如何用秸稈驅動汽車？_風聞

金秋，是個收穫的季節。每年的秋收時節，在中華大地上，“掰棒子”大賽都進行得如火如荼。黃澄澄的玉米被掰掉後，丟下大片大片的無頭殭屍——秸稈，佇立在田地裏。

農業垃圾——玉米秸稈（圖片來自網絡）

整個中國，每年平均產生2.3億噸這樣的玉米秸稈，造成了令人頭疼的農業垃圾難題。

如果直接還田，埋伏地下的秸稈會產生熱量、製造厭氧的環境，不利於作物的生長。假如秸稈本身再帶有病蟲害，那就相當於在地裏埋下了定時炸彈，遭殃的則是下一季的作物。

以前一般是這樣處理秸稈的：

秸稈焚燒（圖片來自網絡）

付之一炬，簡單而又粗暴。

近年來，由於意識到焚燒秸稈污染空氣環境，威脅人類健康。國家已經嚴令禁止焚燒秸稈，甚至部分地區已經禁用了農村柴火灶。

其他傳統的秸稈處理方法還有將秸稈用於飼料、堆肥、造紙和建築材料等等，雖然五花八門，但對秸稈的消耗量遠遠不夠。

當代科學家又提出了更加新潮的玩兒法：

比如用秸稈驅動汽車！

用秸稈驅動汽車需要幾步走？

秸稈驅動汽車

第一步，要把秸稈從田頭拉到工廠。

秸稈是一種放錯地方的資源，收集、運輸、儲存起來都有一定困難。

在現代農業體系發達的歐美國家，一般採用集中型的收儲運模式。

例如在丹麥，由專業的秸稈收儲運公司或大型農場主負責秸稈的的收集、晾曬、儲存、保管和運輸等任務，並按照能源企業的要求，對秸稈的質量進行把關，最後統一打捆、堆垛、存儲，已經形成了比較完善的收儲運體系。

秸稈收儲運體系

而國內大部分地區以小農經濟為主，更適合分散型的收儲運模式。由農户或秸稈經紀人對分散的秸稈進行收集，直接提供給企業。

秸稈收儲運是秸稈變廢為寶的第一步，試想如果秸稈最終產生的能量無法抵消在收儲運過程中消耗的能量，到頭來不是白忙活一場嗎？

為了進一步完善秸稈供應體系，國家甚至出台了秸稈收儲運體系建設規範。

秸稈收儲運體系建設規範

鑑於國家電網下屬的國能生物質燃燒發電項目已經運行了很多年，積累了豐富的秸稈商業化收集經驗，相信秸稈收儲運不會成為我國實現新一代生物燃料工業化的短板。

第二步，要打破秸稈的抗降解屏障。

秸稈細胞壁中的木質纖維素是一種豐富的可再生資源，有望通過生物質轉化技術替代傳統的化石能源。 

如果直接用催化劑對秸稈進行降解，它們一定會説：“”好硬，啃不動啊！”您可千萬別怪它們牙口不好，要怪就怪秸稈的抗降解屏障實在是太結實了。

植物細胞壁在億萬年的進化中形成了抵抗微生物和酶降解的屏障，如此一來，秸稈才能在玉米成熟前屹立不倒。

如果把這張屏障比作是一堵鋼筋水泥牆板，那麼細胞壁中的纖維素就是鋼筋，支撐着植物的身體。

由兩個葡萄糖反應生成的纖維二糖是纖維素鏈的基本單元，許多纖二糖分子利用共價鍵手拉手連成一條糖鏈（a），糖鏈之間通過氫鍵形成糖片（b），緻密到連水分子都插不進去。而後大小不一的糖片再通過疏水作用和範德華力，進一步被壓縮成六稜糖柱（c），糖柱又以不同排列方向捆綁在一起才構成了不規則的纖維素網狀結晶結構（d）。

微纖絲多層次結構模型

除了纖維素本身複雜的結晶結構，細胞壁中還含有大量結構更加複雜的半纖維素和木質素，它們像水泥一樣包裹在纖維素“鋼筋”的周圍，打造了一面固若金湯的城牆。

植物細胞壁示意圖（圖片來自網絡）

抗降解屏障形成了微生物與植物之間的生存平衡，導致微生物降解秸稈的過程變得非常緩慢。而在實驗室中，人類打破了這層屏障。

工程師通過對秸稈進行粉碎、酸鹼、加熱、氣爆處理，不僅可以高效破壞包裹在纖維素外的半纖維素和木質素，還能夠使纖維素結構變得鬆弛，增大它的表面積。

然而問題又來了，科學家發現預處理後的秸稈雖然在物理結構上變得更易降解，但是微生物卻活得不快活了。

原來在預處理過程中會產生各種毒性化合物，抑制微生物的生長和繁殖。因此，工程師還需要在預處理後再加上一步脱毒處理，除去有毒的物質。

第三步，要把秸稈變成糖。

在中國，有個地方常年保持五六十攝氏度的高温，而且時刻處於動盪不安之中。那就是山東能源研究院某實驗室中的一台恆温搖牀，躺在這裏的是一種嗜熱厭氧細菌——熱纖梭菌。它們的祖先來自於美國國家黃石公園的熱泉，至今已經繁衍了成千上萬代。

熱纖梭菌具有高效降解木質纖維素的能力，因此在科研界也的確是一種炙手可熱的細菌。

鑑於熱纖梭菌吃起纖維素來十分剽悍兇狠，我們習慣將其比作微觀世界的遊牧民族。那在它們的眼裏，秸稈便是由糖堆砌而成的城堡了。

熱纖梭菌漫無目的地遊蕩在空曠的微觀世界裏，突然一顆纖維二糖分子閃過，它們快速捕捉到了這個信號——前方存在纖維素。飢渴難耐的熱纖梭菌將體內工廠運轉起來，加速合成不同功能的纖維素酶以及形似腳手架的支架蛋白，然後在細胞壁上將纖維素酶組裝到支架蛋白上，打造成一根根超級武器——纖維小體。

纖維小體降解纖維素（圖片來自網絡）

它們利用一種碳水化合物結合模塊將自己牢牢固定在纖維素表面，然後揮舞起纖維小體，打斷纖維素鏈，切割下纖維二糖，最終再水解為葡萄糖分子。

纖維小體能夠高效降解木質纖維素，歸功於不同功能纖維素酶之間的分工合作。更神奇的是，它能夠根據底物的特性動態調控纖維小體的組成和組分，變化多端，被行內譽為“降解木質纖維素的超級分子機器”。

最後一步，要把纖維素糖發酵成生物燃料。

纖維素糖是自然界最基本的碳源之一，可以和多種下游工藝微生物偶連。

釀酒酵母是一種廣泛存在自然界中“天然發酵劑”，能夠將糖發酵為二氧化碳和乙醇。 

乙醇殺菌是生活常識，很多微生物確實連自身代謝的乙醇都很難耐受，而釀酒酵母卻能“千杯不醉”，因此才被作為纖維素乙醇發酵的首選微生物。

生物乙醇製備完成後，再與汽油按照1:9的比例混合，製成最終產品：“乙醇汽油”。

乙醇汽油

乙醇汽油具有諸多優良的性能。

首先乙醇的辛烷值較高，能夠取代原先汽油中污染環境的含鉛添加劑，並且改善汽油的防爆性能；

其次乙醇含氧較高，能提高混合燃料的燃燒效率，減少顆粒物和氮氧化物的排放，避免因積炭過多而引起發動機故障；

再者混合燃料中的含硫量降低，減少了硫氧化物的排放，硫氧化物是一種致癌物質，同時也是酸雨現象的元兇之一。

實際上第一代生物乙醇已經實現了產業化生產，只不過使用的原料主要是玉米。但這樣一來生物燃料的生產很容易就對糧食的價格造成衝擊，引發“糧食與燃料之爭”。

糧食與燃料之爭

比如美國在2007年為提高生物燃料產量，玉米種植面積比上一年突增23%，導致大豆種植面積驟減16%，使得大豆價格在2008 年大幅上漲。

而第二代生物乙醇使用的原料是被視為“農業垃圾”的玉米秸稈，具有不與人爭糧、不與糧爭地的強大優勢。目前第二代生物乙醇正在進行生產成本的攻關，已經走向了商業化的初始階段。

我國農業正由勞動密集型產業向能源密集型產業轉變，糧食的生產、運輸和銷售都依賴於化石能源，可以説國際石油價格時刻在威脅着農業的發展。

大力發展以農業廢棄物為原料的生物燃料可以實現“農業發展——能源生產——農業發展”的良性循環，是有利國家能源安全和農業安全的百年大計。

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來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所