Целлюлозный этанол

Целлюлозный этанол — это этанол (этиловый спирт), полученный из целлюлозы (волокнистая клетчатка растения), а не из семян или фруктов растения. Это биотопливо, произведенное из трав, дерева, водорослей или других растений. Волокнистые части растений в основном недоступны для животных, включая людей, за исключением жвачных (пастбищ, жвачных животных, таких как коровы или овцы).

Значительный интерес к целлюлозному этанолу существует благодаря его экономическому потенциалу. Рост целлюлозы растениями — это механизм, который захватывает и хранит солнечную энергию химически нетоксичными способами с результирующими материалами, которые легко транспортировать и хранить. Кроме того, транспортировка может быть ненужной в любом случае, потому что травы или деревья могут расти почти везде умеренно. Вот почему коммерчески практичный целлюлозный этанол широко рассматривается как следующий уровень развития для отрасли биотоплива, который может снизить спрос на бурение нефтяных и газовых скважин и даже ядерную энергию способами, которые не могут использовать одноэтажное топливо на основе зерна. Потенциал существует для многих преимуществ углеродистых жидких топлив и нефтехимических продуктов (от которых зависит нынешний уровень жизни), но в сбалансированном и возобновляемом углеродном цикле (рециркуляция поверхности и углекислого газа вместо того, чтобы закачивать в него подземный углерод и тем самым добавлять к нему ). Коммерчески практичный целлюлозный алкоголь также может избежать одной из проблем с сегодняшними традиционными (зерновыми) биотопливами, а именно, что они создают конкуренцию за зерно с продовольственными целями, что потенциально повышает цены на продукты питания. На сегодняшний день то, что мешает этим целям, заключается в том, что производство целлюлозного спирта еще недостаточно практично в коммерческих масштабах.

Методы производства
Двумя способами производства этанола из целлюлозы являются:

Процессы целлюлиза, которые состоят из гидролиза на предварительно обработанных лигноцеллюлозных материалах, с использованием ферментов для разрушения комплексной целлюлозы на простые сахара, такие как глюкоза, с последующим ферментацией и дистилляцией.
Газификация, которая превращает лигноцеллюлозное сырье в газообразный монооксид углерода и водород. Эти газы могут быть превращены в этанол путем ферментации или химического катализа.

Как правило, для производства чистого этанола эти способы включают дистилляцию.

Целлюлиз (биологический подход)
Этапы получения этанола с использованием биологического подхода:

Фаза «предварительной обработки», чтобы сделать лигноцеллюлозный материал, такой как древесина или солома, поддающимся гидролизу
Гидролиз целлюлозы (то есть целлюлиз) с целлюлазами, чтобы разрушить молекулы в сахарах
Разделение раствора сахара из остаточных материалов, особенно лигнина
Микробная ферментация раствора сахара
Дистилляция для получения примерно 95% чистого спирта
Обезвоживание молекулярными ситами довести концентрацию этанола до более чем 99,5%

В 2010 году был разработан генно-инженерный дрожжевой штамм для производства собственных ферментов, переваривающих целлюлозу. Предполагая, что эта технология может быть масштабирована до промышленных уровней, она устранит один или несколько этапов целлюлиза, уменьшая как необходимое время, так и затраты на производство.

Хотя лигноцеллюлоза является наиболее распространенным ресурсом растительных материалов, ее удобство использования сводится к ее жесткой структуре. В результате необходима эффективная предварительная обработка для высвобождения целлюлозы из лигнинового уплотнения и ее кристаллической структуры, чтобы сделать ее доступной для последующей стадии гидролиза. На сегодняшний день большинство предварительных обработок осуществляются с помощью физических или химических средств. Для достижения более высокой эффективности требуется как физическая, так и химическая предварительная обработка. Физическую предварительную обработку часто называют уменьшением размера, чтобы уменьшить физический размер биомассы. Химическая предварительная обработка заключается в удалении химических барьеров, поэтому ферменты могут иметь доступ к целлюлозе для микробных реакций.

На сегодняшний день доступные методы предварительной обработки включают кислотный гидролиз, паровой взрыв, расширение аммиачного волокна, органосольв, сульфитную предварительную обработку, фракционирование AVAP® (SO2-этанол-вода), щелочное мокрое окисление и предварительную обработку озоном. Помимо эффективного выделения целлюлозы, идеальная предварительная обработка должна минимизировать образование продуктов разложения из-за их тормозного воздействия на последующие процессы гидролиза и ферментации. Наличие ингибиторов не только еще более усложнит производство этанола, но и увеличит стоимость производства из-за поэтапных этапов детоксикации. Несмотря на то, что предварительная обработка кислотным гидролизом, вероятно, является самой старой и наиболее изученной техникой предварительной обработки, она производит несколько мощных ингибиторов, включая фурфурол и гидроксиметил-фурфурол (HMF), которые, безусловно, считаются наиболее токсичными ингибиторами, присутствующими в лигноцеллюлозном гидролизате. Расширение волокна аммиака (AFEX) является многообещающей предварительной обработкой без ингибирующего эффекта в результате гидролизата.

Большинство процессов предварительной обработки неэффективны при применении к сырьям с высоким содержанием лигнина, таким как лесная биомасса. Органозольв, SPORL («обработка сульфитом для преодоления неустойчивости лигноцеллюлозы») и процессы SO2-этанол-вода (AVAP®) представляют собой три процесса, которые могут обеспечить конверсию целлюлозы более 90% для лесной биомассы, особенно тех, что относятся к хвойным. SPORL является наиболее энергоэффективным (производство сахара на единицу потребления энергии при предварительной обработке) и надежным процессом предварительной обработки лесной биомассы с очень низкой производительностью ингибиторов ферментации. Колонообразование из органосольва особенно эффективно для лиственных пород и обеспечивает легкое извлечение гидрофобного продукта лигнина путем разбавления и осаждения. Процесс AVAP® эффективно фракционирует все виды лигноцеллюлозы в чистую высокоусвояемую целлюлозу, не подвергнутые воздействию гемицеллюлозные сахара, реакционноспособный лигнин и лигносульфонаты и характеризуется эффективным извлечением химических веществ.

Существует два основных процесса гидролиза целлюлозы (целлюлиз): химическая реакция с использованием кислот или ферментативная реакция, использующая целлюлазы.

Целлюлитические процессы
Молекулы целлюлозы состоят из длинных цепочек молекул сахара. При гидролизе целлюлозы (т. Е. Целлюлизе) эти цепи разрушаются, чтобы освободить сахар, прежде чем он будет ферментирован для производства алкоголя.

Химический гидролиз
В традиционных методах, разработанных в XIX веке и в начале 20-го века, гидролиз осуществляется путем атаки на целлюлозу кислотой. Разбавленную кислоту можно использовать при высокой температуре и высоком давлении, или более концентрированную кислоту можно использовать при более низких температурах и атмосферном давлении. Декристаллизованная целлюлозная смесь кислоты и сахара реагирует в присутствии воды для завершения отдельных молекул сахара (гидролиз). Затем продукт из этого гидролиза нейтрализуют, и для получения этанола используют ферментацию дрожжей. Как уже упоминалось, существенным препятствием для процесса разбавленной кислоты является то, что гидролиз настолько суровый, что образуются токсичные продукты разложения, которые могут препятствовать ферментации. BlueFire Возобновляемые источники энергии используют концентрированную кислоту, потому что она не производит почти столько же ингибиторов ферментации, но должна быть отделена от потока сахара для хроматографического разделения с использованием имитированного движущегося слоя (SMB), например], чтобы быть коммерчески привлекательной.

Исследователи из службы сельскохозяйственных исследований обнаружили, что они могут получить доступ и бросить почти все оставшиеся сахара в соломе пшеницы. Сахара расположены в клеточных стенах растения, которые, как известно, трудно разрушить. Чтобы получить доступ к этим сахарам, ученые предварительно обработали пшеничную солому щелочным пероксидом, а затем использовали специализированные ферменты для разрушения клеточных стенок. Этот метод продуцировал 93 галлонов (350 л) этанола на тонну пшеничной соломы.

Ферментативный гидролиз
Целлюлозные цепочки могут быть разбиты на молекулы глюкозы целлюлазными ферментами.

Эта реакция происходит при температуре тела в желудках жвачных животных, таких как крупный рогатый скот и овец, где ферменты продуцируются микробами. Этот процесс использует несколько ферментов на разных этапах этой конверсии. Используя подобную ферментативную систему, лигноцеллюлозные материалы могут быть ферментативно гидролизованы в относительно мягком состоянии (50 ° С и рН 5), что позволяет эффективно разрушать целлюлозу без образования побочных продуктов, которые в противном случае ингибировали ферментативную активность. Все основные методы предварительной обработки, включая разбавленную кислоту, требуют стадии ферментативного гидролиза для достижения высокого выхода сахара при брожении этанола. В настоящее время большинство исследований по предварительной обработке основаны на лабораторных исследованиях, но компании изучают средства перехода от лаборатории к пилотной или производственной шкале.

Различные ферментные компании также внесли значительные технологические прорывы в целлюлозный этанол за счет массового производства ферментов для гидролиза по конкурентоспособным ценам.

Гриб Trichoderma reesei используется Iogen Corporation для секреции «специально спроектированных ферментов» для процесса ферментативного гидролиза. Их сырье (древесину или солому) необходимо предварительно обработать, чтобы сделать его пригодным для гидролиза.

Другая канадская компания SunOpta использует предварительную обработку взрыва пара, предоставляя технологию Verenium (ранее Celunol Corporation) в Дженнингсе, Луизиана, объекте Абенгоа в Саламанке, Испания, и China Resources Alcohol Corporation в Чжаодуне. Производственное предприятие CRAC использует кукурузу в качестве сырья.

Genencor и Novozymes получили финансирование Министерства энергетики США для исследований по снижению стоимости целлюлаз, ключевых ферментов в производстве целлюлозного этанола путем ферментативного гидролиза. Недавним прорывом в этом отношении стало обнаружение и включение лиотических полисахаридных монооксигеназ. Эти ферменты способны значительно активизировать действие других целлюлаз путем окислительного воздействия на полисахаридный субстрат.

Другие ферментные компании, такие как Dyadic International, разрабатывают генно-инженерные грибы, которые будут производить большие объемы ферментов целлюлазы, ксиланазы и гемицеллюлазы, которые могут быть использованы для преобразования сельскохозяйственных остатков, таких как кукуруза, зерно дистиллятора, пшеничная солома и сахарный тростник и энергия таких как отходы в ферментируемые сахара, которые могут быть использованы для получения целлюлозного этанола.

В 2010 году BP Biofuels выкупила венесуарную долю целлюлозного этанола Verenium, которая сама была сформирована путем слияния Diversa и Celunol и с которыми она совместно владела и управляла 1,4 миллионами долларов США (5300 м3) в год демонстрационный завод в Дженнингсе, Лос-Анджелес, а также лаборатории и персонал в Сан-Диего, Калифорния. BP Biofuels продолжает эксплуатировать эти объекты и начала первые этапы строительства коммерческих объектов. Этанол, произведенный на объекте Дженнингс, был отправлен в Лондон и смешан с бензином для обеспечения топливом для Олимпийских игр.

KL Energy Corporation, ранее KL Process Design Group, начала коммерческую эксплуатацию целлюлозного этанола мощностью 1,5 млн. Галлонов (5700 м3) в год в Аптоне, штат Вирджиния, в последнем квартале 2007 года. В настоящее время в Западной энергетической установке «Биомасса» урожайность 40-45 галлонов США (150-170 л) на сухую тонну. Это первый действующий коммерческий целлюлозный этанол в стране. Процесс KL Energy использует термомеханическое разрушение и процесс ферментативного превращения. Первичный исходный материал — мягкая древесина, но лабораторные анализы уже доказали, что KL Energy — это процесс, связанный с винным жукалом, сахарным тростником, муниципальными твердыми отходами и отбросом.

Микробиологическая ферментация
Традиционно пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae) уже давно используются в пивоварне для производства этанола из гексоз (шестиугольные сахара). Из-за сложного характера углеводов, присутствующих в лигноцеллюлозной биомассе, значительное количество ксилозы и арабинозы (пятиугольные сахара, полученные из гемицеллюлозной части лигноцеллюлозы) также присутствуют в гидролизате. Например, в гидролизате кукурузы, примерно 30% от общего количества ферментируемых сахаров составляет ксилозу. В результате способность ферментирующих микроорганизмов использовать весь спектр сахаров, доступных из гидролизата, имеет жизненно важное значение для повышения экономической конкурентоспособности целлюлозного этанола и потенциально биобезопасных белков.

В последние годы метаболическая инженерия для микроорганизмов, используемых в производстве топливного этанола, показала значительный прогресс. Помимо Saccharomyces cerevisiae, микроорганизмы, такие как Zymomonas mobilis и Escherichia coli, были нацелены на метаболическую инженерию для производства целлюлозного этанола.

Недавно были спроектированы дрожжи с эффективной обработкой ксилозы и арабинозы, и даже оба вместе. Дрожжевые клетки особенно привлекательны для целлюлозных этанольных процессов, потому что они используются в биотехнологии в течение сотен лет, устойчивы к высоким концентрациям этанола и ингибитора и могут расти при низких значениях рН для снижения бактериального загрязнения.

Комбинированный гидролиз и ферментация
Было обнаружено, что некоторые виды бактерий способны прямо превращать целлюлозный субстрат в этанол. Одним из примеров является Clostridium thermocellum, который использует сложную целлюлозу для разрушения целлюлозы и синтеза этанола. Однако C. thermocellum также производит другие продукты во время метаболизма целлюлозы, включая ацетат и лактат, в дополнение к этанолу, снижая эффективность процесса. Некоторые исследовательские усилия направлены на оптимизацию производства этанола генетически модифицированными бактериями, которые фокусируются на пути производства этанола.

Процесс газификации (термохимический подход)
Процесс газификации не зависит от химического разложения целлюлозной цепи (целлюлиз). Вместо того, чтобы разрушать целлюлозу в молекулы сахара, углерод в сырье превращается в синтез-газ, используя то, что составляет частичное горение. Монооксид углерода, двуокись углерода и водород могут затем подаваться в особый вид ферментера. Вместо ферментации сахара с дрожжами в этом процессе используются бактерии Clostridium ljungdahlii. Этот микроорганизм будет поглощать монооксид углерода, углекислый газ и водород и производить этанол и воду. Таким образом, процесс можно разбить на три этапа:

Газификация. Сложные углеродные молекулы разрушаются для доступа к углероду в виде моноксида углерода, двуокиси углерода и водорода
Ферментация — превращение монооксида углерода, двуокиси углерода и водорода в этанол с использованием организма Clostridium ljungdahlii
Дистилляция — этанол отделяется от воды

В недавнем исследовании была обнаружена еще одна бактерия Clostridium, которая, как представляется, в два раза эффективнее в производстве этанола из моноксида углерода, как упомянуто выше.

Альтернативно, синтез-газ от газификации может подаваться в каталитический реактор, где он используется для получения этанола и других высших спиртов посредством термохимического процесса. Этот процесс может также генерировать другие типы жидких топлив, альтернативную концепцию, успешно продемонстрированную компанией Enerkem в Монреале на их объекте в Вестбери, Квебек.

Гемицеллюлоза до этанола
Исследования интенсивно проводятся для разработки экономических методов преобразования целлюлозы и гемицеллюлозы в этанол. Ферментация глюкозы, основного продукта гидролизата целлюлозы, до этанола является уже установленной и эффективной методикой. Однако превращение ксилозы, пентозного сахара гидролизата гемицеллюлозы, является ограничивающим фактором, особенно в присутствии глюкозы. Более того, нельзя не учитывать, что гемицеллюлоза повысит эффективность и экономическую эффективность производства целлюлозного этанола.

Сакамото (2012) и др. показывают потенциал микроорганизмов генной инженерии для экспрессии ферментов гемицеллюлазы. Исследователи создали рекомбинантный штамм Saccharomyces cerevisiae, который смог:

гидролизует гемицеллюлазу путем кодирования эндоксиланазы на ее клеточной поверхности,
ассимилируют ксилозу экспрессией ксилозоредуктазы и ксилитолдегидрогеназы.

Штамм способен превращать гидролизат риса соломы в этанол, который содержит гемицеллюлозные компоненты. Более того, он смог производить в 2,5 раза больше этанола, чем контрольный штамм, демонстрируя высокоэффективный процесс клеточной поверхностной инженерии для производства этанола.

Фермент-барьер
Целлюлазы и гемицеллюлазы, используемые при производстве целлюлозного этанола, дороже по сравнению с их предшественниками первого поколения. Ферменты, необходимые для производства этанола зерна кукурузы, составляют 2,64-5,28 долларов США за кубический метр этанола. Предполагается, что ферменты для производства целлюлозного этанола будут стоить 79,25 долларов США, то есть они в 20-40 раз дороже. Разница в стоимости объясняется требуемым количеством. Семейство ферментов целлюлазы имеет на 1-2 порядка меньшую величину эффективности. Следовательно, в его производстве требуется в 40-100 раз больше фермента. Для каждой тонны биомассы требуется 15-25 килограммов фермента. Более поздние оценки ниже, предполагая 1 кг фермента на сухую тонну сырья для биомассы. Существуют также относительно высокие капитальные затраты, связанные с продолжительным временем инкубации для сосуда, которые проводят ферментативный гидролиз. В целом, ферменты составляют значительную часть 20-40% для производства целлюлозного этанола. Недавняя статья оценивает диапазон 13-36% денежных затрат, причем ключевым фактором является то, как производится фермент целлюлазы. Для производства целлюлозы за пределами производства фермента составляет 36% от денежной стоимости. Для фермента, произведенного на месте в отдельном растении, фракция составляет 29%; для интегрированного производства ферментов фракция составляет 13%. Одним из ключевых преимуществ интегрированного производства является то, что биомасса вместо глюкозы представляет собой среду для роста ферментов. Биомасса стоит меньше, и это приводит к образованию целлюлозного этанола на 100% вторичном биотопливе, т. Е. Не использует «пищу для топлива».

Сырьем
В общем, существует два типа сырья: лес (древесный). Биомасса и сельскохозяйственная биомасса. В США около 1,4 млрд. Сухих тонн биомассы можно ежегодно производить ежегодно. Около 370 млн. Тонн или 30% составляют лесная биомасса. Лесная биомасса имеет более высокое содержание целлюлозы и лигнина и более низкую гемицеллюлозу и зольность, чем сельскохозяйственная биомасса. Из-за трудностей и низкого выхода этанола в ферментации гидролизата предварительной обработки, особенно тех, которые имеют очень высокие 5 углеродных гемицеллюлозных сахаров, таких как ксилоза, лесная биомасса имеет значительные преимущества перед сельскохозяйственной биомассой. Лесная биомасса также имеет высокую плотность, что значительно снижает транспортные расходы. Он может быть собран год, который устраняет долгосрочное хранение. Почти нулевое содержание золы в лесной биомассе значительно снижает мертвую нагрузку при транспортировке и переработке. Для удовлетворения потребностей в биоразнообразии лесная биомасса станет важным источником сырья для биомассы в будущей биобезопасной экономике. Тем не менее, лесная биомасса является гораздо более непокорной, чем сельскохозяйственная биомасса. Недавно Лаборатория лесных товаров Министерства сельского хозяйства США совместно с Университетом Висконсина-Мэдисона разработала эффективные технологии, которые могут преодолеть сильную непокорность лесной (древесной) биомассы, в том числе видов хвойных пород с низким содержанием ксилана. Интенсивная культура с коротким вращением или деревенское хозяйство могут предложить практически неограниченные возможности для производства лесной биомассы.

Вудчипы из косых червей и верхушек деревьев, а также пильная пыль из лесопильных заводов и целлюлоза из макулатуры являются обычным источником биомассы для производства целлюлозного этанола.

Ниже приводятся несколько примеров сельскохозяйственной биомассы:

Расщепление (Panicum virgatum) является естественной травой прерии. Известный своей стойкостью и быстрым ростом, этот многолетник растет в теплые месяцы до высоты 2-6 футов. Рассекание можно выращивать в большинстве районов Соединенных Штатов, включая болота, равнины, ручьи и вдоль берегов и автомагистралей между штатами. Это самозатраты (без трактора для посева, только для кошения), устойчивые ко многим болезням и вредителям, и могут производить высокие урожаи при низком применении удобрений и других химических веществ. Он также терпим к бедным почвам, наводнениям и засухе; улучшает качество почвы и предотвращает эрозию из-за своего типа корневой системы.

Switchgrass — это одобренная обложка для земли, защищенная в рамках Федеральной программы сохранения запасов (CRP). CRP — правительственная программа, которая платит производителям плату за не выращивание сельскохозяйственных культур на суше, на которой недавно выросли урожаи. Эта программа уменьшает эрозию почвы, улучшает качество воды и увеличивает среду обитания диких животных. Земля CRP служит местом обитания для игры нагорья, таких как фазаны и утки, а также множество насекомых. Расходы на производство биотоплива были рассмотрены для использования на территории заповедника (CRP), что могло бы повысить экологическую устойчивость и снизить стоимость программы CRP. Однако правила CRP должны быть изменены, чтобы это экономическое использование земли CRP.

Miscanthus × giganteus — еще одно жизнеспособное сырье для производства целлюлозного этанола. Этот вид травы является родным для Азии и представляет собой стерильный триплоидный гибрид Miscanthus sinensis и Miscanthus sacchariflorus. Он может вырасти до 12 футов (3,7 м) с небольшим количеством воды или удобрений. Miscanthus похож на switchgrass относительно холодостойкости и засухоустойчивости и эффективности использования воды. Miscanthus коммерчески выращивается в Европейском Союзе в качестве горючего источника энергии.

Кукурузные початки и кукуруза являются самой популярной сельскохозяйственной биомассой.

Было высказано предположение, что Кудзу может стать ценным источником биомассы.

Воздействие на окружающую среду
Воздействие на окружающую среду производства топлива является важным фактором в определении его осуществимости в качестве альтернативы ископаемым видам топлива. В долгосрочной перспективе небольшие различия в себестоимости продукции, воздействии на окружающую среду и выработке энергии могут иметь большие последствия. Было обнаружено, что целлюлозный этанол может давать положительную энергию чистой энергии. Сокращение выбросов парниковых газов (ПГ) из этанола кукурузы и целлюлозного этанола по сравнению с ископаемым топливом является резким. Кукурузный этанол может снизить общие выбросы парниковых газов примерно на 13%, тогда как эта цифра составляет около 88% или выше для целлюлозного этанола. Кроме того, целлюлозный этанол может снизить выбросы углекислого газа до почти нуля.

Пахотные земли
Основной проблемой для жизнеспособности существующих альтернативных видов топлива является пахотная земля, необходимая для производства необходимых материалов. Например, производство кукурузы для кукурузного этанольного топлива конкурирует с пахотными землями, которые могут использоваться для роста продуктов питания и другого сырья. Разница между этим и целлюлозным производством этанола заключается в том, что целлюлозный материал широко доступен и получен из большого ресурса вещей. Некоторые культуры, используемые для производства целлюлозного этанола, включают свинец, кукурузу и гибридный тополь. Эти культуры быстро растут и могут выращиваться на многих типах земель, что делает их более универсальными. Целлюлозный этанол также может быть изготовлен из древесных отходов (чипсов и опилок), твердых бытовых отходов, таких как мусор или мусор, бумага и осадок сточных вод, хлопья соломы и травы. В частности, это непищевые части растительного материала, которые используются для производства целлюлозного этанола, что также минимизирует потенциальную стоимость использования пищевых продуктов в производстве.

Эффективность выращивания сельскохозяйственных культур с целью биомассы может сильно варьироваться в зависимости от географического положения участка. Например, такие факторы, как осаждение и воздействие солнечного света, могут сильно влиять на потребление энергии, необходимое для поддержания урожая, и, следовательно, влиять на общую выработку энергии. Исследование, проведенное в течение пяти лет, показало, что выращивание и управление коммутатором исключительно как энергетическая культура биомассы может производить 500% или более возобновляемых источников энергии, чем потребляется во время производства. Уровни выбросов ПГ и двуокиси углерода также резко снизились от использования целлюлозного этанола по сравнению с традиционным бензином.

Кукуруза против травы
В 2008 году для производства этанола было всего лишь небольшое количество отходов. Для того чтобы его выращивали на крупномасштабном производстве, он должен конкурировать с существующим использованием сельскохозяйственных земель, главным образом для производства сельскохозяйственных культур. Из 2,6 млрд. Акров (9,1 млн. Кв. Км) Соединенных Штатов из необорудованной земли 33% составляют лесные угодья, 26% пастбищных угодий и пастбищ и 20% сельскохозяйственных угодий. Исследование, проведенное Департаментами энергетики и сельского хозяйства США в 2005 году, определило, достаточно ли имеющихся земельных ресурсов для поддержания добычи более 1 млрд. Сухих тонн биомассы ежегодно, чтобы заменить 30% или более нынешнего использования в настоящее время жидких транспортных топлив. Исследование показало, что для использования этанола может быть доступно 1,3 млрд. Сухих тонн биомассы, мало изменив практику ведения сельского хозяйства и лесного хозяйства и выполнив требования к лесной продукции, продовольствию и волокнам. Недавнее исследование, проведенное Университетом Теннесси, сообщило, что для вывоза мусора потребуется выделить 100 млн. Акров (400 000 км2 или 154 000 кв. Миль) пахотных земель и пастбищ, чтобы компенсировать использование нефти на 25 процентов.

В настоящее время кукуруза легче и дешевле обрабатывать в этаноле по сравнению с целлюлозным этанолом. По оценкам Министерства энергетики, стоимость целлюлозного этанола составляет около 2,20 долл. США за галлон, что в два раза больше, чем этанол из кукурузы. Ферменты, разрушающие ткань клеточной стенки растений, стоят от 30 до 50 центов на галлон этанола по сравнению с 3 центами на галлон для кукурузы. Департамент энергетики надеется снизить к 2012 году себестоимость продукции до 1,07 долл. США за галлон. Тем не менее, целлюлозная биомасса дешевле производить, чем кукурузу, потому что она требует меньше ресурсов, таких как энергия, удобрения, гербицид и сопровождается меньшим эрозией почвы и улучшением плодородия почв. Кроме того, необработанные и необращенные твердые вещества, оставшиеся после производства этанола, могут быть сожжены для обеспечения топлива, необходимого для работы установки конверсии и производства электроэнергии. Энергия, используемая для запуска установок на основе этанола на основе кукурузы, получена из угля и природного газа. По оценкам Института местной самообеспеченности стоимость целлюлозного этанола из первого поколения коммерческих заводов будет в диапазоне от 1,90 до 2,25 долл. США за галлон, исключая стимулы. Это сопоставимо с текущей стоимостью 1,20-1,50 долл. США за галлон для этанола из кукурузы и текущей розничной ценой более 4,00 долл. США за галлон для обычного бензина (который субсидируется и облагается налогом).

Одной из основных причин увеличения использования биотоплива является сокращение выбросов парниковых газов. По сравнению с бензином, этанол сжигает чище, тем самым уменьшая количество углекислого газа и общее загрязнение воздуха. Кроме того, из сгорания образуются только низкие уровни смога. По данным Министерства энергетики США, этанол из целлюлозы снижает выбросы парниковых газов на 86 процентов по сравнению с бензином и этанолом на основе кукурузы, что снижает выбросы на 52 процента. Показано, что выбросы углекислого газа на 85% ниже, чем у бензина. Целлюлозный этанол мало влияет на парниковый эффект и имеет в пять раз лучший баланс энергии, чем этанол на основе кукурузы. При использовании в качестве топлива целлюлозный этанол выделяет меньше серы, окиси углерода, твердых частиц и парниковых газов. Целлюлозный этанол должен получать кредиты по сокращению выбросов производителей, что выше, чем у производителей, которые выращивают кукурузу для этанола, что составляет от 3 до 20 центов на галлон.

Требуется 0,76 Дж энергии от ископаемого топлива, чтобы получить 1 Дж этанола из кукурузы. Эта сумма включает использование ископаемого топлива, используемого для удобрения, топлива для тракторов, эксплуатации этанола и т. Д. Исследования показали, что ископаемое топливо может производить в пять раз больше этанола из прерийных трав, по словам Терри Райли, президента по вопросам политики на Партнерство по сохранению Теодор Рузвельт. Министерство энергетики Соединенных Штатов приходит к выводу, что этанол на основе кукурузы обеспечивает на 26 процентов больше энергии, чем требуется для производства, тогда как целлюлозный этанол обеспечивает на 80 процентов больше энергии. Целлюлозный этанол дает на 80 процентов больше энергии, чем требуется для выращивания и преобразования. Процесс превращения кукурузы в этанол требует примерно 1700 раз (по объему) столько воды, сколько производится этанолом. [Сомнительный — обсуждение] Кроме того, он оставляет в 12 раз больше объема в отходах. Зерновой этанол использует только съедобную часть растения.

Целлюлоза не используется для пищевых продуктов и может выращиваться во всех частях мира. Весь завод можно использовать при производстве целлюлозного этанола. Коммутатор дает в два раза больше этанола на акр, чем кукурузу. Поэтому для производства требуется меньше земли и, следовательно, меньше фрагментация мест обитания. Материалы биомассы требуют меньше ресурсов, таких как удобрения, гербициды и другие химические вещества, которые могут представлять опасность для дикой природы. Их обширные корни улучшают качество почвы, уменьшают эрозию и усиливают захват питательных веществ. Травянистые энергетические культуры уменьшают эрозию почв более чем на 90% по сравнению с обычным товарным растением. Это может привести к улучшению качества воды для сельских общин. Кроме того, травянистые энергетические культуры добавляют органический материал к обедненным почвам и могут увеличить углерод почвы, что может оказать прямое влияние на изменение климата, поскольку почвенный углерод может поглощать углекислый газ в воздухе. По сравнению с товарным растением, биомасса уменьшает поверхностный сток и перенос азота. Switchgrass обеспечивает среду для обитания диких животных, главным образом насекомых и наземных птиц. Земля заповедника (CRP) состоит из многолетних трав, которые используются для целлюлозного этанола и могут быть доступны для использования.

В течение многих лет американские фермеры практиковали выращивание ярусов с такими культурами, как сорго и кукуруза. Из-за этого многое известно о влиянии этих методов на дикую природу. Самым значительным эффектом повышенного этанола кукурузы будет дополнительная земля, которая должна быть преобразована в сельскохозяйственное использование, а также увеличение использования эрозии и удобрений, которое будет сопровождаться сельскохозяйственным производством. Увеличение производства этанола за счет использования кукурузы может оказать негативное воздействие на дикую природу, масштабы которой будут зависеть от масштабов производства и того, была ли земля, используемая для этого увеличенного производства, ранее праздным, в естественном состоянии или засажена другим рядом культур. Другое соображение заключается в том, следует ли сажать монокультуру перешлите или использовать различные травы и другую растительность. Хотя смесь видов растительности, вероятно, обеспечит лучшую среду обитания диких животных, технология пока не разработана, чтобы позволить переработку смеси различных видов трав или видов растительности в биоэтанол. Конечно, производство целлюлозного этанола все еще находится в зачаточном состоянии, и возможность использования различных растительных стендов вместо монокультур заслуживает дальнейшего изучения, поскольку исследования продолжаются.

Исследование лауреата Нобелевской премии Поля Крутцена показало, что этанол, полученный из кукурузы, имел эффект «чистого потепления климата» по сравнению с маслом, когда полная оценка жизненного цикла правильно учитывает выбросы закиси азота (N20), которые происходят во время производства этанола кукурузы. Крутцен обнаружил, что урожаи с меньшим спросом на азот, такие как травы и древесные породы, имеют более благоприятные климатические воздействия.