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 очень 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 различных промышленных секторов, 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, полученное из этих энергетических культур, является источником устойчивой энергии. [7] [8]
Лигноцеллюлоза состоит из трех компонентов, каждый из которых обладает свойствами, которые создают проблемы для коммерческого применения. [10]
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 .
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 выбрасывается 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]
Лигноцеллюлозная биомасса в виде древесного топлива имеет долгую историю в качестве источника энергии. С середины 20-го века возрос интерес к биомассе как прекурсору жидкого топлива. Если говорить конкретнее, ферментация лигноцеллюлозной биомассы до этанола [15] является привлекательным способом получения топлива, дополняющего ископаемое топливо . В долгосрочной перспективе биомасса может стать углеродно-нейтральным источником энергии. Однако в зависимости от источника биомассы она не будет углеродно-нейтральной в краткосрочной перспективе. Например, если биомасса получена из деревьев, период времени для повторного выращивания дерева (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 на основе лигноцеллюлозы, в том числе 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 устойчивость 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. В настоящее время 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 мономеры D -глюкозы . [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, что позволяет максимально извлекать сахара из лигноцеллюлозной биомассы. Эти сахара затем могут быть ферментированы, что приведет к получению биоэтанола.
Некоторые химические вещества можно получить из лигноцеллюлозной биомассы. Почти все они являются производными 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 используются чрезмерно, можно использовать альтернативные источники биомассы, такие как инвазивные растения, отходы сельского хозяйства и лесопилок, для производства биокомпозитных материалов. создание новых «зеленых» композитов. [20] Биокомпозиты, полученные из лигноцеллюлозной биомассы в качестве альтернативы традиционным материалам, привлекают внимание, поскольку они возобновляемы и дешевле, а также потому, что они идеально вписываются в политику «каскадного использования» ресурсов.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )