Новые стратегии производства топлив, смазочных материалов и химикатов из биомассы

Возрастающая озабоченность экологическими последствиями выбросов CO2, образующихся при сжигании топлив, полученных из ископаемых углеродных ресурсов, стимулировала поиск возобновляемых источников углерода. Большая часть внимания сосредоточена на разработке методов производства моторных топлив, являющихся сегодня основным источником выбросов CO2, и в меньшей степени на производстве смазочных материалов и химикатов. Биотоплива первого поколения, такие как биоэтанол, получаемый ферментацией сахаров из сахарного тростника или кукурузы, и биодизель, получаемый в результате трансэтерификации триглицеридов спиртами с образованием смеси длинноцепочечных жирных эфиров, можно смешивать с традиционными топливами в ограниченных объемах; они также вызывают споры «еда против топлива». Производство молекул, которые могут служить прямой заменой продуктам на основе ископаемого сырья, используемым в транспортном секторе, позволяет эффективно использовать существующую инфраструктуру и потому особенно привлекательно. В этом контексте наиболее жизнеспособным источником возобновляемого углерода является обильно доступная лигноцеллюлозная биомасса, сложная смесь лигнина, гемицеллюлозы и целлюлозы. Преобразование углеводной части биомассы (гемицеллюлоза и целлюлоза) в топлива требует значительной химической перестройки составляющих сахаров для достижения плотности энергии и свойств горения, необходимых для автомобильных, дизельных и авиационных топлив. Для превращения сахаров из биомассы в смазочные материалы и химикаты необходимо выполнить иной набор ограничений. В данной статье описаны разработанные нами стратегии использования альдегидов, кетонов, спиртов, фурфуралов и карбоновых кислот, полученных из C5- и C6-сахаров, смесей ферментации ацетон–бутанол–этанол (ABE) и различных карбоновых и жирных кислот биологического происхождения, для производства топлив, смазочных материалов и химикатов. Удаление кислорода из этих синтезонов достигается дегидратацией, декарбоксилированием, гидроголизом и гидроокислородованием (hydrodeoxygenation), тогда как реакции, такие как альдольная конденсация, этерификация, алкилирование и кетонизация, используются для наращивания числа углеродных атомов в конечном продукте. Мы показываем, что наши стратегии приводят к получению компонентов с высоким октановым числом, которые можно смешивать с бензином, соединений C9–C22, обладающих плотностью энергии и свойствами, необходимыми для дизельных и авиационных топлив, а также смазочных материалов, эквивалентных или превосходящих современные синтетические смазочные материалы. Замена части продуктов, получаемых из нефти, такими возобновляемыми источниками может смягчить негативное воздействие транспортного сектора на антропогенные выбросы парниковых газов (GHG) и потенциальное изменение климата. Хотя этанол хорошо известен как присадка к топливу, существует значительный интерес к использованию этанола в качестве платформенной молекулы для получения различных ценных химикатов. Мы показываем, что биоэтанол можно конвертировать с высокой селективностью в бутанол или 1,3-бутадиен, что представляет собой интересные альтернативы текущему производству из нефти. Наконец, мы сообщаем, что несколько предложенных стратегий имеют потенциал снизить выбросы парниковых газов на 55–80% по сравнению с нефтепродуктовыми процессами.