編者按： 喬治·W·休伯和布魯斯·戴爾分別是馬薩諸塞大學阿默斯特分校和密歇根州立大學的化學工程師。
在本文中，以下是一份粗略的草稿，休伯和戴爾指出，生物燃料仍然是最有技術前景的石油替代品之一。關鍵在於學會將纖維素生物質（如秸稈和莖，與非纖維素的可食用穀物玉米不同）轉化為燃料。請幫助我們編輯以下文章，提出研究人員可能忽略的因素或對其論點的改進建議。
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您對他們關於“可以可持續地收穫大量纖維素生物質來生產燃料”的論斷有何反應？
您認為在弄清楚如何解構纖維素材料方面，最有希望的探索途徑是什麼？
休伯和戴爾可能希望考慮哪些其他可行的生物燃料製造工藝？
休伯和戴爾提出的纖維素生物燃料是最有技術前景的石油替代品的案例是否具有說服力？
您對他們關於“製造生物燃料的原始原料遠比原油便宜”的論斷有何反應？
您認為“轉向‘草汽油’”將如何“從根本上改變世界”？
您的反饋將被作者和編輯考慮，因為他們將完成本文的最終草稿，該草稿將刊登在即將出版的《大眾科學》雜誌上。
到現在應該很清楚，我們必須擺脫石油。我們再也無法承受我們對石油的過度依賴對我們的國家安全、經濟安全或環境安全造成的危險。然而，文明不會停止前進的腳步，因此我們必須開發一種新的方式來為世界的交通運輸提供動力。生物燃料，或用植物材料製成的液體燃料，仍然是最有技術前景的替代品。
生物燃料可以由任何是植物或曾經是植物的東西製成。第一代生物燃料由可食用生物質製成，如玉米或甘蔗。儘管我們已經掌握了將這些原料轉化為燃料的技術（美國目前有近 200 家煉油廠將玉米加工成乙醇就證明了這一點），但玉米、甘蔗或植物油根本不足以滿足像我們這樣的發達國家超過 10% 的液體燃料需求。這些第一代生物燃料還與用於人類食物和動物飼料的作物爭奪耕地，這使得與它們相關的環境成本和效益的計算變得複雜。我們需要廉價、豐富且不干擾糧食生產的生物燃料原料。
在這三個類別中，勝出者是纖維素生物質——木材、草和植物的不可食用秸稈。用這種生物質製成的燃料——我們稱之為“草汽油”——可能來自數十甚至數百種潛在來源，從木屑和建築碎片等木材殘渣，到玉米秸稈等農業廢棄物，再到“能源作物”——專門為能源含量而種植的速生草類和木本材料。
可以可持續地收穫大量纖維素生物質來生產燃料。根據美國農業部和能源部即將釋出的一項研究，美國每年至少可以生產 13 億幹噸纖維素生物質，而且完全不會減少可用於我們的食物、動物飼料或出口的生物質數量。如此多的生物質每年可以生產超過 1000 億加侖的草汽油，約佔美國目前每年汽油和柴油消耗量的一半。類似的預測估計，全球纖維素生物質的供應量相當於每年 340 億至 1600 億桶石油的能量，這些數字超過了世界目前每年 300 億桶石油的消耗量。與玉米制成的生物燃料不同，纖維素生物質可以轉化為任何型別的燃料——乙醇、普通汽油、柴油甚至航空燃料。
然而，種植纖維素生物質並不是問題（或者，至少目前還不是問題——隨著產業的發展，農業技術將變得越來越重要）。由於纖維素非常堅固，因此很難提取其中儲存的能量。人們已經嘗試了許多方法，但直到現在，科學家和工程師才開始瞭解我們如何將草汽油的生產規模擴大到工業水平。成功做到這一點可能是我們文明現在面臨的最重要的技術和環境挑戰。
能量鎖
纖維素生物質經過進化設計，為植物提供結構。它具有互鎖分子的剛性支架，為垂直生長提供支撐。它還頑固地抵抗生物分解。科學家必須找到一種方法來戰勝自然界高效的設計。
在分子層面，生物質主要由儲存在植物細胞壁中的碳、氫和氧組成。液體燃料由碳和氫製成。因此，從化學工程的角度來看，提煉生物質需要簡單地去除生物質原料中的大部分氧分子。剩餘的碳和氫（以及一些剩餘的氧）成為各種燃料產品。草汽油——與第一代生物燃料相比——的巨大優勢之一是草汽油不是乙醇的同義詞。你可以用纖維素生物質製造出原油中的任何東西。
科學家用來從生物質中製造燃料的通用策略包括首先將固體生物質解構成更小的分子，然後將這些產品提煉成燃料。低溫解構（50 攝氏度至 200 攝氏度）產生的糖可以像穀物或糖料作物一樣發酵成乙醇。在較高溫度（400 攝氏度至 600 攝氏度）下解構產生生物原油或生物油，可以將其轉化為汽油或柴油。極高溫解構（700 攝氏度至 1,000 攝氏度）產生一種稱為合成氣的氣體，可以使用 80 年前的合成氣轉化技術將其轉化為燃料。
“最佳”途徑是以最低的成本將最大量的生物質能量轉化為液體生物燃料的途徑。我們尚不知道哪種途徑將是最經濟的。不同的途徑可能用於不同的纖維素生物質材料。高溫處理可能最適合木材，而草類可能在低溫下效果更好。
熱燃料
技術最發達的生物燃料途徑是透過高溫氣化工藝生產合成氣的途徑。合成氣是一氧化碳和氫氣的混合物，可以由任何含碳材料製成。合成氣可以使用德國科學家在 20 世紀 20 年代開發的費託合成 (FTS) 工藝轉化為柴油、汽油或乙醇。第三帝國在第二次世界大戰期間使用 FTS 從德國的煤炭儲備中製造液體燃料。大多數主要的石油公司仍然擁有合成氣轉化技術，他們可能會在適當的經濟條件下引入該技術。
生產合成氣的第一步稱為氣化。在此過程中，生物質被送入反應器並加熱到 800 攝氏度至 1,200 攝氏度之間的溫度。然後將其與蒸汽或氧氣混合，產生含有 一氧化碳 (CO)、氫氣和焦油的氣體。必須首先清除焦油，並將氣體壓縮至 20 至 70 個大氣壓。這兩個步驟都可能很昂貴。然後，壓縮後的合成氣流過專門設計的催化劑——一種固體材料，旨在保持單個反應物分子並優先促進特定的化學反應。合成氣轉化催化劑主要由石油化學領域開發，用於將天然氣和煤衍生合成氣轉化為燃料。
儘管這項技術已廣為人知，但反應器卻很昂貴。卡達一家將天然氣轉化為每天 34,000 桶液體燃料的 FTS 工廠預計耗資 10 億至 15 億美元。為了償還這些高昂的資本成本，生物質氣化廠每天必須消耗約 5,000 噸生物質，每天如此，持續 15 至 30 年。將如此大量的生物質運送到一個地點存在重大的物流和經濟挑戰，因此該領域的研究重點是降低資本成本的方法。
生物油
將生物質轉化為燃料的另一種方法是首先將其轉化為油，然後在煉油廠中以與提煉原油大致相同的方式提煉這種生物油。煉油廠在無氧環境中將生物質加熱到 300 攝氏度至 600 攝氏度。熱量將生物質分解為類似木炭的固體和生物油，在此過程中釋放出一些氣體。透過這種方法生產的生物油是當今市場上最便宜的液體生物燃料，可能每加侖 0.50 美元（此外還有原始生物質的成本）。該工藝還可以在靠近生物質收穫地點的相對較小的工廠中進行。然而，像原油一樣，這種生物油質量很差。它具有高酸性，不溶於石油基燃料，並且能量含量只有汽油的一半。雖然你可以直接在柴油發動機中燃燒生物油，但如果你不再需要你的柴油發動機，你才應該嘗試這樣做。
然而，煉油廠可以將這種生物原油轉化為可用的燃料，許多公司正在研究如何將他們現有的煉油廠改造成能夠做到這一點的工廠。一些公司已經透過將植物油和動物脂肪與石油直接共同進料到他們的煉油廠中來生產綠色柴油燃料。康菲公司目前在其位於德克薩斯州博格的工廠中，透過提煉附近屠宰場牛的廢棄脂肪，每天生產約 300 桶生物柴油。
研究人員還在研究使用相當於化學工程一鍋煮的方法來處理生物質——在單個反應器內將固體生物質轉化為油，然後將油轉化為燃料。我們其中一位（休伯）的研究小組正在開發一種稱為催化快速熱解的方法，該方法將做到這一點。“快速熱解”中的“快速”來自於初始加熱——一旦生物質進入反應器，它就會在一秒鐘內被加熱到 500 攝氏度。這種加熱會將大的生物質分子分解成更小的分子。就像雞蛋和雞蛋盒一樣，這些小分子現在具有完美的尺寸和形狀，可以裝入催化劑的表面。一旦嵌入催化劑的孔隙中，分子就會經歷一系列反應，將其轉化為汽油——特別是汽油的高價值芳香族成分，從而提高辛烷值。整個過程只需 2 到 10 秒。初創公司 Anellotech 已經在嘗試將此工藝擴大到商業規模。其第一家測試工廠預計將於 2014 年建成。
糖溶液
迄今為止吸引最多公共和私人投資的途徑依賴於更傳統的機制——釋放植物中的糖，然後將這些糖發酵成乙醇。然而，自然界設計植物材料是為了抵抗生物分解；因此，工程師的任務是戰勝自然界設定的那些障礙。也許不足為奇的是，這項任務已被證明是一項艱鉅的任務。
科學家們已經研究了數十種可能的分解纖維素的方法。你可以用機械方法，使用熱量或伽馬射線。你可以將材料研磨成精細的漿液，或對其進行高溫蒸汽處理。你可以用濃酸或濃鹼浸泡它，或將其浸泡在合適的溶劑中。你甚至可以基因工程改造生物有機體，讓它們吃掉並消化纖維素。
雖然不可能說哪種方法最終會最成功（並且不同的方法可能會針對特定的原料進行定製），但在實驗室中可能成功的許多技術在商業實踐中根本沒有成功的機會。預處理必須以高產率和高濃度生成易於發酵的糖，在生物質中保留營養物質，並以適度的資本成本實施。它們不應使用有毒物質，也不應需要過多的能源輸入才能工作。最重要的是，它們必須便宜。
目前最有希望的方法包括將生物質暴露在極端的 pH 值和溫度下。我們其中一位（戴爾）運營的實驗室正在開發一種使用氨（一種強鹼）的方法。在氨纖維膨脹 (AFEX) 工藝中，生物質植物材料在高壓下用熱濃氨烹煮。當壓力釋放時，氨蒸發並被回收。經過處理的生物質在酶的最終轉化後，糖產量高達 90% 或更高。這種方法最大限度地減少了通常在酸性或高溫環境中發生的糖降解副作用。AFEX 工藝也是“幹進幹出”：生物質開始時主要是乾燥的固體，處理後保持乾燥，不被水稀釋。因此，它以高濃度提供高乙醇。
它也可能非常便宜：最近的一項經濟分析表明，假設生物質可以以每噸約 80 美元的價格運送到工廠，AFEX 預處理可以以每加侖約 1.40 美元的價格生產纖維素乙醇。如果我們展望未來，農業基礎設施得到簡化，並假設一個“成熟”的工藝，其中加工成本約佔草汽油總生產成本的 30%（就像今天的煉油業務一樣），草汽油的泵端價格約為每加侖 2 美元。
變革的成本
當然，成本將是草汽油增長速度的主要決定因素。它的主要競爭對手是石油，而石油工業已經享受了一個多世紀的專門研究計劃的技術紅利。此外，今天使用的大多數煉油廠已經收回了其初始資本成本；使用當今技術建造的木質纖維素工廠將耗資 3 億至 5 億美元，這個價格必須在未來幾年內計入其生產的燃料成本中。
另一方面，草汽油比石油燃料具有兩大主要優勢。首先，製造燃料的原始原料遠比原油便宜。一旦該行業開始運轉，這應該有助於降低成本。
其次，新的分析工具和計算機建模技術將使我們能夠以十年前石油工程師無法企及的速度建造更好、更高效的生物煉油廠運營。我們正在以不斷加快的速度更深入地瞭解我們的原始原料以及我們可以用來將其轉化為燃料的工藝。政府對替代能源形式研究的支援應有助於進一步加速這一程序。
的確，如果我們保持我們當前擺脫石油的國家承諾，我們將看到纖維素生物燃料在未來 5 到 15 年內爆炸式增長，因為生物質轉化技術將從實驗室走向商業規模。這種轉向草汽油的舉動將從根本上改變世界。這一舉動現在早已應該開始了。