biom.cz › zprávy z tisku › Výzkum optimalizace výroby etanolu z biomasy v USA

ZPRÁVY Z TISKU

Výzkum optimalizace výroby etanolu z biomasy v USA

Vědci americké výzkumné organizace ARS (Agricultural Research Service) pracují na výzkumu optimalizace výroby celulózního etanolu, jeho výtěžku a rovněž mikrobiální nezávadnosti fermentačního procesu.

Veškerá rostlinná hmota obsahuje sacharidy, které by mohly být fermentovány pro výrobu celulozního etanolu. To je důvod toho, proč vědci americké výzkumné organizace ARS (Agricultural Research Service) v centru National Center for Agricultural Utilization Research (NVAUR) v Peorii ve strátě Illinois pracují na optimalizaci výroby celulózního etanolu a jeho výtěžku, od pole k palivovému čerpadlu.

Komerční produkce celulózního etanolu bude pravděpodobně zásobována různorodou sbírkou rostlinných výchozích produktů. Urychlení komerční produkce bude záviset na nalezení výchozích produktů, které mají vhodný obsah sacharidů, nalezení nákladově efektivních způsobů, které uvolní cukry uložené v těchto sacharidech a nalezení mikroorganismů, které fermentují veškeré cukry.

Chemik ARS Badal Saha, který pracuje v jednotce NCAUR Bioenergy Research Unit, právě dokončil 5letou studii a učinil závěr, že pšeničná sláma – zbytek plodiny zbylý po sklizni obilí – by mohla mít komerční potenciál pro výrobu celulózního etanolu.

Rozhodujícím krokem v konverzi celulózy je nalezení efektivních způsobů předběžného ošetření různých výchozích produktů a rozložení buněčných stěn, kde je uložena většina cukrů. Existuje dlouhý seznam možností předběžných ošetření, která využívají řadu chemických a fyzikálních procesů a každé má své výhody a nevýhody.

Saha zjistil, že by mohl zpřístupnit a fermentovat téměř veškeré sacharidy v pšeničné slámě, když ji předběžně ošetří alkalickým peroxidem vodíku a pak použije enzymy, aby rozložil celulózu na cukry pro fermentaci v procesu nazývaném „enzymatická sacharifikace“. Výtěžek etanolu byl cca 93 gallonů na tunu pšeničné slámy. A navíc: tento přístup nevytvářel látky zvané „fermentační inhibitory“, které se někdy vyvíjejí jako výsledek dynamiky předběžného ošetření a snižují výtěžek etanolu.

Předběžné ošetření pšeničné slámy vápencem mělo také za výsledek dobrý výtěžek etanolu – cca 83 gallonů na tunu slámy. Jako s předběžným ošetřením alkalickým peroxidem vodíku předběžné ošetření vápencem nepodnítilo vývoj fermentačních inhibitorů a vytvořilo cukry, které byly snadno fermentovány. To je také mnohem levnější alternativa oproti předběžnému ošetření alkalickým peroxidem vodíku.

Výzkumník také získal dobré výtěžky etanolu, když kombinoval ječnou slámu s pšeničnou slámou. Rýžové plevy se také ukázaly slibnými jako výchozí materiál pro biopalivo, ačkoli jejich vysoký obsah oxidu křemičitého snížil finální výtěžek etanolu na pouze cca 59 gallonů na tunu výchozího produktu.

Ačkoli procesy konverze celulózy na etanol často využívají pro fermentaci kvasnice, konvenční kvasnice nejsou schopny fermentování všech cukrů uvolňovaných z celulózních výchozích produktů. Proto výzkumník pracoval namísto toho s bakteriemi a použil kmen bakterie Escherichia coli, která je geneticky modifikována tak, aby podpořila jejich fermentační schopnosti. Chtěl zjistit, jestli by tento kmen mohl udržet dobrou míru fermentace na průmyslové výrobní úrovni.

Výzkumníci testovali E.coli nepřetržitě po čtyři měsíce, kdy fermentovala pšeničnou slámu. Výsledky ukazovaly, že nedošlo k žádným ztrátám bakteriální produktivity. Výtěžek etranolu zůstával během studie konzistentní, což je dobrá známka toho, že E. coli může udržovat dobrou míru fermentace v dlouhodobých produkčních cyklech.

Výzkumníci jsou připraveni přesunout se do dalšího stadia. Ve čtyřech pokusech úspěšně demonstrovali konverzi pšeničné slámy na etanol v měřítku 10 l. Nyní ji chtějí zvýšit na 100 litrů a provést analýzu nákladů produkčního procesu.

Podnik na etanol není dokonalým místem. Várka tekutin, chemikálií a rostlinné hmoty používaná k výrobě etanolu poskytuje podmínky také pro organismy, které mohou infikovat tento systém a narušovat produkci, pokud špatní činitelé, což jsou obvykle druhy bakterií, které vytvářejí kyselinu mléčnou, nejsou pod kontrolou.

Tyto bakterie mohou rychle růst a prospívat v prostředích s nízkým pH a relativně vysokým obsahem alkoholu, v podmínkách, které se běžně vyskytují při výrobě etanolu. Tyto organismy podporují růst rostlinnými cukry, které by jinak byly fermentovány na alkohol. A když se tyto bakterie zmocní těchto cukrů pro svůj vlastní růst, produkují mléčnou a octovou kyselinu, což škodí fermentačním kvasnicím.

Výsledek: „zaseknutá“ fermentace. Někdy se o ni mohou postarat antibiotika, ale jindy je třeba infikované provozy zcela odstavit pro důkladné vyčištění.

Mikrobiolog a genetik, kteří pracují ve výzkumné jednotce NCAUR – Renewable Product Technology Research Unit, se nyní stali také neoficiálními epidemiology výroby etanolu. Chronické infekce mohou snižovat výtěžky etanolu o 2 – 4 %, což je mnoho v podniku, který produkuje 100 milionů gallonů etanolu za rok.

Výzkumníci se rozhodli provést kontrolu identity mikrobů, které produkci etanolu narušují. Sesbírali vzorky bakterií z komerčního provozu výroby etanolu z obilí s vlhkým mletím, který nebyl nikdy ošetřen antibiotiky a z podniku se suchým mletím, které je ošetřováno antibiotiky po přemnožení bakterií a nebylo aktivně infikováno v čase studie. Zjistili, že většina bakteriálních izolátů které sesbírali obou provozů, byly odlišné typy bakterií mléčného kvašení.

Po prozkoumání citlivosti těchto vzorků na antibiotika vyvinuli výzkumníci model s použitím třepačky pro simulování bakteriální kontaminace a infekce. Zjistili, že když testovací kultury byly inokulovány bakterií Lactobacillus fermentum – jedním z nejběžnějších zdrojů bakteriální infekce v podnicích pro výrobu etanolu, výtěžky etanolu klesly o 27 %. Tyto infekce by mohly někdy být léčeny ošetřením virginiamycinem, antibiotikem běžně používaným v průmyslu etanolu. Ale jeden kmen L. fermentum je již vůči tomuto ošetření resistentní.

Výzkumníci doufají, že jejich model může pomoci průmyslu etanolu vyvinout alternativní metody potlačování bakteriálních přemnožení a zlepšovat výrobní proces.

Bakteriální kontaminace je jedinečnou nikou ve výzkumu etanolu. Je to nová záležitost a oblast, kde ARS může podporovat průmysl a mít skutečně význam. Tento výzkum podporuje prioritu amerického ministerstva zemědělství vyvíjení nových zdrojů bioenergie.

Agricultural Research, vol. 58, 2010, č. 4, s. 20 – 21

Datum uveřejnění: 29. července 2010
Poslední změna: 29. července 2010
Počet shlédnutí: 191