽油的防爆性能；

其次，乙醇的高含氧量可以提高混合燃料的燃燒效率，減少顆粒物和氮氧化物的排放，避免過多積碳導致的發動機故障；

此外，混合燃料中的硫含量降低，減少了硫氧化物的排放，硫氧化物是一種致癌物質，也是酸雨現象的主要元凶之一。

事實上，第一代生物乙醇已經產業化，但所用的主要原料是玉米。但結果是，生物燃料的生產很容易影響糧食價格，引發“糧食和燃料爭端”。

糧食與燃料之爭

例如，2007年，美國為增加生物燃料產量，玉米種植面積比上年增加23%，導致大豆種植面積大幅減少16%，導致2008年大豆價格大幅上漲。

第二代生物乙醇使用玉米秸稈，玉米秸稈被視為“農業廢棄物”，具有不與人爭糧爭地的強大優勢。目前，第二代生物乙醇的生產成本正在研究中，已經進入商品化的初級階段。

中國農業正從勞動密集型產業向能源密集型產業轉變。糧食的生產、運輸和銷售都依賴於化石能源。可以說，國際油價一直威脅著農業的發展。

大力發展以農業廢棄物為原料的生物燃料，可以實現“農業發展—能源生產—農業發展”的良性循環，有利於國家能源安全和農業安全。

來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所