الإيثانول السليلوزي هو الإيثانول (كحول الإيثيل) المنتج من السليولوز (الألياف الوتيرية للنبات) وليس من بذور النبات أو الفاكهة. وهو عبارة عن وقود حيوي ينتج من الأعشاب أو الخشب أو الطحالب أو غيرها من النباتات. الأجزاء الليفية من النباتات غير صالحة للأكل في الغالب للحيوانات ، بما في ذلك البشر ، باستثناء الحيوانات المجترة (الرعي ، الحيوانات المضغرة مثل الأبقار أو الأغنام).

يوجد اهتمام كبير بالإيثانول السليلوزي بسبب إمكاناته الاقتصادية المهمة. نمو السليلوز بواسطة النباتات هو آلية تقوم بتخزين الطاقة الشمسية وتخزينها كيميائياً بطرق غير سامة مع إمدادات ناتجة يسهل نقلها وتخزينها. بالإضافة إلى ذلك ، قد يكون النقل غير ضروري على أي حال ، لأن الحشائش أو الأشجار يمكن أن تنمو في أي مكان تقريبًا. ولهذا السبب ينظر إلى الإيثانول السليلوزي عمليًا على نطاق واسع على أنه المستوى التالي من التطور لصناعة الوقود الحيوي التي يمكن أن تقلل من الطلب على التنقيب عن النفط والغاز وحتى الطاقة النووية بطرق لا يستطيع وقود الإيثانول القائم على الحبوب وحده. هناك احتمال لوجود العديد من فوائد الوقود السائل الكربوني والبتروكيماويات (التي يعتمد عليها مستوى المعيشة اليوم) ولكن في دورة الكربون – طريقة متوازنة ومتجددة (إعادة تدوير سطح وكربون الغلاف الجوي بدلاً من ضخ الكربون تحت الأرض إلى داخلها وبالتالي إضافة إليه ). كما يمكن أن يتجنب الكحول السلولوزي العملي تجاريا واحدا من المشاكل في الوقود الحيوي التقليدي (القائم على الحبوب) اليوم ، وهو أنها تقيم منافسة للحبوب ذات أغراض غذائية ، مما قد يؤدي إلى ارتفاع أسعار الغذاء. حتى الآن ، ما يقف في طريق هذه الأهداف هو أن إنتاج الكحول السلولوزي ليس عمليًا بشكل كافٍ بعد على نطاق تجاري.

أساليب الانتاج
طريقتان لإنتاج الإيثانول من السليلوز هي:

عمليات التحلل الخلوي التي تتكون من التحلل المائي على المواد ذات الصفائح الخلوية سابقة التجهيز ، باستخدام الإنزيمات لكسر السليلوز المعقد إلى السكريات البسيطة مثل الجلوكوز ، يليها التخمر والتقطير.
تغويز يحول المادة الخام الصنعية إلى غاز أول أكسيد الكربون والهيدروجين. يمكن تحويل هذه الغازات إلى الإيثانول عن طريق التخمير أو الحفز الكيميائي.

كما هو معتاد لإنتاج الإيثانول النقي ، فإن هذه الطرق تشمل التقطير.

تحلل الخلايا (النهج البيولوجي)
مراحل إنتاج الإيثانول باستخدام المقاربة البيولوجية هي:

مرحلة “المعالجة المسبقة” ، لجعل المواد الليجلوسليلوزية مثل الخشب أو القش قابلة للتحلل المائي
تحلل السليولوز (أي ، تحلل الخلايا) مع cellulases ، لتحطيم الجزيئات إلى السكريات
فصل محلول السكر عن المواد المتبقية ، لا سيما اللجنين
التخمر الميكروبي لمحلول السكر
التقطير لإنتاج ما يقرب من 95 ٪ من الكحول النقي
الجفاف بواسطة غرابيل جزيئية لجلب تركيز الإيثانول إلى أكثر من 99.5٪

في عام 2010 ، تم تطوير سلالة خميرة معدلة وراثيا لإنتاج الإنزيمات الخاصة بهضم السيليولوز. بافتراض أن هذه التكنولوجيا يمكن زيادتها إلى مستويات صناعية ، فإنها ستزيل واحدة أو أكثر من خطوات خلل الخلايا ، مما يقلل من الوقت اللازم وتكاليف الإنتاج.

على الرغم من أن lignocellulose هو مورد المواد النباتية الأكثر وفرة ، إلا أن قابليتها للاستخدام تتقلص من خلال هيكلها الصلب. ونتيجة لذلك ، هناك حاجة إلى معالجة مسبقة فعالة لتحرير السليلوز من خامة اللجنين وبنيتها البلورية حتى يمكن الوصول إليها من أجل خطوة التحلل المائي التالية. إلى حد بعيد ، تتم معظم المعالجة المسبقة من خلال الوسائل الفيزيائية أو الكيميائية. لتحقيق كفاءة أعلى ، كل من المعالجة المادية والكيميائية مطلوبة. غالباً ما يطلق على المعالجة البدائية اسم “تصغير الحجم” لتقليل الحجم المادي للكتلة الحيوية. المعالجة الكيميائية هي إزالة الحواجز الكيميائية بحيث يمكن للأنزيمات الوصول إلى السليلوز من أجل التفاعلات الميكروبية.

حتى الآن ، تتضمن تقنيات المعالجة المتاحة التحلل المائي الحمضي ، انفجار البخار ، توسع ألياف الأمونيا ، organosolv ، المعالجة المسبقة للسلفيت ، تجزئة AVAP® (SO2-ethanol-water) ، الأكسدة الرطبة القلوية والمعالجة المسبقة للأوزون. إلى جانب تحرير السليلوز الفعال ، فإن المعالجة المسبقة المثالية تقلل من تكوين منتجات التحلل بسبب آثارها المثبطة على عمليات التحلل والتخمير اللاحقة. إن وجود مثبطات لن يزيد من تعقيد إنتاج الإيثانول فحسب ، بل يزيد أيضًا من تكلفة الإنتاج بسبب خطوات إزالة السموم. على الرغم من أن المعالجة المسبقة للحامض المائي هي على الأرجح أقدم تقنيات المعالجة وأكثرها درسًا ، فإنها تنتج العديد من مثبطات قوية بما في ذلك فورفرال وفورفورال هيدروكسي ميثيل (HMF) التي تعتبر إلى حد بعيد أكثر مثبطات السمية الموجودة في هيدرو ليزات الحامضية. توسيع ألياف الأمونيا (AFEX) هو معالجة مسبقة واعدة مع أي تأثير كابح في hydrolyzate الناتجة.

ﻣﻌﻈﻢ ﻋﻤﻠﻴﺎت اﻟﻤﻌﺎﻟﺠﺔ اﻟﻤﺴﺒﻘﺔ ﻻ ﺗﻜﻮن ﻓﻌﺎﻟﺔ ﻋﻨﺪ ﺗﻄﺒﻴﻘﻬﺎ ﻋﻠﻰ اﻟﻤﻮاد اﻷوﻟﻴﺔ ذات اﻟﻤﺤﺘﻮى اﻟﻌﺎﻟﻲ ﻣﻦ اﻟﻠﺨﻴﻨﻴﻦ ، ﻣﺜﻞ اﻟﻜﺘﻠﺔ اﻟﺤﻴﻮﻳﺔ اﻟﺤﺮﺟﻴﺔ. الأورجانوسولف ، SPORL (“معالجة سلفيت للتغلب على إعاكة lignocellulose”) وعمليات SO2-ethanol-water (AVAP®) هي العمليات الثلاث التي يمكن أن تحقق أكثر من 90٪ تحويل السليلوز للكتلة الحيوية للغابات ، خاصة تلك الأنواع من الخشب اللين. إن SPORL هي الأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة (إنتاج السكر لكل وحدة استهلاك للطاقة في المعالجة المسبقة) وعملية قوية لمعالجة مسبقة للكتلة الحيوية للغابات مع إنتاج منخفض جداً من مثبطات التخمير. إن عملية فصل الألياف العضوية من Organosolv فعالة بشكل خاص للأخشاب الصلبة وتوفر سهولة الانتعاش لمنتج اللجنين المصاب بالماء من خلال التخفيف والتهطال. تعمل عملية AVAP® بكفاءة على تجزئة جميع أنواع الخلايا الجذعية إلى سليولوز نظيف وسهل الهضم ، وسكريات هيميسيلولوز غير متدرجة ، ولجنين تفاعلي و lignosulfonates ، وتتميز باستعادة فعالة للمواد الكيميائية.

هناك نوعان رئيسيان من عملية التحلل بالسيليلوز (cellulolysis): تفاعل كيميائي باستخدام الأحماض ، أو تفاعل أنزيمي يستخدم cellulases.

عمليات cellulolytic
تتكون جزيئات السليولوز من سلاسل طويلة من جزيئات السكر. في التحلل المائي للسليلوز (أي ، تحلل الخلايا) ، يتم تقسيم هذه السلاسل لتحرير السكر قبل أن يتم تخميره لإنتاج الكحول.

تحليل مائي كيميائي
في الطرق التقليدية التي تم تطويرها في القرن التاسع عشر وفي بداية القرن العشرين ، يتم إجراء التحلل المائي بمهاجمة السليلوز بحمض. يمكن استخدام الحمض المخفف تحت حرارة عالية وضغط عالي ، أو يمكن استخدام حمض مركّز بدرجة أكبر في درجات حرارة منخفضة وضغط جوي. يتفاعل خليط السليولوز المعزول بالحامض والسكريات في وجود الماء لاستكمال جزيئات السكر الفردية (التحلل المائي). ثم يتم تحييد المنتج من هذا التحلل المائي ويتم استخدام تخمر الخميرة لإنتاج الإيثانول. كما ذكرنا ، هناك عقبة كبيرة أمام عملية الحمض المخفف وهي أن التحلل المائي قاس جدا لدرجة أنه يتم إنتاج منتجات التدهور السامة التي يمكن أن تتداخل مع التخمر. تستخدم BlueFire Renewables حمض مركّز لأنه لا ينتج تقريبا العديد من مثبطات التخمير ، ولكن يجب فصله عن تيار السكر لإعادة التدوير [الفصل الكروماتوجرافي المتحرك المتماثل (SMB) ، على سبيل المثال] لتكون جذابة تجاريا.

وجد علماء خدمة الأبحاث الزراعية أنهم يستطيعون الوصول إلى كل أنواع السكريات المتبقية من قش القمح. توجد السكريات في جدران الخلايا بالمصنع ، والتي يصعب تفكيكها. للوصول إلى هذه السكريات ، قام العلماء بمعالجة قش القمح بالبروكسايد القلوي ، ثم استخدموا الإنزيمات المتخصصة لتحطيم جدران الخلايا. أنتجت هذه الطريقة 93 غالون أمريكي (350 لتر) من الإيثانول لكل طن من قش القمح.

الإنزيمية
يمكن تقسيم سلاسل السليلوز إلى جزيئات الجلوكوز عن طريق إنزيمات سلولاز.

يحدث هذا التفاعل عند درجة حرارة الجسم في معدة الحيوانات المجترة مثل الأبقار والأغنام ، حيث يتم إنتاج الإنزيمات بواسطة الميكروبات. تستخدم هذه العملية عدة إنزيمات في مراحل مختلفة من هذا التحويل. باستخدام نظام إنزيمي مماثل ، يمكن تحلل المواد اللاجيلية الخلوية بطريقة إنزيمية في حالة معتدلة نسبيا (50 درجة مئوية ودرجة الحموضة 5) ، وبالتالي تمكين انهيار السليلوز الفعال دون تشكيل المنتجات الثانوية التي من شأنها أن تمنع نشاط الانزيم. تتطلب جميع طرق المعالجة الرئيسية ، بما في ذلك الحمض المخفف ، خطوة التحلل المائي الأنزيمي لتحقيق إنتاجية عالية من السكر لتخمر الإيثانول. وفي الوقت الحالي ، كانت معظم دراسات المعالجة المسبقة قائمة على المختبرات ، ولكن الشركات تستكشف وسائل للانتقال من المختبر إلى المستوى التجريبي أو الإنتاجي.

وقد ساهمت العديد من شركات الإنزيمات أيضًا في تحقيق اختراقات تكنولوجية مهمة في الإيثانول السليولوزي من خلال الإنتاج الضخم للأنزيمات من أجل التحلل المائي بأسعار تنافسية.

يستخدم الفطر Trichoderma reesei من قبل شركة Iogen Corporation لإفراز “الإنزيمات المهندسة بشكل خاص” لعملية التحلل المائي الإنزيمي. يجب معالجة المواد الخام (الخشب أو القش) مسبقًا لجعلها قابلة للتحلل المائي.

وهناك شركة كندية أخرى ، سون أوبتا ، تستخدم المعالجة المسبقة لاشتعال البخار ، وتوفر لها التكنولوجيا لمرفق Verenium (شركة Celunol Corporation) في جينينغز ، ولويزيانا ، ومرفق أبنغوا في سالامانكا ، وإسبانيا ، ومؤسسة كحول الموارد الصينية في تشودونغ. يستخدم مرفق إنتاج CRAC إلقاء الذرة كمادة خام.

وقد حصلت Genennor و Novozymes على تمويل من وزارة الطاقة الأمريكية للبحوث في خفض تكلفة cellulases ، والإنزيمات الرئيسية في إنتاج الإيثانول السليولوزي عن طريق التحليل المائي الإنزيمي. وكان أحد الاختراقات الأخيرة في هذا الصدد هو اكتشاف وإدراج مونوكسيجيناز عديد السكاريد lytic. هذه الانزيمات قادرة على زيادة كبيرة في عمل الخلايا الأخرى عن طريق مهاجمة الأكسدة السكريات السفلية.

وتقوم شركات إنزيمية أخرى ، مثل Dyadic International ، بتطوير فطريات معدلة وراثيا تنتج كميات كبيرة من إنزيمات cellulase و xylanase و hemicellulase ، والتي يمكن استخدامها لتحويل المخلفات الزراعية مثل حطب الذرة وحبوب التقطير وقش القمح ومسكر قصب السكر والطاقة. المحاصيل مثل التحول إلى السكريات المتخمرة التي يمكن استخدامها لإنتاج الإيثانول السليلوزي.

في عام 2010 ، اشترت شركة BP Biofuels حصة إيثانول من السليلوزية من Verenium ، والتي تم تشكيلها بنفسها بواسطة اندماج Diversa و Celunol ، والتي امتلكت و شغلت بشكل مشترك 1.4 مليون جالون (5،300 متر مكعب) في السنة مصنع مظاهرة في جينينغز ، لوس انجليس ، ومرافق المختبرات والموظفين في سان دييغو ، كاليفورنيا. تواصل BP Biofuels تشغيل هذه المرافق ، وقد بدأت المراحل الأولى لإنشاء مرافق تجارية. تم شحن الإيثانول المنتج في منشأة جينينغز إلى لندن ومزجها بالبنزين لتوفير الوقود للأولمبياد.

بدأت شركة KL Energy Corporation ، التي كانت تعمل في السابق في مجموعة KL Process Design Group ، عملية تجارية لمرفق الإيثانول السليلوزي الذي تبلغ قيمته 1.5 مليون دولار أمريكي (5،700 متر مكعب) سنويًا في Upton ، WY في الربع الأخير من عام 2007. يحقق مرفق Western Biomass Energy حاليًا إنتاج 40-45 جالون أمريكي (150-170 ليتر) لكل طن جاف. هذا هو أول منشأة تجارية تعمل بالإيثانول السليلوزي التجاري في البلاد. تستخدم عملية KL Energy انهيارًا ميكانيكيًا وتحويلًا إنزيميًا. يعتبر خام التغذية الأساسي هو الخشب اللين ، ولكن الاختبارات المعملية أثبتت بالفعل عملية KL Energy على فقاوة النبيذ ، قصب السكر في القصب ، النفايات الصلبة البلدية ، والتبديل.

التخمير الميكروبي
تقليديا ، منذ فترة طويلة الخميرة الخباز (Saccharomyces cerevisiae) ، وتستخدم في صناعة الجعة لإنتاج الإيثانول من hexoses (السكريات ستة الكربون). بسبب الطبيعة المعقدة للكربوهيدرات الموجودة في الكتلة الحيوية لجيلوسلولوسيك ، هناك كمية كبيرة من الزيلوز والأرابينوز (السكريات خمسة كربون المشتقة من جزء الهيميسليلوز من الليجنوسليلوز) موجودة أيضا في الهيدروليزيات. على سبيل المثال ، في hydrolyzate من حطب الذرة ، ما يقرب من 30 ٪ من مجموع السكريات المخمرة هو الزيلوز. ونتيجة لذلك ، فإن قدرة الكائنات الحية الدقيقة المخمرة على استخدام مجموعة كاملة من السكريات المتاحة من hydrolyzate أمر حيوي لزيادة القدرة التنافسية الاقتصادية للإيثانول السليلوزية والبروتينات biobased المحتملة.

في السنوات الأخيرة ، أظهرت الهندسة الأيضية للكائنات الحية الدقيقة المستخدمة في إنتاج الإيثانول الوقود تقدما كبيرا. بالإضافة إلى خميرة Saccharomyces cerevisiae ، تم استهداف الكائنات الدقيقة مثل Zymomonas mobilis و Escherichia coli من خلال هندسة التمثيل الغذائي لإنتاج الإيثانول السليلوزي.

مؤخرا ، وصفت الخمائر المهندسة بكفاءة تخمير الزيلوز ، و arabinose ، وحتى معا معا. تكون خلايا الخميرة جذابة بشكل خاص لعمليات الإيثانول السليلوزية لأنها استخدمت في التكنولوجيا الحيوية منذ مئات السنين ، وتتسامح مع تركيزات عالية من الإيثانول والمثبطات ويمكن أن تنمو عند قيم pH منخفضة للحد من التلوث البكتيري.

التحلل المائي المشترك والتخمر
تم العثور على بعض أنواع البكتيريا قادرة على التحويل المباشر لركيزة السليلوز في الإيثانول. مثال واحد هو كلوستريديوم thermocellum ، الذي يستخدم cellulosome معقدة لكسر السليلوز وتوليف الإيثانول. ومع ذلك ، ينتج C. thermocellum أيضًا منتجات أخرى أثناء عملية التمثيل الغذائي للسليلوز ، بما في ذلك الأسيتات واللاكتات ، بالإضافة إلى الإيثانول ، مما يقلل من كفاءة العملية. يتم توجيه بعض الجهود البحثية لتحسين إنتاج الإيثانول بواسطة البكتيريا الهندسية وراثية التي تركز على مسار إنتاج الإيثانول.

عملية تغويز (نهج حراري كيميائي)
لا تعتمد عملية التغويز على التحلل الكيميائي لسلسلة السليلوز (تحلل الخلايا). بدلا من كسر السليلوز إلى جزيئات السكر ، يتم تحويل الكربون في المادة الخام إلى غاز تخليقي ، باستخدام ما يعادل الاحتراق الجزئي. قد يتم بعد ذلك تغذية أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون والهيدروجين إلى نوع خاص من المخمر. بدلا من تخمر السكر مع الخميرة ، هذه العملية تستخدم بكتيريا كلوستريديوم جونغداهلي. ستقوم هذه الكائنات الدقيقة باستيعاب أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون والهيدروجين وتنتج الإيثانول والماء. يمكن تقسيم العملية إلى ثلاث خطوات:

تغويز – يتم تقسيم الجزيئات المعقدة القائمة على الكربون للوصول إلى الكربون كأول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون والهيدروجين
التخمير – تحويل أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون والهيدروجين إلى إيثانول باستخدام كلوستريديوم جونغداهلي
التقطير – يتم فصل الإيثانول عن الماء

وقد وجدت دراسة حديثة وجود بكتيريا Clostridium أخرى تبدو أنها ذات كفاءة مضاعفة في صنع الإيثانول من أول أكسيد الكربون كما هو مذكور أعلاه.

بدلا من ذلك ، يمكن تغذية الغاز التخليقي من تغويز إلى مفاعل حفاز حيث يتم استخدامه لإنتاج الإيثانول والكحول الأخرى أعلى من خلال عملية thermochemical. ويمكن لهذه العملية أيضا أن تولد أنواعًا أخرى من الوقود السائل ، وهو مفهوم بديل أثبتته بنجاح شركة إنركيم ومقرها مونتريال في منشآتها في ويستبري ، كيبيك.

هيمسيليلوز للإيثانول
يتم إجراء دراسات مكثفة لتطوير طرق اقتصادية لتحويل كل من السليولوز و الهيميسليلوز إلى إيثانول. يعتبر تخمير الغلوكوز ، المنتج الرئيسي لتحلل السليلوز ، للإيثانول تقنية راسخة وفعالة بالفعل. ومع ذلك ، فإن تحويل الزيلوز ، وهو سكر البنتوز من هيدروسيلوز هيدروزليت ، يعد عاملاً مقيدًا ، خاصة في وجود الجلوكوز. علاوة على ذلك ، لا يمكن تجاهلها لأن مادة الهيميسليلوز ستزيد من كفاءة وفعالية تكلفة إنتاج الإيثانول السليلوزي.

ساكاموتو (2012) وآخرون. أظهر إمكانات الميكروبات الهندسية الوراثية للتعبير عن إنزيمات هيميسيلولاز. قام الباحثون بإنتاج سلالة السكاروميا الخبيثة المعاد تجميعها والتي تمكنت من:

hydrolyze hemicellulase من خلال codisplaying endoxylanase على سطح الخلية ،
استيعاب الزيلوز عن طريق التعبير عن اختزال الزيلوز و xylitol dehydrogenase.

كانت السلالة قادرة على تحويل قش الأرز hydrolyzate إلى الإيثانول ، والذي يحتوي على مكونات hemicellulosic. علاوة على ذلك ، فقد تمكنت من إنتاج إيثانول بمقدار 2.5 مرة أكثر من سلالة التحكم ، مما يدل على عملية فعالة للغاية من هندسة سطح الخلية لإنتاج الإيثانول.

حاجز إنزيم التكلفة
السليلوز و hemicellulases المستخدمة في إنتاج الإيثانول السليلوزية هي أكثر تكلفة مقارنة مع نظرائهم من الجيل الأول. بلغت تكلفة الإنزيمات اللازمة لإنتاج إيثانول من حبوب الذرة 2.64-5.28 دولار أمريكي لكل متر مكعب من الإيثانول المنتج. من المتوقع أن تكلف الإنزيمات الخاصة بإنتاج الإيثانول السليلوزي 79.25 دولارًا أمريكيًا ، أي أنها أكثر تكلفة بنسبة 20 إلى 40 مرة. ترجع فروق التكلفة إلى الكمية المطلوبة. عائلة سلولز من الأنزيمات لديها واحد إلى اثنين من حجم أصغر من الكفاءة. لذلك ، فإنه يتطلب 40 إلى 100 مرة أكثر من أنزيم موجود في إنتاجه. لكل طن من الكتلة الحيوية يتطلب 15-25 كيلوغراما من الانزيم. وتشير التقديرات الأكثر حداثة إلى انخفاض ، مما يشير إلى أن 1 كغم من الإنزيم لكل طن جاف من خام التغذية للكتلة الحيوية. هناك أيضا تكاليف رأس المال المرتفعة نسبيا المرتبطة بأوقات الحضانة طويلة للسفينة التي تؤدي التحلل المائي الأنزيمي. وإجمالا ، تشتمل الإنزيمات على جزء كبير من 20-40٪ لإنتاج الإيثانول السليلوزي. وتقدر ورقة حديثة النطاق في 13-36 ٪ من التكاليف النقدية ، مع عامل رئيسي هو كيف يتم إنتاج إنزيم سلولاز. أما بالنسبة لإنتاج cellulase المنتج خارج الموقع ، فإن إنتاج الإنزيم يصل إلى 36٪ من التكلفة النقدية. بالنسبة للإنزيم المنتج في الموقع في مصنع منفصل ، فإن النسبة تساوي 29٪ ؛ لإنتاج الإنزيم المتكامل ، فإن الفصيل هو 13٪. إحدى الفوائد الرئيسية للإنتاج المتكامل هي أن الكتلة الحيوية بدلاً من الجلوكوز هي وسط نمو الإنزيم. تكلفة الكتلة الحيوية أقل ، ويجعل الإيثانول السليلوزي الناتج ينتج وقودًا ثانيًا من الجيل الثاني ، أي أنه لا يستخدم “طعامًا للوقود”.

المواد الأولية
بشكل عام ، هناك نوعان من المواد الأولية: الغابات (الخشبية) الكتلة الحيوية والكتلة الحيوية الزراعية. في الولايات المتحدة ، يمكن إنتاج ما يقرب من 1.4 مليار طن جاف من الكتلة الحيوية بشكل مستدام سنويًا. حوالي 370 مليون طن أو 30 ٪ من الكتلة الحيوية للغابات. تحتوي الكتلة الحيوية للغابات على نسبة أعلى من السليلوز ومحتوى اللجنين ومحتوى من الهيميسيلولوز والرم أقل من الكتلة الحيوية الزراعية. نظرًا للصعوبات وانخفاض إنتاج الإيثانول في تخمر المعالجة المسبقة للماء ، خاصة تلك التي تحتوي على 5 سكريات هيميسيلوز عالية الكربون مثل الزيلوز ، فإن الكتلة الحيوية للغابات لها مزايا كبيرة على الكتلة الحيوية الزراعية. كما تتميز الكتلة الحيوية للغابات بكثافة عالية مما يقلل بشكل كبير من تكلفة النقل. يمكن حصادها عامًا تقضي على التخزين على المدى الطويل. ويقلل المحتوى القريب من الرماد في الكتلة الحيوية للغابات بشكل كبير من الحمل الميت في النقل والمعالجة. من أجل تلبية الاحتياجات للتنوع البيولوجي ، ستكون الكتلة الحيوية للغابات مزيجًا مهمًا من مورّد الإمداد بالكتلة الحيوية في الاقتصاد المستقل بيوباسيد. ومع ذلك ، فإن الكتلة الحيوية للغابات أكثر تماسكًا من الكتلة الحيوية الزراعية. وفي الآونة الأخيرة ، طور مختبر المنتجات الحرجية التابع لوزارة الزراعة الأمريكية بالتعاون مع جامعة ويسكونسن ماديسون تكنولوجيات فعالة يمكنها التغلب على العوائق القوية للكتلة الحيوية للغابات (الخشبية) بما في ذلك الأنواع من الخشب اللين التي تحتوي على محتوى منخفض من الزيلان. يمكن أن توفر الزراعة المكثفة الدورية القصيرة أو زراعة الأشجار فرصة غير محدودة تقريباً لإنتاج الكتلة الحيوية للغابات.

تعتبر رقائق الخشب من الشقوق ومن قمم الأشجار ومن منشار الغبار الناجم عن مطاحن المنشار ، ولب الورق المستنفد ، من المواد الأولية المشتركة في الكتلة الحيوية للغابات لإنتاج الإيثانول السليلوزي.

فيما يلي بعض الأمثلة عن الكتلة الحيوية الزراعية:

Switchgrass (Panicum virgatum) هو العشب الأصلي العشب المرجانية. تشتهر هذه المعمرة ، التي تعرف بصعوبتها ونموها السريع ، خلال الأشهر الدافئة إلى ارتفاع يتراوح بين 2-6 أقدام. يمكن أن تزرع الـ Switchgrass في معظم أنحاء الولايات المتحدة ، بما في ذلك المستنقعات ، والسهول ، والجداول ، وعلى طول الشواطئ والطرق السريعة بين الولايات. إنها بذرة ذاتية (لا يوجد جرار للزرع ، فقط للحص) ، مقاومة للعديد من الأمراض والآفات ، ويمكن أن تنتج غلات عالية مع انخفاض استخدام الأسمدة والمواد الكيميائية الأخرى. كما أنها تتسامح مع التربة الفقيرة والفيضانات والجفاف. يحسن نوعية التربة ويمنع التآكل بسبب نوعه من نظام الجذر.

إن Switchgrass هو محصول تغطية معتمد للأراضي المحمية بموجب برنامج الاحتياطي الفيدرالي (CRP). CRP هو برنامج حكومي يدفع للمنتجين رسومًا مقابل عدم زراعة المحاصيل على الأراضي التي نمت فيها المحاصيل في الآونة الأخيرة. هذا البرنامج يقلل من تآكل التربة ، ويعزز جودة المياه ، ويزيد من موطن الحياة البرية. تعمل أرض CRP كموئل للعبة المرتفعة ، مثل الدراج والبط ، وعدد من الحشرات. تم النظر في استخدام الـ Switchgrass لإنتاج الوقود الحيوي في برنامج احتياطي الحفظ (CRP) ، مما قد يزيد الاستدامة البيئية ويخفض تكلفة برنامج CRP. ومع ذلك ، يجب تعديل قواعد CRP للسماح بهذا الاستخدام الاقتصادي لأرض CRP.

Miscanthus × giganteus هو مادة خام أخرى قابلة للحياة لإنتاج الإيثانول السليلوزي. هذا النوع من العشب هو الأصلي إلى آسيا ، وهو هجين ثلاثي عقيمة من ميسانثوس سينينسيس ومايسكانثوس ساكشريفلوروس. يمكن أن يصل طوله إلى 12 قدمًا (3.7 متر) مع قليل من الماء أو مخصبات الأسمدة. Miscanthus مشابه للتبادل فيما يتعلق بتحمل البرودة والجفاف وكفاءة استخدام المياه. تزرع Miscanthus تجاريا في الاتحاد الأوروبي كمصدر للطاقة القابلة للاشتعال.

تعتبر الكيزان الذرة وحطب الذرة هي الكتلة الحيوية الزراعية الأكثر شعبية.

وقد اقترح أن قد تصبح كودزو مصدرا قيما للكتلة الحيوية.

تأثيرات بيئيه
إن الأثر البيئي الناتج عن إنتاج الوقود عامل مهم في تحديد جدواها كبديل للوقود الأحفوري. على المدى الطويل ، قد يكون للاختلافات الصغيرة في تكلفة الإنتاج ، والعواقب البيئية ، وإنتاج الطاقة تأثيرات كبيرة. وقد وجد أن الإيثانول السليلوزي يمكن أن ينتج طاقة صافية إيجابية. إن الانخفاض في انبعاثات غازات الدفيئة من الإيثانول المستخرج من الذرة والايثانول السليولوزي مقارنة بالوقود الأحفوري أمر بالغ الأهمية. قد يخفض إيثانول الذرة إجمالي انبعاثات غازات الدفيئة بنحو 13٪ ، في حين أن هذا الرقم يبلغ حوالي 88٪ أو أكثر للإيثانول السليلوزي. كذلك ، يمكن أن يقلل الإيثانول السليلوزي من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون إلى ما يقارب الصفر.

الأراضي الزراعية
إن مصدر القلق الرئيسي لصلاحية الوقود البديل الحالي هو الأراضي الزراعية اللازمة لإنتاج المواد المطلوبة. على سبيل المثال ، يتنافس إنتاج الذرة لوقود الإيثانول المستخرج من الذرة مع الأراضي الزراعية التي يمكن استخدامها في نمو الأغذية والمواد الأولية الأخرى. الفرق بين هذا وإنتاج الإيثانول السليلوزي هو أن المواد السليلوزية متاحة على نطاق واسع وهي مشتقة من مورد كبير من الأشياء. بعض المحاصيل المستخدمة لإنتاج الإيثانول السليلوزي تشمل التبادل ، ووقار الذرة ، وحور الهجين. هذه المحاصيل سريعة النمو ويمكن زراعتها على أنواع كثيرة من الأراضي مما يجعلها أكثر تنوعا. كما يمكن صنع الإيثانول السليولوزي من بقايا الأخشاب (الرقائق ونشارة الخشب) ، والنفايات الصلبة البلدية مثل القمامة أو القمامة ، والورق وحمأة المجاري ، وقش الحبوب والحشائش. وهي بشكل خاص الأجزاء غير الصالحة للأكل من المواد النباتية التي تستخدم لصنع الإيثانول السليولوزي ، والذي يقلل أيضا من التكلفة المحتملة لاستخدام المنتجات الغذائية في الإنتاج.

يمكن أن تختلف فعالية زراعة المحاصيل لغرض الكتلة الحيوية بشكل كبير اعتمادًا على الموقع الجغرافي للحبكة. على سبيل المثال ، قد تؤثر عوامل مثل هطول الأمطار والتعرض لأشعة الشمس بشكل كبير على مدخلات الطاقة اللازمة للمحافظة على المحاصيل ، وبالتالي تؤثر على ناتج الطاقة الإجمالي. أظهرت دراسة أجريت على مدى خمس سنوات أن زراعة وتحويل الحصوات الوعائية حصرا كمحصول طاقة الكتلة الحيوية يمكن أن تنتج 500 ٪ أو أكثر من الطاقة المتجددة مما يستهلك أثناء الإنتاج. كما انخفضت مستويات انبعاثات غازات الدفيئة وثاني أكسيد الكربون بشكل كبير من استخدام الإيثانول السليلوزي مقارنة بالبنزين التقليدي.

الذرة القائم مقابل العشب
في عام 2008 ، لم يكن هناك سوى كمية صغيرة من التبادل المخصص لإنتاج الإيثانول. وحتى يتسنى إنتاجه على نطاق واسع ، يجب عليه التنافس مع الاستخدامات الحالية للأراضي الزراعية ، لا سيما لإنتاج السلع المحصولية. ومن مساحة الولايات المتحدة التي تبلغ مساحتها 2.26 مليار فدان (9.1 مليون كم 2) من الأراضي غير المعبدة ، هناك 33٪ من الأراضي الحرجية ، و 26٪ من المراعي والمراعي ، و 20٪ من الأراضي المحصولية. وقد حددت دراسة أجرتها وزارة الطاقة والزراعة الأمريكية في عام 2005 ما إذا كانت هناك موارد أرضية كافية للمحافظة على إنتاج أكثر من مليار طن جاف من الكتلة الحيوية سنويًا لتحل محل 30٪ أو أكثر من الاستخدام الحالي للوقود السائل في البلاد. ووجدت الدراسة أنه يمكن أن يكون هناك 1.3 مليار طن جاف من الكتلة الحيوية المتاحة لاستخدام الإيثانول ، عن طريق إجراء تغييرات طفيفة في الممارسات الزراعية والحرجية وتلبية متطلبات منتجات الغابات والغذاء والألياف. أشارت دراسة حديثة أجرتها جامعة تينيسي إلى أنه سيتم تخصيص ما يصل إلى 100 مليون فدان (400.000 كم مربع أو 154.000 ميل مربع) من الأراضي الزراعية والمراعي لإنتاج المحولات من أجل تعويض استخدام البترول بنسبة 25٪.

في الوقت الحالي ، تعتبر الذرة أسهل وأقل تكلفة في الإيثانول مقارنة بالإيثانول السليولوزي. تقدر وزارة الطاقة أنها تكلف حوالي 2.20 دولار للغالون الواحد لإنتاج الإيثانول السلولوزي ، وهو ضعف كمية الإيثانول من الذرة. تكلف الإنزيمات التي تدمر أنسجة جدار الخلايا النباتية من 30 إلى 50 سنت لكل غالون من الإيثانول مقارنة بـ 3 سنتات لكل جالون للذرة. تأمل وزارة الطاقة في خفض تكلفة الإنتاج إلى 1.07 دولار للغالون الواحد بحلول عام 2012 لتكون فعالة. ومع ذلك ، فإن الكتلة الحيوية السليلوزية أرخص في إنتاجها من الذرة ، لأنها تتطلب مدخلات أقل ، مثل الطاقة ، والأسمدة ، ومبيدات الأعشاب ، ويصاحبها تآكل أقل للتربة وتحسين خصوبة التربة. بالإضافة إلى ذلك ، تركت المواد الصلبة غير المتغيرة وغير المحولة بعد جعل الإيثانول يمكن حرقها لتوفير الوقود اللازم لتشغيل محطة التحويل وإنتاج الكهرباء. تستمد الطاقة المستخدمة لتشغيل محطات الإيثانول المستخرجة من الذرة من الفحم والغاز الطبيعي. ويقدر معهد الاعتماد على الذات المحلية أن تكلفة الإيثانول السليولوزي من الجيل الأول من المحطات التجارية ستكون في نطاق 1.90 إلى 2.25 دولار للجالون ، باستثناء الحوافز. ويقارن هذا بالتكاليف الحالية البالغة 1.20 – 1.50 دولار للغالون الواحد للإيثانول من الذرة وسعر التجزئة الحالي لأكثر من 4.00 دولار للغالون الواحد للبنزين العادي (المدعوم والضريبي).

أحد الأسباب الرئيسية لزيادة استخدام الوقود الحيوي هو الحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. بالمقارنة مع البنزين ، فإن الإيثانول يحترق أكثر نظافة ، مما يؤدي إلى تقليل كمية ثاني أكسيد الكربون والتلوث الكلي في الهواء. بالإضافة إلى ذلك ، يتم إنتاج مستويات منخفضة فقط من الضباب الدخاني من الاحتراق. ووفقًا لوزارة الطاقة الأمريكية ، فإن الإيثانول من السليلوز يقلل من انبعاث الغازات المسببة للاحتباس الحراري بنسبة 86٪ مقارنة بالبنزين والإيثانول المستخلص من الذرة ، مما يقلل الانبعاثات بنسبة 52٪. تبين أن انبعاثات غاز ثاني أكسيد الكربون أقل بنسبة 85٪ من تلك الناتجة عن البنزين. لا يسهم الإيثانول السليولوزي إلا قليلاً في تأثير الدفيئة ، ولديه رصيد طاقة صافٍ أفضل بخمسة أضعاف من الإيثانول المستخلص من الذرة. عند استخدامه كوقود ، يطلق الإيثانول السليلوزي كميات أقل من الكبريت ، وأول أكسيد الكربون ، والجسيمات ، وغازات الدفيئة. يجب أن يحصل الإيثانول السليولوزي على أرصدة لخفض الكربون لدى المنتجين ، أعلى من تلك الممنوحة للمنتجين الذين يزرعون الذرة للإيثانول ، والتي تتراوح من 3 إلى 20 سنت لكل غالون.

يأخذ 0.76 J من الطاقة من الوقود الأحفوري لإنتاج 1 J قيمة من الإيثانول من الذرة. يشمل هذا الإجمالي استخدام الوقود الأحفوري المستخدم للأسمدة ووقود الجرارات وتشغيل مصنع الإيثانول ، إلخ. وقد أظهرت الأبحاث أن الوقود الأحفوري يمكن أن ينتج أكثر من خمسة أضعاف حجم الإيثانول من أعشاب البراري ، وفقًا لما ذكره تيري رايلي ، رئيس السياسة في شراكة ثيودور روزفلت للحفظ. وتخلص وزارة الطاقة في الولايات المتحدة إلى أن الإيثانول المستخلص من الذرة يوفر طاقة أكثر بنسبة 26 في المائة مما يتطلبه الإنتاج ، بينما يوفر الإيثانول السليلوزي طاقة بنسبة 80 في المائة. ينتج الإيثانول السليولوزي طاقة بنسبة 80 بالمائة أكثر مما هو مطلوب للنمو وتحويله. تتطلب عملية تحويل الذرة إلى إيثانول حوالي 1700 مرة (من حيث الحجم) كمية المياه التي ينتجها الإيثانول. [مشكوك فيها – مناقشة] بالإضافة إلى ذلك ، فإنها تترك 12 ضعف حجم النفايات. يستخدم إيثانول الحبوب فقط الجزء الصالح للأكل من النبات.

السليلوز لا يستخدم للأغذية ويمكن زراعته في جميع أنحاء العالم. يمكن استخدام النبات بأكمله عند إنتاج الإيثانول السليلوزي. ينتج غراس جراس ضعف كمية الإيثانول لكل فدان من الذرة. لذلك ، هناك حاجة إلى مساحة أقل للإنتاج وبالتالي تقل تجزئة الموائل. تتطلب مواد الكتلة الحيوية مدخلات أقل ، مثل الأسمدة ومبيدات الأعشاب وغيرها من المواد الكيميائية التي يمكن أن تشكل مخاطر على الحياة البرية. جذورها الواسعة تحسين نوعية التربة ، والحد من تآكل ، وزيادة التقاط المغذيات. محاصيل الطاقة العشبية تقلل من تآكل التربة بنسبة تزيد عن 90 ٪ ، بالمقارنة مع إنتاج المحاصيل التقليدية للسلع الأساسية. وهذا يمكن أن يترجم إلى تحسين نوعية المياه للمجتمعات الريفية. بالإضافة إلى ذلك ، تضيف محاصيل الطاقة العشبية مادة عضوية إلى التربة المستنفدة ويمكن أن تزيد من كربون التربة ، والتي يمكن أن يكون لها تأثير مباشر على تغير المناخ ، حيث يمكن لربون التربة امتصاص ثاني أكسيد الكربون في الهواء. بالمقارنة مع إنتاج المحاصيل السلعية ، تخفض الكتلة الحيوية الجريان السطحي ونقل النيتروجين. يوفر Switchgrass بيئة للعديد من أماكن الحياة البرية ، خاصة الحشرات والطيور البرية. يتكون برنامج احتياطي الحفظ (CRP) من الأعشاب المعمرة ، والتي تستخدم للإيثانول السليلوزي ، وقد تكون متاحة للاستخدام.

لقد مارس المزارعون الأميركيون لسنوات زراعة المحاصيل الصفراء ، بمحاصيل مثل الذرة الرفيعة والذرة. وبسبب هذا ، هناك الكثير مما هو معروف عن تأثير هذه الممارسات على الحياة البرية. وسيكون التأثير الأهم لزيادة إيثانول الذرة هو الأرض الإضافية التي يتعين تحويلها إلى الاستخدام الزراعي والتآكل المتزايد واستخدام الأسمدة الذي يصاحب الإنتاج الزراعي. إن زيادة إنتاجنا من الإيثانول من خلال استخدام الذرة يمكن أن يؤدي إلى تأثيرات سلبية على الحياة البرية ، حيث يتوقف حجمها على حجم الإنتاج وما إذا كانت الأرض المستخدمة لهذا الإنتاج الزائد كانت في وضع الخمول سابقًا أو في حالة طبيعية أو مزروعة بالصف الآخر المحاصيل. وهناك اعتبار آخر هو ما إذا كان يجب زراعة نبات أحادي التبادل أو استخدام مجموعة متنوعة من الأعشاب والنباتات الأخرى. وبينما من المرجح أن يوفر خليط من أنواع النباتات موائل أفضل للحياة البرية ، فإن هذه التكنولوجيا لم تتطور بعد للسماح بمعالجة خليط من أنواع عشب أو أنواع نباتية مختلفة في البيوإيثانول. بالطبع ، لا يزال إنتاج الإيثانول السليلوزي في مهده ، وإمكانية استخدام مواقف نباتية متنوعة بدلاً من الزراعات الأحادية تستحق المزيد من الاستكشاف مع استمرار البحث.

وجدت دراسة قام بها بول كروتزن ، الحائز على جائزة نوبل ، أن الإيثانول المنتج من الذرة له تأثير “صافٍ للمناخ” عند مقارنته بالزيت عندما يأخذ تقييم دورة الحياة الكاملة بشكل صحيح انبعاثات أكسيد النيتروز (N20) التي تحدث أثناء إنتاج الإيثانول من الذرة. ووجد Crutzen أن المحاصيل التي تحتوي على كميات أقل من النيتروجين ، مثل الأعشاب وأنواع التكاثف الخشبية ، لها تأثيرات مناخية أفضل.