航空業界は、人間が引き起こす世界的な二酸化炭素排出量の2％を生み出しています。 この割合は比較的小さいように見えるかもしれません-観点から見ると、発電と家庭暖房が40％以上を占めていますが、航空は世界で最も急成長している温室効果ガス源の1つです。 空の旅の需要は、今後20年間で倍増すると予測されています。
航空会社は二酸化炭素排出量の削減を迫られており、世界の石油価格の変動に対して非常に脆弱です。 これらの課題により、バイオマス由来のジェット燃料への強い関心が高まっています。 バイオジェット燃料は、さまざまな化学的および生物学的ルートを介して、油料作物、砂糖作物、デンプン質植物、リグノセルロース系バイオマスなどのさまざまな植物材料から製造できます。 ただし、石油をジェット燃料に変換する技術は、開発のより進んだ段階にあり、他のソースよりも高いエネルギー効率をもたらします。
私たちは、世界で最も生産性の高いサトウキビをエンジニアリングして、バイオジェット燃料に変換できるオイルを生産しています。 最近の研究では、この設計されたサトウキビを使用すると、土地1エーカーあたり2, 500リットル以上のバイオジェット燃料が得られることがわかりました。 簡単に言えば、これはボーイング747がわずか54エーカーの土地で生産されたバイオジェット燃料で10時間飛行できることを意味します。 競合する2つの植物源である大豆とジャトロファに比べて、リピドケインはそれぞれ、土地の単位あたり約15倍と13倍のジェット燃料を生産します。
二重目的のサトウキビの作成
カメリナや藻類などの油分の多い原料に由来するバイオジェット燃料は、概念実証飛行でテストに成功しています。 米国試験および材料協会は、商用および軍用のフライト向けに、石油ベースのジェット燃料と水素化処理された再生可能なジェット燃料の50:50ブレンドを承認しました。
しかし、かなりの研究と商業化の努力の後でも、バイオジェット燃料の現在の生産量は非常に少ない。 これらの製品を大規模に製造するには、さらなる技術の改善と豊富な低コストの原料（燃料の製造に使用される作物）が必要になります。
サトウキビはよく知られているバイオ燃料源です。ブラジルは数十年にわたってアルコールベースの燃料を作るためにサトウキビジュースを発酵させてきました。 サトウキビからのエタノールは、生産プロセスで使用される量よりも25％多くのエネルギーを生成し、化石燃料と比較して温室効果ガスの排出を12％削減します。
ブラジルでのサトウキビの収穫（ジョナサンウィルキンス、CC BY-SA） 私たちは、植物の天然油の生産量を増やし、その油を使用してバイオディーゼルを生産できるのではないかと考えました。 バイオディーゼルは、必要なエネルギーよりも93％多くのエネルギーを生成し、化石燃料と比較して排出量を41％削減します。 エタノールとバイオディーゼルはどちらもバイオジェット燃料に使用できますが、植物由来のオイルをジェット燃料に変換する技術は開発の進んだ段階にあり、高いエネルギー効率をもたらし、大規模な展開に対応しています。
より多くの油を生産するためのサトウキビのエンジニアリングを最初に提案したとき、同僚の何人かは私たちが狂っていると思っていました。 サトウキビの植物にはわずか0.05パーセントの油が含まれていますが、バイオディーゼルに変換するには少なすぎます。 多くの植物科学者は、油の量を1パーセントに増やすと植物に毒性があると理論付けましたが、コンピューターモデルでは、石油生産を20パーセントに増やすことができると予測しました。
エネルギー省の高度な研究プロジェクトエージェンシーエネルギーからの支援を受けて、2012年にサトウキビとソルガムの石油を置き換えるように設計された植物、またはPETROSSと呼ばれる研究プロジェクトを開始しました。サトウキビの葉に12％の油分を達成する脂肪酸。
PETROSSリピッドケインから生成されたオイルのボトル（Claire Benjamin /イリノイ大学、CC BY-ND） 現在、コンピューターモデルによると、理論上の限界である20％のオイルの達成に取り組んでおり、このオイルの蓄積を葉よりもアクセスしやすい植物の茎に向けています。 私たちの予備調査では、人工植物がより多くの油を生産しても、砂糖を生産し続けることが示されています。 私たちは、これらの人工植物をリピカンと呼びます。
リピカンからの複数の製品
リピカンは、農家と環境に多くの利点を提供します。 20パーセントの油を含むリピドケインの成長は、米国でバイオディーゼルを製造するために現在使用されている主要な原料である大豆よりも1エーカーあたり5倍、1エーカーあたり2倍の収益性があると計算します。
バイオジェット燃料は、持続可能であるために、処理が経済的であり、耕作地の使用を最小限に抑える高い生産収率を備えている必要があります。 大豆と比較して、5パーセントのオイルを含むリピドケインは、土地1エーカーあたり4倍のジェット燃料を生産できると推定しています。 20％のオイルを含むリピカンは、エーカーあたり15倍以上のジェット燃料を生成できます。
また、リピッドケインは他のエネルギーの利点を提供します。 バガスとして知られるジュース抽出後に残った植物の部分は、蒸気と電気を生成するために燃やすことができます。 私たちの分析によると、これはバイオリファイナリーに電力を供給するのに十分な電力を生成するため、余剰電力はグリッドに売り戻され、化石燃料から生成された電力を置き換えます。
潜在的な米国のバイオエネルギー作物
サトウキビは、多くの食用作物に適さない辺境の土地で繁栄します。 現在、主にブラジル、インド、中国で栽培されています。 また、特に利用されていない土地の南東部の米国でより広く育てることができるように、リキッドケーンをより耐寒性に設計しています。
耐寒性リピドケインの成長地域の地図（PETROSS） 米国南東部の23百万エーカーを20パーセントの石油を含むリピカンに充てた場合、この作物は米国のジェット燃料供給の65パーセントを生産できると推定します。 現在、この燃料の価格は航空会社にガロンあたり5.31米ドルかかり、藻類や大豆、キャノーラ、パーム油などの他の油料作物から生産されるバイオジェット燃料よりも少なくなります。
リピッドはブラジルや他の熱帯地域でも栽培できます。 Nature Climate Changeで最近報告したように、ブラジルでのサトウキビまたはリピカンの生産を大幅に拡大すると、現在の世界の二酸化炭素排出量を最大5.6％削減できます。 これは、ブラジル政府が熱帯雨林などの環境に敏感であると指定した地域に影響を与えることなく達成できます。
「エネルギー杖」を求めて
リピドケインの研究には、植物をより効率的に光合成するように遺伝子操作することも含まれており、これはより多くの成長につながります。 Scienceの 2016年の記事で、私たち（Stephen Long）と他の機関の同僚は、タバコの光合成の効率を改善すると、その成長が20％増加したことを示しました。 現在、予備調査とサイドバイサイドフィールドトライアルでは、サトウキビの光合成効率が20％向上し、涼しい条件では70％近く向上したことが示唆されています。
フロリダ大学での野外試験で、見た目よりも高くて茂みのある、設計されたPETROSSサトウキビの横に成長している通常のサトウキビ（左）。 （フレディ・アルトペター/フロリダ大学、CC BY-ND） 現在、私たちのチームは、エーカーあたりの石油生産量を増やすために「エナジーケイン」と呼ばれる高収量のサトウキビを設計する作業を始めています。 商業化する前に、カバーするより多くの根拠がありますが、バイオディーゼルとバイオジェット燃料を経済的に生産するのに十分なオイルを備えた実行可能なプラントを開発することは主要な最初のステップです。
編集者注：この記事は更新され 、2016年 に Science で 発表されたStephen Longおよびその他の研究 がタバコ植物の光合成効率の改善に関係し ていることを明確にしました 。
この記事はもともとThe Conversationで公開されました。
イリノイ大学アーバナシャンペーン校博士研究員、ディーパッククマール
スティーブンP.ロング、イリノイ大学アーバナシャンペーン校作物科学および植物生物学教授
イリノイ大学アーバナシャンペーン校農業生物工学教授、統合バイオプロセシング研究所長、ヴィジェイシン
