Авиационната индустрия произвежда 2 процента от глобалните емисии на въглероден диоксид, предизвикани от човека. Този дял може да изглежда сравнително малък - в перспектива производството на електроенергия и отопление на жилищата представляват повече от 40 процента - но авиацията е един от най-бързо развиващите се източници на парникови газове в света. Предполага се, че търсенето на въздушни пътувания ще се удвои през следващите 20 години.
Авиокомпаниите са под натиск да намалят въглеродните си емисии и са силно уязвими към колебанията на цените на петрола в световен мащаб. Тези предизвикателства предизвикаха силен интерес към произведените от биомаса реактивни горива. Био-реактивното гориво може да се произвежда от различни растителни материали, включително маслодайни култури, захарни култури, нишестени растения и лигноцелулозна биомаса по различни химични и биологични пътища. Технологиите за преобразуване на петрола в реактивно гориво обаче са в по-напреднал етап на развитие и водят до по-висока енергийна ефективност от други източници.
Ние инженерираме захарна тръстика, най-производителното предприятие в света, за да произвеждаме масло, което може да се превърне в био-реактивно гориво. В скорошно проучване установихме, че използването на тази инженерна захарна тръстика може да доведе до повече от 2500 литра био-реактивно гориво на декар земя. Казано по-просто, това означава, че Boeing 747 може да лети за 10 часа на био-реактивно гориво, произведено върху само 54 декара земя. В сравнение с два конкурентни растителни източника - соя и ятрофа, липидканът би произвеждал съответно около 15 и 13 пъти повече реактивно гориво на единица земя.
Създаване на захарна тръстика с двойно предназначение
Био-реактивните горива, получени от суровини, богати на петрол, като камелина и водорасли, са успешно изпитани в доказателство за полети на концепцията. Американското дружество за изпитване и материали одобри смесица от 50:50 от петролна основа на реактивно гориво и хидропреработено възобновяемо реактивно гориво за търговски и военни полети.
Въпреки това, дори след значителни усилия за научни изследвания и комерсиализация, текущите обеми на производство на био-реактивно гориво са много малки. Постигането на тези продукти ще изисква по-нататъшни подобрения на технологиите и изобилни нискотарифни суровини (култури, използвани за производството на горивото).
Захарната тръстика е добре познат източник на биогорива: Бразилия ферментира сок от захарна тръстика, за да произвежда гориво на алкохолна основа от десетилетия. Етанолът от захарна тръстика дава 25 процента повече енергия от количеството, използвано по време на производствения процес, и намалява емисиите на парникови газове с 12 процента в сравнение с изкопаемите горива.
Беритба на захарна тръстика в Бразилия (Джонатан Уилкинс, CC BY-SA) Чудехме се дали можем да увеличим производството на натурално масло в завода и да използваме маслото за производство на биодизел, което осигурява още по-големи ползи за околната среда. Биодизелът дава 93 процента повече енергия, отколкото е необходимо за производството му, и намалява емисиите с 41 процента в сравнение с изкопаемите горива. Етанолът и биодизелът могат да се използват както в био-реактивно гориво, но технологиите за преобразуване на растително масло в реактивно гориво са в напреднал етап на развитие, дават висока енергийна ефективност и са готови за широкомащабно внедряване.
Когато за първи път предложихме инженерна захарна тръстика за производство на повече масло, някои от колегите ни смятаха, че сме луди. Растенията със захарна тръстика съдържат само 0, 05 процента масло, което е твърде малко, за да се превърне в биодизел. Много растителни учени теоретизираха, че увеличаването на количеството на нефт до 1 процент би било токсично за растението, но нашите компютърни модели прогнозираха, че можем да увеличим производството на петрол до 20 процента.
С подкрепата на Агенцията за енергийна разработка на Министерството на енергетиката, ние стартирахме изследователски проект, наречен „Заводи, проектирани да заменят масло в захарна тръстика и сорго, или PETROSS, през 2012 г. Оттогава чрез генното инженерство увеличихме производството на нефт и мастни киселини за постигане на 12 процента масло в листата на захарна тръстика.
Бутилка масло, произведено от PETROSS липидкан (Claire Benjamin / University of Illinois, CC BY-ND) Сега работим за постигането на 20 процента масло - теоретичната граница според нашите компютърни модели - и насочваме това натрупване на масло към стъблото на растението, където то е по-достъпно, отколкото в листата. Предварителните ни проучвания показват, че дори когато инженерните растения произвеждат повече масло, те продължават да произвеждат захар. Ние наричаме тези инженерни растения липидкан.
Множество продукти от липидкан
Lipidcane предлага много предимства за фермерите и околната среда. Изчисляваме, че отглеждането на липидкан, съдържащ 20 процента масло, би било пет пъти по-изгодно на декар от соята, основната суровина, която в момента се използва за производство на биодизел в Съединените щати, и два пъти по-рентабилна на декар от царевицата.
За да бъде устойчиво, биореактивното гориво също трябва да е икономично да се обработва и да има високи производствени добиви, които минимизират използването на обработваемата земя. Ние смятаме, че в сравнение със соята, липидканът, съдържащ 5 процента масло, може да произведе четири пъти повече реактивно гориво на декар земя. Липидканът с 20 процента масло би могъл да произвежда повече от 15 пъти повече реактивно гориво на декар.
А липидканът предлага и други енергийни предимства. Частите на растението, останали след извличане на сок, известни като багаз, могат да бъдат изгорени за производство на пара и електричество. Според нашия анализ това би генерирало повече от достатъчно електроенергия за захранване на биопреработвателната фабрика, така че излишъкът от енергия може да бъде продаден обратно в мрежата, измествайки електроенергията, произведена от изкопаеми горива - практика, която вече се използва в някои инсталации в Бразилия за производство на етанол от захарна тръстика.
Евентуална американска биоенергийна култура
Захарната тръстика процъфтява на пресечена земя, която не е подходяща за много хранителни култури. В момента се отглежда главно в Бразилия, Индия и Китай. Ние също проектираме липидкан да бъде по-устойчив на студ, така че да може да се отглежда по-широко, особено в югоизточните части на Съединените щати на недостатъчно използвана земя.
Карта на района на растеж на студоустойчив липидкан (PETROSS) Ако отделим 23 милиона декара в югоизточната част на Съединените щати на липидкан с 20 процента масло, смятаме, че тази реколта може да доведе до 65 процента от доставката на американско реактивно гориво. В момента, в сегашните долари, това гориво би струвало на авиокомпаниите 5, 31 долара за галон, което е по-малко от биореактивно гориво, произведено от водорасли или други маслодайни култури като соя, рапица или палмово масло.
Липидканът може да се отглежда и в Бразилия и други тропически райони. Както неотдавна съобщихме в Nature Climate Change, значително разширяването на производството на захарна тръстика или липидкан в Бразилия може да намали настоящите глобални емисии на въглероден диоксид с до 5, 6 процента. Това би могло да се осъществи, без да се въздейства на области, които бразилското правителство определи като чувствителни към околната среда, като например тропическите гори.
В преследване на „енергийна тръстика“
Нашите изследвания за липидкан също включват генно инженерство на растението, за да го фотосинтезират по-ефективно, което се превръща в повече растеж. В статия от 2016 г. в Science, един от нас (Стивън Лонг) и колеги от други институции демонстрираха, че подобряването на ефективността на фотосинтезата при тютюна увеличава растежа му с 20 процента. В момента предварителните изследвания и страничните полеви изпитвания предполагат, че сме подобрили фотосинтетичната ефективност на захарната тръстика с 20 процента и с близо 70 процента при хладни условия.
Нормална захарна тръстика (вляво), растяща до инженерна захарна тръстика PETROSS, която е видимо по-висока и буйна, при полеви изпитвания в Университета на Флорида. (Фреди Алтпетер / Университет на Флорида, CC BY-ND) Сега нашият екип започва работа по създаването на по-високодобивен сорт захарна тръстика, която ние наричаме „енергийна тръстика“, за да постигнем повече производство на нефт на декар. Имаме повече основи за покриване, преди да може да бъде комерсиализиран, но разработването на жизнеспособно предприятие с достатъчно количество петрол за икономическо производство на биодизел и био-реактивно гориво е основна първа стъпка.
Забележка на редактора: Тази статия е актуализирана, за да се изясни, че изследването на Стивън Лонг и други, публикувано в Science през 2016 г., включва подобряване на ефективността на фотосинтезата в тютюневите растения.
Тази статия първоначално е публикувана в The Conversation.
Дийпак Кумар, докторантура, Университет на Илинойс в Урбана-Шампан
Стивън П. Лонг, професор по науките за растенията и биологията на растенията, Университета на Илинойс в Урбана-Шампан
Виджай Сингх, професор по селскостопанско и биологично инженерство и директор на Интегрирана лаборатория за изследователска обработка на биопроцесори, Университета на Илинойс, Урбана-Шампань
