安価で効率的なバイオ燃料製造の可能性を開く新しいメンブレン

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(New membrane could pave way for cheap, efficiently made biofuels)

2020/11/19 英国・インペリアル・カレッジ・ロンドン

Graphical abstract: Low energy intensity production of fuel-grade bio-butanol enabled by membrane-based extraction

・ インペリアル・カレッジ・ロンドンと bp(British Petroleum Company plc)が、より省エネで安価なバイオ
燃料製造を可能にする、メンブレン・ベースの燃料抽出システムを開発。
・ 航空・輸送産業で化石燃料のグリーンな代替として大きな可能性を有するバイオ燃料は、輸送や発電で商業利用されているが、石油系燃料の約 2 倍の高価格のため大規模な利用に至っていない。
・ このような高価格は、バイオマスの発酵を通じた燃料グレードのバイオブタノールを抽出する従来の変換プロセスのエネルギー大量消費と低収率に起因。現在は石油やディーゼル燃料に混合して使用されている。
・ バイオ燃料は、環境への影響が少ないことに加え、電池のような他の再生可能エネルギー技術の航空や長距離輸送での利用の障壁となっているエネルギー容量や貯蔵の課題にも対処する。
・ 新抽出システムは、従来プロセスの 25%を下回るエネルギー量で、99.5%の高純度バイオ燃料を従来の 10 倍多く製造する。一般的にバイオ燃料は、CO2 と微粒子の排出量を最大で 80%削減し、原料の種類によりバイオディーゼルよりもサステナブルで、炭素排出量の削減と気候変動の影響緩和において主要な役割を担うとされている。
・ バイオ燃料の製造では、抽出溶媒を使用してバイオマスの廃棄物の発酵液から燃料を回収するが、バイオ燃料と抽出溶剤は発酵液の微生物に有害なため、燃料製造を阻害し、エネルギー消費量を増加させる。
・ 数種類の薄膜複合メンブレンの性能を調査し、抽出溶媒と水をブロックしてバイオ燃料のみを移動させるものを特定。微生物を保護して燃料製造を継続させ、従来の 10 倍の生産性を達成した。
・ 同メンブレンを 3 種類の抽出溶媒と組合せて最適な稼働条件を調査した結果、2-エチル-1-ヘキサノール抽出溶媒が 5 倍速い回収率を提示。エネルギー使用量が従来の 1/4 以下に低減する。
・ 同メンブレンシステムの大規模な予備研究の実施による同技術の実証と、メンブレンの調整と固定化した微生物による連続回収により、同技術のさらなる高度化を目指す。
・ 本研究には、bp International Centre for Advanced Materials (bp ICAM)が資金を提供した。
URL: https://www.imperial.ac.uk/news/209053/new-membrane-could-pave-cheap-efficiently/

<NEDO海外技術情報より>

(関連情報)

Energy & Environmental Science 掲載論文(フルテキスト)
Low energy intensity production of fuel-grade bio-butanol enabled by membrane-based extraction
URL: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/EE/D0EE02927K#!divAbstract

Abstract

Widespread use of biofuels is inhibited by the significant energy burden of recovering fuel products from aqueous fermentation systems. Here, we describe a membrane-based extraction (perstraction) system for the recovery of fuel-grade biobutanol from fermentation broths which can extract n-butanol with high purity (>99.5%) while using less than 25% of the energy of current technology options. This is achieved by combining a spray-coated thin-film composite membrane with 2-ethyl-1-hexanol as an extractant. The membrane successfully protects the micro-organisms from the extractant, which, although ideal in other respects, is a metabolic inhibitor. In contrast to water, the extractant does not form a heterogeneous azeotrope with n-butanol, and the overall energy consumption of for n-butanol production is 3.9 MJ kg−1, substantially less than other recovery processes (17.0–29.4 MJ kg−1). By (a) extracting n-butanol from the fermentation broth without a phase change, (b) breaking the heterogeneous azeotrope relationship (less energy consumption for distillation), and (c) utilizing a small volume ratio of extractant : fermentation broth (1 : 100, v/v), the need for high energy intensity processes such as pervaporation, gas stripping or liquid–liquid extraction is avoided. The application of this perstraction system to continuous production of a range of higher alcohols is explored and shown to be highly favourable.

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