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把握第二代生物燃料专利趋势,实现碳中和交通!

把握第二代生物燃料专利趋势,实现碳中和交通!

毫无疑问,全球变暖对环境构成了严重威胁。随着大气中二氧化碳浓度增高,地表温度飙升,干旱、火灾、洪涝等灾难发生率也在增加。专家一致认为,人类如不立即采取实质行动,必将面临最坏后果。

幸而,世界上诸多研究者已取得大量重大突破,还有更多进展正在酝酿中。随着人们对生物燃料的兴趣愈发浓厚,相关专利申请量也在逐年增加。由下图可见,生物燃料发明数量自 2000 年起便呈现递增趋势,且再未回落!

图1.1970 至 2013 年的生物燃料发明数量。来源:https://rdcu.be/chsSn

 

但请注意,并非所有类型的生物燃料都一样,而是存在着优差之别。在对几项重要发明展开讨论之前,我们先来了解生物燃料的优差分类。

第一代生物燃料生产难度小,但可行性低

从生产原料上看,生物燃料可分为几代。由于第一、二代生物燃料应用最为广泛,本本将重点针对这两项进行介绍。第一代生物燃料的原料是从甜菜、玉米或其他高含糖量作物中提取出的糖分和淀粉。提取的糖分可发酵生成生物乙醇,即生物燃料的一种。

然而,这些含糖分和淀粉的植物也是人类的食物。在全球人口日益增长的大背景下,用粮食生产燃料的举动是不道德的。此外,据估计,第一代生物燃料的温室气体净排放量与汽油相近,这是因为耕犁、运输、施肥等生物燃料生产步骤都会造成严重污染。为弥补第一代生物燃料的缺陷,研究者开发了第二代生物燃料。

第二代生物燃料生产难度较大,但前景广阔

第二代生物燃料的原料来自各类非粮食植物,如木质纤维素(又称植物干物质)。理论计算表明,与第一代生物燃料(以粮食作物为原料)相比,第二代生物燃料生产过程中的二氧化碳净浓度相对降低 了90%。综合以上因素,非食用植物生物质成为实现生物乙醇大规模生产的诱人目标。

然而,木质纤维素极其坚硬,导致糖分提取的成本效益降低。此外,生物质必须数量庞大,才能生产出真正代替传统燃料的足量生物燃料。为解决这些问题,研究者在生物乙醇的生产和解构阶段创造了几项关键发明。

增加单位土地面积的原料

树木可在单位土地面积内产出大量生物质,但其生长相对缓慢。为加快树木生长,Simon Turner 及其团队对树木生长机制展开分析,从中发现 TDIF 和 PXY 这两种促进形成层细胞分裂的重要蛋白质。形成层细胞分裂会形成木质部,即一种木本组织。

该团队发现,TDIF 多肽可与 PXY 受体激酶结合,控制生长等树细胞功能。如下图所示,在实验室中增加 PXY 或 TDIF 生成量,树木生长速度也会明显加倍。这一发现获得了专利,申请号为 WO2016139579A1。时间会证明,这种方法可成功应用于户外树木生长上。

图2通过增加 PXY 和 CLE41(TDIF 编码)生成量,促进树干生长。来源:WO2016139579A1 专利申请

先提高植物干物质的分解效率,等生物燃料生产的植物生物质达到充足量后,下一步是提高木质素等复杂化合物的糖分释放效率。木质素是最难降解的多糖之一。许多研究者都曾尝试改善该问题,但都以失败告终。然而,John Ralph 及其团队在坚固的木质素结构中通过嵌入“拉链”或弱键,成功打破这一僵局。他们为这项发明申请了专利,申请号为 US2011003978A1

 “拉链”由两个分子通过弱酯键连接而成。将“拉链”引入木质素,可以轻易水解其中的酯键,并将木质素结构分割成如图 3 所示的许多更小、更易处理的块状物。分析表明,与天然木质素相比,改进后木质素的糖分释放量加倍了。对于这一树木特性,我们还需在实验室外进行验证。


图3在木质素分子之间引入阿魏酸松柏酯,形成“拉链”。来源:US2011003978A1 专利申请。

在提高生物燃料生产步骤(包括生物质的产生和分解)效率方面取得的成功有力证明,生物燃料必将为碳中和交通的发展提供动力。大气中二氧化碳的排放减少,全球变暖现象也能得到改善。有鉴于此,以生物燃料实现碳中和交通对人类而言至关重要。

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