Физико-химические предобработки. 
Биотопливо и его особенности

Паровой взрыв В последнее время большое развитие в переработке лигноцеллюлозного сырья получил метод взрывной дефибрации по декомпрессионному принципу (или паровой взрыв). ЛЦС подвергают кратковременному воздействию перегретого пара под давлением (несколько секунд, 240−300°С, 3,5−7,5 МПа) и далее давление сбрасывают, что вызывает паровой взрыв ЛЦС. Механический эффект резкого уменьшения давления приводит к разделению волокон вследствие взрывной декомпрессии. При таких условиях лигнин плавится, частично разрушается, прекращает взаимодействовать с целлюлозой, и выходит из структуры целлюлозы. Кроме того, под действием парового взрыва происходит гидролиз ацетильных групп гемицеллюлоз, что позволяет при продолжении процесса в том же реакторе, но при иных условиях (при температуре 180−220°С и давлении 0,2 МПа) добиться катализируемого уксусной кислотой гидролиза гемицеллюлоз. Поэтому процесс получил название «автогидролиз». Удаление лигнина и гемицеллюлоз очищает поверхность целлюлозного волокна и увеличивает доступ к ним гидролитических ферментов.

Существуют модификации этого процесса, когда обработку ЦСС ведут в более мягких условиях при 190 °C в течение 7,5 мин.

К достоинствам этого метода относится относительная нетребовательность к размеру частиц исходного сырья (по Hamelinck, C.N., van Hooijdonk, G., Faaij, A.P.C., 2005. Ethanol from lignocellulosic biomass: techno-economic performance in short-, middleand long-term. Biomass Bioenergy 28, 384−410, на измельчение и сортировку сырья уходит около трети всей энергии, затрачиваемой на процесс получения биотоплива), что, в совокупности с экологической безопасностью и отказом от энергоемкой химической предобработки, приводит к существенному выигрышу в стоимости процесса.

Обработка жидкой водой при повышенном давлении Эта процедура делигнификации не требует быстрой декомпрессии и использования какого бы то ни было катализатора. При высоком давлении вода при температурах 160−240°С находится в жидком состоянии и способна в значительной степени растворять гемицеллюлозы. В результате получается две фракции — твердая, обогащенная целлюлозой, и жидкая, обогащенная гемицеллюлозой и производными из неё сахарами. Впрочем, при оптимальном рН процесса (4 — 7) гемицеллюлоза остается в олигомерной форме и образование мономеров из неё сведено к минимуму. Соответственно, образования ингибиторов ферментов также не происходит (Mosier, N., Hendrickson, R., Ho, N., Sedlak, M., Ladisch, M.R., 2005. Optimization of pH controlled liquid hot water pretreatment of corn stover. Bioresour. Technol. 96, 1986;1993). Лигнин в этом процессе частично деполимеризуется и растворяется в горячей воде, но одновременно происходит процесс переконденсации с образованием более высокомолекулярных и более устойчивых к действию воды лигнинов (Wyman, C.E., Dale, B.E., Elander, R.T., Holtzapple, M., Ladisch, M.R., Lee, Y.Y., 2005. Coordinated development of leading biomass pretreatment technologies. Bioresour. Technol. 96, 1959;1966).

Основные преференции процесса — дешевый реагент, отсутствие необходимости в катализаторах и, соответственно, сниженные требования к конструкции реакторов.

Аммиачный взрыв волокна (AFEX).

В этом способе лигноцеллюлозный материал в реакторе под высоким давлением и при температуре 60 — 100 °C пропитывают жидким аммиаком, который вызывает набухание волокон. При сбросе давления происходит вскипание аммиака, которое вызывает разрушение биомассы волокна и частичную декристаллизацию целлюлозы. Химическое действие аммиака проявляется в расщеплении связей между лигнином и углеводами (Laureano-Perez, L., Teymouri, F., Alizadeh, H., Dale, B.E., 2005. Understanding factors that limit enzymatic hydrolysis of biomass. Appl. Biochem. Biotechnol. 121, 1081−1099), дезэтерификации ацетильных фрагментов гемицеллюлоз, причем высвобождающаяся уксусная кислота лишена своих каталитических свойств (Kumar, R., Wyman, C.E., 2009. Does change in accessibility with conversion depend on both the substrate and pretreatment technology? Bioresour. Technol. 100, 4193−4202). При этом методе получается только твердый предобработанный материал. Метод дал наилучшие результаты при попытках переработки недревесного сырья, когда, при оптимальных условиях доля перерабатываемых углеводов превышает 90% (Wyman, C.E., Dale, B.E., Elander, R.T., Holtzapple, M., Ladisch, M.R., Lee, Y.Y., 2005. Comparative sugar recovery data from laboratory scale application of leading pretreatment technologies to corn stover. Bioresour. Technol. 96, 2026;2032).

Вариантом этого процесса является рециклическая аммиачная перколяция (ARP), в котором водный раствор аммиака (5−15%) проходит через реактор, заполненный биомассой. Температура, как правило, ограничивается 140−210°C, время реакции до 90 мин, а скорость движения растворителя около 5 мл / мин (Kim, J.S., Kim, H., Lee, J.S., Lee, J.P., Park, S.C., 2008. Pretreatment characteristics of waste oak wood by ammonia percolation. Appl. Biochem. Biotechnol. 148, 15−22), при этом гемицеллюлозы переходят в раствор, а кристаллические участки целлюлозы остаются неизмененными. Это приводит к появлению короткоцепочечного целлюлозного материала с высоким содержанием глюкана (Yang, B., Wyman, C.E., 2008. Pretreatment: the key to unlocking low-cost cellulosic ethanol. Biofuels Bioprod. Bior. 2, 26−40). Можно добиться снижения энергетических затрат, предварительно замачивая биоматериал в водном аммиаке. Так, при замачивании сырья на 48 часов при температуре 48 °C, а затем в процессе одновременного осахаривания и ферментации с использованием рекомбинантной E. coli, KO11 (Kim, T.H., Taylor, F., Hicks, K.B., 2008. Bioethanol production from barley hull using SAA (soaking in aqueous ammonia) pretreatment. Bioresour. Technol. 99, 5694−5702) получен выход этанола в 90% от теоретического.

Главные проблемы и AFEX и ARP связаны с регенерацией и оборотом аммиака в производственном цикле.

Углекислотный взрыв Углекислый газ в сверхкритическом состоянии является сжиженной субстанцией, которая способна экстрагировать и удалять лигнин с поверхности целлюлозных волокон. При наличии воды углекислый газ образует угольную кислоту, которая способствует гидролизу полимеров. Молекулы СО₂ по размерам сравнимы с водой и аммиаком и потому под давлением могут проникать сквозь мелкие поры лигноцеллюлозы. Взрывная декомпрессия, как и в случае парового взрыва и аммиачного взрыва волокна, нарушает структуру углеводных волокон и увеличивает поверхность для возможной атаки гидролитическими ферментами.

Хотя выходы сахаров при углекислотном взрыве несколько ниже, чем в двух вышеупомянутых процессах, этот метод имеет ряд преимуществ. Во первых, рабочие температуры ниже, что дает выигрыш в энергии. Во вторых, практически не образуются ингибиторы ферментных процессов. Наконец, поскольку выделение углекислого газа является неизбежным спутником любого бродильного производства, проблем с наличием этого реагента не возникнет (Kim, K., Hong, J., 2001. Supercritical CO₂ pretreatment of lignocellulose enhances enzymatic cellulose hydrolysis. Bioresour. Technol. 77, 139−144).

Влажное окисление Этот процесс протекает в течение всего 10−15 мин при температуре от 170 до 200 °C и при давлении кислорода (или обогащенного кислородом воздуха) от 10 до 12 бар (Olsson, L., Jцrgensen, H., Krogh, K.B.R., Roca, C., 2005. Bioethanol production from lignocellulosic material. In: Dimitriu, S. (Ed.), Polysaccharides Structural Diversity and Functional Versatility. Marcel Dekker, New York, pp. 957−993). При температуре выше 170 °C процесс становится экзотермическим, что снижает общую потребность в энергии. При влажном окислении большая часть лигнина окисляется, что важно, не до фенольных соединений, которые ингибируют гидролитические ферменты, а до карбоновых и дикарбоновых кислот, которые, напротив, катализируют расщепление гемицеллюлозы. Точно так же в этих условиях подвергаются последующему окислению фурфурол и HMF, что лишает их ингибиторной способности. Для оптимизации реакции окисления фенолов и альдегидов добавлением карбоната натрия создают щелочную среду. Предобработка соломы пшеницы в таких условиях приводит к получению 96% целлюлозы (65% которой превращается в глюкозу), выход же гемицеллюлозы составляет 70% (Klinke, H.B., Ahring, B.K., Schmidt, A.S., Thomsen, A.B., 2002. Characterization of degradation products from alkaline wet oxidation of wheat straw. Bioresour. Technol. 82, 15−26). Метод влажного окисления может сочетаться в производстве биоэтанола с последующим замачиванием водным аммиаком (Martin, C., Thomsen, M.H., Hauggaard, H., Thomsem, A.B., 2008. Wet oxidation pretreatment, enzymatic hydrolysis and simultaneous saccharification and fermentation of clover-ryegrass mixtures. Bioresour. Technol. 99, 8777−8782).

Отличные результаты предобработки дает последовательно применение методов влажного окисления и объёмного взрыва. Этот процесс получил название WEx (в русскоязычной литературе — «влажный взрыв»). Непосредственно после влажного взрыва температура окисленного материала составляет 95−110°С, что обеспечивает его стерильность. По этой технологии из опилок ладанной сосны при температуре 170−175С, давлении кислорода 6,5−7,2 бар и продолжительности процесса около 20 минут с последующей обработкой целлюлазами был получен почти количественный выход мономерных сахаров [D.Rana, V. Rana, B.K. Ahring. (2012) Producing high sugar concentrations from loblolly pine using wet explosion pretreatment. Bioresource Technology, 121, 61−67].

Микроволновая предобработка В этом случае биомассу погружают в подходящую среду, щелочную (Saifuddin M. Nomanbhay, Refal Hussain, Kumaran Palanisamy Microwave-Assisted Alkaline Pretreatment and Microwave Assisted Enzymatic Saccharification of Oil Palm Empty Fruit Bunch Fiber for Enhanced Fermentable Sugar Yield. Journal of Sustainable Bioenergy Systems Vol.3 No.1, March 2013 PP. 7−17) или кислую (Wei-Hsin Chen, Yi-Jian Tu, Herng-Kuang Sheen, 2011. Disruption of sugarcane bagasse lignocellulosic structure by means of dilute sulfuric acid pretreatment with microwave-assisted heating. Applied Energy, 88, 2726−2734) и подвергают суспензию микроволновому облучению в течение 5 — 20 мин. В щелочной среде при мощности 180 W содержание лигнина и гемицеллюлоз уменьшалось на 74% и 24% соответственно, а общая производительность была в 5,8 раза больше, чем для необработанного микроволновым облучением образца.

В кислой среде при мощности температуре процесса около 190 °C были удалены почти все гемицеллюлозы, целлюлоза теряла свою кристаллическую структуру. Судьба лигнина осталась неясной, но детальное изучение возможностей этого процесса ещё впереди.

Предобработка ультразвуком Основным фактором, усиливающим ферментативный гидролиз после ультразвуковой предварительной обработки, считается стимуляция транспорта фермента к поверхности субстрата. Кроме того, эффект кавитации способствует очистке поверхности целлюлозного волокна от лигниновых и гемицеллюлозных структур. Установлено, что оптимальной температурой процесса является 50 °C, что оставляет возможность для функционирования в этих условиях многих ферментов (Yachmenev, V., Condon, B., Klasson, T., Lambert, A., 2009. Acceleration of the enzymatic hydrolysis of corn stover and sugar cane bagasse celluloses by low intensity uniform ultrasound. J. Biobased Mater. Bioenergy 3, 25−31).

Ультразвуковая обработка пока не нашла широкого применения, тем не менее, есть данные об успешном использовании ультразвука для экстракции гемицеллюлозы, целлюлозы и лигнина [Madeleine J. Bussemaker and Dongke Zhang. Effect of Ultrasound on Lignocellulosic Biomass as a Pretreatment for Biorefinery and Biofuel Applications. Ind. Eng. Chem. Res. 2013, 52, 3563?3580].

Сравнение методов предобработки В таблице приведены основные эффекты, производимые в биомассе растений различными видами предобработки.

Таблица 4. Сравнение различных способов предобработки биомассы.

Обозначения: Х — слабый эффект; ХХ — сильный эффект; ¹ — меняет структуру лигнина; 2 — увеличивает кристалличность.