激光技术将纤维素转化为生物燃料

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2020第九届电工技术前沿问题学术论坛暨第十三届中国电工装备创新与发展论坛

能源短缺问题是长期困扰人类社会发展的主要问题之一，据预测，地球上蕴藏的可供开发利用的煤和石油化石能源将分别在200年、30～40年内耗竭，而天然气按储采比也只能利用60年。同时，煤、石油、天然气带来的环境气候问题日益突出，因此开发有效的化石燃料替代品变得至关重要。

纤维素是世界上最丰富的天然有机物，麻、麦秆、稻草、甘蔗渣等，都是纤维素的丰富来源。作为植物生物质的主要成分，它每年以约1640亿吨的速率再生，其所含能量相当于石油产量的15～20倍。这些储量丰富的纤维素类生物质可水解成糖再通过化学或生化法转化成燃料酒精、糠醛、乙酞丙酸等液体燃料和化学品，可以改变传统能源结构，为人类提供绿色能源和化工产品。

生物质燃料是一种可再生的新能源，对其进行开发利用不仅能缓解能源危机，还可以减轻环境污染。但是，由于纤维素类生物质分子的刚性和致密结构使其不溶于水，因此其降解过程极具挑战性。截至目前，全球的化学家和生物技术人员已经使用了诸如微波辐射，水解和超声处理之类的常规技术来降解这种聚合物，但是这些过程都需要比较严格极端的条件，因此是不可持续的。

近日，东京科技大学、京都大学高级能源研究所、日本大学量子科学研究所电子束研究与应用实验室、立命馆大学SR中心的研究人员，开发了一种新纤维素降解技术，它基于无红外电子激光器（IR-FEL）的其激光器的波长在3～20μm范围内且可调，相关研究成果已发表于《能源与燃料》杂志。

已有试验显示，采用近红外和中红外自由电子激光是直接从纤维素聚集体中获得葡萄糖和低分子量糖类的绿色方法。红外自由电子激光是一种基于同步辐射的皮秒脉冲激光器，其振荡波长可在3至10 μm之间调谐。通过电喷雾电离质谱分析显示，葡萄糖、纤维二糖、三糖和四糖的质量峰被清晰地检测到，在粉末纤维素被红外自由电子激光连续照射至9.1微米之后的7.2微米或3微米之后，这些糖的产量高于在9.1微米下通过单次辐射获得的产量。

研究人员指出，IR-FEL激光辐照系统基于振动模式选择性多光子吸收反应，并可以改变物质的结构，是用于纤维素零排放降解的最有前途的绿色技术。基于IR-FEL可用于对各种生物分子进行解离反应，到目前为止，该技术已在物理，化学和医学的基本领域中被广泛使用。

纤维素是由碳，氧和氢分子组成的生物聚合物，它们相互之间形成不同长度和角度的共价键。该聚合物在三个波长分别为9.1、7.2和3.5微米处具有三个红外波段，分别对应于三个不同的键：碳氧拉伸模式，氢氧弯曲模式和碳氢拉伸模式。根据这些模式，研究人员通过将IR-FEL的波长调整为这三个波长来照射粉状纤维素。

接下来，他们利用电喷雾电离质谱分析法和同步加速器辐射红外显微镜等技术对产品、产率进行了分析，结果显示纤维素分子已成功分解为葡萄糖和纤维二糖（用于生产生物乙醇的前体分子），且这些产品还可以以高收率获得，这进一步证明了该方法的有效性。

研究人员认为，这是世界上第一种通过使用IR-FEL从纤维素中高效获取葡萄糖的方法，并且不需要助溶剂、高温和高压来发挥辐照效果。据称，在当前的实验室规模下，一天的操作可以处理数百毫克的固体纤维素样品。

除生产生物燃料外，纤维素还有多种用途。例如，作为生物相容性细胞膜中的功能性生物材料，抗菌片和混合纸材料，新方法还可用于医疗保健，技术和工程等行业。此外，该研究团队乐观地认为，他们的方法不仅可用于处理纤维素，而且可用于处理其他木材成分，并且可以被证明是一种回收森林生物质的创新方法，因此他们希望这项研究未来可以为社会的可持续发展做出贡献。