Zellulose-Ethanol ist Ethanol (Ethylalkohol), das aus Zellulose (der faserigen Faser einer Pflanze) und nicht aus Samen oder Früchten der Pflanze hergestellt wird. Es ist ein Biokraftstoff, der aus Gräsern, Holz, Algen oder anderen Pflanzen hergestellt wird. Die faserigen Teile der Pflanzen sind für Tiere, einschließlich Menschen, außer für Wiederkäuer (grasende, wiederkäuende Tiere wie Kühe oder Schafe) weitgehend ungenießbar.

Aufgrund seines großen wirtschaftlichen Potenzials besteht ein erhebliches Interesse an Celluloseethanol. Das Wachstum von Zellulose durch Pflanzen ist ein Mechanismus, der die Solarenergie chemisch in nicht-toxischer Weise einfängt und speichert, mit daraus resultierendem Material, das leicht zu transportieren und zu lagern ist. Zusätzlich kann der Transport sowieso unnötig sein, da Gräser oder Bäume fast überall gemäßigt wachsen können. Aus diesem Grund wird kommerziell praktikables Celluloseethanol weithin als eine nächste Entwicklungsstufe für die Biokraftstoffindustrie betrachtet, die die Nachfrage nach Öl- und Gasbohrungen und sogar Kernkraft auf eine Weise reduzieren könnte, die auf kornbasiertem Ethanolkraftstoff allein nicht möglich ist. Es besteht Potenzial für die vielen Vorteile kohlenstoffhaltiger flüssiger Brennstoffe und Petrochemikalien (von denen der heutige Lebensstandard abhängt), aber im Kohlenstoffkreislauf – ausgewogen und erneuerbar (Recycling von Kohlenstoff in der Oberfläche und in der Atmosphäre anstatt unterirdisches Kohlenstoffmaterial hineinzupumpen und so zu ergänzen ). Kommerziell praktizierbarer Zellulosealkohol könnte auch eines der Probleme mit den heutigen konventionellen (Getreide-basierten) Biokraftstoffen vermeiden, nämlich dass sie einen Wettbewerb um Getreide zu Nahrungsmittelzwecken aufbauen, was möglicherweise den Preis für Nahrungsmittel in die Höhe treibt. Diesen Zielen steht bislang entgegen, dass die Herstellung von Cellulosealkohol im kommerziellen Maßstab noch nicht ausreichend praktikabel ist.

Produktionsmethoden
Die zwei Wege zur Herstellung von Ethanol aus Cellulose sind:

Zellulolyseverfahren, die aus Hydrolyse auf vorbehandelten Lignocellulosematerialien bestehen, wobei Enzyme verwendet werden, um komplexe Zellulose in einfache Zucker wie Glukose zu brechen, gefolgt von Fermentation und Destillation.
Vergasung, die den lignocellulosischen Rohstoff in gasförmiges Kohlenmonoxid und Wasserstoff umwandelt. Diese Gase können durch Fermentation oder chemische Katalyse in Ethanol umgewandelt werden.

Wie bei der Produktion von reinem Ethanol üblich, umfassen diese Methoden die Destillation.

Zellulolyse (biologischer Ansatz)
Die Stufen zur Herstellung von Ethanol mit einem biologischen Ansatz sind:

Eine „Vorbehandlungs“ phase, um das lignocellulosehaltige Material wie Holz oder Stroh hydrolysierbar zu machen
Cellulose-Hydrolyse (dh Cellulolyse) mit Cellulasen, um die Moleküle in Zucker aufzuspalten
Trennung der Zuckerlösung von den Reststoffen, insbesondere Lignin
Mikrobielle Fermentation der Zuckerlösung
Destillation zur Herstellung von etwa 95% reinem Alkohol
Entwässerung durch Molekularsiebe, um die Ethanolkonzentration auf über 99,5% zu bringen

Im Jahr 2010 wurde ein gentechnisch veränderter Hefestamm entwickelt, um eigene Zellulose verdauende Enzyme zu produzieren. Unter der Annahme, dass diese Technologie auf ein industrielles Niveau skaliert werden kann, würde sie einen oder mehrere Schritte der Zellulolyse eliminieren, wodurch sowohl die erforderliche Zeit als auch die Produktionskosten reduziert würden.

Obwohl Lignocellulose die häufigste Ressource pflanzlichen Materials ist, wird ihre Verwendbarkeit durch ihre starre Struktur eingeschränkt. Als Ergebnis wird eine wirksame Vorbehandlung benötigt, um die Cellulose aus der Lignin-Dichtung und ihrer kristallinen Struktur freizusetzen, um sie für einen nachfolgenden Hydrolyseschritt zugänglich zu machen. Die meisten Vorbehandlungen werden mit physikalischen oder chemischen Mitteln durchgeführt. Um eine höhere Effizienz zu erreichen, sind sowohl physikalische als auch chemische Vorbehandlungen erforderlich. Die physikalische Vorbehandlung wird oft als Verkleinerung bezeichnet, um die physikalische Größe der Biomasse zu reduzieren. Chemische Vorbehandlung soll chemische Barrieren entfernen, so dass die Enzyme Zugang zu Cellulose für mikrobielle Reaktionen haben können.

Bis heute umfassen die verfügbaren Vorbehandlungstechniken Säurehydrolyse, Dampfexplosion, Ammoniakfaserausdehnung, Organosolv, Sulfitvorbehandlung, AVAP (SO2-Ethanol-Wasser) -Fraktionierung, alkalische Nassoxidation und Ozonvorbehandlung. Neben einer effektiven Cellulosefreisetzung muss eine ideale Vorbehandlung die Bildung von Abbauprodukten aufgrund ihrer hemmenden Wirkung auf nachfolgende Hydrolyse- und Fermentationsprozesse minimieren. Das Vorhandensein von Inhibitoren wird nicht nur die Ethanolproduktion weiter erschweren, sondern auch die Produktionskosten aufgrund von Entgiftungsschritten erhöhen. Obwohl die Vorbehandlung durch Säurehydrolyse wahrscheinlich die älteste und am besten untersuchte Vorbehandlungstechnik ist, erzeugt sie mehrere potente Inhibitoren, einschließlich Furfural und Hydroxymethylfurfural (HMF), die bei weitem als die toxischsten Inhibitoren angesehen werden, die in lignocellulosehaltigem Hydrolysat vorhanden sind. Die Ammoniakfaser-Expansion (AFEX) ist eine vielversprechende Vorbehandlung ohne hemmende Wirkung auf das resultierende Hydrolysat.

Die meisten Vorbehandlungsverfahren sind nicht wirksam, wenn sie auf Einsatzmaterialien mit hohem Ligningehalt wie Waldbiomasse angewendet werden. Organosolv, SPORL („Sulfit-Vorbehandlung zur Überwindung der Rückständigkeit von Lignocellulose“) und SO2-Ethanol-Wasser (AVAP®) sind die drei Verfahren, mit denen eine Umwandlung von mehr als 90% in Waldbiomasse, insbesondere in Nadelholzarten, erreicht werden kann. SPORL ist die energieeffizienteste (Zuckerproduktion pro Einheit Energieverbrauch in der Vorbehandlung) und robustes Verfahren zur Vorbehandlung von Waldbiomasse mit sehr geringer Produktion von Gärungsinhibitoren. Organosolv-Aufschluß ist besonders wirksam für Harthölzer und bietet eine leichte Rückgewinnung eines hydrophoben Ligninprodukts durch Verdünnen und Ausfällen. Der AVAP®-Prozess fraktioniert effektiv alle Arten von Lignocellulose in saubere hochverdauliche Cellulose, nicht abgebaute Hemicellulosezucker, reaktives Lignin und Lignosulfonate und zeichnet sich durch effiziente Rückgewinnung von Chemikalien aus.

Es gibt zwei hauptsächliche Cellulose-Hydrolyse- (Cellulolyse-) Prozesse: eine chemische Reaktion unter Verwendung von Säuren oder eine enzymatische Reaktion verwenden Cellulasen.

Zellulolytische Prozesse
Die Cellulosemoleküle bestehen aus langen Ketten von Zuckermolekülen. Bei der Hydrolyse von Cellulose (das heißt Cellulolyse) werden diese Ketten abgebaut, um den Zucker zu befreien, bevor er zur Alkoholproduktion fermentiert wird.

Chemische Hydrolyse
Bei den traditionellen Methoden, die im 19. Jahrhundert und zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelt wurden, wird die Hydrolyse durchgeführt, indem die Cellulose mit einer Säure angegriffen wird. Verdünnte Säure kann unter hoher Hitze und hohem Druck verwendet werden, oder konzentriertere Säure kann bei niedrigeren Temperaturen und atmosphärischem Druck verwendet werden. Eine entkristallisierte Cellulose-Mischung aus Säure und Zucker reagiert in Gegenwart von Wasser, um einzelne Zuckermoleküle zu vervollständigen (Hydrolyse). Das Produkt aus dieser Hydrolyse wird dann neutralisiert und die Hefefermentation wird zur Herstellung von Ethanol verwendet. Wie erwähnt, besteht ein bedeutendes Hindernis für den Prozess der verdünnten Säure darin, dass die Hydrolyse so hart ist, dass toxische Abbauprodukte erzeugt werden, die die Fermentation stören können. BlueFire Renewables verwendet konzentrierte Säure, da es nicht annähernd so viele Fermentationsinhibitoren produziert, sondern aus dem Zuckerstrom zur Wiederverwendung getrennt werden muss [simulierte Bewegtbett- (SMB-) chromatographische Trennung], um kommerziell attraktiv zu sein.

Wissenschaftler des Agricultural Research Service haben herausgefunden, dass sie fast alle verbleibenden Zucker in Weizenstroh erhalten und fermentieren können. Der Zucker befindet sich in den Zellwänden der Pflanze, die bekanntermaßen schwer abbaubar sind. Um Zugang zu diesen Zuckern zu erhalten, haben die Wissenschaftler das Weizenstroh mit alkalischem Peroxid vorbehandelt und dann spezielle Enzyme verwendet, um die Zellwände abzubauen. Diese Methode erzeugte 93 US-Gallonen (350 l) Ethanol pro Tonne Weizenstroh.

Enzymatische Hydrolyse
Celluloseketten können durch Cellulaseenzyme in Glucosemoleküle aufgebrochen werden.

Diese Reaktion tritt bei Körpertemperatur in den Mägen von Wiederkäuern wie Rindern und Schafen auf, wo die Enzyme von Mikroben produziert werden. Dieser Prozess verwendet mehrere Enzyme in verschiedenen Stadien dieser Umwandlung. Unter Verwendung eines ähnlichen enzymatischen Systems können Lignocellulosematerialien bei relativ milden Bedingungen (50 ° C und pH 5) enzymatisch hydrolysiert werden, wodurch ein effektiver Zellstoffabbau ohne die Bildung von Nebenprodukten, die ansonsten die Enzymaktivität hemmen würden, ermöglicht wird. Alle wichtigen Vorbehandlungsverfahren, einschließlich verdünnter Säure, erfordern einen enzymatischen Hydrolyseschritt, um eine hohe Zuckerausbeute für die Ethanolfermentation zu erreichen. Gegenwärtig sind die meisten Vorbehandlungsstudien im Labor durchgeführt worden, aber Unternehmen suchen nach Möglichkeiten, um vom Labor zum Pilot- oder Produktionsmaßstab überzugehen.

Verschiedene Enzymhersteller haben durch die Massenproduktion von Enzymen für die Hydrolyse zu wettbewerbsfähigen Preisen ebenfalls bedeutende technologische Durchbrüche bei Zelluloseethanol erzielt.

Der Pilz Trichoderma reesei wird von der Iogen Corporation verwendet, um „speziell entwickelte Enzyme“ für einen enzymatischen Hydrolyseprozess zu sezernieren. Ihr Rohstoff (Holz oder Stroh) muss vorbehandelt werden, um hydrolysierbar zu sein.

Ein weiteres kanadisches Unternehmen, SunOpta, nutzt eine Vorbehandlung mit Dampfexplosion und stellt seine Technologie dem Werk von Verenium (früher Celunol Corporation) in Jennings, Louisiana, dem Werk von Abengoa in Salamanca, Spanien, und einer China Resources Alcohol Corporation in Zhaodong zur Verfügung. Die CRAC-Produktionsstätte nutzt Maisstroh als Rohstoff.

Genencor und Novozymes haben vom US-Energieministerium die Finanzierung der Forschung zur Senkung der Kosten von Cellulasen, Schlüsselenzymen bei der Herstellung von Celluloseethanol durch enzymatische Hydrolyse, erhalten. Ein neuer Durchbruch in dieser Hinsicht war die Entdeckung und Einbeziehung von lytischen Polysaccharid-Monooxygenasen. Diese Enzyme sind in der Lage, die Wirkung anderer Cellulasen durch oxidativen Angriff auf ein Polysaccharidsubstrat signifikant zu verstärken.

Andere Enzym-Unternehmen, wie Dyadic International, entwickeln gentechnisch veränderte Pilze, die große Mengen an Cellulase-, Xylanase- und Hemicellulase-Enzymen produzieren, die zur Umwandlung von landwirtschaftlichen Rückständen wie Maisstroh, Brennkorn, Weizenstroh und Zuckerrohr-Bagasse und Energie verwendet werden können B. Rutenhirse zu fermentierbaren Zuckern, die zur Herstellung von Zellulose-Ethanol verwendet werden können.

Im Jahr 2010 kaufte BP Biofuels den Cellulose-Ethanol-Venture-Anteil von Verenium auf, das selbst aus der Fusion von Diversa und Celunol entstanden war und mit dem es eine gemeinsame Menge von 5.300 m3 pro Jahr besaß Demonstrationsanlage in Jennings, LA, und die Laboreinrichtungen und Mitarbeiter in San Diego, CA. BP Biofuels betreibt diese Anlagen weiterhin und hat in den ersten Phasen begonnen, kommerzielle Einrichtungen zu bauen. Im Werk Jennings hergestelltes Ethanol wurde nach London verschifft und mit Benzin vermischt, um Treibstoff für die Olympischen Spiele zu liefern.

KL Energy Corporation, vormals KL Process Design Group, begann im letzten Quartal 2007 mit dem kommerziellen Betrieb einer Zellulose-Ethanol-Anlage mit einer Kapazität von 5.700 m3 pro Jahr in Upton, WY. Die Anlage von Western Biomass Energy wird derzeit betrieben Ausbeuten von 150-170 L pro Tonne. Es ist das erste kommerzielle kommerzielle Zellulose-Ethanol-Anlage in der Nation. Der KL Energy-Prozess verwendet einen thermomechanischen Abbau- und enzymatischen Umwandlungsprozess. Das primäre Ausgangsmaterial ist weiches Holz, aber Labortests haben das KL Energy-Verfahren bereits auf Weintrester, Zuckerrohr-Bagasse, Siedlungsabfällen und Switchgrass nachgewiesen.

Mikrobielle Fermentation
Traditionell wird Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae) seit langem in der Brauereiindustrie zur Herstellung von Ethanol aus Hexosen (Zuckern mit sechs Kohlenstoffatomen) verwendet. Aufgrund der komplexen Natur der Kohlenhydrate, die in lignocellulosehaltiger Biomasse vorhanden sind, ist auch eine signifikante Menge an Xylose und Arabinose (Fünfkohlenstoffzucker, abgeleitet von dem Hemicelluloseanteil der Lignocellulose) in dem Hydrolysat vorhanden. Zum Beispiel sind im Maisstrohhydrolysat etwa 30% der gesamten fermentierbaren Zucker Xylose. Infolgedessen ist die Fähigkeit der fermentierenden Mikroorganismen, den gesamten Bereich von Zuckern, die aus dem Hydrolysat verfügbar sind, zu nutzen, von entscheidender Bedeutung, um die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit von Zellulose-Ethanol und möglicherweise biobasierten Proteinen zu erhöhen.

In den letzten Jahren hat das metabolische Engineering für Mikroorganismen, die bei der Herstellung von Treibstoffethanol verwendet werden, signifikante Fortschritte gezeigt. Neben Saccharomyces cerevisiae wurden Mikroorganismen wie Zymomonas mobilis und Escherichia coli durch Metabolic Engineering für die Herstellung von Celluloseethanol ins Visier genommen.

Kürzlich wurden gentechnisch veränderte Hefen beschrieben, die Xylose und Arabinose und sogar beide zusammen wirksam fermentierten. Hefezellen sind besonders attraktiv für Celluloseethanolprozesse, da sie seit Hunderten von Jahren in der Biotechnologie verwendet werden, gegenüber hohen Ethanol- und Inhibitorkonzentrationen tolerant sind und bei niedrigen pH-Werten wachsen können, um bakterielle Kontamination zu reduzieren.

Kombinierte Hydrolyse und Fermentation
Bei einigen Bakterienarten wurde eine direkte Umwandlung eines Cellulosesubstrats in Ethanol gefunden. Ein Beispiel ist Clostridium thermocellum, bei dem ein komplexes Cellulosom verwendet wird, um Cellulose zu spalten und Ethanol zu synthetisieren. C. thermocellum produziert jedoch auch andere Produkte während des Cellulose-Metabolismus, einschließlich Acetat und Lactat, zusätzlich zu Ethanol, was die Effizienz des Verfahrens verringert. Einige Forschungsbemühungen zielen darauf ab, die Ethanolproduktion durch gentechnische Veränderung von Bakterien, die sich auf den Ethanol-produzierenden Weg konzentrieren, zu optimieren.

Vergasungsprozess (thermochemischer Ansatz)
Der Vergasungsprozess beruht nicht auf einer chemischen Zersetzung der Cellulosekette (Cellulolyse). Anstatt die Cellulose in Zuckermoleküle zu zerlegen, wird der Kohlenstoff im Rohstoff in Synthesegas umgewandelt, wobei eine Teilverbrennung erforderlich ist. Das Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff können dann einer speziellen Art von Fermenter zugeführt werden. Anstelle von Zuckerfermentation mit Hefe verwendet dieses Verfahren Clostridium ljungdahlii-Bakterien. Dieser Mikroorganismus wird Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff aufnehmen und Ethanol und Wasser produzieren. Der Prozess kann somit in drei Schritte unterteilt werden:

Vergasung – Komplexe kohlenstoffbasierte Moleküle werden aufgebrochen, um auf den Kohlenstoff als Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff zuzugreifen
Fermentation – Konvertieren Sie Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff unter Verwendung des Clostridium ljungdahlii-Organismus in Ethanol
Destillation – Ethanol wird von Wasser getrennt

Eine neuere Studie hat ein anderes Clostridium-Bakterium gefunden, das bei der Herstellung von Ethanol aus Kohlenmonoxid doppelt so effizient zu sein scheint wie das oben erwähnte.

Alternativ kann das Synthesegas aus der Vergasung einem katalytischen Reaktor zugeführt werden, wo es zur Herstellung von Ethanol und anderen höheren Alkoholen durch einen thermochemischen Prozess verwendet wird. Dieser Prozess kann auch andere Arten von flüssigen Kraftstoffen erzeugen, ein alternatives Konzept, das erfolgreich von der in Montreal ansässigen Firma Enerkem in ihrem Werk in Westbury, Quebec, demonstriert wurde.

Hemicellulose zu Ethanol
In intensiven Studien werden wirtschaftliche Methoden entwickelt, um sowohl Cellulose als auch Hemicellulose in Ethanol umzuwandeln. Die Fermentation von Glucose, dem Hauptprodukt von Cellulosehydrolysat, zu Ethanol ist eine bereits etablierte und effiziente Technik. Die Umwandlung von Xylose, dem Pentosezucker von Hemicellulose-Hydrolysat, ist jedoch ein begrenzender Faktor, insbesondere in Gegenwart von Glucose. Darüber hinaus kann es nicht außer Acht gelassen werden, da Hemicellulose die Effizienz und Kosteneffizienz der Herstellung von Celluloseethanol erhöht.

Sakamoto (2012) et al. zeigen das Potenzial von gentechnischen Mikroben, Hemicellulase-Enzyme zu exprimieren. Die Forscher erstellten einen rekombinanten Saccharomyces cerevisiae-Stamm, der in der Lage war:

hydrolysieren Hemicellulase durch codisplaying Endoxylanase auf seiner Zelloberfläche,
assimiliere Xylose durch Expression von Xylose-Reduktase und Xylitol-Dehydrogenase.

Der Stamm konnte Reisstrohhydrolysat in Ethanol umwandeln, das hemicellulosehaltige Komponenten enthält. Darüber hinaus war es in der Lage, 2,5x mehr Ethanol als der Kontrollstamm zu produzieren, was den hocheffektiven Prozess der Zelloberflächenentwicklung zur Herstellung von Ethanol zeigt.

Enzym-Kosten-Barriere
Cellulasen und Hemicellulasen, die bei der Herstellung von Celluloseethanol verwendet werden, sind im Vergleich zu ihren Gegenstücken der ersten Generation teurer. Enzyme, die für die Ethanolproduktion von Maiskörnern benötigt werden, kosten 2,64-5,28 US-Dollar pro Kubikmeter produzierten Ethanols. Enzyme für die Produktion von Zelluloseethanol werden voraussichtlich 79,25 US-Dollar kosten, was bedeutet, dass sie 20-40 Mal teurer sind. Die Kostenunterschiede werden der benötigten Menge zugeschrieben. Die Cellulase-Familie von Enzymen weist eine kleinere bis kleinere Größenordnung der Effizienz auf. Daher benötigt es 40- bis 100-mal mehr des Enzyms, das bei seiner Herstellung vorhanden ist. Für jede Tonne Biomasse werden 15 bis 25 Kilogramm Enzym benötigt. Jüngere Schätzungen sind niedriger, was auf 1 kg Enzym pro Trockentonne Biomasse-Ausgangsmaterial hindeutet. Mit den langen Inkubationszeiten für das Gefäß, das die enzymatische Hydrolyse durchführt, sind auch relativ hohe Kapitalkosten verbunden. Insgesamt umfassen Enzyme einen wesentlichen Anteil von 20-40% für die Herstellung von Celluloseethanol. Ein kürzlich veröffentlichtes Papier schätzt den Bereich auf 13-36% der Cash-Kosten, wobei ein Schlüsselfaktor darin besteht, wie das Cellulase-Enzym hergestellt wird. Für Cellulase, die extern hergestellt wird, beträgt die Enzymproduktion 36% der Barmittelkosten. Für vor Ort in einer separaten Anlage hergestelltes Enzym beträgt die Fraktion 29%; für die integrierte Enzymproduktion beträgt die Fraktion 13%. Einer der Hauptvorteile der integrierten Produktion ist, dass Biomasse statt Glucose das Enzymwachstumsmedium ist. Biomasse kostet weniger und macht das resultierende Zellulose-Ethanol zu 100% Biokraftstoff der zweiten Generation, dh es wird keine „Nahrung für Treibstoff“ verwendet.

Rohstoffe
Im Allgemeinen gibt es zwei Arten von Rohstoffen: Wald (holzige) Biomasse und landwirtschaftliche Biomasse. In den USA können jährlich etwa 1,4 Milliarden Tonnen Biomasse nachhaltig produziert werden. Etwa 370 Millionen Tonnen oder 30% sind Waldbiomasse. Waldbiomasse hat einen höheren Cellulose- und Ligningehalt und einen niedrigeren Hemicellulose- und Aschegehalt als landwirtschaftliche Biomasse. Wegen der Schwierigkeiten und der geringen Ethanolausbeute in dem fermentierenden Vorbehandlungshydrolysat, insbesondere solchen mit sehr hohen 5-Kohlenstoff-Hemicellulosezuckern, wie Xylose, hat die Waldbiomasse signifikante Vorteile gegenüber der landwirtschaftlichen Biomasse. Waldbiomasse hat auch eine hohe Dichte, was die Transportkosten signifikant reduziert. Es kann Jahr um Jahr geerntet werden, was Langzeitlagerung eliminiert. Der Aschegehalt der Waldbiomasse von nahezu Null reduziert signifikant die Eigenlast bei Transport und Verarbeitung. Um den Bedarf an biologischer Vielfalt zu decken, wird Waldbiomasse in der zukünftigen biobasierten Wirtschaft ein wichtiger Rohstoffbestand für Biomasse sein. Waldbiomasse ist jedoch viel widerspenstiger als landwirtschaftliche Biomasse. Vor kurzem hat das USDA Forest Products Laboratory zusammen mit der University of Wisconsin-Madison effiziente Technologien entwickelt, die die starke Widerspenstigkeit der (holzigen) Waldbiomasse, einschließlich derjenigen von Nadelholzarten mit niedrigem Xylan-Gehalt, überwinden können. Kurzumtrieb-Intensivkultur oder Baumanbau bieten eine nahezu unbegrenzte Chance für die Waldbiomasseproduktion.

Hackschnitzel von Schnittwunden und Baumkronen sowie Sägespäne von Sägewerken und Altpapierzellstoff sind gängige Biomasse-Rohstoffe für die Produktion von Zelluloseethanol.

Im Folgenden einige Beispiele für landwirtschaftliche Biomasse:

Switchgrass (Panicum virgatum) ist ein heimisches Hochgras-Präriegras. Bekannt für seine Widerstandsfähigkeit und schnelles Wachstum, wächst diese Staude in den warmen Monaten zu Höhen von 2-6 Fuß. Switchgrass kann in den meisten Teilen der Vereinigten Staaten angebaut werden, einschließlich Sumpfgebieten, Ebenen, Bächen und entlang der Uferstraßen und Autobahnen. Es ist selbstsetzend (kein Traktor für die Aussaat, nur zum Mähen), resistent gegen viele Krankheiten und Schädlinge, und kann hohe Erträge mit wenig Dünger und anderen Chemikalien erzielen. Es ist auch tolerant gegenüber armen Böden, Überschwemmungen und Dürre; verbessert die Bodenqualität und verhindert Erosion durch die Art des Wurzelsystems.

Switchgrass ist eine zugelassene Deckfrucht für Flächen, die unter dem föderalen Conservation Reserve Program (CRP) geschützt sind. CRP ist ein Regierungsprogramm, das den Erzeugern eine Gebühr dafür zahlt, dass sie auf dem Land, auf dem die Nutzpflanzen angebaut wurden, keine Kulturpflanzen anbauen. Dieses Programm reduziert die Bodenerosion, verbessert die Wasserqualität und erhöht den Lebensraum für Wildtiere. CRP Land dient als Lebensraum für Hochland Wild, wie Fasane und Enten, und eine Reihe von Insekten. Switchgrass für die Produktion von Biokraftstoffen wurde für den Einsatz im Conservation Reserve Program (CRP) in Erwägung gezogen, was die ökologische Nachhaltigkeit erhöhen und die Kosten des CRP-Programms senken könnte. Die CRP-Regeln müssten jedoch geändert werden, um diese wirtschaftliche Nutzung des CRP-Landes zu ermöglichen.

Miscanthus × giganteus ist ein weiteres geeignetes Ausgangsmaterial für die Herstellung von Celluloseethanol. Diese Grasart stammt aus Asien und ist die sterile triploide Hybride aus Miscanthus sinensis und Miscanthus sacchariflorus. Es kann bis zu 12 Fuß (3,7 m) groß werden mit wenig Wasser oder Dünger-Input. Miscanthus ist ähnlich wie Rutenhirse in Bezug auf Kälte- und Trockenheitstoleranz und Wassernutzungseffizienz. Miscanthus wird in der Europäischen Union als brennbare Energiequelle kommerziell angebaut.

Maiskolben und Maisstroh sind die beliebtesten landwirtschaftlichen Biomasse.

Es wurde vorgeschlagen, dass Kudzu eine wertvolle Quelle für Biomasse werden könnte.

Auswirkungen auf die Umwelt
Die Umweltbelastung durch die Herstellung von Kraftstoffen ist ein wichtiger Faktor für die Machbarkeit als Alternative zu fossilen Brennstoffen. Auf lange Sicht können kleine Unterschiede in den Produktionskosten, den Umweltauswirkungen und der Energieproduktion große Auswirkungen haben. Es wurde gefunden, dass Celluloseethanol eine positive Nettoenergieausbeute erzeugen kann. Die Reduktion der Treibhausgasemissionen von Maisethanol und Zelluloseethanol im Vergleich zu fossilen Brennstoffen ist drastisch. Maisethanol kann die Treibhausgasemissionen insgesamt um etwa 13% reduzieren, während es bei Zelluloseethanol etwa 88% oder mehr ist. Außerdem kann Zellulose-Ethanol die Kohlendioxidemissionen auf nahezu Null reduzieren.

Ackerland
Ein Hauptanliegen für die Lebensfähigkeit heutiger alternativer Brennstoffe ist das Ackerland, das benötigt wird, um die erforderlichen Materialien herzustellen. Zum Beispiel steht die Produktion von Mais für Ethanol-Maisbrennstoff im Wettbewerb mit Ackerland, das für das Nahrungsmittelwachstum und andere Rohstoffe verwendet werden kann. Der Unterschied zwischen dieser und der Zelluloseethanolproduktion besteht darin, dass Zellulosematerial weit verbreitet ist und von einer großen Quelle von Dingen stammt. Einige für die Herstellung von Celluloseethanol verwendete Feldfrüchte umfassen Switchgrass, Maisstroh und Hybridpappel. Diese Pflanzen sind schnell wachsend und können auf vielen Landsorten angebaut werden, was sie vielseitiger macht. Zelluloseethanol kann auch aus Holzresten (Späne und Sägemehl), Siedlungsabfällen wie Müll oder Müll, Papier und Klärschlamm, Getreidestroh und Gräsern hergestellt werden. Es sind insbesondere die nicht essbaren Teile von Pflanzenmaterial, die zur Herstellung von Zelluloseethanol verwendet werden, was auch die potentiellen Kosten der Verwendung von Nahrungsmittelprodukten in der Produktion minimiert.

Die Wirksamkeit des Anbaus von Kulturpflanzen für den Zweck von Biomasse kann je nach geografischer Lage des Grundstücks stark variieren. Zum Beispiel können Faktoren wie Niederschlag und Sonnenlicht den Energieeintrag stark beeinflussen, der erforderlich ist, um die Pflanzen zu erhalten, und daher die Gesamtenergieabgabe beeinflussen. Eine Studie, die über fünf Jahre durchgeführt wurde, zeigte, dass der Anbau und die Verwaltung von Switchgrass ausschließlich als Biomasse-Energiepflanze 500% oder mehr erneuerbare Energie produzieren kann, als während der Produktion verbraucht wird. Das Niveau der Treibhausgasemissionen und des Kohlendioxids wurde durch die Verwendung von Zellulose-Ethanol im Vergleich zu herkömmlichem Benzin ebenfalls drastisch gesenkt.

Maisbasiert vs. Grasbasiert
Im Jahr 2008 gab es nur eine kleine Menge Switchgrass für die Ethanolproduktion. Damit es in einer großflächigen Produktion angebaut werden kann, muss es mit der bestehenden Nutzung landwirtschaftlicher Flächen konkurrieren, vor allem für die Produktion von Erntegütern. Von den 9,2 Millionen Quadratkilometern der Vereinigten Staaten sind 33% Waldgebiete, 26% Weideland und Grünland und 20% Ackerland. Eine 2005 von den US-Energieministerien durchgeführte Studie hat ermittelt, ob genügend verfügbare Landressourcen zur Verfügung stehen, um die Produktion von jährlich über 1 Milliarde Tonnen Biomasse pro Jahr zu unterstützen, um 30% oder mehr der derzeitigen Nutzung flüssiger Kraftstoffe durch den Staat zu ersetzen. Die Studie ergab, dass 1,3 Milliarden Tonnen an Biomasse für den Ethanoleinsatz zur Verfügung stehen, indem die land- und forstwirtschaftlichen Praktiken kaum verändert werden und die Nachfrage nach forstwirtschaftlichen Produkten, Nahrungsmitteln und Fasern nicht befriedigt wird. Eine kürzlich von der Universität von Tennessee durchgeführte Studie berichtet, dass bis zu 400.000 Quadratkilometer (400.000 Quadratkilometer) Ackerland und Weideland für die Switchgrass-Produktion benötigt werden, um den Mineralölverbrauch um 25 Prozent zu kompensieren.

Gegenwärtig ist Mais im Vergleich zu Celluloseethanol leichter und weniger teuer in Ethanol zu verarbeiten. Das Department of Energy schätzt, dass es etwa $ 2,20 pro Gallone kostet, um Zellulose-Ethanol zu produzieren, was doppelt so viel ist wie Ethanol aus Mais. Enzyme, die pflanzliches Zellwandgewebe zerstören, kosten 30 bis 50 Cent pro Gallone Ethanol im Vergleich zu 3 Cent pro Gallone für Mais. Das Energieministerium will die Produktionskosten bis 2012 auf 1,07 USD pro Gallone reduzieren, um effektiv zu sein. Zellulosebiomasse ist jedoch billiger in der Herstellung als Mais, weil sie weniger Inputs benötigt, wie Energie, Dünger, Herbizid und wird von weniger Bodenerosion und verbesserter Bodenfruchtbarkeit begleitet. Zusätzlich können nichtfermentierbare und nicht umgewandelte Feststoffe, die nach der Herstellung von Ethanol zurückbleiben, verbrannt werden, um den Brennstoff bereitzustellen, der benötigt wird, um die Umwandlungsanlage zu betreiben und Elektrizität zu erzeugen. Die Energie, die für Mais-basierte Ethanol-Anlagen verwendet wird, stammt aus Kohle und Erdgas. Das Institut für lokale Selbständigkeit schätzt, dass die Kosten für Zellulose-Ethanol aus der ersten Generation von kommerziellen Pflanzen in der Spanne von 1,90 bis 2,25 US-Dollar pro Gallone liegen werden, ausgenommen Anreize. Dies steht im Vergleich zu den derzeitigen Kosten von 1,20 bis 1,50 US-Dollar pro Gallone für Ethanol aus Mais und dem aktuellen Verkaufspreis von über 4 US-Dollar pro Gallone für normales Benzin (das subventioniert und besteuert wird).

Einer der Hauptgründe für den verstärkten Einsatz von Biokraftstoffen ist die Verringerung der Treibhausgasemissionen. Im Vergleich zu Benzin verbrennt Ethanol sauberer und bringt somit weniger Kohlendioxid und Gesamtverschmutzung in die Luft. Außerdem werden nur geringe Mengen an Smog durch Verbrennung erzeugt. Nach Angaben des US-Energieministeriums reduziert Ethanol aus Zellulose die Treibhausgasemissionen um 86 Prozent im Vergleich zu Benzin und zu Ethanol auf Maisbasis, was die Emissionen um 52 Prozent senkt. Die Emissionen von Kohlendioxidgas sind um 85% niedriger als die von Benzin. Zelluloseethanol trägt wenig zum Treibhauseffekt bei und hat eine fünfmal bessere Nettowagenenergiebilanz als Ethanol auf Maisbasis. Wenn es als Brennstoff verwendet wird, setzt Zellulose-Ethanol weniger Schwefel, Kohlenmonoxid, Feinstaub und Treibhausgase frei. Zellulose-Ethanol sollte den Erzeugern Kohlenstoffreduktionsgutschriften einbringen, die höher sind als diejenigen, die den Produzenten, die Mais für Ethanol anbauen, gegeben werden, was etwa 3 bis 20 Cent pro Gallone entspricht.

Es benötigt 0,76 J Energie aus fossilen Brennstoffen, um 1 J Ethanol aus Mais zu produzieren. Diese Summe beinhaltet die Verwendung von fossilen Brennstoffen, die für Dünger, Traktorkraftstoff, Ethanolanlagenbetrieb usw. verwendet werden. Forschungen haben gezeigt, dass fossile Brennstoffe mehr als das Fünffache des Ethanolvolumens aus Präriegräsern produzieren können, so Terry Riley, President of Policy bei der Theodore Roosevelt Erhaltung Partnerschaft. Das US-Energieministerium kommt zu dem Schluss, dass auf Mais basierendes Ethanol 26 Prozent mehr Energie liefert, als für die Produktion benötigt wird, während Zellulose-Ethanol 80 Prozent mehr Energie liefert. Zelluloseethanol liefert 80 Prozent mehr Energie, als für den Anbau und die Umwandlung benötigt wird. Das Umwandeln von Mais in Ethanol erfordert etwa 1700-mal soviel Wasser, wie Ethanol produziert. [Dubios – discussive] Darüber hinaus hinterlässt es das 12-fache seines Volumens im Abfall. Getreideethanol verwendet nur den essbaren Teil der Pflanze.

Cellulose wird nicht für Lebensmittel verwendet und kann in allen Teilen der Welt angebaut werden. Die gesamte Pflanze kann bei der Herstellung von Zellulose-Ethanol verwendet werden. Switchgrass liefert doppelt so viel Ethanol pro Acre wie Mais. Daher wird weniger Land für die Produktion und somit weniger Lebensraumfragmentierung benötigt. Biomasse-Materialien erfordern weniger Input wie Dünger, Herbizide und andere Chemikalien, die Risiken für Wildtiere darstellen können. Ihre ausgedehnten Wurzeln verbessern die Bodenqualität, reduzieren die Erosion und erhöhen die Nährstoffaufnahme. Krautige Energiepflanzen reduzieren die Bodenerosion um mehr als 90% im Vergleich zur konventionellen Produktion von Grundnahrungsmitteln. Dies kann zu einer verbesserten Wasserqualität für ländliche Gemeinden führen. Darüber hinaus fügen krautige Energiepflanzen den abgereicherten Böden organisches Material hinzu und können den Kohlenstoffgehalt des Bodens erhöhen, was sich direkt auf den Klimawandel auswirken kann, da der Kohlenstoff im Boden Kohlendioxid in der Luft absorbieren kann. Im Vergleich zur Produktion von Nutzpflanzen verringert Biomasse den Oberflächenabfluss und den Stickstofftransport. Switchgrass bietet eine Umgebung für verschiedene Arten von Wildtieren, hauptsächlich Insekten und Bodenvögel. Conservation Reserve Program (CRP) Land besteht aus mehrjährigen Gräsern, die für Zellulose-Ethanol verwendet werden, und möglicherweise für den Einsatz zur Verfügung stehen.

Seit Jahren praktizieren amerikanische Farmer Reihenanbau mit Getreide wie Sorghum und Mais. Aus diesem Grund ist viel über die Auswirkungen dieser Praktiken auf die Tierwelt bekannt. Der bedeutendste Effekt von erhöhtem Maisethanol wäre das zusätzliche Land, das in landwirtschaftliche Nutzung umgewandelt werden müsste, sowie die verstärkte Erosion und Düngung, die mit der landwirtschaftlichen Produktion einhergeht. Eine Erhöhung unserer Ethanolproduktion durch die Verwendung von Mais könnte negative Auswirkungen auf die Tierwelt haben, deren Ausmaß von der Größenordnung der Produktion abhängen wird und ob das für diese Produktionssteigerung genutzte Land früher ungenutzt, in einem natürlichen Zustand oder mit einer anderen Reihe bepflanzt war Pflanzen. Eine andere Überlegung ist, ob man eine Switchgrass-Monokultur plant oder eine Vielzahl von Gräsern und anderer Vegetation verwendet. Während eine Mischung von Vegetationstypen wahrscheinlich einen besseren Lebensraum für Wildtiere bieten würde, wurde die Technologie noch nicht entwickelt, um die Verarbeitung einer Mischung verschiedener Grasarten oder Vegetationstypen zu Bioethanol zu ermöglichen. Natürlich steckt die Zellulose-Ethanol-Produktion noch in den Kinderschuhen, und die Möglichkeit, verschiedene Vegetationsbestände anstelle von Monokulturen zu nutzen, verdient weitere Erforschung im weiteren Verlauf der Forschung.

Eine Studie von Nobelpreisträger Paul Crutzen fand heraus, dass aus Mais gewonnenes Ethanol einen „Netto-Klimaerwärmungseffekt“ im Vergleich zu Öl hat, wenn die vollständige Ökobilanz die Lachgas (N20) -Emissionen berücksichtigt, die während der Maisethanolproduktion auftreten. Crutzen stellte fest, dass Kulturen mit weniger Stickstoffbedarf, wie Gräser und Gehölzarten, günstigere Klimawirkungen haben.