文摘
当你乘坐公共汽车去学校在早上,你的旅程可能是由柴油或汽油,这都是由石油。石油是一种化石燃料,这意味着它是由分解,生物化石,如古代植物、浮游生物和藻类——被埋在地球表面的数百万年。
化石燃料如石油、天然气和煤炭来自地球深处,和用于驱动汽车,供暖和发电。石油也可以用来制造石油化工(石化),在日常鞋的鞋底或塑料盖的校车的座位。
化石燃料的优点是,他们非常能量密度,即。,它们含有大量的能量每单位体积。这意味着化石燃料非常擅长驱动汽车和发热。不好的事情对地球化石燃料是有限的。因为化石燃料需要数百万年形成,我们最终会使用它们之前。另外,燃烧化石燃料或石化释放气体二氧化碳(有限公司2)。有限公司2被称为温室气体,因为它可以捕获太阳光线在地球的大气,就像温室的玻璃屋顶。燃烧化石燃料提出了有限公司2大气中二氧化碳含量,这可能导致气候中断包括全球变暖(1)。
因为这些问题,科学家和工程师们正在努力寻找新类型的不添加燃料和化学品有限公司2大气,可以重新当供应不足。燃料和化学品,满足这些需求被称为“可持续发展的。”在一个环境意义上,可以使用材料是可持续的,如果从长远来看,没有耗尽或有一个整体的负面环境影响。
生物燃料是一种燃料,展示了许多承诺我们的能源未来,因为它是可再生和环境友好。换句话说,生物燃料是可持续的。
生物燃料的生产通常从植物材料不能被人类吃掉,如玉米秸秆、草和木屑。生物质的另一个名字是用于制造生物燃料的植物材料。生物质收获和加工时,科学家们可以分解和植物细胞转换成可再生燃料或化学物质。因此,而不是等待一百万年自然改变植物化石燃料,科学家们正试图加快这个过程通过使用聪明的化学制造生物燃料的植物今天还活着。
现在,等一下。如果燃烧化石燃料,它是由古代有机物,泵有限公司2到大气中…不燃烧生物燃料创造同样的问题?幸运的是,答案是否定的。燃烧生物燃料确实发行有限公司2,但请记住,生物燃料使用的植物不是古代——他们生活在地球上的同时,你和我。作为人类,当我们呼吸氧气生存,植物呼吸有限公司2。这意味着,因为植物用于生物燃料消耗有限公司2随着他们的成长,没有增加的数量有限2在大气中被烧毁。他们只是替换他们。此外,与石油不同,我们可以种植新的植物生物燃料,当我们需要他们。
所以,如果生物燃料可持续和环境友好,然后他们必须完美的解决我们的能源问题,对吧?不幸的是,科学家们使用的过程将生物质转化为生物燃料可能会非常昂贵。昂贵的化学反应意味着昂贵的生物燃料和bioproducts,大多数消费者宁愿选择普通汽油或塑料在更昂贵的“绿色”产品。此外,一些生物燃料反应需要严厉的化学物质可以创建他们自己的环境问题,让我们回到我们开始的可持续性(2)。
植物是如何变成有用的燃料和化学品,我们必须先了解他们是什么做的。植物细胞的城墙负责几乎所有植物的重量,是由三个复杂的分子称为纤维素,半纤维素,木质素(图1)。
- 图1 -这个数字说明了植物组织的基本结构,从叶的水平(上图:“非食用植物”)和缩放在细胞水平(左:“植物细胞”)。
- 正如你所看到的,在细胞水平上,纤维素分子(蓝色所示)紧密到包被半纤维素(橙色)和木质素(绿色)。这个紧密结构有助于使植物组织坚固耐用。
前两个分子,纤维素和半纤维素,是充满简单的糖积木,都绑定在一起,结构紧凑,支持第三分子-木质素(图1)。所有三个复杂的分子在植物必须分解访问糖内构件,它可以转化为生物燃料。
完成这个生物质分解的一个方法是使用很多严厉的化学物质分解植物组织。然而,这些化学物质可以是昂贵的,甚至有毒的(2)。理想情况下,我们想使分解植物更容易,所以我们不需要尽可能多的依赖这些化学物质。
一个可能的解决方案是使用一个溶剂——液体化学性质,使它溶解…像植物的其他材料。我们大多数人每天都使用溶剂,即使我们没有意识到它。例如,您使用水作为溶剂每次洗手或使即时热巧克力。
有时候,只有一种溶剂可以完成工作。例如,水可以溶解可可粉做热巧克力,但这并不会消除指甲油,为此,你需要化学物质丙酮、乙酸乙酯。
不幸的是,直到最近,能源研究人员找不到一种溶剂,是(a)便宜,可持续(b)和(c)擅长分解植物。但是现在,我们已经发现了一个非常有趣的新溶剂称为γ-valerolactone(GVL),可以使生物燃料生产更便宜和更有效的(3)。GVL就是这样一个有趣的溶剂,因为它不仅是廉价的——它是可再生的,因为它是由生物质本身。
我们发现,我们可以使用原始GVL提取超过70%的糖被困在生物量的致密结构,产生单糖,也就很容易转变成燃料。这个过程中说明了图2在项目进行的过程中,它显示了化学反应在一个生物燃料的反应堆。生物燃料反应堆金属容器包含biofuel-processing反应。他们是专门设计的承受热,压力,和化学物质。
- 图2 -糖生产从植物,使用GVL作为溶剂。
GVL的两个主要的特性使它成为一个很好的糖提取溶剂:
(1)GVL给酸一个很大的提高。
对于任何化学反应开始,涉及的成分(反应物)首先必须收集足够的能量。启动所需的最小能量的反应称为“活化能”(图3)。在常见的生物燃料生产反应,许多酸是帮助分解生物质与水混合。这可能需要一段时间,特别是在非常艰难的或木本植物,但GVL添加到反应酸一个巨大的能量增加。这种刺激有助于系统收集其活化能更快,所以反应可以更快地进行(4,5)(图3)。
- 图3 -这个图表说明了化学反应的进化。
- 的“免费能源”是一个时髦的说法的能源相关的化学反应。“反应进展”代表国家,反应物必须经过为了变成产品。
为了说明这一现象,想象,两个女孩,吉玛和瓦莱丽,要互相竞赛的一个陡峭的山坡。通常,跑步者都必须站在起跑线后确保比赛是公平的。但在这个种族,吉玛实际上是允许大头:蜂鸣器响起时,她开始运行在陡峭的山坡,而瓦莱丽必须从最底部开始。你认为谁会赢?你猜对了-吉玛到达山顶之前,瓦莱丽。正如先机将吉玛接近山顶在类比的竞赛中,GVL让酸更接近与生物反应,使反应进行得更快。
(2)GVL木质素的方法。
植物,木质素是非常重要的:它给他们的形状和结构,帮助他们变得健康和强壮。但科学家,木质素只是一个麻烦。这是一个艰难的,顽固分子很难分解,它干扰从纤维素和半纤维素获得单糖分子。有一天,科学家希望能够分解木质素本身有用的东西,但是现在,他们只是想要的方式。GVL溶解木质素的非同寻常的能力,防止阻塞大奖:能源丰富的糖构建块。
也许,最好的一件事GVL可以回收。反应的生物燃料、液体有限公司2可以添加到反应堆每个反应物分离成不同的层(图2)。认为一瓶高档沙拉酱:油和醋,而不是相互混合,待完全独立,直到瓶子动摇。同样地,当公司2添加到生物燃料的反应堆,GVL变得就像这样沙拉酱和糖的解决方案。糖都进入一层和集中图2),而GVL形成自己的独立的层。GVL可以轻松地删除和再次使用,而糖溶液,科学家最终大约是5倍浓缩比没有GVL。这增加浓度是非常重要的,因为这意味着你需要花更少的能量净化最终产品,使整个生产过程更有效率和更少的浪费。
GVL被移除后,集中和非常有用的糖溶液是留下。科学家们使用这种能源解决方案有两个选择:
- 他们可以通过进一步升级糖化学反应其他有用的分子,用于使许多项来自石化今天。这意味着GVL可以用来产生可持续的替代塑料、肥皂、油漆、和许多其他常见的材料。
- 他们可以“喂”糖微生物,如酵母或细菌,然后代谢和生产燃料。生物燃料乙醇是一个例子:它可以作为汽车和卡车和其他机器一样有效的汽油。一些微生物有一个特别好的胃口使用GVL产生的糖,因为他们是免费的严酷的化学物质,通常用于其他生物燃料的反应。微生物可以不仅存活下来,而且成长在GVL-treated糖意味着GVL适用于其他生物反应——不仅仅是化学的。在这个工作中,微生物被用来生产乙醇浓度非常高,它没有成本,净化乙醇成可用的燃料。
所有这些原因,使用GVL给科学家们希望创造生物燃料和化学物质可以与石油产品在市场上竞争。几个世纪以来,人类已经发明的新技术和发展产业以惊人的速度,有时在一个严重的环境成本。生物燃料生产过程符合所有的要求支付能力,提高和可持续性有可能造福人类和地球。gvl作用的发现生物燃料处理,我们相信,我们是一个可持续的未来更近一步。
术语表
生物燃料:↑某些类型的植物(见生物质能)可以加工成液体或气体燃料的生物燃料。一些生物燃料可以提供可再生能源替代化石燃料,如汽油。
生物质:↑生物质是一个一般术语指的是任何有机材料(含碳)来自生活物质,如植物。植物是由三个主要分子:纤维素、半纤维素和木质素。类型的生物质用于生物燃料包括植物和植物废料,如草、玉米秸秆和木屑。
化石燃料:↑化石燃料形成地下经过数百万年的进化,并从组织是由有机物古老的植物和动物。化石燃料包括煤炭、天然气和石油。石油可以提炼成其他的燃料,如柴油和汽油。
全球变暖:↑当太多的气体二氧化碳(有限公司2)进入大气中,它可以使太阳光在大气中。这种现象称为温室效应,导致全球气温增加整体称为全球变暖。
GVL:↑GVL是γ-的缩写valerolactone。它是一种化学物质,可以很容易地从植物中提取的。在我们的实验中,我们使用GVL作为溶剂来溶解植物。在过去,GVL已经使用在香水行业,因为它有一个甜蜜的草药的气味。GVL也被用于医药产品。
反应:↑化学反应发生在原子物质成为重新安排,导致物质的化学变化。一个化学反应只能进行一次聚集足够的能量。这最少的能量开始反应称为活化能。
溶剂:↑在化学反应中,溶剂是液体或气体,可以溶解另一种物质,叫溶质。当你添加一个溶质溶剂,最终你会得到一个解决方案。
可持续发展的:↑在环境意义上,可以使用材料是可持续的,如果从长远来看,没有耗尽或有一个整体的负面环境影响。例如,可再生能源是可持续的,因为我们可以生产更多的环境不会造成重大损害。在更大的范围内,生态系统可持续发展随着时间的推移如果它能生存与健康水平的生物多样性、生产力,和资源。
原始的文章
↑Luterbacher, j·S。兰德,j . M。,Alonso, D. M., Han, J., Youngquist, J. T., Maravelias, C. T., et al. 2014. Nonenzymatic sugar production from biomass using biomass-derived γ-valerolactone. Science 343:277–280. doi:10.1126/science.1246748
引用
[1]↑测试人员,j . w . 2005。可持续能源。剑桥,麻州:麻省理工学院出版社。
[2]↑Luterbacher, j·S。,Martin Alonso, D., Dumesic, J. A. 2014. Targeted chemical upgrading of lignocellulosic biomass to platform molecules. Green Chem. 16:4816–38. doi: 10.1039/C4GC01160K
[3]↑Luterbacher, j·S。兰德,j . M。,Alonso, D. M., Han, J., Youngquist, J. T., Maravelias, C. T., et al. 2014. Nonenzymatic sugar production from biomass using biomass-derived γ-valerolactone. Science 343:277–80. doi: 10.1126/science.1246748
[4]↑Mellmer, m·A。森,C。,Gallo, J. M. R., Luterbacher, J. S., Alonso, D. M., Dumesic, J. A. 2014. Solvent effects in acid-catalyzed biomass conversion reactions. Angew Chem. Int. Ed. 53:11872–5. doi: 10.1002/anie.201408359
[5]↑Mellmer, m·A。,Alonso, D. M., Luterbacher, J. S., Gallo, J. M. R., Dumesic, J. A. 2014. Effects of γ-valerolactone in hydrolysis of lignocellulosic biomass to monosaccharides. Green Chem. 16:4659–62. doi: 10.1039/C4GC01768D