Лигноцеллюлоза относится к сухому веществу растений ( биомассе ), так называемой лигноцеллюлозной биомассе. Это наиболее распространенное сырье на Земле для производства биотоплива . [1] Он состоит из двух видов углеводных полимеров, целлюлозы и гемицеллюлозы , и ароматического полимера, называемого лигнином . [1] Любая биомасса, богатая целлюлозой, гемицеллюлозой и лигнином, обычно называется лигноцеллюлозной биомассой. [2] Каждый компонент имеет особое химическое поведение. Поскольку лигноцеллюлоза состоит из трех совершенно разных компонентов, ее обработка становится сложной. Развитая устойчивость к деградации или даже разделению называется неподатливостью. Преодоление этой неподатливости для производства полезных, высокоценных продуктов требует сочетания тепла, химикатов, ферментов и микроорганизмов. [3] [4] [5] [6] Эти углеводсодержащие полимеры содержат различные мономеры сахара (шести- и пятиуглеродные сахара), и они ковалентно связаны с лигнином.
Лигноцеллюлозную биомассу можно в целом классифицировать как первичную биомассу, отходы биомассы и энергетические культуры . Первичная биомасса включает растения. Отходы биомассы производятся как низкоценный 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 заводов ). Энергетические культуры — это культуры с высоким выходом лигноцеллюлозной биомассы, производимой в качестве сырья для производства биотоплива второго поколения; примерами служат просо ( Panicum virgatum ) и слоновая трава . 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 культуры представляют интерес из-за своей способности обеспечивать высокие урожаи биомассы. Некоторые из них можно собирать несколько раз в год. К ним относятся тополя и Miscanthus giganteus . Главной энергетической культурой является сахарный тростник , который является источником легко ферментируемой сахарозы и побочного продукта лигноцеллюлозы — жома .
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 в бумажное производство или «химическую целлюлозу». [13] В процессе производства целлюлозы большая часть лигнина удаляется и сбрасывается как отходы в виде сточных вод, прежде чем использоваться в качестве малоценного топлива для выработки электроэнергии и тепла. [13] В принципе, текущий мировой спрос на сахар может быть удовлетворен путем перепрофилирования целлюлозно-бумажных комбинатов для производства лигноцеллюлозного сахара, что делает его перспективным устойчивым продуктом питания. [14]
Лигноцеллюлозная биомасса в форме древесного топлива имеет долгую историю как источник энергии. С середины 20-го века интерес к биомассе как предшественнику жидкого топлива возрос. Если говорить конкретно, ферментация лигноцеллюлозной биомассы в этанол [15] является привлекательным путем к топливу, которое дополняет ископаемое топливо . Биомасса может быть углеродно-нейтральным источником энергии в долгосрочной перспективе. Однако в зависимости от источника биомассы она не будет углеродно-нейтральной в краткосрочной перспективе. Например, если биомасса получена из деревьев, период времени, необходимый 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 ежегодных остатков урожая, 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 для производства этанола из биомассы является то, что сахара, необходимые для ферментации, заключены внутри лигноцеллюлозы. Лигноцеллюлоза эволюционировала, чтобы противостоять деградации и придавать гидролитическую стабильность и структурную прочность клеточным стенкам растений. Эта прочность или «упорность» объясняется сшиванием между полисахаридами (целлюлозой и гемицеллюлозой) и лигнином посредством сложноэфирных и простых эфирных связей. [17] Сложности со сложными эфирами возникают между окисленными сахарами, уроновыми кислотами и фенольными и фенилпропанольными функциональными группами лигнина. Чтобы извлечь ферментируемые сахара, необходимо сначала отсоединить целлюлозу от лигнина, а затем использовать кислотные или ферментативные методы для гидролиза недавно освобожденной целлюлозы, чтобы разбить ее на простые моносахариды. Еще одной проблемой ферментации биомассы является высокий процент пентоз в гемицеллюлозе, такой как ксилоза или древесный сахар. В отличие от гексоз, таких как глюкоза, пентозы трудно ферментировать. Проблемы, представленные 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 грибке Trichoderma reesei , известном своими целлюлолитическими способностями. Изучаются многочисленные направления, включая разработку оптимизированного коктейля целлюлаз и гемицеллюлаз, выделенных из T. reesei , а также улучшение штамма на основе генной инженерии, чтобы грибок можно было просто поместить в присутствие лигноцеллюлозной биомассы и расщепить вещество на мономеры D -глюкозы . [18] Методы улучшения штамма привели к появлению штаммов, способных производить значительно больше целлюлаз, чем исходный изолят QM6a; известно, что некоторые промышленные штаммы производят до 100 г целлюлазы на литр грибка, [ необходима цитата ] , что позволяет максимально извлекать сахара из лигноцеллюлозной биомассы. Затем эти сахара можно ферментировать, что приводит к получению биоэтанола.
Некоторые химикаты можно получить из лигноцеллюлозной биомассы. Почти все они получены из сахаров, полученных путем гидролиза целлюлозного компонента. [19]
Лигноцеллюлозные биомассы рассматривались в производстве биокомпозитных материалов, таких как древесно-стружечные панели, древесно-пластиковые композиты и цементно-геополимерные древесные композиты. Несмотря на то, что производство биокомпозитных материалов в основном зависит от древесных ресурсов, в странах с меньшим количеством лесов или в странах, где древесные ресурсы уже чрезмерно используются, можно использовать альтернативные источники биомассы, такие как инвазивные растения, сельскохозяйственные и лесопильные отходы, для создания новых «зеленых» композитов. [20] Биокомпозиты, произведенные с использованием 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 )