セルロースエタノール

セルロースエタノールは、植物の種子や果実からではなく、セルロース（植物の繊維質）から生成されるエタノール（エチルアルコール）です。草、木材、藻類、その他の植物から生成できます。一般的にはバイオ燃料としての使用が検討されています。植物が成長する際に吸収する二酸化炭素は、植物から生成されたエタノールが燃焼するときに排出される二酸化炭素の一部を相殺するため、セルロースエタノール燃料は化石燃料よりも炭素フットプリントが低い可能性があります。

セルロースエタノールへの関心は、トウモロコシやサトウキビから作られるエタノールの代替となる可能性によって高まっている。これらの植物は食品にも使用されるため、エタノール生産に転用すると食品価格の上昇を招く可能性がある。一方、セルロースベースの原料は、繊維質の部分がほとんど人間には食べられないため、一般的に食品と競合しない。もう1つの潜在的な利点は、セルロース原料の多様性と豊富さである。草、木、藻類は、地球上のほぼすべての環境に見られる。紙などの都市固形廃棄物の成分でさえ、エタノールにできる可能性がある。セルロースエタノールの現在の主な欠点は、生産コストが高いことであり、トウモロコシベースやサトウキビベースのエタノールよりも複雑で、多くの手順が必要である。

セルロースエタノールは、2000年代から2010年代初頭にかけて大きな注目を集めた。特に米国政府は、その商業化に関する研究に資金を提供し、車両燃料に添加されるセルロースエタノールの割合の目標を設定した。多くの既存企業に加えて、セルロースエタノールを専門とする多数の新興企業が、パイロット規模の生産工場に投資した。しかし、穀物ベースのエタノールの製造コストがはるかに安く、 2010年代の原油価格が低かったため、セルロースエタノールはこれらの既存の燃料と競争できなかった。その結果、新しい製油所のほとんどは2010年代半ばまでに閉鎖され、新しく設立された企業の多くは倒産した。現在もいくつか存在しているが、主に実証や研究の目的で使用されており、2021年現在、大規模にセルロースエタノールを生産している企業はない。

セルロース系エタノールは、植物の大部分を占める構造物質であるリグノセルロースから生産されるバイオ燃料の一種で、主にセルロース、ヘミセルロース、リグニンで構成されています。リグノセルロースの一般的な供給源には、農業廃棄物（トウモロコシの茎や木材チップなど）とスイッチグラスやススキなどの草の両方が含まれます。^[1]これらのエタノール生産の原料は、より一般的に使用されているトウモロコシやサトウキビの糖とは異なり、豊富で多様であるという利点があり、食料生産と競合することはありません。^[2]しかし、発酵によってエタノールを生産するために通常使用される微生物が糖モノマーを利用できるようにするためには、より多くの処理が必要であり、セルロース由来のエタノールの価格が上昇します。^[3]

セルロースエタノールは、改良ガソリンに比べて温室効果ガスの排出量を85%削減できる。^[4]一方、デンプンエタノール（トウモロコシ由来など）は、プロセスのエネルギーとして天然ガスを使用することが最も多いが、デンプンベースの原料の製造方法によっては全く温室効果ガスの排出量を削減できない可能性がある。^{[5] 2011年の}米国科学アカデミーによると、リグノセルロース系バイオマスを燃料に変換する商業的に実行可能なバイオ精製所は存在しない。^[6]規制で要求される量のセルロースエタノールが生産されていないことが、 2013年1月25日に発表されたコロンビア特別区控訴裁判所の判決の根拠となり、米国の自動車およびトラック用燃料生産者に対して環境保護庁が製品にセルロース系バイオ燃料を添加するよう義務付けた要件を無効とした。^[7]これらの問題と他の多くの困難な生産上の課題により、ジョージ・ワシントン大学の政策研究者は「短期的には、[セルロース]エタノールはガソリン代替品としてのエネルギー安全保障と環境目標を満たすことができない」と述べています。^[8]

1819年、フランスの化学者アンリ・ブラコノは、硫酸で処理することでセルロースを糖に加水分解できることを初めて発見した。 ^[9]加水分解された糖は、発酵によってエタノールに加工される。最初の商業化されたエタノール生産は1898年にドイツで始まり、そこでは酸がセルロースの加水分解に使用されていた。米国では、スタンダードアルコール社が1910年にサウスカロライナ州に最初のセルロースエタノール生産工場を開設した。その後、2番目の工場がルイジアナ州に開設された。しかし、第一次世界大戦後、経済的な理由により両方の工場が閉鎖された。^[10]

木材からエタノールを製造する最初の商業化の試みは、1898 年にドイツで行われました。このプロセスでは、希酸を使用してセルロースをグルコースに加水分解し、木材廃棄物 100 kg あたり 7.6 リットルのエタノール (1 トンあたり 18 米ガロン (68 リットル)) を生産することができました。ドイツ人はすぐに、バイオマス 1 トンあたり約 50 米ガロン (190 リットル) の収量に最適化された工業プロセスを開発しました。このプロセスはすぐに米国に伝わり、第一次世界大戦中に南東部で 2 つの商業プラントが稼働しました。これらのプラントでは、1 段階の希硫酸加水分解である「アメリカン プロセス」と呼ばれるプロセスが使用されました。収量は元のドイツのプロセスの半分 (1 トンあたり 50 米ガロンに対して 25 米ガロン (95 リットル)) でしたが、アメリカン プロセスのスループットははるかに高くなりました。第一次世界大戦の終結後、木材生産の落ち込みにより工場は閉鎖を余儀なくされた。その間も、USFSの林産品研究所では希酸加水分解に関する小規模ながら着実な研究が続けられた。^{[11] [ 12] [13]}第二次世界大戦中、米国は再びセルロース系エタノールに目を向け、今度はブタジエンを合成ゴムの生産に利用した。バルカン・カッパー・アンド・サプライ社は、おがくずをエタノールに変換する工場の建設と運営を請け負った。この工場は、林産品研究所が開発したドイツのショラー法に改良を加えたものに基づいていた。この工場は1乾燥トンあたり50米ガロン（190リットル）のエタノールを生産したが、それでも利益は出ず、戦後閉鎖された。^[14]

過去20年間の酵素技術の急速な発展により、酸加水分解プロセスは徐々に酵素加水分解に置き換えられてきました。ヘミセルロースを加水分解（分離）してより効果的に糖に変換するために、原料の化学的前処理が必要です。希酸前処理は、USFSの森林製品研究所での木材の酸加水分解に関する初期の研究に基づいて開発されました。2009年に、森林製品研究所はウィスコンシン大学マディソン校と共同で、木材セルロースの強力な酵素加水分解のためにリグノセルロースの難分解性を克服するための亜硫酸塩前処理を開発しました。^[15]

2007年1月23日の一般教書演説で、ジョージ・W・ブッシュ米大統領は、2017年までに350億米ガロン（130 × 109L ）のエタノール生産を義務化する提案を発表しました。 同年後半、米国エネルギー省は、木材チップ、^スイッチグラス、柑橘類の皮などの非伝統的な資源からのエタノール生産を活性化させることを目的とした3億8500万ドルの助成金を交付しました。^[16]^

生物学的アプローチによるエタノール生産の段階は以下のとおりです。^[17]

1. 木材やわらなどのリグノセルロース材料を加水分解しやすい状態にするための「前処理」段階
2. セルロースの加水分解（セルロース分解）により分子が糖に分解される
3. 糖溶液の微生物発酵
4. 蒸留と脱水により純粋なアルコールを製造する

2010年には、独自のセルロース分解酵素を生産する遺伝子組み換え酵母株が開発されました。^[18]この技術が産業レベルにまで拡大されると仮定すると、セルロース分解の1つ以上のステップが排除され、生産に必要な時間とコストの両方が削減されます。

リグノセルロースは最も豊富な植物材料資源ですが、その堅い構造のためにその有用性は制限されています。その結果、セルロースをリグニンシールとその結晶構造から解放し、その後の加水分解ステップで利用できるようにするための効果的な前処理が必要です。^[19]これまでのところ、ほとんどの前処理は物理的または化学的手段によって行われています。より高い効率を達成するには、物理​​的前処理と化学的前処理の両方が必要です。物理的前処理では、粉砕や押し出しなどの機械的処理方法によってバイオマスの粒子サイズを小さくします。化学的前処理では、リグノセルロースを部分的に脱重合し、酵素がセルロースにアクセスして微生物反応を起こせるようにします。^[20]

化学的前処理技術には、酸加水分解、蒸気爆発、アンモニア繊維膨張、オルガノソルブ、亜硫酸塩前処理、^[15] SO2-エタノール-水分留、^[21]アルカリ湿式酸化およびオゾン前処理がある。^[22]効果的なセルロースの分離に加えて、理想的な前処理では、その後の加水分解および発酵ステップを阻害する可能性があるため、分解生成物の形成を最小限に抑える必要がある。^[23]阻害剤の存在は、必要な解毒ステップのためにエタノール生産をさらに複雑にし、コストを増加させる。 たとえば、酸加水分解はおそらく最も古く、最も研究されている前処理技術であるが、フルフラールやヒドロキシメチルフルフラールなどのいくつかの強力な阻害剤を生成する。^[24]アンモニア繊維膨張（AFEX）は、阻害剤を生成しない有望な前処理の例である。^[25]

ほとんどの前処理プロセスは、森林バイオマスなどのリグニン含有量の高い原料に適用すると効果的ではありません。これらの場合は、代替または特殊なアプローチが必要です。Organosolv 、SPORL（「リグノセルロースの難分解性を克服するための亜硫酸塩前処理」）、SO2-エタノール-水（AVAP®）プロセスは、特に針葉樹種の森林バイオマスのセルロース変換率を 90% 以上達成できる 3 つのプロセスです。SPORL は、最もエネルギー効率が高く（前処理における単位エネルギー消費あたりの糖生成）、発酵阻害物質の生成が非常に少ない森林バイオマスの前処理のための堅牢なプロセスです。Organosolv パルプ化は特に広葉樹に効果的で、希釈と沈殿によって疎水性リグニン製品を簡単に回収できます。^[26] AVAP®プロセスは、あらゆる種類のリグノセルロースを、消化性の高いセルロース、分解されていないヘミセルロース糖、反応性リグニン、リグノスルホン酸塩に効果的に分別し、化学物質を効率的に回収できることが特徴です。^{[27] [28]}

セルロースの加水分解（セルロース分解）により、アルコールに発酵できる単純な糖が生成されます。セルロース分解には、酸を使用する化学プロセスとセルラーゼを使用する酵素反応の2つの主要なプロセスがあります。^[17]

19 世紀から 20 世紀初頭にかけて開発された従来の方法では、セルロースを酸で攻撃して加水分解が行われます。^[29]希酸は高温高圧下で使用でき、より濃縮された酸は低温大気圧下で使用できます。酸と糖の結晶化されていないセルロース混合物は、水の存在下で反応して個々の糖分子を完成させます (加水分解)。この加水分解の生成物は中和され、酵母発酵によってエタノールが生成されます。前述のように、希酸プロセスの大きな障害は、加水分解が非常に激しく、発酵を妨げる可能性のある有毒な分解生成物が生成されることにあります。BlueFire Renewables は、発酵阻害物質をほとんど生成しないため濃縮酸を使用していますが、商業的に魅力的であるためには、リサイクルのために糖ストリームから分離する必要があります (たとえば、模擬移動床クロマトグラフィー分離)。^[要出典]

農業研究局の科学者たちは、麦わらに残っている糖分のほとんどすべてにアクセスして発酵できることを発見した。糖分は植物の細胞壁にあり、分解が非常に難しいことで知られている。これらの糖分にアクセスするために、科学者たちは麦わらをアルカリ性過酸化物で前処理し、次に特殊な酵素を使用して細胞壁を分解した。この方法では、麦わら1トンあたり93米ガロン（350リットル）のエタノールが生産された。^[30]

セルロース鎖はセルラーゼ酵素によってグルコース分子に分解される。この反応は牛や羊などの反芻動物の胃の中で体温で起こり、酵素は微生物によって生成される。このプロセスでは、この変換のさまざまな段階でいくつかの酵素を使用する。同様の酵素システムを使用すると、リグノセルロース材料は比較的穏やかな条件（50℃、pH 5）で酵素加水分解できるため、酵素活性を阻害する副産物を形成せずに効果的にセルロースを分解できる。希酸を含むすべての主要な前処理方法では、エタノール発酵で高い糖収率を達成するために酵素加水分解ステップが必要である。^[25]

真菌酵素はセルロースの加水分解に使用できます。原材料（多くの場合、木材またはわら）は、加水分解に適した状態にするために前処理する必要があります。^[31] 2005年、Iogen Corporationは、酵素加水分解プロセスのために「特別に設計された酵素」を分泌する真菌 Trichoderma reeseiを使用するプロセスを開発していると発表した。^[32]

カナダの別の企業であるサンオプタは蒸気爆発前処理を使用しており、その技術をルイジアナ州ジェニングスのベレニウム（旧セルノールコーポレーション）の施設、スペインのサラマンカのアベンゴアの施設、肇東のチャイナリソーシズアルコールコーポレーションに提供しています。CRAC生産施設ではトウモロコシの茎を原料として使用しています。^[33]

伝統的に、パン酵母（サッカロミセス・セレビシエ）は、ヘキソース（6炭素糖）からエタノールを生産するために醸造業界で長い間使用されてきた。リグノセルロース系バイオマスに含まれる炭水化物の複雑な性質のため、加水分解物にはキシロースとアラビノース（リグノセルロースのヘミセルロース部分に由来する5炭素糖）も相当量含まれる。例えば、トウモロコシ茎葉の加水分解物では、発酵可能な糖の総量の約30％がキシロースである。その結果、加水分解物から得られる糖の全範囲を発酵微生物が利用できることは、セルロース系エタノールおよび潜在的にバイオベースのタンパク質の経済的競争力を高めるために不可欠である。^[要出典]

2000年代初頭、燃料用エタノール生産に使用される微生物の代謝工学は大きな進歩を遂げました。^[34]サッカロミセス・セレビシエ以外にも、ザイモモナス・モビリスや大腸菌などの微生物が、セルロース系エタノール生産のための代謝工学の対象となっています。代替発酵生物の魅力は、5炭素糖を発酵させて原料の収量を向上させる能力です。この能力は、細菌^[35]ベースの生物によく見られます。^[要出典]

21世紀の最初の10年間で、遺伝子組み換え酵母はキシロース^{[36] [37]}、アラビノース^[38]、さらには両方を効率的に発酵することが報告されています。^[39]酵母細胞は、バイオテクノロジーで何百年も使用されており、高濃度のエタノールや阻害剤に耐性があり、細菌汚染を減らすために低いpH値で増殖できるため、セルロースエタノールプロセスに特に魅力的です。^{[引用が必要]}

いくつかの細菌種は、セルロース基質をエタノールに直接変換できることがわかっています。一例として、複雑なセルロソームを使用してセルロースを分解し、エタノールを合成するクロストリジウム・サーモセラムが挙げられます。しかし、 C.サーモセラムはセルロース代謝中にエタノールに加えて酢酸や乳酸などの他の生成物も生成するため、プロセスの効率が低下します。一部の研究では、エタノール生成経路に焦点を当てた細菌を遺伝子操作してエタノール生産を最適化することに取り組んでいます。 ^[40]

ガス化プロセスは、セルロース鎖の化学分解（セルロース分解）に依存しません。セルロースを糖分子に分解する代わりに、原料中の炭素は部分燃焼に相当する方法で合成ガスに変換されます。その後、一酸化炭素、二酸化炭素、水素は特殊な発酵槽に供給されます。酵母による糖発酵の代わりに、このプロセスではクロストリジウム・リュングダーリ細菌を使用します。^[41]この微生物は一酸化炭素、二酸化炭素、水素を摂取し、エタノールと水を生成します。したがって、このプロセスは3つのステップに分けることができます。

1. ガス化- 複雑な炭素ベースの分子が分解され、一酸化炭素、二酸化炭素、水素として炭素が抽出される。
2. 発酵 —クロストリジウム・リュングダーリイ菌を使って一酸化炭素、二酸化炭素、水素をエタノールに変換する
3. 蒸留 — エタノールを水から分離する

2002年の研究では、一酸化炭素からエタノールを生成する効率が上記の細菌の2倍であると思われる別のクロストリジウム細菌が発見されました。 ^[42]

あるいは、ガス化による合成ガスを触媒反応器に送り、熱化学プロセスによってエタノールやその他の高級アルコールを生成するために使用することもできます。^[43]このプロセスでは他の種類の液体燃料も生成できます。これは、モントリオールを拠点とするEnerkem社がケベック州ウェストベリーの施設で実証した代替コンセプトです。^[44]

セルロースとヘミセルロースの両方をエタノールに変換する経済的な方法を開発するための研究が集中的に行われています。セルロース加水分解物の主産物であるグルコースをエタノールに発酵させる方法は、すでに確立された効率的な技術です。しかし、ヘミセルロース加水分解物のペントース糖であるキシロースの変換は、特にグルコースが存在する場合、制限要因となります。さらに、ヘミセルロースはセルロースエタノール生産の効率と費用対効果を高めるため、これを無視することはできません。^[45]

坂本 (2012) らは、遺伝子工学微生物がヘミセルラーゼ酵素を発現する可能性を示しています。研究者らは、以下の機能を持つ組み換えサッカロミセス・セレビシエ株を作成しました。

1. 細胞表面にエンドキシラナーゼを共発現させることによりヘミセルラーゼを加水分解する。
2. キシロース還元酵素とキシリトール脱水素酵素の発現によりキシロースを同化します。

この菌株は稲わらの加水分解物をヘミセルロース成分を含むエタノールに変換することができた。さらに、対照株よりも2.5倍多くのエタノールを生産することができ、エタノールを生産するための細胞表面工学の非常に効率的なプロセスを示した。^[45]

エタノールはガソリンよりもクリーンかつ効率的に燃焼します。^{[46] [47]}植物は成長する際に二酸化炭素を消費するため、バイオエタノールは化石燃料よりも全体的に炭素排出量が少なくなります。^[48]石油の代わりにエタノールを使用すると、国の石油輸入への依存を減らすこともできます。^[49]

トウモロコシやサトウキビと異なり食糧生産と競合しないセルロースエタノールの商業生産は、これらの食用作物への圧力を軽減するため、非常に魅力的である。

セルロースバイオマスは加工コストが高いものの、穀物や果物に比べてはるかに安価です。さらに、セルロースは植物の主成分であるため、果実や種子だけでなく、植物全体を収穫することができます。これにより、はるかに高い収量が得られます。たとえば、スイッチグラスは1エーカーあたりトウモロコシの2倍のエタノールを生産します。^[51]セルロース生産のためのバイオマス材料は、肥料や除草剤などの投入量が少なくて済み、広範囲に広がる根が土壌の質を向上させ、浸食を減らし、栄養素の捕捉を増加させます。^{[52] [53]}セルロースエタノールの全体的な炭素フットプリントと地球温暖化係数はかなり低く（図を参照）^{[54] [55] [56]}、正味エネルギー出力はトウモロコシベースのエタノールよりも数倍高くなります。

潜在的な原材料も豊富です。世界中で発生する家庭ごみの約44％は食品と野菜です。^[57]エタノールの製造に使用できるセルロース含有原材料は、米国だけで毎年推定3億2,300万トン廃棄されています。これには、都市部の木材廃棄物3,680万乾燥トン、一次製材所残渣9,050万乾燥トン、森林残渣4,500万乾燥トン、トウモロコシの茎と麦わら1億5,070万乾燥トンが含まれます。^[58]さらに、農業に適さない土地でも、スイッチグラスなどのセルロース生産作物を植えることができ、米国への現在の石油輸入量をすべて代替するのに十分な生産量が得られます。^[59]

紙、段ボール、包装材は世界の家庭ごみの約17%を占めています。^[57]ただし、その一部はリサイクルされています。これらの製品にはセルロースが含まれているため、セルロースエタノールに変換することができ、^{[58]分解時に強力な温室効果ガスである}メタンの発生を防ぐことができます。^[60]

エタノール燃料の主な欠点は、圧縮比の低いガソリン用に設計されたエンジンでエタノールを使用した場合、ガソリンに比べて燃費が悪いことです。^[49]

セルロースエタノールの主な欠点は、その高コストと生産の複雑さであり、これが商業化の大きな障害となっている。^{[61] [62]}

世界のバイオエタノール市場はかなりの規模（2019年に約1100億リットル）だが、その大部分はセルロースではなくトウモロコシやサトウキビから作られている。^[63] 2007年には、セルロース源からのエタノール生産コストは1ガロンあたり約2.65ドル（1リットルあたり0.58ユーロ）と推定され、トウモロコシから作られたエタノールの約2～3倍高価だった。^[64]しかし、セルロースエタノール市場は比較的小規模であり、政府の補助金に依存している。^[62]米国政府は当初、セルロースエタノールの目標を2011年の10億リットルから2022年には600億リットルまで段階的に引き上げることに設定していた。^[65]しかし、これらの年間目標は、達成の見込みがないことが明らかになったため、ほぼ常に放棄されてきた。^[61]セルロースエタノールを生産する工場のほとんどは、2010年代初頭にキャンセルまたは放棄されました。^{[62] [66]}デュポン、ゼネラルモーターズ、BPなどが建設または資金提供した工場は閉鎖または売却されました。^[67] 2018年現在、米国には主要な工場が1つしか残っていません。^[62]

セルロースバイオマスを大規模に栽培するには、主に農作物の生産のための既存の農地利用と競合する必要があります。米国の22億6千万エーカー（910万km2）の非水没地のうち^、 [ ^68] 33％が森林、26％が牧草地と草地、20％が農地です。2005年に米国エネルギー省と農務省が行った調査では、林業、農業に許容できる影響を維持しながら、13億乾燥トンのバイオマスが理論的にエタノール利用に利用可能であると示唆されました。^[69]

現在、セルロースはトウモロコシやサトウキビよりもエタノールへの加工が難しく、コストも高い。米国エネルギー省は2007年にセルロースエタノールの生産コストは1ガロンあたり約2.20ドルと推定しており、これはトウモロコシからのエタノールの2～3倍である。植物細胞壁組織を破壊する酵素のコストはエタノール1ガロンあたり0.40ドルであるのに対し、トウモロコシの場合は0.03ドルである。^[64]しかし、セルロースバイオマスはエネルギー、肥料、除草剤などの投入量が少なく、土壌浸食が少なく土壌肥沃度が向上するため、トウモロコシよりも生産コストが安い。さらに、エタノール製造後に残る非発酵性で未変換の固形物は、変換プラントの稼働と発電に必要な燃料として燃焼させることができる。トウモロコシベースのエタノールプラントの稼働に使用されるエネルギーは、石炭と天然ガスに由来する。地方自立研究所は、第一世代の商業用植物から生産されるセルロース系エタノールのコストは、インセンティブを除いて1ガロンあたり1.90～2.25ドルになると見積もっている。これは、トウモロコシ由来のエタノールの現在のコスト1ガロンあたり1.20～1.50ドル、および通常のガソリン（補助金と税金が課せられている）の現在の小売価格1ガロンあたり4.00ドル以上と比較される。^[70]

セルロース系エタノールの生産に使用されるセルラーゼとヘミセルラーゼは、第一世代のものに比べて高価です。トウモロコシの穀物からのエタノール生産に必要な酵素は、生産されるエタノール1立方メートルあたり2.64〜5.28米ドルかかります。セルロース系エタノール生産用の酵素は79.25米ドルかかると予測されており、20〜40倍高価です。^[71]コストの違いは必要な量に起因します。セルラーゼファミリーの酵素は、効率が1〜2桁小さいです。したがって、生産には40〜100倍の酵素が必要です。バイオマス1トンあたり、15〜25キログラムの酵素が必要です。^[72]最近の推定値^[73]は低く、乾燥バイオマス原料1トンあたり1キログラムの酵素を示しています。また、酵素加水分解を行う容器の長いインキュベーション時間に関連する資本コストも比較的高い。全体として、酵素はセルロースエタノール生産の20〜40％の重要な部分を占めています。2016年の論文^[73]では、セルラーゼ酵素の生産方法が重要な要因となり、現金コストの13〜36％の範囲と推定されています。オフサイトで生産されたセルラーゼの場合、酵素生産は現金コストの36％になります。別の工場でオンサイトで生産された酵素の場合、その割合は29％です。統合酵素生産の場合、その割合は13％です。統合生産の主な利点の1つは、グルコースではなくバイオマスが酵素の増殖培地であることです。バイオマスはコストが低く、結果として得られるセルロースエタノールは100％第2世代バイオ燃料になります。つまり、「燃料用の食物」を使用しません。^{[引用が必要]}

一般に、原料には森林（木質）バイオマスと農業バイオマスの2種類がある。米国では、年間約14億乾燥トンのバイオマスを持続的に生産することができる。約3億7000万トン、つまり30％が森林バイオマスである。^[74] 森林バイオマスは、農業バイオマスに比べてセルロースとリグニンの含有量が多く、ヘミセルロースと灰分の含有量が少ない。前処理加水分解物、特にキシロースなどの炭素数5のヘミセルロース糖が非常に多い加水分解物の発酵は難しく、エタノール収率も低いため、森林バイオマスは農業バイオマスに比べて大きな利点がある。森林バイオマスは密度も高いため、輸送コストが大幅に削減される。年間を通じて収穫できるため、長期保管が不要になる。森林バイオマスの灰分はほぼゼロであるため、輸送および処理時の固定荷重が大幅に軽減される。生物多様性のニーズを満たすために、森林バイオマスは将来のバイオベース経済において重要なバイオマス原料供給ミックスとなるだろう。しかし、森林バイオマスは農業バイオマスよりもはるかに扱いにくい。2009年、米国農務省森林製品研究所はウィスコンシン大学マディソン校と共同で、キシラン含有量の少ない針葉樹種を含む森林（木質）バイオマスの強い扱いにくさを克服できる効率的な技術^{[15] [75]}を開発した。短期伐採集約栽培や樹木栽培は、森林バイオマス生産のほぼ無限の機会を提供することができる。^[76]

伐採した木や木のてっぺんから採取した木材チップ、製材所から出るおがくず、廃紙パルプは、セルロースエタノール生産のための森林バイオマス原料です。^[77]

スイッチグラス（学名： Panicum virgatum）は、在来の背の高い草原の草です。この多年生植物は、その耐寒性と急速な成長で知られ、暖かい時期には高さ2～6フィートに成長します。スイッチグラスは、沼地、平原、小川、海岸沿い、州間高速道路など、米国のほとんどの地域で栽培できます。スイッチグラスは自生し（種まき用のトラクターは不要で、刈り取りのみ）、多くの病気や害虫に耐性があり、肥料やその他の化学物質をあまり使用せずに高い収穫量を得ることができます。また、痩せた土壌、洪水、干ばつにも耐性があり、根系の種類により土壌の質を高め、浸食を防ぎます。^[78]

スイッチグラスは、連邦保全保護区プログラム(CRP) で保護されている土地の承認された被覆作物です。CRP は、最近作物が栽培されていた土地で作物を栽培しないことに対して生産者に料金を支払う政府プログラムです。このプログラムは土壌浸食を減らし、水質を改善し、野生生物の生息地を増やします。CRP の土地は、キジやアヒルなどの高地の狩猟動物や多くの昆虫の生息地として機能します。バイオ燃料生産用のスイッチグラスは、保全保護区プログラム (CRP) の土地で使用することが検討されており、生態学的持続可能性を高め、CRP プログラムのコストを下げることができます。ただし、CRP の土地のこのような経済的な使用を許可するには、CRP の規則を変更する必要があるでしょう。^[78]

Miscanthus × giganteusは、セルロースエタノール生産のためのもう一つの有望な原料です。この草の種はアジア原産で、 Miscanthus sinensisとMiscanthus sacchariflorusの不妊雑種です。収穫量が多く、栽培コストが安く、さまざまな気候で育ちます。しかし、不妊であるため、栄養繁殖も必要となり、より高価になります。 ^[79]

クズは貴重なバイオマス源になる可能性があると示唆されている。 ^[80]

補助金や助成金に後押しされ、2000年代初頭にはセルロースエタノールの研究とパイロットプラントが急増した。Iogen 、POET、Abengoaなどの企業はバイオマスを処理してエタノールに変換できる製油所を建設し、 DuPont、Diversa、Novozymes 、Dyadicなどの企業は酵素研究に投資した。しかし、技術的な障害を克服するのが難しすぎることが判明したため、これらのプラントのほとんどは2010年代初頭にキャンセルまたは閉鎖された。2018年現在、稼働しているセルロースエタノールプラントは1つだけである。^[62]

2010年代後半には、様々な企業がセルロースエタノールの商業化に向けた小規模な取り組みを時折試みたが、そのようなベンチャーは一般的に実験規模にとどまり、補助金に頼っていることも多い。Granbio、Raízen、Centro de Tecnologia Canavieiraの各社は、それぞれブラジルでパイロット規模の施設を運営しており、2019年には合わせて約3,000万リットルを生産している。^[81] 1991年に酵素メーカーとしてスタートし、2013年にセルロースエタノールに主眼を置くよう方向転換したIogenは、セルロースエタノール生産に関する多くの特許を保有しており[ ^82]、Raízen工場に技術を提供した。^[83] 2021年現在、セルロースエタノール技術を開発している他の企業としては、 Inbicon（デンマーク）がある。パイロット生産工場を運営または計画している企業には、New Energy Blue（米国）^[84] 、 Sekab（スウェーデン）^[85]、Clariant（ルーマニア）などがある。^[86]セルロースエタノール資産を持つスペインの企業アベンゴアは2021年に破産した。^[87]

オーストラリア再生可能エネルギー庁は、州政府や地方自治体と協力し、石炭採掘からの地域経済の多様化に向けた取り組みの一環として、2017年と2020年にニューサウスウェールズ州でパイロットプラントに部分的に資金を提供した。^[88]

2006年から、米国連邦政府はセルロース原料からのエタノール開発を推進し始めた。2008年5月、議会はセルロースエタノールを含む第二世代バイオ燃料の商業化のための資金を含む新しい農業法案を可決した。 2008年の食糧・保全・エネルギー法は、事実上トウモロコシの穀粒澱粉から生産されないすべての燃料を含む「先進バイオ燃料」を生産するための実証規模のバイオ精製所の開発と建設の費用の最大30％をカバーする助成金を規定した。また、商業規模のバイオ精製所の建設のために最大2億5000万ドルの融資保証も認めた。^[89]

2011年1月、USDAは2008年農業法に基づき、Coskata、Enerkem、INEOS New Planet BioEnergyが所有する3つの施設でのセルロースエタノールの商業化を支援するため、4億500万ドルの融資保証を承認した。これらのプロジェクトは、合計で年間7,300万米ガロン（280,000 m ³）の生産能力を誇り、2012年にセルロースエタノールの生産を開始する予定である。USDAはまた、先進バイオ燃料の生産拡大のために支払いを受ける先進バイオ燃料生産者のリストも発表した。^{[90] 2011年7月、米国エネルギー省は}、アイオワ州エメットバーグに建設される商業規模の工場のためにPOET に1億500万ドルの融資保証を与えた。^[91]

• 第二世代バイオ燃料
• 食料対燃料

• 米国のエタノール工場一覧
• セルロースエタノールへの道はさまざまな技術で開かれている 2010-10-28 にWayback Machineでアーカイブ
• 第二世代エタノールへの移行
• USDAとDOEが国家バイオ燃料行動計画を発表
• セルロースエタノールの商業化
• セルロースエタノールの生産量は「爆発的に」増​​加する可能性がある
• ポエット、パイロット規模でセルロースエタノールを生産
• エタノール工場への米国のさらなる支援の可能性も
• シェル、Codexisとの新たな契約でセルロースエタノールの推進を促進
• エネルケム、米国にセルロースエタノール工場を建設へ
• エタノール生産量は2030年までに900億ガロンに達する可能性がある | サンディア国立研究所とGM社が支援
• サンディア国立研究所と GM の研究: hitectransportation.org からの PDF 形式
• スイッチグラス燃料は豊富なエネルギーを生み出す^[奪取]。
• セルロースからのエタノール：概要 — PC Badger、2002
• 米国エネルギー省生物環境研究局（OBER）。
• 国立再生可能エネルギー研究所、研究の進歩 – セルロースエタノール。
• USDA 森林製品研究所 2010-01-06 にWayback Machineでアーカイブ
• reuters.com、新しいバイオ燃料はさまざまな供給源から生まれる：会議、2009年2月13日金曜日午後2時50分（東部標準時）
• reuters.com、米国のエタノール週間利益が損益分岐点を上回る、2009年2月13日金曜日午後4時1分EST
• wired.com、たった一つの分子が石油中毒を治せるかもしれない、09.24.07