`
22
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗЫ
Джамалов Зохид Зафарович
1
Шамшиев Жаъфар Абдусалимович
2
Исламов Сохиб Яхшибекович
3
1
доктор философии технических наук (PhD)
Джизакского политехнического института,
2
доктор философии сельскохозяйственных наук (PhD)
Джизакского политехнического института,
3
доктор сельскохозяйственных наук (DSc), профессор
Ташкентского государственного аграрного университета
https://doi.org/10.5281/zenodo.13341586
Аннотация.
Сырье на основе лигноцеллюлозы является распространенным
сельскохозяйственным отходом, но его коммерческая ценность невелика. Также
интересно производить биоэтанол с использованием выжимок винограда, тростника
южного и пшеничной соломы. Однако стоимость производства при нынешней
технологии по-прежнему высока, что препятствует коммерциализации. В последние
годы были разработаны более эффективные процессы предварительной обработки и
гидролиза для достижения более высоких выходов сахара. Целью данной статьи
является обзор последних достижений в области предварительной обработки
лигноцеллюлозы.
Ключевые слова:
биоэтанол, лигноцеллюлозы, виноградная выжимка, солома,
предобработка, ингибитор, субстрат.
Мировой спрос на энергию растет в результате быстрого роста населения и
промышленного процветания развивающихся стран. Большая часть спроса на энергию
зависит от традиционных ископаемых видов топлива, таких как нефть, уголь и
природный газ. Использование ископаемого топлива с прошлого столетия
значительно увеличило концентрацию парниковых газов в атмосфере Земли [1].
Помимо этих фактов, неизбежное истощение мировой энергетической экономики и
нестабильность на нефтяном рынке возобновляют интерес общества к поиску
альтернативных видов топлива. Этанол уже давно рассматривается как альтернатива
ископаемому топливу, как единственное топливо для транспортных средств со
специализированными двигателями или как добавка к смешанным видам топлива,
которые не требуют модификации двигателя на 30%. В настоящее время биоэтанол
является наиболее широко используемым биотопливом, и его мировое производство
достигло пика. За последние 25 лет наблюдается тенденция к росту, и с 2000 года она
резко возросла. Мировые производственные мощности в 2005 и 2006 годах составляли
около 45 миллиардов и 49 миллиардов литров в год соответственно, а общий объем
производства в 2020 году, по прогнозам, достигнет более 115 миллиардов литров [2].
Сырьем, используемым в настоящее время в качестве основного ресурса для
производства этанола, являются две группы сырья на основе сахара и крахмала, такие
как сахарный тростник и зерно. Третья группа - это лигноцеллюлозные материалы,
которые являются наиболее реалистичным вариантом производства этанола.
Учитывая растущий спрос на продовольствие и энергетические приоритеты
`
23
голодающего человеческого общества, сырье первых двух групп может быть менее
конкурентоспособным, а в некоторых случаях и более дорогим, чем
лигноцеллюлозные материалы в ближайшем будущем.
Лигноцеллюлозные отходы, полученные из энергетических культур, древесины и
сельскохозяйственных отходов, являются наиболее распространенным ресурсом
возобновляемой биомассы в мире. Из сельскохозяйственных отходов виноградная
выжимка и пшеничная солома является крупнейшим сырьем для производства
биомассы в Европе. Около 21% мировых запасов продовольствия зависит от посевов
пшеницы, 15% от выращивания технических сортов винограда, и его мировое
производство необходимо будет увеличить, чтобы удовлетворить растущий спрос на
потребление человеком. Пшеничная солома и виноградные выжимки используются
для производства биотоплива второго поколения.
Цель этой статьи - провести обзор опубликованных исследований по
превращению
лигноцеллюлозы
в
биоэтанол
и
представить
последние
технологические достижения, перспективы на будущее и проблемы, возникающие на
протяжении всего процесса (этапы предварительной обработки). Предварительная
обработка направлена на увеличение скорости производства и общего выхода сахаров,
выделяющихся на стадии гидролиза [3]. Было разработано и применено множество
методов предварительной обработки лигноцеллюлозной биомассы. Общая
эффективность процесса предварительной обработки коррелирует с хорошим
балансом между низким образованием ингибиторов и высокой усвояемостью
субстрата. Предварительная обработка грубо делится на физическую обработку,
физико-химическую обработку, химическую обработку и биологическую обработку
(рис.1). Этот способ обычно требует сочетания различных принципов, таких как
механическое, термическое и химическое воздействие, для достижения высокой
эффективности экстракции сахара, низкого образования токсичных веществ и низкого
энергопотребления. Далее мы рассмотрим основной метод предварительной
обработки лигноцеллюлозы.
`
24
Рис. 1. Распространенные методы предварительной обработки
Предварительная обработка играет важную роль в производстве этанола из
лигноцеллюлозных материалов, таких как пшеничная солома и виноградная гуща. Его
цель - увеличить площадь поверхности и пористость подложки, снизить
кристалличность целлюлозы и нарушить неравномерную структуру целлюлозного
сырья. На сегодняшний день не найдено ни одного метода предварительной
обработки, который отвечал бы всем этим требованиям. Скорее, различные методы
могут использоваться в комбинации. В таблице 1 представлены наиболее
перспективные методы и соответствующие условия, которые недавно использовались
для предварительной обработки лигноцеллюлозы. У каждого метода предварительной
обработки есть свои преимущества и недостатки. Чем короче время реакции
(желательно), тем выше температура (нежелательно), что является нормальным
(Таблица 1).
Таблица 1
Перспективный способ и подходящие условия для предварительной обработки
лигноцеллюлозы
Предобработка
Темпера
тура (
о
С)
Время
реакции
Химические
вещества
(процедура)
Твердая
нагрузка
(масс. %)
Ссылк
а
`
25
Паровой взрыв
160-230
5-30 мин.
Насыщенный
пар
<30
[4]
Разбавленная
кислота
120-180
5-60 мин.
H
2
SO
4
0,5-5,0%
5-30
[5]
Щелочная
перекись
25-35
3-24 час
>0,25 г. H
2
O
2
/
25-30 г.
Биомассы, pH-
11,5
<10
[6]
Мокрое
окисление
185-195 10-15 мин.
Давление
кислорода 6-
12 бар (+ 0,11
г. Na
2
CO
3
/г.
Биомассы
6
[7]
Известь
А) 85-135
Б) 50-65
А)1-3 час
Б) 24 час
0,05-0,15 г.
Ca(OH)
2
/ г.
Биомассы
5-20
[8]
Выбор подходящего метода предварительной обработки лигноцеллюлоз зависит
от нескольких технологических факторов, таких как энергетический баланс, более
высокое содержание твердых частиц и минимальное использование химикатов, а
также от нескольких факторов окружающей среды, таких как очистка сточных вод,
рекуперация катализаторов и рециркуляция растворителей. Паровой взрыв, по-
видимому, является наиболее подходящим методом предварительной обработки для
лигноцеллюлозы, поскольку время реакции короткое, содержание твердых веществ
высокое, а использование химических веществ низкое (Таблица 1). однако, поскольку
предварительная обработка оказывает значительное влияние на эффективность и
экономичность процессов, она может быть использована в качестве метода
предварительной обработки. в дальнейшем на протяжении всего процесса должны
быть приняты окончательные решения.
References:
1.
Джамалов З.З., Кемалов Р.А., Исламов С.Я., Шамшиев Ж.А. Кинетика и
термодинамика сушки виноградного жмыха // Вестник Хорезмской академии
Маъмуна. – 2023. – №. 10/1 (107). – С. 130-133.
2.
Джамалов З.З., Кемалов Р.А., Исламов С.Я., Шамшиев Ж.А. Оценка эффективности
предварительной химической обработки виноградного жмыха и экологические
аспекты процесса химического гидролиза // Вестник Хорезмской академии Маъмуна. –
2023. – №. 10/1 (107). – С. 133-136.
3.
Кемалов А.Ф., Кемалов Р.А., Джамалов З.З., Брызгалов Н.И., Мансуров О.П. Способ
получения биоэтанола из виноградной выжимки // Патентное ведомство: RU 2790726.
– 2023. – № 2022114365.
4.
Джамалов З.З., Кемалов Р.А. Моделирование составе мультиферментного
`
26
комплекса для получения моносахаридов с высокой степенью конверсии //
Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2023. – №. 4. – С. 42-48.
5.
Джамалов З.З., Кемалов Р.А. Современные состояние и пути совершенствования
производства биоэтанола из виноградного жмыха // Альтернативная энергетика и
экология (ISJAEE). – 2023. – №. 2. – С. 34-42.
6.
Джамалов
З.З.
Перспективы
технологии
этанолпродуцирующих
микроорганизмов, участвующих в брожении // Актуальные проблемы теории и
практики развития научных исследований: сборник статей Международной научно-
практической конференции (10 ноября 2022 г., г. Пермь). – Уфа: Аэтерна, 2022, стр. 14-
20.
7.
Джамалов З.З., Тулибаев А.Н., Кемалов Р.А. Биотехнологический потенциал
производства биоэтанола, относительная диэлектрическая проницаемость смесей
биоэтанола и бензина в зависимости от температуры и состава // Роль науки и
образования в модернизации и реформировании современного общества: Сборник
статей по итогам Международной научно-практической конференции (Новосибирск,
09 ноября 2022 г.) – Стерлитамак: АМИ, 2022. – С. 6-11.
8.
Джамалов З.З., Мансуров О.П. Перспективные методы в области предварительной
обработки лигноцеллюлозы для производства биоэтанола // Но вая наука в новом
мире: сборник статей III Международной научно-практической конференции (7 ноября
2022 г.) – Петрозаводск : МЦНП «Новая наука», 2022. – С. 194-200.
9.
Джамалов З.З., Кемалов Р.А., Исламов С.Я. Kinetics and Thermodynamics of Grape
Drying // Journal «Eurasian Journal of Physics, Chemistry and Mathematics». – Belgium, 2023.
– № 21. – P. 67-70 (ISSN (E) 2795-7667)
10.
Джамалов З.З., Кемалов Р.А., Исламов С.Я. Evaluation of the Effectiveness of the
Preliminary Chemical Treatment of Grape Cake and Environmental Aspects of the Chemical
Hydrolysis Process // Journal «Eurasian Research Bulletin». – Belgium, 2023. – № 23. – P. 31-
33. (ISSN (E) 2795-7675)
11.
Джамалов З.З., Шамшиев Ж.А. Исследование влияния штаммов дрожжей на
процесс спиртового брожения при получении биоэтанола из виноградных отходов //
Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE), 06 (423) 2024, с. 12- 16.
12.
Джамалов З.З. Выбор штаммов дрожжей при получении биоэтанола из выжимки
винограда // Вестник аграрной науки узбекистан. – 2024. – № 2 (14/2). – С. 148-150.
