Химическая обработка может снизить стоимость биотоплива

Новая мягкая химическая обработка, позволяющая полностью растворить древесину, сухую траву и другие трудноразлагаемые растительные компоненты, может значительно повысить эффективность превращения необработанной биомассы в топливо.

Этанол и другие виды биотоплива, включая обычный бензин и заместители дизеля, можно получить из простых сахаров, как правило, путем ферментации. Большинство сахаров получается из пищевых продуктов, вреди которых сахарный тростник и кукуруза. Однако большая часть биомассы, производимой в сельском и лесном хозяйстве, остается неиспользованной и содержит более сложные цепочки сахаров, такие как лигнин и целлюлоза.

Эти тяжелые неразлагающиеся вещества, формирующие структурную основу деревьев, трав и несъедобных частей урожая, распадаются очень медленно. В настоящее время производители целлюлозного этанола тратят 15-20% стоимости топлива на кислоты и ферменты для разрушения и переработки растительных волокон.

Топливный прогресс

Добавив разбавленную серную кислоту к бесцветному раствору гамма-валеролактона (гамма-valerolactone, GVL) имеющему характерный травяной запах, химики из Университета Висконсина-Мэдисона (University of Wisconsin-Madison, США) изобрели процесс, который, по их словам, позволяет легко выделить сахара из лигнина и волокон целлюлозы.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science [1].

«Я думаю, этот подход обладает огромным потенциалом в переработке биомассы», - говорит Харви Бланк (Harvey Blanch), биоинженер-исследователь из Института Объединенной Биоэнергии (Joint BioEnergy Institute) в Эмервилле (Калифорния, США), не принимавший участия в работе.

По словам Джереми Лютербахера (Jeremy Luterbacher), одного из членов команды, разработавшей технологию, результаты лабораторного эксперимента наводят на мысль о том, что растворитель позволит снизить стоимость производства целлюлозного этанола примерно на 10% по сравнению с существующими передовыми технологиями. По мнению других ученых, химическая обработка подает надежды, однако сейчас слишком рано говорить о том, позволит ли она сэкономить. При крупномасштабном тестировании технологии могут возникнуть неожиданные препятствия, а ферменты, между тем, дешевеют: их стоимость за десять лет упала десятикратно, сообщает Мэдс Торри-Смит (Mads Torry-Smith), руководитель направления применения биомасс компании Novozymes (Северная Каролина, США).

Однако, по словам Лютербахера, бесферментативный процесс, разработанный его командой, обладает большим потенциалом в дальнейшем применении.

«Дело в том, что мы обладаем новой технологией, которую разработали за год; ее стоимость сравнима с ферментативной, которая разрабатывалась десятки лет», - комментирует Лютербахер.

Гамма-валеролактон – не единственный растворитель, способный разлагать древесину: мягкие химические вещества – ионные жидкости – действуют подобно сильным кислотам. Однако производство ионных жидкостей стоит дорого, а переработка сильных кислот также затратна. В отличие от них, GVL легко получается из биомассы и легко восстанавливается из смеси растворенных сахаров.

Химик Джеймс Дюмесич (James Dumesic), также входящий в состав рабочей группы, работал с потенциальным жидким топливом в течение многих лет в дочерней фирме Университета Висконсина Glucan Biorenewables и уже готов использовать GVL для производства фуранов – другого вида биотоплива. По словам Лютербахера, надеющегося привлечь инвесторов для дальнейшего строительства заводов, в следующие полтора года исследователи будут проверять растворитель в первичных масштабах, производя 1 литр сахаров в день.

Быстрый рост

Существующие в настоящее время фирмы по производству целлюлозного этанола могут утвердиться как крупный бизнес или прогореть. В 2013 г., после нескольких лет провального производства целлюлозного топлива, отрасль стала оживать. Компания Beta Renewables (Италия) открыла завод по производству целлюлозного этанола на севере Италии, в г. Кресцентино, а компания INEOS Bio (Швейцария) запустила производство во Флориде (США).

В этом году такие компании, как POET (США), Abengoa (Испания), DuPont (США), Mascoma (США), Enerkem (Канада), GranBio (Бразилия) и Fulcrum BioEnergy (США) надеются начать производство целлюлозного этанола в коммерческих масштабах в США и Бразилии, используя ферменты для переработки растительного материала в ферментируемые сахара, или сверхвысокие температуры для разрушения биомассы в синтетический газ (водород и монооксид углерода).

Биоэнергетический аналитик компании Bloomberg New Energy Finance (Франция) Клэр Карри (Claire Curry) ожидает, что в течение этого года по всему миру можно произвести примерно 50-60 млн галлонов целлюлозного этанола на коммерческой основе, в отличие от нескольких миллионов галлонов в 2013 г. Однако, как отмечает Томас Фуст (Thomas Foust), директор Национального Биоэнергетического Центра в Национальной Лаборатории Возобновляемой Энергии (National Renewable Energy Laboratory) в Колорадо (США), преградой к успеху сейчас является не столько высокая стоимость технологии для разрушения целлюлозы, сколько отсутствие гарантированного рынка биоэтанола.

Тем не менее, новый растворитель заслуживает дальнейшего развития, считает Роберт Анекс (Robert Anex), изучающий инженерию биологических систем в Университете Висконсина-Мэдисона. По его словам, вещество обладает большим потенциалом для решения нескольких наиболее важных проблем, связанных с биотопливом.

фото: John James/Alamy

По материалам NatureNews

Оригинальная статья: Nature doi:10.1038/nature.2014.14545

Литература:
1. Luterbacher, J. S. et al. Science 343, 277–280 (2014).