Университетские исследования ведут к прорыву в области биотоплива
22 апреля 2014 г., 17:51 2
В дискуссиях о нашей способности как людей строить для себя устойчивое будущее большое беспокойство вызывает наша зависимость от получения энергии из ископаемого топлива. Мало того, что эти виды топлива вызывают значительное загрязнение окружающей среды при сжигании в транспортных средствах, углеродсодержащие источники этих видов топлива исчерпаны и быстро истощаются. Хотя новые технологии, такие как гидроразрыв пласта, позволили нам найти новые источники нефтяного топлива, эти методы имеют свои негативные последствия для окружающей среды.
В нашем дальнейшем освещении зеленые и устойчивые технологии за День Земли – 2014, мы здесь, в IPWatchdog, хотели поближе познакомиться с инновациями, которые могли бы помочь нам решить многие проблемы, связанные с использованием ископаемого топлива в будущем. Производство биотоплива в последние годы увеличилось, но по многим причинам производство не соответствует целям государственной политики. Однако, как мы расскажем ниже, захватывающие новые инновации, запатентованные и лицензированные американскими университетами, могут дать некоторые эффективные ответы на вопросы, которые беспокоили разработчиков биотоплива в течение многих лет.
Что такое биотопливо?
«Биотопливо» — это общий термин, который относится к альтернативным видам жидкого топлива, созданным для использования в транспортных средствах. Основное различие между биотопливом и ископаемым топливом заключается в том, что биотопливо создается из материала биомассы, такого как стебли кукурузы и пшеничная солома, а не из материала на основе углерода, который не является возобновляемым ресурсом.
Этанол — это одно из видов биотоплива, которое чаще всего встречается в отношении биотоплива для небольших автомобилей. Этанол — это спирт, получаемый из биомассы в процессе, называемом газификацией., в котором высокие температуры и среда с низким содержанием кислорода используются для создания газа, содержащего водород и монооксид углерода. Затем это газообразное вещество можно химически преобразовать в жидкое топливо.
Биодизель — это биотопливо, разработанное для дизельного топлива, например, для промышленных транспортных средств, которое создается из смеси метанола и отработанных масел или смазок. Побочные отходы, которые можно повторно использовать в этом процессе, включают переработанный кулинарный жир, животный жир или растительное масло. Богатые нефтью штаммы микроводорослей также способны создавать биомассу для биодизеля и даже топлива для реактивных двигателей более эффективно, чем современные методы выращивания наземных растений, собираемых для получения биомассы.
Проблемы с увеличением использования биотоплива
Существует множество камней преткновения, которые в настоящее время делают проблематичным широкомасштабное внедрение биотопливных технологий.На данный момент разработчики биотоплива не смогли преобразовать биомассу в жидкое транспортное топливо таким образом, чтобы конкурировать в финансовом отношении со стоимостью бурения для добычи нефти. Ситуация усугубилась в последние годы из-за увеличения объемов бурения сланцевых скважин, открывающих дополнительные возможности для добычи отечественной нефти, снижения стоимости топлива, а также срочной необходимости разработки альтернативных источников топлива.
Закон об энергетической независимости и безопасности 2007 года поставил цель ежегодно производить 21 миллиард галлонов биотоплива к 2022 году., но этот стандарт становится все более недостижимым по мере приближения к этому сроку. Слишком много этанола в бензине может повредить двигатели старых автомобилей, а большинство видов топлива содержат не более 10 процентов этанола. Избыточная биомасса, которую нельзя переработать в биотопливо, обычно должна быть утилизирована или сожжена, что создает еще большее загрязнение.
Еще одна проблема, связанная с биотопливом, — это конфликт, вызванный использованием источников пищи в качестве топлива. В идеале биотопливо не должно быть получено из основных продуктов питания, но альтернативное биотопливо первого поколения почти исключительно изготавливается из пшеницы и кукурузы. Даже с учетом небольшого процента этанола, из которого состоит американское топливо, около 40 процентов нашего внутреннего производства кукурузы в настоящее время потребляется для производства этанола. В Халле, Англия, единственный производитель этанола должен стать крупнейшим покупателем пшеницы в стране, потребляя около 1,1 миллиона тонн в год.
Многие сторонники биотоплива выступают за разработку альтернативного биотоплива второго поколения, чтобы уменьшить зависимость от пшеницы, кукурузы и другой растительности, которую потребляют люди и животные. Однако существует множество проблем, связанных с лигнином и другими сложными полимерами, содержащимися в этих материалах. Лигнин состоит из цепочки монолигнолов или ароматических спиртов, которые придают древесине ее жесткую структуру. Лигнин делает древесину хорошим топливом из-за количества энергии, вырабатываемой при ее сжигании.Однако в целях создания сжиженного биотоплива исследователи не смогли расщепить лигнин на простые растительные сахара для создания термохимического или биохимического топлива.
Почтовые технологии лигнина
В течение десятилетий исследователи в различных отраслях промышленности пытались найти способы обойти эту проблему с помощью лигнина. Не только создатели биотоплива, но и компании по производству бумажной массы и кормов для животных выиграют от способности легче расщеплять это волокнистое древесное вещество. Было проведено множество исследовательских экспериментов, чтобы выяснить, можно ли каким-то образом модифицировать лигнин, чтобы ослабить его химические связи, сохранив при этом свои структурные свойства, помогая древесине расти правильно.
Недавние открытия, сделанные группой академических исследователей из таких учреждений, как Университет Висконсин-Мэдисон и Мичиганский государственный университет, привели к крупному прорыву в этой области. Ученый и адъюнкт-профессор Мичиганского государственного университета Кертис Уилкерсон, работающий в Исследовательском центре биоэнергетики Великих озер (GLBRC) в Мэдисоне, штат Висконсин, должен был найти ген, способный производить более слабые связи между мономерами в лигнине. Его работа была основана на предыдущих усилиях в середине 1990-х годов профессора Университета Висконсин-Мэдисон Джона Ральфа, в то время руководителя отдела растений в GLBRC, по удалению лигнина из деревьев для более эффективной обработки бумаги. Шон Мэнсфилд из Университета Британской Колумбии отвечал за эксперименты по внедрению обнаруженных Уилкерсоном генов в тополя, быстрорастущие деревья, произрастающие по всей Северной Америке.
Тополь в Тополином лесу Томаса Джефферсона.
4 апреля 2014 г. Уилкерсон описал прорыв в Наука, объясняя, что тополя могут быть специально предназначены для деконструкции. «Тополя плотные, их легко хранить, и они растут на малоплодородных землях, не подходящих для продовольственных культур, что делает их неконкурентным и устойчивым источником биотоплива», — сказал Вилкерсон.
По словам Дженнифер Готвальд, менеджера по лицензированию Исследовательский фонд выпускников Висконсина (WARF), базовая технология, примененная здесь к тополям, может быть использована во многих других растениях, даже в травах. «Тополя — отличный первый пример древесного дерева, выращиваемого как сельскохозяйственная культура, но сосну часто называют возможным источником биомассы на юге», — сказала она в недавнем телефонном интервью IPWatchdog. Статус GLRBC как научно-исследовательского учреждения, финансируемого Министерством энергетики США, еще раз подтверждает идею о том, что эта технология будет разрабатываться с прицелом на улучшение внутренней инфраструктуры и достижение политических целей.
WARF занимается маркетингом и лицензированием некоторых патентов, касающихся этой захватывающей инновации. Выпущено в конце октября 2013 г., Патент США № 8569465., озаглавленный Способ модификации структуры лигнина с использованием конъюгатов монолигнолферулата, защищает метод модификации лигнина таким образом, чтобы мономеры можно было легче расщепить или «расстегнуть», когда лигнин обрабатывается щелочным соединением. Это новое соединение лигнина позволит перерабатывать лигнин для производства бумаги или биотоплива при меньшем потреблении воды и энергии.
Из патента США № 8569465, озаглавленного «Способ модификации структуры лигнина с использованием конъюгатов монолигнолферулата».
Патент США № 8685672., под названием Включение флаван-3-олов и производных галловой кислоты в лигнин для улучшения использования биомассы, защищает технологию, улучшающую ферментацию мономеров лигнина в виде биомассы. Наряду с биотопливом и переработкой бумаги, эта технология также позволяет снизить затраты энергии на корма для скота за счет модификации лигнина, чтобы животным было легче его переваривать.
Инновационные исследования и разработки в американских колледжах и университетах были предметом многочисленных дебатов в области патентного права.Даже при поддержке офисов передачи технологий некоторые поднимают вопрос о том, может ли патентование этих изобретений помочь академическим учреждениям привлечь достаточно инвестиций, чтобы рационализировать расходы денег, связанных с управлением офисом передачи технологий. Однако, как показывает наш IPWatchdog охват технологий, разработанных университетами и колледжами по всей нашей стране показывает, университеты, как Калифорнийский университет, Стэнфорд и Массачусетский Институт Технологий находятся в авангарде различных научных областей, включая медицину, электронные устройства и компьютерные технологии. Упомянутые выше биотопливные технологии являются революционными, но без работы офиса по передаче технологий для обнародования этих технологий те, кто нуждается в этих системах, могут никогда не узнать об их существовании. Офисы передачи технологий играют решающую роль в передаче технологий из университетов в частный сектор, где они могут принести пользу обществу.
WARF проявляет повышенный интерес к этой технологии со стороны компаний, занимающихся производством кормов для животных, что изначально не предполагалось для этой технологии. Однако отличительной чертой любого хорошего изобретения является то, что оно может повысить эффективность во многих отраслях. Несколько патентов, связанных с этим инновационным «молниеносным лигнином», лицензируются MSU Technologies, с которой WARF работает над поиском коммерческих и промышленных партнеров для этих изобретений. «Компании, которые ищут подобные технологии, осознают их важность, — сказал Готвальд. Она добавила, что некоторые из следующих шагов для этой технологии включают применение мономеров лигнина на других растениях и помощь в проведении испытаний, проводимых компаниями, заинтересованными в лицензировании технологии, чтобы убедиться, что изобретение работает в их руках.
Если вы заинтересованы в лицензировании вышеупомянутой технологии производства биотоплива, свяжитесь с Дженнифер Готтвальд по адресу: [электронная почта защищена] .
