Биотопливо: как растения подпитывают будущее
Чтобы поддерживать нашу страну в рабочем состоянии, требуется много топлива. Американцы потребляют в среднем 390 миллионов галлонов автомобильного бензина и 197 миллионов галлонов авиационного бензина в день для заправки самолетов, поездов и автомобилей. Большая часть топлива, которое мы потребляем в настоящее время, представляет собой ископаемое топливо, образованное из окаменелых, погребенных останков растений и животных, живших миллионы лет назад. Одно из таких ископаемых видов топлива, нефть, перерабатывается в другие виды топлива, такие как дизельное топливо и бензин.
Из-за своего происхождения ископаемое топливо имеет высокое содержание углерода, а это означает, что при его сжигании выделяется много энергии.Однако сжигание ископаемого топлива может оказать негативное воздействие на нашу окружающую среду из-за загрязнения воздуха и воды и выделения углекислого газа, известного парникового газа, который, как считается, способствует глобальному потеплению. Еще одно ограничение ископаемого топлива заключается в том, что это исчерпаемый ресурс, который в конечном итоге исчерпается. Наши растущие потребности в топливе в сочетании с рисками и ограничениями, связанными с ископаемым топливом, привели к движению за возобновляемые источники энергии, направленному на сокращение производства и использования ископаемого топлива в пользу более чистых и устойчивых источников топлива.
Что такое биотопливо?
Биотопливо является многообещающей заменой ископаемому топливу, которое производится из возобновляемых органических (углеродосодержащих) материалов, таких как растительные вещества и отходы животноводства. Эти материалы, называемые биомассой, включают сельскохозяйственные культуры и сельскохозяйственные отходы, водоросли, специальные энергетические культуры и отходы лесного хозяйства. Обычные сельскохозяйственные культуры, которые используются в качестве биомассы, включают сахарные культуры, такие как сахарный тростник, крахмальные культуры, такие как кукуруза и сорго, масличные культуры, такие как соя и рапс, и целлюлозные растения, такие как стебли кукурузы, травы и отходы древесной щепы.
Сегодня большая часть биотоплива производится из сельскохозяйственных культур и называется обычным биотопливом или биотопливом первого поколения. Разрабатываются новые технологии и процессы, позволяющие производить топливо из отходов, несъедобных культур или продуктов лесного хозяйства, и эти виды топлива известны как усовершенствованные биотоплива или биотопливо второго поколения. Поскольку в передовых биотопливах используются отходы, остатки растений и непродовольственные культуры, они не отнимают урожай и землю у пищевой промышленности. Это может помочь повысить устойчивость, сделав передовое биотопливо многообещающей формой топлива для будущего.
Как растения превращаются в топливо?
Стенки растительных клеток состоят из трех молекул: целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Целлюлоза и гемицеллюлоза наполнены строительными блоками сахара, которые можно использовать в качестве источника энергии.Однако лигнин представляет собой волокнистую молекулу, которая связывает все молекулы вместе в компактную структуру, обеспечивая растению структурную поддержку, необходимую для выживания. Чтобы получить доступ к сахарам для производства биотоплива, необходимо расщепить волокнистый лигнин.
Процесс превращения растений в топливо начинается с этапа деконструкции, на котором клеточная стенка растения разрушается. Этого можно добиться с помощью высокой температуры и давления или с помощью биологических катализаторов, называемых ферментами. На этапе деконструкции растительный материал разбивается на химические промежуточные продукты, такие как неочищенные биомасла, сахара, газообразные промежуточные продукты и другие химические строительные блоки. Промежуточные продукты нельзя использовать непосредственно для производства биотоплива, поэтому их необходимо перерабатывать в готовые продукты с использованием биологической или химической обработки. Готовыми продуктами модернизации могут быть топливо или биопродукты, готовые к продаже на коммерческом рынке, или стабилизированные промежуточные продукты, которые можно отправлять на нефтеперерабатывающий или химический завод.
Для чего используется биотопливо?
Использование биотоплива выросло за последнее десятилетие, в основном благодаря внедрению новой энергетической политики в нескольких странах, включая Соединенные Штаты, которая призывает к более возобновляемому топливу с низким содержанием углерода для транспорта. Поскольку биотопливо выделяет меньше углекислого газа, чем обычное топливо, его можно смешивать с существующими видами топлива, что является эффективным способом сокращения выбросов углекислого газа на транспорте. Двумя наиболее распространенными типами биотоплива, используемыми сегодня, являются этанол и биодизель.
Этанол производится путем ферментации сахара или крахмала в процессе, подобном ферментации пива. Он смешивается с бензином либо в небольших количествах в обычных транспортных средствах, либо в более высоких концентрациях в автомобилях, адаптированных для работы как с бензином, так и с этанолом, известных как автомобили с гибким топливом. Почти весь бензин, продаваемый сегодня в Соединенных Штатах, содержит около десяти процентов этанола по объему.
Биодизель для использования в дизельных двигателях производится с использованием масла из сырых растительных масел, отработанных растительных масел, желтой смазки и животных жиров. Чаще всего его смешивают с дизельным топливом на нефтяной основе при низких соотношениях. Однако биодизель также можно использовать в качестве мазута.
Какой вклад ученые вносят в область биотоплива?
Хотя интерес к биотопливу растет, сегодня в мире на его долю приходится лишь около трех процентов топлива для автомобильного транспорта. Есть несколько причин, по которым использование биотоплива не соответствует повышенному интересу к биотопливу. Например, процесс выращивания сельскохозяйственных культур, производства удобрений и пестицидов, сбора урожая и переработки растений в топливо потребляет много энергии, что, по мнению некоторых, нивелирует преимущества биотоплива. Некоторые также утверждают, что отвлечение таких культур, как кукуруза, от поставок продовольствия на использование энергии наносит ущерб экономике.
Чтобы решить эти проблемы, ученые, такие как исследователь факультета HudsonAlpha Канкшита Сваминатан, доктор философии, изучают другие материалы, которые потенциально могут служить культурами для производства биотоплива без сопутствующих проблем с поставками продуктов питания и воздействием на окружающую среду. Инженерные биотопливные культуры, которые могут расти на земле, непригодной для производства продуктов питания и требующей меньше энергии и пестицидов/удобрений для выращивания, гарантируют, что отдача от биотоплива перевешивает ресурсы, необходимые для его производства.
Лаборатория Сваминатана стремится улучшить целлюлозные биоэнергетические культуры, такие как многолетние травы. Мискантус и просо. Сочетая базовую биологию с геномикой и генетикой, группа работает над пониманием биологии этих культур в надежде определить гены, которые помогут увеличить их урожайность и улучшить их способность адаптироваться к экстремальным условиям, таким как бедные почвы и засуха. Чтобы услышать, как доктор Сваминатан больше рассказывает о своих исследованиях, посмотрите этот выпуск программы «Геномика и Java».
