编者按： 乔治·W·休伯和布鲁斯·戴尔分别是马萨诸塞大学阿默斯特分校和密歇根州立大学的化学工程师。
在本文中，以下是一份粗略的草稿，休伯和戴尔指出，生物燃料仍然是最有技术前景的石油替代品之一。关键在于学会将纤维素生物质（如秸秆和茎，与非纤维素的可食用谷物玉米不同）转化为燃料。请帮助我们编辑以下文章，提出研究人员可能忽略的因素或对其论点的改进建议。
以下是一些入门问题
关于支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻业 订阅。 通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
您对他们关于“可以可持续地收获大量纤维素生物质来生产燃料”的论断有何反应？
您认为在弄清楚如何解构纤维素材料方面，最有希望的探索途径是什么？
休伯和戴尔可能希望考虑哪些其他可行的生物燃料制造工艺？
休伯和戴尔提出的纤维素生物燃料是最有技术前景的石油替代品的案例是否具有说服力？
您对他们关于“制造生物燃料的原始原料远比原油便宜”的论断有何反应？
您认为“转向‘草汽油’”将如何“从根本上改变世界”？
您的反馈将被作者和编辑考虑，因为他们将完成本文的最终草稿，该草稿将刊登在即将出版的《大众科学》杂志上。
到现在应该很清楚，我们必须摆脱石油。我们再也无法承受我们对石油的过度依赖对我们的国家安全、经济安全或环境安全造成的危险。然而，文明不会停止前进的脚步，因此我们必须开发一种新的方式来为世界的交通运输提供动力。生物燃料，或用植物材料制成的液体燃料，仍然是最有技术前景的替代品。
生物燃料可以由任何是植物或曾经是植物的东西制成。第一代生物燃料由可食用生物质制成，如玉米或甘蔗。尽管我们已经掌握了将这些原料转化为燃料的技术（美国目前有近 200 家炼油厂将玉米加工成乙醇就证明了这一点），但玉米、甘蔗或植物油根本不足以满足像我们这样的发达国家超过 10% 的液体燃料需求。这些第一代生物燃料还与用于人类食物和动物饲料的作物争夺耕地，这使得与它们相关的环境成本和效益的计算变得复杂。我们需要廉价、丰富且不干扰粮食生产的生物燃料原料。
在这三个类别中，胜出者是纤维素生物质——木材、草和植物的不可食用秸秆。用这种生物质制成的燃料——我们称之为“草汽油”——可能来自数十甚至数百种潜在来源，从木屑和建筑碎片等木材残渣，到玉米秸秆等农业废弃物，再到“能源作物”——专门为能源含量而种植的速生草类和木本材料。
可以可持续地收获大量纤维素生物质来生产燃料。根据美国农业部和能源部即将发布的一项研究，美国每年至少可以生产 13 亿干吨纤维素生物质，而且完全不会减少可用于我们的食物、动物饲料或出口的生物质数量。如此多的生物质每年可以生产超过 1000 亿加仑的草汽油，约占美国目前每年汽油和柴油消耗量的一半。类似的预测估计，全球纤维素生物质的供应量相当于每年 340 亿至 1600 亿桶石油的能量，这些数字超过了世界目前每年 300 亿桶石油的消耗量。与玉米制成的生物燃料不同，纤维素生物质可以转化为任何类型的燃料——乙醇、普通汽油、柴油甚至航空燃料。
然而，种植纤维素生物质并不是问题（或者，至少目前还不是问题——随着产业的发展，农业技术将变得越来越重要）。由于纤维素非常坚固，因此很难提取其中储存的能量。人们已经尝试了许多方法，但直到现在，科学家和工程师才开始了解我们如何将草汽油的生产规模扩大到工业水平。成功做到这一点可能是我们文明现在面临的最重要的技术和环境挑战。
能量锁
纤维素生物质经过进化设计，为植物提供结构。它具有互锁分子的刚性支架，为垂直生长提供支撑。它还顽固地抵抗生物分解。科学家必须找到一种方法来战胜自然界高效的设计。
在分子层面，生物质主要由储存在植物细胞壁中的碳、氢和氧组成。液体燃料由碳和氢制成。因此，从化学工程的角度来看，提炼生物质需要简单地去除生物质原料中的大部分氧分子。剩余的碳和氢（以及一些剩余的氧）成为各种燃料产品。草汽油——与第一代生物燃料相比——的巨大优势之一是草汽油不是乙醇的同义词。你可以用纤维素生物质制造出原油中的任何东西。
科学家用来从生物质中制造燃料的通用策略包括首先将固体生物质解构成更小的分子，然后将这些产品提炼成燃料。低温解构（50 摄氏度至 200 摄氏度）产生的糖可以像谷物或糖料作物一样发酵成乙醇。在较高温度（400 摄氏度至 600 摄氏度）下解构产生生物原油或生物油，可以将其转化为汽油或柴油。极高温解构（700 摄氏度至 1,000 摄氏度）产生一种称为合成气的气体，可以使用 80 年前的合成气转化技术将其转化为燃料。
“最佳”途径是以最低的成本将最大量的生物质能量转化为液体生物燃料的途径。我们尚不知道哪种途径将是最经济的。不同的途径可能用于不同的纤维素生物质材料。高温处理可能最适合木材，而草类可能在低温下效果更好。
热燃料
技术最发达的生物燃料途径是通过高温气化工艺生产合成气的途径。合成气是一氧化碳和氢气的混合物，可以由任何含碳材料制成。合成气可以使用德国科学家在 20 世纪 20 年代开发的费托合成 (FTS) 工艺转化为柴油、汽油或乙醇。第三帝国在第二次世界大战期间使用 FTS 从德国的煤炭储备中制造液体燃料。大多数主要的石油公司仍然拥有合成气转化技术，他们可能会在适当的经济条件下引入该技术。
生产合成气的第一步称为气化。在此过程中，生物质被送入反应器并加热到 800 摄氏度至 1,200 摄氏度之间的温度。然后将其与蒸汽或氧气混合，产生含有 一氧化碳 (CO)、氢气和焦油的气体。必须首先清除焦油，并将气体压缩至 20 至 70 个大气压。这两个步骤都可能很昂贵。然后，压缩后的合成气流过专门设计的催化剂——一种固体材料，旨在保持单个反应物分子并优先促进特定的化学反应。合成气转化催化剂主要由石油化学领域开发，用于将天然气和煤衍生合成气转化为燃料。
尽管这项技术已广为人知，但反应器却很昂贵。卡塔尔一家将天然气转化为每天 34,000 桶液体燃料的 FTS 工厂预计耗资 10 亿至 15 亿美元。为了偿还这些高昂的资本成本，生物质气化厂每天必须消耗约 5,000 吨生物质，每天如此，持续 15 至 30 年。将如此大量的生物质运送到一个地点存在重大的物流和经济挑战，因此该领域的研究重点是降低资本成本的方法。
生物油
将生物质转化为燃料的另一种方法是首先将其转化为油，然后在炼油厂中以与提炼原油大致相同的方式提炼这种生物油。炼油厂在无氧环境中将生物质加热到 300 摄氏度至 600 摄氏度。热量将生物质分解为类似木炭的固体和生物油，在此过程中释放出一些气体。通过这种方法生产的生物油是当今市场上最便宜的液体生物燃料，可能每加仑 0.50 美元（此外还有原始生物质的成本）。该工艺还可以在靠近生物质收获地点的相对较小的工厂中进行。然而，像原油一样，这种生物油质量很差。它具有高酸性，不溶于石油基燃料，并且能量含量只有汽油的一半。虽然你可以直接在柴油发动机中燃烧生物油，但如果你不再需要你的柴油发动机，你才应该尝试这样做。
然而，炼油厂可以将这种生物原油转化为可用的燃料，许多公司正在研究如何将他们现有的炼油厂改造成能够做到这一点的工厂。一些公司已经通过将植物油和动物脂肪与石油直接共同进料到他们的炼油厂中来生产绿色柴油燃料。康菲公司目前在其位于德克萨斯州博格的工厂中，通过提炼附近屠宰场牛的废弃脂肪，每天生产约 300 桶生物柴油。
研究人员还在研究使用相当于化学工程一锅煮的方法来处理生物质——在单个反应器内将固体生物质转化为油，然后将油转化为燃料。我们其中一位（休伯）的研究小组正在开发一种称为催化快速热解的方法，该方法将做到这一点。“快速热解”中的“快速”来自于初始加热——一旦生物质进入反应器，它就会在一秒钟内被加热到 500 摄氏度。这种加热会将大的生物质分子分解成更小的分子。就像鸡蛋和鸡蛋盒一样，这些小分子现在具有完美的尺寸和形状，可以装入催化剂的表面。一旦嵌入催化剂的孔隙中，分子就会经历一系列反应，将其转化为汽油——特别是汽油的高价值芳香族成分，从而提高辛烷值。整个过程只需 2 到 10 秒。初创公司 Anellotech 已经在尝试将此工艺扩大到商业规模。其第一家测试工厂预计将于 2014 年建成。
糖溶液
迄今为止吸引最多公共和私人投资的途径依赖于更传统的机制——释放植物中的糖，然后将这些糖发酵成乙醇。然而，自然界设计植物材料是为了抵抗生物分解；因此，工程师的任务是战胜自然界设置的那些障碍。也许不足为奇的是，这项任务已被证明是一项艰巨的任务。
科学家们已经研究了数十种可能的分解纤维素的方法。你可以用机械方法，使用热量或伽马射线。你可以将材料研磨成精细的浆液，或对其进行高温蒸汽处理。你可以用浓酸或浓碱浸泡它，或将其浸泡在合适的溶剂中。你甚至可以基因工程改造生物有机体，让它们吃掉并消化纤维素。
虽然不可能说哪种方法最终会最成功（并且不同的方法可能会针对特定的原料进行定制），但在实验室中可能成功的许多技术在商业实践中根本没有成功的机会。预处理必须以高产率和高浓度生成易于发酵的糖，在生物质中保留营养物质，并以适度的资本成本实施。它们不应使用有毒物质，也不应需要过多的能源输入才能工作。最重要的是，它们必须便宜。
目前最有希望的方法包括将生物质暴露在极端的 pH 值和温度下。我们其中一位（戴尔）运营的实验室正在开发一种使用氨（一种强碱）的方法。在氨纤维膨胀 (AFEX) 工艺中，生物质植物材料在高压下用热浓氨烹煮。当压力释放时，氨蒸发并被回收。经过处理的生物质在酶的最终转化后，糖产量高达 90% 或更高。这种方法最大限度地减少了通常在酸性或高温环境中发生的糖降解副作用。AFEX 工艺也是“干进干出”：生物质开始时主要是干燥的固体，处理后保持干燥，不被水稀释。因此，它以高浓度提供高乙醇。
它也可能非常便宜：最近的一项经济分析表明，假设生物质可以以每吨约 80 美元的价格运送到工厂，AFEX 预处理可以以每加仑约 1.40 美元的价格生产纤维素乙醇。如果我们展望未来，农业基础设施得到简化，并假设一个“成熟”的工艺，其中加工成本约占草汽油总生产成本的 30%（就像今天的炼油业务一样），草汽油的泵端价格约为每加仑 2 美元。
变革的成本
当然，成本将是草汽油增长速度的主要决定因素。它的主要竞争对手是石油，而石油工业已经享受了一个多世纪的专门研究计划的技术红利。此外，今天使用的大多数炼油厂已经收回了其初始资本成本；使用当今技术建造的木质纤维素工厂将耗资 3 亿至 5 亿美元，这个价格必须在未来几年内计入其生产的燃料成本中。
另一方面，草汽油比石油燃料具有两大主要优势。首先，制造燃料的原始原料远比原油便宜。一旦该行业开始运转，这应该有助于降低成本。
其次，新的分析工具和计算机建模技术将使我们能够以十年前石油工程师无法企及的速度建造更好、更高效的生物炼油厂运营。我们正在以不断加快的速度更深入地了解我们的原始原料以及我们可以用来将其转化为燃料的工艺。政府对替代能源形式研究的支持应有助于进一步加速这一进程。
的确，如果我们保持我们当前摆脱石油的国家承诺，我们将看到纤维素生物燃料在未来 5 到 15 年内爆炸式增长，因为生物质转化技术将从实验室走向商业规模。这种转向草汽油的举动将从根本上改变世界。这一举动现在早已应该开始了。