原創 圓的方塊 果殼

先問一個問題：“水變油技術，你知道么？”你肯定會毫不猶豫地回答“騙局！假的”。然而如果再問：“地溝油變燃油呢？”相信你肯定會躊躇下，再表示“八成也是騙局吧？”然而，有一群腦洞大開的化工研究專家，立志要把這項聽上去像騙局的技術變為現實，并且更進一步：不但地溝油可以變成燃油，甚至廚余垃圾中的剩飯剩菜，也能變身燃油，還是品質高大上的航空燃油。

紀春生同志早在二十多年前就高瞻遠矚地提出了類似的創新

什么地溝油，請叫我可持續航空燃料！

為什么地溝油和廚余垃圾能變身寶貴的燃料，這還要從燃料本身的化學構成談起。

航空燃油，說白了就是給航空飛行器使用的燃油，主要成分是一些烴類化合物，分子式可以寫成CH3(CH2)nCH3，其中這個n大約在7到13之間。一般來說，航空燃油里還會加入一些特定的添加劑來提高穩定性，并降低高溫爆炸風險。

加油中的大型客機，航空燃油需求的增長和油價的上揚，共同推動了替代性航空燃料的研發 | caa.gov.qa

如今航空業發展迅速，對航空燃油的消耗也與日俱增。僅僅在美國，一年的航空燃油消耗就超過了6300萬噸，而且這個數字在30年內還會再翻一番。

傳統生產航空燃油的方法，就是用石油化工的手段，從原油中把符合條件的分子分離出來。然而石油畢竟有限，經不起無休止的消耗。于是有人開始想辦法，用其他原料來制造航空燃油。而進入這個石油替代品清單的就包括“地溝油”。

地溝油面貌猙獰，只能放一張食用油意思下 | pexels.com

沒錯，就是那個人人喊打的地溝油。

地溝油，泛指那些回收的劣質食用油或者反復使用的炸油，當然絕對不能讓它上餐桌。不過，地溝油與食用油的主要成分基本相同，都是甘油三酯。而甘油三酯是由三個脂肪酸分子和一個甘油分子形成的。以常見的飽和脂肪酸為例，把它的分子式寫出來就是CH3(CH2)nCOOH。在我們日常用到的動植物油中，這個n值在13到21之間。

對比脂肪酸和航空燃油的分子，會發現它們的主要構成都是碳的長鏈，但存在兩個區別：一是航空燃油的分子更短，二是航空燃油的分子中沒有氧元素。所以，如果能把地溝油中的脂肪酸變成更短的、沒有氧的分子，這不就能得到航空燃油了嗎？

就是沿著這個直白的思路，早在十幾年前，就有高科技企業開始了嘗試用地溝油來做航空燃料。比如，一家名為SkyNRG的公司就開發了一種“地溝油變燃油”的技術。在他們的方案中，先要對地溝油進行加氫脫氧處理，將脂肪酸中的氧元素去掉。隨后，再使用特殊的催化劑，將地溝油中長碳鏈分子裂解，使其達到航空燃料中需要的長度。至此，地溝油就華麗變身為航空燃油。這種使用可回收原料做成的航空燃油就又稱為可持續航空燃料（Sustainable Aviation Fuel，SAF）。

這種簡稱為SAF的燃油已經陸續投入了使用。2014年，一架荷蘭皇家航空公司的空客客機，使用了地溝油燃油和普通燃油的混合油，進行了一次長達10小時的商業飛行。

正在加注可持續航空燃料的荷蘭皇家航空公司客機 | Gunter Binsack

這種SAF的好處顯而易見。除了節省了石油資源，還可以大幅度降低二氧化碳排放：燒掉化石燃料時，釋放出了以前埋藏在地底的碳，是在向大氣中不斷增加碳元素。而對于SAF來說，這一點卻大為不同：農作物變成了食用油，食用油變成地溝油，地溝油做成SAF。所以，燃燒SAF時所釋放出的二氧化碳，其實是那些生物在生長過程中從大氣中吸收的那部分。而且，與傳統的燃料相比，SAF燃燒放出的硫元素之類雜質會大幅降低，從而可以減少空氣污染。

羅爾斯·羅伊斯公司的工程師正在測試研發中的下一代航空引擎，SkyNRG也是這項聯合研發計劃的參與者，目的就是要制造能夠最大發揮SAF燃料效率的環保節能引擎 | Rolls-Royce

當然，這種技術要想推廣起來也沒那么簡單。首先，還是成本問題。因為多出了加工脂肪酸分子等工序，有人估算過，使用地溝油版燃油的成本是普通航空燃油的3到40倍。其次，是原料來源有限。地溝油在廚余垃圾畢竟也只是小類。例如2011年，有一家歐洲荷蘭公司為了尋找用來做SAF的原料，特意到中國購買了幾十噸的地溝油。

那么，有沒有“原料多又便宜”的SAF生產方法呢？研究人員就把目光投向了數量巨大且成分相似的“廚余垃圾”。

神奇的細菌，請求出戰！

說到廚余垃圾，大家肯定想到我們每天的剩菜剩飯，和加工果蔬、肉類時拋棄的下腳料。不過在有機化學工程師眼里，它們是蛋白質、糖、纖維等碳鏈分子。理論上，這些都可以成為SAF的原料。有人估算過，如果每年產生的廚余垃圾都變成燃料，可以滿足幾乎一半的航空需求。

隨著生物化學工業技術的進步，曾經只能焚燒填埋的廚余垃圾，將變成寶貴的燃料 | wikipedia.org

但廚余垃圾的種類繁多，成分要遠比地溝油復雜，想通過現有的化學化工方法來轉化它們，難度很大。問題的關鍵在于，如何把廚余垃圾中的長碳鏈變成短的。而這就需要神奇的細菌朋友來幫忙了。

要想把長的碳分子鏈打斷，除了化學法，還可用生物法，就是使用細菌們的厭氧消化作用。厭氧細菌將廚余垃圾降級成甲烷（CH4）、二氧化碳、水這些小分子來生產沼氣，靠的就是這個過程。

2021年2月，來自美國橡樹嶺實驗室的學者們找到了一種方法來指揮細菌，讓它們幫忙把廚余垃圾消化、加工成航空燃油。

原本細菌會把食物殘渣等垃圾中的脂肪酸分解成甲烷，而研究者要做的就是阻斷這個過程。具體方法是，先選擇一種特殊的混合菌株，然后精確調控溫度和化學環境，讓這種混合菌株無法“出盡全力”，不能將長脂肪酸完全分解為甲烷。取而代之，這些“偷懶”的細菌只能把脂肪酸分解成比較短的分子，這些分子是一些長度在3~8個碳的弱酸。

厭氧菌分解垃圾所形成的含碳弱酸分子 | wikipedia.org

而這些弱酸分子可以再合并成一個較大分子，并釋放出二氧化碳和水。這些新生成的分子長度幾乎是原來的兩倍，也就是包含了5~15個碳原子，這就接近了航空燃油中的碳鏈長度。

只不過，此時的新分子中仍然存在氧元素。為此，研究者們設計了兩種后續的處理方式。第一種方法是對于比較長的新分子（鏈中碳原子數多于8），就用一類廉價催化劑，讓分子中氧與氫氣反應，再以水的形式釋放出來；另一種方法是針對稍短的新分子（鏈中碳原子數少于8），先使用一種名為“醛醇縮合”的過程，讓短分子連在一起，滿足碳鏈長度，再配合催化劑反應，脫出氧元素。研究表明，這兩種后續處理方式的效果都還不錯，而且使用的催化劑價格也還算合適。

讓我們再回顧下整個流程：把剩菜剩飯放入細菌反應器中，阻止細菌產生甲烷，而讓它們生產短的弱酸分子，隨后再經過幾個反應，就能得到不錯的燃料。

整套反應過程確實可行，那么關鍵的問題來了：這要多少錢？

德法合資“全球生物能源公司”在萊比錫附近建造的生物轉化環保燃料生產線 | Gunter Binsack

研究人員估算了一下，假如它們每天能轉化200噸的食物垃圾，那么得到的燃料就能和普通航空燃油在價格上掰掰手腕。

這成本看起來還不錯。當然，要是考慮上碳排放的話，就更合算了。畢竟，如果把食物垃圾倒進填埋場，會產生大量的甲烷，而甲烷的溫室效應要比二氧化碳高出不少。

總之，新技術的出現讓廚余垃圾有了更好的舞臺。以后再坐航班的時候，沒準在飛機發動機里，燃燒著你三個月前吃剩的外賣。

這也許是另一層面上的“燃燒我的卡路里”。

參考文獻

[1] Huq, N. A. , Hafenstine, G. R. , X Huo, Nguyen, H. , & Vardon, D. R. . (2021). Toward net-zero sustainable aviation fuel with wet waste–derived volatile fatty acids. Proceedings of the National Academy of Sciences, 118(13), e2023008118.

[2] 李樹豪, 席雙惠, 張麗娜, 王毅, 趙輝, & 侯軍興. (2018). 小分子燃料對rp-3航空煤油燃燒作用的數值研究. 推進技術.

[3] 陳雪嬌, 侯磊, & 李師瑤. (2016). 航空煤油冰點及黏溫關系的分子動力學模擬. 石油科學通報, 1(003), P.493-502.

[4] "How Food Waste Could Be Turned Into Climate-Friendly Jet Fuel", Wired, 2021-03-19.

作者：圓的方塊

原標題：《水變油是騙局，但剩飯變汽油可不是！》

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