Onderzoekers onthullen de geheimen voor goedkopere productie van bio-ethanol

Nieuw inzicht in de structuur van 'switchgrass' en populieren zorgt dat ervoor dat de mogelijkheid om deze planten te gebruiken als grondstoffen voor de productie van bio-brandstoffen een beetje dichter komt. Switchgrass is een soort gras dat voorkomt al sinds heel lang geleden voorkomt in Noord Amerika. Dit soort gras groeit, onder natuurlijke omstandigheden, vanaf 55° noorderbreedte in Canada en alles daaronder tot in Mexico. Het is één van de meeste dominante soorten gras in Noord Amerika. Het groeit op de overblijvende prairies of grasvlaktes, maar ook in weides of op de berm langs de wegen. Het wordt eigenlijk enkel maar gebruikt als een bodembedekker, als voedsel voor vee en dergelijk. Doordat dit soort gras enorm talrijk aanwezig is zou dit een interessante grondstof zijn voor de productie van biobrandstoffen. Maar zo is er nog een interessante plant voor deze toepassing, namelijk de populier. De populier, is een loofboom uit wilgenfamilie. Wat deze boom zo interessant maakt voor bio-brandstoffen, is dat het een snelgroeiende boom is.

Het kweken van gewassen die bestemd zijn voor de productie van bio-brandstoffen en dus energie, noemt men ook energie-bosbouw of 'energy forestry'. Voor energie-bosbouw is men vooral geïnteresseerd in gewassen die snel groeien. Want hoe sneller deze groeien, hoe sneller een voorraad biomassa vernieuwd kan worden. Het voordeel van energie-bosbouw is dat de brandstof hierbij telkens opnieuw terug groeit over een kleinere tijdschaal in vergelijking met de tijdschaal waarop de brandstof verbruikt wordt. In vergelijking met de fossiele brandstoffen in dit een duidelijke tegenstelling aangezien de tijdschaal voor het reproduceren van de brandstof veel groter is dan die waarop de fossiele brandstoffen verbruikt worden. Natuurlijk moet de tijdschaal waarop een bepaalde hoeveelheid bio-brandstof verbruikt wordt, afgestemd worden op de tijdschaal waarop de nodige biomassa voor de productie van die hoeveelheid bio-brandstof terug groeit. Anders komt men voor hetzelfde probleem te staan als dat van de fossiele brandstoffen. Maar dus met het juiste beheer is het dus zeker mogelijk om biomassa op een hernieuwbare manier te gebruiken als energiebron. Ook moet er aandacht besteed worden aan het verbruik van water die er nodig is tijdens het groeiproces van de biomassa.

Onderzoekers van aan het Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory en van Georgia Tech gebruikte small-angle neutron scattering om te onderzoeken hoe de structuur van de biomassa, afkomstig van het switchgrass, zou reageren op een zure voorbehandeling. Small-angle neutron scattering (SANS) ofwel neutronenstrooiing onder kleine hoeken is een laboratorium-techniek die men gebruikt bij materiaalonderzoeken. Aan de hand van deze onderzoekstechniek kan men de eigenschappen van het onderzochte materiaal afleiden, kan men defecten in de materiaalstructuur opsporen en dergelijke. Hier werd deze techniek gebruikt om het gedrag van de biomassa te gaan onderzoeken wanneer het een bepaalde voorbehandeling ondergaat. Deze voorbehandeling is onderdeel van het proces waarbij biomassa verwerkt wordt tot bio-brandstoffen.

Biomassa zoals bijvoorbeeld hout, bestaat voornamelijk uit de celwandbestanddelen cellulose en hemicellulose, die worden samengehouden door lignine. Biomassa die uit deze onderdelen is opgebouwd wordt ook wel lignocellulose biomassa genoemd. En switchgrass en populieren behoren tot de groep van lignocellulose biomassa. Cellulose is een polymeer gemaakt van glucose en wordt aangemaakt in nagenoeg alle planten. Het is deze stof die zorgt voor de stevigheid van de planten. De stof bevindt zich in veel natuurlijke vezels. Hemicellulose is een verzamelnaam voor een reeks nauw verwante koolhydraten die worden gemaakt in planten. Hemicellulose is een belangrijke component van de celwand en vormt meestal een soort matrix waarin cellulosemoleculen ingebed liggen. Lignine is het meest voorkomende organische materiaal na cellulose. En bijvoorbeeld bij hout is de sterkte van het hout het resultaat van het composietmateriaal dat gevormd wordt door de interactie tussen cellulose en hemicellulose en het lignine er omheen. Lignine is dus een soort bindmiddel.

De voorbehandeling van de biomassa is een essentiële stap in het proces voor de omzetting van de biomassa in bio-brandstof. Tijdens deze stap vindt de extractie van de cellulose uit de biomassa plaats. Dit is nodig om lignocellulose biomassa bestaat uit een vrij stevig gevormde structuur. Tijdens de voorbehandeling moet de cellulose los gemaakt worden van de lignine zodat deze vrijgemaakt is voor de volgende stap in de behandeling. De cellulose wordt dan verder verwerkt via een reeks enzymatische procedures tot dat men suiker verkrijgt en deze wordt dan uiteindelijk verwerkt tot ethanol. Ook worden tijdens de voorbehandeling de ongewenste stoffen, waaronder de hemicellulose, verwijdert omdat deze een negatief effect kunnen hebben op de volgende stappen van het proces. Via dit onderzoek, kwamen de wetenschappers veel te weten over het gedrag van de biomassa tijdens deze voorbehandeling, en specifiek het complexe verloop van de afbraak van de lignocellulose. En deze informatie kan heel nuttig zijn om het voorbehandelingsproces te gaan optimaliseren en zodat uiteindelijk de kostprijs van de productie van bio-ethanol lager wordt.

Een bijzondere vaststelling was dat bij switchgrass, nadat het voorbehandeld was met een warme verdunde oplossing van zwavelzuur, er opmerkelijke morfologische veranderingen plaatsgevonden hebben. De morfologie beschrijft de uitwendige de bouw en de vorm van de biomassa, ofwel simpel gezegd is het een soort bouwplan van de planten. De morfologie wordt beïnvloed door de genetische samenstelling en de door het milieu en er is steeds een duidelijk verband tussen de morfologie en de functies en de eigenschappen van de plant. Vroeger was het effect van de voorbehandeling op de morfologie van de cellulose onbekend. Cellulose is, zoals eerder al vermeld een soort polymeer, en dus vormen de moleculen lange ketens. Deze ketens bestaan uit monomeren van glucose en deze lange onvertakte ketens die mooi naast elkaar liggen in langs richting, vormen zo strengels. Na deze voorbehandeling, hebben de cellulose-ketens een veel kortere lengte. En de de diameter van deze strengels monomeren is dubbel zo groot na deze behandeling.

Dit onderzoek suggereert dus dat het voorbehandelen van biomassa met een opgewarmde oplossing van verdund zwavelzuur op een effectieve manier de inwendige structuur van de lignocellulose aantast. Namelijk de lignine wordt herverdeeld in het materiaal en de hemicellulose wordt verwijderd. Hierdoor neemt de chemische weerbaarheid van de plant sterk af. Die chemische weerbaarheid wordt voldoende klein zodat de cellulose voldoende 'bereikbaar' is voor de enzymen bij de volgende stap van het proces. Maar men weet nu dat er ook nog een ander effect plaatsvindt tijdens deze behandeling, namelijk het veranderen van de morfologie van de cellulose. Dus zijn de onderzoekers de gevolgen hiervan gaan onderzoeken. De toename van de diameter van strengels monomeren kan duiden op het feit dat de cellulose strengels terug aan elkaar 'groeien'. Indien dit het geval, zorgen deze 'aaneengegroeide' strengels voor een belemmering tijdens het verder verloop van het proces. Dit zou dus contraproductief zijn en zou dus een limiet vormen voor het voorbehandelingsproces waarbij men gebruik maakt van een opgewarmde oplossing van verdund zwavelzuur.

De vaststellingen tijdens dit onderzoeken zorgen ervoor dat wetenschappers nu beter geïnformeerd zijn over dit voorbehandelingsproces. Bij verder onderzoek moet men dus de structurele toestand van de biomassa onderzoeken en de veranderingen aan de structuur die optreden tijdens het voorbehandelingsproces gaan analyseren. Wanneer men dit doet voor verschillende gewassen kan men protocols gaan opstelling voor de voorbehandeling van deze gewassen. Aan de hand van deze protocols kunnen de biobrandstoffen tegen zo'n laag mogelijke kostprijs geproduceerd worden.

via [ornl]