Технологий преобразования несъедобной биомассы в химикаты и топливо, традиционно изготавливаемые из нефти, существует множество. Но когда дело доходит до привлечения коммерческого интереса, эти технологии в финансовом отношении конкурируют с производственным трубопроводом на основе нефти, который совершенствовался в течение десятилетий.
Победа в этом соревновании - или, по крайней мере, выравнивание экономических условий - требует рывка вперед. И, разработав новый процесс получения не одного, а трех ценных продуктов из биомассы одним махом, инженеры Университета Висконсин-Мэдисон и их сотрудники сделали этот скачок.
Исследователи под руководством Джеймса Думесика, профессора химической и биологической инженерии, опубликовали свои результаты в журнале Science Advances.
Их новый процесс утроил долю биомассы, преобразуемой в ценные продукты, почти до 80 процентов, а также утроил ожидаемую норму прибыли от инвестиций в технологию примерно с 10 процентов (для одного конечного продукта) до 30 процентов..
«Когда технология является новой и рискованной, доказательство ее экономической целесообразности и потенциальной прибыли имеет решающее значение для привлечения инвесторов», - говорит Дэвид Мартин Алонсо, первый автор исследования и исследователь в области химической и биологической инженерии в UW-Madison. «Вот почему мы очень рады его 30-процентной внутренней норме прибыли."
Алонсо также является директором по исследованиям и разработкам в Glucan Biorenewables, дочерней компании UW-Madison, соучредителем которой в 2012 году стал пионер технологии преобразования биомассы Dumesic.
Волшебным ключом к превращению всех трех компонентов - целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина - лигноцеллюлозной (несъедобной) биомассы в отдельные ценные продукты является гамма-валеролактон (ГВЛ), растворитель, который получают из растительного сырья и имеет несколько очень привлекательных свойств.
«GVL очень эффективен при фракционировании биомассы», - говорит Алонсо. «Но он также намного более стабилен, чем другие растворители, что позволяет нам повторно использовать 99 процентов его в замкнутом цикле. До сих пор потеря растворителя была основным узким местом для создания экономически целесообразного возобновляемого и углеродоэффективного биоперерабатывающего завода.."
Это также объясняет, почему новая технология такая «зеленая». Он начинается с возобновляемой биомассы, имеет очень высокую скорость рециркуляции растворителя, требует минимального количества кислоты и использует все три фракции биомассы, сводя к минимуму отходы. И список преимуществ ГВЛ можно продолжать.
«GVL также не зависит от исходного сырья», - говорит Али Хусейн Мотагамвала, докторант Дьюмесика и соавтор статьи. «Мы продемонстрировали, что он работает на кукурузной соломе, просе, лиственных деревьях, таких как белая береза и тополь, и хвойных деревьях, таких как сосна. Фактически, мы показали, что он является эффективным растворителем для более чем 30 видов биомассы».
Несколько отраслей промышленности могут извлечь выгоду из новой технологии. Целлюлозно-бумажные комбинаты могут превратить две неиспользуемые в настоящее время фракции биомассы - гемицеллюлозу и лигнин - в товарные продукты, в дополнение к производству бумаги из целлюлозы. С помощью дополнительной стадии, которая повышает ее чистоту, они также могут превращать целлюлозу в волокна для производства текстиля.
Производители автомобилей могут перерабатывать лигнин растительного происхождения в углеродную пену и волокна, избегая запаха серы, который снижает привлекательность лигнина, полученного из других источников. Ученые из Университета Теннесси, которые являются соавторами исследования, продемонстрировали, что лигнин также можно использовать для изготовления аккумуляторных анодов, традиционно изготавливаемых из более дорогого графита.
И последнее, но не менее важное: новая технология превращает гемицеллюлозу в фурфурол, химический промежуточный продукт, который является основой для различных пластмасс, полимеров и топлива. Слишком дорогой для производства американскими компаниями, фурфурол импортируется из Китая.
«Зависимость от фурфурола из Китая и нефти из стран ОПЕК означает, что рынок нестабилен», - говорит Мотагамвала. «Но поскольку биомасса есть в каждой стране, биоперерабатывающие заводы могут создать более стабильный рынок».
Дьюмесик говорит, что следующая задача - снизить риски, связанные с технологией.
«Теперь, когда мы доказали, что GVL очень эффективен при разделении трех фракций биомассы без снижения их ценности, мы видим путь к тому, чтобы стать конкурентоспособными по стоимости с нефтеперерабатывающим заводом», - говорит он. «Наша следующая цель - продемонстрировать, что этот новый тип биоперерабатывающего завода может производить широкий спектр современного биотоплива и товарных химикатов в качестве конечных продуктов."
Ларри Кларк, генеральный директор Glucan Biorenewables, будет использовать платформу своей компании для масштабирования процесса и реализации ее рыночного потенциала.
«Поскольку эта простая, но элегантная и надежная технология обеспечивает несколько вариантов цепочки создания стоимости, я считаю, что она может преобразовать мировую индустрию биомассы», - говорит он.
Соавторы исследования включают Троя Рунге, профессора инженерии биологических систем UW-Madison и эксперта по фракционированию биомассы; Христос Маравелиас, профессор химической и биологической инженерии Университета Вашингтона в Мэдисоне, выполнивший технико-экономическое моделирование; Лесная служба США; и Центр возобновляемых источников углерода Университета Теннесси.
Dumesic и несколько соавторов исследования являются авторами патентов, связанных с этой работой, принадлежащих Wisconsin Alumni Research Foundation и Glucan Biorenewables.