Ферментация кормов в топливо
В условиях проблем изменения климата, связанных с использованием ископаемого топлива и выбросами парниковых газов, таких как CO2, поиск возобновляемых материалов для топлива и разработка процессов производства экологически чистых и экономически конкурентоспособных биотоплив становятся все более важными.
Ученые Университета штата Мичиган (MSU) находятся на переднем крае исследований в области биотоплива, сделав штат лидером в производстве биотоплива из целлюлозы и гемицеллюлозы — сложных сахаров, придающих жесткость травам, стеблям и листьям растений.
В отличие от простых сахаров или крахмала в зернах (например, кукурузы), целлюлоза не растворяется в воде. Это хорошо для здоровья растений, но создает проблему для производства биотоплива. Перед превращением в этанол или другие виды биотоплива сложные сахара целлюлозы и гемицеллюлозы (из древесных растений) необходимо расщепить на простые сахара. Этот процесс сложно сделать эффективным, что значительно повышает стоимость производства и является одной из причин, по которой целлюлозное биотопливо еще не доступно в коммерческих масштабах.
Брюс Дейл, инженер-химик и заместитель директора Управления биотехнологий MSU, изучает способы использования сельскохозяйственных отходов (растительных остатков после сбора урожая) в качестве сырья для биотоплива.
«Мы можем производить этанол и другие виды транспортного топлива из целлюлозных материалов, — говорит Дейл, имеющий более 30 лет опыта в изучении предварительной обработки для облегчения расщепления целлюлозы. — Некоторые исследования показывают, что мы сможем производить целлюлозный этанол примерно по $1 за галлон, когда технология полностью созреет. Мы еще не достигли этого, но я верю, что в относительно ближайшем будущем мы сможем довести стоимость целлюлозного биотоплива до примерно $2 за галлон».
Дейл разработал процесс аммиачного волокнистого расширения (AFEX) для предварительной обработки целлюлозной биомассы аммиаком. MSU получил несколько патентов на этот процесс.
«Процесс AFEX делает расщепление целлюлозы и гемицеллюлозы более эффективным, — объясняет Дейл. — При использовании только ферментов расщепляется около 15% целлюлозы и гемицеллюлозы до простых сахаров. Когда перед добавлением ферментов применяется AFEX, более 90% целлюлозы и гемицеллюлозы расщепляется на ферментируемые сахара».
Предварительная обработка AFEX также повышает ценность некоторых целлюлозных материалов для других целей, например, в качестве корма для молочных и мясных коров. Дейл сотрудничает с зоотехником Майклом Алленом для оценки кормового потенциала нескольких типов предварительно обработанных целлюлозных растительных материалов.
Материалы, обработанные по методу AFEX, также проще и дешевле превращать в гранулы, чем сырые необработанные материалы. В сочетании с региональными центрами переработки биомассы предварительная обработка и гранулирование могут решить серьезную логистическую проблему в индустрии целлюлозного биотоплива.
«Поскольку целлюлозные материалы объемны, их дорого перевозить на большие расстояния, — говорит Дейл. — Собрать достаточное количество такого сырья в одном месте — это вызов, с которым могли бы справиться региональные центры переработки биомассы. Если мы "уплотним" целлюлозные материалы в гранулы, вероятно, традиционное оборудование для обработки зерна кукурузы подойдет для их погрузки и разгрузки, что еще больше упростит логистические и транспортные вопросы».
Дейл видит, что такие центры будут производить не только переработанную биомассу для биорефинеров, но и побочные продукты, включая удобрения, корма для животных, ферменты для биоперерабатывающей промышленности и, возможно, нутрицевтики для других отраслей.
Помимо прогресса в области процессов и логистики биомассы, MSU сотрудничает с Мичиганским технологическим университетом, оказывая исследовательскую поддержку компании Mascoma Corporation (штат Массачусетс) в строительстве одного из первых в стране заводов по производству целлюлозного этанола в округе Чиппева (Верхний полуостров Мичигана).
«Цепочка поставок биомассы очень важна для создания стабильной индустрии целлюлозного биотоплива и стабильной биоэкономики для Мичигана, — заключает Дейл. — Это область, которой уделялось не так много внимания, и мы пытаемся решить эту проблему в нашей работе».