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 рывок.
Исследователи под руководством Джеймса Думесика, профессора химической и биологической инженерии, опубликовали свои результаты в журнале Science Advances.Их новый процесс утроил долю биомассы, преобразованной в ценные продукты, почти до 80 процентов, а также утроил ожидаемую норму прибыли от инвестиций в технологию с примерно 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 доходности».Алонсо также является директором по исследованиям и разработкам в Glucan Biorenewables, дочерней компании UW-Madison, основанной в 2012 году пионером технологии преобразования биомассы Dumesic.
Волшебным ключом к превращению всех трех компонентов лигноцеллюлозной (несъедобной) биомассы в отдельные ценные продукты — целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин — в отдельные ценные продукты является гамма-валеролактон (GVL), растворитель, получаемый из растительного материала и обладающий несколькими высокоэффективными свойствами. привлекательные свойства.
«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 процессе с замкнутым циклом. До сих пор потеря растворителя была основным узким местом для того, чтобы сделать возобновляемый и углеродоэффективный биоочистительный завод экономически целесообразным. . "Это также объясняет, почему новая технология такая «зеленая». Он начинается с возобновляемой биомассы, имеет очень высокую скорость рециркуляции растворителей, требует минимального количества кислоты и использует все три фракции биомассы, сводя к минимуму отходы.
И список преимуществ GVL можно продолжить.«GVL также не зависит от сырья», — говорит Али Хуссейн Мотагамвала, докторант Dumesic и соавтор статьи. «Мы продемонстрировали, что он работает с кукурузной соломой, просоом, деревьями лиственных пород, такими как белая береза и тополь, и деревьями хвойных пород, такими как сосна лоблолли. Фактически, мы показали, что он является эффективным растворителем для более чем 30 видов биомассы».Несколько секторов промышленности могут извлечь выгоду из новой технологии.
Целлюлозно-бумажные комбинаты могут превратить две неиспользуемые в настоящее время фракции биомассы — гемицеллюлозу и лигнин — в коммерческие продукты, помимо производства бумаги из целлюлозы. С помощью дополнительной стадии, которая увеличивает ее чистоту, они также могут прядать целлюлозу в волокна для производства текстильных изделий.Производители автомобилей могут преобразовывать 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 анодов батарей, которые традиционно изготавливаются 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. Фурфурол слишком дорогой для производства американскими компаниями, он импортируется из Китая.
«Зависимость от фурфурола из Китая и от нефти из стран ОПЕК означает, что рынок нестабилен», — говорит Мотагамвала. «Но поскольку биомасса есть в каждой стране, биоперерабатывающие заводы могут создать более стабильный рынок».Думесик говорит, что следующая задача — снизить риски, связанные с технологией.
«Теперь, когда мы доказали, что GVL очень эффективен при разделении трех фракций биомассы без уменьшения их ценности, мы видим путь к достижению конкурентоспособности по стоимости с нефтеперерабатывающим заводом», — говорит он. «Наша следующая цель — продемонстрировать, что этот новый вид биоперерабатывающего завода может поставлять широкий спектр передового биотоплива и товарных химикатов в качестве конечной продукции».Ларри Кларк, генеральный директор Glucan Biorenewables, будет использовать платформу своей компании для расширения процесса и реализации ее рыночного потенциала.«Поскольку эта простая, но элегантная и надежная технология обеспечивает множество вариантов цепочки создания стоимости, я считаю, что она может изменить мировую промышленность биомассы», — говорит он.В числе соавторов исследования Трой Рунге, профессор инженерии биологических систем из Университета штата Мэдисон и эксперт по фракционированию биомассы; Христос Маравелиас, профессор химической и биологической инженерии из Университета Вашингтона в Мэдисоне, выполнивший технико-экономическое моделирование; Лесная служба США; и Центр возобновляемых источников углерода при Университете Теннесси.
Dumesic и несколько соавторов исследования являются авторами патентов, связанных с этой работой, принадлежащих Wisconsin Alumni Research Foundation и Glucan Biorenewables.