水变油是骗局，但剩饭变汽油可不是！

先问一个问题：“水变油技术，你知道么？”你肯定会毫不犹豫地回答“骗局！假的”。然而如果再问：“地沟油变燃油呢？”相信你肯定会踌躇下，再表示“八成也是骗局吧？”然而，有一群脑洞大开的化工研究专家，立志要把这项听上去像骗局的技术变为现实，并且更进一步：不但地沟油可以变成燃油，甚至厨余垃圾中的剩饭剩菜，也能变身燃油，还是品质高大上的航空燃油。

纪春生同志早在二十多年前就高瞻远瞩地提出了类似的创新

什么地沟油，请叫我可持续航空燃料！

为什么地沟油和厨余垃圾能变身宝贵的燃料，这还要从燃料本身的化学构成谈起。

航空燃油，说白了就是给航空飞行器使用的燃油，主要成分是一些烃类化合物，分子式可以写成CH3(CH2)nCH3，其中这个n大约在7到13之间。一般来说，航空燃油里还会加入一些特定的添加剂来提高稳定性，并降低高温爆炸风险。

加油中的大型客机，航空燃油需求的增长和油价的上扬，共同推动了替代性航空燃料的研发 | caa.gov.qa

如今航空业发展迅速，对航空燃油的消耗也与日俱增。仅仅在美国，一年的航空燃油消耗就超过了6300万吨，而且这个数字在30年内还会再翻一番。

传统生产航空燃油的方法，就是用石油化工的手段，从原油中把符合条件的分子分离出来。然而石油毕竟有限，经不起无休止的消耗。于是有人开始想办法，用其他原料来制造航空燃油。而进入这个石油替代品清单的就包括“地沟油”。

地沟油面貌狰狞，只能放一张食用油意思下 | pexels.com

没错，就是那个人人喊打的地沟油。

地沟油，泛指那些回收的劣质食用油或者反复使用的炸油，当然绝对不能让它上餐桌。不过，地沟油与食用油的主要成分基本相同，都是甘油三酯。而甘油三酯是由三个脂肪酸分子和一个甘油分子形成的。以常见的饱和脂肪酸为例，把它的分子式写出来就是CH3(CH2)nCOOH。在我们日常用到的动植物油中，这个n值在13到21之间。

对比脂肪酸和航空燃油的分子，会发现它们的主要构成都是碳的长链，但存在两个区别：一是航空燃油的分子更短，二是航空燃油的分子中没有氧元素。所以，如果能把地沟油中的脂肪酸变成更短的、没有氧的分子，这不就能得到航空燃油了吗？

就是沿着这个直白的思路，早在十几年前，就有高科技企业开始了尝试用地沟油来做航空燃料。比如，一家名为SkyNRG的公司就开发了一种“地沟油变燃油”的技术。在他们的方案中，先要对地沟油进行加氢脱氧处理，将脂肪酸中的氧元素去掉。随后，再使用特殊的催化剂，将地沟油中长碳链分子裂解，使其达到航空燃料中需要的长度。至此，地沟油就华丽变身为航空燃油。这种使用可回收原料做成的航空燃油就又称为可持续航空燃料（Sustainable Aviation Fuel，SAF）。

这种简称为SAF的燃油已经陆续投入了使用。2014年，一架荷兰皇家航空公司的空客客机，使用了地沟油燃油和普通燃油的混合油，进行了一次长达10小时的商业飞行。

正在加注可持续航空燃料的荷兰皇家航空公司客机 | Gunter Binsack

这种SAF的好处显而易见。除了节省了石油资源，还可以大幅度降低二氧化碳排放：烧掉化石燃料时，释放出了以前埋藏在地底的碳，是在向大气中不断增加碳元素。而对于SAF来说，这一点却大为不同：农作物变成了食用油，食用油变成地沟油，地沟油做成SAF。所以，燃烧SAF时所释放出的二氧化碳，其实是那些生物在生长过程中从大气中吸收的那部分。而且，与传统的燃料相比，SAF燃烧放出的硫元素之类杂质会大幅降低，从而可以减少空气污染。

罗尔斯·罗伊斯公司的工程师正在测试研发中的下一代航空引擎，SkyNRG也是这项联合研发计划的参与者，目的就是要制造能够最大发挥SAF燃料效率的环保节能引擎 | Rolls-Royce

当然，这种技术要想推广起来也没那么简单。首先，还是成本问题。因为多出了加工脂肪酸分子等工序，有人估算过，使用地沟油版燃油的成本是普通航空燃油的3到40倍。其次，是原料来源有限。地沟油在厨余垃圾毕竟也只是小类。例如2011年，有一家欧洲荷兰公司为了寻找用来做SAF的原料，特意到中国购买了几十吨的地沟油。

那么，有没有“原料多又便宜”的SAF生产方法呢？研究人员就把目光投向了数量巨大且成分相似的“厨余垃圾”。

神奇的细菌，请求出战！

说到厨余垃圾，大家肯定想到我们每天的剩菜剩饭，和加工果蔬、肉类时抛弃的下脚料。不过在有机化学工程师眼里，它们是蛋白质、糖、纤维等碳链分子。理论上，这些都可以成为SAF的原料。有人估算过，如果每年产生的厨余垃圾都变成燃料，可以满足几乎一半的航空需求。

随着生物化学工业技术的进步，曾经只能焚烧填埋的厨余垃圾，将变成宝贵的燃料 | wikipedia.org

但厨余垃圾的种类繁多，成分要远比地沟油复杂，想通过现有的化学化工方法来转化它们，难度很大。问题的关键在于，如何把厨余垃圾中的长碳链变成短的。而这就需要神奇的细菌朋友来帮忙了。

要想把长的碳分子链打断，除了化学法，还可用生物法，就是使用细菌们的厌氧消化作用。厌氧细菌将厨余垃圾降级成甲烷（CH4）、二氧化碳、水这些小分子来生产沼气，靠的就是这个过程。

2021年2月，来自美国橡树岭实验室的学者们找到了一种方法来指挥细菌，让它们帮忙把厨余垃圾消化、加工成航空燃油。

原本细菌会把食物残渣等垃圾中的脂肪酸分解成甲烷，而研究者要做的就是阻断这个过程。具体方法是，先选择一种特殊的混合菌株，然后精确调控温度和化学环境，让这种混合菌株无法“出尽全力”，不能将长脂肪酸完全分解为甲烷。取而代之，这些“偷懒”的细菌只能把脂肪酸分解成比较短的分子，这些分子是一些长度在3~8个碳的弱酸。

厌氧菌分解垃圾所形成的含碳弱酸分子 | wikipedia.org

而这些弱酸分子可以再合并成一个较大分子，并释放出二氧化碳和水。这些新生成的分子长度几乎是原来的两倍，也就是包含了5~15个碳原子，这就接近了航空燃油中的碳链长度。

只不过，此时的新分子中仍然存在氧元素。为此，研究者们设计了两种后续的处理方式。第一种方法是对于比较长的新分子（链中碳原子数多于8），就用一类廉价催化剂，让分子中氧与氢气反应，再以水的形式释放出来；另一种方法是针对稍短的新分子（链中碳原子数少于8），先使用一种名为“醛醇缩合”的过程，让短分子连在一起，满足碳链长度，再配合催化剂反应，脱出氧元素。研究表明，这两种后续处理方式的效果都还不错，而且使用的催化剂价格也还算合适。

让我们再回顾下整个流程：把剩菜剩饭放入细菌反应器中，阻止细菌产生甲烷，而让它们生产短的弱酸分子，随后再经过几个反应，就能得到不错的燃料。

整套反应过程确实可行，那么关键的问题来了：这要多少钱？

德法合资“全球生物能源公司”在莱比锡附近建造的生物转化环保燃料生产线 | Gunter Binsack

研究人员估算了一下，假如它们每天能转化200吨的食物垃圾，那么得到的燃料就能和普通航空燃油在价格上掰掰手腕。

这成本看起来还不错。当然，要是考虑上碳排放的话，就更合算了。毕竟，如果把食物垃圾倒进填埋场，会产生大量的甲烷，而甲烷的温室效应要比二氧化碳高出不少。

总之，新技术的出现让厨余垃圾有了更好的舞台。以后再坐航班的时候，没准在飞机发动机里，燃烧着你三个月前吃剩的外卖。

这也许是另一层面上的“燃烧我的卡路里”。

参考文献

[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]  李树豪, 席双惠, 张丽娜, 王毅, 赵辉, & 侯军兴. (2018). 小分子燃料对rp-3航空煤油燃烧作用的数值研究. 推进技术.

[3]  陈雪娇, 侯磊, & 李师瑶. (2016). 航空煤油冰点及黏温关系的分子动力学模拟. 石油科学通报, 1(003), P.493-502.

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

作者：圆的方块

编辑：朱步冲

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