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南加州大学的研究人员正在开发未来更便宜、更清洁的燃料

如果你曾经油炸过一条鱼或者炸过一批自制的薯片,你可能会认为吃剩的植物油只是给你带来了麻烦。

南加州大学多恩西夫文理学院(USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences)的化学教授特拉维斯·威廉姆斯(Travis Williams)看到了其他东西:一种更便宜、更清洁的燃料的成分,可以改变能源行业。

威廉姆斯和博士后学者陆志耀一直在重新发明从植物油中提取生物柴油的方法。他们在南加州大学的洛克碳氢化合物研究所开发的工艺不仅回收了原本要扔进垃圾填埋场的食用油。它还使生物柴油的生产过程有利可图,解决了困扰该行业数十年的问题。

Bio Fuel tour

特拉维斯·威廉姆斯教授和博士后学者卢志尧一直在重新发明从植物油中提取生物柴油的方法。(USC图/莫里斯Roper)

威廉姆斯是南加州大学的几名研究人员之一,他们利用储存在植物中的能量来制造下一代交通燃料。与化石燃料不同,生物燃料是一种可再生能源,其生产速度与植物在炼油厂种植、收获和加工的速度一样快。

根据美国能源情报署的资料,生物燃料——包括乙醇、生物柴油和生物喷气燃料——比以石油为基础的燃料燃烧得更清洁,可能有助于减少我们对外国石油的依赖。不过,这个行业也面临着挑战。其一是在没有大量政府补贴的情况下使生产在经济上可行。另一种是用那些不能养活人类的农作物和不需要种植粮食的土地来生产生物燃料。

考虑到可承受性和可持续性,Lu和Williams将他们的注意力转向了生物柴油的生产,这是一种更环保的替代传统柴油的方法,可用于为卡车、飞机和重型设备提供动力。

虽然大豆是生物柴油行业最大的油料来源,但种植、提炼和制造燃料所需的能源成本很高。大豆通常被用来饲养人和牲畜。使用商用厨房的废弃食用油可以降低成本,但不足以让生产得到回报。

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卢设计了一种催化剂来帮助甘油转化成更有用的东西。(USC图/莫里斯Roper)

为了解决这个问题,Williams和Lu专注于一种叫做甘油的化学物质,一种制造过程的副产品,他们认为可以转化成更有用的东西。

多年来,科学家们一直在试图找出使生物柴油生产有利可图的方法,但由于甘油的市场价值较低,它在很大程度上被忽视了。我知道,如果我们能发现甘油的价值,我们就能克服经济障碍,减少制造过程中的浪费,”威廉姆斯说。

卢通过设计一种分子机器或催化剂,将甘油转化为乳酸钠,从而发现了这一价值。乳酸钠是一种广泛用于食品加工工业的化学物质,用于清洁动物尸体。

卢和威廉姆斯从南加州大学的史蒂文斯创新中心(Stevens Center for Innovation)获得了这项技术的授权,并成立了一家名为Catapower Inc.的公司。该公司的商业模式为他们赢得了2018年南加州大学箭牌可持续发展奖(USC Wrigley Sustainability Prize)的第一名和7000美元奖金。箭牌可持续发展奖支持南加州大学社区内具有市场潜力的环保理念。那次胜利让他们参与了美国国家科学基金会(National Science Foundation)的创新军团(Innovation Corps)项目,这是一个为期两个月的企业孵化器,为一家将于2024年投产的商用生物燃料工厂铺平了道路。

新一代燃料:由种子和海藻提供动力

威廉姆斯和卢并不是南加州大学唯一致力于通过生物燃料改变美国能源格局的研究人员。

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校友史蒂夫·法比扬斯基(Steve Fabijanski)在洛杉矶国际机场(LAX)的停机坪上驾驶这架澳洲航空公司(Qantas)的飞机,部分动力来自该公司的生物喷气燃料。(图片由Steve Fabijanski提供)

校友史蒂文·法比扬斯基(Steven Fabijanski)是Agrisoma公司的创始人,该公司为生物喷气燃料行业开发并商业化了carinata种子。Carinata是芥菜科的一种多叶植物,它生长在典型的粮食作物不能生长的地方,或者可以与粮食作物进行有益的轮作。收获后,卡瑞纳塔种子的油被提炼成用于商业航空工业的生物喷气燃料,而副产品被用作高蛋白动物饲料。

carinata种子油生产的生物喷气燃料已经为两架越洋航班提供了动力,目前正被引入法国和德国的商用燃料供应中。

另一位特洛伊人——南加州大学箭牌环境研究所本科项目主任兼特别项目副主任戴安·金——正在开发巨藻的潜力,巨藻是一种巨型海藻。

海带是生产生物燃料的理想原料,因为它需要的自然资源很少,而且不会与玉米或大豆等粮食作物争夺土地或淡水。它也是世界上生长最快的生物之一,身长可达100至150英尺,因此被称为“海洋红杉”。

当海藻林沿着加利福尼亚的海岸线蓬勃发展的时候,南加州大学的研究人员正在开发一种方法来在更大的范围内种植海藻——想象一个像犹他州那么大的海藻农场——在开放的海洋中。但是阳光和营养物质在海岸线上的季节性共存在开放的海洋中是分离的,光在表面,营养物质在深处,这给研究团队带来了挑战。

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戴安·金正在研究一种使海带生长最大化的方法。美国能源部。(视频/莫里斯Roper)

在美国能源部的资助下,Kim和她的同事正与一个行业合作伙伴——海洋生物能源公司合作,利用一个他们称之为“海藻电梯”的实验平台来测试一种养殖策略。该项目是美国高级研究计划署大藻类研究项目的一部分,该项目旨在促进美国海洋生物质的生产。

海带电梯利用太阳能浮标和水下四面体结构,将海带上下循环,白天将其带到水面吸收阳光,晚上将其投入更深的地方吸收营养。

“经过几年的海洋试验准备,我们刚刚完成了第一个110天的海上试验,并取得了一些令人兴奋的结果。简而言之,深度循环策略奏效了。”“我们发现,与生长在天然海藻床附近的个体相比,在循环的海带上生长和成熟的速度更快。”总的来说,电梯里的海藻产生的生物量是对照组的四倍。”

随着USC团队继续进行旨在最大化产量的实验,海洋生物能源公司正与海洋工程师合作开发开放的海洋农场,这些农场将由无人驾驶飞机在水中连续移动。

金说,该系统最终可能会扩大规模,以满足整个美国运输部门的燃料需求,其成本与化石燃料行业相当。

她说:“我们非常幸运能够在南加州大学做这项工作,我们拥有南加州大学箭梨中心和南加州大学潜水项目的所有资源。”“没有他们,我们无法完成这项工作。”

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新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.usc.edu/166340/biofuels-vegetable-oil-carinata-seeds-kelp-usc-research/