Используя растворитель, полученный из биомассы, химические и биологические инженеры Университета Висконсина-Мэдисона упростили процесс конверсии лигноцеллюлозной биомассы в химикаты с высоким спросом или топливо с высокой плотностью жидкости.
Их новый метод устраняет необходимость в дорогостоящих этапах предварительной обработки, которые разделяют гемицеллюлозу и целлюлозу, два основных компонента растительной биомассы, которые реагируют с разной скоростью. На стадии предварительной обработки и добычи или разделения могут составлять до 30 процентов от общей капитальной стоимости завода по производству биотоплива.
Джеймс Думезик, профессор Стинбока и Мишель Бударт, профессор химической и биологической инженерии в UW-Madison, и члены его исследовательской группы описали этот процесс в статье, опубликованной онлайн 1 ноября в журнале «Energy & Environmental Science».
«Волшебное зелье», которое позволяет исследователям одновременно обрабатывать гемицеллюлозу и целлюлозу, которые имеют существенно разные физические и химические свойства, представляет собой гамма-валеролактон или ГВЛ.
По сути, команда использует мощь GVL для производства GVL, которая имеет потенциал как недорогое, но энергоемкое, «заброшенное» биотопливо.
Для преобразования биомассы он также является идеальным растворителем, поскольку он уже является продуктом процесса конверсии. «Вы сделали бы растворитель частью процесса», – говорит Думес. «Вода используется сейчас, но она ведет к низким ценам и низким урожаям желаемых продуктов».
GVL расширяет оптимальные условия для отдельной обработки гемицеллюлозы и целлюлозы. В результате эти оптимальные условия перекрываются, что позволяет Dumesic и его группе обрабатывать обе – с высокими урожаями – при тех же условиях.
Теперь, в одном реакторе, исследователи могут превращать гемицеллюлозу в фурфурол и целлюлозу в левулиновую кислоту.
В Соединенных Штатах около 300 000 тонн фурфурола каждый год используются в качестве растворителей, а также в адгезивах и полимерах. В своем процессе исследователи могут отделить фурфурол путем дистилляции во время реакции или через несколько этапов они могут превращать фурфурол в левулиновую кислоту – желательную биохимическую добавленную добавку, используемую для получения растворителей и добавок к топливу.
Левулиновая кислота может быть модернизирована до других молекул платформы, включая GVL. Фактически, в 2010 году Dumesic и его группа разработали высокоэффективный двухстадийный каталитический процесс конверсии левулиновой кислоты в GVL и, в конечном счете, в топливо для транспортировки высокоэнергетических жидкостей. «Таким образом, вместо того, чтобы иметь фурфурал из гемицеллюлозы и левулиновой кислоты из целлюлозы, вы можете превратить все в левулиновую кислоту – и это легко превратить в GVL», – говорит он.
В целом, говорят, что Dumesic, левулиновая кислота, фурфурол и GVL являются ценными химическими веществами, которые имеют разные применения. «И в области биоэнергетики в последнее время наблюдается повышенный интерес к химическим веществам, – говорит он. «Но если вы хотите сделать топливо, GVL – это путь, потому что его можно смешивать как добавку к топливу».
В дополнение к расширению условий обработки биомассы, GVL также требует гораздо меньше серной кислоты, чем воды, и солюбилизирует лигнины и гумины – материал биомассы, который обычно забивает систему. В результате эти продукты деградации свободно перемещаются через реактор и выходят из него в более экологически безопасном процессе. «С GVL вы используете в 10 раз меньше кислоты, поэтому у вас есть более экономичный способ борьбы с отходами», – говорит Думес.
И, GVL может смешиваться с водой, то есть процесс исследователей работает даже с влажной биомассой.
В то время как группа проводила свои исследования небольшими партиями в лаборатории, Думесич говорит, что процесс может масштабироваться до реактора с непрерывным потоком. На данный момент исследователи изучают, как долго они могут использовать GVL в процессе конверсии биомассы, прежде чем они должны очистить его, чтобы удалить любые примеси, которые накопились в нем.”