Введение
Растительное сухое вещество Лигноцеллюлоза относится к растительному сухому веществу (биомассе), так называемой лигноцеллюлозной биомассе. Это самый распространенный сырьевой материал на Земле для производства биотоплива. Он состоит из двух видов углеводных полимеров, целлюлозы и гемицеллюлозы, а также из богатого ароматическим полимером, называемым лигнин. Каждый компонент имеет свое химическое поведение. Поскольку лигноцеллюлоза состоит из трех очень разных компонентов, ее переработка является сложной задачей. Эволюционировавшая устойчивость к деградации или даже разделению называется рекалцитарностью. Чтобы преодолеть эту непокорность и получить полезные продукты высокой ценности, требуется сочетание тепла, химических веществ, ферментов и микроорганизмов. Эти углеводы, содержащие полимеры, содержат различные мономеры сахара (шесть и пять углеродных сахаров) и ковалентно связаны с лигнином. Лигноцеллюлозная биомасса может быть широко классифицирована как девственная биомасса, отходы биомассы и энергетические культуры. Неиспользованная биомасса включает растения. Отходы биомассы производятся как низкоценный побочный продукт различных промышленных секторов, таких как сельское хозяйство (кукурузный печь, сахарная тростниковая багаса, солома и т. д.). и лесных хозяйств (отходы пиломашины и бумажной фабрики). Энергетические культуры - это культуры с высоким урожаем лигноцеллюлозной биомассы, полученной в качестве сырья для производства биотоплива второго поколения; в качестве примеров можно привести переходную траву (Panicum virgatum) и траву слонов. Биотопливо, вырабатываемое из этих энергетических культур, является источником устойчивой энергии.
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.
Химический состав
Лигноцеллюлоза состоит из трех компонентов, каждый из которых обладает свойствами, которые создают проблемы для коммерческих применений. Лигнин - это гетерогенный, сильно сшитый полимер, похожий на смолы фенола-формальдегида. Он получается из 3 - 4 мономеров, соотношение которых варьируется от вида к виду. Ссылки на них очень обширные. Будучи богатым ароматическими веществами, лигнин является гидрофобным и относительно жестким. Лигнин обеспечивает целостность структуры растений. Лигнин настолько неоднородный и настолько непокорный, что его ценность измеряется почти исключительно как топливо. гемицеллюлоза состоит из разветвленных полисахаридов. Особая проблема заключается в том, что гемицеллюлоза ковалентно связана с лигнином, обычно через ферулиновую кислоту, составляющую лигнин. Это затрудняет извлечение сахара, необходимого для превращения в биотопливо. Помимо целлюлозы, гемицеллюлоза является вторым по величине источником углеводов в растении. целлюлоза является гомополимером глюкозы. Он очень плохо растворяется в большинстве растворителей, поэтому глюкоза извлекается путем химического и биологического распада, достигаемого целлюлолитическими ферментами. В процессе производства целлюлозы большая часть лигнина удаляется и выбрасывается в качестве отходов в виде сточных вод, а затем используется в качестве топлива низкой стоимости для производства электричества и тепла.
Биотопливо
Лигноцеллюлозная биомасса, в виде древесного топлива, имеет давнюю историю в качестве источника энергии. С середины 20-го века интерес к биомассе как предшественнику жидкого топлива увеличился. Если быть точным, ферментация лигноцеллюлозной биомассы в этанол является привлекательным путем для получения топлива, которое дополняет ископаемое топливо. В долгосрочной перспективе биомасса может стать углеродно-нейтральным источником энергии. Однако в зависимости от источника биомассы, в краткосрочной перспективе она не будет углеродно-нейтральной. Например, если биомасса получена из деревьев, то в течение периода времени, необходимого для восстановления дерева (в течение десятилетий), будет наблюдаться чистое увеличение содержания углекислого газа в атмосфере Земли при сжигании лигноцеллюлозного этанола. Однако, если используется древесный материал из остатков ежегодных культур, топливо можно считать углеродно-нейтральным. Помимо этанола, потенциально интересны многие другие виды топлива, полученные из лигноцеллюлозы, включая бутанол, диметилфуран и гамма-валенролактон. Одним из препятствий для производства этанола из биомассы является то, что сахара, необходимые для ферментации, задерживаются внутри лигноцеллюлозы. Лигноцеллюлоза развилась, чтобы противостоять деградации и придавать гидролитическую стабильность и структурную прочность клеточным стенкам растений. Эта прочность или "непреклонность" обусловлена перекрестной связью между полисахаридами (целлюлозой и гемицеллюлозой) и лигнином через эфирные и эфирные связи. Эфирные связи возникают между окисленными сахарами, мочевыми кислотами и фенолами и фенолпропанолами, функциональными свойствами лигнина. Для извлечения ферментируемых сахаров сначала необходимо отсоединить целлюлозы от лигнина, а затем использовать кислотные или ферментативные методы для гидролиза вновь освобожденных целлюлоз, чтобы разбить их на простые моносахариды. Еще одна проблема для ферментации биомассы - высокий процент пентоз в гемицеллюлозе, такой как ксилоза или древесный сахар. В отличие от гексозов, таких как глюкоза, пентозы трудно ферментировать. Проблемы, связанные с фракциями лигнина и гемицеллюлозы, являются предметом многих современных исследований. Большой сектор исследований в области использования лигноцеллюлозной биомассы в качестве сырья для биоэтанола сосредоточен в частности на грибе Trichoderma reesei, известном своими целлюлолитическими способностями. Исследуются различные варианты, включая разработку оптимизированного коктейля целлюлаз и гемицеллюлаз, выделенных из T. reesei, а также улучшение штаммов на основе генной инженерии, чтобы позволить грибу просто поместить в присутствии лигноцеллюлозной биомассы и разбить вещество на мономеры глюкозы D. Методы улучшения штаммов привели к созданию штаммов, способных производить значительно больше целлюлазы, 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. Затем эти сахара могут быть ферментированы, что приводит к биоэтанолу.
Исследования
Некоторые химические вещества могут быть получены из лигноцеллюлозной биомассы. Почти все они получены из сахаров, полученных путем гидролиза целлюлозного компонента. Лигноцеллюлозные биомассы рассматривались при производстве биокомпозитных материалов, таких как панели из частиц, композиты из древесной пластмассы и композиты из цемента/геополимера. 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 используются в избытке, можно использовать альтернативные источники биомассы, такие как инвазивные растения, сельскохозяйственные и лесопильные остатки для создания новых "зеленых" композитов. Биокомпозиты, произведенные с использованием лигноцеллюлозной биомассы в качестве альтернативы обычным материалам, привлекают внимание, потому что они возобновляемы и дешевле, но также потому, что они прекрасно вписываются в политику "каскадного использования" ресурсов.