کاربرد آنزیم ها در بیو انرژی

آنزیم های اندوگلوکاناز، اگزوگلوکاناز وبتاگلوکوزیداز آنزیم هایی هستند که بر بافت به هم فشرده سلولاز (پلیمر گیاهی گلوکز) اثر کرده و آن را به تک قندی ها و دوقندی ها تبدیل می کنند. این آنزیم ها اغلب فعالیتشان را با برخی آنزیم های مکمل همچون پکتینازها و لیگنینازها انجام می دهند. سلولز بیشترین ماده آلی تجدید پذیر در زمین است و امروزه با تجزیه مواد سلولزی ای همچون دورریزهای کشاورزی، الکل تولید می شود که می تواند به عنوان مکمل در سبد سوخت جهان قرار بگیرد.

پالایشگاه های زیستی

در پالايشگاه معمولي، نفت خام به کار گرفته می شود تا از يك سو، منابع انرژي قابل استفاده، و از سوی ديگر، برخي مواد شيميايي مورد نياز تولید شود. در پالايشگاه های زيستي، از زیست توده ها به جاي نفت خام استفاده مي شود. محصولات اين پالايشگاه ها نيز انرژي و مواد شيميايي مفيد با ارزشِ افزوده هستند. به بیان دیگر، پالایشگاه زیستی جایی است از زیست توده، مواد شیمیایی، سوخت و انرژی تولید می شود. پالایشگاه زیستی، پایه ی صنایع زیست-مبنا است. شکل 2 مقایسه ای میان پالایشگاه معمولی و پالایشگاه زیستی ارایه می کند.

پالایشگاه زیستی دارای دو نوع طراحی کلی است:

1- طراحی مبتنی بر قند: که زیست توده به کمک فرایند های بیوشیمیایی به قند های قابل تخمیر تبدیل می شود و سپس به کمک تخمیر، محصولات مورد نظر به دست می آیند (شکل 3).

2- طراحی مبتنی بر ترموشیمی: زیست توده با استفاده از واکنش های ترموشیمیایی، گاز تولید می کند که به عنوان سوخت استفاده می شود. همچنین برخی محصولات جانبی نیز تولید می شوند.

تبدیل زیست توده به اتانول نمونه ای از زیست پالایشگاه های مبتنی بر قند است. در شکل 4، شمایی از فرایند های یک پالایشگاه زیستی مبتنی بر قند نشان داده شده است. در این شکل تفاوت مسیری را که مواد نشاسته ای و لیگنوسلولزی برای تولید اتانول می پیمایند نشان داده شده است. از این شکل بر می آید که زیست توده های لیگنوسلولزی باید مسیری دشوارتر و طولانی تر را بپیمایند.

مواد ليگنوسلولزي: منبعي بزرگ براي توليد اتانول

میزان انرژی خورشیدی ای که سطح زمین سالانه در یافت می کند برابر با Btu/year 21¹⁰×5/2است. عدد یاد شده، 12000 برابر نیاز کنونی انسان به انرژی، و تقریبا 4000 برابر انرژی ای است که پیش بینی می شود انسان در سال 2050 نیاز داشته باشد. میزان انرژی خورشیدی ای که طی فرایند فوتوسنتز ذخیره می شود، 10 برابر مصرف انرژی دنیاست. در جهان، سالانه تنها 13 میلیارد تن چوب خشک تولید می شود. انرژی ذخیره شده در این میزان چوب برابر با 7 میلیارد تن زغال سنگ و به بیان دیگر، برابر با دو سوم کل نیاز انرژی جهانی است.

60% وزن گياه را کربوهيدرات ها تشكيل مي دهند و در میان آنها سلولز فراوان ترین قند است. چنان که پیشتر گفته شد، سلولز فراوان ترین ماده ی آلی در زمین است. سالانه 40 میلیارد تن سلولز در کره ی زمین تولید می شود. در سال 2001 براورد شد که تنها استفاده ی سالیانه ی 1% از زیست توده ی تولید شده در جهان، برابر با مصرف تمامی سوخت فسیلی مصرف شده در همان سال است. اگر چنین امری براورده شود، نه به تولید محصولات غذایی آسیبی وارد می شود، و نه آلودگی های زیست محیطی ناشی از مصرف سوخت های فسیلی گریبان گیر دنیا می شود. با توجه به حجم قابل توجه زيست توده ها در دنيا، مي توان انتظار داشت كه استفاده از اين منابع بتواند تمام نياز سوختي دنيا را تامين كند. شکل ‏8‑5، توان آمریکا را در تولید زیست توده های گوناگون نشان می دهد.

 بنابراین اگر بتوانیم سلولز و همی سلولز را به قند های ساده ی تشکیل دهنده (گلوکز و قند های 5 کربنی) تجزیه کنیم، منبعی بی پایان (تجدید پذیر) برای تولید اتانول در اختیار ما قرار خواهد گرفت. مواد ليگنوسلولزي بخش مهمي از زيست توده هاي گياهي را تشكيل مي دهند كه از جمله ي آنها مي توان به اين موارد اشاره كرد:

1) باقي مانده هاي كشاورزي: باقی مانده ی ذرت (ساقه و دیگر بخش ها)، كاه و سبوس گندم، باقي مانده هاي نيشكر. محصولات کشاورزی بخش چشمگیری از منابع کربنی و زیست توده های لیگنوسلولزی را تشکیل می دهند و تولید سالانه ی آنها به میلیاردها تن می رسد. با این همه، تنها 10% از وزن محصولات کشاورزی مصرف می شود. 90% باقی مانده (هسته ی میوه ها، فیبرها، ساقه، پوست، و…) به عنوان ضایعات باقی می مانند. در آمريكا كه بزرگ ترين توليد كننده ي ذرت در دنيا است، در سال 2001، 216 ميليون تن دانه ي ذرت توليد شده است. به همراه آن، سالانه 254 ميليون تن ساقه ي ذرت نيز توليد مي شود كه منبع ليگنوسلولزي مناسبي براي توليد اتانول است. تنها 6% از ساقه هاي ذرت به عنوان غذاي دام استفاده مي شود.

2) ضايعات صنعت چوب و جنگل. مصرف سالانه ی جهانی چوب امروزه در حدود 5/3 میلیارد تن است. مصرف چوب در دنیا روند افزایشی داشته است، به نحوی که از سال 1960 تا کنون، 65% به مصرف آن افزوده شده است. درختان، نزدیک به 20% منابع کربنی سطح زمین را تشکیل می دهند.

3) برخي محصولات گياهي هميشگي نيز مي توانند براي توليد اتانول به کار گرفته شوند. علف هاي فصل هاي گرم، و درختان و گياهاني كه به تندی رشد مي كنند را مي توان از اين دست دانست.

4) زباله هاي شهري و صنعتي، كاغذ و… بسیاری از زباله ها دارای مواد سلولزی هستند و استفاده از آنها برای تولید اتانول می تواند از حجم زباله ها نیز بکاهد.

همچنین تولید اتانول از سلولز، فشاری بر تولید مواد غذایی وارد نمی کند. اما چرا با وجود تمام این مزیت ها (حجم زیاد، ارزان و در دسترس بودن و فقدان ارزش غذایی)، هنوز در دنیا روی تولید اتانول از ساکارز نیشکر و ذرت تاکید می شود؟

چنان که در فصل نخست گفته شد، سلولز در طبیعت به صورت ترکیبات لیگنوسلولزی وجود دارد. ترکیبات لیگنوسلولزی به گونه ای آرایش یافته اند که در برابر تجزیه شدن پایداری می کنند. همچنین سلولز اغلب به شکل کریستالی دیده می شود که این ساختار نیز در برابر هیدرولیز آنزیمی پایداری می کند. بنابراین نمی توان مواد لیگنوسلولزی را به سادگی در برابر آنزیم های سلولاز قرار داد و پس از تجزیه، قند های ساده ی به دست آمده را برای تولید اتانول استفاده کرد، بلکه باید تدابیری اندیشیده شود تا قفل هایی که در برابر هیدرولیز سلولز وجود دارد را باز کنیم، و همین است که تبدیل لیگنوسلولز به اتانول را از نظر اقتصادی گران می کند. چندین روش فیزیکی، شیمیایی و کمتر آنزیمی وجود دارد که می توانند ساختار در هم تنیده ی لیگنوسلولز را فرو بریزند و سلولز کریستالی را از نظم اولیه خارج کنند. به مجموع این روش ها پیش تیمار گفته می شود. پیش تیمار مواد لیگنوسلولزی موجب می شود سلولز به آسانی در دسترس سلولاز ها قرار بگیرد و به گلوکز تجزیه شود. با این همه، استفاده از این روش ها هزینه بر است و نیز هر کدام از آنها دشواری های خاص خود را دارد.

امروزه نزدیک به 90% اتانول تولید شده در دنیا از قند و منابع نشاسته ای به دست می آید، در حالی که پژوهش های فراوانی در جریان است تا بتوان از منبع عظیم کربنی نهفته در لیگنوسلولز برای تولید اتانول استفاده کرد. طبیعی است که تولید الکل به روش کنونی (تخمیر منابع قند و نشاسته)، بسیار ساده تر از به کار گیری مواد لیگنوسلولزی است، زیرا مورد اخیر نیازمند گام های بیشتر، پیچیده تر و گران تر است. بنابراین، هزینه ی فراوری آن بیشتر است. اما در مقابل، هزینه ی مواد اولیه ی آن کمتر است. همچنین، مواد لیگنوسلولزی به فراوانی در دسترس هستند. سالانه صدها ميليون تن از مواد ياد شده توليد مي شوند و تخمين زده مي شود كه با بهره گيري از آنها بتوان تا سال 2017، نزدیک به 20% از سوخت مورد نياز آمريكا را فراهم كرد.

توليد اتانول از مواد ليگنوسلولزي

در شکل 8 و 9 شمايي ساده از فرايند توليد اتانول از مواد ليگنوسلولزي نشان داده شده است. فرایند تبدیل لیگنوسلولز به اتانول شامل چند گام اصلی است که عبارتند از:

الف) پیش تیمار لیگنوسلولز. این کار، با به کار گیری فرایند های شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی انجام می شود. هدف از پیش تیمار این است که ساختار به هم فشرده و در هم پیچیده ی لیگنوسلولز از هم گسیخته شود، به گونه ای که سطح در دسترس برای حمله ی آنزیم ها بیشتر شود.

ب) می توان تولید آنزیم های تجزیه کننده ی سلولز را نیز یکی از مراحل این فرایند دانست.

پ) هيدروليز سلولز. هيدروليز يا تجزيه ي سلولز به قند هاي ساده به روش هاي اسيدي يا آنزيمي انجام مي شود. در اين مرحله، چندين محصول جانبي توليد مي شود. اگر ميزان سميت محصولات جانبي زياد باشد، پيش از تخمير به يك مرحله ي سم زدايي نياز است.

ت) تخمير. قند هاي حاصل از هيدروليز، در فرمانتور به اتانول تخمير مي شوند. در جریان پیش تیمار، بخش عمده ی همی سلولز تجزیه می شود و به قند هاي ساده ي اغلب 5 كربني، مانند گزيلوز تبديل مي شود. از آنجا كه در حال حاضر، ميكروارگانيسم هايي كه بتوانند قندهاي 5 و 6 كربنه را با هم، و با بازدهي زياد تخمير كرده و به الكل تبديل كنند در اختيار نداريم، بايد آنها را جداگانه تخمير كرد. قند هاي 6 كربنه نيز در فرمانتوري جدا گانه و به وسيله ي مخمر به اتانول تبديل مي شوند. امروزه اغلب، فرايند هاي هيدروليز آنزيمي سلولز و تخمير قند هاي 6 كربنه را با هم و در يك راكتور انجام مي دهند. اين فرايند كه در بخش هاي بعدي گفته خواهد شد، به SSF شناخته شده است.

ث) بازیابی و خالص سازی اتانول. محصول فرمانتور را سانتريفوژ مي كنند تا مواد جامدِ آن ته نشين شود. سپس اتانول را به كمك تقطير جدا مي كنند. اگر بخواهيم از اتانول به عنوان سوخت استفاده كنيم، پس از تقطير و با استفاده از الك هاي مولكولي، اتانول را آب گيري مي كنیم تا غلظت آن به بيش از 99% برسد. اتانولي كه از تقطير به دست مي آيد، 95% (w/v) است. اتانول بسيار خالص نيز مي تواند به كمك روش هاي تقطير استخراجي و ستون هاي آزتروپيك به دست آيد.

هيدروليز آنزيمي

تجزیه ی مواد لیگنوسلولزی به وسیله ی سلولاز های قارچی، نقش مهمی در چرخه ی مواد در اکوسیستم دارد. آنزيم ها پروتئين هايي هستند كه نقش كاتاليزوری دارند و انرژي مورد نياز براي انجام واكنش را كاهش مي دهند، بدون اين كه خود دچار تغيير برگشت ناپذير شوند. آنزيم ها را در بسياري از صنايع، براي توليد محصولات به کار می گیرند. برخي از محصولاتي كه به كمك آنزيم ها توليد مي شوند عبارتند از: پنير، الكل و نان. آنزيم ها از مهم ترين فراورده هایی هستند كه انسان آن را از موجودات زنده به دست آورده و به كار مي گيرد. نخستين بار در 1783، اسپالونزاني از ايتاليا به نقش آنزيم ها پي برد. آنزيم ها ماكرومولكول هاي پروتئيني بزرگي هستند كه ساختار سه بعدي متنوعي دارند و با توجه به اين ساختار ويژه، و نيز با توجه به جايگاه فعالشان (كه نقش كليدي را در واكنش آنزيمي بازي مي كند) مي توانند مولكول هايي كه با جايگاه فعالشان همخواني دارند را بپذيرند و واكنش مورد نظر را روي آنها انجام دهند. چگونگي پذيرش آنزيم و مولكول خاصي كه به وسيله ي آنزيم واكنش داده مي شود (سوبسترا) را مي توان در يك مدل ساده به قفل و كليد تشبيه كرد.

در هیدرولیز آنزیمی، پارامتر های دما و pH بیش از همه نیازمند تنظیم هستند. با افزایش دما، واکنش ها با سرعت بیشتری انجام می شوند، اما بالا رفتن دما از حدی، موجب غیر فعال شدن آنزیم ها می شود. آنزیم دارای pH بهینه نیز هست. دور شدن از دما و pH بهینه موجب می شود که ساختار پروتئینی آنزیم از حالت فعال خارج شود و دیگر نتواند نقش کاتالیزوری خود را اجرا کند.

هیدرولیز آنزیمی روشی بسیار کارامد برای تجزیه ی سلولز است و می تواند تا 95% آن را تجزیه کند. برخی آنزيم ها مي توانند، سلولز و همي سلولز را به قند هاي ساده تجزيه كنند. آنزيم هايي با اين توانمندي را به طور عمومي سلولاز و همی سلولاز مي گويند. همان گونه که در بخش نخست گفته شد، اندوگلوکاناز، اگزوگلوکاناز و بتاگلوکوزیداز، سه آنزیمی هستند که در صنعت برای هیدرولیز آنزیمی زیست توده های لیگنوسلولزی استفاده می شوند. اندو و اگزوگلوکاناز زنجیر های سلولی را تجزیه کرده و سلودکسترین های کوتاه زنجیر و اغلب سلوبیوز تولید می کنند. سلوبیوز می تواند دو آنزیم یاد شده را مهار کند. همچنین، بسیاری از میکروارگانیسم ها نمی توانند سلوبیوز را تخمیر کنند بتاگلوکوزیداز علاوه بر نقشی که در تجزیه ی نهایی سلوبیوز به گلوکز دارد، با مصرف سلوبیوز، از مهار شدن دو آنزیم پیشین به وسیله ی آن جلوگیری می کند. ناگفته نماند که خود بتا گلوکوزیداز به وسیله ی غلظت بالای گلوکز مهار می شود. اگر چه مهم ترين آنزيمي كه در هيدروليز آنزيمي زيست توده به كار مي رود سلولاز ها هستند، با اين حال گزيلناز نیز براي افزايش كارايي مي تواند افزوده شود. همي سلولاز ها، به عنوان آنزيم هاي كمكي براي تكميل فرايند تجزيه ي همي سلولز استفاده مي شوند. تا كنون چندان از ليگنيناز ها براي بهبود تجزيه ي ليگنوسلولز ها استفاده نشده است.

بهينه سازي آنزيم مورد نياز و زمان هيدروليز

توليد اتانول از مواد ليگنوسلولزي با مشكل سودآوری مواجه است، زيرا از نظر اقتصادي، توليد اتانول از ليگنوسلولز، توان رقابت با منبع هايي مانند ساكارز و ذرت را ندارد. به همین دلیل، بهينه سازي پارامتر هاي فرايند بايد منجر به سودآوری اقتصادي فرايند ياد شده شود. بهينه سازي، در زمينه ي پارامتر هايي از قبيل دماي هيدروليز، pH، زمان، و ميزان آنزيم به کار گرفته شده انجام مي شود. با به كار گيري روش هاي آزمايشگاهي، يا تركيبي از روش هاي آزمايشگاهي و مدل سازي، و با اندازه گيري بيشترين مقدار تبديل ليگنوسلولز به قند، مي توان دما و pH بهينه را به دست آورد. اما براي به دست آوردن بهترين مقدار آنزيم و بهترين مدت زمان هیدرولیز، هنوز ميان پژوهشگران اختلافاتي وجود دارد. آشكار است كه با افزايش ميزان آنزيم و نيز با افزايش زمان واكنش، محصولِ بيشتري توليد مي شود، اما بايد هزينه و زمان توليد را هم در نظر داشت. مانع ديگري كه در راه توليد اتانول از ليگنوسلولز وجود دارد، قيمت زياد آنزيم است. اما اگر بخواهيم براي كاهش هزينه ها، آنزيم كمتري به كار ببريم، بازده هيدروليز كاهش مي يابد. بايد توجه داشت كه همواره بخشي از آنزيم ها جذب ليگنين شده و غير فعال مي شوند. به همين دليل، براي سوبستراهايي كه ليگنين زيادي داشته باشند، بايد آنزيم بيشتري به کار برد. در اينجاست كه كم كردنِ آنزيم، حتي موجب افزايش قيمت مي شود. اگر چه مي توان آنزيم كمتري به کار برد و براي جبران آن، با يك چرخه ي بازيافت، بازدهي را افزايش داد، اما اين كار هم موجب افزايش هزينه ي فرايند مي شود. بنابراين به يك روش كمّي براي تحليل و گزينش بهترين پارامتر هاي هيدروليز نياز است.

در باره ي توليد اتانول از منابع ليگنوسلولز ارزيابي هايي انجام شده است. در اين مطالعات، پارامتر هاي اقتصادي عمومي در باره ي توليد اتانول از مواد ليگنوسلولزي آورده شده، اما ارتباط كمّي ميان پارامتر هاي گوناگونی از قبيل هزينه ي فرايند، قيمت آنزيم، قيمت اتانول در بازار و ميزان آنزيم مورد نياز بررسي نشده است. نتيجه ي اين مطالعات نمي تواند براي تعيين مقدار آنزيم و زمان هيدروليز به كار گرفته شود، وقتي كه ديگر پارامتر ها را براي دست يابي به بيشترين توليد اتانول تغيير مي دهيم. براي رسيدن به چنين هدفي تركيبي از فرايند هيدروليز با ديگر پارامتر ها مورد نياز است. نخستين گام در مدل تركيبي ياد شده، طراحي يك مدل سينتيكي براي هيدروليز آنزيمي است. هر چند مدل هاي سينتيكي فراواني براي هيدروليز آنزيمي وجود دارد (مدل هاي تجربي و مكانيسمي)، همه ي آنها به دليل برخي محدوديت ها، نمي توانند در اين مدل تركيبي به كار گرفته شوند. اگر چه، مدل هاي تجربي ساده هستند و اغلب 2 يا 3 پارامتر را در بر مي گيرند، اما پارامتر هاي آنها در بر دارنده ي معناي فيزيكي نيست. ضعف عمده ي چنين مدل هايي اين است كه همگرايي ميان پارامترهاي آنها وجود ندارد. يعني اگر زمان هيدروليز سوبسترا را در اين مدل ها افزايش دهيم، ميزان تبديل (يا توليد محصول) به جاي 1، به بي نهايت ميل مي كند. ضعف ديگرشان اين است كه پارامتر غلظت آنزيم در آنها در نظر گرفته نشده است. لذا ارتباط دادنِ پارامتر هاي تجربيِ غلظت هاي مختلفِ آنزيم، ناممكن است. در برابر اينها، مدل هاي مكانيسمي پيچيده ترند، و اغلب راه حل هاي كمّي ندارند. همچنين داراي تعداد زيادي پارامتر هستند. محاسبه ي اين پارامترها دشوار است. به همين دليل، كاربرد آنها در فرايند هاي صنغتي مفيد نيست. بنابراين، براي يك هيدروليز آنزيمي ساده كه امكان استفاده در صنعت را داشته باشد، مدلي با اين ويژگي ها مورد نياز است: راه حل هاي كمّي داشته باشد، همگرايي ميان پارامتر ها وجود داشته باشد، تعداد پارامترها زياد نباشد، ارزش يابي پارامتر ها آسان باشد و پارامتر ها معناي فيزيكي داشته باشند. دومين مرحله ی طراحي مدل تركيبي، به دست آوردن مدلي است كه بتواند پارامتر هاي اثر گذار در هيدروليز از قبيل هزينه ي فرايند، بهای آنزيم، سرعت توليد محصول و… را در بر داشته باشد و ميان آنها ارتباط منطقي برقرار كند.

اين مدل داراي پيش فرض هايي است:

الف) سلولاز را تنها اندوگلوكاناز و اگزوگلوكاناز در نظر گرفته، و گلوكوزيدار را يك آنزيم مستقل فرض مي كند كه مي تواند از سوبستراي نامحلول، قند هاي ساده توليد كند.

ب) ساختار سوبستراي نامحلول، همگن فرض شده است و تمايزي ميان بخش هاي كريستالي و بي شكل در نظر گرفته نشده است. اين فرض را براي نزديك شدن به مدل جذب لانگ موير در نظر گرفته اند.

پ) فرض شده است كه غير فعال شدن آنزيم، يك واكنش درجه ي دوم است و پارامتر اصلي در سرعت هيدروليز به حساب مي آيد.

در پژوهشی، مخلوطی از کاغذ بازیافت شده و پنبه را در معرض غلظت های گوناگونی از سلولاز های تجاری Spezyme AO3117 و Novozymes NS50052 قرار دادند و سینتیک هیدرولیز آن را بررسی کردند. نتایج آزمایش ها نشان داد که با افزایش غلظت اولیه ی آنزیم، غلظت قند های احیا کننده ی تولید شده افزایش می یابد. در این پژوهش، یک مدل سه پارامتری سینتیکی بر اساس غیر فعال شدن آنزیم و بیان آنالیتیک آن ساخته شد. با استفاده از رگرسیون غیر خطی، پارامتر های مورد نیاز برای مدل یاد شده را از داده های تجربی مربوط به سینتیک هیدرولیز مخلوط مواد کربنی استخراج کردند. بر این اساس، دو مدلِ profit rate به دست آمد که مربوط به دو روشِ دارا و فاقد بازیافت بود. با استفاده از این دو مدل، میزان بهینه ی آنزیم مورد نیاز، و زمان هیدرولیز آنزیمی را می توان برای دستیابی به بیشترین تولید اتانول پیش بینی کرد. در این پیش بینی، پارامتر هایی مانند بهای آنزیم، هزینه ی فرایند، و بهای اتانول نیز دخالت دارند. نتایج به دست آمده از این مدل در مورد مخلوط کاغذ و پنبه نشان داد که استفاده از غلظت کمترِ آنزیم، اگرچه موجب کندتر شدنِ فرایند می شود، اما می تواند تولید اتانول را از نظر اقتصادی با سودآوری بیشتری همراه کند. در اين مطالعه، چنين مدلي براي انواع روش هاي توليد اتانول از یک سوبستراي خاص بررسي شده و نتايج به دست آمده از مدل سازي ها، با واقعيت مطابقت داشتند و به بيشترين توليد منجر شدند.

زمینه های پژوهشی

گزارش شده است که در حال حاضر، موازنه ی انرژی اتانول تولید شده از مواد سلولزی برابر با 3 تا 4 است، در حالی که زمانی استفاده از مواد لیگنوسلولزی به صرفه خواهد شد که عدد یاد شده را به استفاده از فناوری های بهینه به 7 افزایش داد. در چنان شرایطی شاید بتوان استفاده از مواد لیگنوسلولزی را جایگزین ذرت کرد. در زمینه ی تولید اتانول از زیست توده پژوهش های گسترده ای در زمینه های زیر در حال انجام است:

ا)  بهبود روش های تیمار مواد لیگنوسلولزی

2)  تولید ارزان تر سلولاز و گزیلناز

3)  هیدرولیز آنزیمی

4) توانمند سازی باکتری برای تخمیر. با انتقال ژن های کد کننده ی الکل دهیدروزناز و پیروات دکربوکسیلاز (به دست آمده از زیموموناس موبیلیس) به انواع باکتری ها، سویه های نوترکیبی به دست آمده اند که مسیری برای تولید اتانول دارند.

5) توانمند سازی مخمر. می توان آن دسته از ژن های کد کننده ی سلولازها را که کارایی بالایی دارند و اغلب در قارچ تریکودرما دیده می شوند را به مخمرهایی مانند ساکارومایسس سرویزیه، پیکیا یا هانسنولا انتقال داد. انتقال این ژن ها به ساکارومایسس می تواند موجب شود که یک میکرو ارگانیسم، هم آنزیم های تجزیه ی سلولز را تولید کند و هم گلوکز را به اتانول تخمیر کند.

6) توانمند سازی قارچ ها برای تخمیر. این امکان برای پنیسیلیوم، نوروسپورا، و آسپرژیلوس وجود دارد تا با بهره گیری از مهندسی ژنتیک، ابر سویه هایی^[1] تولید کنند که بتوانند علاوه بر هیدرولیز سلولز به گزیلان، تخمیر گلوکز و گزیلوز به اتانول را نیز انجام دهند.

7) تخمیر قند های 5 کربنه. می توان سویه هایی از قبیل E. coli، Kelebsiella oxytoca، و Erwinia را توانا کرد تا گزیلوز را به طور مستقیم به اتانول تخمیر کنند. برای نمونه، ژن های کلیدی تخمیر گلوکز که از Z. mobilis به دست آمده اند می توانند به چنین میکروارگانیسم هایی انتقال داده شوند تا از آنها برای تولید اتانول استفاده شود.

8) بیان/عرضه ی سطحی سلولاز. البته، بیان سطحی آنزیم های تجزیه کننده ی زیست توده، موجب کاهش فعالیت آنها می شود و همین مطلب است که به کار گیریِ آنها را محدود کرده است.

9) شناسایی و توليد ميكرو ارگانيسم هايي كه بتوانند با كارايي بيشتري قند هاي 5 كربنه را به الكل تبديل كنند. همچنین، برخی میزبان ها مانند Escherrichia، Kellebsiella، و Erwinia می توانند مخلوطی از قند های گوناگون را مصرف کنند. آنها را می توان برای تولید اتانول به کار گرفت.

10) حذف لیگنین

11) لیگنین زدایی زیستی: قارچ هاي white rot ليگنين را انتخاب گرانه تجزيه مي كنند. تجزيه ي ليگنين در Cyathus sp، Streptomyces viridosporus، Phelebia termellosus، Pleurotus florida، و Peurotus cornucopiae بررسي شده است. بهای پايين، انرژي خواهي كم، و آلودگي اندک، از برتري هاي اين روش است. همچنين زمان طولاني، و تجزيه ي بخشي از قند هاي ساده از ضعف هاي آن به حساب مي آيد.

12) مهندسي گياهان برای به دست آوردن آسانتر قند از آنها (كاهش ليگنين، و تغيير ديواره ي سلولي آنها)

13) توليد آنزيم هاي مورد نياز براي تجزيه ي ليگنوسلولز در گياه

14) بهینه سازی انرژی

در سال هاي اخير، دپارتمان انرژي آمريكا اعلام كرده كه با در نظر گرفتن بودجه ی 385 میلیون دلاری، از راه هاي اقتصادي تبديل زيست توده به سوخت زيستي حمايت خواهد كرد. اغلبِ حمايت های اين دپارتمان، در زمينه ي توليد اتانول بوده است. البته علاوه بر اتانول، به موارد ديگر نيز توجه شده است كه از جمله ي آنها مي توان به توليد بوتانول اشاره كرد. بوتانول از تبدیل زیست توده به استون-بوتانول-اتانول (ABE) به دست مي آيد. سوختي كه از جلبك هاي كشت داده شده در آب هاي شور به دست مي آيد نيز از ديگر پروژه هاي مورد توجه است.

دپارتمان انرژي آمريكا اعلام كرده كه با ايجاد سه مركز پژوهشي تلاش دارد تا در زمينه هاي فوق به پيشرفت هايي برسد. Abengoa Bioenergy Biomass، Poet Companies، و Iogen Biorefinery روي تبديل زيست توده هاي گياهي به اتانول تمركز كرده اند. Alico Inc. در حال استفاده از يك فرايند هيبريدي است كه زيست توده را به syngas و آن را به اتانول تبديل مي كند. Range Fuels از يك فرايند ترموشيميايي استفاده مي كند. Blue Fire Ethanol از فرايند Arkenol استفاده مي كند كه در برگيرنده ي به كار گيري اسيد هاي قوي براي هيدروليز است.

در برزیل یک شبکه ی پژوهشی وجود دارد که روی تبدیل زیست توده ی نیشکر (باگاس و ضایعات) به اتانول متمرکز است. اعضای شبکه ی پژوهشی یاد شامل 14 دانشگاه هستند که عبارتند از:

 UNICAMP/Campinas, USP/Lorena, USP/SãoPaulo, UFRJ/Rio de Janeiro, UENF/Campos, UEM/Maringá, UnB/Brasília, UCS/Caxias do Sul, FURB/Blumenau, UFPE/Recife, UFPB/JoãoPessoa, UFPR/Curitiba, UFG/Goiânia, UFSc/Florianópolis.

 همچنین، دو مرکز پژوهشی: IPT/São Paulo و  INT/Rio de Janeiro و CTC/Piracicaba یا مرکز توسعه ی فناوری استفاده از نیشکر نیز در این شبکه جای دارند. مرکز اخیر با 100 واحد صنعتی تولید قند و اتانول در ارتباط است. CENBIO: یا مرکز ملی توسعه ی زیست توده در سائوپائولو نیز دیگر عضو شبکه است. افزون بر این، دانشگاه LUND سوئد نیز همکار خارجی این شبکه است. مجموعه ی یاد شده آمادگی پذیرش همکاران جدید را دارد.

بازده تولید اتانول از لیگنوسلولز

سالانه حدود 480 میلیارد لیتر بنزین در دنیا مصرف می شود. با توجه به تفاوت در بازده انرژی بنزین و اتانول، برای جایگزینی کامل اتانول با بنزین، چیزی بیش از این مقدار اتانول مورد نیاز است. از هر هکتار زمین، 5 تن زیست توده ی خشک به دست می آید. از هر تن زیست توده ی خشک، 600 کیلوگرم سلولز به دست می آید. از هر تن سلولز، 750 کیلوگرم قند به دست می آید. از هر تن قند نیز 500 کیلوگرم اتانول تولید می شود. با محاسبه ی این نسبت ها خواهیم فهمید که برای تولید سالیانه 150 میلیارد گالن (555 میلیارد لیتر) اتانل، نیاز به 300 تا 500 میلیون هکتار زمین است، یعنی یک چهارم سرزمین 1800 میلیون هکتاری آمریکا. ميزان توليد اتانول را مي توان از روي نسبت قندهاي 6 كربنه به 5 كربنه ي موجود در زيست توده ی لیگنوسلولزی تخمين زد. نرم افزاري به نام Theoreitical ethanol yield calculator از سوی دپارتمان انرژي آمريكا براي محاسبه ي ميزان توليد اتانول از زيست توده ارايه شده است.

گزينش ماده ي خام به قيمت، حجم و ميزان دسترسي بستگي دارد. براي نمونه، موادي مانند كاه چندان براي توليد اتانول ترجيح داده نمي شوند، زيرا از آنها به عنوان غذاي دام هم استفاده مي شود. در مقابل، موادي مانند باگاس نيشكر و تفاله ي ذرت به عنوان غذاي دام استفاده نمي شوند و اين امكان وجود دارد كه از آنها براي توليد اتانول استفاده کرد. زباله هاي سلولزي هم منبع خوبي به حساب مي آيند. همچنين پژوهش هايي در زمينه هاي مهندسي ژنتيك، مهندسي فرايند، تخمير و… مي تواند در اين راه اثرگذار باشد.

هزینه ی تولید اتانول از لیگنوسلولز

در آغاز دهه ی 90 میلادی، هزینه ی تولید اتانول با استفاده از منابع لیگنوسلولزی به 1/1 دلار بر لیر می رسید. اما در سال های اخیر با انجام پژوهش های علمی گوناگون، هزینه ی مذکور به 5/0 دلار بر لیتر در سال 2007 رسیده است. یعنی طی 15 سال گذشته شاهد کاهش 55 درصدی بهای اتانول به دست آمده از لیگنوسلولز بوده ایم. پیش بینی می شود تا سال 2015 این مبلغ به 2/0 دلار بر لیتر برسد.

در سال 1981 تحلیل هایی اقتصادی در مورد قیمت اتانول و امکان رقابت آن با سوخت های فسیلی انجام شد. برایند بحث ها این بود که اگر قیمت هر بشکه اتانول بتواند به 20 تا 30 دلار برسد، امکان رقابت با بنزین به دست خواهد آمد. در سال 1988، تحلیل های اقتصادی و فنی نشان داد که انجام پژوهش های پیش رو، می تواند بهای تولید اتانول را از 55-25 سنت، به 28-10 سنت در هر لیتر برساند. در همین سال ها بود که ارزش SSF به عنوان جایگزینی مناسب برای SHF در تولید اتانول شناخته شد و ظرفیت پدید آمده به وسیله ی این تکنیک، امید ها را برای کاهش بهای اتانول بیشتر کرد. در سال 1999، امکان سنجی انجام شده بر اساس فناوری های به کار گرفته شده در آن زمان، این امکان را پدید آورد که قیمت اتانول تا 78 سنت در هر گالن (21 سنت در هر لیتر) برسد. همچنین در همان زمان پیش بینی شد که در صورت بهبود فراوری زیست توده و بهبود هیدرولیز آنزیمی، می توان تا سال 2015 به قیمت کمتر از 20 سنت به ازای هر لیتر رسید. به این ترتیب شاهد روند نزولی بهای اتانول در دهه های گذشته هستیم، به گونه ای که قیمت آن از 25/1 دلار در لیتر در سال 1980، به 33/0 دلار در سال 2001 کاهش یافته است. به بیان دیگر، در طول بازه ی 20 ساله، بهای تولید اتانول از زیست توده، 4 برابر کم شده است. در سال 2000 عنوان شد که بهای تمام شده برای تولید اتانول با استفاده از هیدرولیز اسیدی دو مرحله ای، 2/1 دلار در لیتر است.

سیستم هایی که از ذرت به عنوان ماده ی خام برای تولید اتانول استفاده می کنند، بهای تولید اتانول را به بهای ذرت وابسته می کنند. برای نمونه در سال 2006، کارخانه ای با ظرفیت تولید 40 میلیون گالن در سال طراحی شد. این مدل که مطالعات اقتصادی آن با ستفاده از نرم افزار Super Pro Designer R انجام شده بود، از اطلاعات تولید کنندگان اتانول، صاحبان فناوری، تجهیزات و کارهای مهندسی در صنعت های گوناگون استفاده کرده ست. حاصل این پژوهش، نشان می داد که در صورت افزایش بهای ذرت از 071/0 به 125/0 دلار در هر کیلوگرم، بهای اتانول، از 235/0 به 365/0 دلاردر هر لیتر افزایش خواهد یافت.

در سال 2003، مقایسه ای میان روش های SHF و SSF در شرایط یکسان برای تولید اتانول انجام شد. نتیجه نشان داد که SSF 10% ارزان تر از SHF تمام می شود. همین گروه در سال 2004 با کاهش غلظت مخمر و آنزیم در SSF، توانست تولید اتانول را تا 60 سنت بر لیتر کاهش دهد. بنا بر براورد هایی که آزمایشگاه ملی انرژی های تجدید پذیر آمریکا در سال 2003 انجام داده است، این امکان وجود دارد که طی 15 سال آینده، بتوان با استفاده از زیست توده های لیگنوسلولزی و نیز به کار گیری روش SSCF، بهای اتانول را تا 20 سنت در لیتر کاهش داد.

در سال 1984 نشان داده شد که استفاده از سلول های Z. mobilis تثبیت شده می تواند تا 1 سنت در لیتر از بهای اتانول بکاهد. البته این ادعا نیز مطرح بود که با روی آوردن به تثبیت، سرمایه گذاری مورد نیاز برای راه اندازی واحد تولید اتانول کاهش خواهد یافت. آنها همچنین پیشنهاد کردند که با تغییر مسیر فرایند به سوی تثبیت، سرمایه گذاری ثابت مورد نیاز به میزان زیادی کاهش خواهد یافت. در 1989 گزارش شد که قند پیش تغلیظ شده به وسیله ی اسمزِ معکوس می تواند برای تولید اتانول سودآور باشد. در 1976، فرایند بازیافت سلول و تخمیر در خلاء را برای تولید پیوسته ی اتانول به کار گرفتند و با استفاده از ملاس به عنوان ماده ی خام، واحدی با ظرفیت 290000 لیتر اتانول در روز راه اندازی شد. هزینه ی تولید اتانول به کمک روش بازیافت سلول، 2/22 و برای روش خلاء، 7/21 سنت در لیتر بود. زانگ در گزارش خود، برایندی از قیمت تولید اتانل از لیگنوسلولزِ آسیاب شده به دست داده است. او تخمین زد که واحدی با ظرفیت تولید 11 میلیون لیتر اتانول در روز، می تواند اتانولی با بهای 27 تا 32 سنت در لیتر به دست دهد.

چنان که از نمودار شکل 14 بر می آید، طی سال های 2000 تا 2005، هزینه ی تولید آنزیم های درگیر در تبدیل زیست توده به اتانول کاهش چشمگیری داشته است. همچنین از همین نمودار پیداست که کاهش هزینه ی فراوری زیست توده با دشواری مواجه است و این بخش همچنان چالش برانگیز است.

نقش آنزیم در هزینه ها

بهای آنزیم سلولاز یکی از مانع های استفاده ی تجاری و گسترده از سلولاز برای هیدرولیز ترکیبات لیگنوسلولزی است. اگر چه در طول دو دهه ی گذشته شاهد کاهش بهای سلولاز بوده ایم، با این حال هنوز هم پژوهش های فراوانی با هدف کاهش بهای تولید سلولاز در حال انجام است.

به ازای هر گرم باگاس، FPU 10 سلولاز استفاده می شود. از طرفی آنزیم های صنعتی باید فعالیتی برابر با FPU 140000 در لیتر داشته باشند. قیمت هر لیتر از چنین آنزیمی، 7 دلار امریکا است (آمارها و هزینه ها مربوط به برزیل است). به این ترتیب، 03/2 دلار از بهای هر لیتر اتانول را باید مربوط به قیمت آنزیم دانست. به همین دلیل است که بازار آنزیم سلولاز سالانه 2 میلیارد و 300 میلیون دلار سود دهی دارد.

نقش سلولاز در بازدهی فرایند بسیار قابل توجه و کلیدی است. به علاوه، تولید سلولاز نه تنها یکی از مراحل تولید اتانول حساب می شود و از این طریق روی بهای اتانول اثر دارد، بلکه سلولاز روی سینتیک و اقتصاد مرحله ی SSF که هزینه بر ترین مرحله در تولید اتانول است نیز اثر دارد. از آنجا که تجاری سازی تولید اتانول در مقیاس وسیع، وابسته به کاهش هزینه ی تولید آن است، پایین آوردن هزینه ی تولید سلولاز و نیز افزایش کارایی آن اجتناب ناپذیر است.

به تازگی دپارتمان انرژی آمریکا بودجه ی بیشتری را به پژوهش در زمینه ی تولید ارزان ترِ سلولاز اختصاص داده است. در این راستا قرارداد هایی با شرکت های Nvozymes و Genencor بسته شده است. هدف این قرار داد ها کاهش هزینه ی تولید اتانول از منابع زیستی بوده است. در سال 2005، طبق اعلامِ NREL، این شرکت ها توانسته اند بهای تولید سلولاز را به میزان قابل توجهی پایین آورند، به گونه ای که سهم سلولازِ هر گالن اتانول را از 4/5 دلار به حدود 20 سنت کاهش داده اند. البته این ادعا کاملاً پذیرفته نشده است، زیرا سلولاز را برای لیگنوسلولز خاصی به کار گرفته اند، و نه برای همه لیگنوسلولزها.

به هر حال در تمامی روش های اقتصادی، استفاده از سلولاز نقش مهمی در سودآوری تولید اتانول دارد. بنا به براوردی که دپارتمان انرژی آمریکا در سال 2005 انجام داده است، اگر بتوان سهم بهای سلولاز را در تولید اتانول به 3 سنت در لیتر کاهش داد، بهای تولید اتانول به حدود 20 سنت در لیتر کاهش می یابد. بنا بر این گزارش، 15% از هزینه ی نهایی اتانول به آنزیم مربوط می شود. البته در کنار سلولاز، پژوهش هایی هم در مورد بهینه سازی روش های هیدرولیز اسیدی در حال اجرا است.

تولید اتانول از باگاس در برزیل

باگاس را به صورت سنتی برای تولید اتانول استفاده نمی کنند، بلکه آن را گاهی در مزرعه های نیشکر باقی می گذارند. برخی نیز آن را برای تولید انرژی در کارخانه های قند/الکل می سوزانند. با این همه، انرژی چندانی از سوختن باگاس به دست نمی آید. بیشترین انرژی ای که از سوختن باگاس به دست می آید تنها 26% است. از طرفی، سوزاندن باگاس برای تولید انرژی به انتشار گاز های گلخانه ای کمک می کند و چندان مطلوب نیست. از باگاس برای تولید کاغذ هم استفاده می کنند، زیرا سلولز زیادی دارد. اغلب، به خاطر بهای پايين انرژي اي كه به واحد هاي توليدي قند و الكل مي دهند، از باگاس حتي براي توليد گرما نيز استفاده نمي كنند. به اين ترتيب، سالانه در برزيل 75 ميليون تن باگاس توليد مي شود. در برخی مناطق از باگاس به عنوان سوخت برخی نیروگاه ها استفاده می شود. اما این روند رو به تغییر است.

هم زمان با برنامه های توسعه ی تولید اتانول از قند در دهه ی 70 میلادی، مرکزها و شرکت های مختلفی به کار روی تولید اتانول از زیست توده ی لیگنوسلولزی پرداختند و در این میان استفاده از باگاس نیشکر نخستین هدف بود. البته زیست توده های دیگری مانند اوکالیپتوس، برخی علف ها، تفاله ی ذرت، نارگیل، و نیز زباله های سلولزی شهری نیز مورد توجه قرار داشتند. از پیش تیمار ها و هیدرولیز های آنزیمی گوناگونی کمک گرفته شد. استفاده از اسید هیدروکلریک یا اسید سولفوریک، غلیظ یا رقیق، مطالعه شدند. در 1981 نخستین پایلوت برای تبدیل زیست توده به اتانول در FTI (واقع در لورنا) بهره برداری شد که با استفاده از اسید سولفوریک غلیظ به تجزیه ی زیست توده می پرداخت. این پایلوت با استفاده از Eucaluptus panicutata به عنوان ماده ی خام، می توانست تا 500 لیتر اتانول در روز تولید کند. در دهه ی 80 میلادی، این پایلوت به نمونه ای صنعتی توسعه یافت که می توانست تا 30000 لیتر اتانول در روز تولید کند. این کار به وسیله ی شرکت COALBRA واقع در اوبرلندیا انجام شد. با این حال، نداشتن بازدهی بالا در تولید قند و الکل موجب شد تا این واحد صنعتی از سال 1987 به بعد برای تولید فورفورال استفاده شود. در 1987، شرکت Dedini با حمایت پژوهشیِ سائوپائولو و نیز با دریافت وام از بانک جهانی، کار تبدیل زیست توده به اتانول را ادامه داد. این شرکت به کمک پیش تیمار با اسید سولفوریک رقیق توانست همی سلولز را تجزیه و به قند های قابل تخمیر تبدیل کند. از حلال های آلی نیز برای استخراج لیگنین استفاده شد. نام این فرایند را Dedini ihidroliserapida یا به اختصار DHR گذاشتند که به زبان پرتقالی، هیدرولیز سریع Dedine معنا می دهد. این شرکت از همکاری  Copersucarکه امروزه به the Centro de Tecnologia Canavieira تغییر نام داده، و FAPESP و نیز پشتیبانی مالی بانک جهانی برخوردار بود. مزیت روش های شرکت یاد شده در کاهش زمان واکنش هیدرولیز به چند دقیقه بود. این کار طی یک فرایند پیوسته با حجم زیاد انجام می گرفت و مواد هیدرولیز شده نیز پس از پایان واکنش به سرعت سرد می شدند. به منظور افزایش تولید اتانول، عده ی زیادی اعتقاد داشتند که باید زمین های زیر کشت نیشکر را افزایش داد. اما فناوری یاد شده می توانست میزان تولید اتانول در هر هکتار را تا 2 برابر افزایش دهد، و این کار را تنها با استفاده از باگاس به عنوان منبعی تازه برای تولید اتانول انجام می داد. از این هنگام بود که ارزش باگاس، نه به عنوان منبع سوختی، که به عنوان ماده ی خامی برای تولید اتانول مطرح شد.  شکل 18، خلاصه ای از فرایند تولید اتانول به روش DHR را نشان می دهد. روش یاد شده به سرعت در برزیل، آمریکا، کانادا، اروپا، روسیه، ژاپن و برخی کشورهای دیگر به کار گرفته شد. از سال 1992، شرکت یاد شده، در سائوپائولو یک واحد نیمه صنعتی را با استفاده از این فناوری راه اندازی کرد. این واحد می توانست تا 2 تن باگاس را در ساعت مصرف کرده و تولیدی برابر با 5000 لیتر اتانول در روز داشته باشد.

همزمان با همین پژوهش ها، تلاش برای هیدرولیز آنزیمی باگاس پیش تیمار شده نیز در جریان بود. از همین پژوهش ها بود که مبنای روش عمده ی تبدیل باگاس به اتانول در برزیل تا به امروز پایه گذاشته شد. در این روش، پس از خرد کردن باگاس با آسیاب های چکشی و غلتکی، آن را با بخار تیمار می کنند. تیمار شیمیایی نیز با استفاده از اتیلن دی آمین و هیدروکسید سدیم انجام می شود. سپس آن را در برابر آنزیم های هیدرولیز کننده ی سلولز قرار می دهند. البته در جزئیات روش های به کار گرفته شده به وسیله ی شرکت های گوناگون، تفاوت های فراوانی وجود دارد.

طی دهه 80، شرکت BIOFERM/BIOBRAS، توسعه ی چشمگیری به  هیدرولیز آنزیمی داد. روش های به کار گرفته شده به وسیله ی این شرکت شامل هیدرولیز آنزیمی با استفاده از یک راکتور دانه دار و با سلولاز محلول، ولی بتاگلوکوزیداز تثبیت شده بود. در 1988 روش SSF به کار گرفته شد. پژوهش در این زمینه ها در برزیل ادامه یافت تا این که امروزه مرکزی برای پژوهش روی تبدیل زیست توده به اتانول راه اندازی شده است که برخی پروژه های مهم در این زمینه را هدایت می کند. از جمله ی این پروژه ها می توان به “بیواتانول” اشاره کرد که هدف آن هیدرولیز آنزیمی باگاس برای تولید اتانول بوده است. این پروژه که در سال 2006 آغاز شده است، به وسیله ی وزارت علوم و فناوری برزیل نیز پشتیبانی می شود. در اجرای این پروژه بیش از 20 مرکز، شامل دانشگاه ها و مراکز پژوهشی شرکت دارند.

این که به ازای هر هکتار کشت نیشکر، یا هر تن نیشکر درو شده چقدر باگاس و چقدر اتانول تولید می شود جای بحث دارد. میزان تولید اتانول از باگاس نیشکر (و هر زیست توده ی لیگنوسلولزی دیگری) به فناوری مورد استفاده در مرحله های مختلف بستگی دارد. هر قدر پیش تیمار های فیزیکی و شیمیایی بازدهی بیشتری داشته باشند، و هر قدر در مرحله ی هیدرولیز آنزیمی، بازده تجزیه ی سلولز بیشتر باشد، و هر قدر سویه های مورد استفاده برای تخمیر توانمندتر باشند، اتانول بیشتری تولید خواهد شد. آشکار است که 30% وزن نیشکر را باگاس می سازد. 50% وزن باگاس نیز آب است. به این ترتیب از هر تن نیشکر، 150 کیلوگرم باگاس خشک به دست می آید. در سال 2008 در برزیل 500 میلیون تن نیشکر تولید شد. با توجه به این که 30% از وزن نیشکر را باگاس (فیبر نیشکر) تشکیل می دهد، باگاس تولید شده در این سال برابر با 150 میلیون تن بوده است. از آنجا که 50% وزن باگاس را آب تشکیل می دهد، می توان گفت که در واقع 75 میلیون تن باگاس خشک تولید می شود. به این ترتیب می توان گفت از هر تن نیشکر، حدود 150 کیلوگرم باگاس خشک به دست می آید. بازده تبدیل وزنی باگاس خشک به باگاس تیمار شده 12% است. بنابراین، 9 میلیون تن از محصول اخیر به این ترتیب تولید می شود. به لحاظ تئوری، از هر کیلوگرم از چنین باگاسی، 250 میلی لیتر اتانول تولید می شود. به این ترتیب می توان حساب کرد که میزان تولید سالیانه ی اتانول برابر با 2 میلیارد و 250 میلیون لیتر می باشد.

بازده تبدیل نیشکر به باگاس خشک

پیشرفت در تک تک  مرحله های تولید اتانول منجر به افزایش چشمگر بازده تولید شده اند، به گونه ای که اکنون بسیاری از گزارش ها ادعا می کنند که می توان از هر کیلوگرم باگاس خشک، چیزی نزدیک به 24/0 تا 28/0 لیتر اتانول تولید کرد.

در حال حاضر، تقاضاي داخلي و بين المللي براي اتانول رو به افزايش است و به همین دليل، نياز است تا از روش هاي كارامد تر و با بازدهي بيشتری براي توليد اتانول استفاده شود. روند افزايش تقاضا براي توليد اتانول به سمتي مي رود كه مقدار نيشكر توليد شده در هر سال و نيز تعداد واحد هاي توليد الكل، تعيين كننده ي مقدار توليد خواهند بود. به اين ترتيب استفاده از زيست توده هايي مانند باگاس كه تا چند سال گذشته بي اهميت بودند براي توليد اتانول  بيشتر مورد توجه قرار خواهد گرفت. روش سنتي، مبتني بر سوزاندن برگ هاي نيشكر، پيش از برداشت آن به سرعت در حال كنار گذاشته شدن است و به جاي آن از روش هاي مكانيزه ي برداشت استفاده مي شود. با استفاده از روش هاي برداشت جديد، سالانه میزان قابل توجهي زيست توده باقي مي ماند كه مي تواند به عنوان ماده ي خام براي توليد اتانول به كار گرفته شود. همچنين انتظار مي رود تا با بهينه كردن ديگ هاي جوش و سيستم هاي توليد برق، نياز به سوزاندن باگاس كه در كارخانه هاي قديمي براي توليد حرارت و برق انجام می شد، كاهش يابد. به اين شكل با به كار گيري هر 10 ميليون تن باگاس مي توان 2 ميليارد و 200 ميليون ليتر اتانول توليد كرد. در برزیل پایلوت های فراوانی برای این کار ساخته شده و برنامه ریزی شده است که تا سال 2015 اتانول سلولزی به صورت تجاری در بازار عرضه شود، به بیان دیگر آنها تصمیم دارند بهای اتانول سلولزی را در این بازه به اتانول قندی برسانند.

میزان تولید اتانول از مواد سلولزی بنا بر گزارش­های گوناگون (دانه­های ذرت برای مقایسه آورده شده است)

میزان تولید اتانول قندی و سلولزی در هر هکتار بنا بر گزارش­های گوناگون

در برزیل، ديگر زيست توده هاي گياهي مانند ذرت و باقي مانده هاي آن، سبوس گندم و برنج، باقي مانده هاي حاصل از مركبات و برخي ميوه ها كه در صنايع غذايي استفاده مي شوند، علف ها، زايدات صنايع كاغذ سازي، و زباله هاي سلولزي جامد شهري نيز به عنوان منبع توليد اتانول مورد توجه قرار گرفته اند. البته استفاده از اين زيست توده ها، به آسانيِ استفاده از قند نيشكر نيست، بلكه هر كدام از آنها با چالش هاي فناورانه مواجهند. با اين حال، تنوع مواد خام، موجب تمركز زدايي جغرافيايي ، اقتصادي و اجتماعي توليد اتانول مي شود.