Но даже когда исследователи проверяют способность тополей превращаться во все, от этанола до химикатов в косметике и моющих средствах, завод по переработке тополей в промышленных масштабах все еще не создан. В основном это связано с тем, что производственные затраты все еще не конкурентоспособны с текущими ценами на нефть.
Команда Вашингтонского университета пытается сделать тополь жизнеспособным конкурентом, тестируя производство молодых деревьев тополя, которые можно было бы собирать чаще — всего через два или три года — вместо обычного 10-20-летнего цикла. Эти деревья, в основном молодые по сравнению со взрослыми взрослыми, сажают ближе друг к другу и срезают таким образом, чтобы больше ветвей вырастало из пня после каждого сбора урожая, используя одну и ту же корневую систему на срок до 20 лет.
Этот метод называется «порослью», а деревья известны как тополевые рощи.
Команда первой попыталась превратить все молодое дерево, включая листья, кору и стебли, в бионефть, биологически полученный нефтепродукт и этанол, используя два отдельных процесса. Их результаты, опубликованные этим летом в двух статьях — одной в ACS Sustainable Chemistry & Engineering и другой в Biotechnology for Biofuels, — указывают на многообещающее будущее использования тополевой рощи в качестве биотоплива.
«Наше исследование доказало, что поросль тополя может быть хорошим вариантом, чтобы соответствовать критериям дешевого и массового производства биотоплива», — сказал ведущий автор обеих статей Чанг Доу, докторант программы UW по науке о биоресурсах и инженерии. «Наши выводы имеют большое значение для будущей индустрии биотоплива, и конечная цель — сделать биотопливо из тополевой рощи на шаг ближе к насосу."
Древесная щепа тополя из старых деревьев была в центре внимания большинства исследований, главным образом потому, что части древесины содержат самую высокую концентрацию сахара, который важен для производства этанола и химикатов. Более ранние исследования показывают, что щепа тополя является жизнеспособным источником биотоплива, но затраты все еще не исчерпываются, тем более что деревья рубят только раз в 10 с лишним лет. Кроме того, когда используется только ствол, другие части дерева тратятся впустую, что делает процесс более неэффективным и расточительным.
Однако, если бы тополь был посажен близко друг к другу, как сельскохозяйственная культура, а целые деревья собирались в гораздо более быстром цикле, это могло бы иметь смысл с точки зрения затрат и обеспечить короткую окупаемость инвестиций — и быть более привлекательным для фермеров.
Исследователи подчеркивают, что альтернативные виды топлива должны иметь экономический смысл, чтобы биотопливо могло повлиять на рынок нефти.
«У нас есть экологические стимулы для производства топлива и химикатов из возобновляемых источников, но сейчас их недостаточно, чтобы конкурировать с низкими ценами на нефть. В этом проблема ", — сказала Рената Бура, доцент Школы экологических и лесных наук Университета штата Вашингтон и старший автор.
Исследование Буры является частью Северо-западного проекта Advanced Hardwood Biofuels Northwest, финансируемого U.S. Национальный институт продовольствия и сельского хозяйства Департамента сельского хозяйства.
Проект, возглавляемый профессором Университета штата Вашингтон Риком Густафсоном, представляет собой консорциум университетов и промышленных предприятий, возглавляемый Университетом штата Вашингтон, цель которого — заложить основу для производства биотоплива на северо-западе Тихого океана и биотехнологической промышленности, основанной на сырье из тополя. Для этого исследования деревья в Джефферсоне, штат Орегон — одном из четырех участков исследования — были посажены рядами близко друг к другу весной 2012 года и собраны менее чем через два года до того, как опадут листья.
Команда UW сначала проверила, можно ли целиком превратить молодые тополя в сахар с помощью процесса, который использует высокую температуру, давление и ферменты для разложения древесных материалов на сахар. Оттуда можно производить этанол, уксусную кислоту, молочную кислоту и другие ценные химические вещества путем ферментации сахара.
После обработки деревьев исследователи обнаружили, что листья плохо функционируют, и снизили общий выход сахара не только потому, что в листьях от природы мало сахара, но и из-за того, что они содержат другие химические вещества, которые препятствуют процессу высвобождения сахара.
При масштабировании до коммерческой эксплуатации листья должны быть удалены, и их можно использовать для других целей, например, в качестве корма для животных.
Они также протестировали целые деревья тополя с того же участка в другом процессе преобразования, в котором используется гораздо более высокая температура — выше 500 градусов по Цельсию — для преобразования древесных материалов непосредственно в биомасло в процессе, называемом «пиролизом»."В настоящее время ведутся исследования по превращению этого темно-коричневого масла в транспортное топливо, напоминающее бензин или дизельное топливо.
В ходе эксперимента исследователи обнаружили, что включение листьев не имело большого значения для качества полученного биомасла. При увеличении масштаба производители могут в конечном итоге сэкономить время и деньги, не отделяя листья от веток, чтобы получить масло аналогичного качества.
По словам Доу, будущие заводы по выращиванию тополя могут использовать оба метода, взвешивая такие факторы, как текущая стоимость материалов или долларовая стоимость производимой продукции, чтобы определить, какой метод имеет больший финансовый смысл.
Молодые тополя, использованные в исследовании, обладают свойствами, аналогичными побегам, которые вырастут из пня в ходе настоящей операции по копчению. Используя этот метод вырубки, можно собирать деревья каждые два года на срок до 20 лет без дополнительных усилий и затрат на выдергивание корней, подготовку почвы и посадку новых деревьев, что требуется при обычных режимах посадки.
В конечном счете, исследователи говорят, что порослый тополь, вероятно, является лучшим соотношением стоимости и надежности для производителей биотоплива на северо-западе Тихоокеанского региона.
«В настоящее время мы изучаем, как мы можем выращивать тополь для монетизации экосистемных услуг», — сказал Бура. «В будущем мы представляем себе отрасль, основанную на биотопливе, которая обеспечит множество экологических выгод, будет укреплять сельские сообщества и послужит мостом к полностью развитой индустрии биотоплива."
Другими соавторами статей являются Фернандо Резенде, доцент кафедры экологических и лесных наук Университета штата Вашингтон; Девин Чендлер, аспирант UW по программе «Биоресурсы и инженерия»; Вилиан Маркондес, студент по обмену из Университета Сан-Паулу, Бразилия; и Джессика Джаджа, студентка UW.
Исследование финансировалось за счет гранта U.S.
Национальный институт продовольствия и сельского хозяйства Департамента сельского хозяйства.