Kunne brændstof fremstillet af sukkerrør være nøglen til renere fly?

Luftfartsindustrien producerer 2 procent af de globale menneskeskabte kuldioxidemissioner. Denne andel kan forekomme forholdsvis lille - i perspektiv er elproduktion og hjemmeopvarmning mere end 40 procent - men luftfart er en af ​​verdens hurtigst voksende drivhusgasser. Efterspørgslen efter flyrejser forventes at fordobles i de næste 20 år.

Luftfartsselskaberne er under pres for at reducere deres kulstofemissioner og er meget udsatte for globale olieprisudsving. Disse udfordringer har stimuleret stor interesse for biomasse-afledte jetbrændstoffer. Bio-jetbrændstof kan fremstilles af forskellige plantematerialer, herunder olieafgrøder, sukkerafgrøder, stivelsesholdige planter og lignocellulose biomasse gennem forskellige kemiske og biologiske veje. Teknologierne til at omdanne olie til jetbrændstof er imidlertid i et mere avanceret udviklingsstadium og giver højere energieffektivitet end andre kilder.

Vi er engineering sukkerrør, den mest produktive plante i verden, til at producere olie, der kan omdannes til bio-jet brændstof. I en nylig undersøgelse fandt vi, at brugen af ​​denne konstruerede sukkerrør kunne give mere end 2.500 liter bio-jetbrændstof pr. Hektar jord. Det betyder simpelthen, at en Boeing 747 kunne flyve i 10 timer på bio-jetbrændstof produceret på bare 54 hektar jord.Sammenlignet med to konkurrerende plantekilder, sojabønner og jatropha, ville lipidcan producere ca. 15 og 13 gange så meget jetbrændstof pr.

Oprettelse af dual-purpose sukkerrør

Bio-jetbrændstoffer afledt af olierige råmaterialer, såsom kamelina og alger, er blevet testet med succes for konceptflyvninger. ASTM International, en global standardudviklingsorganisation, har godkendt en 50:50 blanding af petroleumbaseret jetbrændstof og hydroprocesseret fornyeligt jetbrændstof til kommercielle og militære flyvninger.

Men selv efter betydelige forsknings- og kommercialiseringsindsatser er de nuværende produktionsmængder af bio-jetbrændstof meget små. At gøre disse produkter i større målestok vil kræve yderligere teknologiske forbedringer og rigelige billige råmaterialer (afgrøder, der bruges til at fremstille brændstoffet).

Sukkerrør er en velkendt biobrændstofkilde: Brasilien har gæret sukkerrørsaft til at lave alkoholbaseret brændstof i årtier. Ethanol fra sukkerrør giver 25 procent mere energi end den mængde, der anvendes under produktionsprocessen, og reducerer drivhusgasemissionerne med 12 procent sammenlignet med fossile brændstoffer.

Vi spekulerede på, om vi kunne øge plantens naturlige olieproduktion og bruge olien til at producere biodiesel, hvilket giver endnu større miljømæssige fordele. Biodiesel giver 93 procent mere energi end nødvendigt for at gøre det og reducerer emissionerne med 41 procent sammenlignet med fossile brændstoffer. Ethanol og biodiesel kan begge bruges i bio-jetbrændstof, men teknologierne til at omdanne planteafledt olie til jetbrændstof er i et avanceret udviklingsstadium, giver høj energieffektivitet og er klar til stor udbygning.

Da vi først foreslog engineering sukkerrør til at producere mere olie, troede nogle af vores kolleger, at vi var vanvittige. Sukkerrør planter indeholder kun 0,05 procent olie, hvilket er alt for lidt til at konvertere til biodiesel. Mange planteforskere teoretiserede, at øgning af mængden af ​​olie til 1 procent ville være giftig for anlægget, men vores computermodeller forudsagde, at vi kunne øge olieproduktionen til 20 procent.

Med støtte fra Department of Energy's Advanced Research Projects Agency-Energy lancerede vi et forskningsprojekt kaldet Planter Engineered to Replace Oil i Sugarcane and Sorghum, eller PETROSS i 2012. Siden da har vi gennem genetisk teknik øget produktionen af ​​olie og fedtsyrer for at opnå 12 procent olie i bladene af sukkerrør.

Nu arbejder vi for at opnå 20 procent olie - den teoretiske grænse ifølge vores computer modeller - og målretter denne olieakkumulering til plantens stamme, hvor den er mere tilgængelig end i bladene. Vores foreløbige forskning har vist, at selvom de konstruerede planter producerer mere olie, fortsætter de med at producere sukker. Vi kalder disse manipulerede planter lipidcan.

Flere produkter fra lipidcan

Lipidcan giver mange fordele for landmænd og miljø. Vi beregner at voksende lipidkan indeholdende 20 procent olie ville være fem gange mere rentabel pr. Acre end sojabønner, det vigtigste råmateriale, der i øjeblikket bruges til at lave biodiesel i USA og dobbelt så rentabelt pr. Acre som majs.

For at være bæredygtig skal bio-jetbrændstof også være økonomisk at behandle og have høje produktionsudbytter, der minimerer brugen af ​​dyrkningsarealer. Vi vurderer at i sammenligning med sojabønner kan lipidkan indeholdende 5 procent olie producere fire gange mere jetbrændstof pr. Acre land. Lipidcan med 20 procent olie kunne producere mere end 15 gange mere jetbrændstof pr. Acre.

Og lipidcan giver andre energiforbrug. De plantedele, der efterlades efter juiceudvinding, kendt som bagasse, kan brændes for at producere damp og elektricitet. Ifølge vores analyse ville dette generere mere end nok elektricitet til at drive biorefineriet, så overskydende magt kunne sælges tilbage til nettet, fortrængning af elektricitet produceret fra fossile brændstoffer - en praksis, der allerede var brugt i nogle planter i Brasilien til at producere ethanol fra sukkerrør.

En potentiel amerikansk bioenergi afgrøde

Sukkerrør trives på marginal jord, der ikke er egnet til mange madafgrøder. I øjeblikket dyrkes det hovedsageligt i Brasilien, Indien og Kina. Vi er også engineering lipidcan for at være mere koldtolerant, så den kan øges mere bredt, især i det sydøstlige USA på underudnyttet jord.

Hvis vi afsatte 23 millioner acres i det sydøstlige USA til lipidkan med 20 procent olie, vurderer vi, at denne afgrøde kunne producere 65 procent af den amerikanske jetbrændstofforsyning. I øjeblikket vil det brændstof i øjeblikket koste luftfartsselskaber 5,31 dollar per gallon, hvilket er mindre end bio-jetbrændstof produceret af alger eller andre olieafgrøder som sojabønner, canola eller palmeolie.

Lipidkan kan også dyrkes i Brasilien og andre tropiske områder. Som vi for nylig rapporterede om naturklimaændringer, kunne den betydelige udvidelse af sukkerrør eller lipidkanproduktion i Brasilien reducere de nuværende globale kuldioxidemissioner med op til 5,6 procent. Dette kunne opnås uden at ramme de områder, som den brasilianske regering har udpeget som miljømæssigt følsomme, såsom regnskov.

I stræben efter 'energycane'

Vores lipidkanforskning indbefatter også gensplejsning af planten for at gøre det fotosyntese mere effektivt, hvilket betyder mere vækst. I en 2016 artikel i videnskab viste en af ​​os (Stephen Long) og kolleger på andre institutioner, at forbedringen af ​​effektiviteten af ​​fotosyntese i lipidkan øgede sin vækst med 20 procent. Preliminære undersøgelser og side-by-side feltforsøg tyder på, at vi har forbedret den fotosyntiske effektivitet af sukkerrør med 20 procent og med næsten 70 procent i kølige forhold.

Nu er vores team påbegyndt arbejdet med at konstruere et højere udbytte af sukkerrør, som vi kalder "energycane" for at opnå mere olieproduktion pr. Acre. Vi har mere grund til at dække, før det kan kommercialiseres, men det er et vigtigt første skridt at udvikle en levedygtig plante med nok olie til økonomisk produktion af biodiesel og bio-jetbrændstof.

Denne artikel blev oprindeligt udgivet på The Conversation af Deepak Kumar, Postdoktorale Forsker; Stephen P. Long, professor i afgrødevidenskab og plantebiologi; Vijay Singh, professor i landbrugs- og bioteknologi og direktør for Integrated Bioprocessing Research Laboratory, University of Illinois i Urbana-Champaign. Læs den oprindelige artikel her.