사탕 수수로 만든 제트 연료가 클리너 비행의 열쇠가 될 수 있을까요?

항공 산업은 전세계에서 인간이 유발 한 이산화탄소 배출량의 2 %를 생산합니다. 이 비율은 원근법, 전기 발전 및 가정 난방이 40 % 이상을 차지하므로 상대적으로 작은 것으로 보일 수 있습니다. 그러나 항공은 세계에서 가장 빠르게 성장하는 온실 가스 원 중 하나입니다. 향후 20 년간 항공 수요는 두 배로 증가 할 것으로 예상됩니다.

항공사는 탄소 배출량을 줄이라는 압력을 받고 있으며 국제 유가 변동에 매우 취약합니다. 이러한 문제는 바이오 매스에서 추출한 제트 연료에 큰 관심을 불러 일으켰습니다. 바이오 제트 연료는 석유 작물, 설탕 작물, 녹말 식물 및 리그 노 셀룰로오스 바이오 매스를 비롯한 다양한 식물 재료로부터 다양한 화학적 및 생물학적 경로를 통해 생산 될 수 있습니다. 그러나 석유를 제트 연료로 전환하는 기술은 발전 단계에 있으며 다른 에너지 원보다 에너지 효율이 높습니다.

우리는 바이오 제트 연료로 전환 될 수있는 오일을 생산하기 위해 세계에서 가장 생산적인 사탕 수수를 제조하고 있습니다. 최근의 연구에서, 우리는이 인공 사탕 수수의 사용이 1 에이커의 땅에 2,500 리터 이상의 바이오 제트 연료를 산출 할 수 있다는 것을 발견했습니다. 간단히 말해 보잉 747은 54 에이커에 달하는 바이오 제트 연료로 10 시간 동안 비행 할 수 있습니다.경쟁하는 두 가지 식물 공급원 인 대두와 자트로파에 비해 지질 과산화탄소는 토양 단위 당 약 15 배와 13 배의 제트 연료를 생산합니다.

이중 목적 사탕 수수 만들기

camelina 및 algae와 같은 석유가 풍부한 공급 원료에서 추출한 바이오 제트 연료는 개념 증명 비행에서 성공적으로 테스트되었습니다. 국제 표준 개발기구 인 ASTM International은 상용 및 군용 비행을 위해 석유 기반의 제트 연료와 수소 처리 된 재생 가능 제트 연료를 50:50으로 혼합하는 것을 승인했습니다.

그러나 상당한 연구와 상업화 노력을 한 후에도 현재 생산되는 바이오 제트 연료의 양은 매우 적습니다. 이러한 제품을 더 큰 규모로 생산하려면 추가 기술 개선과 저렴한 원재료 (연료를 만드는 데 사용되는 작물)가 필요합니다.

사탕 수수는 잘 알려진 바이오 연료 원천입니다. 브라질은 수 십 년간 알코올 기반 연료를 만들기 위해 사탕 수수 주스를 발효시켜 왔습니다. 사탕 수수에서 얻은 에탄올은 생산 과정에서 사용되는 양보다 25 % 더 많은 에너지를 생산하고 화석 연료에 비해 온실 가스 배출을 12 % 줄입니다.

우리는 식물의 천연 석유 생산량을 늘리고 오일을 사용하여 바이오 디젤을 생산할 수 있는지 궁금해했습니다. 바이오 디젤은 필요한 에너지보다 93 % 더 많은 에너지를 생산하고 화석 연료와 비교하여 배출량을 41 % 줄입니다. 에탄올과 바이오 디젤은 모두 바이오 제트 연료에 사용될 수 있지만 식물 유래 오일을 제트 연료로 전환하는 기술은 발전 단계에 있으며 에너지 효율이 높으며 대규모 배치가 가능합니다.

우리가 처음으로 사탕 수수를 만들어 기름을 더 많이 생산하도록 제안했을 때 우리 동료 중 일부는 우리가 미쳤다고 생각했습니다. 사탕 수수 식물은 단지 0.05 %의 기름을 함유하고 있는데, 이는 바이오 디젤로 전환하기에는 너무 적습니다. 많은 식물 과학자들은 석유의 양을 1 %로 증가시키는 것이 플랜트에 유독하다는 이론을 세웠지 만, 우리 컴퓨터 모델은 석유 생산량을 20 %까지 늘릴 수있을 것이라고 예측했습니다.

Department of Energy의 Advanced Research Projects Agency-Energy의 지원을 받아 2012 년에 Sugarcane 및 Sorghum 또는 PETROSS의 오일 교체 플랜트 프로젝트를 시작했습니다. 그 후로 유전 공학을 통해 석유 생산을 늘렸고 지방산으로 사탕 수수의 잎에서 12 %의 기름을 얻습니다.

이제 우리는 컴퓨터 모델에 따라 이론적 인 한계 인 20 %의 오일을 얻고 나뭇잎에서보다 접근하기 쉬운 식물의 줄기에이 오일 축적을 목표로 삼고 있습니다. 우리의 예비 연구에 따르면 공학 플랜트가 더 많은 오일을 생산하더라도 설탕을 계속 생산합니다. 우리는 이러한 공학 식물을 지질이라고 부릅니다.

lipidcane의 여러 제품

지질은 농부와 환경에 많은 이점을 제공합니다. 우리는 20 %의 기름을 함유 한 성장하는 지질 성분이 미국에서 바이오 디젤 생산에 사용되는 주요 원료 인 옥수수보다 2 배의 수익성이있는 대두보다 에이커 당 5 배의 수익성이 있다고 계산합니다.

지속 가능하려면 바이오 제트 연료가 경작이 가능하고 경작지 사용을 최소화하는 높은 생산량을 가져야합니다. 우리는 대두와 비교하여 5 %의 지질을 함유 한 지질 성분이 토지 1 에이커 당 4 배의 제트 연료를 생산할 수 있다고 추정합니다. 20 % 오일을 함유 한 리피드 카인은 에이커 당 15 배 이상의 제트 연료를 생성 할 수 있습니다.

그리고 지질 개선제는 다른 에너지 이득을 제공합니다. bagasse로 알려진 주스 추출 후 남은 식물 부분은 증기와 전기를 생산하기 위해 태울 수 있습니다. 우리의 분석에 따르면, 이것은 바이오 정유 공장에 전력을 공급하는 데 충분한 전력을 발생시킬 것이므로 여분의 전력은 화석 연료에서 생산 된 전기를 대체하여 그리드로 다시 판매 될 수 있습니다. 브라질의 일부 ​​플랜트에서 이미 사탕 수수에서 에탄올을 생산하기 위해 사용 된 방법입니다.

잠재적 인 미국 바이오 에너지 작물

사탕 수수는 많은 식량 작물에 적합하지 않은 한계 지대에서 번창합니다. 현재 브라질, 인도, 중국에서 주로 재배되고 있습니다. 우리는 또한 지질 환경을 좀더 차가울 수 있도록 엔지니어링하고 있습니다. 특히 저조한 땅에서 미국 남동부 지역에서 더 많이 자랄 수 있습니다.

우리가 미국 남동부에서 2 천 3 백만 에이커의 지방을 지질에서 20 %의 기름으로 썼다면, 우리는이 작물이 미국의 제트 연료 공급의 65 %를 생산할 수 있다고 추정합니다. 현재 현재의 달러로, 그 연료는 콩이나 캐놀라 또는 야자 기름과 같은 조류 또는 다른 기름 작물에서 생산 된 바이오 제트 연료보다 적은 갤런 당 항공 US $ 5.31을 요할 것이다.

지질은 브라질과 다른 열대 지역에서도 재배 될 수 있습니다. 우리가 최근에 자연 기후 변화에서보고 한 바와 같이, 브라질에서 사탕 수수 또는 지질 생산을 크게 확장하면 현재의 전세계 이산화탄소 배출량을 최대 5.6 %까지 줄일 수 있습니다. 이것은 브라질 정부가 열대 우림과 같이 환경에 민감한 지역에 영향을주지 않고서도 달성 될 수 있습니다.

에너지 케인 (energycane)

우리의 지질 연구는 식물을 광합성을보다 효율적으로 할 수 있도록 식물을 유전자 조작하는 것을 포함하여 더 많은 성장으로 이어집니다. Science 지에 발표 된 2016 년 한 논문에서 다른 연구 기관의 연구원 중 한 명은 지질 환경에서 광합성의 효율을 높이는 것이 성장률을 20 % 증가시키는 것으로 나타났습니다. 예비 연구와 병행 실험을 통해 우리는 사탕 수수의 광합성 효율을 20 %까지, 그리고 시원한 조건에서는 거의 70 %까지 향상 시켰다고 제안합니다.

이제 우리 팀은 에이커 당 더 많은 석유 생산을 달성하기 위해 "에너지 탁월 (energycane)"이라고 부르는 고수익의 다양한 사탕 수수를 설계하기위한 작업을 시작했습니다. 우리는 상업화되기 전에 더 많은 근거가 있어야하지만 경제적으로 바이오 디젤과 바이오 제트 연료를 생산할 수있는 충분한 석유를 가진 생존 가능한 식물을 개발하는 것이 중요한 첫 걸음입니다.

이 기사는 원래 Deepak Kumar (박사후 연구원)의 The Conversation에 게시되었습니다. Stephen P. Long, 작물 과학 및 식물 생물학 교수; 비제이 싱 (Bejay Singh), 농무부 생물 공학 교수, 일리노이 대학 어바나 - 샴페인 통합 생물 공정 연구실 소장. 여기에 원본 기사를 읽으십시오.