셀룰로오스 에탄올은 식물의 씨앗이나 열매에서 추출한 것이 아니라 셀룰로오스 (식물의 줄기 섬유)에서 생산되는 에탄올 (에틸 알코올)입니다. 목초, 목초, 조류 또는 다른 식물에서 생산 된 바이오 연료입니다. 식물의 섬유질 부분은 반추 동물 (방목, 암소 또는 양과 같은 추어 추는 동물)을 제외하고는 인간을 포함한 동물에게는 거의 먹을 수 없습니다.
셀룰로오스 에탄올에 대한 상당한 관심은 경제적 인 잠재력 때문에 중요합니다. 식물에 의한 셀룰로오스의 성장은 운반 및 저장이 용이 한 결과물로 태양 에너지를 화학적으로 비 독성 방식으로 포집하고 저장하는 메커니즘입니다. 또한 풀이나 나무가 거의 모든 곳에서 자랄 수 있기 때문에 운송은 불필요합니다. 이것은 상업적으로 실용적인 셀룰로오스 에탄올이 곡물 기반의 에탄올 연료만으로는 불가능한 방식으로 석유 및 가스 시추에 대한 수요와 심지어 원자력에 대한 수요를 줄일 수있는 바이오 연료 산업의 다음 단계 개발로 널리 인식되는 이유입니다. 탄소 함유 액체 연료와 석유 화학 제품 (오늘날의 생활 수준에 달려 있음)의 많은 이점이있을 수 있지만 탄소 순환 균형과 재생 방법 (지하 탄소를 배출하여 표면에 탄소 성분을 첨가하는 대신 표면과 대기 탄소를 재활용 함 ). 상업적으로 실용적인 셀룰로오스 알콜은 오늘날의 재래식 (곡물 기반) 바이오 연료의 문제점 중 하나를 피할 수 있습니다. 이는 식품 목적을위한 곡물 경쟁을 일으켜 식량 가격을 상승시킬 수 있습니다. 현재까지 이러한 목표를 달성하는 데있어 중요한 것은 셀룰로오스 알콜의 생산이 상업적 규모에서 아직 충분히 실용적이지 않다는 것입니다.
생산 방법
셀룰로오스에서 에탄올을 생산하는 두 가지 방법은 다음과 같습니다.
셀룰로오스 분해 공정은 전처리 된 리그 노 셀룰로오스 물질에 대한 가수 분해, 효소를 이용하여 복합 셀룰로오스를 포도당과 같은 간단한 당류로 분해 한 다음 발효 및 증류로 구성합니다.
리그 노 셀룰로오스 원료를 가스상의 일산화탄소와 수소로 전환시키는 가스화. 이들 가스는 발효 또는 화학 촉매 작용에 의해 에탄올로 전환 될 수있다.
순수 에탄올 생산의 경우 정상적인 것처럼 이러한 방법에는 증류가 포함됩니다.
셀룰로오스 분해 (생물학적 접근법)
생물학적 접근법을 사용하여 에탄올을 생산하는 단계는 다음과 같습니다.
목재 또는 짚과 같은 리그 노 셀룰로오스 물질을 가수 분해가 가능한 “전처리”단계
셀룰로오스 가수 분해 (셀룰로오스 분해)는 셀룰라아제로 분자를 당으로 분해합니다.
잔류 물에서 설탕 용액을 분리, 특히 리그닌
당액의 미생물 발효
약 95 % 순수 알코올을 생산하는 증류
에탄올 농도를 99.5 % 이상으로 만들기 위해 분 자체에 의한 탈수
2010 년에 유 전적으로 조작 된 효모 균주가 자체 셀룰로오스 분해 효소를 생산하기 위해 개발되었습니다. 이 기술이 산업 수준으로 확장 될 수 있다고 가정하면 셀룰로오스 분해 단계를 하나 이상 제거하여 필요한 시간과 생산 비용을 줄입니다.
리그 노 셀룰로오스가 가장 풍부한 식물 자원이지만, 그 유용성은 엄격한 구조에 의해 단축됩니다. 그 결과, 리그닌 시일 및 그 결정 구조로부터 셀룰로오스를 유리시켜 이후의 가수 분해 단계에 접근 할 수있게하는 효과적인 전처리가 필요하다. 지금까지 대부분의 전처리는 물리적 또는 화학적 수단을 통해 이루어졌습니다. 고효율을 달성하기 위해서는 물리적 및 화학적 전처리가 필요합니다. 물리적 전처리는 종종 바이오 매스의 물리적 크기를 줄이기 위해 크기 축소라고 불린다. 화학적 전처리는 효소가 미생물 반응을 위해 셀룰로오스에 접근 할 수 있도록 화학적 장벽을 제거하는 것입니다.
현재까지 사용할 수있는 전처리 기술로는 산 가수 분해, 증기 폭발, 암모니아 섬유 팽창, 오가 노졸, 아황산염 전처리, AVAP® (SO2- 에탄올 – 물) 분별, 알칼리성 습식 산화 및 오존 전처리가 있습니다. 효과적인 셀룰로오스 해방 외에, 이상적인 전처리는 후속 가수 분해 및 발효 공정에 대한 억제 효과로 인해 분해 생성물의 형성을 최소화해야한다. 억제제의 존재는 에탄올 생산을 더욱 복잡하게 할뿐만 아니라 수반되는 해독 단계로 인해 생산 비용을 증가시킵니다. 산 가수 분해에 의한 전처리는 아마도 가장 오래되고 가장 잘 연구 된 전처리 기술 일 것이지만, 리그 노 셀룰로스 가수 분해물에 존재하는 가장 독성이 강한 억제제로 지금까지 간주되는 푸르 푸랄 및 하이드 록시 메틸 푸르 푸랄 (HMF)을 비롯한 몇 가지 강력한 억제제를 생산합니다. 암모니아 섬유 팽창 (AFEX)은 가수 분해물에 억제 효과가없는 유망한 전처리입니다.
대부분의 전처리 공정은 산림 바이오 매스와 같이 높은 리그닌 함량을 가진 공급 원료에 적용 할 경우 효과적이지 않습니다. Organosolv, SPORL (리그 노 셀룰로오스의 회귀를 극복하기위한 아황산염 전처리) 및 SO2- 에탄올 – 물 (AVAP®) 공정은 산림 바이오 매스, 특히 연목 종의 셀룰로오스 전환율 90 % 이상을 달성 할 수있는 세 가지 공정입니다. SPORL은 발효 억제제 생산량이 매우 적은 산림 바이오 매스의 전처리에있어 가장 에너지 효율적 (전처리에서 단위 에너지 소비 당 당 생산량) 및 견고한 공정입니다. Organosolv pulping은 활엽수에 특히 효과적이며 희석 및 침전으로 소수성 리그닌 제품을 쉽게 회수 할 수 있습니다. AVAP® 공정은 모든 종류의 리그 노 셀룰로오스를 효과적으로 소화가 잘되는 셀룰로오스, 분해되지 않은 헤미셀룰로즈 당, 반응성 리그닌 및 리그 노 술포 네이트로 분류하며 화학 물질의 효율적인 회수가 특징입니다.
두 가지 주요 셀룰로오스 가수 분해 (셀룰로 분해) 공정이 있습니다. 산을 사용하는 화학 반응 또는 효소 반응은 셀룰라아제를 사용합니다.
셀룰로오스 처리
셀룰로스 분자는 당 분자의 긴 사슬로 구성됩니다. 셀룰로오스의 가수 분해 (즉, 셀룰로오스 분해)에서, 이들 사슬은 알코올 생산을 위해 발효되기 전에 설탕을 유리시키기 위해 분해된다.
화학적 가수 분해
19 세기와 20 세기 초에 개발 된 전통적인 방법에서 가수 분해는 셀룰로오스를 산으로 공격하여 수행됩니다. 희석 산은 고온 고압 하에서 사용되거나보다 농축 된 산은 저온 및 대기압에서 사용될 수 있습니다. 산과 당의 탈 결정화 된 셀룰로오스 혼합물은 물의 존재 하에서 반응하여 개별 당 분자 (가수 분해)를 완성시킨다. 그런 다음이 가수 분 해산물을 중화시키고 효모 발효시켜 에탄올을 생산한다. 앞서 언급했듯이 희석 된 산성 공정의 중요한 장애는 가수 분해가 매우 가혹하여 독성 분 해산물이 생성되어 발효를 방해 할 수 있다는 것입니다. BlueFire Renewables는 거의 모든 발효 억제제를 생산하지 않기 때문에 농축 산을 사용하지만 상업적으로 매력적이기 위해서는 재활용 [모의 이동 베드 (SMB) 크로마토 그래피 분리]를 위해 설탕 스트림으로부터 분리되어야합니다.
농업 연구청 (Agricultural Research Service) 과학자들은 밀짚에서 잔류하는 설탕 대부분에 접근하고 발효시킬 수 있음을 발견했다. 설탕은 식물의 세포벽에 위치하고 있으며, 분해가 어렵다는 것은 잘 알려져 있습니다. 이 설탕에 접근하기 위해 과학자들은 밀짚을 알칼리성 과산화물로 전처리 한 다음 특수 효소를 사용하여 세포벽을 파괴했습니다. 이 방법은 밀짚 1 톤당 에탄올 93 갤론 (350 L)을 생산했습니다.
효소 가수 분해
셀룰로오스 사슬은 셀룰라아제 효소에 의해 포도당 분자로 분해 될 수있다.
이 반응은 소와 양과 같은 반추 동물의 위장에서 체온에서 일어나며 효소는 미생물에 의해 생성됩니다. 이 과정은이 전환의 여러 단계에서 여러 가지 효소를 사용합니다. 유사한 효소 시스템을 사용하여 리그 노 셀룰로오스 물질은 비교적 온화한 조건 (50 ℃ 및 pH 5)에서 효소 적으로 가수 분해 될 수 있으며, 그렇지 않으면 효소 활성을 억제하는 부산물의 형성없이 효과적인 셀룰로오스 분해를 가능하게한다. 묽은 산을 포함한 모든 주요 전처리 방법은 에탄올 발효를 위해 높은 당 함량을 달성하기 위해 효소 가수 분해 단계를 필요로합니다. 현재 대부분의 전처리 연구는 실험실 기반 이었지만 회사는 실험실에서 파일럿 또는 생산 규모로 전환 할 수있는 방법을 모색하고 있습니다.
여러 효소 회사들은 가수 분해를위한 효소의 대량 생산을 통해 경쟁력있는 가격으로 셀룰로오스 에탄올을 획기적으로 발전 시켰습니다.
균류 Trichoderma reesei는 Iogen Corporation에서 효소 가수 분해 과정을 위해 “특별히 조작 된 효소”를 분비하기 위해 사용됩니다. 원료 (목재 또는 짚)는 가수 분해가 가능하도록 전처리되어야합니다.
캐나다의 또 다른 회사 인 SunOpta는 루이지애나 주 제닝스에 소재한 Verenium (이전 Celunol Corporation)의 시설과 스페인 Salamanca에 소재한 Abengoa의 시설, Zhaodong의 China Resources Alcohol Corporation에 증기 폭발 전처리를 사용합니다. CRAC 생산 시설은 옥수수 찌꺼기를 원료로 사용합니다.
Genencor와 Novozymes은 효소 가수 분해에 의한 셀룰로오스 에탄올의 생산에서 중요한 효소 인 셀룰라아제의 비용을 줄이기위한 연구를 위해 미국 에너지 부 (US Department of Energy) 기금을 받았다. 이와 관련하여 최근의 돌파구는 용질 다당류 모노 옥 시게나 제의 발견 및 포함이다. 이들 효소는 다당류 기질을 산화 적으로 공격하여 다른 셀룰라아제의 작용을 현저하게 증가시킬 수있다.
다이야 딕 인터내셔널 (Dyadic International)과 같은 다른 효소 회사들은 대량의 셀룰라아제, 자일라나 제 및 헤미 셀룰라아제 효소를 생산하는 유전자 조작 균류를 개발 중이며 옥수수 찌꺼기, 증류기 알갱이, 밀짚 및 사탕 수수 바게 쓰 및 에너지와 같은 농업 잔류 물을 전환하는 데 사용될 수있다 스위치 글라스와 같은 작물을 셀룰로오스 에탄올을 생산하는데 사용될 수있는 발효 가능한 당으로 전환시킨다.
2010 년에 BP Biofuels는 Diversa와 Celunol의 합병으로 형성된 Verenium의 셀룰로오스 에탄올 벤처 주식을 매수하였으며 연간 1,400 만 갤런 (5,300 m3)의 천연 가스를 공동 소유 및 운영했습니다 캘리포니아 주 샌디에고의 실험실 시설과 직원들과 함께 실험실 장비 및 실험실 시설을 갖추고 있습니다. BP Biofuels은 이러한 시설을 계속 운영하며 상업 시설을 건설하기위한 첫 단계를 시작했습니다. 제닝스 공장에서 생산 된 에탄올은 런던으로 보내졌고 가솔린과 혼합되어 올림픽에 연료를 공급했습니다.
KL Energy Corporation (구 KL Process Design Group)은 2007 년 마지막 분기에 Upton, WY에 연간 150 만 US-gallon (5,700 m3)의 셀룰로오스 에탄올 공장을 상업적으로 가동하기 시작했습니다. 현재 Western Biomass Energy 시설은 건조 톤당 40-45 US 갤런 (150-170 L)의 수율. 그것은 전국 최초의 시판 셀룰로오스 에탄올 공장입니다. KL 에너지 공정은 열 기계적 분해 및 효소 전환 공정을 사용합니다. 주요 공급 원료는 부드러운 목재이지만 실험실 테스트는 이미 와인 포말, 사탕 수수 주스, 시립 고형 폐기물 및 스위치 글라스에 대한 KL 에너지 프로세스를 입증했습니다.
미생물 발효
전통적으로 빵 효모 (Saccharomyces cerevisiae)는 양조장에서 육당 (6 탄당)으로 에탄올을 생산하는 데 오랫동안 사용되어 왔습니다. 리그 노 셀룰로오스 바이오 매스에 존재하는 탄수화물의 복잡한 성질로 인해, 상당한 양의 자일 로스 및 아라비 노스 (리그 노 셀룰로즈의 헤미셀룰로오스 부분으로부터 유래 된 5- 탄소 당)가 또한 가수 분해물에 존재한다. 예를 들어, 옥수수 찌꺼기의 가수 분해물에서 총 발효 가능한 당의 약 30 %는 크실 로스입니다. 결과적으로, 발효 미생물이 가수 분해물로부터 이용 가능한 모든 범위의 당을 사용하는 능력은 셀룰로오스 에탄올 및 잠재적으로 생물 기반 단백질의 경제적 경쟁력을 증가 시키는데 중요하다.
최근 몇 년 동안 연료 에탄올 생산에 사용 된 미생물에 대한 대사 공학은 상당한 진전을 보였습니다. Saccharomyces cerevisiae 외에도, Zymomonas mobilis 및 Escherichia coli와 같은 미생물은 셀룰로오스 에탄올 생산을위한 대사 공학을 통해 표적화되어왔다.
최근에, 조작 된 효모는 키 실로 오스와 아라비 노스를 발효 시키는데 효율적으로 기술되어왔다. 효모 세포는 수백 년 동안 생명 공학 분야에서 사용되어 왔고 높은 에탄올 및 억제제 농도에 견딜 수 있고 낮은 pH 값에서 성장하여 박테리아 오염을 줄일 수 있기 때문에 셀룰로오스 에탄올 공정에 특히 적합합니다.
가수 분해 및 발효 결합
셀룰로스 기질을 에탄올로 직접 전환 할 수있는 박테리아가 발견되었습니다. 한 예로 클로스 트리 디움 써모셀럼 (Clostridium thermocellum)이 있는데, 이는 복잡한 셀룰로오스를 사용하여 셀룰로오스를 분해하고 에탄올을 합성합니다. 그러나 C. thermocellum은 또한 에탄올뿐만 아니라 아세테이트와 락 테이트를 포함한 셀룰로스 신진 대사 과정에서 다른 제품을 생산하므로 공정 효율성이 떨어집니다. 일부 연구 노력은 에탄올 생산 경로에 초점을 맞춘 유전 공학 박테리아를 통해 에탄올 생산을 최적화하는 데 중점을두고 있습니다.
가스화 공정 (열 화학적 접근법)
가스화 공정은 셀룰로오스 사슬의 화학적 분해 (셀룰로오스 분해)에 의존하지 않습니다. 셀룰로오스를 당 분자로 분해하는 대신에, 원료 내의 탄소는 부분 연소에 해당하는 양을 사용하여 합성 가스로 전환된다. 그런 다음 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 특별한 종류의 발효기에 공급할 수 있습니다. 효모로 설탕 발효하는 대신,이 과정은 Clostridium ljungdahlii 박테리아를 사용합니다. 이 미생물은 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 섭취하고 에탄올과 물을 생산합니다. 따라서 프로세스는 세 단계로 나눌 수 있습니다.
가스화 – 복잡한 탄소 기반 분자는 분해되어 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소로 탄소에 접근합니다.
발효 – Clostridium ljungdahlii 유기체를 사용하여 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 에탄올로 전환
증류 – 에탄올은 물과 분리되어 있습니다.
최근의 연구에 따르면 위에서 언급 한 것보다 일산화탄소에서 에탄올을 만드는 데 2 배의 효율이있는 것으로 보이는 Clostridium 세균이 발견되었습니다.
대안 적으로, 가스화로부터의 합성 가스는 촉매 화학 반응기로 공급 될 수 있으며, 촉매 반응기는 열 화학적 공정을 통해 에탄올 및 다른 고급 알코올을 제조하는 데 사용된다. 이 과정은 또한 다른 유형의 액체 연료를 생성 할 수 있습니다. 대체 개념은 몬트리올에 본사를 둔 Enerkem이 Quebec의 Westbury에있는 시설에서 성공적으로 시연했습니다.
헤미 셀룰로스 – 에탄올
셀룰로오스와 헤미셀룰로오스를 에탄올로 전환시키는 경제적 방법을 개발하기위한 연구가 집중적으로 진행되고있다. 에탄올에 대한 셀룰로스 가수 분해물의 주 생성물 인 포도당의 발효는 이미 확립되고 효율적인 기술입니다. 그러나 헤미셀룰로오스 가수 분해물의 오탄당 인 자일로 오스의 전환은 특히 글루코즈가 존재할 때 제한 요인이다. 또한, 헤미셀룰로오스는 셀룰로오스 에탄올 생산의 효율 및 비용 효과를 증가시키기 때문에 무시할 수 없다.
Sakamoto (2012) 외. 헤미셀룰라아제 효소를 발현하는 유전 공학 미생물의 가능성을 보여줍니다. 연구팀은 재조합 Saccharomyces cerevisiae 균주를 만들었으며,
그 세포 표면의 말단 산화 효소를 코드화하여 헤미 셀룰라아제를 가수 분해하고,
자일 로스 환원 효소 및 자일리톨 탈수소 효소의 발현에 의해 자일 로스를 동화시킨다.
이 균주는 볏짚 가수 분해물을 헤미셀룰로오스 성분을 함유 한 에탄올로 전환시킬 수 있었다. 또한 에탄올을 생산하기위한 세포 표면 공학의 매우 효과적인 과정을 보여주는, 대조 균주보다 2.5 배 많은 에탄올을 생산할 수있었습니다.
효소 비용 장벽
셀룰로오스 에탄올 생산에 사용 된 셀룰라아제 및 헤미 셀룰라 제는 1 세대에 비해 비쌉니다. 옥수수 곡물 에탄올 생산에 필요한 효소는 생산 된 에탄올 1 입방 미터당 2.64-5.28 달러이다. 셀룰로오스 에탄올 생산을위한 효소의 가격은 79.25 달러로 20-40 배 더 비쌉니다. 비용 차이는 필요한 수량에 기인합니다. 셀룰라아제 효소 군은 1 ~ 2 차 정도의 효율성을 갖는다. 따라서 효소의 생산에 40 ~ 100 배 더 많은 효소가 필요합니다. 바이오 매스 톤 당 15-25 킬로그램의 효소가 필요합니다. 최근 추정치는 더 낮아서 바이오 매스 공급 원료 1 톤당 효소 1kg을 제안합니다. 또한 효소 가수 분해를 수행하는 배에 대한 장시간 배양 시간과 관련하여 상대적으로 높은 자본 비용이있다. 전체적으로, 효소는 셀룰로오스 에탄올 생산을 위해 20-40 %의 상당 부분을 구성한다. 최근 논문은 셀룰라아제 효소 생산 방식의 핵심 요소 인 현금 비용의 13 ~ 36 % 범위를 추정합니다. 오프 사이트에서 생산 된 셀룰라아제의 경우, 효소 생산은 현금 비용의 36 %에 달합니다. 별도의 공장에서 현장에서 생산 된 효소의 경우, 비율은 29 %입니다. 통합 된 효소 생산의 경우 파벌은 13 %입니다. 통합 생산의 주요 이점 중 하나는 포도당 대신 바이오 매스가 효소 성장 매개체라는 것입니다. 바이오 매스 비용은 더 적게 들며, 결과 셀룰로오스 에탄올을 100 % 2 세대 바이오 연료로 만든다. 즉, ‘연료 용 식품’을 사용하지 않는다.
공급 원료
일반적으로 두 가지 유형의 공급 원료가있다 : 산림 (우디) 바이오 매스와 농업용 바이오 매스. 미국에서는 연간 약 14 억 톤의 바이오 매스를 지속적으로 생산할 수 있습니다. 삼림 바이오 매스는 약 3 억 7 천만 톤 또는 30 %입니다. 산림 바이오 매스는 셀룰로오스와 리그닌의 함량이 높고 헤미셀룰로오스와 재의 함량이 농업용 바이오 매스보다 낮다. 전처리 가수 분해물 발효에서의 어려움 및 낮은 에탄올 수율, 특히 크 실로 오스와 같은 탄소 헤미셀룰로오스 당이 매우 높은 산물 바이오 매스는 농업용 바이오 매스보다 중요한 장점을 가지고있다. 산림 바이오 매스는 또한 운송 비용을 크게 줄이는 높은 밀도를 가지고 있습니다. 장기간 보관을하지 않아도 수확 될 수 있습니다. 산림 바이오 매스의 0 회분에 가까운 함량은 운송 및 가공시 사하중을 상당히 감소시킵니다. 생물 다양성의 필요성을 충족시키기 위해 산림 바이오 매스는 미래의 생물 기반 경제에서 중요한 바이오 매스 공급 원료 공급 믹스가 될 것입니다. 그러나 임산물 바이오 매스는 농업용 바이오 매스보다 훨씬 더 상식 적이 지 않다. 최근 USDA 산림 제품 연구소 (Forest Products Laboratory)와 위스콘신 – 매디슨 대학 (University of Wisconsin-Madison)은 자일란 함유량이 낮은 침엽수 생물을 포함한 산림 (우디) 바이오 매스의 강한 회귀 현상을 극복 할 수있는 효율적인 기술을 개발했습니다. 단기 회전 집중적 인 양식이나 수목 경작은 산림 바이오 매스 생산에 거의 무한한 기회를 제공 할 수 있습니다.
쇄기 및 나무 꼭대기에서 나온 우드 칩과 톱 밀의 톱밥 및 폐지 펄프는 셀룰로오스 에탄올 생산을위한 일반적인 임업 바이오 매스 공급 원료입니다.
다음은 농업용 바이오 매스의 몇 가지 예이다.
Switchgrass (Panicum virgatum) 네이티브 tallgrass 대초원 잔디입니다. 튼튼하고 빠른 성장으로 알려진이 다년생 식물은 따뜻한 달에서 2 ~ 6 피트의 고원까지 자랍니다. Switchgrass는 swamplands, 평야, 시내를 포함하여 해안 및 주간 고속도로를 따라 미국의 대부분 지역에서 재배 할 수 있습니다. 그것은 자체 파종 (파종 용 트랙터 없음), 많은 질병과 해충에 저항성이 있으며, 비료 및 기타 화학 물질의 낮은 적용으로 높은 수확량을 산출 할 수 있습니다. 또한 가난한 토양, 홍수 및 가뭄에도 견딜 수 있습니다. 토양의 품질을 향상시키고 뿌리 시스템의 종류로 인한 침식을 방지합니다.
Switchgrass는 연방 보전 예비 프로그램 (CRP)에 의해 보호되는 땅에 대한 승인 된 작물입니다. CRP는 작물이 최근 자라 난 땅에서 작물을 재배하지 않는 것에 대한 비용을 생산자에게 지불하는 정부 프로그램입니다. 이 프로그램은 토양 침식을 줄이고 수질을 향상 시키며 야생 생물 서식처를 증가시킵니다. CRP 토지는 꿩과 오리와 같은 고지대 게임과 많은 곤충의 서식지 역할을합니다. 바이오 연료 생산을위한 스위치 그라스는 생태 보존성을 높이고 CRP 프로그램의 비용을 낮출 수있는 CRP (Conservation Reserve Program) 토지에 사용하기 위해 고려되었습니다. 그러나 CRP 규칙을 수정하여 CRP 토지의 경제적 사용을 허용해야합니다.
Miscanthus × giganteus는 셀룰로오스 에탄올 생산을위한 또 다른 실행 가능한 공급 원료이다. 이 잔디 종은 아시아 원산이며 Miscanthus sinensis와 Miscanthus sacchariflorus의 무균 3 배체 잡종입니다. 적은 물이나 비료를 공급하면서 최대 12 피트 (3.7 m)의 키가 자랄 수 있습니다. Miscanthus는 감기 및 가뭄 포용력과 물 사용 효율과 관련하여 switchgrass와 유사합니다. Miscanthus는 EU에서 가연성 에너지 원으로 상업적으로 재배되고 있습니다.
옥수수 속대와 옥수수 대들보는 가장 인기있는 농업용 바이오 매스입니다.
Kudzu가 바이오 매스의 귀중한 원천이 될 수 있다고 제안되었습니다.
환경 영향
연료 생산으로 인한 환경 적 영향은 화석 연료의 대안으로서의 가능성을 결정하는 중요한 요소이다. 장기적으로 생산 비용, 환경 영향 및 에너지 생산의 작은 차이가 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 셀룰로오스 에탄올은 양의 순 에너지 출력을 생성 할 수 있음이 밝혀졌다. 화석 연료와 비교했을 때 옥수수 에탄올과 셀룰로오스 에탄올의 온실 가스 (GHG) 배출량은 현저히 감소했습니다. 옥수수 에탄올은 셀룰로오스 에탄올의 경우 약 88 % 이상이지만 전체적인 온실 가스 배출량을 약 13 %까지 줄일 수 있습니다. 또한 셀룰로오스 에탄올은 이산화탄소 배출을 거의 제로로 줄일 수 있습니다.
농경지
현재 대체 연료의 생존 가능성에 대한 주요 관심사는 필요한 자재를 생산하는 데 필요한 경작지입니다. 예를 들어, 옥수수 에탄올 연료를위한 옥수수 생산은 식량 증가와 다른 공급 원료로 사용될 수있는 경작지와 경쟁합니다. 이것과 셀룰로오스 에탄올 생산의 차이점은 셀룰로오스 물질이 광범위하게 이용 가능하며 사물의 거대한 자원에서 유래한다는 것입니다. 셀룰로오스 에탄올 생산에 사용되는 일부 작물에는 스위치 그래스, 옥수수 쌓기 및 하이브리드 포플러가 있습니다. 이 작물은 빠르게 자라며 다양한 용도로 재배 할 수 있습니다. 셀룰로오스 에탄올은 목재 잔유물 (칩과 톱밥), 쓰레기, 쓰레기와 같은 도시 고체 폐기물, 종이와 오수 슬러지, 시리얼 빨대와 풀로도 만들 수 있습니다. 특히 셀룰로오스 에탄올을 만드는 데 사용되는 식물 재료의 비 식용 가능한 부분이므로 생산시 식품을 사용하는 데 드는 잠재적 인 비용을 최소화합니다.
바이오 매스의 목적을위한 작물 재배의 효과는 줄거리의 지리적 위치에 따라 크게 다를 수 있습니다. 예를 들어, 강수량 및 햇빛 노출과 같은 요소는 작물을 유지하는 데 필요한 에너지 투입에 크게 영향을 줄 수 있으므로 전체 에너지 생산에 영향을 줄 수 있습니다. 5 년 동안 수행 된 연구에 따르면 스위치 그라스를 바이오 매스 에너지 작물로 키우고 관리하는 것은 생산 중에 소비되는 것보다 500 % 이상 재생 가능 에너지를 생산할 수 있음을 보여줍니다. 온실 가스 배출량과 이산화탄소 수준도 기존의 가솔린에 비해 셀룰로오스 에탄올 사용으로 급격히 감소했습니다.
옥수수 대 잔디 기반
2008 년에는 에탄올 생산 전용 스위치 그라스 만 사용되었습니다. 대규모 생산으로 재배되기 위해서는 주로 농작물의 생산을 위해 농지의 기존 용도와 경쟁해야합니다. 미국의 22 억 6 천만 에이커 (910 만 km2)의 미분양 지역 중 33 %는 삼림 지대, 26 %는 목초지와 초원, 20 %는 작물입니다. 2005 년에 미국 에너지 부와 농업부가 수행 한 연구에 따르면, 현재 국가의 액체 수송 연료 사용량의 30 % 이상을 대체하기 위해 매년 10 억 톤 이상의 바이오 매스를 생산할 수있는 충분한 토지 자원이 있는지 여부가 결정되었습니다. 이 연구는 농업 및 임업 관행을 거의 변경하지 않고 임산물, 식품 및 섬유에 대한 요구를 충족시킴으로써 에탄올 사용에 사용할 수있는 13 억 갤런의 바이오 매스가 존재할 수 있음을 발견했습니다. 테네시 대학 (University of Tennessee)이 최근 실시한 연구에 따르면 석유 사용을 25 % 상쇄하기 위해 스위치 글라스 생산에 1 억 에이커 (400,000 평방 킬로미터, 154,000 평방 마일)의 경작지와 목초지를 배분해야한다고보고했다.
현재, 옥수수는 셀룰로오스 에탄올에 비해 에탄올을 처리하는 것이 쉽고 저렴합니다. Department of Energy는 옥수수에서 에탄올의 두 배인 셀룰로오스 에탄올을 생산하는 데 갤런 당 약 $ 2.20의 비용이 소요될 것으로 추정합니다. 식물 세포벽 조직을 파괴하는 효소는 에탄올 1 갤론 당 30 ~ 50 센트이고 옥수수는 갤런 당 3 센트 다. Department of Energy는 2012 년까지 갤런 당 생산 비용을 갤런 당 1.07 달러로 줄이기를 희망합니다. 그러나 셀룰로오스 바이오 매스는 에너지, 비료, 제초제와 같은 투입물을 더 적게 필요로하기 때문에 옥수수보다 생산하기가 저렴하며 토양 침식이 적고 토양 비옥도가 향상됩니다. 또한 에탄올 제조 후 남은 발화되지 않은 고체와 전환되지 않은 고체는 전환 플랜트를 작동시키고 전기를 생산하는 데 필요한 연료를 공급하기 위해 연소 될 수 있습니다. 옥수수 기반의 에탄올 공장 운영에 사용되는 에너지는 석탄 및 천연 가스에서 추출됩니다. 지방 자치 단체 (Institute for Local Self-Reliance)는 1 세대 상업용 공장의 셀룰로오스 에탄올 가격이 인센티브를 제외하고 갤런 당 1.90 ~ 2.25 달러가 될 것으로 추정했다. 이는 옥수수에서 추출한 에탄올에 대한 갤런 당 1.20 ~ 1.50 달러의 현재 비용과 정기적 인 휘발유 (보조금 및 과세 대상)에 대한 갤런 당 4.00 달러 이상의 현재 소매가와 비교됩니다.
바이오 연료의 사용을 증가시키는 주된 이유 중 하나는 온실 가스 배출을 줄이는 것이다. 가솔린에 비해 에탄올은 연소제를 연소시켜 이산화탄소와 대기 오염을 줄입니다. 또한, 연소로 인하여 스모그의 수준이 낮아집니다. 미 에너지 국 (Department of Energy)에 따르면, 셀룰로오스의 에탄올은 가솔린과 옥수수 기반의 에탄올에 비해 온실 가스 배출을 86 % 줄여 배출량을 52 % 줄인다. 이산화탄소 가스 배출량은 휘발유 배출량보다 85 % 낮습니다. 셀룰로오스 에탄올은 온실 효과에 거의 기여하지 않으며 옥수수 기반 에탄올보다 5 배 더 좋은 순 에너지 균형을 유지합니다. 셀룰로오스 에탄올은 연료로 사용될 때 유황, 일산화탄소, 미립자 및 온실 가스를 덜 방출합니다. 셀룰로오스 에탄올은 옥수수를 에탄올로 재배하는 생산자에게 주어진 것보다 높은 생산자 탄소 감축 크레딧을 벌어야하는데, 에탄올은 갤론 당 약 3 ~ 20 센트입니다.
옥수수에서 1 J 에탄올을 생산하기 위해서는 화석 연료로부터 0.76 J의 에너지가 필요합니다. 이 총계에는 비료, 트랙터 연료, 에탄올 공장 운영 등에 사용되는 화석 연료의 사용이 포함됩니다. 화석 연료는 대초원 목초에서 5 배 이상의 에탄올을 생산할 수 있다고 Terry Riley 정책 담당자가 밝혔습니다. 시어 도어 루스벨트 보존 파트너십. 미국 에너지 성은 옥수수 기반의 에탄올이 생산에 필요한 것보다 26 % 더 많은 에너지를 제공하는 반면 셀룰로스 에탄올은 80 % 더 많은 에너지를 제공한다고 결론 지었다. 셀룰로오스 에탄올은 성장 및 전환에 필요한 에너지보다 80 % 더 많은 에너지를 생산합니다. 옥수수를 에탄올로 바꾸는 과정은 에탄올 생산량만큼 많은 양의 물을 필요로한다. [논란의 여지가있다] 또한 12 배의 물을 낭비한다. 곡물 에탄올은 식물의 식용 부분만을 사용합니다.
셀룰로오스는 식품에 사용되지 않으며 전 세계에서 재배 될 수 있습니다. 전체 식물은 셀룰로오스 에탄올을 생산할 때 사용할 수 있습니다. Switchgrass는 옥수수보다 에이커 당 2 배의 에탄올을 산출합니다. 따라서 생산을 위해 더 적은 토지가 필요하고 따라서 서식지 분열이 적습니다. 바이오 매스 물질은 비료, 제초제 및 야생 생물에게 위험을 줄 수있는 다른 화학 물질과 같은 투입물을 더 적게 필요로합니다. 그들의 광대 한 뿌리는 토양의 질을 향상시키고, 침식을 감소 시키며, 영양분 포획을 증가시킵니다. 초본 에너지 작물은 재래 작물 생산과 비교할 때 토양 침식을 90 % 이상 줄입니다. 이것은 농촌 지역의 수질 개선으로 이어질 수 있습니다. 또한, 초본 에너지 작물은 고갈 된 토양에 유기 물질을 추가하고 토양 탄소가 대기 중 이산화탄소를 흡수 할 수 있으므로 기후 변화에 직접 영향을 줄 수있는 토양 탄소를 증가시킬 수 있습니다. 상품 작물 생산과 비교하여, 바이오 매스는 지표 유출과 질소 수송을 감소시킵니다. Switchgrass는 다양한 야생 동물 서식지, 주로 곤충 및 지상 새를위한 환경을 제공합니다. Conservation Reserve Program (CRP) 토지는 셀룰로스 에탄올에 사용되는 다년생 목초로 구성되어 있으며 사용 가능할 수 있습니다.
수년간 미국 농민들은 사탕 수수와 옥수수와 같은 작물을 가지고 줄기 작물을 연습했습니다. 이 때문에 야생 생물에 대한 이러한 관행의 영향에 대해 많이 알려져 있습니다. 증가 된 옥수수 에탄올의 가장 중요한 효과는 농사용으로 전환해야하는 추가 토지와 농산물 생산과 함께 증가하는 침식 및 비료 사용이 될 것입니다. 옥수수 사용으로 에탄올 생산량을 늘리면 야생 동물에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 야생 동물에 미치는 영향은 생산 규모에 따라 다르며이 증가 된 생산에 사용 된 토지가 이전에 유휴 상태 였는지, 자연 상태인지 또는 다른 행 작물. 또 다른 고려 사항은 스위치 그라스 단일 재배를 심거나 다양한 풀과 다른 초목을 사용하는 것입니다. 식물 종류가 혼합되면 더 나은 야생 생물 서식지가 될 가능성이 있지만,이 기술은 아직 다양한 잔디 종이나 식물 종류의 혼합물을 바이오 에탄올로 가공 할 수 있도록 개발되지 않았습니다. 물론 셀룰로오스 에탄올 생산은 여전히 초기 단계에 있으며 독창적 인 것 대신에 다양한 식물을 사용하는 것이 연구가 계속되면서 더 많은 탐사를받을 가치가있다.
노벨상 수상자 폴 크루 첸 (Paul Crutzen)의 연구에 따르면 전체 라이프 사이클 평가에서 옥수수 에탄올 생산시 발생하는 아산화 질소 (N2O) 배출량을 적절하게 고려할 때 옥수수에서 생산 된 에탄올은 “순 기후 온난화”효과를 나타냅니다. Crutzen은 목초와 우디 코피 스 종과 같은 질소 수요가 적은 작물이 기후에 더 유리한 영향을 준다는 것을 발견했다.