美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的科學(xué)家利用常規(guī)的生物方法和新的化學(xué)方法相結(jié)合，將植物中的果糖高效快速的轉(zhuǎn)化成一種新型的液體生物燃料———二甲基呋喃(DMF),。DMF含有的能量可比乙醇多40％，且沒有乙醇燃料的缺點(diǎn),。他們發(fā)表在21日出版的《自然》雜志上的報(bào)告，為生物燃料研究開辟了新的天地,。
乙醇是目前唯一一種大量用于汽車的生物燃料,，但它還不是人們最終想要的理想燃料。在玉米,、蔗糖及其他植物中均含有大量潛在能量,，但它們是以長鏈的碳水化合物形式存在，必須被降解成小分子后才能加以利用,。目前通常采用酶來降解淀粉和纖維素,，使其轉(zhuǎn)化成糖，然后利用常見的發(fā)面酵母使其發(fā)酵,，最終產(chǎn)生乙醇和二氧化碳,，這個(gè)過程通常要花幾天的時(shí)間。乙醇中氧的含量相對(duì)較高,，使其能量密度下降,；同時(shí)乙醇易吸收空氣中的潮氣而使其含水量增加，因此需要蒸餾才能將其和水分開,，這無疑要消耗部分能源,。
美國威斯康星大學(xué)的化學(xué)和生物工程專家詹姆斯·杜梅斯克領(lǐng)導(dǎo)的小組找到了解決上述問題的方法。他們首先利用一種源自微生物的酶使生物原料降解,，變成果糖；然后利用一種酸性催化劑將果糖轉(zhuǎn)化成中間體———羥甲基糠醛（HMF）,，HMF要比果糖少3個(gè)氧原子,；最后利用一種銅—釕催化劑將HMF轉(zhuǎn)化成二甲基呋喃（DMF），DMF比HMF又少了2個(gè)氧原子,。
和乙醇相比,，DMF有一系列優(yōu)點(diǎn)。和同樣體積的乙醇相比，DMF燃燒后產(chǎn)生的能量要高40％,，和目前使用的汽油相當(dāng),；DMF不溶于水，因此不用擔(dān)心吸潮問題,；DMF的沸點(diǎn)要比乙醇高近20攝氏度,，這意味著其在常溫下是更穩(wěn)定的液體，在汽車引擎中則被加熱揮發(fā)成氣體,。這些都是汽車燃料所要具備的特點(diǎn),。還有一點(diǎn)值得一提，DMF的部分制造過程和現(xiàn)在石油化工中使用的方法相似,，因此容易推廣生產(chǎn),。
杜梅斯克相信，在經(jīng)過安全和環(huán)境試驗(yàn)后,，DMF可以和汽油混合,，作為交通運(yùn)輸工具的燃料使用。
生物燃料可作為一種可持續(xù)性能源,，這也屢見報(bào)端,。在交通運(yùn)輸應(yīng)用上，生物燃料通常指由生物質(zhì)提取的乙醇,。但乙醇作為運(yùn)輸燃料有其局限性：它揮發(fā)性強(qiáng),，吸水，能量密度低,。來自威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的一個(gè)研究小組,，研究出了由兩個(gè)步驟組成的一個(gè)催化過程，可將果糖轉(zhuǎn)化成一種較乙醇要好很多的液體生物燃料——2,5-二甲基呋喃（DMF）,。果糖可以直接從生物質(zhì)提取或通過葡萄糖的異構(gòu)獲得,，DMF的優(yōu)點(diǎn)是能量密度比乙醇高40%，沸點(diǎn)較高,，不溶于水,。在DMF生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化之前還需要進(jìn)行一些工作，但這一新的催化過程看起來很有希望,。
據(jù)國外媒體報(bào)道,，美國科學(xué)家表示，蘋果和桔子水果中所含的糖可以轉(zhuǎn)化成一種新型的低碳汽車燃料,。這些科學(xué)家在《自然》雜志中寫道,，這種用果糖制造的燃料比乙醇所含的能量更足。
在另一項(xiàng)英國有關(guān)生物燃料的研究中,，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)包括塑料口袋在內(nèi)的廢品都可加工成生物柴油燃料,。生物燃料(由農(nóng)作物制造而成)評(píng)論家表示,，用這種方法產(chǎn)生燃料將抬高糧食的價(jià)格。歐盟和美國的政界人士都在積極推崇生物燃料,，將它看作是減少二氧化碳排放和支持石油進(jìn)口國的好方法,。
評(píng)論人士則表示，不管是用棕櫚油制造的 柴油,，還是利用玉米制造的乙醇,，都極大地鼓勵(lì)農(nóng)民改種燃料產(chǎn)品，這也相應(yīng)地抬升了糧食的價(jià)格?，F(xiàn)在,，威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校的科學(xué)家表示，被稱作果糖的單糖可以轉(zhuǎn)化成比乙醇更有優(yōu)勢的燃料,。這種燃料被稱作二甲基呋喃,，它所含的能量比乙醇多40%，而且更不容易揮發(fā),，穩(wěn)定性也更好,。科學(xué)家表示,，人們可以直接從水果和農(nóng)作物中獲得果糖,，或者用葡萄糖制造果糖。但是目前還需要進(jìn)行更多研究,，以查明這種新燃料對(duì)環(huán)境的影響,。
英國研究人員表示，現(xiàn)在他們不僅可以用棕櫚油制造生物柴油,，還可以利用木頭,、種子和塑料袋等一系列材料制造該燃料。這個(gè)過程被稱作生物液化(biomass to liquid),，專家表示,，不出6年，英國30%的柴油需求將由這個(gè)來源提供,。
英國國家非糧食作物中心的杰里米·唐明森表示,，這種生物燃料的下一代不僅能為動(dòng)力車提供 能源，它還將有其它更多用途,。“我們希望它對(duì)社會(huì)的影響比現(xiàn)在簡單的‘降低10倍的碳排放量’產(chǎn)生的影響更廣,。” “試想，如果現(xiàn)在我們的 化工場利用的化學(xué)品也是來源于這種原料,，我們乘坐的飛往紐約的飛機(jī)也將利用這種燃料飛行,。這種情況不是沒有可能。”
但是目前面臨的最大障礙是加工成本太高,。據(jù)估計(jì),，建設(shè)一座新生產(chǎn)設(shè)備的成本是現(xiàn)在的生物燃料精煉廠的10倍。 （生物谷援引科技日?qǐng)?bào)）
原始出處:
Nature 447, 982-985 (21 June 2007) | doi:10.1038/nature05923; Received 26 December 2006; Accepted 11 May 2007
Production of dimethylfuran for liquid fuels from biomass-derived carbohydrates
Yuriy Román-Leshkov1, Christopher J. Barrett1, Zhen Y. Liu1 & James A. Dumesic1
Department of Chemical and Biological Engineering, University of Wisconsin-Madison, Madison, Wisconsin 53706, USA
Correspondence to: James A. Dumesic1 Correspondence and requests for materials should be addressed to J.A.D. (Email: [email protected]).
Abstract
Diminishing fossil fuel reserves and growing concerns about global warming indicate that sustainable sources of energy are needed in the near future. For fuels to be useful in the transportation sector, they must have specific physical properties that allow for efficient distribution, storage and combustion; these properties are currently fulfilled by non-renewable petroleum-derived liquid fuels. Ethanol, the only renewable liquid fuel currently produced in large quantities, suffers from several limitations, including low energy density, high volatility, and contamination by the absorption of water from the atmosphere. Here we present a catalytic strategy for the production of 2,5-dimethylfuran from fructose (a carbohydrate obtained directly from biomass or by the isomerization of glucose) for use as a liquid transportation fuel. Compared to ethanol, 2,5-dimethylfuran has a higher energy density (by 40 per cent), a higher boiling point (by 20 K), and is not soluble in water. This catalytic strategy creates a route for transforming abundant renewable biomass resources1, 2 into a liquid fuel suitable for the transportation sector, and may diminish our reliance on petroleum.
