Kunde jetbränsle göras från sockerrör vara nyckeln till renare flyg?

Luftfartsindustrin producerar 2 procent av globala humana inducerade koldioxidutsläpp. Denna andel kan verka relativt liten - perspektivet utgör elproduktion och hushållsuppvärmning mer än 40 procent - men luftfart är en av världens snabbast växande växthusgaser. Efterfrågan på flygresor förväntas fördubblas de närmaste 20 åren.

Flygbolag är under tryck för att minska sina koldioxidutsläpp och är mycket utsatta för globala oljeprisfluktuationer. Dessa utmaningar har ansträngt ett stort intresse för biomassafrågade jetbränslen. Bio-jetbränsle kan framställas av olika växtmaterial, inklusive oljeväxter, sockergrödor, stärkelseprodukter och lignocellulos biomassa, genom olika kemiska och biologiska vägar. Tekniken för att konvertera olja till jetbränsle är emellertid i ett mer avancerat utvecklingsstadium och ger högre energieffektivitet än andra källor.

Vi är engineering sockerrör, den mest produktiva växten i världen, för att producera olja som kan omvandlas till bio-jetbränsle. I en ny studie fann vi att användningen av denna konstruerade sockerrör kan ge mer än 2500 liter bio-jetbränsle per hektar mark. Enkelt sagt betyder det att en Boeing 747 kan flyga i 10 timmar på bio-jetbränsle som produceras på bara 54 hektar mark. Jämfört med två konkurrerande växtkällor, sojabönor och jatropha, skulle lipidkan producera cirka 15 och 13 gånger så mycket jetbränsle per jordenhet.

Skapa dubbelsidig sockerrör

Bio-jetbränslen härrörande från oljerika råvaror, såsom kamelina och alger, har framgångsrikt testats med bevis på konceptflyg. ASTM International, en global standardiseringsorganisation, har godkänt en 50:50 blandning av petroleumbaserat jetbränsle och hydroprocessigt förnyelsebart bränsle för kommersiella och militära flygningar.

Men även efter betydande insatser för forskning och kommersialisering är nuvarande produktionsvolymer av bio-jetbränsle mycket små. Att göra dessa produkter i större skala kommer att kräva ytterligare tekniska förbättringar och rikliga billiga råvaror (grödor som används för att göra bränslet).

Sockerrör är en välkänd biobränslekälla: Brasilien har gissat sockerrörsaft för att göra alkoholbaserat bränsle i årtionden. Etanol från sockerrör ger 25 procent mer energi än den mängd som används under produktionsprocessen och minskar utsläppen av växthusgaser med 12 procent jämfört med fossila bränslen.

Vi undrade om vi kunde öka växtens naturliga oljeproduktion och använda oljan för att producera biodiesel, vilket ger ännu större miljöfördelar. Biodiesel ger 93 procent mer energi än vad som krävs för att göra det och minskar utsläppen med 41 procent jämfört med fossila bränslen. Etanol och biodiesel kan båda användas i bio-jetbränsle, men tekniken för att omvandla växtbaserad olja till jetbränsle ligger i ett avancerat utvecklingsstadium, ger hög energieffektivitet och är redo för storskalig utplacering.

När vi föreslog att vi började producera mer sockerrör för att producera mer olja, trodde några av våra kollegor att vi var galen. Sockerrör växter innehåller bara 0,05 procent olja, vilket är alldeles för lite för att konvertera till biodiesel. Många växtforskare teoretiserade att ökad mängd olja till 1 procent skulle vara giftig för växten, men våra datormodeller förutspådde att vi kunde öka oljeproduktionen till 20 procent.

Med stöd från Institutionen för Energi Advanced Research Projects Agency-Energy lanserade vi ett forskningsprojekt kallat Plants Engineered to Replace Oil in Sugarcane and Sorghum, eller PETROSS, 2012. Sedan dess har vi genom genetisk teknik ökat produktionen av olja och fettsyror för att uppnå 12 procent olja i löv av sockerrör.

Nu arbetar vi för att uppnå 20 procent olja - den teoretiska gränsen, enligt våra datormodeller - och inriktar sig på denna oljepumulation till plantans stam, där den är mer tillgänglig än i bladen. Vår preliminära forskning har visat att även om de konstruerade växterna producerar mer olja fortsätter de att producera socker. Vi kallar dessa manipulerade växter lipidkan.

Flera produkter från lipidkan

Lipidkan erbjuder många fördelar för bönder och miljö. Vi beräknar att växande lipidkan innehållande 20 procent olja skulle vara fem gånger mer lönsam per hektar än sojabönor, den huvudsakliga råvaran som för närvarande används för att göra biodiesel i USA och dubbelt så lönsam per hektar som majs.

För att vara hållbart måste bio-jetbränsle också vara ekonomiskt att bearbeta och ha höga produktionsutbyten som minimerar användningen av jordbruksmark. Vi uppskattar att i jämförelse med sojabönor kan lipidkan innehållande 5 procent olja producera fyra gånger mer jetbränsle per tunnland mark. Lipidkan med 20 procent olja kan producera mer än 15 gånger mer jetbränsle per hektar.

Och lipidkan erbjuder andra energifördelar. Växtdelarna kvar efter juiceutvinning, känd som bagasse, kan brännas för att producera ånga och el. Enligt vår analys skulle detta generera mer än tillräckligt med el för att driva bioraffinaderiet, så att överskottsmakt kan säljas tillbaka till nätet, förskjuta el som produceras från fossila bränslen - en praxis som redan används i vissa växter i Brasilien för att producera etanol från sockerrör.

En potentiell amerikansk bioenergivård

Sockerrör trivs på marginellt mark som inte är lämpat för många livsmedelsgrödor. För närvarande odlas den huvudsakligen i Brasilien, Indien och Kina. Vi är också tekniskt lipidkan att vara mer kalltoleranta så att den kan ökas bredare, särskilt i sydöstra USA på underutnyttjad mark.

Om vi ​​ägnade 23 miljoner hektar i sydöstra USA till lipidkan med 20 procent olja, uppskattar vi att denna gröda skulle kunna producera 65 procent av den amerikanska jetbränsleförsörjningen. För närvarande, i nuvarande dollar, skulle detta bränsle kosta flygbolag 5,31 dollar per gallon, vilket är mindre än bio-jetbränsle som produceras av alger eller andra oljeväxter som sojabönor, canola eller palmolja.

Lipidkan kan också odlas i Brasilien och andra tropiska områden. Som vi nyligen rapporterade om Naturens klimatförändring kunde en betydande expansion av sockerrörs- eller lipidkanproduktionen i Brasilien minska dagens globala koldioxidutsläpp med upp till 5,6 procent. Detta kan uppnås utan att påverka områden som den brasilianska regeringen har utsetts som miljömässigt känsliga, till exempel regnskog.

I strävan efter "energycane"

Vår lipidkanforskning innehåller också genetiskt ingenjörskonstverk för att göra det fotosyntetiserat mer effektivt, vilket innebär en mer tillväxt. I en 2016-artikel i Science visade en av oss (Stephen Long) och kollegor vid andra institutioner att förbättringen av effektiviteten av fotosyntesen i lipidkan ökade sin tillväxt med 20 procent. Preliminär forskning och sida vid sida fälttester tyder på att vi har förbättrat den fotosyntetiska effektiviteten hos sockerrör med 20 procent och med nästan 70 procent under svåra förhållanden.

Nu börjar vårt team arbeta för att utveckla en högre mängd sockerrör som vi kallar "energycane" för att uppnå mer oljeproduktion per hektar. Vi har mer mark för att täcka innan det kan kommersialiseras, men att utveckla en livskraftig anläggning med tillräckligt med olja för att ekonomiskt producera biodiesel och bio-jetbränsle är ett viktigt första steg.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation av Deepak Kumar, postdoktoralforskare; Stephen P. Long, professor i grödvetenskap och växtbiologi; Vijay Singh, professor i lantbruks- och bioteknik och direktör för integrerade bioprocessing forskningslaboratorium, University of Illinois i Urbana-Champaign. Läs den ursprungliga artikeln här.