Nyt opløsningsmiddel bidrager til næste generations biobrændstofproduktion fra biomasse

Sammenlignet med førstegenerations biobrændstoffer fremstillet af fødevareafgrøder, produktion af andengenerations biobrændstoffer til daglig brug er et presserende spørgsmål. I dette studie, forskere udviklede en ny flydende zwitterion af carboxylattypen som opløsningsmiddel af biomasse, som kunne opløse cellulose med meget lav toksicitet for mikroorganismer. Brug af dette nye opløsningsmiddel muliggør en betydelig reduktion af energiomkostningerne til ethanolproduktion fra non-food biomasse. Dermed, anden generations produktion af biobrændstofethanol er i sigte i praksis.

Ethanol fremstilles af fødevareafgrøder som majs, og udgør dermed en trussel mod fødevareforsyningen. Det er derfor nødvendigt at producere ethanol fra non-food biomasse som ukrudt, papiraffald, osv. Opløsningsmidler, der er nødvendige til fremstilling af andengenerations biobrændstofethanol, er meget giftige for mikroorganismer. Komplicerede processer er nødvendige for at fjerne sådanne meget giftige opløsningsmidler, såsom vask med vand, adskillelse ved centrifugering og kompression. Som resultat, energien genvundet i denne ethanol er mindre end den, der kræves for at producere den, dvs. der er en negativ energibalance og en større belastning af miljøet. Det blev anset for umuligt at løse dette problem, da et hårdt opløsningsmiddel var nødvendigt for at nedbryde genstridige plantematerialer som cellulose, mens et så hårdt opløsningsmiddel ville dræbe mikroorganismer, der spiller væsentlige roller i den gæring, der er nødvendig for at producere ethanol.

I nærværende undersøgelse, forskere fra Kanazawa University, Japan, lykkedes med at reducere toksiciteten for mikroorganismer ved at udvikle et nyt opløsningsmiddel, en flydende zwitterion af carboxylattypen til opløsning af biomassecellulose (figur 1). EC50, koncentrationen af ​​et stof, der reducerer væksten af ​​Escherichia coli til 50 procent, viste sig at være 158 g/L for den nyudviklede carboxylat-type flydende zwitterion, der henviser til, at EC50 for ionisk væske, et af de konventionelle opløsningsmidler af cellulose, var 9 g/l. Dette indikerer, at den nye carboxylat-type flydende zwitterion viser 17 gange lavere toksicitet end den ioniske væske.

Med Escherichia coli, der kan producere ethanol, fermenteringsevnen var næsten maksimal i 0,5 mol/L carboxylat-type flydende zwitterion med en endelig ethanolkoncentration på 21 g/L. På den anden side, det samme forsøg med den ioniske væske gav kun 1 g/L ethanol. Dermed, fermentering i nærværelse af den flydende zwitterion af carboxylattypen producerede 21 gange mere ethanol end ved anvendelse af den ioniske væske.

I et andet eksperiment, bagasse blev brugt som startplantebiomasse til ethanolproduktion uden vaske-/separationsprocesser. Fermentering i nærværelse af den flydende zwitterion af carboxylattypen gav 1,4 g/l ethanol, mens der ikke blev opnået ethanol med den ioniske væske på grund af dens høje toksicitet (figur 2).

Med disse eksperimentelle resultater, det er vist, at ved at bruge den flydende zwitterion af carboxylattypen, plantebiomasse kunne omdannes til ethanol i en enkelt reaktionsbeholder uden vaske-/separationsprocesser. Dette repræsenterer et stort skridt fremad i produktionen og brugen af ​​andengenerations biobrændstofethanol ved at reducere store mængder energiinput.

Udover førstegenerations og andengenerations biobrændstofethanol, et tredje generations biobrændstof, en slags olie, kan være lavet af nogle algearter. For at få sådan et tredje generations biobrændstof fra alger, polysaccharider som cellulose, som er hovedkomponenterne i cellevæggene, skal opløses. Energieffektiviteten ville være meget øget, hvis opløste polysaccharider kunne omdannes til ethanol. Yderligere udvikling af vores nuværende undersøgelse ville bidrage væsentligt til produktionen af ​​ikke kun andengenerations, men også tredjegenerations biobrændstofethanol.