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橡胶的可持续生产

2021-9-14 13:58| 发布者: admin_1| 查看: 292| 评论: 0|原作者: 秘书处

空格交通部门降低碳排放是遏制全球气候变化和保证未来可持续发展政策实施的关键。车辆需要轮胎才能行驶,多数轮胎使用的材料是石油基橡胶。像线性经济时代诞生的许多其他产品一样,轮胎基本不能回收利用,因为它是由纤维和钢制成,橡胶在其中起粘合作用。而随着石油的不断消耗,橡胶的消耗也会增长。
空格因此,使用三叶橡胶树生产的天然胶乳似乎是一种解决之道。1981年,天然橡胶消费量占总需求的30%,2013年增长至43%。然而这种消费方式是不可持续的,种植橡胶树对热带生态系统的破坏性影响与种植油棕类似。
空格所以,石油短缺带来了更严峻的环境考验和地缘政治问题:天然橡胶的主要生产国位于东南亚,而东南亚国家与西方的关系偶尔紧张。因此考虑到这些因素,美国政府将天然橡胶列入国家战略材料,同时努力在本土寻找天然橡胶的替代胶源作物。欧洲各国政府对此态度较为温和,资助了欧盟珍珠项目(Eu Pearls Project)下的一些研究课题,该项目旨在生产和开发立足欧盟的天然橡胶替代胶源作物。
空格替代胶源作物可能来自边远土地和本土纬度地区。第一种替代胶源作物是俄罗斯蒲公英(Taraxacum kok saghyz)。二战期间,美国和苏联曾经对蒲公英橡胶草进行过开发,但是不久之后就终止了,战争结束后,天然橡胶的供应重新依靠三叶橡胶树种植园。
空格橡胶草原产于哈萨克斯坦和乌兹别克斯坦,外观与常见的蒲公英品种非常类似。橡胶草的根部含有橡胶,其结构与三叶橡胶相似。橡胶草与橡胶树的区别在于,蒲公英胶乳不会流动,而是被困在更复杂的基质中。除了根部,蒲公英植株的其他部分也需要开发。蒲公英根部的橡胶含量并不稳定,从5%到24%不等。蒲公英根的组分见图1。

图1

空格根据拉米雷斯·卡达维德(Ramirez-Cadavid)等人的研究,俄罗斯蒲公英根的组分如图所示。
空格如果要实现商业化种植,橡胶草根部的胶乳含量应超过15%,通过基因改良技术可以实现这一目标。橡胶草根部以外的其余部分也可以开发。菊粉内含有营养成分、糖、纤维素和蛋白质,可以用于生产动物饲料、生物乙醇或甲烷燃料。
空格基于生物精炼级联反应的概念,橡胶工业所面临的最大瓶颈似乎就是如何从“线性”生产模式过渡到“循环”生产模式。俄罗斯生物精炼厂的预期生产率见表1。应注意,该估算基于俄亥俄州蒲公英橡胶草的种植条件,此处的气候特征类似于帕多瓦平原。

表1

空格根据拉米雷斯·卡达维德(Ramirez Cadavid)等人的研究,俄罗斯蒲公英生物工厂的生产率如图所示,单位为千克每公顷。
空格值得注意的是,“非食品”类橡胶仅占植株可提取总量的8.6%。其余部分可直接用于食品或饲料加工。换个角度讲,如果仅开发蛋白质和菊糖,其余植株可以加工成乙醇,每公顷的乙醇产量高达1.509公斤。每公顷可生产蔗渣5.600-5.800 kh,与此相比,乙醇作为副产品,产量适中。无论如何,橡胶草的种植和生物精炼级联加工在某种程度上解决了“粮食和能源”的冲突。另外,菊糖也可以作为非食品使用,比如生产一种生物塑料——聚乙烯呋喃酸酯(PEF),代替聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)用于生产瓶子和包装材料。
空格俄罗斯蒲公英成为可持续橡胶工业的主要替代作物还有一个原因,即商业化开发的生态兼容性。弗劳恩霍夫分子生物学研究所已经标记了橡胶草中负责生产橡胶的基因,这就使通过基因改良手段获得高产品种成为可能。德国弗劳恩霍夫研究所开发的提取工艺使用水作为溶剂,参见图2。

图2 弗劳恩霍夫分子生物学研究所开发的俄罗斯橡胶草提取系统

空格欧盟资助的Drive4 Eu项目,旨在对欧洲的蒲公英橡胶和菊粉进行稳定性开发。在此项目下,研究人员对俄罗斯蒲公英的农艺和工业化开发都进行了进一步研究。该项目融资425万欧元,下面我们对该项目的研究成果进行一下梳理。
空格2018年底,该项目获得了两个潜力较高的杂交品种,其根部生物量要比野生橡胶草高2至5倍。其中一个品种的菊糖含量高达70%。种子的最佳种植密度为37.5万株/公顷,每公顷可收获3.3吨根部生物量,而每公顷施加的氮肥仅为50-70公斤。目前,收获蒲公英橡胶草所使用的机械原本是收获菊苣使用的,未来或许有必要开发出根系形态更适用于菊苣收割机的新品种,以便于收获后的清洁工序。项目第四年时,Drive4 Eu筛选的杂交品种所生产的橡胶足够进行汽车轮胎和自行车胎的制造。
空格室内试验和道路试验表明,蒲公英橡胶与传统三叶橡胶品质相当。就冬季胎而言,为了获得附着力的提升,胶料所含的天然橡胶成分更多。使用蒲公英橡胶生产的轮胎表现出与三叶橡胶轮胎相同的性能。商业模式分析表明,如果蒲公英橡胶实现大规模生产,必然会导致菊粉产量过剩,因为菊粉属于小批量使用的利基成分,食品工业饱和后无法吸纳过剩的菊粉。而这些过剩菊粉可以用来生产聚乙烯呋喃酸酯,替代市场上的聚对苯二甲酸乙二醇酯,不仅经济性更强,而且更加环保。
空格未来发展
空格与传统的巴西三叶橡胶相比,俄罗斯蒲公英橡胶有许多优点:生长周期短,仅为一年或两年,繁育条件好的情况下六个月即可成熟。而三叶橡胶树从栽培到产胶需要长达七年的时间。蒲公英橡胶的分子量高,适于100%天然橡胶轮胎或合成橡胶轮胎的制造。蒲公英橡胶还可以提取食品级菊糖和生物乙醇,生产的聚乙烯呋喃酸酯可以取代瓶子和包装材料中的聚对苯二甲酸乙二醇酯。动物饲料和沼气生产中也可以使用蒲公英提取物。
空格世界对橡胶的需求量在持续增加,而橡胶的种植面积却在逐渐缩小。面对病虫害等各种威胁因素,橡胶树种植园正在衰落,油棕种植正在侵蚀橡胶树种植区。而俄罗斯蒲公英的大规模商业化种植尚未实现,原因很多。其一缺乏含胶量高的种质资源供应商(目前德国只有一家叫作Eskusa GmbH提供蒲公英种子),与野生蒲公英品种杂交后,易受杂草侵扰,所以需要开发专门针对蒲公英的除草剂。农用机械方面,目前收割蒲公英主要使用菊苣收割机,缺乏能够处理蒲公英副产品的功能。
空格大陆集团曾在芬兰成功测试了蒲公英橡胶雪地胎,之后一直致力于蒲公英橡胶在其产品中的应用。大陆注册了Taraxagum蒲公英橡胶轮胎系列品牌。其副总裁安德烈亚斯·托普(Andreas Topp)表示,一旦蒲公英的种植技术获得突破,2030年实现大规模投产不无可能。

图3 大陆集团欧洲分部的蒲公英轮胎样品


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