Сахара биомассы

Все виды растительной биомассы содержат монои полисахариды, служащие как для аккумулирования энергии и углерода, так и в качестве структурного компонента. Хотя простые сахара встречаются в соке всех растений, только экстрагирование их из сахарного тростника и сахарной свеклы носит промышленный характер. Тем не менее эти растения являются основным источником производства сахара в мире. Полимерные сахара являются основными компонентами растительной биомассы и служат главными продуктами питания человека, животных, используются в качестве материалов для строительства, производства одежды, а также в целом ряде других отраслей экономики. 

Углеводы можно экстрагировать из сырой биомассы путем использования целого ряда химических и механических методов от применения простого давления при переработке сахарного тростника до химического экстрагирования с высокими затратами энергии и сульфатной варки древесины. В таблице 1 представлены некоторые виды сахаров(мономеры, олигомеры и полимеры), полученные из различных видов растений и отходов биомасс. 

Таблица 1. Углеводы и источники их получения

Выход углеводов колеблется в широком диапазоне(в расчете на сухую биомассу) и может составлять до 60%(целлюлёза) в древесине и около 15-20%(сахароза) в сахарном троснике и сахарной свекле. 

Перед ферментацией олигосахариды и полисахариды обычно следует гидролизовать до моносахаридов в отдельном реакторе. Гидролиз целлюлозы и крахмала идет следующим образом: 

-[C6H10O5]n-+nH2O nC6H12O6

Гидролизуемость материалов (легкость с которой происходит гидролиз) в значительной степени варьирует. Крахмал и пентозаны (гемицеллюлозы) требуют относительно мягких условий. При их гидролизе используют разбавленные кислоты и невысокие температуры; гидролиз целлюлозы происходит при более высоких температурах, с использованием более сильных кислот и реакторов под давлением. Все полисахариды также разлагаются до некоторой степени под действием ферментов. Крахмал гидролизуется относительно легко под действием как кислоты, так и ферментов, в то время как целлюлоза обычно требует предварительной обработки для высвобождения связанного лигнина перед тем, как она будет повреждена ферментативному гидролизу. Скорость гидролиза целлюлозы при участии ферментов низкая. Наиболее часто встречающиеся моносахариды в гидролизованой растительной биомассе - это глюкоза, фруктоза и ксилоза. Практически все природные сахара имеёт в своей основе пять (пентоза) или шесть (гексоза) атомных углеродных групп. Технология гидролиза крахмала является хорошо обоснованной. Обычным промышленным сырьем являются кукуруза и другие зерновые, а также картофель, переработка которых проходит в одну или две стадии (двойная кислота Кислота/фермент или двойной фермент). Крахмал растворяется при нагревании в воде, что вызывает "разжижение" полисахаридов с расщеплением полимерных цепей кислотой или альфа амилазой. Гидролиз до моносахаров (сахарификация) осуществляется снова кислотой или амилоглюкозидазой. Продуктивность ферментативного процесса является низкой по сравнению с химическими методами, и для осуществления максимальной сахарификации необходимо не менее трех дней. Хотя в прошлом специфичность реакции была хуже для кислого гидролиза, ферментируемые сахара получают теперь в пределах минут, а не часов, и сейчас фактически возможно получение большого выхода моносахаридов. 

В настоящее время промышленный гидролиз целлюлозы в странах свободного рынка не осуществляется, так как разработанные ранее технологии, такие, как процессы Сколлера и Мэдисона, по имеющимся данным, являются неэкономичными. В настоящее время в литературе появились описания усовершенствованных процессов кислого гидролиза целлюлозы, а также новейших ферментативных процессов, включающих многофазовые реакции при различных температурах, предварительную обработку целлюлозы и использование новых видов ферментов. 

В анаэробных условиях моносахариды могут быть превращены в спирт с помощью различных микроорганизмов. Выход спирта при превращении гексоз с участием дрожжей рода Saccharomyces составляет при благоприятных условиях до 90% от теоретической стехиометрии реакции: C6

Однако здесь может образовываться ряд других продуктов, особенно при высоких значениях рН, как это показано в таблице 2. 

Таблица 2. Продукты ферментации глюкозы

Примерно 4

Если реакция доходит до конца, превращение ферментируемых сахаров может быть 100%-ным. Если концентрация спирта достигает ингибиторного уровня (8-10%), превращение может быть неполным. Рост дрожжей становится ограниченным вследствие низкого обеспечения энергией в ходе реакции; таким образом, образовавшийся спирт препятствует увеличению калорийности субстрата. Многие другие организмы, включая другие виды грибов, бактерий и зеленых растений, могут в анаэробных условиях превращать сахара в спирт, причем некоторые организмы осуществляют эти превращения с высокой эффективностью. Однако выход спирта часто бывает значительно меньше, чем при участии дрожжей при этом происходит образование большого количества других продуктов, таких, как ацетаты, лактаты и глицерол. 

Некоторые микроорганизмы разлагающие целлюлозу, могут сочетать оба процесса гидролиза и ферментации. Такие реакции протекают медленно, и выход спирта является низким. 

Продуктивность спиртового брожения является высокой по сравнению с продуктивностью многих биологических реакций, но низкой по сравнению с продуктивностью реакций, протекающих в среде синтез газа, используемых для получения больших объемов химических продуктов (табл 3). 

Таблица 3. Продуктивность химических и биологических реакций

Биологические катализаторы (дрожжи) также менее эффективны, чем химические, эти наблюдения важны при сравнении стоимости химических и биологических процессов. 

В своей простейшей форме ферментация осуществляется партиями в сосудах вместимостью от 200 до 1000 м3

Цель начального этапа перегонки - отделение жидкости от твердых частиц в сбраживаемой массе. Фракционирование дистиллята дает раствор, содержащий 50-70% спирта, а при последующих (водных) перегонках концентрация спирта может быть 90-94%. Более высокие концентрации обычно невозможны вследствие образования азеотропной смеси спирт-вода при концентрации этанола около 95%; таким образом, в последующих перегонках используют азеотропообразователь (например, бензол, циклогексан) с получением 99,9%-ного этанола. 

Кроме спирта, процессы брожения и перегонки даёт остатки и стоки, которые следует удалять. Остаток от перегонки имеет высокую способность к поглощению кислорода вследствие наличия несброженных сахаров и других компонентов биомассы. Объем этих остатков в 15 раз Больше объёма произведенного спирта. Остатки обычно сбрасывают в реки и моря, а также вносят в почву. 

Рис.1 Превращение древесины в спирт.

На рисунке 14 схематически показан типичный процесс получения топливного спирта из древесины. В литературе описано множество других вариантов с использованием иных источников углеводов, начиная от соломы и отходов бумажной промышлености и кончая городским мусором.