Новая технология может снизить стоимость биотоплива следующего поколения
Согласно Межправительственной группе экспертов ООН по изменению климата, мировая температура может достичь угрожающих уровней в течение 30 лет при нынешних темпах сжигания ископаемого топлива. Альтернативные виды топлива можно получать из устойчивых органических источников с помощью интенсивных методов очистки — биопроцессинга. Чтобы стимулировать распространение этой технологии, швейцарские ученые разработали метод оптимизации производства биотоплива, используя химическую инженерию для объединения ключевых стадий производственной цепи.
В отличие от биотоплива первого поколения из пищевых культур (сахарный тростник, кукуруза), сырьем для биотоплива второго поколения служит лигноцеллюлозная биомасса — самый распространенный органический материал на Земле. Однако методы переработки лигноцеллюлозы гораздо сложнее и дороже.
Текущий процесс и его недостатки
Современный биохимический процесс переработки биомассы (древесина, сельскохозяйственные остатки) включает несколько этапов:
- Предварительная обработка при повышенных температурах.
- Ферментативный гидролиз: полимерные углеводы (гемицеллюлоза и целлюлоза) расщепляются ферментами на моносахариды (глюкоза, ксилоза).
- Ферментация моносахаров микроорганизмами в целевой продукт (например, этанол).
Ферменты для гидролиза либо производятся на месте в отдельном реакторе, либо закупаются, что значительно увеличивает стоимость. Эти три основных этапа часто сопровождаются дополнительными стадиями разделения, промывки и детоксикации для максимизации выхода.
Новый подход: консолидированный биопроцессинг
Один из способов снизить стоимость — объединить несколько этапов в один (консолидированный биопроцессинг), идеально — с устранением стадий промывки и детоксикации.
Команда доктора Майкла Штудера из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH) разработала новую технику консолидированного биопроцессинга, используя смесь устойчивых промышленных штаммов микроорганизмов в одном реакторе.
Ключевая проблема и инженерное решение
Основная сложность заключалась в разных требованиях микроорганизмов к кислороду: производство грибковых целлюлолитических ферментов требует аэробных условий, а превращение сахаров в этанол дрожжами — анаэробных.
Для решения этой проблемы был разработан специальный мембранный реактор, в котором исследователи расположили группы микроорганизмов в виде биопленки слоями друг над другом, создав условия для одновременной работы обоих катализаторов.
- Кислород для роста аэробных грибов подается через плотную кислородопроницаемую мембрану.
- Верхний слой биопленки и ферментационный бульон лишены кислорода, создавая анаэробную среду.
Ферменты, секретируемые в аэробной части биопленки, высвобождаются в суспензию предварительно обработанной биомассы, гидролизуя целлюлозный материал до мономерных сахаров. Быстрорастущие дрожжевые клетки в анаэробных зонах реактора немедленно сбраживают эти сахара с выделением этанола.
Результаты и перспективы
- Выход продукта: около 80% при конверсии чистой целлюлозы в этанол. При использовании предварительно обработанной, но не детоксифицированной пшеничной соломы выход лишь немного ниже — около 70%.
- Диверсификация продукции: система способна производить любые химические вещества, получаемые анаэробным брожением сахаров. Помимо этанола, уже получены молочная и янтарная кислоты, планируется производство бутанола.
Текущие и будущие исследования
Финансируемый Швейцарским национальным научным фондом проект направлен на:
- Снижение интенсивности предварительной обработки и экономию энергии за счет добавления в микробный консорциум другого типа грибов при использовании древесины. Эти грибы модифицируют или разлагают лигнин, что обычно делается термохимически при высоких температурах.
- Создание более крупной и непрерывной версии процесса с использованием промышленного оборудования (например, каскада реакторов с мешалками) с интегрированной мембраной.
Команда надеется, что новая технология будет совместима с существующими установками и может быть реализована в виде новых модулей. В течение 3–5 лет планируется создать промышленный пилотный проект для оценки практических преимуществ.
Вывод
«Вместо использования генной инженерии для создания супер-микроорганизмов, улучшающих ферментацию, мы добились аналогичных результатов исключительно с помощью химической инженерии. Это уникальная альтернатива, которая, как мы надеемся, может внести значительный вклад в создание популярного и экономически конкурентоспособного биотоплива», — говорит Майкл Штудер.