セルロース系エタノールの仕組み

セルロース系 vs デンプンエタノール

多くの植物糖からエタノールを作ることができます。セルロースとデンプンはほんの 2 つの例にすぎません。どのようなことから始めても、エタノール生産プロセスでは、植物から多糖類または複合糖を取得し、それらを単糖に分解してエタノールに変換します。

デンプンとセルロース系エタノールの違いは植物から始まります。米国では、デンプンエタノールはトウモロコシの穀粒から作られています。しかし、セルロース系エタノールは、地球上で最も豊富な炭素含有物質であるセルロースとヘミセルロースから始まります。植物は毎年 1,000 億トン (910 億トン) のセルロースを生産します 。

デンプンは植物がエネルギーを蓄えるため、分解されやすいのです。私たちの口の中のα-アミラーゼなどの自然界の酵素は、でんぷんをブドウ糖に分解します。

セルロースとヘミセルロースは植物の鎧に似ています。細胞壁の内側では、植物を木質にする3番目の硬い物質であるリグニンが絡み合っています。

でんぷんが口の中で溶け、細胞壁が分解に抵抗するのであれば、でんぷんがエタノールに変換されやすくなるのは当然です。デンプンから始める場合、製油所はトウモロコシの穀粒を粉砕し、デンプンをグルコースに分解する一般的なアミラーゼ酵素を添加します。次に、酵母はグルコースをエタノールに変換します。

セルロース系バイオマスから始める場合、エタノール生産は遅くなり、より複雑になります。植物を粉砕することはほんの始まりにすぎません。製油所はヘミセルロース、セルロース、リグニンをほぐすために酸を加えますが、リグニンは発酵性ではないため邪魔になります。次に、酸はヘミセルロースを 4 つの糖成分に分解します。その後、セルロースは遊離しますが、酵素はセルロースをグルコースに分解する必要があります。現在、製油所はエタノールに変換するために 5 種類の糖を用意する必要に迫られています。グルコースは簡単ですが、他のものは簡単ではありません。 5 つの糖すべてを自然に発酵させる微生物はバイオリアクターへの耐性が低いため、製油所では人工微生物または微生物ポプリが必要です。毒素の蓄積、不完全な変換、遅い酵素はすべてプロセスを複雑にし、エタノール収量を低下させます。

トウモロコシのもう 1 つの利点は、セルロースとヘミセルロースの含有量が植物によって異なるのに対し、デンプンの量が予測できることです。研究者がセルロース系バイオマス中の糖を完全に放出して発酵させる方法を学ぶことができれば、植物の体積当たりトウモロコシ粒よりも多くのエタノールを生成することになる。

木の幹がどのようにして燃料になるのかを学びましょう。

セルロース系エタノールの製造

セルロース系エタノールはセルロース系バイオマスから始まります。農場廃棄物から刈り草やリサイクル新聞紙に至るまで、世界中のほぼすべての茎、葉、木の幹が対象となります 。農家はスイッチグラスや一部の樹木などのセルロース系バイオマス用のエネルギー作物を栽培することもできます。狭い面積に密生し、他に多くを必要としないため、エネルギー作物と呼ばれています。

生産の最初のステップは、植物を製油所に輸送することです。その後、製油所は生化学的または熱化学的にエタノールを製造します。

まず生化学的方法について説明します。私たちが米国中西部のトウモロコシ畑にいるとしましょう。収穫後、農家は畑に散らばる乾燥したトウモロコシの茎と穂軸を束ね、近くの製油所までトラックで運びます。破片は細かく粉砕されます。

ビットは前処理に送られ、そこで熱硫酸に浸されます。細胞壁と内容物が溶解します。酸はリグニンを邪魔しないように押し出してヘミセルロースを遊離させ、ヘミセルロースをキシロース、マンノース、アラビノース、ガラクトースの4つの糖に分解します。セルロースが解放されました。

科学者は次のステップをセルロース加水分解と呼んでいます。ここで酸が洗い流され、混合物はセルロースをグルコースに変えるセルラーゼと呼ばれる酵素の入ったタンクに送られます。

これで、ブドウ糖にヘミセルロースの 4 つの糖を加えた糖のスープができました。次の発酵タンクで使用されるそれらの濃度と微生物は、最初に使用した植物の種類によって異なります。

次に分離が起こります。蒸留残液（アルコール以外のものはすべて）はタンクの底に沈み、処理と再利用のために送られます。アルコールは上部に留まり、蒸留され、燃料グレードに精製されます 。

セルロース系エタノールの製造は熱化学的に利点をもたらします。熱化学的方法はリグニンを変換し、木材またはあらゆる植物から最大限のエタノールを取得します 。熱化学変換には、高価な触媒や洗浄が必要なタールの蓄積などの欠点もあります。

製油所では熱化学ステップの順序は異なりますが、まず植物を乾燥させることから始めます。次に、植物を燃焼させて、一酸化炭素 (CO) と水素 (H ₂ ) からなる合成ガス、つまり「シンガス」を生成します。ガス化により、エタノールの製造を妨げるタールと硫黄も生成されるため、ガスはタール改質装置に送られ、そこでこれらの障害物がより多くの合成ガスに化学的に変換されます。ガスは再び浄化されて純粋な CO と H ₂に近づき、圧縮されて金属触媒を通過します。触媒はガスを再構築して、エタノールまたはガソリンに似た炭化水素などの選択された分子に戻します。分離によりエタノールが除去されます 。

どちらの方法でも、エタノールはガソリンと混合するために特別なステーションにトラックで運ばれ、その後ガソリン スタンドに到着します。

セルロース系エタノールの排出量

コーンエタノールやガソリンの代わりにセルロース系エタノールを使用して運転することで、環境に配慮していますか?よくある質問ですが、簡単には答えられません。科学者たちは依然としてセルロース系エタノールの環境コストと利点を見積もっています。燃料を比較するとき、燃料の「寿命」にわたる影響を考慮します。ガソリンの場合、そのライフサイクルには、石油の採掘、製油所への配管または輸送、ガソリンの製造、ガソリンスタンドへの配管、そして最終的に自動車からの排出が含まれます。セルロース系エタノールの場合、ライフサイクルは同様ですが、植物を栽培することから始まります。

科学者はモデルを使用して、燃料の寿命にわたる影響を合計します。しかし、これまでセルロース系バイオマスを大量に収穫したり、セルロース系エタノールを商業生産したりしている人はいないため、セルロース系エタノールをモデル化するのは困難です。

また、環境にとって、そして私たちにとって何が「最善」なのかを決める必要もあります。温室効果ガス、水質汚染、あるいは車の排気ガスに含まれる発がん性物質を最小限に抑えたいでしょうか?最適な燃料は質問によって変わります。

答えについては、モデルたちがこう言っています。農場から自動車まで、セルロース系エタノールは、ガソリン (86% 少ない) やトウモロコシ エタノール (ガソリンより 52 % 少ない) よりも温室効果ガスの放出が少ない 。温室効果ガスとは、二酸化炭素、メタン、亜酸化窒素のことです。この数字は、エタノール精製所が環境に優しい木材チップで稼働し、石油精製所が石炭で稼働していることを前提としています。

研究では、エタノールとガソリンで走行する自動車からの排出量を比較しました。しかし、理解すべきことの 1 つは、米国では 100% エタノールを使用して運転する人はいないということです (インディ 500 でレースをしている場合を除いて)。米国の規制では、燃料用アルコールは飲めないものであり、95.5パーセントに希釈することが求められています。 95.5 パーセントのエタノールではエンジンが寒さの中でうまく始動しないため、米国で販売されているエタノール燃料の最も高い割合は E85 で、これは 85 パーセントのエタノールと 15 パーセントのガソリンです 。 (ただし、晴れたブラジルでは車は E95 を走ります。)

E85は聖者のような燃料ではありません。燃やすと、ガソリンやディーゼルと同様に、毒素や汚染物質が放出されます。注意すべき 2 つの自動車排出ガスは、浸透排出ガス(自動車のパイプやホースを通って染み込む燃料) とテールパイプ排出ガスです。透過排出量は、6 ～ 20% の範囲の低エタノール混合物で走行する自動車で最も悪化します。これらは純粋なガソリンに適しており、E85 に最適です 。あなたの車も重要です。 2000 年に製造された車は 2004 年以降に製造された車よりも劣りますが、「PZEV」ブランドの車、または部分的にゼロエミッション車には問題はありません。

セルロース系エタノールの利点

平均的な都市居住者の健康にとって、E85 排出ガスはさまざまな恩恵をもたらしますが、必ずしも完全な利益をもたらすわけではありません。心臓病を悪化させる可能性がある一酸化炭素の含有量はガソリンより少ない。また、酸性雨、スモッグ、煙霧の悪名高い原因である窒素酸化物をガソリンの半分のレベルまで削減します。

セルロースからエタノールを製造する最大の利点は、セルロース系バイオマスの無尽蔵性と利便性です。トウモロコシや他のエタノール源、さらに言えば既存の燃料源よりも入手可能です。賢明に行えば、セルロース系エタノールの生産は廃棄物を取り除き、燃料を作ることができます。反温室効果ガスの支持者であれば、その製造と燃焼による温室効果ガスの排出量はガソリンよりも少ないでしょう。他にも環境や空気をきれいにする利点があり、それについては最後のセクションで説明しました。石油掘削や石油の輸入が嫌いな場合、石油やトウモロコシの価格が上昇したときにガスポンプの代替手段が必要な場合、またはトウモロコシで作れる燃料の量には限界があると考えている場合は、セルロース系エタノールが代替品となります。

それは良い知らせです。悪いニュースはどうですか？

セルロース系エタノールに関する懸念

「世の中には批判者がたくさんいる」とコロラド州ゴールデンにある国立再生可能エネルギー研究所でセルロース系エタノールの生産を研究するプロセスエンジニアのアンディ・アデンは言う。

一つの懸念は、生産コストです。現在、セルロース系エタノールはガロン単位で製造すると、ガソリンより高価なコーンエタノールよりもコストが高くなります。米国では、トウモロコシエタノールをガソリンと混合する事業体に対する0.51ドルの税額控除のおかげで、トウモロコシエタノールの価格が人為的に引き下げられており、これはセルロース系エタノールにも役立つだろう。批評家たちは、ほとんどのセルロース系エタノール精製所ができないこと、つまりガソリンスタンドに販売するのに十分な量のエタノールを生産できないことを指摘している。

楽観的な研究者らは、生産工程が見直されることで生産コストは下がるだろうと述べている。米国エネルギー省は、2012年までにセルロース系エタノールがガソリンと競争できるよう、生産コストを1ガロン当たり1.33ドルとするベンチマークを設定した。 「私たちはまだそれを達成しようとしているところです」とアデンは言う。今後4年間に米国で商業規模の製油所を開設する計画を立てている4社は、少なくともその試みで利益が得られると見込んでいる。

「非常に大規模にバイオマスからバイオ燃料を生産するつもりなら、それを栽培するための土地はどこから来るのでしょうか?」アデンはセルロース系エタノールに関する別の懸念を要約して尋ねた。一部のグループはスイッチグラスが雑草のように国中に広がることを想像し、エネルギー作物が食用作物と競合するだろうと主張している。トウモロコシが食物で茎がセルロース系バイオマスである場合、食物とセルロース系バイオマスは同じ植物に由来する可能性があります。 「都市緑地」、つまり庭の廃棄物を使用してエタノールを製造する場合、新たな土地は必要ありません。アデン氏によると、植栽のシナリオであっても、食用作物を育てるには小さすぎる土壌や劣化した土壌でもスイッチグラスは生育でき、そこで栄養分を回復することができるという。

熱帯雨林について考察する批評家もいます。先進国が石油の使用をセルロース系エタノールで補えば、セルロースの需要が大きな森林を持つ発展途上国に輸出されることになる。それらの国は皆伐によって最も早く金を稼ぐだろう。しかし、農業、森林火災の管理、製紙などの一般的な活動で廃棄物として扱われるセルロース系バイオマスが生成される場合、セルロースを得るために生の木を伐採する必要はありません。政府は熱帯雨林を栽培するかどうか、またその方法を規制することもできます。

燃費が低いこともエタノールの欠点です。たとえポンプのコストが安くても、E85 のタンクではガソリンよりも 25% 走行距離が少なくなる、とアデン氏は言います。

メリットとデメリットを比較検討する価値はありますが、セルロース系エタノールが近くのガソリンポンプに並ぶ前に、技術的および経済的なハードルをクリアする必要があります。

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