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Neuer Weg zu Kohlenwasserstoff-Biokraftstoffen
Forscher der University of Wisconsin-Madison haben einen einfachen, zweistufigen chemischen Prozess entwickelt, um Pflanzenzucker in Kohlenwasserstoff-Brennstoffe umzuwandeln. Die dabei entstehenden Verbindungen könnten auch zur Herstellung anderer Industriechemikalien und Kunststoffe verwendet werden.
Grünes Benzin: Forscher der University of Wisconsin-Madison verwenden Katalysatoren, um Pflanzenzuckerlösungen schnell in eine Mischung organischer Verbindungen umzuwandeln, die wie Öl schwimmen. Das Leiten der organischen Verbindungen über verschiedene Katalysatoren wandelt sie in Kohlenwasserstoffe um, die in Benzin, Diesel und Kerosin enthalten sind.
Mehrere Unternehmen stellen mithilfe von Mikroben Kohlenwasserstoff-Biokraftstoffe her, die billiger zu produzieren sind als Ethanol und eine höhere Energiedichte aufweisen. Startups wie LS9 und Amyris versuchen, die Stoffwechselsysteme von Mikroben genetisch so zu verändern, dass sie Zucker zu nützlichen Kohlenwasserstoffen fermentieren.
Die Forscher aus Wisconsin, geleitet von einem Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen James Dumesic , chemische Reaktionen anstelle von mikrobieller Fermentation einsetzen. Sie verwenden Katalysatoren bei hohen Temperaturen, um Glukose in Kohlenwasserstoff-Biokraftstoffe umzuwandeln. Der Prozess arbeitet aufgrund der höheren Temperaturen tausendmal schneller als Mikroben, sodass kleinere und billigere Reaktoren erforderlich sind, sagt Dumesic. Die verwendeten Katalysatoren und Reformersysteme ähneln denen in Ölraffinerien, was den Prozess zusätzlich vereinfachen würde.
Der katalytische Prozess, online vorgestellt in Wissenschaft , erfordert zwei Hauptschritte, die integriert und sequentiell ausgeführt werden können, wobei der Ausgang von einem Reaktor zum anderen geht. Sowohl der Katalysatormechanismus als auch das kontinuierliche Prozessdesign machen den neuen Ansatz vielversprechend, sagt John Regalbuto, Direktor des Katalyse- und Biokatalyseprogramms bei der National Science Foundation, die Dumesics Arbeit finanziert. Außerdem können die Katalysatoren recycelt werden, während die Mikroben sterben und wieder aufgefüllt werden müssen, sagt er. Im Vergleich zur Verwendung von Enzymen oder Mikroben habe ich das Gefühl, dass Katalysatoren in dieser Phase des Spiels mehr Potenzial haben.
Im ersten Reaktor wird eine Zucker-Wasser-Lösung bei ca. 500 K über einen Platin-Rhenium-Katalysator geleitet. Dabei werden dem Zucker fünf von sechs Sauerstoffatomen entzogen, wodurch ein Gemisch verschiedener Kohlenwasserstoffverbindungen wie Alkohole und organische Säuren entsteht. Die Verbindungen bilden eine ölartige Schicht, die auf der Lösung schwimmt.
Das Öl wird in den zweiten Reaktor überführt, wo es über verschiedene feste Katalysatoren geleitet wird, was zu einer Reihe von Kohlenwasserstoffmolekülen führt, aus denen Benzin, Diesel und Flugbenzin bestehen. Ein Katalysator auf Kupfer- und Magnesiumbasis produziert beispielsweise die Kohlenwasserstoffe, die in Diesel und Kerosin enthalten sind. Benzin enthält Kohlenwasserstoffe, in denen Kohlenstoffatome in verzweigten und ringförmigen Strukturen verbunden sind, während Kohlenstoffatome in Diesel und Kerosin lange, lineare Ketten bilden. Die Alkohole und organischen Säuren im Öl aus dem ersten Schritt könnten auch zur Herstellung von Kunststoffen und Industriechemikalien verwendet werden, sagt Dumesic.
Das endgültige Ziel der Forscher ist es, Zucker zu verwenden, der aus zellulosehaltiger Biomasse wie landwirtschaftlichen Abfällen und Rutenhirse gewonnen wird, anstatt Nahrungsquellen wie Mais und Zuckerrohr zu verwenden. Dies wäre der Schlüssel zur Herstellung umweltfreundlicher Kohlenwasserstoff-Brennstoffe aus Anlagen, die mit Erdölbrennstoffen wirtschaftlich konkurrenzfähig sind. Allerdings sind Enzyme zur Extraktion von Glukose und anderen Zuckern aus Zellulose derzeit zu teuer, um das Verfahren zur Herstellung von Zellulose-Biokraftstoffen wettbewerbsfähig zu machen.
Unabhängig davon, ob Biobenzin mit seinem Erdöl-Pendant konkurriert oder nicht, könnte es immer noch sinnvoller sein, als Ethanol herzustellen, sagt Regalbuto. Einer der teuersten Teile der Ethanolherstellung ist der energieintensive Destillationsschritt, bei dem Ethanol vom Wasser getrennt werden muss. Kohlenwasserstoffe wie Benzin und Diesel schwimmen hingegen nach oben, sodass sie einfacher und kostengünstiger zu trennen sind. Außerdem, sagt er, erhalten Sie einen Kraftstoff mit einer um 30 Prozent höheren Energiedichte [als Ethanol]. Es ist also billiger in der Herstellung und Sie erhalten 30 Prozent mehr Benzinverbrauch.