Кіріспе
Целлюлозадан өндірілген этанол. Целлюлозалық этанол – өсімдіктің дәнінен немесе жемісінен емес, целлюлозадан (өсімдіктің жіп тәрізді талшықтарынан) алынған этанол (этил спирті). Оны шөптерден, ағаштан, балдырлардан немесе басқа да өсімдіктерден өндіруге болады. Көбінесе оны биоотын ретінде қолдану талқыланады. Өсімдіктер өскен кезде сіңіретін көмірқышқыл газы, олардан жасалған этанолды жаққанда бөлінетін көмірқышқыл газының бір бөлігін толықтырады, сондықтан целлюлозалық этанол отынының көміртегі ізі табиғи отынға қарағанда төмен болуы мүмкін. Целлюлозалық этанолға деген қызығушылықты жүгері немесе қант қамысынан жасалған этанолды алмастыру мүмкіндігі тудырады. Бұл өсімдіктер сонымен қатар тағамдық өнімдер үшін де қолданылатындықтан, оларды этанол өндірісіне жұмсау тағам бағасының өсуіне әкелуі мүмкін. Ал целлюлозаға негізделген көздер, әдетте, тағаммен бәсекелеспейді, себебі өсімдіктердің талшықты бөліктері көбінесе адамдарға жеуге жарамсыз. Тағы бір артықшылығы – целлюлоза көздерінің әртүрлілігі мен көп болуы. Шөптер, ағаштар және балдырлар Жер бетіндегі дерлік барлық ортада кездеседі. Тіпті қағаз сияқты қалалық қатты тұрмыстық қалдықтардың да құрамынан этанол жасауға болады. Целлюлозалық этанолдың қазіргі уақыттағы басты кемшілігі – өндірістің жоғары құны, ол жүгері немесе қант қамысынан жасалған этанолға қарағанда күрделірек және көбірек кезеңдерді қажет етеді. Целлюлозалық этанолға 2000-жылдары және 2010-жылдардың басында көп көңіл бөлінді. АҚШ үкіметі оның коммерциялық өндірісін зерттеуге қаржы бөлді және көлік отынына қосылатын целлюлозалық этанолдың үлесіне қатысты мақсаттар қойды. Көптеген жаңа компаниялар целлюлозалық этанолға маманданды, сонымен қатар көптеген компаниялар пилоттық өндіріс орналастыруға инвестиция жасады. Дегенмен, астық негізіндегі этанолды өндірудің төмен құны және 2010-жылдары мұнай бағасының төмендеуі целлюлозалық этанолды бұл беделді отындармен бәсекелесе алмайтын еді. Нәтижесінде, 2010-жылдың ортасына дейін көптеген жаңа мұнай өңдеу зауыттары жабылды және көптеген жаңадан құрылған компаниялар банкротқа ұшырады. Бірнеше компания әлі де жұмыс істеп тұр, бірақ олар негізінен демонстрациялық немесе зерттеу мақсатында қолданылады. 2021 жылға қарай олардың ешқайсысы да целлюлозалық этанолды ірі көлемде өндірмейді.
Cellulosic ethanol is ethanol (ethyl alcohol) produced from cellulose (the stringy fiber of a plant) rather than from the plant's seeds or fruit. It can be produced from grasses, wood, algae, or other plants. It is generally discussed for use as a biofuel. The carbon dioxide that plants absorb as they grow offsets some of the carbon dioxide emitted when ethanol made from them is burned, so cellulosic ethanol fuel has the potential to have a lower carbon footprint than fossil fuels. Interest in cellulosic ethanol is driven by its potential to replace ethanol made from corn or sugarcane. Since these plants are also used for food products, diverting them for ethanol production can cause food prices to rise; cellulose based sources, on the other hand, generally do not compete with food, since the fibrous parts of plants are mostly inedible to humans. Another potential advantage is the high diversity and abundance of cellulose sources; grasses, trees and algae are found in almost every environment on Earth. Even municipal solid waste components like paper could conceivably be made into ethanol. The main current disadvantage of cellulosic ethanol is its high cost of production, which is more complex and requires more steps than corn based or sugarcane based ethanol. Cellulosic ethanol received significant attention in the 2000s and early 2010s. The United States government in particular funded research into its commercialization and set targets for the proportion of cellulosic ethanol added to vehicle fuel. A large number of new companies specializing in cellulosic ethanol, in addition to many existing companies, invested in pilot scale production plants. However, the much cheaper manufacturing of grain based ethanol, along with the low price of oil in the 2010s, meant that cellulosic ethanol was not competitive with these established fuels. As a result, most of the new refineries were closed by the mid 2010s and many of the newly founded companies became insolvent. A few still exist, but are mainly used for demonstration or research purposes; as of 2021, none produces cellulosic ethanol at scale.
Шолу
Целлюлозалық этанол – лигноцеллюлозадан өндірілетін биоотын түрі, бұл өсімдіктердің көп бөлігін құрайтын және негізінен целлюлоза, гемицеллюлоза және лигнинден тұратын құрылымдық материал. Лигноцеллюлозаның кең таралған көздері – ауыл шаруашылығы қалдықтары (мысалы, жүгері сабақтары немесе ағаш ұңғылдары) және мискантус сияқты шөптер. Этанол өндіруге арналған бұл шикізаттың көп болуы және әртүрлілігі артықшылықтарын береді, сондай-ақ, жүгері мен қанттан жасалған қанттар сияқты азық-түлік өндірісімен бәсекелеспейді. Дегенмен, олар ферментация арқылы этанол өндіруге көбінесе қолданылатын микроорганизмдерге қолжетімді қант мономерлерін алу үшін қосымша өңдеуді қажет етеді, бұл целлюлозадан алынған этанолдың құнын арттырады. Целлюлозалық этанол реформаланған бензинге қарағанда парниктік газдар шығарындыларын 85%-ға дейін төмендетуге мүмкіндік береді. Керісінше, жүгеріден алынатын крахмал этанолы (әдетте, процеске энергия беру үшін табиғи газды пайдаланады), крахмал негізіндегі шикізат қалай өндірілгеніне байланысты парниктік газдар шығарындыларын мүлдем азайта алмайды. 2011 жылы Ұлттық ғылым академиясының мәліметінше, лигноцеллюлозалық биомассаны отынға айналдыратын коммерциялық тұрғыдан тиімді биохимиялық зауыт әлі құрылмаған. 2013 жылғы 25 қаңтарда Колумбия округінің апелляциялық сотындағы шешім, АҚШ-тағы автомобиль және жүк көлігі отынын өндірушілерге, олардың өнімдеріне целлюлозалық биоотын қосуды талап ететін Қоршаған ортаны қорғау агенттігінің талабын жойды. Осы мәселелер және өндірістегі көптеген басқа да қиындықтар Джордж Вашингтон университетінің саясат зерттеушілерін "қысқа мерзімде [целлюлозалық] этанол энергиялық қауіпсіздік пен экологиялық мақсаттарға, бензинге балама ретінде қол жеткізе алмайды" деген қорытындыға әкелді.
Тарих
Француз химигі Анри Браконно 1819 жылы күкірт қышқылымен өңдеу арқылы целлюлозаны қантқа гидролиздеуге болатынын алғаш рет ашты. Гидролизделген қантты ферментация арқылы этанолға айналдыруға болады. Алғашқы коммерциялық этанол өндірісі 1898 жылы Германияда басталды, онда целлюлозаны гидролиздеу үшін қышқыл қолданылды. АҚШ-та 1910 жылы Standard Alcohol Company компаниясы Оңтүстік Каролинада алғашқы целлюлозалық этанол өндіріс орнатын ашты. Кейін Луизианада екінші орнаты ашылды. Алайда, екі орнаты да Бірінші дүниежүзілік соғыстан кейін экономикалық себептермен жабылды. Ағаштан этанол өндіру процесін коммерцияландыруға алғашқы талпырыс 1898 жылы Германияда жасалды. Ол целлюлозаны глюкозаға гидролиздеу үшін сұйытылған қышқылды пайдалануды қамтиды және 100 кг ағаш қалдықтарынан (тоннасына) 7,6 литр этанол өндіруге мүмкіндік берді. Немістер жақын арада бір тонна биомассадан шамамен бір тонна өнім алуға оңтайландырылған өндірістік процесті жасады. Бұл процесс көп ұзамай АҚШ-қа жетіп, Бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде оңтүстік-шығыста жұмыс істейтін екі коммерциялық орнатының ашылуына әкелді. Бұл орнатар "американдық процесс" деп аталатын бір сатылы сұйылтылған күкірт қышқылы гидролизі әдісін қолданды. Түпнұсқа неміс процесінің өнімділігінің жартысына тең болса да (тоннасына 50 литр этанолға қарағанда), американдық процестің өнімділігі жоғары болды. Ағаш өндірісінің төмендеуі соғыс аяқталғаннан кейін орнаттарды жабуға мәжбүр етті. Осы аралықта АҚШ Орман шаруашылығы зертханасында сұйылтылған қышқыл гидролизі бойынша шағын, бірақ тұрақты зерттеулер жалғасты. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде АҚШ қайтадан целлюлозалық этанолға жүгінді, бұл жолы синтетикалық каучук өндіру үшін бутадиенге айналдыру мақсатында. Vulcan Copper and Supply Company компаниясы ағаш ұнтағын этанолға айналдыратын орнат салу және оны пайдалану туралы келісімшарт жасады. Орнат, Орман шаруашылығы зертханасы әзірлеген Scholler процесінің түпнұсқасына енгізілген өзгерістерге негізделген. Бұл орнат бір құрғақ тоннаға этанол өндіруге қол жеткізді, бірақ бәрібір тиімді болмады және соғыс аяқталғаннан кейін жабылды. Соңғы екі онжылдықта ферменттік технологиялардың қарқынды дамуымен қышқыл гидролизі процесі біртіндеп ферменттік гидролизбен алмастырылды. Шикізатты гемицеллюлозаны гидролиздеу (бөлу) үшін химиялық алдын ала өңдеу қажет, осылайша ол қантқа тиімдірек айналады. Сұйылтылған қышқылмен алдын ала өңдеу USFS Орман шаруашылығы зертханасының ағаш қышқылы гидролизі бойынша алғашқы жұмыстарының негізінде әзірленді. Жақында Орман шаруашылығы зертханасы Висконсин университетімен бірлесіп лигноцеллюлозаның ферменттік гидролизіне кедерілтіруді жеңу үшін сульфитті алдын ала өңдеуді әзірледі. 2007 жылғы 23 қаңтардағы 2007 жылғы мемлекеттік үндеуінде АҚШ президенті Джордж Буш 2017 жылға дейін этанол өндірісін шектеу туралы ұсыныс жасады. Сол жылы АҚШ Энергетика министрлігі ағаш сынықтары, шөптер және цитрус қабықтары сияқты дәстүрлі емес көздерден этанол өндіруді бастауға бағытталған 385 миллион доллар көлемінде гранттар берді.
Өндіріс әдістері
Биологиялық тәсілді қолдана отырып, этанол өндірудің кезеңдері: Егер бұл технология өнеркәсіптік деңгейге жеткізілсе, ол целлюлоздың бір немесе бірнеше кезеңдерін жоюға мүмкіндік береді, бұл қажетті уақытты және өндіріс шығындарын азайтады. Лигноцеллюлоза – ең көп таралған өсімдік шикізаты болғанымен, оның қатаң құрылымы қолданылуын шектейді. Сондықтан, целлюлозаны лигниндік қабықтан босату және оның кристалдану құрылымын гидролиз кезеңіне қолжетімді ету үшін тиімді алдын ала өңдеу қажет. Көбінесе алдын ала өңдеу физикалық немесе химиялық жолмен жүргізіледі. Жоғары тиімділікке қол жеткізу үшін физикалық және химиялық алдын ала өңдеудің екеуі де қажет. Физикалық алдын ала өңдеу биомасса бөлшектерінің мөлшерін ұнтақтау немесе экструзия сияқты механикалық әдістермен азайтуды қамтиды. Химиялық алдын ала өңдеу лигноцеллюлозаны ішінара деполимерлендіреді, соның салдарынан ферменттер микробтық реакциялар үшін целлюлозаға қол жеткізе алады. Химиялық алдын ала өңдеу әдістеріне қышқыл гидролизі, бумен жарылыс, аммиак талшығының кеңеюі, органосольв, сульфитпен алдын ала өңдеу, сілтілі ылғалды тотығу және озонмен алдын ала өңдеу жатады. Целлюлозаны тиімді босатудан басқа, идеалды алдын ала өңдеу ыдырау өнімдерінің пайда болуын азайтуы керек, себебі олар келесі гидролиз және ферментация кезеңдерін тежеуі мүмкін. Ингибиторлардың болуы этанол өндірісін қиындатады және қажетті детоксикация кезеңдеріне байланысты шығындарды арттырады. Мысалы, қышқыл гидролизі – ең көне және ең көп зерттелген алдын ала өңдеу әдісі болғанымен, ол фурфурал және гидроксиметилфурфурал сияқты бірнеше күшті ингибиторларды өндіреді. Аммиак талшығының кеңеюі (AFEX) – ингибиторларды тудырмайтын перспективті алдын ала өңдеудің мысалы. Көптеген алдын ала өңдеу процестері орман биомассасы сияқты лигнинге жоғары мөлшерде ие шикізаттарға қолданғанда тиімді емес. Мұндай жағдайларда баламалы немесе арнайы тәсілдер қажет. Органосольв, SPORL ("лигноцеллюлозаның кедергісін жеңу үшін сульфитпен алдын ала өңдеу") және SO2 этанол су (AVAP®) процестері – орман биомассасы, әсіресе жұмсақ ағаш түрлері үшін 90%-дан астам целлюлозаға айналдыруға мүмкіндік беретін үш процесс. SPORL – орман биомассасын алдын ала өңдеуде ең энергия тиімді (алдын ала өңдеу кезінде бірлік энергия тұтынуға шаққанда қант өндірісі) және ферментация ингибиторларын өте аз өндіретін сенімді процесс. Органосольв пульпасы қатты ағаштар үшін ерекше тиімді және сутек лигнинді сұйыту және тұндыру арқылы оңай қалпына келтіруге мүмкіндік береді. AVAP® процесі барлық лигноцеллюлоздықтарды таза, жақсы сіңетін целлюлозаға, ыдырамаған гемицеллюлозалық қанттарға, реактивті лигнинге және лигносульфонаттарға тиімді бөледі және химиялық заттарды тиімді қалпына келтірумен сипатталады.
Целюлолиттік процестер
Целлюлозаның гидролизі (целлюлозаны ыдырату) қарапайым қанттарды тудырады, оларды спиртке айналдыруға болады. Целлюлозаны ыдыратудың екі негізгі процесі бар: қышқылдарды қолданатын химиялық процестер немесе целлюлазаларды қолданатын ферменттік реакциялар.
Химиялық гидролиз
ХІХ ғасырда және ХХ ғасырдың басында дамыған дәстүрлі әдістерде гидролиз целлюлозаға қышқыл шабуыл жасау арқылы жүзеге асырылады. Азайтылған қышқылды жоғары температура мен жоғары қысымда қолдануға болады, немесе көбірек концентрацияланған қышқылды төмен температурада және атмосфералық қысымда қолдануға болады. Судың қатысуымен қышқыл мен қант қоспасының декристалданған целлюлозалық қоспасы толық жеке қант молекулаларын құрайды (гидролиз). Осы гидролизден алынған өнім бейтараптандырылып, этанол өндіру үшін ашытқы ферментациясына қолданылады. Бұрын айтылғандай, азайтылған қышқыл процесінің маңызды кедергісі – гидролиздің тым күшті болуы, нәтижесінде ферментацияға кедергі келтіретін улы ыдырау өнімдері пайда болады. BlueFire Renewables концентрацияланған қышқылды пайдаланады, себебі ол ферментацияға кедергі келтіретін заттарды азайтуға мүмкіндік береді, бірақ оны қайта пайдалану үшін қант ағынынан бөліп алу қажет [мысалы, жылжымалы төсек хроматографиялық бөлінуі]. Ауыл шаруашылығы зерттеулер қызметінің ғалымдары бидай сабанындағы қалған қанттың көбісіне қол жеткізіп, оны ферменттеуге болатынын анықтады. Қанттар өсімдіктің жасуша қабырғаларында орналасқан, оларды бұзу өте қиын. Осы қанттарға қол жеткізу үшін ғалымдар бидай сабандарын сілтілі пероксидпен алдын ала өңдеп, содан кейін жасуша қабырғаларын бұзу үшін арнайы ферменттерді қолданды. Бұл әдіс бір тонна бидай сабанынан алынатын этанол мөлшерін қамтамасыз етеді.
Ферментті гидролиз
Целлюлоза тізбектерін целлюлаза ферменттері глюкоза молекулаларына жіктеуге болады. Бұл реакция дене температурасында қайта шайнайтын малдардың, мысалы, сиыр мен қойдың асқазанында жүзеге асады, онда ферменттерді микроорганизмдер өндіреді. Бұл процесте түрлендірудің әртүрлі сатыларында бірнеше ферменттер қолданылады. Ұқсас ферменттік жүйе арқылы лигноцеллюлозалық материалдарды салыстырмалы түрде қолайлы жағдайда (50 °C және pH 5) ферменттік гидролиз арқылы өңдеуге болады, бұл ферменттік белсенділікті тежейтін қосалқы өнімдердің пайда болуын болдырмай, целлюлозаның тиімді ыдырауына мүмкіндік береді. Этанол ашыту үшін жоғары қант шығымын алу үшін барлық негізгі алдын ала өңдеу әдістері, соның ішінде сұйылтылған қышқыл, ферменттік гидролиз кезеңін талап етеді. 2005 жылы Iogen Corporation ферменттік гидролиз процесі үшін «арнайы жасалған ферменттерді» бөліп шығару үшін Trichoderma reesei саңырауқұлағын пайдаланатын процесті әзірлеп жатқанын хабарлады. Тағы бір канадалық SunOpta компаниясы бумен жарылыс алдын ала өңдеуін қолданады және өз технологиясын Луизиана штатының Дженнингс қаласындағы Verenium (бұрынғы Celunol Corporation) зауытына, Испанияның Саламанка қаласындағы Abengoa зауытына және Чжаодун қаласындағы China Resources Alcohol Corporation компаниясына ұсынады. CRAC өндіріс орны шикізат ретінде жүгері сабағын пайдаланады.
Микробиологиялық ашыту
Дәстүрлі түрде, нан пісіруші ашытқысы (Saccharomyces cerevisiae) ұзақ жылдар бойы сыра өндіру өнеркәсібінде гексоздардан (алты көміртекті қанттар) этанол өндіру үшін қолданылып келді. Лигноцеллюлозалық биомассадағы көмірсулардың күрделі құрамына байланысты, гидролизаттың құрамында ксилоза мен арабинозаның (лигноцеллюлозаның гемицеллюлоза бөлігінен алынған бес көміртекті қанттар) айтарлықтай мөлшері де болады. Мысалы, жүгері сабағының гидролизатындағы ферменттелетін жалпы қанттардың шамамен 30% ксилозаны құрайды. Осы себепті, гидролизаттан алынатын барлық қанттарды пайдалануға қабілетті ферменттеуші микроорганизмдердің болуы, целлюлозалық этанолдың және мүмкін болатын био-негізгі ақуыздардың экономикалық бәсекеге қабілеттілігін арттыру үшін маңызды. Соңғы жылдары, жанармайлық этанол өндіруге қолданылатын микроорганизмдерге қатысты метаболикалық инженерия саласында елеулі прогресс байқалды. Saccharomyces cerevisiae-ден басқа, Zymomonas mobilis және Escherichia coli сияқты микроорганизмдер де целлюлозалық этанол өндіру мақсатында метаболикалық инженерияға тартылды. Баламалы ферментациялық организмдерге деген қызығушылықтың себебі – олардың жем-шөптің өнімділігін арттыратын бес көміртекті қанттарды ферменттеу қабілеті. Мұндай қабілет көбінесе бактерияларға негізделген организмдерде кездеседі. Жақында, ксилозаны, арабинозаны және тіпті оларды бірге тиімді ферменттеуге қабілетті гендік инженерлік ашытқылар сипатталды. Ашытқы жасушалары целлюлозалық этанол өндірісі үшін ерекше тартымды, себебі олар жүздеген жылдар бойы биотехнологияда қолданылып келеді, жоғары этанол және тежеуші заттар концентрациясына төзімді, сондай-ақ бактериялық ластануды азайту үшін төмен pH деңгейінде өсе алады.
Гидролиз және ферментация комбинациясы
Бактериялардың кейбір түрлері целлюлоза субстратын этанолға тікелей түрлендіре алатыны анықталды. Мысалы, Clostridium thermocellum целлюлозаны ыдырату және этанол синтездеу үшін күрделі целлюлозоманы пайдаланады. Дегенмен, C. thermocellum целлюлоза метаболизмі кезінде этанолдан басқа ацетат және лактат сияқты басқа да өнімдерді шығарып, процестің тиімділігін төмендетеді. Кейбір зерттеулер генетикалық инженерия арқылы этанол өндіруге бағытталған бактерияларды оңтайландыруға, осылайша этанол өндірісін арттыруға жұмыстануда.
Жалпы кемшіліктер
Этанол отынының негізгі кемшілігі – бензинге қарағанда отынның төмен тиімділігі, егер бензинге арналған қозғалтқышта, төмен сығылу қатынамымен этанол қолданылса. 2007 жылы целлюлозалық көздерден этанол өндірудің құны шамамен галонға 2,65 АҚШ доллары (литріне 0,58 евро) деп бағаланды, бұл жүгеріден жасалған этанолдан 2-3 есе қымбат. Дегенмен, целлюлозалық этанол нарығы салыстырмалы түрде кішкентай және үкіметтік субсидияларға тәуелді болып қала береді. АҚШ үкіметі бастапқыда целлюлозалық этанол үшін 2011 жылы 1 миллиард литрден бастап 2022 жылы 60 миллиард литрге дейін біртіндеп өсетін мақсаттарды белгіледі. Алайда, оларға қол жеткізу мүмкін емес екені анықталғаннан кейін, жылдық мақсаттар көбінесе орындалмады. 2010 жылдардың басында целлюлозалық этанолды өндіруге арналған көптеген зауыттар тоқтатылды немесе тасталды. DuPont, General Motors және BP сияқты көптеген компаниялар салған немесе қаржылаған зауыттар жабылды немесе сатылды. 2018 жылғы мәліметтер бойынша, АҚШ-та тек бір ірі зауыт қалды. Жердің 33% орманды, 26% жайылымдық және шөптік жерлер, ал 20% егістік жерлерді құрайды. 2005 жылы АҚШ Энергетика және Ауыл шаруашылығы департаменттері жүргізген зерттеуге сәйкес, орман шаруашылығы мен ауыл шаруашылығына қанағаттанарлық әсер ете отырып, этанол өндірісу үшін теориялық тұрғыдан 1,3 миллиард құрғақ тонна биомасса қолжетімді.
Жүгерілік этанолмен салыстыру
Қазіргі уақытта целлюлозаны этанолға айналдыру жүгері мен қант қамысынан гөрі қиынырақ және қымбат. АҚШ Энергетика министрлігі 2007 жылы целлюлозалы этанолды өндіруге галонға шамамен 2,20 доллар жұмсалатынын бағалаған, бұл жүгеріден алынған этанолдан 2-3 есе қымбат. Өсімдік жасуша қабырғасының тіндерін ыдырататын ферменттердің құны этанолдың галонына 0,40 АҚШ долларына тең, ал жүгері үшін 0,03 АҚШ доллары ғана.
Фермент шығыны кедергісі
Целлюлозды этанолды өндіруде қолданылатын целлюлазалар мен гемицеллюлазалар бірінші буынға қарағанда қымбат. Жүгері дәнінен этанолды өндіру үшін қажетті ферменттердің құны 2,64–5,28 АҚШ долларына тең. Целлюлозды этанолды өндіруге арналған ферменттердің құны 79,25 АҚШ долларын құрайды, яғни олар 20–40 есе қымбат. Бұл айырмашылық қажетті мөлшерге байланысты. Целлюлаза ферменттерінің тобының тиімділігі 1–2 рет төмен. Сондықтан, өндірісте ферменттің мөлшері 40–100 есе көп болуы керек. Әр тонна биомассаға 15–25 килограмм фермент қажет. Жақында жасалған бағалаулар төмендеп, биомассаның бір тонна құрғақ шикізатына 1 килограмм фермент қажет екенін көрсетеді. Ферменттік гидролизді жүзеге асыратын ыдыстың ұзақ инкубациялық уақытына байланысты капиталдық шығындар да салыстырмалы түрде жоғары. Энзимдер целлюлозалы этанолды өндірудегі шығындардың 20–40% құрайды. Жақында жарияланған мақалада көрсетілгендей, орман биомассасының целлюлоза және лигнин құрамы ауылшаруашылық биомассасынан жоғары, ал гемицеллюлоза және күл құрамы төмен. Орман биомассасы ауылшаруашылық биомассасына қарағанда маңызды артықшылықтарға ие, себебі алдын ала өңдеу гидролизатын ферменттеудегі қиындықтар мен этанолдың төмен өнімділігі, әсіресе ксилоза сияқты 5 көміртекті гемицеллюлоза қанттарының жоғары концентрациясы. Орман биомассасының жоғары тығыздығы тасымалдау шығындарын айтарлықтай төмендетеді. Оны жыл бойы жинауға болады, бұл ұзақ мерзімді сақтау қажеттілігін жояды. Орман биомассасының күл құрамының нөлге жақын болуы тасымалдау және өңдеу кезіндегі өлі жүкті азайтады. Биологиялық әртүрлілікті қамтамасыз ету үшін орман биомассасы болашақтағы биоэкономикада биомасса шикізатының маңызды бөлігін құрайды. Дегенмен, орман биомассасы ауылшаруашылық биомассасына қарағанда күштірек кедергіге ие. Жақында USDA Forest Products Laboratory және Wisconsin–Madison университеті бірлесіп, орман (ағаш) биомассасының, соның ішінде ксилан құрамы төмен жұмсақ ағаш түрлерінің күшті кедергісін жеңе алатын тиімді технологияларды әзірледі. Қысқа мерзімді интенсивті егіс немесе ағаш шаруашылығы орман биомассасын өндірудің шексіз мүмкіндіктерін ұсынады. Ағаш кесуден қалған ағаш сынықтары, ағаштардың басына түскен ағаш сынықтары, аралау фабрикаларынан шыққан аралау шаңы және қағаз өндірісінің қалдықтары целлюлозалы этанолды өндіру үшін орман биомассасының шикізаты болып табылады. Switchgrass (Panicum virgatum) – бұл жергілікті биік шөптік өсімдік. Оның төзімділігімен және жылдам өсуімен танымал, бұл көпжылдық өсімдік жылы айларда 2–6 фут биіктікке жетеді. Switchgrass АҚШ-тың көп бөлігінде, соның ішінде батпақтарда, жазықтарда, өзендерде, жағалауларда және мемлекетаралық тас жолдар бойында өсірілуі мүмкін. Ол өзін-өзі себуге қабілетті (себуге трактор қажет емес, тек қырқуға), көптеген аурулар мен зиянкестерге төзімді және тыңайтқыштар мен басқа да химиялық заттарды аз қолдану арқылы жоғары өнім бере алады. Сондай-ақ, ол нашар топыраққа, су тасқынына және құрғақшылыққа төзімді, топырақ сапасын жақсартады және тамыр жүйесінің түріне байланысты эрозияны болдырмайды. Switchgrass – федералды консервациялық резерв бағдарламасы (CRP) бойынша қорғалған жерлер үшін бекітілген жабық дақыл. CRP – бұл мемлекеттік бағдарлама, ол өндірушілерге жақында егін өсірілген жерлерге егін екпегендері үшін ақы төлейді. Бұл бағдарлама топырақтың эрозиясын азайтады, судың сапасын жақсартады және жануарлар дүниесінің мекендеу аймағын кеңейтеді. CRP жері биік жерлердегі аңдар, мысалы, фазандар мен қаздар және көптеген жәндіктер үшін тіршілік ортасы болып табылады. Биоотын өндірісі үшін Switchgrass-ты консервациялық резерв бағдарламасының (CRP) жерінде пайдалану қарастырылып жатыр, бұл экологиялық тұрақтылықты арттырып, CRP бағдарламасының құнын төмендетуі мүмкін. Алайда, CRP ережесін өзгерту қажет, бұл CRP жерін экономикалық тұрғыдан пайдалануға мүмкіндік береді. Кудзу биомассаның құнды көзіне айналуы мүмкін деген пікір бар.
Целлюлозды этанолды коммерцияландыру
Субсидиялар мен гранттардың арқасында 2000 жылдардың басында целлюлозалы этанолды зерттеу және пилоттық өндіріс орталықтарының дамуы күш алды. Iogen, POET және Abengoa сияқты компаниялар биомассаны өңдеп, оны этанолға айналдыра алатын мұнай өңдеу зауыттарын салды, ал DuPont, Diversa, Novozymes және Dyadic сияқты компаниялар ферменттерді зерттеуге инвестиция жасады. Дегенмен, техникалық қиындықтарды еңсерудің қиындығына байланысты осы зауыттардың көпшілігі 2010 жылдардың басында жабылды немесе тоқтатылды. 2018 жылға қарай тек бір ғана целлюлозалы этанол зауыты жұмыс істеді. 1991 жылы фермент өндіруші ретінде басталып, 2013 жылы негізгі назарын целлюлозалы этанолға аударған Iogen компаниясы целлюлозалы этанол өндірісіне қатысты көптеген патенттердің иесі және Raízen зауыты үшін технологияны ұсынды. 2021 жылға қарай целлюлозалы этанол технологиясын дамытып жатқан басқа компаниялар – Inbicon (Дания); пилоттық өндіріс зауыттарын іске асырып жатқан немесе жоспарлап отырған компаниялар – New Energy Blue (АҚШ), Sekab (Швеция) және Clariant (Румыния). Целлюлозалы этанол активтері бар испандық Abengoa компаниясы 2021 жылы банкротқа ұшырады. Австралияның жаңаруға қабілетті энергия агенттігі, сондай-ақ мемлекеттік және жергілікті билік органдары аймақтық экономиканы көмір өндіруден алшақтату мақсатында 2017 және 2020 жылдары Жаңа Оңтүстік Уэльсте пилоттық өндіріс орталығын қаржыландырды.
АҚШ үкіметінің қолдауы
2006 жылдан бастап АҚШ Федералды үкіметі целлюлозалық шикізаттан этанол өндіруді ілгерілетуді бастады. 2008 жылдың мамыр айында Конгресс екінші буын биоотынын, оның ішінде целлюлозалық этанолды коммерцияландыруға қаржылай қолдау көрсететін жаңа шаруашылық заңын қабылдады. 2008 жылғы «Тамақ, табиғатты қорғау және энергия туралы» заң «жаңартқыш биоотын» өндіруге арналған үлгілік биоөңдеу зауыттарын дамыту мен салу шығындарының 30%-ға дейін гранттар беруді көздейді, бұл жүгері дәнінің крахмалынан өндірілмейтін барлық отынды қамтиды. Сондай-ақ коммерциялық масштабтағы биоөңдеу зауыттарын салуға 250 миллион долларға дейін несие кепілдіктері берілуіне рұқсат етілді. 2011 жылдың қаңтар айында USDA 2008 жылғы Шаруашылық заңы арқылы 405 миллион долларлық несие кепілдіктерін мақұлдады, бұл қаражат Coskata, Enerkem және INEOS New Planet BioEnergy компанияларына қарасты үш нысанда целлюлозалық этанолды коммерцияландыруды қолдауға бағытталды. Аталған жобалардың біріктірілген жылдық өндірістік қуаты бар, және олар 2012 жылы целлюлозалық этанолды өндіруді бастайды. USDA сонымен қатар жаңартқыш биоотын өндірушілердің тізімін жариялады, олар жаңартқыш биоотын өндірісін кеңейту үшін төлемдер алады. 2011 жылдың шілдесінде АҚШ Энергетика департаменті POET компаниясына Эмметсбург, Айова штатында салынатын коммерциялық масштабтағы зауыт үшін 105 миллион долларлық несие кепілдігін берді.