Лигноцеллюлозное сырьё – свойства и применение

Растительные или лигноцеллюлозные сырьевые материалы считаются очень перспективными для создания некоторых типов энергонасыщенной продукции. Лигноцеллюлозное сырьё признано самым используемым углеводным материалом благодаря своим возобновляемым возможностям и обладающим почти неисчерпаемым продуктом. Особо интересной представляется непищевая растительная субстанция, содержащаяся в отходах пищевых и сельскохозяйственных предприятий. Составные части применяемых материалов также не менее важны, потому как именно по ним определяются конечная целевая продукция, производимая в процессе их перерабатывания.

Целлюлоза и гемицеллюлоза

В составе лигноцеллюлозного сырья главную роль играют углеводные полимеры, лигнин и небольшое количество экстрактивных веществ, кислот и разнообразных компонентов с неорганической основы. Целлюлозные и гемицеллюлозные составляющие, из которых больше чем на половину состоит материал, это по своей сути полисахариды, отлично перерабатываемые в фурановое или этаноловое соединения. Высокая химическая устойчивость лигнина не позволяет ему принимать участие в создании высокоэнергетического вещества.

Целлюлозное сырьё, составляющее половину объёма биологической массы, по сути, образует линейный целобиозный полимерный материал. По своим химическим свойствам целлюлозу следует отнести к гомо полимерам, состоящих из глюкопиранозного звена с гликозидной связью, которая обрывается в начале гидролизного действия при образовании глюкозного моно мерного соединения.

Гемицеллюлозные соединения, составляющие иногда до трети общей массы лигноцеллюлозного сырья, включают в себя небольшие, но хорошо разветвлённые цепочки разных сахаридов и их соединений, таких как:

• Ксилозные.
• Арабинозные.
• Пентозные.
• Галактозные.
• Глюкозные.
• Маннозные.
• Гексозные.

Все названные компонентные структуры составляют основу гемицеллюлозных соединений. Помимо них в составе гемицеллюлозы наблюдается небольшие присутствия заместителей ацетильных и метильных групп. Цепь на основе гемицеллюлозных полимеров имеет широкие разветвления соединённые поперечной связью с лигнинами. Соединяясь не ковалентными связями с целлюлозными соединениями, гемицеллюлоза создаёт химические условия для возникновения эффективной оболочки, защищающей целлюлозные волокна, укрепляя при этом лигноцеллюлозную клеточную структуру, свойственную всем растениям. Но, сами гемицеллюлозные соединения с относительной лёгкостью поддаются гидролизным процессам.

Лигнины – связующие компоненты лигноцеллюлозного сырья

Лигнины, в тех или иных процентных долях, распределены по всем биологическим массам, где лигноцеллюлоза имеет место быть. Они имеют крайнюю устойчивость к химическому воздействию и совершенно не поддаются гидролизным процессам. По сути, лигнины служат защитным каркасом клеточных структур любого растения. Откладываясь в клеточную оболочку растения, лигнины способствуют её одревеснению, что ведёт к увеличению прочности. Лигнины исполняют в образовании растений те же функции, что и железобетон в строительстве: используя целлюлозные микро фибриллы в качестве своеобразной арматуры, лигнины заполняют пространства между ними, придавая растительным структурам высокую сжимающую прочность. К тому же лигнины подвержены биологическим деградациям минимальной органической суммой в высококачественную химическую продукцию, соответствующую кислотам, фенолам и ванильным соединениям.

Предварительная обработка лигноцеллюлозных сырьевых материалов

Обработка сырьевых материалов на основе лигноцеллюлозы в большой мере усложняется тем, что в них содержится различные по своим химическим свойствам компоненты, связанные разнообразными химическими цепочками, соединённые сложной, единой структурой. Исходя из этого, подготовительные операции лигноцеллюлозных материалов выглядят следующим образом:

1. Сушка и дробление. Это позволит удалить из сырья лишнюю воду и другие не желательные компоненты и снизить кристаллизацию химического состава материала, что увеличивает его полезные объёмы.
2. Предварительная обработка сухого и дроблённого материала способствующая удалению лигнинновых соединений. Это модифицирует целлюлозную структуру, увеличивая её доступность для различных химических реагентов и ферментированных частиц в последующих переработках.

Смысл предварительных обработок состоит в том, чтобы полностью удалить из химического состава сырья лигнин, что приведёт к снижению целлюлозной кристаллизации и повысить воздухопроницаемость. К тому же повышается целлюлозная и гемицеллюлозная доступность. Предварительные обработки важны ещё и тем, что в значительной мере повышают выходную целостность конечной продукции и повышают конверсионные качества самого лигноцеллюлозного материала. К примеру, одновременная предварительная обработка лигноцеллюлозы с помощью ионизирующего излучения и натриевого гидроксида, выходная целостность глюкозных соединений при следующей ферментивной гидролизной обработке повысилась на 20 процентов. К тому же, предварительная обработка с применением технологии парового взрыв увеличивает превращающую целлюлозную степень по ходу ферментивной гидролизной работы практически на 100 процентов.

Предварительные обработки различают по физическим, физико-химическим, химическим и биологическим методам, основанных на натуральных источниках, имеющих какое-либо воздействие на лигноцеллюлозные материалы.

Основы биологической конверсии лигноцеллюлозного сырья

Основными компонентами растительной биологической массы, как мы уже говорили, являются целлюлозные, крахмальные, гемицеллюлозные и лигниновые соединения.

Во главе биологических деградационных процессов лигноцеллюлозных материалов стоит работа целлюлотического ферментного соединения. Реакционные параметры такого материала малы, из-за этого он должен обладать большой поверхностью, чтобы проводить ферментивное осахаривание целлюлозных соединений. Лигнин понижает возможность реакции натурального субстрата. Самой эффективной, но, дорогой и энергоёмкой, методикой предварительного обрабатывания сырья признано дробление.

Гидролизные действия можно производить и при помощи биологического фермента. Используя дрожжи в дальнейшем обрабатывании, можем генерировать спиртовые соединения, а применив ряд бактериальных видов, получим бутаноловые кислоты. По экспериментировав с некоторыми микроорганизмами, можно произвести многие виды кислот из вполне обычных материалов.

Ферментные частицы и целлюлозные соединения не поддавшиеся разложению подвергаются повторным циклам, а оставшиеся лигнины будут использованы в роли энергетического усиления при спиртовой перегонке с условием добавления биологической целлюлозно-дрожжевой массы и целлюлазного раствора.

Ещё один технологический метод предварительной обработки заключается в непосредственном заквашивании гексоза и пентоза целлюлозным бактериальным составом, который образуется во время целлюлозного и гемицеллюлозного гидролиза. Плюсы данного метода лабораторно доказаны.

Применяя микробную деградацию и целлюлозную и гемицеллюлозную конверсию, можно получить соединения этилового спирта, а также сырьевой материал, применяемый в химических производствах. По некоторым данным, применяя микробную целлюлозную переработку, можно на треть увеличить производство нефтехимикатной продукции. Используя генную инженерию можно прийти к созданию штаммов, превосходящих по адаптационным показателям прежние конверсионные типы и обладающие большим выходом. Эти разработки помогут создать реальное стратегическое замещение, которое будет полностью востребована в будущем, с появлением продвинутых технологий. Перенесение целлюлазной и гемицеллюлазной систем в другое химическое состояние, приведёт к превращению целлюлозного и гемицеллюлозного сырья в этиловые спиртовые соединения, ацетоновую, бутаноловую и другие виды кислот.

Исходя из вышеописанных процессов получения лигноцеллюлозного сырья, можно сделать вывод, насколько важно соблюдать технологические правила при его производстве. Ведь каждый мало-мальски важный нюанс может повлиять на его конечное качество. Лигноцеллюлозное сырьё находит применение во многих сферах человеческой деятельности. Однако существуют некоторые ограничения связанные с непостоянством их химических и фракционных составов.

В отечественном сельском хозяйстве лигноцеллюлозные материалы для улучшения компонентных качеств гумуса, что не приводит к нарушению существующих агрономических и экологических систем. Добавление опилок с большим содержанием лигнинов в верховой торф позволяет добиться улучшения по многим качественным параметрам. То же относится и к компостам. Постоянное подмешивание лигноцеллюлозного сырья способствует улучшению кислородного снабжения нижних почвенных слоёв, что благотворно сказывается на общем состоянии почвы.

Подвергнув лигноцеллюлозные материалы мелкой дисперсии, можно получить качественное и недорогое твердотопливное сырьё. Его активно задействуют в отопительных системах, построенных на твердотопливных котлах. Такое сырьё обладает хорошими горючими способностями, благодаря наличию углеводных соединений и практически безотходному горению. Древесные частицы при высокотемпературной обработке способны на ещё большую теплоотдачу, что особенно ценно. Также большое достоинство такого вида топлива в его доступности, ведь деревообрабатывающая и лесная промышленности работают с полной загрузкой, следовательно дефицит топлива из лигноцеллюлозного сырья нам не грозит.