Jämfört med första generationens biobränslen framställda av livsmedelsgrödor, produktion av andra generationens biobränslen för dagligt bruk är en akut fråga. I den här studien, forskare utvecklade en ny flytande zwitterion av karboxylattyp som ett lösningsmedel för biomassa, som skulle kunna lösa upp cellulosa med mycket låg toxicitet för mikroorganismer. Användning av detta nya lösningsmedel möjliggör en betydande minskning av energikostnaden för etanolproduktion från icke-livsmedelsbiomassa. Således, andra generationens etanolproduktion av biobränsle är i sikte på praktisk implementering.

Etanol framställs från livsmedelsgrödor som majs, och därmed utgör ett hot mot livsmedelsförsörjningen. Det är därför nödvändigt att producera etanol från icke-livsmedelsbiomassa som ogräs, slösa papper, etc. Lösningsmedel som behövs för produktion av andra generationens biobränsleetanol är mycket giftiga för mikroorganismer. Komplicerade processer är nödvändiga för att avlägsna sådana mycket giftiga lösningsmedel, som att tvätta med vatten, separation genom centrifugering och kompression. Som ett resultat, energin som återvinns i denna etanol är mindre än den som krävs för att producera den, dvs. det finns en negativ energibalans och en större belastning på miljön. Det ansågs omöjligt att lösa detta problem, eftersom ett starkt lösningsmedel behövdes för att bryta ner motsträviga växtmaterial som cellulosa, medan ett så hårt lösningsmedel skulle döda mikroorganismer som spelar väsentliga roller i den jäsning som är nödvändig för att producera etanol.

I föreliggande studie, forskare vid Kanazawa University, Japan, lyckats minska toxiciteten för mikroorganismer genom att utveckla ett nytt lösningsmedel, en flytande zwitterjon av karboxylattyp för upplösning av biomassacellulosa (Figur 1). EC50, koncentrationen av ett ämne som minskar tillväxten av Escherichia coli till 50 procent, visade sig vara 158 g/L för den nyutvecklade flytande zwitterjonen av karboxylattyp, EC50 för jonisk vätska, ett av de konventionella lösningsmedlen för cellulosa, var 9 g/L. Detta indikerar att den nya flytande zwitterjonen av karboxylattyp visar 17 gånger lägre toxicitet än den joniska vätskan.

Med Escherichia coli som kan producera etanol, jäsningsförmågan var nästan maximal i 0,5 mol/L flytande zwitterjon av karboxylattyp med en slutlig etanolkoncentration av 21 g/L. Å andra sidan, samma experiment med den joniska vätskan gav endast 1 g/L etanol. Således, jäsning i närvaro av den flytande zwitterjonen av karboxylattyp gav 21 gånger mer etanol än den som använde den joniska vätskan.

I ett annat experiment, bagass användes som startväxtbiomassa för etanolproduktion utan tvätt-/separationsprocesser. Fermentering i närvaro av den flytande zwitterjonen av karboxylattyp gav 1,4 g/L etanol, medan ingen etanol erhölls med den joniska vätskan på grund av dess höga toxicitet (Figur 2).

Med dessa experimentella resultat, det visas att genom att använda flytande zwitterion av karboxylattyp, växtbiomassa skulle kunna omvandlas till etanol i en enda reaktionskärl utan tvätt-/separationsprocesser. Detta utgör ett stort steg framåt i produktion och användning av andra generationens biobränsleetanol genom att minska stora mängder energi.

Förutom första generationens och andra generationens biobränsleetanol, en tredje generationens biobränsle, en sorts olja, kan vara gjorda av vissa algarter. För att få en sådan tredje generationens biobränsle från alger, polysackarider som cellulosa, som är huvudkomponenter i cellväggar, måste lösas upp. Energieffektiviteten skulle öka mycket om lösta polysackarider kunde omvandlas till etanol. Ytterligare utveckling av vår nuvarande studie skulle väsentligt bidra till produktionen av inte bara andra generationens utan även tredje generationens biobränsleetanol.