用甘蔗做航空燃料?这不是幻想

迪帕克·库马尔，伊利诺伊大学香槟分校；(Stephen p .长，伊利诺伊大学香槟分校， 和Vijay Singh.，伊利诺伊大学香槟分校

航空工业生产2%全球人类诱导二氧化碳排放。此份额似乎相对较小 - 透视，发电和家庭供暖账户40%以上——但航空是世界上最重要的增长最快的温室气体源．航空旅行的需求预计将减少未来20年翻一番．

航空公司在压力之下减少碳排放，并且极易受到全球油价波动的影响。这些挑战激发了人们对生物燃料的浓厚兴趣。生物喷气燃料可以通过各种化学和生物途径从各种植物材料中生产，包括油料作物、糖料作物、淀粉植物和木质纤维素生物质。然而，将石油转化为航空燃料的技术处于更先进的发展阶段，产生的能源效率比其他来源更高。

我们是工程甘蔗，是世界上最富有成效的植物，生产可以变成生物喷射燃料的油。在一个最近的研究在美国，我们发现利用这种转基因甘蔗每英亩土地可以生产超过2500升的生物航空燃料。简单来说，这意味着一架波音747可以在54英亩的土地上使用生物喷气燃料飞行10个小时。与大豆和麻疯树这两种相互竞争的植物源相比，每单位土地的油蔗产量分别是前者的15倍和13倍。

创建两用甘蔗

生物喷射燃料来自富含石油的原料，如亚麻荠和藻类，已成功测试概念飞行证明．ASTM International，全球标准开发组织，拥有批准一种以石油为基础的航空燃料和加氢加工的可再生航空燃料50:50的混合物，用于商业和军事飞行。

然而，即使经过显着的研究和商业化的努力，目前的生物喷射燃料产量也很小。使这些产品更大规模将需要进一步的技术改进和丰富的低成本原料（用于制造燃料的作物）。

甘蔗是著名的生物燃料来源:巴西几十年来一直通过发酵甘蔗汁来生产酒精燃料。从甘蔗中提取的乙醇比生产过程中所消耗的能量多出25%，并减少12%的温室气体排放与化石燃料相比．

我们想知道我们是否可以增加植物的天然油产量，并使用这些油来生产生物柴油，这将为环境带来更大的好处。生物柴油产量能量增加93%与化石燃料相比，可以减少41%的排放。乙醇和生物柴油都可以用于生物航空燃料，但将植物油转化为航空燃料的技术处于发展的高级阶段，具有很高的能源效率，可以大规模部署。

当我们第一次提议通过改造甘蔗来生产更多的石油时，我们的一些同事认为我们疯了。甘蔗植物只含有0.05%的油，这对于转化为生物柴油来说太少了。许多植物科学家推测，将石油产量增加到1%会对植物有害，但我们的计算机模型预测，我们可以将石油产量增加到20%。

得到了能源部的支持高级研究计划局能源，我们推出了一个调用的研究项目植物工厂替代甘蔗和高粱中的油或PETROSS，在2012年。从那时起，通过基因工程，我们增加油和脂肪酸的产量在甘蔗叶中达到12％的油。

现在，我们正在努力实现20％的石油 - 根据我们的电脑型号，并将这种油积聚到工厂的茎，比叶子更可达。我们的初步研究表明，即使工程植物产生更多的油，它们继续生产糖．我们称这些工程植物脂丹。

脂质烷的多种产品

脂蔗对农民和环境都有很多好处。我们计算出，种植含20%油的脂蔗将是每英亩的利润是大豆的五倍美国目前生产生物柴油的主要原料，每英亩的利润是玉米的两倍。

为了可持续，生物喷气式燃料也必须经济流程，并具有高产率，从而最大限度地利用耕地。我们估计与大豆相比，含有5％的油的脂质烷可以产生每英亩的喷射燃料四倍。20％的油脂的脂质可以生产每英亩的喷射燃料超过15倍。

脂蔗还能提供其他的能量。榨汁后剩下的植物部分被称为甘蔗渣，可以燃烧产生蒸汽和电力。根据我们的分析，这将产生足够的电力来为生物精炼厂提供动力，因此剩余的电力可以卖回电网，取代化石燃料产生的电力——巴西的一些工厂已经采用了这种做法，用甘蔗生产乙醇。

一种潜在的美国生物能源作物

甘蔗生长在不适合多种粮食作物生长的贫瘠土地上。目前主要在巴西、印度和中国种植。我们也改造脂蔗，使其更耐寒因此，它可以更广泛地筹集，特别是在美国在未利用的土地上的东南部。

如果我们在美国东南部用2300万英亩的土地种植含20%油的脂蔗，我们估计这种作物可以产出占美国航空燃料供应的65%．目前，以目前的美元计算，这种燃料每加仑的成本为5.31美元，比用藻类或大豆、菜籽油或棕榈油等其他油料作物生产生物飞机燃料的成本还低。

脂蔗也可以在巴西和其他热带地区种植。正如我们最近报道的自然气候变化例如，在巴西显著扩大甘蔗或脂蔗的生产，可以减少目前全球的二氧化碳排放量高达5.6%．这可以在不影响巴西政府指定的环境敏感地区(如雨林)的情况下实现。

追求“能源甘蔗”

我们的脂蔗研究还包括对植物进行基因工程，使其更有效地进行光合作用，从而促进生长。在2016年发表在《科学》杂志上的一篇文章中，我们中的一位(斯蒂芬·朗)和他在其他机构的同事证明，提高烟草光合作用的效率会增加烟草的生长20%．目前，初步研究和并排的田间试验表明，我们已经提高了甘蔗20%的光合效率，在凉爽条件下提高了近70%。

现在，我们的团队正在着手设计一种产量更高的甘蔗品种，我们称之为“能源甘蔗”，以实现每英亩更多的石油产量。在它商业化之前，我们还有很多工作要做，但开发一种有足够油的可行植物来经济地生产生物柴油和生物航空燃料是重要的第一步。

编者按:这篇文章已经更新，以澄清由Stephen Long和其他人于2016年发表在《科学》杂志上的研究涉及提高烟草植物光合作用效率。

迪帕克·库马尔博士后研究员,伊利诺伊大学香槟分校；(Stephen p .长，作物科学及植物生物学教授，伊利诺伊大学香槟分校， 和Vijay Singh.，农业与生物工程教授兼生物加工综合研究实验室主任，伊利诺伊大学香槟分校

这篇文章最初发表于对话．阅读原文．

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