Beroende på petroleumbränslen och rasande skogsbränder:Två separata, storskaliga utmaningar som skulle kunna lösas genom ett enda vetenskapligt genombrott.

Team från Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och Sandia National Laboratories har samarbetat för att utveckla en strömlinjeformad och effektiv process för att omvandla vedartade växtmaterial som skogsöverväxt och jordbruksavfall - material som för närvarande bränns antingen avsiktligt eller oavsiktligt - till flytande biobränsle. Deras forskning publicerades nyligen i tidskriften ACS Sustainable Chemistry &Engineering .

"Enligt en färsk rapport, år 2050 kommer det att finnas 38 miljoner ton torr vedartad biomassa tillgänglig varje år, vilket gör det till en exceptionellt riklig kolkälla för produktion av biobränsle, sa Carolina Barcelos, en senior processingenjör vid Berkeley Labs Advanced Biofuels and Bioproducts Process Development Unit (ABPDU).

Dock, ansträngningar att omvandla vedartad biomassa till biobränsle hindras vanligtvis av träets inneboende egenskaper som gör det mycket svårt att bryta ned kemiskt, tillade ABPDU-forskaren Eric Sundström. "Våra två studier beskriver en billig omvandlingsväg för biomassakällor som annars skulle brännas på fältet eller i sneda högar, eller öka risken och svårighetsgraden av säsongsbetonade skogsbränder. Vi har förmågan att omvandla dessa förnybara kolkällor från luftföroreningar och brandrisker till ett hållbart bränsle."

I en studie ledd av Barcelos och Sundström, forskarna använde giftfria kemikalier, kommersiellt tillgängliga enzymer, och en speciellt konstruerad stam av jäst för att omvandla ved till etanol i en enda reaktor, eller "kruka". Vidare, en efterföljande teknisk och ekonomisk analys hjälpte teamet att identifiera de nödvändiga förbättringarna som krävdes för att nå etanolproduktion till $3 per bensingallonekvivalent (GGE) via denna omvandlingsväg. Arbetet är den första end-to-end-processen någonsin för etanolproduktion från vedartad biomassa med både hög omvandlingseffektivitet och en enkel konfiguration med en behållare. (Som alla kockar vet, recept med en kruka är alltid enklare än de som kräver flera krukor, och i detta fall, det betyder också lägre vatten- och energianvändning.)

I en kompletterande studie, ledd av John Gladden och Lalitendu Das vid Joint BioEnergy Institute (JBEI), ett team finjusterade one-pot-processen så att den kunde omvandla Kalifornien-baserad vedartad biomassa – som tall, mandel, valnöt, och granskräp – med samma effektivitetsnivå som befintliga metoder som används för att omvandla örtartad biomassa, även när ingången är en blandning av olika träslag.

"Att ta bort vedartad biomassa från skogar, som Sierras övervuxna tallar, och från jordbruksområden som mandelodlingarna i Kaliforniens Central Valley, vi kan ta itu med flera problem samtidigt:katastrofala skogsbränder i brandbenägna tillstånd, luftföroreningsrisker från kontrollerad förbränning av skörderester, och vårt beroende av fossila bränslen, sa Das, en postdoktor vid JBEI och Sandia. "Dessutom, vi skulle avsevärt minska mängden kol som tillförs atmosfären och skapa nya jobb inom bioenergiindustrin."

Etanol används redan som en utsläppsreducerande tillsats i konventionell bensin, utgör vanligtvis cirka 10 % av den gas vi pumpar in i våra bilar och lastbilar. Vissa specialfordon är utformade för att drivas på bränsle med högre etanolsammansättningar på upp till 83 %. Dessutom, Etanolen som genereras från växtbiomassa kan användas som en ingrediens för att tillverka mer komplexa diesel- och jetbränslen, som hjälper till att minska koldioxidutsläppen i de svårelektrifierade flyg- och fraktsektorerna. För närvarande, den vanligaste källan till biobaserad etanol är majskärnor – ett stärkelsehaltigt material som är mycket lättare att bryta ner kemiskt, men kräver mark, vatten, och andra resurser att producera.

Dessa studier indikerar att vedartad biomassa effektivt kan brytas ned och omvandlas till avancerade biobränslen i en integrerad process som är kostnadskonkurrenskraftig med stärkelsebaserad majsetanol. Dessa tekniker kan också användas för att producera "drop-in" biobränslen som är kemiskt identiska med föreningar som redan finns i bensin och diesel.

Nästa steg i detta arbete är att utveckla, design, och distribuera tekniken i pilotskala, vilket definieras som en process som omvandlar ett ton biomassa per dag. Berkeley Lab-teamen arbetar med Aemetis, ett avancerat företag för förnybara bränslen och biokemikalier baserat i Bay Area, att kommersialisera tekniken och lansera den i större skala när pilotfasen är klar.