Инновация исходит от исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab) и Sandia National Laboratories (Sandia), работающих в Объединенном институте биоэнергетики (JBEI). Ученые продемонстрировали, что добавление углекислого газа (CO2) на этапе разрушения производства биотоплива успешно нейтрализует токсичность ионных жидкостей, расплавленного солевого растворителя при комнатной температуре, используемого в JBEI для разложения целлюлозного растительного материала.
Более того, этот процесс легко обратим, что позволяет повторно использовать жидкость в качестве растворителя.Использование диоксида углерода в качестве обратимого метода контроля pH устраняет необходимость разделения и очистки жидкости после предварительной обработки биомассы и перед двумя другими основными этапами производства биотоплива — осахариванием и ферментацией.
В исследовании, опубликованном в этом месяце в журнале Energy and Environment Sciences, рассматривается серьезное препятствие на пути к расширению рынка биотоплива: снижение стоимости производства.«Предварительная обработка — самая дорогостоящая часть процесса производства биотоплива», — сказала автор исследования Сима Сингх, директор отдела предварительной обработки биомассы в JBEI, Исследовательском центре биоэнергетики Министерства энергетики, возглавляемом лабораторией Беркли. «Если считать весь производственный цикл, предварительная обработка уступает только затратам на выращивание и получение самого сырья».Согласно предварительному экономическому анализу, представленному в исследовании, процесс с повышенным содержанием CO2 может снизить производственные затраты на 50-65 процентов по сравнению с традиционными методами предварительной обработки на основе ионной жидкости.
Большая часть привлекательности использования углекислого газа для нейтрализации ионной жидкости заключается в простоте, с которой этот метод может быть интегрирован в существующие промышленные операции. Этот раствор также относительно нетоксичен по сравнению с другими обычными промышленными газами или методами регулирования pH.«Применение и удаление сжатого газа в промышленных условиях — это то, чем мы занимаемся более века», — сказал старший автор исследования Блейк Симмонс, главный специалист по науке и технологиям и вице-президент JBEI по деконструкции. «Этот метод вписывается в уже прочную и надежную промышленную систему».Ионные жидкости, используемые для предварительной обработки в JBEI, обычно являются сильно щелочными и должны быть смыты, чтобы они не мешали ферментам и микробам, используемым на последних стадиях производства биотоплива.
Ферменты необходимы для высвобождения сахаров из суспензии целлюлозы и гемицеллюлозы после предварительной обработки, стадии, называемой осахариванием. Задача бактерий — преобразовать этот сахар для производства биотоплива, и этот этап называется ферментацией.Авторы исследования отметили, что микробы выделяют углекислый газ в качестве побочного продукта ферментации, поэтому использование этого газа на этапе предварительной обработки приводит к еще более экологичному источнику энергии.
«Включение газообразного CO2 в этот процесс означает, что нет необходимости в стадии нейтрализации, а pH можно мгновенно переключить путем добавления или выброса CO2», — сказал Симмонс, который также является директором отдела биологических систем и инженерии в Беркли. Зона биологических наук лаборатории. «Когда регулировка pH является обратимой, это делает процесс в целом более эффективным, потому что вы можете повторять цикл предварительной обработки несколько раз. И это стоит меньше, потому что теперь вы можете делать все в одном реакторе вместо трех».
Создание «серебряного дробовика»В течение нескольких десятилетий исследователи работали над уменьшением количества энергии и обработки, необходимых для каждой стадии этого процесса.
Некоторые сосредотачиваются на разработке ферментов и бактерий, чтобы они могли противостоять воздействию ионных жидкостей, в то время как это исследование фокусируется на нейтрализации ионной жидкости, чтобы она не повредила ферменты и микробы.«Мы продолжаем упрощать производство биотоплива, и есть много способов сделать это», — сказал Симмонс. «Наша миссия в JBEI — проводить инновационные исследования для разработки множества решений для развития биоэнергетики, из которых отрасль может выбирать, в зависимости от того, что лучше всего подходит для их бизнес-модели. Мы не создаем серебряную пулю.
Мы создаем серебряное ружье. "Исследователи обратились к двуокиси углерода, зная, что при абсорбции газа химические реакции с водой повышают кислотность жидкости. (Тот же принцип действует в мировых океанах, которые становятся все более кислыми из-за увеличения поглощения морской водой двуокиси углерода из атмосферы.)Для своих экспериментов исследователи проверили 15 типов ионной жидкости в различных концентрациях. Из ионных жидкостей ученые определили, что лизинат холиния, ионная жидкость, образованная при смешивании аминокислот холина и лизина, наиболее совместима с коммерчески доступными смесями ферментов и смесями ферментации. Затем они провели тесты с различными концентрациями и давлением углекислого газа.
Применение в системе до 145 фунтов на квадратный дюйм углекислого газа сдвинуло pH до диапазона, оптимального для ферментов и микробов. Это позволило исследователям получить более 83 процентов теоретического выхода этанола из глюкозы, изначально присутствующей в биомассе.Исследователи заявили, что этот процесс вскоре может быть готов для внедрения в производство этанола.
«Остается еще много проблем, но мы очень гордимся тем, как быстро продвигается это направление исследований», — сказал Сингх.Следующие шаги заключаются в том, чтобы адаптировать это к производству передового биотоплива, которое может напрямую заменить смесь современного автомобильного, дизельного и авиационного топлива, говорят исследователи.