Исследовательская группа UD изобрела более эффективный процесс извлечения сахаров из древесной щепы, кукурузных початков и других органических отходов лесов и ферм. Это биовозобновляемое сырье могло бы служить более дешевой и устойчивой заменой нефти, используемой при производстве тонны на тонны потребительских товаров ежегодно — товаров, которые потребители хотят быть более экологичными. Согласно исследованию американских потребителей GfK MRI, опубликованному ранее в этом году, более половины потребителей в США готовы платить больше за экологически чистые продукты.Басудеб Саха, заместитель директора по исследованиям в Центре катализа для энергетических инноваций UD — Исследовательском центре Energy Frontier, назначенном Министерством энергетики США, — возглавил работу, в которой приняли участие ученые из UD и Университета Рутгерса.
Результаты опубликованы в ChemSusChem, ведущем междисциплинарном журнале, посвященном устойчивой химии.«Чтобы производить более экологичные химикаты и топливо, мы работаем с растительным материалом, но мы не хотим конкурировать с его пищевой ценностью», — сказал Саха. «Поэтому вместо того, чтобы брать кукурузу и извлекать из нее сахар для производства этанола, мы используем стебли и початки, оставшиеся после уборки кукурузы, а также другие виды отходов, такие как древесная стружка и рисовая шелуха».Хотя в последнее десятилетие наблюдается сдвиг в сторону использования таких отходов, называемых лигноцеллюлозной биомассой, для создания химикатов для производства биоразлагаемых пластиков, фармацевтических препаратов, косметики и биотоплива, предприятиям биопереработки трудно найти стабильные поставки и сопряжены с высокими затратами на переработку.
Хотя древесная щепа и кукурузные початки могут показаться простыми и недорогими материалами, их трудно разложить химическим путем.«Лигнин, который делает их клеточные стенки такими прочными и прочными, действует как суперклей, плотно удерживая сахара», — сказал Саха.UD изобретает одноступенчатую технологию
В настоящее время промышленность отделяет сахар от лигнина с помощью двухэтапного процесса с использованием агрессивных химикатов и условий реакции на первом этапе и дорогостоящего фермента на втором этапе. Этот процесс делает получаемые сахара дорогими, а конечные продукты, хотя и возобновляемые, менее конкурентоспособными, чем продукты, произведенные с использованием нефти.Однако процесс, изобретенный в UD, — это всего лишь один шаг.
Он не требует отдельной стадии предварительной обработки, обычно используемой на предприятиях биоперерабатывающего завода, для разложения лигнина из полимерных целлюлозы и гемицеллюлозы. Одностадийная технология UD объединяет этап предварительной обработки и гидролиз целлюлозы и гемицеллюлозы в одной емкости и работает при значительно низкой температуре (85 ° C) и коротком времени реакции (один час), что делает метод энергоэффективным. Он также эффективен с точки зрения воды.Ключом к технологии, которая была подана UD в качестве международной заявки на патент, является использование концентрированного раствора неорганической соли в присутствии небольшого количества минеральной кислоты.
Концентрированный раствор соли требует минимального количества воды. Раствор разбухает частицы древесины или другой биомассы, позволяя раствору взаимодействовать с волокнами, как газета разбухает, когда на нее проливается вода.По словам Саха, уникальные свойства солевого раствора делают этот метод очень эффективным с теоретическим выходом сахаров до 95 процентов.Более того, команда объединила этот процесс с другим этапом, называемым реакцией дегидратации, которая превращает сахара в фураны в том же сосуде и позволяет рециркулировать солевой раствор.
Фураны — это универсальные соединения, используемые в качестве исходных материалов для производства специальных химикатов.Инновация UD предполагает интенсификацию процесса, выполнение нескольких этапов комплексным образом, что приводит к использованию меньшего количества энергии и воды.
Эта концепция, реализованная в широком масштабе, находится в центре внимания RAPID, производственного института США, возглавляемого Американским институтом инженеров-химиков, в котором также участвует UD в качестве ключевого игрока.«Наш процесс позволяет — впервые — экономично производить потоки сырья, которые могут значительно улучшить экономику целлюлозных биопродуктов, производимых ниже по цепочке, не говоря уже об экологических преимуществах замены нефти», — говорит Саха. «В 2010 году было зарегистрировано более 10 миллиардов метрических тонн выбросов углерода в результате использования традиционных ископаемых видов топлива и химикатов, что оказывает долгосрочное катастрофическое воздействие на нашу окружающую среду».