Команды из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) и Sandia National Laboratories совместно разработали оптимизированный и эффективный процесс преобразования древесных растений, таких как заросли леса и сельскохозяйственные отходы – материал, который в настоящее время сжигается намеренно или непреднамеренно – в жидкое биотопливо. Их исследование было недавно опубликовано в журнале ACS Sustainable Chemistry & Engineering.
«Согласно недавнему отчету, к 2050 году ежегодно будет доступно 38 миллионов метрических тонн сухой древесной биомассы, что сделает ее исключительно богатым источником углерода для производства биотоплива», – сказала Каролина Барселос, старший инженер-технолог Advanced Biofuels Lab Berkeley Lab. Отдел разработки процессов биопродукции (ABPDU).
Однако попыткам преобразовать древесную биомассу в биотопливо, как правило, препятствуют внутренние свойства древесины, которые очень затрудняют химическое разложение, добавил ученый-исследователь ABPDU Эрик Сандстрем. «Наши два исследования подробно описывают недорогой путь преобразования источников биомассы, которые в противном случае сжигались бы в поле или в косых кучах или увеличивали риск и серьезность сезонных лесных пожаров. У нас есть возможность превратить эти возобновляемые источники углерода из источников загрязнения воздуха и пожаров в экологически чистое топливо."
В исследовании, проведенном Барселосом и Сандстремом, ученые использовали нетоксичные химические вещества, коммерчески доступные ферменты и специально созданный штамм дрожжей для преобразования древесины в этанол в одном реакторе, или «горшке».«Кроме того, последующий технологический и экономический анализ помог команде определить необходимые улучшения, необходимые для достижения производства этанола по цене 3 доллара за галлоновый эквивалент бензина (GGE) с помощью этого пути преобразования.
Это первый в истории непрерывный процесс производства этанола из древесной биомассы, отличающийся как высокой эффективностью преобразования, так и простой конфигурацией с одним резервуаром. (Как знает любой повар, рецепты из одной кастрюли всегда проще, чем рецепты, требующие нескольких кастрюль, и в этом случае это также означает меньшее потребление воды и энергии.)
В дополнительном исследовании, проведенном Джоном Гладденом и Лалитенду Дасом из Объединенного института биоэнергетики (JBEI), команда доработала процесс с одним горшком, чтобы он мог преобразовывать древесную биомассу из Калифорнии, такую как сосна, миндаль, грецкий орех. , и опилки еловых деревьев – с таким же уровнем эффективности, как и существующие методы, используемые для преобразования травянистой биомассы, даже если исходным материалом является смесь разных пород древесины.
«Удаляя древесную биомассу из лесов, таких как заросшие сосны в Сьерре, и из сельскохозяйственных районов, таких как миндальные сады в Центральной долине Калифорнии, мы можем решить сразу несколько проблем: катастрофические лесные пожары в штатах, подверженных пожарам, опасность загрязнения воздуха в результате контролируемого сжигания пожнивных остатков и нашей зависимости от ископаемого топлива », – сказал Дас, научный сотрудник JBEI и Sandia. «Вдобавок к этому мы значительно сократим количество углерода, добавляемого в атмосферу, и создадим новые рабочие места в биоэнергетической отрасли."
Этанол уже используется в качестве присадки, снижающей выбросы, в обычный бензин, обычно составляя около 10% газа, который мы закачиваем в наши легковые и грузовые автомобили.
Некоторые специальные автомобили предназначены для работы на топливе с более высоким содержанием этанола до 83%. Кроме того, этанол, произведенный из растительной биомассы, может использоваться в качестве ингредиента для производства более сложных дизельных и реактивных топлив, которые помогают декарбонизировать трудные для электрификации авиационный и грузовой секторы. В настоящее время наиболее распространенным источником этанола на биологической основе являются зерна кукурузы – крахмалистый материал, который гораздо легче расщепить химическим путем, но для его производства требуются земля, вода и другие ресурсы.
Эти исследования показывают, что древесную биомассу можно эффективно расщепить и превратить в передовое биотопливо в интегрированном процессе, который является экономически конкурентоспособным по сравнению с кукурузным этанолом на основе крахмала.
Эти технологии также могут быть использованы для производства биотоплива, химически идентичного соединениям, уже присутствующим в бензине и дизельном топливе.
Следующие шаги в этом направлении – разработка, проектирование и внедрение технологии в пилотном масштабе, который определяется как процесс, который преобразует 1 тонну биомассы в день.
Команды лаборатории Беркли работают с Aemetis, передовой компанией по производству возобновляемого топлива и биохимических продуктов, базирующейся в районе залива, над коммерциализацией технологии и запуском ее в более крупных масштабах после завершения пилотной фазы.