Тройной удар: новая технология повышает ценность биотоплива и может склонить рынок в пользу биомассы
Технологии преобразования несъедобной биомассы в химикаты и топливо, традиционно производимые из нефти, существуют в изобилии. Однако в борьбе за коммерческий интерес они конкурируют по стоимости с отлаженной за десятилетия нефтеперерабатывающей отраслью.
Для победы в этой конкуренции — или хотя бы для выравнивания экономических условий — требуется технологический скачок. Инженеры Университета Висконсин-Мэдисон и их коллабораторы совершили такой скачок, разработав процесс, позволяющий получить из биомассы не один, а три ценных продукта одновременно.
Исследователи под руководством Джеймса Дьюмесика, профессора химической и биологической инженерии, опубликовали результаты 19 мая 2017 года в журнале Science Advances.
Их новый процесс утроил долю биомассы, преобразуемой в ценные продукты, — до почти 80%. Это также утроило ожидаемую норму доходности инвестиций в технологию: с примерно 10% (для одного конечного продукта) до 30%.
«Когда технология новая и рискованная, доказательство её экономической целесообразности и потенциала прибыли критически важно для привлечения инвесторов. Поэтому мы очень воодушевлены её 30-процентной внутренней нормой доходности», — говорит ведущий автор исследования Дэвид Мартин Алонсо.
Ключом к превращению всех трёх компонентов лигноцеллюлозной (несъедобной) биомассы — целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина — в отдельные ценные продукты стал растворитель гамма-валеролактон (GVL). Он производится из растительного сырья и обладает рядом преимуществ:
- Эффективное фракционирование: GVL эффективно разделяет биомассу на компоненты.
- Стабильность и рециклинг: GVL стабильнее других растворителей, что позволяет повторно использовать 99% его в замкнутом цикле. Ранее потеря растворителя была главным препятствием для экономической целесообразности «зелёных» НПЗ.
- Экологичность: Процесс использует возобновляемую биомассу, имеет высокий процент рециклинга, требует минимального количества кислоты и задействует все три фракции биомассы, сводя отходы к минимуму.
- Универсальность: «GVL не зависит от типа сырья. Мы показали, что он работает с кукурузной соломой, свитчграссом, лиственными (белая берёза, тополь) и хвойными (сосна лабло́лли) породами. Фактически, это эффективный растворитель для более чем 30 видов биомассы», — отмечает соавтор работы Али Хуссейн Мотагамвала.
Потенциальные области применения
- Целлюлозно-бумажная промышленность: Может превращать два обычно неиспользуемых компонента — гемицеллюлозу и лигнин — в коммерческие продукты, помимо производства бумаги из целлюлозы. После дополнительной очистки целлюлозу можно также превращать в волокна для текстиля.
- Автомобилестроение: Может использовать лигнин растительного происхождения для производства углеродной пены и волокон. Такой лигнин лишён серного запаха, характерного для лигнина из других источников. Соавторы из Университета Теннесси также показали, что этот лигнин можно использовать для изготовления анодов батарей (вместо более дорогого графита).
- Химическая промышленность: Технология преобразует гемицеллюлозу в фурфурол — химический интермедиат, основу для различных пластиков, полимеров и топлив. Сейчас США импортируют фурфурол из Китая, так как местное производство слишком дорого.
«Зависимость от фурфурола из Китая и нефти из стран ОПЕК означает волатильность рынка. Но поскольку биомасса есть в каждой стране, биоперерабатывающие заводы могут создать более стабильный рынок», — говорит Мотагамвала.
Следующая задача — снизить риски, связанные с технологией. Компания Glucan Biorenewables (спин-офф UW-Madison) займётся масштабированием процесса. По словам её CEO Ларри Кларка, эта простая, элегантная и надёжная технология, предлагающая множество вариантов цепочки создания стоимости, имеет потенциал для преобразования глобальной индустрии биомассы.