Усиление роли бутанола в мире биотоплива
Бутанол — основной промышленный растворитель для лаков и эмалей, но он также может сыграть существенную роль в производстве возобновляемого топлива. Галлон за галлоном, он содержит на 30% больше энергии, чем этанол, и всего на 4% меньше энергии, чем галлон бензина на нефтяной основе.
Инженер-химик Службы сельскохозяйственных исследований (ARS) Насиб Куреши изучал ряд сырьевых материалов для производства «биобутанола». Его последняя работа предполагает, что ответом могут стать использование соломы ячменя и кукурузной соломы — обоих сельскохозяйственных побочных продуктов.
«Для наиболее экономичного производства бутанола нам нужно будет производить его из сельскохозяйственных побочных продуктов, а не из специальных культур», — говорит Куреши, работающий в отделе исследований биоэнергетики ARS в Пеории, штат Иллинойс.
Куреши подтвердил, что оба материала можно преобразовать в бутанол с помощью «раздельного гидролиза, ферментации и выделения» (SHFR) или «одновременного осахаривания, ферментации и выделения» (SSFR). SHFR требует двух операций в двух реакторах — одного для гидролиза и другого для ферментации в сочетании с выделением. В SSFR высвобождение растительных сахаров, их ферментация в бутанол и выделение бутанола объединены в одну операцию, выполняемую в одном реакторе.
В одном из недавних исследований Куреши, химик ARS Бадал Сах и микробиолог ARS Майк Котта оценили эффективность SHFR в ферментации растительных сахаров ячменной соломы в бутанол. Они предварительно обработали солому, чтобы высвободить сахара, создав бульон, называемый «гидролизатом», который можно было ферментировать в бутанол.
Затем исследователи наблюдали за скоростью ферментации гидролизата. Они также использовали процесс, называемый «газовой отгонкой», для одновременного удаления образующегося бутанола в процессе ферментации. С этим подходом Куреши и его коллеги получили конечный выход бутанола, который составил 182% от выхода, полученного в контрольном исследовании.
Далее ученые использовали те же протоколы с предварительно обработанной кукурузной соломой и смогли ферментировать более 99% сахаров в гидролизате. Это привело к выходу бутанола, который был на 212% выше, чем в контроле, и на 117% выше, чем выход бутанола из ячменной соломы.
Куреши и его коллеги применили эти результаты в другом исследовании, оценивающем эффективность производства бутанола из кукурузной соломы в процессе SSFR, в котором использовалась вакуумная технология — а не газовая отгонка — для одновременного выделения бутанола во время ферментации. В команду вошли Сах, Котта, молекулярный биолог ARS Синцин Лю, профессор Университета Иллинойса Виджай Сингх и профессор Университета штата Огайо Таддеус Эзежи.
В процессе гидролиза было высвобождено более 97% сахаров соломы, доступных для ферментации. Общий выход бутанола составил 0,34 грамма на литр в час — выше, чем контрольный выход из глюкозы (0,31 г/л/ч). Ученые опубликовали свои результаты в Bioresource Technology и Food and Bioproducts Processing в 2014 году.
«Несколько лет назад, когда я пытался ферментировать бутанол из ячменной соломы, выходы были намного ниже контрольных, и я не мог получить никакого выхода из кукурузной соломы», — говорит Куреши. — «Поэтому мы довольны нашими результатами и с нетерпением ждем масштабирования и коммерциализации производства биотоплива-бутанола из сельскохозяйственных остатков, таких как ячменная солома и кукурузная солома».