Войти
Лигноцеллюлоза относится к сухому веществу растений (биомасса ), так называемой лигноцеллюлозной биомассе. Это наиболее широко доступное сырье на Земле для производства биотоплива, в основном биоэтанола. Он состоит из углеводных полимеров (целлюлоза, гемицеллюлоза ) и ароматического полимера (лигнин ). Эти углеводные полимеры содержат различные сахарные мономеры (шесть и пять углеродных сахаров), и они прочно связаны с лигнином. Лигноцеллюлозную биомассу можно в целом разделить на первичную биомассу и энергетические культуры. Девственная биомасса включает все встречающиеся в природе наземные растения, такие как деревья, кусты и травы. Отходы биомассы производятся как малоценный побочный продукт в различных отраслях промышленности, таких как сельское хозяйство (кукурузная солома, сахарный тростник жмых, солома и т. Д.) И лесное хозяйство. (лесопильный завод и бумажный комбинат выбрасывают). Энергетические культуры - это культуры с высоким выходом лигноцеллюлозной биомассы, которые служат в качестве сырья для производства биотоплива второго поколения; Примеры включают в себя пырею (Panicum virgatum ) и Слоновую траву.
Многие культуры представляют интерес благодаря своей способности обеспечивать высокие урожаи биомассы и могут собираться несколько раз в год. К ним относятся тополь деревья и Miscanthus giganteus. Основной энергетической культурой является сахарный тростник, который является источником легко ферментируемой сахарозы и лигноцеллюлозного побочного продукта жмыха.
Лигноцеллюлозная биомасса является сырьем для целлюлозно-бумажной промышленности. Эта энергоемкая отрасль сосредоточена на разделении лигниновой и целлюлозной фракций биомассы.
Лигноцеллюлозная биомасса в форме древесного топлива давно используется в качестве источника энергии. С середины 20 века интерес к биомассе как к прекурсору жидкого топлива возрос. В частности, ферментация лигноцеллюлозной биомассы до этанола является привлекательным способом получения топлива, которое дополняет ископаемое топливо. В долгосрочной перспективе биомасса может быть углеродно-нейтральным источником энергии. Однако в зависимости от источника биомассы в краткосрочной перспективе она не будет углеродно-нейтральной. Например, если биомасса получена из деревьев, период времени, за который дерево снова вырастет (порядка десятилетий), приведет к чистому увеличению содержания углекислого газа в земной атмосфере при сжигании лигноцеллюлозного этанола. Однако, если используется древесный материал из пожнивных остатков однолетних культур, топливо можно считать углеродно-нейтральным. Помимо этанола, потенциальный интерес представляют многие другие виды топлива на основе лигноцеллюлозы, включая бутанол, диметилфуран и гамма-валеролактон.
Один барьер для производства этанола из биомасса состоит в том, что сахара, необходимые для ферментации, задерживаются внутри лигноцеллюлозы. Лигноцеллюлоза эволюционировала, чтобы противостоять деградации и придавать гидролитическую стабильность и структурную устойчивость клеточным стенкам растений. Эта устойчивость или «сопротивляемость» объясняется сшивкой между полисахаридами (целлюлозой и гемицеллюлозой) и лигнином через связи сложный эфир и простой эфир. Сложноэфирные связи возникают между окисленными сахарами, уроновыми кислотами и фенолами и фенилпропаноловыми функциональными группами лигнина. Для извлечения сбраживаемых сахаров необходимо сначала отсоединить целлюлозы от лигнина, а затем использовать кислотные или ферментативные методы для гидролиза только что освобожденных целлюлоз с целью разложения их на простые моносахариды. Другой проблемой ферментации биомассы является высокий процент пентоз в гемицеллюлозе, такой как ксилоза или древесный сахар. В отличие от гексоз, таких как глюкоза, пентозы трудно сбраживать. 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 целлюлолитическими способностями. Изучаются многочисленные возможности, включая разработку оптимизированного коктейля из целлюлаз и гемицеллюлаз, выделенных из T. reesei, а также улучшение штаммов на основе генной инженерии, позволяющее просто поместить гриб в присутствие лигноцеллюлозной биомассы и разрушить вещества на D-глюкозу мономеры. Методы улучшения штамма привели к штамму, способному продуцировать значительно больше целлюлаз, чем исходный изолят QM6a; Известно, что некоторые промышленные штаммы продуцируют до 100 г целлюлазы на литр грибка, что обеспечивает максимальное извлечение сахаров из лигноцеллюлозной биомассы. Затем эти сахара можно ферментировать, что приводит к получению биоэтанола.
Лигноцеллюлозные биомассы привлекают внимание также при производстве биокомпозитных материалов, таких как древесно-стружечные панели, древесно-пластиковые композиты и композиты из цемента и геополимера древесины. Несмотря на то, что производство биокомпозитного материала 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 лесопиления для создание новых «зеленых» композитов.. Биокомпозиты, произведенные из лигноцеллюлозных биомасс в качестве альтернативы обычным материалам, привлекают внимание, потому что они возобновляемы и дешевле, а также потому, что они идеально вписываются в политику «каскадного использования» ресурсов.
