O etanol celulósico é o etanol (álcool etílico) produzido a partir da celulose (a fibra fibrosa de uma planta) e não das sementes ou frutos da planta. É um biocombustível produzido a partir de gramíneas, madeira, algas ou outras plantas. As partes fibrosas das plantas são na maioria das vezes não comestíveis para os animais, incluindo os humanos, exceto para ruminantes (animais que pastam, mascam, como vacas ou ovelhas).
Existe um interesse considerável pelo etanol celulósico devido ao seu importante potencial econômico. O crescimento da celulose pelas plantas é um mecanismo que captura e armazena a energia solar quimicamente de maneiras não tóxicas, com suprimentos resultantes que são fáceis de transportar e armazenar. Além disso, o transporte pode ser desnecessário de qualquer maneira, porque as gramíneas ou árvores podem crescer em quase qualquer lugar temperado. É por isso que o etanol celulósico comercialmente prático é amplamente visto como um próximo nível de desenvolvimento para a indústria de biocombustíveis que poderia reduzir a demanda por petróleo e gás e até mesmo a energia nuclear de maneiras que o etanol combustível baseado em grãos não pode. Existe um potencial para os muitos benefícios dos combustíveis líquidos carbonáceos e petroquímicos (dos quais depende hoje o padrão de vida), mas de um ciclo de carbono equilibrado e renovável (reciclando carbono da superfície e atmosfera em vez de bombear carbono subterrâneo para dentro e assim aumentando o carbono). ). Álcool celulósico comercialmente prático também poderia evitar um dos problemas com os biocombustíveis convencionais (baseados em grãos) de hoje, que é que eles criam competição por grãos com propósitos alimentícios, potencialmente elevando o preço dos alimentos. Até hoje, o que impede esses objetivos é que a produção de álcool celulósico ainda não é suficientemente prática em escala comercial.
Métodos de produção
As duas formas de produzir etanol a partir da celulose são:
Processos de celulólise que consistem em hidrólise de materiais lignocelulósicos pré-tratados, utilizando enzimas para quebrar a celulose complexa em açúcares simples, como a glicose, seguida de fermentação e destilação.
Gasificação que transforma a matéria-prima lignocelulósica em monóxido de carbono gasoso e hidrogênio. Esses gases podem ser convertidos em etanol por fermentação ou catálise química.
Como é normal para a produção de etanol puro, esses métodos incluem a destilação.
Celulólise (abordagem biológica)
As etapas para produzir etanol usando uma abordagem biológica são:
Uma fase de “pré-tratamento”, para tornar o material lignocelulósico como madeira ou palha passível de hidrólise
Hidrólise da celulose (isto é, celulólise) com celulases, para quebrar as moléculas em açúcares
Separação da solução de açúcar dos materiais residuais, notavelmente lignina
Fermentação microbiana da solução de açúcar
Destilação para produzir aproximadamente 95% de álcool puro
Desidratação por peneiras moleculares para levar a concentração de etanol a mais de 99,5%
Em 2010, uma cepa de levedura geneticamente modificada foi desenvolvida para produzir suas próprias enzimas digestoras de celulose. Supondo que essa tecnologia possa ser dimensionada para níveis industriais, eliminaria uma ou mais etapas da celulólise, reduzindo o tempo necessário e os custos de produção.
Embora a lignocelulose seja o recurso material vegetal mais abundante, sua usabilidade é reduzida por sua estrutura rígida. Como resultado, é necessário um pré-tratamento efetivo para liberar a celulose do selo de lignina e sua estrutura cristalina, de modo a torná-la acessível para uma etapa subseqüente de hidrólise. De longe, a maioria dos pré-tratamentos é feita através de meios físicos ou químicos. Para obter maior eficiência, são necessários pré-tratamentos físicos e químicos. O pré-tratamento físico é freqüentemente chamado de redução de tamanho para reduzir o tamanho físico da biomassa. O pré-tratamento químico é remover barreiras químicas para que as enzimas possam ter acesso à celulose para reações microbianas.
Até o momento, as técnicas de pré-tratamento disponíveis incluem hidrólise ácida, explosão a vapor, expansão de fibras de amônia, organosolv, pré-tratamento de sulfito, fracionamento AVAP® (SO2-etanol-água), oxidação alcalina úmida e pré-tratamento com ozônio. Além da liberação efetiva de celulose, um pré-tratamento ideal tem que minimizar a formação de produtos de degradação por causa de seus efeitos inibitórios nos processos subsequentes de hidrólise e fermentação. A presença de inibidores não só complica ainda mais a produção de etanol, mas também aumenta o custo de produção devido às etapas de desintoxicação implicadas. Embora o pré-tratamento por hidrólise ácida seja provavelmente a técnica de pré-tratamento mais antiga e mais estudada, ela produz vários inibidores potentes incluindo furfural e hidroximetil furfural (HMF) que são considerados os inibidores mais tóxicos presentes no hidrolisado lignocelulósico. A Expansão da Fibra de Amônia (AFEX) é um pré-tratamento promissor, sem efeito inibitório no hidrolisado resultante.
A maioria dos processos de pré-tratamento não é eficaz quando aplicada a matérias-primas com alto teor de lignina, como a biomassa florestal. Os processos Organosolv, SPORL (‘pré-tratamento de sulfeto para superar recalcitrância de lignocelulose’) e SO2-etanol-água (AVAP®) são os três processos que podem atingir mais de 90% de conversão de celulose para biomassa florestal, especialmente aqueles de espécies de madeira macia. O SPORL é o mais eficiente em termos energéticos (produção de açúcar por unidade de consumo de energia no pré-tratamento) e processo robusto para o pré-tratamento de biomassa florestal com produção muito baixa de inibidores de fermentação. A polpa Organosolv é particularmente eficaz para madeiras de lei e oferece fácil recuperação de um produto hidrofóbico de lignina por diluição e precipitação. O processo AVAP® fraciona efetivamente todos os tipos de lignocelulose em celulose limpa de alta digestibilidade, açúcares hemicelulósicos não degradados, lignina reativa e lignossulfonatos, e é caracterizada pela recuperação eficiente de produtos químicos.
Existem dois processos principais de hidrólise de celulose (celulólise): uma reação química usando ácidos, ou uma reação enzimática usam celulases.
Processos celulolíticos
As moléculas de celulose são compostas de longas cadeias de moléculas de açúcar. Na hidrólise da celulose (isto é, celulólise), essas cadeias são quebradas para liberar o açúcar antes que ele seja fermentado para a produção de álcool.
Hidrólise química
Nos métodos tradicionais desenvolvidos no século XIX e no início do século XX, a hidrólise é realizada atacando a celulose com um ácido. Ácido diluído pode ser usado sob alta temperatura e alta pressão, ou ácido mais concentrado pode ser usado em temperaturas mais baixas e pressão atmosférica. Uma mistura celulósica descriptizada de ácido e açúcares reage na presença de água para completar as moléculas individuais de açúcar (hidrólise). O produto desta hidrólise é então neutralizado e a fermentação de levedura é usada para produzir etanol. Como mencionado, um obstáculo significativo para o processo ácido diluído é que a hidrólise é tão severa que são produzidos produtos de degradação tóxica que podem interferir na fermentação. A BlueFire Renewables usa ácido concentrado porque não produz quase tantos inibidores de fermentação, mas deve ser separada da corrente de açúcar para reciclagem [separação de cromatografia de leito móvel simulado (SMB), por exemplo] para ser comercialmente atrativa.
Os cientistas do Serviço de Pesquisa Agrícola descobriram que podem acessar e fermentar quase todos os açúcares restantes na palha de trigo. Os açúcares estão localizados nas paredes celulares da planta, que são notoriamente difíceis de decompor. Para acessar esses açúcares, os cientistas pré-trataram a palha de trigo com peróxido alcalino e usaram enzimas especializadas para quebrar as paredes das células. Este método produziu 93 galões americanos (350 litros) de etanol por tonelada de palha de trigo.
Hidrólise enzimática
Cadeias de celulose podem ser quebradas em moléculas de glicose por enzimas celulase.
Esta reação ocorre à temperatura corporal nos estômagos de ruminantes, como bovinos e ovinos, onde as enzimas são produzidas por micróbios. Esse processo usa várias enzimas em vários estágios dessa conversão. Utilizando um sistema enzimático semelhante, os materiais lignocelulósicos podem ser hidrolisados enzimaticamente numa condição relativamente branda (50 ° C e pH 5), permitindo assim a quebra eficaz da celulose sem a formação de subprodutos que de outro modo inibiriam a atividade da enzima. Todos os principais métodos de pré-tratamento, incluindo o ácido diluído, requerem uma etapa de hidrólise enzimática para alcançar um alto rendimento de açúcar para a fermentação com etanol. Atualmente, a maioria dos estudos de pré-tratamento tem sido baseada em laboratório, mas as empresas estão explorando meios de transição do laboratório para a escala piloto ou de produção.
Várias empresas de enzimas também contribuíram com avanços tecnológicos significativos no etanol celulósico através da produção em massa de enzimas para hidrólise a preços competitivos.
O fungo Trichoderma reesei é usado pela Iogen Corporation para secretar “enzimas especialmente projetadas” para um processo de hidrólise enzimática. Sua matéria-prima (madeira ou palha) deve ser pré-tratada para torná-la passível de hidrólise.
Outra empresa canadense, a SunOpta, usa pré-tratamento de explosão a vapor, fornecendo tecnologia para as instalações da Verenium (antiga Celunol Corporation) em Jennings, Louisiana, a instalação da Abengoa em Salamanca, na Espanha, e a China Resources Alcohol Corporation em Zhaodong. A unidade de produção da CRAC usa palha de milho como matéria-prima.
A Genencor e a Novozymes receberam fundos do Departamento de Energia dos Estados Unidos para pesquisas sobre a redução do custo de celulases, enzimas-chave na produção de etanol celulósico por hidrólise enzimática. Um avanço recente a este respeito foi a descoberta e inclusão de mono-oxigenases polissacarídicas líticas. Estas enzimas são capazes de aumentar significativamente a ação de outras celulases atacando oxidativamente um substrato polissacarídico.
Outras empresas de enzimas, como a Dyadic International, estão desenvolvendo fungos geneticamente modificados que produziriam grandes volumes de enzimas celulase, xilanase e hemicelulase, que podem ser usados para converter resíduos agrícolas como palha de milho, grãos destilados, palha de trigo e bagaço de cana e energia. culturas tais como switchgrass em açúcares fermentáveis que podem ser utilizados para produzir etanol celulósico.
Em 2010, a BP Biofuels comprou a participação de risco de etanol celulósico da Verenium, que havia sido formada pela fusão da Diversa e da Celunol, e com a qual detinha e operava em conjunto um milhão e meio de litros (5.300 m3) por ano. planta de demonstração em Jennings, LA, e as instalações de laboratório e pessoal em San Diego, CA. A BP Biofuels continua a operar essas instalações e iniciou as primeiras fases para construir instalações comerciais. O etanol produzido na fábrica de Jennings foi enviado para Londres e misturado com gasolina para fornecer combustível para as Olimpíadas.
A KL Energy Corporation, anteriormente KL Process Design Group, iniciou a operação comercial de uma instalação de etanol celulósico de 1,5 milhão de galões americanos (5.700 m3) em Upton, WY no último trimestre de 2007. A unidade de energia de biomassa ocidental está atualmente alcançando rendimentos de 40-45 galões dos EUA (150-170 L) por tonelada seca. É a primeira instalação comercial de etanol celulósico no país. O processo da KL Energy usa um processo de decomposição termomecânica e conversão enzimática. A principal matéria-prima é a madeira macia, mas os testes de laboratório já comprovaram o processo da KL Energy no bagaço de vinho, bagaço de cana-de-açúcar, resíduos sólidos urbanos e switchgrass.
Fermentação microbiana
Tradicionalmente, a levedura de padeiro (Saccharomyces cerevisiae) é utilizada há muito tempo na indústria cervejeira para produzir etanol a partir de hexoses (açúcares de seis carbonos). Devido à natureza complexa dos carboidratos presentes na biomassa lignocelulósica, uma quantidade significativa de xilose e arabinose (açúcares de cinco carbonos derivados da porção hemicelulósica da lignocelulose) também está presente no hidrolisado. Por exemplo, no hidrolisado de palha de milho, aproximadamente 30% do total de açúcares fermentáveis é xilose. Como resultado, a capacidade dos microrganismos fermentadores de usar toda a gama de açúcares disponíveis a partir do hidrolisado é vital para aumentar a competitividade econômica do etanol celulósico e das proteínas potencialmente de base biológica.
Nos últimos anos, a engenharia metabólica de microrganismos utilizados na produção de etanol combustível mostrou um progresso significativo. Além de Saccharomyces cerevisiae, microrganismos como Zymomonas mobilis e Escherichia coli têm sido alvo de engenharia metabólica para produção de etanol celulósico.
Recentemente, leveduras modificadas foram descritas fermentando eficientemente xilose e arabinose, e até mesmo as duas juntas. As células de levedura são especialmente atraentes para os processos de etanol celulósico, pois são usadas na biotecnologia há centenas de anos, são tolerantes a altas concentrações de etanol e inibidores e podem crescer a baixos valores de pH para reduzir a contaminação bacteriana.
Hidrólise e fermentação combinadas
Algumas espécies de bactérias foram encontradas capazes de converter diretamente um substrato de celulose em etanol. Um exemplo é o Clostridium thermocellum, que usa um complexo celulósico para quebrar a celulose e sintetizar o etanol. Entretanto, C. thermocellum também produz outros produtos durante o metabolismo da celulose, incluindo acetato e lactato, além do etanol, diminuindo a eficiência do processo. Alguns esforços de pesquisa são direcionados para otimizar a produção de etanol por meio de engenharia genética de bactérias que se concentram na rota produtora de etanol.
Processo de gaseificação (abordagem termoquímica)
O processo de gaseificação não depende da decomposição química da cadeia de celulose (celulólise). Em vez de quebrar a celulose em moléculas de açúcar, o carbono na matéria-prima é convertido em gás de síntese, usando o que equivale a combustão parcial. O monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrogênio podem então ser alimentados em um tipo especial de fermentador. Em vez de fermentação de açúcar com levedura, este processo utiliza bactérias Clostridium ljungdahlii. Esse microrganismo ingerirá monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrogênio e produzirá etanol e água. O processo pode assim ser dividido em três etapas:
Gaseificação – moléculas complexas à base de carbono são quebradas para acessar o carbono como monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrogênio
Fermentação – Converta o monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrogênio em etanol usando o organismo Clostridium ljungdahlii
Destilação – O etanol é separado da água
Um estudo recente encontrou outra bactéria Clostridium que parece ser duas vezes mais eficiente na produção de etanol a partir de monóxido de carbono do que a mencionada acima.
Alternativamente, o gás de síntese da gaseificação pode ser alimentado a um reator catalítico, onde é usado para produzir etanol e outros álcoois superiores através de um processo termoquímico. Esse processo também pode gerar outros tipos de combustíveis líquidos, um conceito alternativo demonstrado com sucesso pela Enerkem, empresa sediada em Montreal, em sua instalação em Westbury, Quebec.
Hemicelulose a etanol
Estudos são intensamente conduzidos para desenvolver métodos econômicos para converter celulose e hemicelulose em etanol. A fermentação da glicose, principal produto do hidrolisado de celulose, ao etanol é uma técnica já estabelecida e eficiente. No entanto, a conversão de xilose, o açúcar pentose do hidrolisado de hemicelulose, é um fator limitante, especialmente na presença de glicose. Além disso, não pode ser desconsiderado, pois a hemicelulose aumentará a eficiência e o custo-efetividade da produção de etanol celulósico.
Sakamoto (2012) et al. mostram o potencial de micróbios de engenharia genética para expressar enzimas hemicelulase. Os pesquisadores criaram uma cepa recombinante Saccharomyces cerevisiae que foi capaz de:
hidrolisar a hemicelulase através da endoxilanase codificante na sua superfície celular,
assimilar a xilose pela expressão da xilose redutase e xilitol desidrogenase.
A cepa foi capaz de converter o hidrolisado de palha de arroz em etanol, que contém componentes hemicelulósicos. Além disso, foi capaz de produzir 2,5x mais etanol que a cepa de controle, mostrando o processo altamente eficaz de engenharia de superfície celular para produzir etanol.
Barreira de custo de enzimas
As celulases e hemicelulases usadas na produção de etanol celulósico são mais caras em comparação com suas contrapartes de primeira geração. Enzimas requeridas para produção de etanol de grãos de milho custam 2,64-5,28 dólares por metro cúbico de etanol produzido. Estima-se que as enzimas para produção de etanol celulósico custem 79,25 dólares, o que significa que são 20 a 40 vezes mais caras. As diferenças de custo são atribuídas à quantidade necessária. A família de enzimas celulase possui uma ordem de eficiência de um a dois pedidos. Portanto, requer 40 a 100 vezes mais da enzima para estar presente em sua produção. Para cada tonelada de biomassa, são necessários 15 a 25 quilos de enzima. Estimativas mais recentes são mais baixas, sugerindo 1 kg de enzima por tonelada seca de matéria-prima de biomassa. Há também custos de capital relativamente altos associados aos longos tempos de incubação para a embarcação que realiza a hidrólise enzimática. No total, as enzimas compreendem uma porção significativa de 20-40% para a produção de etanol celulósico. Um artigo recente estima o intervalo em 13-36% dos custos em dinheiro, com um fator chave sendo como a enzima celulase é produzida. Para a celulase produzida fora do local, a produção de enzimas chega a 36% do custo caixa. Para enzima produzida no local em uma planta separada, a fração é de 29%; para produção integrada de enzimas, a facção é de 13%. Um dos principais benefícios da produção integrada é que a biomassa, em vez da glicose, é o meio de crescimento da enzima. A biomassa custa menos e torna o etanol celulósico resultante um biocombustível 100% de segunda geração, ou seja, não usa ‘alimento para combustível’.
Matérias primas
Em geral, existem dois tipos de matérias-primas: biomassa florestal (lenhosa) e biomassa agrícola. Nos EUA, cerca de 1,4 bilhão de toneladas secas de biomassa podem ser produzidas anualmente de forma sustentável. Cerca de 370 milhões de toneladas ou 30% são biomassa florestal. A biomassa florestal tem maior conteúdo de celulose e lignina e menor conteúdo de hemicelulose e cinzas do que a biomassa agrícola. Devido às dificuldades e ao baixo rendimento de etanol no hidrolisado de pré-tratamento da fermentação, especialmente naqueles com açúcares hemicelululares de 5 carbonos muito elevados, como a xilose, a biomassa florestal tem vantagens significativas sobre a biomassa agrícola. A biomassa florestal também tem alta densidade, o que reduz significativamente o custo de transporte. Pode ser colhido ano em torno do qual elimina o armazenamento a longo prazo. O teor próximo de zero de cinzas na biomassa florestal reduz significativamente a carga morta no transporte e processamento. Para atender às necessidades de biodiversidade, a biomassa florestal será um importante mix de suprimento de matéria-prima de biomassa na futura economia de base biológica. No entanto, a biomassa florestal é muito mais recalcitrante do que a biomassa agrícola. Recentemente, o Laboratório de Produtos Florestais do USDA, juntamente com a Universidade de Wisconsin-Madison, desenvolveu tecnologias eficientes que podem superar a forte recalcitrância da biomassa florestal (lenhosa), incluindo aquelas de espécies de madeira macia que possuem baixo teor de xilana. A cultura intensiva de rotação curta ou a agricultura de árvores podem oferecer uma oportunidade quase ilimitada para a produção de biomassa florestal.
Lascas de madeira de barras e topos de árvores e pó de serra de serrarias, e resíduos de pasta de papel são matérias-primas comuns de biomassa florestal para a produção de etanol celulósico.
A seguir, alguns exemplos de biomassa agrícola:
O switchgrass (Panicum virgatum) é um capim nativo da pradaria do tallgrass. Conhecida por sua robustez e rápido crescimento, essa planta perene cresce durante os meses quentes a alturas de 2 a 6 pés. O switchgrass pode ser cultivado na maior parte dos Estados Unidos, incluindo pântanos, planícies, riachos e ao longo das margens e rodovias interestaduais. É auto-sementeira (sem tractor para sementeira, apenas para ceifar), resistente a muitas doenças e pragas, e pode produzir elevados rendimentos com baixas aplicações de fertilizantes e outros químicos. Também é tolerante a solos pobres, enchentes e secas; melhora a qualidade do solo e previne a erosão devido ao seu tipo de sistema radicular.
O switchgrass é uma cultura de cobertura aprovada para terras protegidas pelo Programa de Reserva de Conservação (CRP). O CRP é um programa do governo que paga aos produtores uma taxa por não cultivar plantações em terras onde as plantações cresceram recentemente. Este programa reduz a erosão do solo, aumenta a qualidade da água e aumenta o habitat da vida selvagem. A terra do CRP serve como habitat para o jogo de terras altas, como faisões e patos, e vários insetos. O switchgrass para produção de biocombustível foi considerado para uso em terras do Programa de Reserva de Conservação (CRP), o que poderia aumentar a sustentabilidade ecológica e reduzir o custo do programa do CRP. No entanto, as regras do CRP teriam que ser modificadas para permitir o uso econômico da terra do CRP.
Miscanthus × giganteus é outra matéria-prima viável para a produção de etanol celulósico. Esta espécie de gramíneas é nativa da Ásia e é o híbrido triploide estéril de Miscanthus sinensis e Miscanthus sacchariflorus. Pode crescer até 12 pés (3,7 m) de altura com pouca entrada de água ou fertilizante. O Miscanthus é semelhante ao switchgrass no que diz respeito à tolerância ao frio e à seca e à eficiência do uso da água. Miscanthus é cultivado comercialmente na União Européia como fonte de energia combustível.
As espigas de milho e a palha de milho são a biomassa agrícola mais popular.
Tem sido sugerido que Kudzu pode se tornar uma valiosa fonte de biomassa.
Efeitos ambientais
O impacto ambiental da produção de combustíveis é um fator importante para determinar sua viabilidade como uma alternativa aos combustíveis fósseis. A longo prazo, pequenas diferenças no custo de produção, ramificações ambientais e produção de energia podem ter grandes efeitos. Verificou-se que o etanol celulósico pode produzir uma produção líquida de energia positiva. A redução nas emissões de gases de efeito estufa (GEE) do etanol de milho e do etanol celulósico em comparação com os combustíveis fósseis é drástica. O etanol de milho pode reduzir as emissões globais de GEE em cerca de 13%, enquanto esse valor é de cerca de 88% ou mais para o etanol celulósico. Além disso, o etanol celulósico pode reduzir as emissões de dióxido de carbono para quase zero.
Terras Agrícolas
Uma das principais preocupações para a viabilidade dos combustíveis alternativos atuais é a área plantada necessária para produzir os materiais necessários. Por exemplo, a produção de milho para combustível de etanol de milho compete com terras agrícolas que podem ser usadas para o crescimento de alimentos e outras matérias-primas. A diferença entre isso e a produção de etanol celulósico é que o material celulósico é amplamente disponível e é derivado de um grande recurso de coisas. Algumas culturas utilizadas para a produção de etanol celulósico incluem switchgrass, palha de milho e álamo híbrido. Estas culturas crescem rapidamente e podem ser cultivadas em muitos tipos de terra, o que as torna mais versáteis. O etanol celulósico também pode ser feito a partir de resíduos de madeira (lascas e serragem), resíduos sólidos urbanos, como lixo ou lixo, papel e lodo de esgoto, canudos de cereais e gramíneas. São particularmente as porções não comestíveis de material vegetal que são usadas para fazer etanol celulósico, o que também minimiza o custo potencial de usar produtos alimentícios na produção.
A eficácia do cultivo de culturas para fins de biomassa pode variar muito dependendo da localização geográfica da parcela. Por exemplo, fatores como precipitação e exposição à luz solar podem afetar significativamente a entrada de energia necessária para manter as culturas e, portanto, afetar a produção total de energia. Um estudo feito ao longo de cinco anos mostrou que cultivar e manejar o switchgrass exclusivamente como uma cultura de energia de biomassa pode produzir 500% ou mais de energia renovável do que consumido durante a produção. Os níveis de emissões de GEE e dióxido de carbono também foram drasticamente diminuídos com o uso de etanol celulósico em comparação com a gasolina tradicional.
Baseado em milho vs. baseado em grama
Em 2008, havia apenas uma pequena quantidade de switchgrass dedicada à produção de etanol. Para que seja cultivada em larga escala, deve competir com os usos existentes das terras agrícolas, principalmente para a produção de produtos agrícolas. Dos 2,26 bilhões de acres (9,1 milhões de km2) dos Estados Unidos de terras não-submersas, 33% são florestas, 26% de pastagens e pastagens e 20% de terras cultiváveis. Um estudo feito pelos Departamentos de Energia e Agricultura dos EUA em 2005 determinou se havia recursos terrestres disponíveis suficientes para sustentar a produção de mais de 1 bilhão de toneladas de biomassa seca anualmente para substituir 30% ou mais do uso atual de combustíveis de transporte líquido. O estudo descobriu que poderia haver 1,3 bilhão de toneladas secas de biomassa disponíveis para uso de etanol, fazendo pequenas mudanças nas práticas agrícolas e florestais e atendendo às demandas por produtos florestais, alimentos e fibras. Um estudo recente feito pela Universidade do Tennessee relatou que até 100 milhões de acres (400.000 km2) de terras agrícolas e pastagens precisarão ser alocados para a produção de mudas de grama, a fim de compensar o uso de petróleo em 25%.
Atualmente, o milho é mais fácil e mais barato de processar em etanol em comparação ao etanol celulósico. O Departamento de Energia estima que custa cerca de US $ 2,20 por galão para produzir etanol celulósico, que é o dobro do etanol do milho. Enzimas que destroem o tecido da parede celular custam de 30 a 50 centavos de dólar por galão de etanol, em comparação com 3 centavos de dólar por litro de milho. O Departamento de Energia espera reduzir o custo de produção para US $ 1,07 por galão até 2012 para ser eficaz. No entanto, a biomassa celulósica é mais barata de produzir do que o milho, porque requer menos insumos, como energia, fertilizantes, herbicidas, e é acompanhada por menos erosão do solo e melhor fertilidade do solo. Além disso, os sólidos não fermentáveis e não convertidos deixados após a fabricação do etanol podem ser queimados para fornecer o combustível necessário para operar a usina de conversão e produzir eletricidade. A energia usada para operar usinas de etanol à base de milho é derivada do carvão e do gás natural. O Institute for Local Self-Reliance estima que o custo do etanol celulósico da primeira geração de plantas comerciais será de US $ 1,90 a US $ 2,25 por galão, excluindo incentivos. Isso se compara ao custo atual de US $ 1,20 a US $ 1,50 por galão de etanol de milho e ao preço atual de varejo de mais de US $ 4,00 por galão para gasolina comum (que é subsidiada e taxada).
Uma das principais razões para aumentar o uso de biocombustíveis é reduzir as emissões de gases de efeito estufa. Em comparação com a gasolina, o etanol queima mais limpo, colocando menos dióxido de carbono e poluição global no ar. Além disso, apenas baixos níveis de poluição são produzidos a partir da combustão. De acordo com o Departamento de Energia dos EUA, o etanol de celulose reduz as emissões de gases do efeito estufa em 86% quando comparado à gasolina e ao etanol de milho, o que reduz as emissões em 52%. As emissões de gás carbônico são 85% menores do que as da gasolina. O etanol celulósico contribui pouco para o efeito estufa e tem um balanço energético líquido cinco vezes maior do que o etanol à base de milho. Quando usado como combustível, o etanol celulósico libera menos enxofre, monóxido de carbono, partículas e gases de efeito estufa. O etanol celulósico deve ganhar créditos de redução de carbono aos produtores, superiores aos dados aos produtores que cultivam milho para etanol, que é de cerca de 3 a 20 centavos por galão.
São necessários 0,76 J de energia de combustíveis fósseis para produzir 1 J de etanol a partir do milho. Este total inclui o uso de combustíveis fósseis usados para fertilizantes, combustível para tratores, operação de usinas de etanol, etc. Pesquisas mostraram que o combustível fóssil pode produzir mais de cinco vezes o volume de etanol das pradarias, de acordo com Terry Riley, Presidente de Política da Parceria de Conservação Theodore Roosevelt. O Departamento de Energia dos Estados Unidos conclui que o etanol à base de milho fornece 26% mais energia do que o necessário para a produção, enquanto o etanol celulósico fornece 80% mais energia. O etanol celulósico produz 80% mais energia do que o necessário para crescer e convertê-lo. O processo de transformar o milho em etanol requer cerca de 1700 vezes (em volume) a quantidade de água produzida pelo etanol. [Além disso, ele deixa 12 vezes seu volume em resíduos. O etanol de grãos usa apenas a porção comestível da planta.
A celulose não é usada para alimentos e pode ser cultivada em todas as partes do mundo. A planta inteira pode ser usada na produção de etanol celulósico. O switchgrass produz o dobro de etanol por acre do que o milho. Portanto, menos terra é necessária para a produção e, portanto, menos fragmentação do habitat. Materiais de biomassa requerem menos insumos, como fertilizantes, herbicidas e outros produtos químicos que podem representar riscos para a vida selvagem. Suas raízes extensas melhoram a qualidade do solo, reduzem a erosão e aumentam a captura de nutrientes. As culturas energéticas herbáceas reduzem a erosão do solo em mais de 90%, quando comparadas com a produção convencional de produtos agrícolas. Isso pode se traduzir em melhor qualidade da água para as comunidades rurais. Além disso, as culturas de energia herbácea adicionam material orgânico a solos esgotados e podem aumentar o carbono do solo, o que pode ter um efeito direto sobre a mudança climática, já que o carbono do solo pode absorver dióxido de carbono no ar. Em comparação com a produção de commodities, a biomassa reduz o escoamento superficial e o transporte de nitrogênio. O switchgrass fornece um ambiente para diversas habitações da fauna silvestre, principalmente insetos e aves terrestres. A terra do Programa de Reserva de Conservação (CRP) é composta de gramíneas perenes, que são usadas para etanol celulósico, e podem estar disponíveis para uso.
Durante anos, os agricultores americanos praticaram cultivos em fileira, com culturas como o sorgo e o milho. Por causa disso, sabe-se muito sobre o efeito dessas práticas na vida selvagem. O efeito mais significativo do aumento do etanol de milho seria a terra adicional que teria de ser convertida para uso agrícola e o aumento do uso de fertilizantes e erosão que acompanha a produção agrícola. Aumentar nossa produção de etanol através do uso de milho poderia produzir efeitos negativos sobre a vida selvagem, cuja magnitude dependeria da escala de produção e se a terra usada para esse aumento de produção era antes ociosa, em um estado natural ou plantada com outra linha. cultivo. Outra consideração é se plantar uma monocultura switchgrass ou usar uma variedade de gramíneas e outra vegetação. Embora uma mistura de tipos de vegetação provavelmente forneça melhor habitat para a vida selvagem, a tecnologia ainda não foi desenvolvida para permitir o processamento de uma mistura de diferentes espécies de grama ou tipos de vegetação em bioetanol. É claro que a produção de etanol celulósico ainda está engatinhando, e a possibilidade de se utilizar uma vegetação diversa, ao invés de monoculturas, merece mais exploração à medida que a pesquisa continua.
Um estudo do ganhador do Prêmio Nobel, Paul Crutzen, descobriu que o etanol produzido a partir do milho apresentou um efeito de “aquecimento climático líquido” quando comparado ao petróleo quando a avaliação completa do ciclo de vida considera adequadamente as emissões de óxido nitroso (N20). Crutzen descobriu que as culturas com menor demanda de nitrogênio, como gramíneas e espécies arbóreas lenhosas, têm impactos climáticos mais favoráveis.