原創(chuàng) 圓的方塊 果殼

先問(wèn)一個(gè)問(wèn)題：“水變油技術(shù)，你知道么？”你肯定會(huì)毫不猶豫地回答“騙局！假的”。然而如果再問(wèn)：“地溝油變?nèi)加湍兀俊毕嘈拍憧隙〞?huì)躊躇下，再表示“八成也是騙局吧？”然而，有一群腦洞大開(kāi)的化工研究專(zhuān)家，立志要把這項(xiàng)聽(tīng)上去像騙局的技術(shù)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，并且更進(jìn)一步：不但地溝油可以變成燃油，甚至廚余垃圾中的剩飯剩菜，也能變身燃油，還是品質(zhì)高大上的航空燃油。

紀(jì)春生同志早在二十多年前就高瞻遠(yuǎn)矚地提出了類(lèi)似的創(chuàng)新

什么地溝油，請(qǐng)叫我可持續(xù)航空燃料！

為什么地溝油和廚余垃圾能變身寶貴的燃料，這還要從燃料本身的化學(xué)構(gòu)成談起。

航空燃油，說(shuō)白了就是給航空飛行器使用的燃油，主要成分是一些烴類(lèi)化合物，分子式可以寫(xiě)成CH3(CH2)nCH3，其中這個(gè)n大約在7到13之間。一般來(lái)說(shuō)，航空燃油里還會(huì)加入一些特定的添加劑來(lái)提高穩(wěn)定性，并降低高溫爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

加油中的大型客機(jī)，航空燃油需求的增長(zhǎng)和油價(jià)的上揚(yáng)，共同推動(dòng)了替代性航空燃料的研發(fā) | caa.gov.qa

如今航空業(yè)發(fā)展迅速，對(duì)航空燃油的消耗也與日俱增。僅僅在美國(guó)，一年的航空燃油消耗就超過(guò)了6300萬(wàn)噸，而且這個(gè)數(shù)字在30年內(nèi)還會(huì)再翻一番。

傳統(tǒng)生產(chǎn)航空燃油的方法，就是用石油化工的手段，從原油中把符合條件的分子分離出來(lái)。然而石油畢竟有限，經(jīng)不起無(wú)休止的消耗。于是有人開(kāi)始想辦法，用其他原料來(lái)制造航空燃油。而進(jìn)入這個(gè)石油替代品清單的就包括“地溝油”。

地溝油面貌猙獰，只能放一張食用油意思下 | pexels.com

沒(méi)錯(cuò)，就是那個(gè)人人喊打的地溝油。

地溝油，泛指那些回收的劣質(zhì)食用油或者反復(fù)使用的炸油，當(dāng)然絕對(duì)不能讓它上餐桌。不過(guò)，地溝油與食用油的主要成分基本相同，都是甘油三酯。而甘油三酯是由三個(gè)脂肪酸分子和一個(gè)甘油分子形成的。以常見(jiàn)的飽和脂肪酸為例，把它的分子式寫(xiě)出來(lái)就是CH3(CH2)nCOOH。在我們?nèi)粘Ｓ玫降膭?dòng)植物油中，這個(gè)n值在13到21之間。

對(duì)比脂肪酸和航空燃油的分子，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的主要構(gòu)成都是碳的長(zhǎng)鏈，但存在兩個(gè)區(qū)別：一是航空燃油的分子更短，二是航空燃油的分子中沒(méi)有氧元素。所以，如果能把地溝油中的脂肪酸變成更短的、沒(méi)有氧的分子，這不就能得到航空燃油了嗎？

就是沿著這個(gè)直白的思路，早在十幾年前，就有高科技企業(yè)開(kāi)始了嘗試用地溝油來(lái)做航空燃料。比如，一家名為SkyNRG的公司就開(kāi)發(fā)了一種“地溝油變?nèi)加汀钡募夹g(shù)。在他們的方案中，先要對(duì)地溝油進(jìn)行加氫脫氧處理，將脂肪酸中的氧元素去掉。隨后，再使用特殊的催化劑，將地溝油中長(zhǎng)碳鏈分子裂解，使其達(dá)到航空燃料中需要的長(zhǎng)度。至此，地溝油就華麗變身為航空燃油。這種使用可回收原料做成的航空燃油就又稱(chēng)為可持續(xù)航空燃料（Sustainable Aviation Fuel，SAF）。

這種簡(jiǎn)稱(chēng)為SAF的燃油已經(jīng)陸續(xù)投入了使用。2014年，一架荷蘭皇家航空公司的空客客機(jī)，使用了地溝油燃油和普通燃油的混合油，進(jìn)行了一次長(zhǎng)達(dá)10小時(shí)的商業(yè)飛行。

正在加注可持續(xù)航空燃料的荷蘭皇家航空公司客機(jī) | Gunter Binsack

這種SAF的好處顯而易見(jiàn)。除了節(jié)省了石油資源，還可以大幅度降低二氧化碳排放：燒掉化石燃料時(shí)，釋放出了以前埋藏在地底的碳，是在向大氣中不斷增加碳元素。而對(duì)于SAF來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)卻大為不同：農(nóng)作物變成了食用油，食用油變成地溝油，地溝油做成SAF。所以，燃燒SAF時(shí)所釋放出的二氧化碳，其實(shí)是那些生物在生長(zhǎng)過(guò)程中從大氣中吸收的那部分。而且，與傳統(tǒng)的燃料相比，SAF燃燒放出的硫元素之類(lèi)雜質(zhì)會(huì)大幅降低，從而可以減少空氣污染。

羅爾斯·羅伊斯公司的工程師正在測(cè)試研發(fā)中的下一代航空引擎，SkyNRG也是這項(xiàng)聯(lián)合研發(fā)計(jì)劃的參與者，目的就是要制造能夠最大發(fā)揮SAF燃料效率的環(huán)保節(jié)能引擎 | Rolls-Royce

當(dāng)然，這種技術(shù)要想推廣起來(lái)也沒(méi)那么簡(jiǎn)單。首先，還是成本問(wèn)題。因?yàn)槎喑隽思庸ぶ舅岱肿拥裙ば?，有人估算過(guò)，使用地溝油版燃油的成本是普通航空燃油的3到40倍。其次，是原料來(lái)源有限。地溝油在廚余垃圾畢竟也只是小類(lèi)。例如2011年，有一家歐洲荷蘭公司為了尋找用來(lái)做SAF的原料，特意到中國(guó)購(gòu)買(mǎi)了幾十噸的地溝油。

那么，有沒(méi)有“原料多又便宜”的SAF生產(chǎn)方法呢？研究人員就把目光投向了數(shù)量巨大且成分相似的“廚余垃圾”。

神奇的細(xì)菌，請(qǐng)求出戰(zhàn)！

說(shuō)到廚余垃圾，大家肯定想到我們每天的剩菜剩飯，和加工果蔬、肉類(lèi)時(shí)拋棄的下腳料。不過(guò)在有機(jī)化學(xué)工程師眼里，它們是蛋白質(zhì)、糖、纖維等碳鏈分子。理論上，這些都可以成為SAF的原料。有人估算過(guò)，如果每年產(chǎn)生的廚余垃圾都變成燃料，可以滿(mǎn)足幾乎一半的航空需求。

隨著生物化學(xué)工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，曾經(jīng)只能焚燒填埋的廚余垃圾，將變成寶貴的燃料 | wikipedia.org

但廚余垃圾的種類(lèi)繁多，成分要遠(yuǎn)比地溝油復(fù)雜，想通過(guò)現(xiàn)有的化學(xué)化工方法來(lái)轉(zhuǎn)化它們，難度很大。問(wèn)題的關(guān)鍵在于，如何把廚余垃圾中的長(zhǎng)碳鏈變成短的。而這就需要神奇的細(xì)菌朋友來(lái)幫忙了。

要想把長(zhǎng)的碳分子鏈打斷，除了化學(xué)法，還可用生物法，就是使用細(xì)菌們的厭氧消化作用。厭氧細(xì)菌將廚余垃圾降級(jí)成甲烷（CH4）、二氧化碳、水這些小分子來(lái)生產(chǎn)沼氣，靠的就是這個(gè)過(guò)程。

2021年2月，來(lái)自美國(guó)橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室的學(xué)者們找到了一種方法來(lái)指揮細(xì)菌，讓它們幫忙把廚余垃圾消化、加工成航空燃油。

原本細(xì)菌會(huì)把食物殘?jiān)壤械闹舅岱纸獬杉淄?，而研究者要做的就是阻斷這個(gè)過(guò)程。具體方法是，先選擇一種特殊的混合菌株，然后精確調(diào)控溫度和化學(xué)環(huán)境，讓這種混合菌株無(wú)法“出盡全力”，不能將長(zhǎng)脂肪酸完全分解為甲烷。取而代之，這些“偷懶”的細(xì)菌只能把脂肪酸分解成比較短的分子，這些分子是一些長(zhǎng)度在3~8個(gè)碳的弱酸。

厭氧菌分解垃圾所形成的含碳弱酸分子 | wikipedia.org

而這些弱酸分子可以再合并成一個(gè)較大分子，并釋放出二氧化碳和水。這些新生成的分子長(zhǎng)度幾乎是原來(lái)的兩倍，也就是包含了5~15個(gè)碳原子，這就接近了航空燃油中的碳鏈長(zhǎng)度。

只不過(guò)，此時(shí)的新分子中仍然存在氧元素。為此，研究者們?cè)O(shè)計(jì)了兩種后續(xù)的處理方式。第一種方法是對(duì)于比較長(zhǎng)的新分子（鏈中碳原子數(shù)多于8），就用一類(lèi)廉價(jià)催化劑，讓分子中氧與氫氣反應(yīng)，再以水的形式釋放出來(lái)；另一種方法是針對(duì)稍短的新分子（鏈中碳原子數(shù)少于8），先使用一種名為“醛醇縮合”的過(guò)程，讓短分子連在一起，滿(mǎn)足碳鏈長(zhǎng)度，再配合催化劑反應(yīng)，脫出氧元素。研究表明，這兩種后續(xù)處理方式的效果都還不錯(cuò)，而且使用的催化劑價(jià)格也還算合適。

讓我們?cè)倩仡櫹抡麄€(gè)流程：把剩菜剩飯放入細(xì)菌反應(yīng)器中，阻止細(xì)菌產(chǎn)生甲烷，而讓它們生產(chǎn)短的弱酸分子，隨后再經(jīng)過(guò)幾個(gè)反應(yīng)，就能得到不錯(cuò)的燃料。

整套反應(yīng)過(guò)程確實(shí)可行，那么關(guān)鍵的問(wèn)題來(lái)了：這要多少錢(qián)？

德法合資“全球生物能源公司”在萊比錫附近建造的生物轉(zhuǎn)化環(huán)保燃料生產(chǎn)線 | Gunter Binsack

研究人員估算了一下，假如它們每天能轉(zhuǎn)化200噸的食物垃圾，那么得到的燃料就能和普通航空燃油在價(jià)格上掰掰手腕。

這成本看起來(lái)還不錯(cuò)。當(dāng)然，要是考慮上碳排放的話，就更合算了。畢竟，如果把食物垃圾倒進(jìn)填埋場(chǎng)，會(huì)產(chǎn)生大量的甲烷，而甲烷的溫室效應(yīng)要比二氧化碳高出不少。

總之，新技術(shù)的出現(xiàn)讓廚余垃圾有了更好的舞臺(tái)。以后再坐航班的時(shí)候，沒(méi)準(zhǔn)在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)里，燃燒著你三個(gè)月前吃剩的外賣(mài)。

這也許是另一層面上的“燃燒我的卡路里”。

參考文獻(xiàn)

[1] Huq, N. A. , Hafenstine, G. R. , X Huo, Nguyen, H. , & Vardon, D. R. . (2021). Toward net-zero sustainable aviation fuel with wet waste–derived volatile fatty acids. Proceedings of the National Academy of Sciences, 118(13), e2023008118.

[2] 李樹(shù)豪, 席雙惠, 張麗娜, 王毅, 趙輝, & 侯軍興. (2018). 小分子燃料對(duì)rp-3航空煤油燃燒作用的數(shù)值研究. 推進(jìn)技術(shù).

[3] 陳雪嬌, 侯磊, & 李師瑤. (2016). 航空煤油冰點(diǎn)及黏溫關(guān)系的分子動(dòng)力學(xué)模擬. 石油科學(xué)通報(bào), 1(003), P.493-502.

[4] "How Food Waste Could Be Turned Into Climate-Friendly Jet Fuel", Wired, 2021-03-19.

作者：圓的方塊

原標(biāo)題：《水變油是騙局，但剩飯變汽油可不是！》

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