Кіріспе
Өсімдіктердегі құрғақ зат Лигноцеллюлоза - өсімдіктердегі құрғақ зат (биомасса), яғни лигноцеллюлозды биомасса. Бұл биоотын өндіру үшін жер бетіндегі ең көп қолданылатын шикізат. Ол екі түрлі көмірсутек полимерлерінен, яғни целлюлоза мен гемицеллюлозадан және лигнин деп аталатын хош иісті полимерден тұрады. Әрбір компоненттің химиялық мінез-құлқы әр түрлі. Үш түрлі құрамдас бөліктердің құрамында лигноцеллюлозаны өңдеу қиынға соғады. Азынуға немесе тіпті бөлінуге эволюцияланған төзімділік рекалцитранс деп аталады. Бұл қасарысқандықты жеңіп, пайдалы, жоғары құнды өнімдерді өндіру үшін жылу, химиялық заттар, ферменттер мен микроорганизмдердің үйлесімін қажет етеді. Бұл көмірсутекті полимерлер әр түрлі қант мономерлерін (алты және бес көміртегі қант) қамтиды және олар лигнинмен ковалентті байланыста болады. Лигноцеллюлозды биомассаны жалпы алғанда жаңа биомасса, қалдық биомасса және энергиялы дақылдар деп жіктеуге болады. "Жарамсыз биомасса" өсімдіктерді де қамтиды. Қалдық биомасса әр түрлі өнеркәсіп салаларының төмен бағалы өнімдері ретінде өндіріледі, мысалы, ауыл шаруашылығы (мазар пештері, қант құмырасы, сабан және т.б.) және орман шаруашылығы (пилорама және қағаз фабрикасының қалдықтары). Энергетикалық дақылдар - екінші буын биоотын өндіруге арналған шикізат ретінде өндірілетін лигноцеллюлозды биомассаның жоғары өнімділігі бар дақылдар; мысалдарға switchgrass (Panicum virgatum) және пил шөптері кіреді. Осы энергия дақылдарынан өндірілетін биоотын тұрақты энергия көздері болып табылады.
Lignocellulose refers to plant dry matter (biomass), so called lignocellulosic biomass. It is the most abundantly available raw material on the Earth for the production of biofuels. It is composed of two kinds of carbohydrate polymers, cellulose and hemicellulose, and an aromatic rich polymer called lignin. Each component has a distinct chemical behavior. Being a composite of three very different components makes the processing of lignocellulose challenging. The evolved resistance to degradation or even separation is referred to as recalcitrance. Overcoming this recalcitrance to produce useful, high value products requires a combination of heat, chemicals, enzymes, and microorganisms. These carbohydrate containing polymers contain different sugar monomers (six and five carbon sugars) and they are covalently bound to lignin. Lignocellulosic biomass can be broadly classified as virgin biomass, waste biomass, and energy crops. Virgin biomass includes plants. Waste biomass is produced as a low value byproduct of various industrial sectors such as agriculture (corn stover, sugarcane bagasse, straw etc.) and forestry (saw mill and paper mill discards). Energy crops are crops with a high yield of lignocellulosic biomass produced as a raw material for the production of second generation biofuel; examples include switchgrass (Panicum virgatum) and elephant grass. The biofuels generated from these energy crops are sources of sustainable energy.
Химиялық құрамы
Лигноцеллюлоза үш компоненттен тұрады, олардың әрқайсысының коммерциялық қолдануға қиындық туғызатын қасиеттері бар. Лигнин - фенол-формальдегид шайырларына ұқсас гетерогенді, жоғары байланысқан полимер. Ол түрге байланысты әртүрлі болатын 3-4 мономерден жасалады. Байланыс кең. Ароматтарға бай лигнин гидрофобты және салыстырмалы түрде қатты. Лигнин өсімдіктердің құрылысын бекітеді. Лигнин соншалықты әртүрлі және өте қасарысқан, оның құны отын ретінде ғана өлшенеді. гемицеллюлоза тармақталған полисахаридтерден тұрады. Бір ерекше мәселе - гемицеллюлоза лигнинмен ковалентті түрде, әдетте лигниннің феруль қышқылы компоненті арқылы байланысады. Бұл биоотынға айналу үшін қажетті қантты алуды қиындатады. Целюлозадан кейін гемицеллюлоза өсімдіктердегі көмірсулардың екінші ең көп тараған көзі болып табылады. целлюлоза глюкозаның гомополимері болып табылады. Ол еріткіштердің көпшілігінде өте нашар ериді, сондықтан глюкоза целлюлолитті ферменттер арқылы жүзеге асырылатын химиялық және биологиялық ыдырау арқылы алынады. Масса өңдеу процесінде лигниннің көп бөлігі алынып тасталады және ағынды/қоқыс су түрінде қалдық материал ретінде шығарылады, содан кейін электр энергиясы мен жылу өндіру үшін арзан бағалы отын ретінде пайдаланылады.
Биоотын
Ағаш отыны түріндегі лигноцеллюлозды биомассаның энергия көзі ретінде ұзақ тарихы бар. 20 ғасырдың ортасынан бастап сұйық отынның алдын ала түріне айналған биомассаға қызығушылық артып келеді. Нақтырақ айтқанда, лигноцеллюлозды биомассаны этанолға ферментациялау - бұл табиғи отынның қосымшасы болатын отынның тартымды жолы. Биомасса ұзақ мерзімде көміртегі нейтралды энергия көзі бола алады. Алайда, биомассаның қайнар көзіне байланысты, ол қысқа мерзімде көміртегі нейтралды бола алмайды. Мысалы, егер биомасса ағаштардан алынған болса, ағаш қайта өсетін уақыт аралығы (онжылдықтар тәртібімен) лигноцеллюлозды этанолды жану кезінде Жер атмосферасындағы көмірқышқыл газының таза өсуін көреді. Егер отынның құрамында жыл сайынғы өсімдік қалдықтары бар болса, онда ол көміртегі нейтралды деп саналады. Этанолдан басқа, лигноцеллюлозадан алынған көптеген басқа отындар, соның ішінде бутанол, диметилфуран және гамма валерлактон қызықты болуы мүмкін. Биомассадан этанол өндірудің бір кедергісі - ашытқы үшін қажетті қанттар лигноцеллюлозаның ішінде қалады. Лигноцеллюлозаның дамуы оның ыдырауына қарсы тұруына және гидролиттік тұрақтылық пен өсімдіктердің жасушалық қабырғаларына құрылымдық беріктік беруіне мүмкіндік береді. Бұл беріктік немесе "қайталану" полисахаридтер (целлюлоза және гемицеллюлоза) мен лигниннің эфирлік және эфирлік байланыстар арқылы өзара байланысуына байланысты. Эстерлік байланыстар окистенген қанттар, уроно қышқылдары және лигниннің фенолдары мен фенольпропанолдары арасында пайда болады. Ашылатын қантты алу үшін алдымен целлюлозаларды лигниннен ажырату керек, содан кейін қышқыл немесе ферменттер әдісімен жаңадан босатылған целлюлозаларды гидролиздеу арқылы қарапайым моносахаридтерге бөлуге болады. Биомассаны ашытудың тағы бір қиындығы - ксилоза немесе ағаш қанты сияқты гемицеллюлозадағы пентозалардың жоғары пайызы. Глюкоза сияқты гексоздардан айырмашылығы, пентоздарды ашыту қиын. Лигнин мен гемицеллюлоза фракцияларының проблемалары қазіргі уақытта көптеген зерттеулердің басты нүктесі болып табылады. Биоэтанол үшін шикізат ретінде лигноцеллюлозды биомассаны пайдалану жөніндегі зерттеулердің үлкен бір саласы, әсіресе, өзінің целлюлоздық қабілетімен танымал Trichoderma reesei саңырауқұлағына бағытталған. Көптеген жолдар бар, соның ішінде Т. reesei-ден оқшауланған целлюлазалар мен гемицеллюлазалардың оңтайландырылған коктейлін жасау, сондай-ақ саңырауқұлақты лигноцеллюлозалық биомассаның қатысуымен жай ғана орналастыруға және оны D глюкоза мономерлеріне бөлуге мүмкіндік беретін гендік инженерияға негізделген штаммды жақсарту. Штамды жақсарту әдістері бастапқы QM6a оқшауламасына қарағанда әлдеқайда көп целлюлазалар өндіретін штаммдарға әкелді; кейбір өнеркәсіптік штаммдар 100 г-ға дейін целлюлазаны бір литр саңырауқұлақтан өндіреді, осылайша лигноцеллюлозды биомассадан қанттарды барынша алуға мүмкіндік береді. Осы қанттар ферменттеліп, биоэтанолға айналады.
Зерттеу
Кейбір химиялық заттарды лигноцеллюлозды биомассадан алуға болады. Олардың барлығы дерлік целлюлоза компонентінің гидролизі арқылы алынған қанттардан алынады. Лигноцеллюлозды биомассалар биокомпозиттік материалдарды, мысалы, бөлшекті панельдерді, ағаш пластикалы композиттерді және цемент/геополимер ағаш композиттерін өндіруде қарастырылды. Биокомпозиттік материалдарды өндіру негізінен ағаш ресурстарына байланысты болса да, орманды жері аз немесе ағаш ресурстары шамадан тыс пайдаланылатын елдерде жаңа "жасыл" композиттерді жасау үшін инвазивті өсімдіктер, ауыл шаруашылығы және пилорама қалдықтары сияқты биомассаның баламалы көздерін пайдалану мүмкін. Кәдімгі материалдарға балама ретінде лигноцеллюлозды биомассадан өндірілген биокомпозиттер назар аударуда, өйткені олар жаңартылатын және арзан, сонымен қатар ресурстарды "каскадты пайдалану" саясатына өте жақсы сәйкес келеді.