Когда речь идет о производстве топлива из растений, первый этап всегда был наиболее сложным - разложение растительного материала. Новое исследование показывает, что введение простого возобновляемого химиката на этапе предварительной обработки может наконец-то сделать производство биотоплива нового поколения как экономически эффективным, так и углеродно-нейтральным.
В соревновании с нефтью для эффективности использования биотоплива в биорефинериях требуется улучшенное использование лигнина. Лигнин, являющийся ключевым компонентом клеточных стенок растений, обеспечивает растениям структурную прочность и устойчивость к микробным атакам. Однако извлечение и использование лигнина из растительной массы, известной как биомасса, затруднено его естественными свойствами.
Использование лигнина представляет собой ключевой момент в создании экономичных и экологически чистых биопродуктов из биомассы, по словам старшего научного сотрудника Университета Калифорнии в Риверсайде, Чарльза Кая (на фото сверху). Автор предложил инновационную технологию предварительной обработки биомассы, названную CELF (co-solvent enhanced lignocellulosic fractionation).
Технология CELF включает использование тетрагидрофурана (ТГФ) в дополнение к воде и разбавленной кислоте в процессе предварительной обработки биомассы. Это улучшает эффективность и позволяет извлекать лигнин. Одним из преимуществ ТГФ является его возможность получения из сахаров биомассы.
В публикации в журнале Energy & Environmental Science исследователи, работая под руководством Чарльза Кая, представляют результаты исследования по применению CELF в биорефинерии. Исследование проводилось совместно с Центром по биоэнергетическим инновациям, управляемым Окриджской национальной лабораторией, и Национальной лабораторией возобновляемой энергии при финансировании Управления по науке Министерства энергетики США.
Авторы рассматривают две основные переменные: выбор наиболее подходящей биомассы и оптимальное использование извлеченного лигнина. Операции первого поколения биотоплива используют в качестве сырья сельскохозяйственные культуры, такие как кукуруза и соя, что приводит к отводу земли и воды от производства продовольствия. Второе поколение предполагает использование несъедобных растительных остатков, таких как древесные отходы и солома.
Согласно Департаменту энергии США, в США ежегодно может быть предоставлено до миллиарда тонн биомассы для производства биотоплива и биопродуктов, что позволит заменить 30% потребления нефти и создать новые рабочие места.
Исследование выявило, что использование более плотной биомассы, такой как древесина твердолистного тополя, в биорефинерии CELF предпочтительнее для достижения больших экономических и экологических выгод по сравнению с менее углеродной соломой кукурузы.
Применение твердолистного тополя в биорефинерии CELF позволяет производить устойчивое авиационное топливо по себестоимости всего $3,15 за галлон эквивалента бензина. Таким образом, стоимость значительно ниже текущей средней цены за галлон авиационного топлива в США, которая составляет $5,96.
США выдают кредиты за производство биотоплива в виде кредитов за возобновляемую идентификационную цифру. Работа с кредитами второго поколения (тир D3) с ценой от $1 за галлон и выше позволяет ожидать более чем 20% прибыльности операции.
Проект CELF предлагает не только лучшее использование лигнина, но и производство возобновляемых химикатов. Эти химикаты могут быть использованы для создания биопластиков и ароматизаторов для пищи и напитков, поглощая углерод из растительной биомассы, что исключает его выброс в атмосферу в виде CO2.
Авторы надеются, что пилотная установка CELF на Университете Калифорнии в Риверсайде, поддержанная грантом в $2 миллиона от Биоэнергетического технологического офиса Департамента энергии США, станет ключевым этапом к дальнейшим крупномасштабным инвестициям в технологию, учитывая негативное воздействие использования ископаемых топлив на изменение климата.