Vergeleken met de eerste generatie biobrandstoffen geproduceerd uit voedselgewassen, productie van tweede generatie biobrandstoffen voor dagelijks gebruik is een urgent probleem. In dit onderzoek, onderzoekers ontwikkelden een nieuw carboxylaat-type vloeibaar zwitterion als oplosmiddel van biomassa, die cellulose zou kunnen oplossen met een zeer lage toxiciteit voor micro-organismen. Het gebruik van dit nieuwe oplosmiddel zorgt voor een aanzienlijke verlaging van de energiekosten voor de productie van ethanol uit non-food biomassa. Dus, de productie van ethanol voor biobrandstoffen van de tweede generatie is in zicht voor praktische implementatie.

Ethanol wordt geproduceerd uit voedselgewassen zoals maïs, en vormt daarmee een bedreiging voor de voedselvoorziening. Het is daarom noodzakelijk om ethanol te produceren uit non-food biomassa zoals onkruid, afval papier, enz. Oplosmiddelen die nodig zijn voor de productie van biobrandstof-ethanol van de tweede generatie zijn zeer giftig voor micro-organismen. Om dergelijke zeer giftige oplosmiddelen te verwijderen, zijn ingewikkelde processen nodig, zoals wassen met water, scheiding door centrifugatie en compressie. Als resultaat, de energie die in deze ethanol wordt teruggewonnen, is minder dan nodig is om het te produceren, d.w.z., er is een negatieve energiebalans en een grotere belasting van het milieu. Het werd als onmogelijk beschouwd om dit probleem op te lossen, omdat er een hard oplosmiddel nodig was om weerbarstige plantaardige materialen zoals cellulose af te breken, terwijl zo'n hard oplosmiddel micro-organismen zou doden die een essentiële rol spelen bij de fermentatie die nodig is voor de productie van ethanol.

In de huidige studie, onderzoekers van Kanazawa University, Japan, erin geslaagd de toxiciteit voor micro-organismen te verminderen door een nieuw oplosmiddel te ontwikkelen, een carboxylaat-type vloeibaar zwitterion voor het oplossen van biomassacellulose (Figuur 1). De EC50, de concentratie van een stof die de groei van Escherichia coli tot 50 procent vermindert, bleek 158 g/L te zijn voor het nieuw ontwikkelde vloeibare zwitterion van het carboxylaattype, overwegende dat de EC50 van ionische vloeistof, een van de conventionele oplosmiddelen van cellulose, bedroeg 9 g/l. Dit geeft aan dat het nieuwe vloeibare zwitterion van het carboxylaattype een 17-voudig lagere toxiciteit vertoont dan de ionische vloeistof.

Met Escherichia coli die ethanol kan produceren, het fermentatievermogen was bijna maximaal in 0,5 mol/L carboxylaat-type vloeibaar zwitterion met een uiteindelijke ethanolconcentratie van 21 g/L. Anderzijds, hetzelfde experiment met de ionische vloeistof produceerde slechts 1 g/L ethanol. Dus, fermentatie in aanwezigheid van de carboxylaat-type vloeibare zwitterion produceerde 21 keer meer ethanol dan die met behulp van de ionische vloeistof.

In een ander experiment, bagasse werd gebruikt als uitgangsbiomassa voor ethanolproductie zonder was-/scheidingsprocessen. Fermentatie in aanwezigheid van het vloeibare zwitterion van het carboxylaattype produceerde 1,4 g/L ethanol, terwijl er geen ethanol werd verkregen met de ionische vloeistof vanwege de hoge toxiciteit (Figuur 2).

Met deze experimentele resultaten, het is aangetoond dat door gebruik te maken van het vloeibare zwitterion van het carboxylaattype, Plantaardige biomassa zou in een enkele reactiepot kunnen worden omgezet in ethanol zonder was-/scheidingsprocessen. Dit betekent een grote stap voorwaarts in de productie en het gebruik van biobrandstof-ethanol van de tweede generatie door het verminderen van grote hoeveelheden energie-input.

Naast ethanol van de eerste en tweede generatie biobrandstof, een derde generatie biobrandstof, een soort olie, kan worden gemaakt van sommige algensoorten. Om zo’n derde generatie biobrandstof uit algen te halen, polysachariden zoals cellulose, die hoofdbestanddelen zijn van celwanden, moeten worden ontbonden. De energie-efficiëntie zou sterk toenemen als opgeloste polysachariden omgezet zouden kunnen worden in ethanol. Verdere ontwikkeling van onze huidige studie zou aanzienlijk bijdragen aan de productie van niet alleen tweede generatie maar ook derde generatie biobrandstof ethanol.