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Ethanol aus Holzspänen herstellen
Experimentelle Methoden zur Umwandlung von Holzhackschnitzeln und Gras in Ethanol werden demnächst im Produktionsmaßstab getestet. Mascoma Corporation , mit Sitz in Cambridge, MA, baut Demonstrationsanlagen, die eine Kapazität von etwa einer halben bis zwei Millionen Gallonen Ethanol pro Jahr aus Abfallbiomasse haben werden. Das Startup hat kürzlich 30 Millionen US-Dollar an Risikokapital erhalten, was seine Scale-up-Pläne befeuert.
Die Forschung von Lee Lynd, Professor für Ingenieurwissenschaften am Dartmouth College und Mitbegründer der Mascoma Corporation, trägt dazu bei, die Kosten für die Herstellung von Ethanol aus Zellulosequellen wie Maisstängeln und Holzspänen zu senken.
Mascoma hat zwar sein endgültiges Ziel nicht erreicht, einen einzigen gentechnisch veränderten Organismus zu verwenden, um Holzspäne und andere zellulosehaltige Rohstoffe in Ethanol umzuwandeln, aber das Unternehmen hat genetisch veränderte Bakterien entwickelt, die einen Teil des Prozesses der Ethanolherstellung beschleunigen können. Der optimierte Prozess ist vielversprechend, um in die Skalierung der Technologie zu investieren, sagt Colin South, Präsident von Mascoma.
Maiskorn, die derzeitige Ethanolquelle in den Vereinigten Staaten, erfordert große Mengen an Land und Energie, um sie zu produzieren. Dies, zusammen mit der Nachfrage nach Mais als Nahrung, begrenzt die Gesamtmenge an Ethanol, die aus Mais hergestellt werden kann, auf etwa 15 Milliarden Gallonen pro Jahr – etwa das Dreifache der derzeit produzierten Menge. Wenn der Kraftstoff einen beträchtlichen Teil der jährlich in den Vereinigten Staaten verbrauchten 140 Milliarden Gallonen Benzin ersetzen soll, müssen die Ethanolhersteller auf Biomasse wie Holzhackschnitzel und Rutenhirse zurückgreifen. Diese Ressourcen sind billiger und potenziell viel häufiger vorhanden, und sie können viel effizienter in Ethanol umgewandelt werden als Mais, da sie weniger Energie für das Wachstum benötigen (siehe Redesigning Life to Make Ethanol ).
Tatsächlich könnte Ethanol aus solchen Quellen einen sehr großen Teil des derzeit für Fahrzeuge verwendeten Benzins ersetzen, sagt Gregory Stephanopoulos, Professor für Chemieingenieurwesen am MIT. Er sagt, einige Experten schätzen, dass mit Effizienzgewinnen und hohen Ethanolausbeuten das gesamte Benzin für den Transport ersetzt werden könnte; die konservativsten Schätzungen sagen, dass etwa 20 Prozent ersetzt werden könnten. In der Hoffnung, dieses Potenzial zu nutzen, haben eine Handvoll Unternehmen – darunter Celunol , in Dedham, MA; Iogen , in Ottawa, Kanada, das über eine bestehende Anlage im Demonstrationsmaßstab verfügt und den Ausbau zur kommerziellen Produktion plant; und das Nationales Labor für erneuerbare Energien (NREL), in Golden, CO – arbeiten an der Entwicklung einer besseren Technologie zur Herstellung von Zellulose-Ethanol.
Trotz seines Potenzials ist Zellulose-Ethanol heute teuer in der Herstellung. Es erfordert eine kostspieligere Ausrüstung und mehr Verarbeitungsschritte als die Herstellung von Ethanol aus Maiskörnern. Während sowohl Mais- als auch Zellulose-Ethanol durch die Vergärung von Zucker hergestellt werden, ist die Umwandlung der Stärke im Maiskorn in Zucker viel einfacher als die Umwandlung der komplexen Zellulose in Maisstängeln oder Biomasse wie Holzschnitzeln. Um den Prozess zu vereinfachen und die Kosten zu senken, hoffen viele Forscher letztendlich, einen einzigen Organismus zu entwickeln, der sowohl die Zellulose abbauen als auch den resultierenden Zucker in Ethanol umwandeln kann. Aber die Forschung verbessert bereits Teile des Prozesses. Forscher haben zum Beispiel einen Cocktail aus Enzymen zur Umwandlung von Zellulose in Zucker kreiert, der hundertmal billiger ist als bisherige Methoden, sagt George Douglas, Sprecher des NREL.
Mascoma konzentriert sich auf die Verbesserung der ersten Schritte des Prozesses – die Vorbehandlung von Rohstoffen und die Umwandlung von Cellulose in Zucker – die laut South der Schlüssel zur Kostensenkung sind. Beim herkömmlichen Vorbehandlungsschritt werden Materialien wie Holzspäne in einer verdünnten Schwefelsäurelösung getränkt und dann erhitzt. Dadurch werden komplexe Ligninstrukturen aufgebrochen, die einen Schutzschild um die Zellulose bilden, sagt Charles Wyman, Mitbegründer von Mascoma und Professor für Chemie- und Umwelttechnik an der University of California in Riverside. Wymans Forschung hat die Mechanismen dieses Prozesses analysiert und hilft dem Unternehmen, diesen Schritt zu optimieren. Mascoma hat auch eine Technologie entwickelt, um den nächsten Schritt zu verbessern: den Abbau der nun zugänglichen Cellulose in Zucker mithilfe von Enzymen, die von Organismen produziert werden. Im letzten Teil des Prozesses werden diese Zucker zu Ethanol fermentiert.
Wyman schätzt, dass die Technologie des Unternehmens Ethanol zu ungefähr den gleichen Kosten wie die Herstellung von Ethanol aus Mais und schließlich zu weniger Geld herstellen könnte. Dies wäre eine deutliche Verbesserung gegenüber anderen Technologien. Eine Kostenanalyse in einer NREL-Pilotanlage zum Beispiel legt nahe, dass die Herstellung von Zellulose-Ethanol mehr als zwei Dollar pro Gallone kosten würde – etwa das Doppelte der Kosten für die Herstellung von Mais-Ethanol. Aber selbst NREL-Forscher sind zuversichtlich, dass sich diese Kosten halbieren und die Kosten für Mais-Ethanol innerhalb von sechs Jahren decken werden, sagt Douglas.
Es ist jedoch noch viele Jahre entfernt, genug Ethanol zu produzieren, um einen erheblichen Teil des Benzinverbrauchs zu ersetzen. Dazu müssen sowohl die Technologie als auch die industriellen Prozesse weiter verbessert werden, einschließlich der Herausforderungen, die mit dem Umgang mit großen Mengen sperriger Biomasse verbunden sind. Wir sind definitiv noch nicht da, sagt Stephanopoulos vom MIT. Prozesse sind heute eindeutig unwirtschaftlich.
Douglas sagt jedoch, dass die Forscher optimistisch sind, dass die fortgesetzte Finanzierung und die Anwendung neuer Werkzeuge weit verbreitetes Zellulose-Ethanol ermöglichen werden: Die Wege sind ziemlich klar.