Целлюлозный этанол: производство, преимущества и перспективы.

Введение

Этанол, полученный из целлюлозы

Ethanol produced from cellulose
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.

Целлюлозный этанол – это этанол (этиловый спирт), производимый из целлюлозы (волокнистой части растений), а не из семян или плодов. Его можно получать из трав, древесины, водорослей или других растений. Обычно рассматривается возможность его использования в качестве биотоплива. Углекислый газ, поглощаемый растениями в процессе роста, компенсирует часть углекислого газа, выделяемого при сжигании этанола, произведенного из них, поэтому целлюлозный этанол потенциально имеет меньший углеродный след, чем ископаемое топливо. Интерес к целлюлозному этанолу обусловлен его потенциалом заменить этанол, производимый из кукурузы или сахарного тростника. Поскольку эти растения также используются для производства продуктов питания, их перенаправление на производство этанола может привести к росту цен на продукты питания; источники на основе целлюлозы, напротив, обычно не конкурируют с пищевыми культурами, поскольку волокнистые части растений в основном не пригодны в пищу для человека. Еще одним потенциальным преимуществом является большое разнообразие и обилие источников целлюлозы: травы, деревья и водоросли встречаются почти в любой среде на Земле. Даже компоненты твердых бытовых отходов, такие как бумага, теоретически могут быть преобразованы в этанол. Основным современным недостатком целлюлозного этанола является его высокая стоимость производства, которая сложнее и требует больше этапов, чем производство этанола из кукурузы или сахарного тростника. Целлюлозный этанол привлек значительное внимание в 2000-х и начале 2010-х годов. Правительство США, в частности, финансировало исследования по его коммерциализации и установило целевые показатели доли целлюлозного этанола, добавляемого в моторное топливо. Значительное количество новых компаний, специализирующихся на целлюлозном этаноле, а также многие существующие компании инвестировали в пилотные производственные установки. Однако гораздо более дешевое производство этанола из зерна, в сочетании с низкой ценой на нефть в 2010-х годах, привело к тому, что целлюлозный этанол не смог конкурировать с этими устоявшимися видами топлива. В результате большинство новых заводов были закрыты к середине 2010-х годов, и многие вновь созданные компании обанкротились. Некоторые из них все еще существуют, но в основном используются для демонстрационных или исследовательских целей; по состоянию на 2021 год ни один из них не производит целлюлозный этанол в промышленных масштабах.

Обзор

Целлюлозный этанол – это вид биотоплива, получаемый из лигноцеллюлозы, структурного материала, составляющего большую часть массы растений и состоящего в основном из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Популярными источниками лигноцеллюлозы являются как сельскохозяйственные отходы (например, ботва кукурузы или древесная щепа), так и травы, такие как мискантус и виды переключающейся травы. Эти сырьевые материалы для производства этанола обладают преимуществом в виде обилия и разнообразия и не конкурируют с производством продуктов питания, в отличие от более распространенных кукурузного и тростникового сахара. Однако для получения сахарных мономеров, доступных микроорганизмам, обычно используемым для производства этанола путем ферментации, требуется более сложная переработка, что увеличивает стоимость этанола, полученного из целлюлозы. Целлюлозный этанол может снизить выбросы парниковых газов на 85% по сравнению с реформированным бензином. В отличие от него, крахмальный этанол (например, из кукурузы), который чаще всего использует природный газ для обеспечения энергией процесса, может вообще не снижать выбросы парниковых газов, в зависимости от способа производства крахмального сырья. Согласно данным Национальной академии наук в 2011 году, не существует коммерчески жизнеспособного биоперерабатывающего завода для переработки лигноцеллюлозной биомассы в топливо. Отсутствие производства целлюлозного этанола в объемах, требуемых нормативными актами, послужило основанием для решения Апелляционного суда США по округу Колумбия от 25 января 2013 года, отменившего требование, возложенное на производителей автомобильного и грузового топлива в США Агентством по охране окружающей среды, о добавлении целлюлозного биотоплива в их продукцию. Эти проблемы, наряду со многими другими трудностями в производстве, привели к тому, что исследователи из Университета Джорджа Вашингтона заявили, что "в краткосрочной перспективе [целлюлозный] этанол не может соответствовать целям энергетической безопасности и защиты окружающей среды как альтернатива бензину".

История

Французский химик Анри Браконно первым обнаружил, что целлюлозу можно гидролизовать до сахаров путем обработки серной кислотой в 1819 году. Полученный гидролизованный сахар затем можно было перерабатывать в этанол посредством ферментации. Первое коммерческое производство этанола началось в Германии в 1898 году, где для гидролиза целлюлозы использовалась кислота. В Соединенных Штатах компания Standard Alcohol Company открыла первый завод по производству целлюлозного этанола в Южной Каролине в 1910 году. Позже был открыт второй завод в Луизиане. Однако оба завода были закрыты после Первой мировой войны по экономическим причинам. Первая попытка коммерциализации процесса получения этанола из древесины была предпринята в Германии в 1898 году. Она включала использование разбавленной кислоты для гидролиза целлюлозы до глюкозы и позволяла производить 7,6 литров этанола на 100 кг древесных отходов (на тонну). Немцы вскоре разработали промышленный процесс, оптимизированный для выхода около тонны биомассы. Этот процесс вскоре распространился в США, что привело к созданию двух коммерческих заводов, работавших на юго-востоке во время Первой мировой войны. Эти заводы использовали так называемый «американский процесс» — одностадийный гидролиз разбавленной серной кислотой. Хотя выход был вдвое меньше, чем у оригинального немецкого процесса ( этанола на тонну против 50), пропускная способность американского процесса была значительно выше. Снижение производства пиломатериалов вынудило заводы закрыться вскоре после окончания Первой мировой войны. В то же время небольшие, но постоянные исследования по разбавленному кислотному гидролизу продолжались в Лаборатории лесных продуктов USFS. Во время Второй мировой войны США вновь обратились к целлюлозному этанолу, на этот раз для преобразования в бутадиен для производства синтетического каучука. Компания Vulcan Copper and Supply получила контракт на строительство и эксплуатацию завода по переработке опилок в этанол. Завод был основан на модификациях оригинального немецкого процесса Шоллера, разработанного Лабораторией лесных продуктов. Этот завод достиг выхода этанола на сухую тонну, но все еще не был прибыльным и был закрыт после войны. С быстрым развитием энзимных технологий в последние два десятилетия процесс кислотного гидролиза постепенно был заменен энзимным гидролизом. Для гидролиза (разделения) гемицеллюлозы требуется химическая предварительная обработка сырья, чтобы она могла более эффективно превращаться в сахара. Предварительная обработка разбавленной кислотой была разработана на основе ранних работ по кислотному гидролизу древесины в Лаборатории лесных продуктов USFS. Недавно Лаборатория лесных продуктов совместно с Университетом Висконсина–Мэдисон разработала сульфитную предварительную обработку для преодоления рекальцитрантности лигноцеллюлозы и обеспечения надежного энзимного гидролиза древесной целлюлозы. В своем обращении к нации 23 января 2007 года президент США Джордж Буш объявил о предлагаемом мандате на производство этанола к 2017 году. Позже в том же году Министерство энергетики США выделило 385 миллионов долларов в виде грантов, направленных на стимулирование производства этанола из нетрадиционных источников, таких как древесная щепа, мискантус и цитрусовая цедра.

The French chemist, Henri Braconnot, was the first to discover that cellulose could be hydrolyzed into sugars by treatment with sulfuric acid in 1819. The hydrolyzed sugar could then be processed to form ethanol through fermentation. The first commercialized ethanol production began in Germany in 1898, where acid was used to hydrolyze cellulose. In the United States, the Standard Alcohol Company opened the first cellulosic ethanol production plant in South Carolina in 1910. Later, a second plant was opened in Louisiana. However, both plants were closed after World War I due to economic reasons. The first attempt at commercializing a process for ethanol from wood was done in Germany in 1898. It involved the use of dilute acid to hydrolyze the cellulose to glucose, and was able to produce 7.6 liters of ethanol per 100 kg of wood waste ( per ton). The Germans soon developed an industrial process optimized for yields of around per ton of biomass. This process soon found its way to the US, culminating in two commercial plants operating in the southeast during World War I. These plants used what was called "the American Process" — a one stage dilute sulfuric acid hydrolysis. Though the yields were half that of the original German process ( of ethanol per ton versus 50), the throughput of the American process was much higher. A drop in lumber production forced the plants to close shortly after the end of World War I. In the meantime, a small but steady amount of research on dilute acid hydrolysis continued at the USFS's Forest Products Laboratory. During World War II, the US again turned to cellulosic ethanol, this time for conversion to butadiene to produce synthetic rubber. The Vulcan Copper and Supply Company was contracted to construct and operate a plant to convert sawdust into ethanol. The plant was based on modifications to the original German Scholler process as developed by the Forest Products Laboratory. This plant achieved an ethanol yield of per dry ton, but was still not profitable and was closed after the war. With the rapid development of enzyme technologies in the last two decades, the acid hydrolysis process has gradually been replaced by enzymatic hydrolysis. Chemical pretreatment of the feedstock is required to hydrolyze (separate) hemicellulose, so it can be more effectively converted into sugars. The dilute acid pretreatment is developed based on the early work on acid hydrolysis of wood at the USFS's Forest Products Laboratory. Recently, the Forest Products Laboratory together with the University of Wisconsin–Madison developed a sulfite pretreatment to overcome the recalcitrance of lignocellulose for robust enzymatic hydrolysis of wood cellulose. In his 2007 State of the Union Address on January 23, 2007, US President George W. Bush announced a proposed mandate for of ethanol by 2017. Later that year, the US Department of Energy awarded $385 million in grants aimed at jump starting ethanol production from nontraditional sources like wood chips, switchgrass, and citrus peels.

Методы производства

Этапы производства этанола с использованием биологического подхода следующие: Предполагая, что данная технология может быть масштабирована до промышленных уровней, она позволит исключить один или несколько этапов целлюлолиза, сократив как время, необходимое для производства, так и его стоимость. Хотя лигноцеллюлоза является наиболее распространенным растительным сырьем, ее применение ограничено ее жесткой структурой. В результате необходима эффективная предварительная обработка для высвобождения целлюлозы из лигнинной матрицы и разрушения ее кристаллической структуры, чтобы обеспечить ее доступность для последующего гидролиза. Большинство методов предварительной обработки основаны на физических или химических принципах. Для достижения более высокой эффективности требуется сочетание физической и химической предварительной обработки. Физическая предварительная обработка включает уменьшение размера частиц биомассы посредством механических методов, таких как измельчение или экструзия. Химическая предварительная обработка частично деполимеризует лигноцеллюлозу, обеспечивая доступ ферментов к целлюлозе для проведения микробных реакций. К химическим методам предварительной обработки относятся кислотный гидролиз, обработка паром под давлением, расширение волокон аммиаком, органосольв, предварительная обработка сульфитами, щелочная влажная окисление и предварительная обработка озоном. Помимо эффективного высвобождения целлюлозы, идеальная предварительная обработка должна минимизировать образование продуктов деградации, поскольку они могут ингибировать последующие этапы гидролиза и ферментации. Наличие ингибиторов дополнительно усложняет и увеличивает стоимость производства этанола из-за необходимости проведения этапов детоксикации. Например, хотя кислотный гидролиз, вероятно, является старейшим и наиболее изученным методом предварительной обработки, он образует несколько сильных ингибиторов, включая фурфураль и гидроксиметилфурфураль. Расширение волокон аммиаком (AFEX) является примером перспективной предварительной обработки, не приводящей к образованию ингибиторов. Большинство процессов предварительной обработки неэффективны при применении к сырью с высоким содержанием лигнина, такому как лесная биомасса. Для этого требуются альтернативные или специализированные подходы. Процессы Organosolv, SPORL («сульфитная предварительная обработка для преодоления устойчивости лигноцеллюлозы») и SO2 этанол вода (AVAP®) – это три процесса, которые позволяют достичь конверсии целлюлозы более чем на 90% для лесной биомассы, особенно для пород мягкой древесины. SPORL является наиболее энергоэффективным (производство сахара на единицу потребляемой энергии при предварительной обработке) и надежным процессом предварительной обработки лесной биомассы с очень низким образованием ингибиторов ферментации. Органосольвный пульпинг особенно эффективен для твердых пород древесины и обеспечивает легкое извлечение гидрофобного продукта лигнина путем разбавления и осаждения. Процесс AVAP® эффективно разделяет все типы лигноцеллюлозного сырья на чистую, легкоусвояемую целлюлозу, неразложенные гемицеллюлозные сахара, реактивный лигнин и лигносульфонаты и характеризуется эффективным извлечением химических веществ.

The stages to produce ethanol using a biological approach are: Assuming this technology can be scaled to industrial levels, it would eliminate one or more steps of cellulolysis, reducing both the time required and costs of production. Although lignocellulose is the most abundant plant material resource, its usability is curtailed by its rigid structure. As a result, an effective pretreatment is needed to liberate the cellulose from the lignin seal and its crystalline structure so as to render it accessible for a subsequent hydrolysis step. By far, most pretreatments are done through physical or chemical means. To achieve higher efficiency, both physical and chemical pretreatments are required. Physical pretreatment involves reducing biomass particle size by mechanical processing methods such as milling or extrusion. Chemical pretreatment partially depolymerizes the lignocellulose so enzymes can access the cellulose for microbial reactions. Chemical pretreatment techniques include acid hydrolysis, steam explosion, ammonia fiber expansion, organosolv, sulfite pretreatment, alkaline wet oxidation and ozone pretreatment. Besides effective cellulose liberation, an ideal pretreatment has to minimize the formation of degradation products because they can inhibit the subsequent hydrolysis and fermentation steps. The presence of inhibitors further complicates and increases the cost of ethanol production due to required detoxification steps. For instance, even though acid hydrolysis is probably the oldest and most studied pretreatment technique, it produces several potent inhibitors including furfural and hydroxymethylfurfural. Ammonia Fiber Expansion (AFEX) is an example of a promising pretreatment that produces no inhibitors. Most pretreatment processes are not effective when applied to feedstocks with high lignin content, such as forest biomass. These require alternative or specialized approaches. Organosolv, SPORL ('sulfite pretreatment to overcome recalcitrance of lignocellulose') and SO2 ethanol water (AVAP®) processes are the three processes that can achieve over 90% cellulose conversion for forest biomass, especially those of softwood species. SPORL is the most energy efficient (sugar production per unit energy consumption in pretreatment) and robust process for pretreatment of forest biomass with very low production of fermentation inhibitors. Organosolv pulping is particularly effective for hardwoods and offers easy recovery of a hydrophobic lignin product by dilution and precipitation.</ref> AVAP® process effectively fractionates all types of lignocellulosics into clean highly digestible cellulose, undegraded hemicellulose sugars, reactive lignin and lignosulfonates, and is characterized by efficient recovery of chemicals.

Целюлолитические процессы

Гидролиз целлюлозы (целлюлолиз) дает простые сахара, которые могут быть сброжены в спирт. Существуют два основных процесса целлюлолиза: химические процессы с использованием кислот или ферментативные реакции с использованием целлюлаз.

Химический гидролиз

В традиционных методах, разработанных в XIX веке и в начале XX века, гидролиз осуществляется путем воздействия кислоты на целлюлозу. Можно использовать разбавленную кислоту при высокой температуре и давлении, либо более концентрированную кислоту при более низких температурах и атмосферном давлении. Декристаллизованная целлюлозная смесь кислоты и сахаров в присутствии воды реагирует с образованием отдельных молекул сахара (гидролиз). Продукт этого гидролиза затем нейтрализуют и используют для производства этанола путем ферментации дрожжами. Как уже упоминалось, значительным препятствием для процесса с использованием разбавленной кислоты является то, что гидролиз протекает в жестких условиях, что приводит к образованию токсичных продуктов разложения, способных мешать ферментации. Компания BlueFire Renewables использует концентрированную кислоту, поскольку она производит значительно меньше ингибиторов ферментации, однако для коммерческой целесообразности ее необходимо отделять от потока сахара для повторного использования (например, с помощью хроматографической сепарации с имитацией подвижного слоя). Ученые из Службы сельскохозяйственных исследований выяснили, что они могут получить доступ и ферментировать почти все оставшиеся сахара в пшеничной соломе. Сахара содержатся в клеточных стенках растения, которые печально известны своей трудноразлагаемостью. Чтобы получить доступ к этим сахарам, ученые предварительно обработали пшеничную солому щелочным пероксидом, а затем использовали специализированные ферменты для разрушения клеточных стенок. Этот метод позволяет получить определенное количество этанола на тонну пшеничной соломы.

Энзиматический гидролиз

Цепь целлюлозы может быть расщеплена на молекулы глюкозы ферментами целлюлазой. Эта реакция происходит при температуре тела в желудках жвачных животных, таких как крупный рогатый скот и овцы, где ферменты производятся микроорганизмами. В этом процессе используется несколько ферментов на различных этапах преобразования. Используя аналогичную ферментативную систему, лигноцеллюлозные материалы могут быть ферментативно гидролизованы в относительно мягких условиях (50 °C и pH 5), что обеспечивает эффективное разрушение целлюлозы без образования побочных продуктов, которые в противном случае подавляли бы активность ферментов. Все основные методы предварительной обработки, включая обработку разбавленной кислотой, требуют этапа ферментативного гидролиза для достижения высокой выхода сахара для ферментации этанола. В 2005 году корпорация Iogen объявила о разработке процесса с использованием гриба Trichoderma reesei для секреции "специально сконструированных ферментов" для процесса ферментативного гидролиза. Другая канадская компания, SunOpta, использует предварительную обработку взрывом паром, предоставляя свою технологию предприятию Verenium (ранее Celunol Corporation) в Дженнингсе, штат Луизиана, предприятию Abengoa в Саламанке, Испания, и корпорации China Resources Alcohol Corporation в Чжаодоне. Производственное предприятие CRAC использует стебли кукурузы в качестве сырья.

Микробная ферментация

Традиционно, хлебопекарные дрожжи (Saccharomyces cerevisiae) давно используются в пивоваренной промышленности для производства этанола из гексоз (шестиуглеродных сахаров). В связи со сложным составом углеводов, присутствующих в лигноцеллюлозной биомассе, в гидролизате также содержится значительное количество ксилозы и арабинозы (пятиуглеродных сахаров, получаемых из гемицеллюлозной фракции лигноцеллюлозы). Например, в гидролизате кукурузных стеблей примерно 30% от общего количества ферментируемых сахаров приходится на ксилозу. Следовательно, способность ферментирующих микроорганизмов использовать весь спектр сахаров, доступных в гидролизате, крайне важна для повышения экономической конкурентоспособности целлюлозного этанола и, потенциально, биоосновных белков. В последние годы метаболическая инженерия микроорганизмов, используемых для производства топливного этанола, достигла значительного прогресса. Помимо Saccharomyces cerevisiae, микроорганизмы, такие как Zymomonas mobilis и Escherichia coli, стали объектами метаболической инженерии для производства целлюлозного этанола. Преимущество альтернативных ферментирующих организмов заключается в их способности ферментировать пятиуглеродные сахара, что повышает выход целевого продукта из сырья. Эта способность часто встречается у бактериальных организмов. В последнее время были описаны генетически модифицированные дрожжи, эффективно ферментирующие ксилозу и арабинозу, и даже оба сахара одновременно. Клетки дрожжей особенно привлекательны для процессов производства целлюлозного этанола, поскольку они используются в биотехнологии на протяжении сотен лет, устойчивы к высоким концентрациям этанола и ингибиторов, а также способны расти при низких значениях pH, что снижает риск бактериального загрязнения.

Комбинированный гидролиз и ферментация

Было обнаружено, что некоторые виды бактерий способны к непосредственному превращению целлюлозного субстрата в этанол. Одним из примеров является Clostridium thermocellum, который использует сложный целлюлозомный комплекс для расщепления целлюлозы и синтеза этанола. Однако C. thermocellum также производит другие продукты в процессе метаболизма целлюлозы, включая ацетат и лактат, помимо этанола, что снижает эффективность процесса. Некоторые исследовательские усилия направлены на оптимизацию производства этанола путем генетической инженерии бактерий, ориентированных на путь производства этанола.

Общие недостатки

Основным общим недостатком этанольного топлива является его более низкая топливная экономичность по сравнению с бензином при использовании этанола в двигателе, рассчитанном на бензин с более низким коэффициентом сжатия. В 2007 году стоимость производства этанола из целлюлозных источников оценивалась примерно в 2,65 доллара США за галлон (0,58 евро за литр), что примерно в 2–3 раза дороже, чем этанол, полученный из кукурузы. Однако рынок целлюлозного этанола остается относительно небольшим и зависит от государственных субсидий. Правительство США изначально установило цели по производству целлюлозного этанола, постепенно увеличивая их с 1 миллиарда литров в 2011 году до 60 миллиардов литров в 2022 году. Однако эти ежегодные цели почти всегда отменялись после того, как стало ясно, что их достижение невозможно. Большинство заводов по производству целлюлозного этанола были отменены или заброшены в начале 2010-х годов. Заводы, построенные или финансируемые компаниями DuPont, General Motors и BP, среди многих других, были закрыты или проданы. По состоянию на 2018 год в США остался только один крупный завод. 33% приходится на лесные земли, 26% – на пастбища и луга, а 20% – на сельскохозяйственные земли. Исследование, проведенное министерствами энергетики и сельского хозяйства США в 2005 году, показало, что 1,3 миллиарда сухих тонн биомассы теоретически доступны для использования в производстве этанола, сохраняя при этом приемлемое воздействие на лесное и сельское хозяйство.

Сравнение с этанолом на основе кукурузы

В настоящее время переработка целлюлозы в этанол сложнее и дороже, чем переработка кукурузы или сахарного тростника. Министерство энергетики США оценило в 2007 году, что производство целлюлозного этанола обходится примерно в 2,20 доллара за галлон, что в 2–3 раза дороже этанола из кукурузы. Стоимость ферментов, разрушающих ткани растительных клеточных стенок, составляет 0,40 доллара США за галлон этанола по сравнению с 0,03 доллара США за галлон кукурузы.

Барьер затрат на ферменты

Целлюлазы и гемицеллюлазы, используемые в производстве целлюлозного этанола, дороже, чем их аналоги первого поколения. Ферменты, необходимые для производства этанола из кукурузного зерна, стоят 2,64–5,28 доллара США за кубический метр произведенного этанола. По оценкам, ферменты для производства целлюлозного этанола стоят 79,25 доллара США, что в 20–40 раз дороже. Различия в стоимости связаны с требуемым количеством. Семейство ферментов целлюлаз имеет эффективность на один-два порядка ниже. Поэтому для его производства требуется в 40–100 раз больше фермента. Для каждой тонны биомассы требуется 15–25 килограммов фермента. Более поздние оценки ниже, предполагая 1 кг фермента на тонну сухого сырья из биомассы. Также существуют относительно высокие капитальные затраты, связанные с длительным временем инкубации реактора, осуществляющего ферментативный гидролиз. В целом, ферменты составляют значительную часть – 20–40% – для производства целлюлозного этанола. Недавняя статья показала, что лесная биомасса имеет более высокое содержание целлюлозы и лигнина и более низкое содержание гемицеллюлозы и золы, чем сельскохозяйственная биомасса. Из-за трудностей и низкой урожайности этанола при ферментации гидролизата предварительной обработки, особенно тех, которые содержат очень высокий уровень 5-углеродных гемицеллюлозных сахаров, таких как ксилоза, лесная биомасса имеет значительные преимущества перед сельскохозяйственной биомассой. Лесная биомасса также обладает высокой плотностью, что значительно снижает транспортные расходы. Ее можно собирать круглый год, что исключает долгосрочное хранение. Почти нулевое содержание золы в лесной биомассе значительно снижает массу при транспортировке и переработке. Для удовлетворения потребностей в биоразнообразии лесная биомасса станет важным источником биомассы в будущей биоэкономике. Однако лесная биомасса намного более устойчива к разложению, чем сельскохозяйственная. Недавно Лаборатория лесных продуктов Министерства сельского хозяйства США совместно с Университетом Висконсин-Мэдисон разработала эффективные технологии, которые могут преодолеть высокую устойчивость лесной (древесной) биомассы, включая виды мягкой древесины с низким содержанием ксилана. Интенсивная культура с коротким циклом ротации или лесоводство могут предложить практически неограниченные возможности для производства лесной биомассы. Древесная щепа из порубочных остатков и вершин деревьев, опилки из пилорам и отходы бумажной целлюлозы являются лесным биомассовым сырьем для производства целлюлозного этанола. Перекати-поле (Panicum virgatum) – местная многолетняя трава прерий. Известное своей выносливостью и быстрым ростом, это растение в теплые месяцы достигает высоты 2–6 футов. Перекати-поле можно выращивать в большинстве частей Соединенных Штатов, включая болота, равнины, ручьи, а также вдоль берегов и автомагистралей. Оно самосевное (не требуется трактор для посева, только для кошения), устойчиво ко многим болезням и вредителям и может давать высокую урожайность при небольшом применении удобрений и других химических веществ. Оно также хорошо переносит бедные почвы, наводнения и засуху; улучшает качество почвы и предотвращает эрозию благодаря своему типу корневой системы. Перекати-поле является одобренной покровной культурой для земель, защищенных в рамках федеральной программы сохранения резервов (CRP). CRP – это государственная программа, которая платит производителям за то, что они не выращивают сельскохозяйственные культуры на землях, на которых недавно росли сельскохозяйственные культуры. Эта программа уменьшает эрозию почвы, улучшает качество воды и увеличивает среду обитания дикой природы. Земли CRP служат средой обитания для дичи, такой как фазаны и утки, а также для множества насекомых. Использование перекати-поля для производства биотоплива рассматривается для земель Программы сохранения резервов (CRP), что может повысить экологическую устойчивость и снизить стоимость программы CRP. Однако правила CRP должны быть изменены, чтобы разрешить такое экономическое использование земель CRP. Было высказано предположение, что кудзу может стать ценным источником биомассы.

Cellulases and hemicellulases used in the production of cellulosic ethanol are more expensive compared to their first generation counterparts. Enzymes required for maize grain ethanol production cost 2.64 5.28 US dollars per cubic meter of ethanol produced. Enzymes for cellulosic ethanol production are projected to cost 79.25 US dollars, meaning they are 20 40 times more expensive. The cost differences are attributed to quantity required. The cellulase family of enzymes have a one to two order smaller magnitude of efficiency. Therefore, it requires 40 to 100 times more of the enzyme to be present in its production. For each ton of biomass it requires 15 25 kilograms of enzyme. More recent estimates are lower, suggesting 1 kg of enzyme per dry tonne of biomass feedstock. There is also relatively high capital costs associated with the long incubation times for the vessel that perform enzymatic hydrolysis. Altogether, enzymes comprise a significant portion of 20 40% for cellulosic ethanol production. A recent paper Forest biomass has higher cellulose and lignin content and lower hemicellulose and ash content than agricultural biomass. Because of the difficulties and low ethanol yield in fermenting pretreatment hydrolysate, especially those with very high 5 carbon hemicellulose sugars such as xylose, forest biomass has significant advantages over agricultural biomass. Forest biomass also has high density which significantly reduces transportation cost. It can be harvested year around which eliminates long term storage. The close to zero ash content of forest biomass significantly reduces dead load in transportation and processing. To meet the needs for biodiversity, forest biomass will be an important biomass feedstock supply mix in the future biobased economy. However, forest biomass is much more recalcitrant than agricultural biomass. Recently, the USDA Forest Products Laboratory together with the University of Wisconsin–Madison developed efficient technologies that can overcome the strong recalcitrance of forest (woody) biomass including those of softwood species that have low xylan content. Short rotation intensive culture or tree farming can offer an almost unlimited opportunity for forest biomass production. Woodchips from slashes and tree tops and saw dust from saw mills, and waste paper pulp are forest biomass feedstocks for cellulosic ethanol production. Switchgrass (Panicum virgatum) is a native tallgrass prairie grass. Known for its hardiness and rapid growth, this perennial grows during the warm months to heights of 2–6 feet. Switchgrass can be grown in most parts of the United States, including swamplands, plains, streams, and along the shores & interstate highways. It is self seeding (no tractor for sowing, only for mowing), resistant to many diseases and pests, & can produce high yields with low applications of fertilizer and other chemicals. It is also tolerant to poor soils, flooding, & drought; improves soil quality and prevents erosion due its type of root system. Switchgrass is an approved cover crop for land protected under the federal Conservation Reserve Program (CRP). CRP is a government program that pays producers a fee for not growing crops on land on which crops recently grew. This program reduces soil erosion, enhances water quality, and increases wildlife habitat. CRP land serves as a habitat for upland game, such as pheasants and ducks, and a number of insects. Switchgrass for biofuel production has been considered for use on Conservation Reserve Program (CRP) land, which could increase ecological sustainability and lower the cost of the CRP program. However, CRP rules would have to be modified to allow this economic use of the CRP land. It has been suggested that Kudzu may become a valuable source of biomass.

Коммерциализация целлюлозного этанола

В начале 2000-х годов, благодаря субсидиям и грантам, произошел бум исследований целлюлозного этанола и строительства пилотных заводов. Компании, такие как Iogen, POET и Abengoa, построили заводы, способные перерабатывать биомассу в этанол, а DuPont, Diversa, Novozymes и Dyadic инвестировали в исследования ферментов. Однако большинство этих заводов были отменены или закрыты в начале 2010-х годов, поскольку технические трудности оказались непреодолимыми. По состоянию на 2018 год в эксплуатации оставался только один завод по производству целлюлозного этанола. Компания Iogen, начавшая свою деятельность как производитель ферментов в 1991 году и переориентировавшаяся на целлюлозный этанол в 2013 году, владеет многочисленными патентами на производство целлюлозного этанола и предоставила технологию для завода Raízen. Среди других компаний, разрабатывающих технологию целлюлозного этанола в 2021 году, – Inbicon (Дания). Компании, эксплуатирующие или планирующие строительство пилотных производственных установок, включают New Energy Blue (США), Sekab (Швеция) и Clariant (Румыния). Abengoa, испанская компания, владевшая активами в области целлюлозного этанола, объявила о своей неплатежеспособности в 2021 году. Австралийское агентство возобновляемой энергии совместно с правительствами штатов и местных органов власти частично профинансировало строительство пилотного завода в Новом Южном Уэльсе в 2017 и 2020 годах в рамках усилий по диверсификации региональной экономики и снижению зависимости от угольной промышленности.

Поддержка правительства США

С 2006 года федеральное правительство США начало стимулировать разработку этанола из целлюлозного сырья. В мае 2008 года Конгресс принял новый закон о сельском хозяйстве, который предусматривал финансирование коммерциализации биотоплива второго поколения, включая целлюлозный этанол. Закон о продовольствии, охране окружающей среды и энергетике 2008 года предусматривал предоставление грантов, покрывающих до 30% стоимости разработки и строительства демонстрационных биоперерабатывающих заводов для производства "продвинутого биотоплива", которое фактически включало все виды топлива, не производимые из крахмала кукурузных зерен. Также были предусмотрены кредитные гарантии на сумму до 250 миллионов долларов США для строительства биоперерабатывающих заводов коммерческого масштаба. В январе 2011 года Министерство сельского хозяйства США одобрило кредитные гарантии на сумму 405 миллионов долларов США в рамках Закона о сельском хозяйстве 2008 года для поддержки коммерциализации целлюлозного этанола на трех предприятиях, принадлежащих компаниям Coskata, Enerkem и INEOS New Planet BioEnergy. Мощность этих проектов составляет суммарно в год, и они начнут производство целлюлозного этанола в 2012 году. Министерство сельского хозяйства США также опубликовало список производителей продвинутого биотоплива, которые получат выплаты для увеличения производства продвинутого биотоплива. В июле 2011 года Министерство энергетики США предоставило компании POET кредитные гарантии в размере 105 миллионов долларов США на строительство завода коммерческого масштаба в Эмметсбурге, штат Айова.