Лигноцеллюлозная биомасса
Лигноцеллюлоза относится к сухому веществу растений ( биомасса ), так называемой лигноцеллюлозной биомассе. Это наиболее широко доступное сырье на Земле для производства биотоплива . [1] Он состоит из двух видов углеводных полимеров, целлюлозы и гемицеллюлозы , а также богатого ароматическими веществами полимера, называемого лигнином . [1] Любую биомассу, богатую целлюлозой, гемицеллюлозой и лигнином, обычно называют лигноцеллюлозной биомассой. [2] Каждый компонент имеет особое химическое поведение. Поскольку лигноцеллюлоза представляет собой смесь трех совершенно разных компонентов, ее переработка становится сложной задачей. Развитая устойчивость к деградации или даже разделению называется неподатливостью. Преодоление этого сопротивления для производства полезных и ценных продуктов требует сочетания тепла, химикатов, ферментов и микроорганизмов. [3] [4] [5] [6] Эти углеводсодержащие полимеры содержат различные сахарные мономеры (шести- и пятиуглеродные сахара) и ковалентно связаны с лигнином.
Лигноцеллюлозную биомассу можно широко классифицировать как первичную биомассу, биомассу отходов и энергетические культуры . Первичная биомасса включает растения. Отходы биомассы производятся как малоценный побочный продукт в различных отраслях промышленности, таких как сельское хозяйство ( кукурузная солома , жом сахарного тростника , солома и т. д.) и лесное хозяйство ( отходы лесопильных и бумажных фабрик ). Энергетические культуры – это культуры с высоким выходом лигноцеллюлозной биомассы, производимой в качестве сырья для производства биотоплива второго поколения; примеры включают просо ( Panicum virgatum ) и слоновью траву . Биотопливо, получаемое из этих энергетических культур, является источником устойчивой энергии. [7] [8]
Химический состав
[ редактировать ]
Лигноцеллюлоза состоит из трех компонентов, каждый из которых обладает свойствами, которые создают проблемы для коммерческого применения. [10]
- Лигнин — гетерогенный, сильно сшитый полимер, родственный фенолоформальдегидным смолам . Он состоит из 3-4 мономеров, соотношение которых варьируется от вида к виду. Сшивка обширна. Будучи богатым ароматическими веществами, лигнин гидрофобен и относительно тверд. Лигнин придает растениям структурную целостность. Лигнин настолько неоднороден и непокорен, что его ценность почти исключительно измеряется как топливо.
- гемицеллюлоза состоит из разветвленных полисахаридов. Особая проблема заключается в том, что гемицеллюлоза ковалентно связана с лигнином, обычно через феруловой кислоты компонент лигнина . Это затрудняет извлечение сахаров, необходимых для переработки в биотопливо. [11] Гемицеллюлоза является вторым по распространенности источником углеводов в растении после целлюлозы. [12]
- Целлюлоза представляет собой гомополимер глюкозы. Он очень плохо растворяется в большинстве растворителей, поэтому глюкоза извлекается путем химического и биологического расщепления, осуществляемого целлюлолитическими ферментами. [12] Эта экстракция облегчается тем фактом, что нити целлюлозы интегрированы в лигнин-гемицеллюлозный компонент, но не прикреплены ковалентно к нему.
Специализированные энергетические культуры
[ редактировать ]
Многие сельскохозяйственные культуры представляют интерес благодаря своей способности обеспечивать высокие урожаи биомассы. Некоторые из них можно собирать несколько раз в год. К ним относятся тополя и мискантус гигантский . Главной энергетической культурой является сахарный тростник , который является источником легко сбраживаемой сахарозы и лигноцеллюлозного побочного продукта .
Приложение
[ редактировать ]Целлюлозно-бумажная промышленность
[ редактировать ]Лигноцеллюлозная биомасса является сырьем для целлюлозно-бумажной промышленности . В этом процессе лигнин и гемицеллюлоза обычно отделяются от растительного материала, оставляя волокнистый целлюлозный компонент для переработки для производства бумаги, или «химическую целлюлозу». [13] В процессе целлюлозного производства большая часть лигнина удаляется и сбрасывается в виде отходов в виде сточных вод, а затем используется в качестве малоценного топлива для выработки электроэнергии и тепла. [13] В принципе, нынешний мировой спрос на сахар может быть удовлетворен путем перепрофилирования целлюлозно-бумажных заводов на производство лигноцеллюлозного сахара, что сделает его многообещающим устойчивым продуктом питания . [14]
Биотопливо
[ редактировать ]Лигноцеллюлозная биомасса в виде древесного топлива имеет долгую историю в качестве источника энергии. С середины 20-го века интерес к биомассе как прекурсору жидкого возрос топлива. Точнее, ферментация лигноцеллюлозной биомассы до этанола. [15] Это привлекательный путь к топливу, дополняющему ископаемое топливо . биомасса может стать углеродно-нейтральным В долгосрочной перспективе источником энергии. Однако в зависимости от источника биомассы она не будет углеродно-нейтральной в краткосрочной перспективе. Например, если биомасса получена из деревьев, период времени, в течение которого дерево вырастет (порядка десятилетий), приведет к чистому увеличению содержания углекислого газа в атмосфере Земли при сжигании лигноцеллюлозного этанола. Однако если используется древесный материал из остатков однолетних культур, топливо можно считать углеродно-нейтральным. Помимо этанола, потенциальный интерес представляют многие другие виды топлива, полученные из лигноцеллюлозы, включая бутанол , диметилфуран и гамма-валеролактон . [16]
Одним из препятствий на пути производства этанола из биомассы является то, что сахара, необходимые для ферментации, задерживаются внутри лигноцеллюлозы. Лигноцеллюлоза эволюционировала, чтобы противостоять разложению и придавать гидролитическую стабильность и структурную прочность клеточным стенкам растений. Эта надежность или «непокорность» объясняется сшивкой между полисахаридами (целлюлозой и гемицеллюлозой) и лигнином посредством сложноэфирных и эфирных связей. [17] Эфирные связи возникают между окисленными сахарами, уроновыми кислотами и фенольными и фенилпропанольными функциональными группами лигнина. Чтобы извлечь сбраживаемые сахара, необходимо сначала отделить целлюлозу от лигнина, а затем использовать кислотные или ферментативные методы для гидролиза вновь освобожденной целлюлозы и расщепления ее на простые моносахариды. Еще одной проблемой ферментации биомассы является высокий процент пентоз в гемицеллюлозе, таких как ксилоза или древесный сахар. В отличие от гексоз, таких как глюкоза, пентозы трудно ферментировать. Проблемы, связанные с фракциями лигнина и гемицеллюлозы, находятся в центре внимания многих современных исследований.
Большой сектор исследований по использованию лигноцеллюлозной биомассы в качестве сырья для биоэтанола сосредоточен, в частности, на грибе Trichoderma reesei , известном своими целлюлозолитическими способностями. Изучаются многочисленные возможности, включая разработку оптимизированного коктейля целлюлаз и гемицеллюлаз, выделенных из T. reesei , а также улучшение штамма на основе генной инженерии, позволяющее просто поместить гриб в присутствие лигноцеллюлозной биомассы и разрушить вещество на D -глюкозы мономеры . [18] Методы улучшения штаммов привели к созданию штаммов, способных продуцировать значительно больше целлюлаз, чем исходный изолят QM6a; известно, что некоторые промышленные штаммы производят до 100 г целлюлазы на литр гриба, [ нужна ссылка ] что позволяет максимально извлечь сахара из лигноцеллюлозной биомассы. Эти сахара затем могут быть ферментированы, что приведет к получению биоэтанола.
Исследовать
[ редактировать ]Некоторые химические вещества можно получить из лигноцеллюлозной биомассы. Почти все они получены из сахаров, полученных гидролизом целлюлозного компонента. [19]
Лигноцеллюлозная биомасса рассматривалась при производстве биокомпозитных материалов, таких как древесностружечные панели, древесно-пластиковые композиты и цементно-геополимерные древесные композиты. Несмотря на то, что производство биокомпозитных материалов в основном зависит от древесных ресурсов, в менее лесных странах или в странах, где древесные ресурсы уже чрезмерно используются, можно использовать альтернативные источники биомассы, такие как инвазивные растения, отходы сельского хозяйства и лесопилок, для производства биокомпозитных материалов. создание новых «зеленых» композитов. [20] Биокомпозиты, производимые из лигноцеллюлозной биомассы в качестве альтернативы традиционным материалам, привлекают внимание не только потому, что они возобновляемы и дешевле, но и потому, что они идеально вписываются в политику «каскадного использования» ресурсов.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Вайман, Чарльз Э.; Дейл, Брюс Э.; Эландер, Ричард Т.; Хольцаппл, Марк; Ладиш, Майкл Р.; Ли, ГГ (1 декабря 2005 г.). «Координированное развитие ведущих технологий предварительной обработки биомассы» . Биоресурсные технологии . 96 (18): 1959–1966. doi : 10.1016/j.biortech.2005.01.010 . ISSN 0960-8524 . ПМИД 16112483 .
- ^ Чжоу, Чун-Хуэй; Ся, Си; Линь, Чун-Сян; Тонг, Донг-Шен; Бельтрамини, Хорхе (17 октября 2011 г.). «Каталитическая конверсия лигноцеллюлозной биомассы в тонкие химикаты и топливо» . Обзоры химического общества . 40 (11): 5588–5617. дои : 10.1039/C1CS15124J . ISSN 1460-4744 . ПМИД 21863197 .
- ^ Ю. Сунь, Дж. Ченг (2002). «Гидролиз лигноцеллюлозных материалов для производства этанола: обзор». Биоресурс. Технол . 83 (1): 1–11. дои : 10.1016/S0960-8524(01)00212-7 . ПМИД 12058826 .
- ^ Э. Пальмквист; Б. Хан-Хагердал (2000). «Ферментация лигноцеллюлозных гидролизатов. II: ингибиторы и механизмы ингибирования». Биоресурс. Технол . 74 : 25–33. дои : 10.1016/S0960-8524(99)00161-3 .
- ^ П. Альвира; Э. Томас-Пейо; М. Баллестерос; MJ Негр (2010). «Технологии предварительной обработки для эффективного процесса производства биоэтанола на основе ферментативного гидролиза: обзор». Биоресурс. Технол . 101 (13): 4851–4861. doi : 10.1016/j.biortech.2009.11.093 . ПМИД 20042329 .
- ^ ДМ Алонсо; Джей Кью Бонд; Дж. А. Думесич (2010). «Каталитическая конверсия биомассы в биотопливо». Зеленая химия . 12 (9): 1493–1513. дои : 10.1039/c004654j .
- ^ Гулеч, Фатих; Партибан, Анбураджан; Уменвеке, Великий К.; Муса, Умару; Уильямс, Орла; Мортезаи, Ясна; Сок-О, Хён; Лестер, Эдвард; Огбага, Чуквума К.; Гюнеш, Бурку; Околи, Джуд А. (12 октября 2023 г.). «Прогресс в повышении ценности лигноцеллюлозной биомассы для производства биотоплива и химического производства с добавленной стоимостью в ЕС: акцент на процессах термохимической конверсии» . Биотопливо, биопродукты и биопереработка . дои : 10.1002/bbb.2544 .
- ^ Саладини, Фабрицио; Патрици, Николетта; Пульселли, Федерико М.; Маркеттини, Надя; Бастианони, Симона (декабрь 2016 г.). «Руководство по экстренной оценке биотоплива первого, второго и третьего поколения». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 66 : 221–227. дои : 10.1016/j.rser.2016.07.073 .
- ^ Хорст Х. Нимц, Уве Шмитт, Эккарт Шваб, Отто Виттманн, Франц Вольф «Древесина» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана 2005, Wiley-VCH, Вайнхайм. два : 10.1002/14356007.a28_305
- ^ Кристофер М. Феллоуз, Тревор С. Браун, Уильям О.С. Доэрти (2011). «Лигноцеллюлоза как возобновляемое сырье для химической промышленности: химикаты из лигнина». В Рашми Санги, Вандана Сингх (ред.). Зеленая химия для восстановления окружающей среды . стр. 561–610. дои : 10.1002/9781118287705.ch18 . ISBN 9781118287705 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Лу, Ючан; Он, Цяо; Фан, Гожи; Ченг, Цюньпэн; Сун, Гуансен (01 января 2021 г.). «Экстракция и модификация гемицеллюлозы из лигноцеллюлозной биомассы: обзор» . Зеленая обработка и синтез . 10 (1): 779–804. дои : 10.1515/gps-2021-0065 . ISSN 2191-9550 .
- ^ Перейти обратно: а б Цзэн, Инин; Химмель, Майкл Э.; Дин, Ши-Ю (30 ноября 2017 г.). «Визуализация химической функциональности стенок растительных клеток» . Биотехнология для биотоплива . 10 (1): 263. дои : 10.1186/s13068-017-0953-3 . ISSN 1754-6834 . ПМК 5708085 . ПМИД 29213316 .
- ^ Перейти обратно: а б Хак, Ижарул; Мазумдер, Паял; Каламдхад, Аджай С. (01 сентября 2020 г.). «Последние достижения в удалении лигнина из сточных вод бумажной промышленности и его промышленном применении – обзор» . Биоресурсные технологии . 312 : 123636. doi : 10.1016/j.biortech.2020.123636 . ISSN 0960-8524 . ПМИД 32527619 . S2CID 219607347 .
- ^ Трауп, Джеймс; Гарсиа Мартинес, Хуан Б.; Болс, Брайан; Кейтс, Джейкоб; Пирс, Джошуа М.; Денкенбергер, Дэвид К. (1 января 2022 г.). «Быстрое перепрофилирование целлюлозно-бумажных комбинатов, биоперерабатывающих заводов и пивоваренных заводов для производства лигноцеллюлозного сахара в условиях глобальных продовольственных катастроф» . Переработка пищевых продуктов и биопродуктов . 131 : 22–39. дои : 10.1016/j.fbp.2021.10.012 . ISSN 0960-3085 . S2CID 243485968 .
- ^ Кэрролл, Эндрю; Сомервилл, Крис (июнь 2009 г.). «Целлюлозное биотопливо». Ежегодный обзор биологии растений . 60 (1): 165–182. doi : 10.1146/annurev.arplant.043008.092125 . ПМИД 19014348 .
- ^ Барбара А. Токай «Химические вещества из биомассы» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, 2002, Wiley-VCH, Вайнхайм. два : 10.1002/14356007.a04_099
- ^ Управление науки Министерства энергетики США (июнь 2006 г.). «Разрушение биологических барьеров на пути доступа к целлюлозному этанолу: программа совместных исследований. Отчет о семинаре в декабре 2005 г.» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 7 февраля 2017 г. Проверено 19 января 2008 г.
- ^ Моно, Фредерик; Маржо, Антуан. «Биотопливо превращается в грибок – интервью с Фредериком Моно и Антуаном Маржо, отдел прикладной химии и физической химии IFPEN» . IFP Energies nouvelles . Архивировано из оригинала 27 января 2018 года . Проверено 17 июля 2015 г.
- ^ «Химические вещества с максимальной добавленной стоимостью из биомассы, том I — результаты проверки потенциальных кандидатов из сахаров и синтез-газа» (PDF) .
- ^ Нагараджан, Видхья; Моханти, Амар К.; Мисра, Манджушри (04 марта 2013 г.). «Устойчивые зеленые композиты: добавленная стоимость сельскохозяйственных остатков и многолетних трав» . ACS Устойчивая химия и инженерия . 1 (3): 325–333. дои : 10.1021/sc300084z . ISSN 2168-0485 .
| Биотопливо | |
|---|---|
| Энергия из продовольствие | |
| Непродовольственные товары энергетические культуры | |
| Технология | |
| Концепции | |
