ä¸è¦å²ç¬æåçæ§
目录:
航空业产生2％的全球人为二氧化碳排放量。这一份额可能看起来相对较小 - 从视角，发电和家庭供暖占40％以上 - 但航空业是世界上增长最快的温室气体来源之一。预计未来20年航空旅行需求将翻一番。
航空公司面临着减少碳排放的压力，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质衍生喷气燃料的浓厚兴趣。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生产，包括油料作物，糖作物，淀粉植物和木质纤维素生物质。然而，将石油转换为喷气燃料的技术处于更先进的发展阶段，并且比其他来源产生更高的能效。
我们正在设计甘蔗，这是世界上生产率最高的工厂，生产可以转化为生物喷气燃料的油。在最近的一项研究中，我们发现使用这种工程甘蔗每英亩土地可以产生超过2,500升的生物喷气燃料。简单来说，这意味着波音747可以在仅54英亩土地上生产的生物喷气燃料上飞行10个小时。与两种相互竞争的植物来源（大豆和麻疯树）相比，甘蔗每单位土地的喷气燃料分别约为15和13倍。
创造两用甘蔗
源自富含石油的原料（如亚麻荠和藻类）的生物喷气燃料已经成功地在概念证明飞行中进行了测试。 ASTM国际组织是一家全球标准开发组织，已经批准了50:50的石油基喷气燃料和加氢处理再生喷气燃料的混合物，用于商业和军事飞行。
然而，即使经过大量研究和商业化努力，目前生物喷气燃料的产量也非常小。使这些产品更大规模化将需要进一步的技术改进和丰富的低成本原料（用于制造燃料的农作物）。
甘蔗是众所周知的生物燃料来源：巴西几十年来一直在发酵甘蔗汁制造酒精燃料。来自甘蔗的乙醇产生的能量比生产过程中使用的产量多25％，与化石燃料相比，温室气体排放减少了12％。
我们想知道我们是否可以增加工厂的天然石油产量，并使用石油生产生物柴油，从而提供更大的环境效益。与化石燃料相比，生物柴油产生的能量比制造它所需的能量多93％，排放量减少41％。乙醇和生物柴油都可以用于生物喷气燃料，但是将植物衍生的油转化为喷气燃料的技术处于发展的高级阶段，产生高能效并且可以进行大规模部署。
当我们第一次提出设计甘蔗以生产更多的石油时，我们的一些同事认为我们疯了。甘蔗植物仅含有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，将油量增加到1％会对植物产生毒害，但我们的计算机模型预测我们可以将石油产量提高到20％。
在能源部高级研究计划局 - 能源部的支持下，我们于2012年启动了一项名为“植物设计以取代甘蔗和高粱中的油”或“PETROSS”的研究项目。从那时起，通过基因工程，我们增加了石油和脂肪酸在甘蔗叶中达到12％的油分。
现在，根据我们的计算机模型，我们正在努力实现20％的石油 - 理论极限 - 并将这种石油积累的目标定位在植物的茎上，在那里它比叶子更容易接近。我们的初步研究表明，即使工程化植物生产更多的油，它们仍会继续生产糖。我们称这些工程植物为lipcane。
来自lipcane的多种产品
Lipidcane为农民和环境提供许多优势。我们计算出含有20％油脂的增长型甘油每英亩的利润是大豆的五倍，而大豆是目前在美国生产生物柴油的主要原料，每英亩的利润是玉米的两倍。
为了实现可持续性，生物喷气燃料还必须经济地加工并具有高产量，以最小化耕地的使用。我们估计，与大豆相比，含5％油的甘蔗每英亩土地可产生四倍的喷气燃料。含有20％油脂的Lipidcane每英亩可产生超过15倍的喷气燃料。
而且，lipidcane提供其他能量益处。果汁提取后留下的植物部分，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炼油厂供电，因此剩余电力可以卖回电网，取代化石燃料产生的电力 - 这种做法已经在巴西的一些工厂用于从甘蔗生产乙醇。
潜在的美国生物能源作物
甘蔗在不适合许多粮食作物的边缘土地上茁壮成长。目前，它主要在巴西，印度和中国种植。我们还在设计甘油以提高耐寒性，以便可以更广泛地饲养，特别是在美国东南部未充分利用的土地上。
如果我们在美国东南部投入2300万英亩土地用含20％石油的甘油，我们估计这种作物可以产生65％的美国航空燃料供应。目前，按当前美元计算，这种燃料将使航空公司每加仑5.31美元，这比藻类或其他油料作物如大豆，油菜籽或棕榈油生产的生物喷气燃料要少。
Lipidcane也可以在巴西和其他热带地区种植。正如我们最近在“自然气候变化”中所报告的那样，巴西甘蔗或甘蔗生产的显着扩大可以将当前的全球二氧化碳排放量降低5.6％。这可以在不影响巴西政府指定的对雨林等环境敏感的地区的情况下实现。
追求'energycane'
我们的甘蔗研究还包括对植物进行基因工程改造，使其更有效地进行光合作用，从而转化为更多的生长。在2016年的“科学”杂志上，我们其中一位（Stephen Long）及其他机构的同事证明，提高甘蔗光合作用的效率可使其增长20％。初步研究和并列田间试验表明，我们将甘蔗的光合效率提高了20％，在凉爽条件下提高了近70％。
现在，我们的团队正在开始设计一种产量更高的甘蔗，我们将其称为“energycane”，以实现每英亩更多的石油产量。在商业化之前，我们有更多的基础可以覆盖，但开发一个有足够油的经济型工厂，经济地生产生物柴油和生物喷气燃料是重要的第一步。
本文最初发表于博士后研究员Deepak Kumar的The Conversation; Stephen P. Long，作物科学和植物生物学教授; Vijay Singh，伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校农业与生物工程教授兼综合生物加工研究实验室主任。阅读原文。