Авионска индустрија производи 2 процента глобалне емисије угљен-диоксида изазване човеком. Овај удео може изгледати релативно мали - у перспективи, производња електричне енергије и грејање кућа чине више од 40 одсто - али авијација је један од најбрже растућих извора гасова са ефектом стаклене баште. Предвиђа се да ће се потражња за авионским путовањем удвостручити у наредних 20 година.
Авиокомпаније су под притиском да смање своју емисију угљеника и врло су рањиве на глобална колебања цена нафте. Ови изазови су подстакли велико интересовање за млазна горива која се добивају из биомасе. Био-млазно гориво може се произвести из различитих биљних материјала, укључујући уљане усеве, шећерне културе, скробне биљке и лигноцелулозне биомасе, на различите хемијске и биолошке начине. Међутим, технологије за претварање нафте у млазно гориво су у напреднијој фази развоја и дају већу енергетску ефикасност од осталих извора.
Инжењеримо шећерну трску, најпродуктивнију фабрику на свету, за производњу уља која се може претворити у био-млазно гориво. У недавној студији открили смо да употреба ове конструисане шећерне трске може да произведе више од 2.500 литара био-млазног горива по хектару земље. Једноставно речено, то значи да би Боеинг 747 могао летјети 10 сати на био-млазном гориву произведеном на само 54 хектара земље. У поређењу са два конкурентна биљна извора, соја и јатрофа, липидкан би произвео око 15 и 13 пута више млазног горива по јединици земље, респективно.
Стварање шећерне трске двоструке намене
Био-млазна горива која се добијају из сировина богатих нафтом, попут камелија и алги, успешно су тестирана у доказу концептних летова. Америчко друштво за испитивање и материјале одобрило је мјешавину млазног горива на бази нафте и хидроелектранског обновљивог млазног горива од 50:50 за комерцијалне и војне летове.
Међутим, чак и након значајних напора у истраживању и комерцијализацији, тренутне количине производње био-млазног горива су врло мале. Да би се ови производи направили у већем обиму биће потребна додатна унапређења технологије и обилне нискобуџетне сировине (усеви који се користе за производњу горива).
Шећерна трска је познати извор биогорива: Бразил је деценијама ферментирао сок од шећерне трске да би направио гориво на бази алкохола. Етанол из шећерне трске даје 25 посто више енергије од количине коришћене током процеса производње, а смањује емисију гасова са ефектом стаклене баште за 12 процената у поређењу с фосилним горивима.
Берба шећерне трске у Бразилу (Јонатхан Вилкинс, ЦЦ БИ-СА) Питали смо се да ли можемо повећати производњу природног уља биљке и употребити је за производњу биодизела, што пружа још веће користи за животну средину. Биодизел даје 93 одсто више енергије него што је потребно да се направи и смањује емисију за 41 одсто у поређењу са фосилним горивима. Етанол и биодизел могу се користити у био-млазном гориву, али технологије за претварање биљног уља у млазно гориво су у напредној фази развоја, дају високу енергетску ефикасност и спремне су за велику употребу.
Када смо први пут предложили инжењерску шећерну трску за производњу више уља, неки од наших колега мислили смо да смо луди. Биљке шећерне трске садрже само 0, 05 посто уља, што је далеко премало за претварање у биодизел. Многи научници биљака су теоретизирали да би повећање количине нафте на један проценат било токсично за биљку, али наши рачунарски модели су предвиђали да бисмо могли повећати производњу нафте на 20 процената.
Уз подршку Агенције за напредне истраживачке пројекте Одељења за енергетику, покренули смо истраживачки пројекат под називом „Биљке инжењерке за замену уља у шећерној сирани и сирку, или ПЕТРОСС, 2012. године. Од тада смо генетским инжењерингом повећали производњу нафте и масне киселине да би се постигло 12 процената уља у лишћу шећерне трске.
Боца уља произведена од ПЕТРОСС липидкана (Цлаире Бењамин / Университи оф Иллиноис, ЦЦ БИ-НД) Сада радимо на постизању 20-постотног уља - теоретског ограничења, према нашим рачунарским моделима - и циљано акумулирамо ову нафту до стабљике биљке, где је она приступачнија него у лишћу. Наше прелиминарно истраживање показало је да чак и док постројења са инжењерингом производе више уља, они и даље производе шећер. Ми називамо ове биљке пројектиране липидканом.
Вишеструки производи од липидкана
Липидцане нуди много предности за пољопривреднике и околиш. Рачунамо да би узгој липида који садржи 20 процената уља био пет пута исплативији по јутру него соја, главна сировина која се тренутно користи за производњу биодизела у Сједињеним Државама, и двоструко профитабилнија по хектару од кукуруза.
Да би био одрживо, био-млазно гориво такође мора бити економично за обраду и имати високе производне приносе који смањују употребу обрадиве земље. Процењујемо да би у поређењу са сојом липидкан који садржи 5 процената уља могао да произведе четири пута више млазног горива по јутру земље. Липидкан с 20 посто нафте могао би произвести више од 15 пута више млазног горива по јутру.
А липидкан нуди и друге енергетске користи. Делови биљке преостали након вађења сока, познатог као багассе, могу се спалити да би се произвела пара и електрична енергија. Према нашој анализи, то би произвело више него довољно електричне енергије за напајање био-рафинерије, па би се вишак електричне енергије могао продати назад у мрежу, премештајући електричну енергију произведену из фосилних горива - пракса која се већ користи у неким постројењима у Бразилу за производњу етанола из шећерне трске.
Потенцијална америчка биоенергетска култура
Шећерна трска успијева на маргиналном земљишту које није погодно за многе усјеве хране. Тренутно се узгаја углавном у Бразилу, Индији и Кини. Ми такође правимо да липидкан буде подношљив за хладноћу да би могао да се шири шире, посебно у југоисточним Сједињеним Државама на неискоришћеном земљишту.
Карта растуће регије хладно толерантног липидкана (ПЕТРОСС) Ако бисмо 23 милиона хектара у југоисточном делу Сједињених Држава посветили липидану са 20 процената нафте, процењујемо да би овај усев могао да произведе 65 одсто америчке залихе млазног горива. Тренутно, у тренутним доларима, то гориво би коштало авиокомпаније 5, 31 УСД по галону, што је мање од био-млазног горива произведеног из алги или других уљаних култура попут соје, уљане репице или палминог уља.
Липидкан се такође може узгајати у Бразилу и другим тропским областима. Као што смо недавно известили у Натуре Цлимате Цханге, значајно ширење производње шећерне трске или липидкана у Бразилу могло би смањити тренутну глобалну емисију угљен-диоксида за до 5, 6 процената. То би се могло постићи без утицаја на подручја која је бразилска влада одредила као еколошки осетљиве, попут прашуме.
У потрази за 'енергетском трском'
Наше истраживање липидкана такође укључује генетски инжењеринг биљке како би је фотосинтетизирао ефикасније, што значи више раста. У чланку из науке из 2016. године, један од нас (Степхен Лонг) и колеге из других институција показали су да је побољшање ефикасности фотосинтезе дувана повећало његов раст за 20 процената. Тренутно прелиминарна истраживања и споредна поља испитивања указују на то да смо побољшали фотосинтетску ефикасност шећерне трске за 20 процената и за готово 70 процената у хладним условима.
Нормална шећерна трска (лево) расте поред направљене шећерне трске ПЕТРОСС, која је видно виша и бујнија, током испитивања на Универзитету на Флориди. (Фреди Алтпетер / Универзитет у Флориди, ЦЦ БИ-НД) Сада наш тим започиње рад на креирању разнородније врсте шећерне трске коју називамо „енергетском трском“ како би се постигла већа производња нафте по јутру. Имамо више покривача прије него што се комерцијализује, али развој одрживог постројења са довољно уља за економски производњу биодизела и био-млазног горива је главни први корак.
Напомена уредника: Овај чланак је ажуриран како би се разјаснило да је студија Степхена Лонг-а и других објављена у Сциенце- у 2016. укључивала побољшање ефикасности фотосинтезе у биљкама дувана.
Овај чланак је првобитно објављен у часопису Тхе Цонверсатион.
Деепак Кумар, постдокторски истраживач, Универзитет Илиноис у Урбани-Цхампаигн
Степхен П. Лонг, професор наука о биљкама и биологији биљака, Универзитет у Илиноису, Урбана-Цхампаигн
Вијаи Сингх, професор пољопривредног и биолошког инжењерства и директор Интегрисане лабораторије за истраживање биопроцесирања, Универзитет у Илиноису, Урбана-Цхампаигн
