В стремлении производить доступное биотопливо тополя являются одним из лучших вариантов на Тихоокеанском Северо-Западе - деревья растут в изобилии, быстро растут, адаптируются ко многим ландшафтам, а их древесина может быть преобразована в вещества, используемые в биотопливе и высокой температуре. химические вещества, на которые мы полагаемся в повседневной жизни.
Но даже несмотря на то, что исследователи проверяют способность тополей превращаться во все, от этанола до химических веществ в косметике и моющих средствах, завод по переработке тополей в промышленных масштабах еще не создан. В основном это связано с тем, что себестоимость добычи по-прежнему не может конкурировать с текущими ценами на нефть.
Команда из Вашингтонского университета пытается сделать тополь жизнеспособным конкурентом, проверяя производство более молодых тополей, которые можно было бы собирать чаще - всего через два или три года - вместо обычных 10-20 лет. цикл. Эти деревья, в основном молодые по сравнению с полностью взрослыми, сажают ближе друг к другу и обрезают таким образом, чтобы после каждого сбора урожая из пня вырастало больше ветвей, используя одну и ту же корневую систему на срок до 20 лет. Этот метод называется «порослью», а деревья известны как поросль тополя.
Команда первой попыталась преобразовать все молодое дерево, включая листья, кору и стебли, в бионефть, продукт биологического происхождения и этанол, используя два отдельных процесса. Их результаты, опубликованные этим летом в двух статьях - одна в ACS Sustainable Chemistry & Engineering, а другая в Biotechnology for Biofuels - указывают на многообещающее будущее использования тополя в качестве биотоплива.
«Наше исследование показало, что поросль тополя может быть хорошим вариантом для удовлетворения требований дешевого и крупносерийного сырья для производства биотоплива», - сказал ведущий автор обеих статей Чанг Доу, докторант кафедры биоресурсной науки и техники Университета Вашингтона. программа. «Наши результаты важны для будущей индустрии биотоплива, и конечная цель состоит в том, чтобы сделать биотопливо из тополя и порослей на шаг ближе к насосу».
Древесная щепа тополя от старых деревьев была в центре внимания большинства исследований, главным образом потому, что древесные части содержат самую высокую концентрацию сахара, который важен для производства этанола и химикатов. Более ранние исследования показывают, что щепа из тополя является жизнеспособным источником биотоплива, но затраты по-прежнему не достигают предела, тем более что деревья рубят только раз в 10 с лишним лет. Кроме того, другие части дерева пропадают, когда используется только ствол, что делает процесс более неэффективным и расточительным.
Однако, если бы тополь был посажен близко друг к другу, как сельскохозяйственная культура, а целые деревья собирались бы гораздо быстрее, это могло бы иметь смысл с точки зрения затрат и обеспечить быструю окупаемость инвестиций - и было бы более привлекательным для фермеры.
Исследователи подчеркивают, что альтернативные виды топлива должны иметь экономический смысл, чтобы биотопливо могло пробить брешь на нефтяном рынке.
«У нас есть экологические стимулы для производства топлива и химикатов из возобновляемых ресурсов, но прямо сейчас их недостаточно, чтобы конкурировать с низкими ценами на нефть. В этом проблема», - сказала Рената Бура, доцент UW в Школа экологических и лесных наук и старший автор.
Исследование Буры является частью проекта Advanced Hardwood Biofuels Northwest, финансируемого Национальным институтом продовольствия и сельского хозяйства США. Проект, которым руководит профессор Университета Вашингтона Рик Густафсон, представляет собой консорциум университетов и предприятий под руководством Университета Вашингтона, цель которого - заложить основу для производства биотоплива и биологической промышленности Тихоокеанского Северо-Запада на основе сырья из тополя. Для этого исследования деревья в Джефферсоне, штат Орегон - одном из четырех исследуемых участков - были посажены рядами близко друг к другу весной 2012 года и собраны менее чем через два года до того, как опадут листья.
Команда UW сначала проверила, могут ли целые молодые деревья тополя быть преобразованы в сахар с помощью процесса, который использует высокую температуру, давление и ферменты для расщепления древесных материалов на сахар. Оттуда можно производить этанол, уксусную кислоту, молочную кислоту и другие ценные химические вещества путем ферментации сахара.
После обработки деревьев исследователи обнаружили, что листья плохо работают, и снизили общий выход сахара не только потому, что в листьях естественно мало сахара, но и потому, что они содержат другие химические вещества, которые препятствуют процессу высвобождения сахара. При масштабировании до коммерческого производства листья следует удалять и использовать для других целей, например, в качестве корма для животных.
Они также протестировали целые деревья тополя с того же участка в другом процессе преобразования, в котором используется гораздо более высокая температура - свыше 500 градусов по Цельсию - для преобразования древесных материалов непосредственно в бионефть в процессе, называемом «пиролиз». Ведутся исследования по превращению этого темно-коричневого масла в транспортное топливо, напоминающее бензин или дизельное топливо.
В ходе эксперимента исследователи обнаружили, что добавление листьев не имеет большого значения для качества полученного биомасла. При расширении производства производители могут в конечном итоге сэкономить время и деньги, не отделяя листья от веток для получения масла аналогичного качества.
Будущие заводы по производству тополя могли бы использовать оба метода, взвешивая такие факторы, как текущая стоимость материалов или долларовая стоимость производимых продуктов, чтобы определить, какой метод более выгоден с финансовой точки зрения, пояснил Доу.
Молодые тополя, использованные в исследовании, обладают свойствами, аналогичными побегам, которые прорастают из пня при настоящей операции по вырубке. Используя этот метод рубки, можно собирать деревья каждые два года на срок до 20 лет без дополнительных усилий и затрат на выдергивание корней, подготовку почвы и посадку новых деревьев, которые требуются при обычных режимах посадки.
В конечном счете, исследователи говорят, что поросль тополя, вероятно, является лучшим соотношением стоимости и надежности для производителей биотоплива на Тихоокеанском Северо-Западе.
«В настоящее время мы изучаем, как мы можем выращивать тополь для получения монетизированных экосистемных услуг», - сказал Бура. «В будущем мы предвидим биоиндустрию, которая обеспечит множество экологических преимуществ, оживит сельские общины и послужит мостом к полностью развитой индустрии биотоплива».
Другими соавторами статьи являются Фернандо Резенде, доцент Университета Вашингтона в области экологических и лесных наук; Девин Чандлер, аспирант UW по программе «Наука и инженерия биоресурсов»; Вилиан Маркондес, студент UW по обмену из Университета Сан-Паулу, Бразилия; и Джессика Джаджа, студентка бакалавриата UW.
Исследование финансировалось за счет гранта Национального института продовольствия и сельского хозяйства Министерства сельского хозяйства США.