5.3: Попередня обробка лігноцелюлозної біомаси

Last updated
Save as PDF

Page ID: 31821

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Коли слово вуглевод використовується, я зазвичай думаю про вуглеводи в їжі. Вуглеводи - це цукру і складні одиниці, що складаються з цукрів. У цьому розділі буде описано кожен.

Цукор ще називають сахаридами. Мономерні одиниці - це одиниці цукрів, які називаються моносахаридами. Димерні одиниці - це подвійні одиниці цукрів, які називаються дисахаридами. Полімери містять кілька одиниць мономерів і димерів і називаються полісахаридами.

Отже, що ж являють собою типові моносахариди? Вони складаються з молекули, яка знаходиться в кільцевій структурі з вуглецями та киснем. На малюнку 5.9а показана структура глюкози; вона складається з C ₆ H ₁₂ O ₆. Глюкоза відрізняється своєю структурою: п'ять вуглеців в кільці з одним киснем; СН ₂ ОН приєднаний до вуглецю; і ОН і Н групи приєднані до інших вуглецю. Цей цукор відомий як цукор у крові і є безпосереднім джерелом енергії для клітинного дихання. На малюнку 5.9b показана галактоза поруч з глюкозою, і ми бачимо, що галактоза майже схожа на глюкозу, за винятком вуглецю № 4, ОН і Н є ізомером і просто трохи відрізняються (виділені червоним кольором на молекулі галактози). Галактоза - це мономер цукру в молоці та йогурті. На малюнку 5.9c показана фруктоза; хоча вона все ще має аналогічну хімічну формулу, як глюкоза (C ₆ H ₁₂ O ₅), це п'ятичленне кільце з вуглецями та киснем, але дві групи CH ₂ OH. Це цукор, який міститься в меді і фруктах.

Структура глюкози з нумерацією вуглецю — Малюнок 5.9a: Структура глюкози з вуглецями пронумеровані.

*Кредит: Palaeos.com*

Структура галактози поруч з глюкозою, щоб виділити головну різницю в структурах. — Малюнок 5.9b: Структура галактози поруч з глюкозою, щоб виділити основну різницю в структурах.

*Кредит: Palaeos.com*

Малюнок 5.9c: Структура фруктози.

*Кредит: Palaeos.com*

У нас також є дисахариди як цукру в їжі. Дисахариди - це димери мономерів, про які ми щойно обговорювали, і показані нижче. Одним з найпоширеніших дисахаридів є сахароза, яка є звичайним столовим цукром і показана на малюнку 5.10а. Це димер глюкози і фруктози. Ще один поширений цукровий димер - лактоза. Це основний цукор в молоці і димер галактози і глюкози (див. Рис. 5.10b). Мальтоза (5.10c) також є цукровим димером, але є продуктом перетравлення крохмалю. Це димер, що складається з глюкози та глюкози. У наступному розділі ми обговоримо, з чого складається крохмаль і целюлоза, щоб зрозуміти, чому мальтоза є продуктом перетравлення крохмалю.

Хімічна структура сахарози (глюкоза + фруктоза) — Малюнок 5.10а: Хімічна структура сахарози (глюкоза+фруктоза).

*Кредит: Світ молекул*

Малюнок 5.10b: Лактоза (галактоза + глюкоза).

*Кредит: OptusHOMe.com*

Малюнок 5.10c: Хімічна структура мальтози (глюкоза + глюкоза).

*Кредит: Мальтоза Хаворт: з Вікісховища*

структура вуглеводів

Всі вуглеводні полімери - це мономери, які з'єднуються з тим, що називається глікозидним зв'язком. Наприклад, сахароза є димером глюкози і фруктози. Для того щоб зв'язок утворилася, існує втрата Н і ОН. Отже, ще один спосіб показати це:

\[\ce{C12H22O11 = 2 C6H12O6 − H2O}\]

Існує велика різноманітність джерел для лігноцелюлозної біомаси, яка включає сільськогосподарські відходи (тобто кукурудзяну піч), лісові відходи меблевого та домашнього будівництва, тверді побутові відходи та енергетичні культури. Всі вони виглядають дуже по-різному, але всі складаються з целюлози, геміцелюлози, лігніну та інших незначних сполук. На малюнку 5.14а показаний світчграс (з частинами, збільшеними, щоб підкреслити різні частини структури рослини). Після того, як ви перейдете до структури мікрофібрил, ви можете побачити компоненти мікрофібрилу, який включає лігнін на зовнішньому шарі, геміцелюлозу на наступному шарі і, нарешті, целюлозу. Через структуру лігноцелюлозу важко розщеплювати, що відомо як непокірність. Для того, щоб дістатися до целюлози, клітинна стінка повинна бути розкрита, лігнін повинен бути видалений або відокремлений від геміцелюлози та целюлози, а потім целюлоза, кристалічна за своєю природою, повинна бути розщеплена. Всі ці кроки стійкі до мікробної атаки, тому використовуються методи попередньої обробки, щоб розбити його на частини. Іншими словами, знецінення біомаси вимагає попередньої обробки.

Клітини рослин мають клітинні стінки, які представляють собою шарувату сітку з мікрофібрил, мікрофібрили виготовлені з кристалічної целюлози. — Малюнок 5.14a: Switchgrass, до рослинних клітин, до сітки мікрофібрил, до структури мікрофібрил, до кристалічної целюлози до молекули целюлози.

Кредит: Роза Естела Кірос-Кастаньєда та Хорхе Луїс Фольх-Маллол (2013). Гідроліз біомаси, опосередкованої целюлазами для виробництва цукрів, стійка деградація лігноцелюлозної біомаси - методи, застосування та комерціалізація, д-р Анудж Чандель (ред.)

Інша перспектива

Ви можете отримати доступ до наступної статті онлайн-журналу, щоб побачити іншу ілюстрацію лігноцелюлози, але з включеним компонентом лігніну (рис.1):

Уайман, Чарльз Е., і Бін Янг. «Целюлозна біомаса може допомогти задовольнити потреби Каліфорнії в транспортному паливі». Сільське господарство Каліфорнії 63.4 (2009): 185-90 (посилання зовнішнє).

Попередня обробка є найдорожчим кроком; однак єдиним етапом процесу дорожчим, ніж попередня обробка, є відсутність попередньої обробки. Без попередньої обробки врожайність низька і збільшує всі інші витрати, більше, ніж сума, збережена без попередньої обробки. Підвищення врожайності при попередній обробці зменшує всі інші витрати на одиницю продукції. На малюнку 5.15 показана схема ролі попередньої обробки. Попередня обробка, залежно від методу, розділить лігнін, геміцелюлозу та целюлозу. На малюнку 5.15 показано, як вони розбиваються. Частина лігніну і геміцелюлози розчиняються в рідині при гідролізі, а частина лігніну і целюлози залишають у вигляді твердого залишку. Відбувається частковий розпад полімерних молекул, і целюлоза тепер більш доступна для мікробної атаки.

Діаграма попередньої обробки: біомаса розпадається на рідкий гідролізат (лігнін і геміцелюлоза) і твердий залишок (лігнін і целюлозу) — Малюнок 5.15: Роль попередньої обробки в розбиванні частин біомаси.

*Кредит: BEEMS*

Попередня обробка є дорогою і впливає як на процеси вище, так і нижче за течією. З боку вище за течією це може вплинути на те, як збирають або збирають біомасу, а також подрібнення біомаси. Після попередньої обробки може вплинути на вироблення ферменту, що, в свою чергу, вплине на ферментативний гідроліз та бродіння цукру. Попередня обробка також може вплинути на кондиціонування гідролізату та ферментацію гідролізату. На виготовлені вироби та можливу остаточну обробку також вплине попередня обробка. Однак дорожче не робити попередню обробку.

Існує два різних типи попередньої обробки. Фізичні ефекти порушують структуру вищого порядку та збільшують площу поверхні та проникнення хімічних/ферментів у стінки клітин рослин, а також включають механічне зменшення розміру та звільнення волокон. Хімічні ефекти включають солюбілізацію, деполімеризацію та розрив зшивних зв'язків між макромолекулами. Окремі компоненти можуть «набухати», в залежності від використовуваного органічного розчинника або кислоти. Лігнін може бути «перерозподілений» в розчин, а лігнін і вуглеводи можуть бути деполімеризовані або модифіковані хімічним шляхом.

Більш глибоко обговорюватимуться наступні технології попередньої обробки: 1) зменшення розміру, 2) метод низького рН, 3) метод нейтрального рН, 4) метод високого рН, 5) поділ органічних розчинників, 6) поділ іонних рідин та 7) біологічні процедури.