跳动城乡网虽然对石油和柴油等气候变暖燃料的需求预计将在 2030 年之前达到峰值，但未来几年，全球对为运输人员、货物和服务的车辆提供动力的替代燃料的能源需求将快速增长。美国国家可再生能源实验室(NREL)的研究人员最近研究了一种由基因工程细菌生产的新型生物燃料是否可以成为解决方案的一部分。
生物质柴油的碳足迹总体上比传统柴油更小，因为它不是由化石燃料制成的。今天的生物质柴油主要是通过加工植物物质和动物产品(称为“原料”)的脂肪和油来生产的。
NREL 的高级研究员鲍勃·麦考密克 (Bob McCormick) 表示：“我们每年生产约 40 亿加仑的脂肪和油，用于转化为燃料，其中约一半在美国用于生产生物柴油。” “但我们每年使用 460 亿加仑的柴油用于运输。这是一个瓶颈，但通过其他形式的生物质的转化正在慢慢缓解。”
为了填补生物柴油的需求和生产之间的缺口，寻找新的生物质柴油生产原料和方法是当务之急。 NREL 的燃料和燃烧研究人员正在努力确定这些发现是否能够安全、适当地满足需求。
NREL 研究人员与埃克森美孚合作，研究了一种由大肠杆菌制造的新型生物燃料的特性，这种细菌经过改造，以糖为食，产生脂肪酸甲酯 (FAME)，与构成生物柴油的化合物类似。
这种由生物技术公司 Genomatica 改造的细菌产生了一种独特的 FAME，其特性使其不同于由大豆油等制成的传统生物柴油。 NREL 的合作伙伴想知道这种新燃料相对于传统生物柴油是否有任何优势，或者是否存在任何性能问题。
NREL 的燃料和燃烧研究人员最近发表了两篇论文，详细介绍了他们对这些不同特性的发现，并说明了为什么此类基础研究是创造经过严格审查、可靠且合适的新型汽车燃料以加速清洁能源转型的必要步骤。
任何进入发动机的燃料都需要满足特定标准，例如由全球组织 ASTM International 制定并被美国法规采用的标准。这些标准确保燃料的安全性、质量和可靠性。虽然新燃料令人兴奋，但它们的前景在于它们是否能够满足这些规格。这就是 NREL 的燃料和燃烧科学家以及先进研究设备发挥作用的地方。
麦考密克说：“我们通过向生物燃料研究人员和生产商展示他们的表现与他们需要的表现进行比较，帮助他们开发他们的技术。”
麦考密克是该研究小组发表的两篇论文之一的主要作者，论文《来自工程微生物的含有β-羟基酯的独特脂肪酸甲酯的燃料特性评估》发表在《燃料通讯》上。
NREL 的研究团队进行了实验，将独特的 FAME 与传统生物柴油的燃烧特性进行比较，并建立了独特 FAME 燃烧的“化学动力学模型”。化学动力学模型是化学反应和在整个燃烧过程中将燃料材料转化为化学产品的途径的数学表示。
两个主要特征影响生物柴油的燃烧和特性：碳链长度和这些链的饱和度。在他们的实验中，研究小组评估了独特的 FAME 相对于传统大豆生物柴油的燃烧特性，独特的 FAME 具有较短的碳链长度、这些链的不同饱和度以及羟基的存在，而羟基基团不是存在于常规脂肪酸甲酯上。
这些分子水平的差异可能看起来很小，但它们可以使燃料的实际发动机燃烧和排放水平以及燃料分销商和用户处理燃料的能力产生巨大差异。
可能受到影响的质量包括抗氧化性(氧化稳定性)、低于燃料会形成可能堵塞燃料过滤器的晶体的温度(浊点)以及燃料的点火反应性(十六烷值)。这些品质只是柴油发动机必须足够(或适合用途)的众多品质中的一部分。
为了测量和识别独特 FAME 的物理特性和性能，研究人员比较了不同类型和混合物的材料。首先，他们将通过 Genomatica 细菌工艺生产的独特 FAME 混合物(约 10% β-羟基 FAME 与传统 FAME 的混合物，传统 FAME 的链长比传统生物柴油更短，碳-碳双键更少)与传统生物柴油的特性进行了比较。大豆油衍生的生物柴油，了解混合物是否具有性能优势或缺陷。
接下来，他们将几乎纯的 β-羟基 FAME 与不含羟基的类似 FAME 分子的特性进行了比较。这种比较使他们能够评估 β-羟基如何影响燃料特性和燃烧。
这些实验室测试和团队的化学动力学建模有助于为未来潜在的发动机实验和建模奠定基础。
“你可能会想，&luo;如果我想测试一种燃料，我需要在发动机中测试它。&ruo;但发动机实验非常复杂，”NREL 燃料和燃烧研究员 Samah Mohamed 说。 “因此，为了了解燃料的燃烧特性，我们在类似于发动机的条件下进行基础实验，并结合化学动力学模拟。”
其中一项实验包括测量点火延迟时间(燃料-空气混合物点燃所需的时间)，确定燃料的十六烷值。另一项实验评估产生的物质的分布，以确定燃烧过程中形成的化合物，并有助于预测燃料的排放特性。
Mohamed 是另一篇论文“β-羟基对酯反应性的影响：己酸甲酯和 3-羟基己酸甲酯的燃烧动力学”的主要作者，该论文发表在Combustion and Flame上。
Mohamed 和她的团队根据独特的 FAME 创建的化学动力学模型是了解燃料行为及其原因的必要步骤。了解“为什么”可以帮助简化对未来上线的新燃料的研究，这些新燃料可能具有相似的物理特性，因此可以预测其行为方式。
为了确定穆罕默德和她的合著者建立的化学动力学模型的有效性，研究人员将模型的预测与他们从早期基本流动反应器实验和点火延迟时间测量中收集的数据进行了比较。然后，他们研究了其独特的 FAME 模型与现有的传统生物柴油模型之间的异同。
平衡乐观和现实以做出明智的决定
研究人员发现他们的结果好坏参半，但最终确定独特的 FAME 具有一些燃烧和化学特性，使其成为比传统大豆生物柴油更好的燃料。此外，与传统生物柴油相比，独特的 FAME 具有更短的链长和更高的饱和度，可降低沸点并增加十六烷值，从而实现更好的燃烧，特别是在 100% 使用独特的 FAME(不与石化柴油混合)时。
额外的β-羟基基团提出了挑战。最重要的是，研究人员发现，独特的 FAME 在储存过程中氧化速度更快，这可能会导致发动机运行出现问题。氧化会导致发动机产生沉积物，从而降低效率并导致堵塞。研究小组怀疑β-羟基酯可能是原因。
在论文中，Mohamed、McCormick 以及来自 NREL、科罗拉多州立大学、普林斯顿大学和埃克森美孚的其他作者确定了潜在的解决方案，可以使独特的 FAME 用作燃料，例如抗氧化添加剂，或者让工程微生物产生与独特的 FAME 类似的燃料，但不含 β 羟基酯(是的，这是可能的)。然而，最终决定将由生产商、产品开发商和新燃料批准者做出。
对于这组研究人员来说，能够进行基础研究来研究可能性并帮助为对燃料设计和生产的决策提供信息就足够令人满意了。
穆罕默德说：“利用我在开发动力学模型方面的技能和知识来帮助加速筛选新提议的燃料，这是我的动力。” “生物燃料研究人员正在不断创新工艺来生产潜在的替代燃料，确保这些燃料真正发挥作用非常重要。”
