Цивилизация
Биологическое топливо — один из основных трендов последнего времени, наряду с «зеленой химией» и глобальным потеплением. Ученые соревнуются между собой в разработке наиболее эффективных методов переработки растительного сырья как восполнимого источника энергии и наименее энергозатратных методов выделения топлива из ферментационных смесей. <1>
Группа инженеров из университета Висконсина объявила о разработке высокоэффективного и безвредного для окружающей среды метода селективной переработки гамма-валеролактона (лактона валериановой кислоты), получаемого из биомассы, в химический эквивалент авиатоплива. Работу исследователей публикует Science.
Разработанная методика позволяет извлечь из исходной биомассы до 95% энергии и не требует больших количеств водорода.
Группа исследователей, сообщивших об этом открытии, специализируется на переработке целлюлозной биомассы в транспортные топлива. Однако до этого в их методиках был большой недостаток: получаемые сахара расщеплялись до левулиновой (4-оксовалериановой) и муравьиной кислот. Существующие методики не позволяли перерабатывать эти соединения в полезные топлива.<2>
Уйти от образования этих «тупиковых» продуктов никак не удавалось, поэтому технологи разработали принципиально новый подход к разложению углеводов. Вместо того чтобы пытаться изменить его механизм, они сосредоточились на возможных методах конверсии левулиновой и муравьиной кислот синтетическими и каталитическими методами.
Ученым удалось подобрать металлический катализатор, в присутствии которого левулиновая и муравьиная кислота образуют гамма-валеролактон. Сейчас он вырабатывается в небольших количествах как растительная добавка к продуктам питания и парфюмерии.
На следующем этапе было разработано лабораторное оборудование, которое с помощью стабильного в обычных условиях и недорогого катализатора перерабатывает водные растворы гамма-валеролактона в авиатопливо через двухстадийный процесс.<3>
На первом этапе гамма-валеролактон расщепляется на бутен и углекислый газ.
На втором этапе из бутена получают алкеновые олигомеры.
Авторы методики утверждают, что ее использование возможно в промышленных масштабах и не требует особенно сложного оборудования или катализаторов.<4>
Об актуальности исследования говорит то, что до сих пор из биомассы чаще всего получают лишь этанол и другие низшие спирты. Они в больших объемах могут добавляться в бензин, не изменяя свойств и достоинств автомобильного топлива, однако совершенно не могут использоваться как авиатопливо из-за низкой энергоемкости. Кроме того, и для автомобилей спирты могут служить лишь добавкой к алкановому (углеводородному) топливу.
А вот углеводороды, производимые из гамма-валеролактона, практически эквивалентны используемым в современной инфраструктуре (с той разницей, что алканы — углеводороды насыщенного ряда, а алкены — ненасыщенного, и для получения алканов их нужно гидрировать).
До сих пор наибольшую проблему для внедрения нового топлива представляла высокая цена гамма-валеролактона, так как методики его получения были дорогими и несовершенными. Теперь ученые работают над созданием более эффективных и простых методик его промышленной выработки. В качестве сырья для получения данного эфира рассматриваются такие биологические объекты, как древесина, стебли и листва кукурузы, прутьевидное просо и другая непищевая биомасса.
«Как только будет найден эффективный способ промышленного синтеза гамма-валеролактона, путь к неограниченному получению возобновимого авиатоплива будет полностью открыт», — заключают авторы работы.