Как се получава биогориво и защо се нуждаем от него

Автор: професор, доктор по химия Михаил Йелович, Израел.

Както знаете, в момента над 80% от човешката енергия се получава чрез изгаряне на изкопаеми горива - въглища, природен газ и различни видове течни горива, получени от нефт: бензин, керосин, дизелово гориво, мазут и др. За съжаление изкопаемите горива не са обновени в природата и известните им източници постепенно се изчерпват.

В резултат на това през последните години, за да се намали потреблението на изкопаеми горива и да се запази устойчивото развитие на цивилизацията, все повече се обръща внимание на алтернативни енергийни източници - слънчева, вятърна, биологична и др., Които за разлика от изкопаемите източници, са възобновяеми.

Биологичен източник - растителна биомаса, непрекъснато се обновява и натрупва в природата. Установено е, че поради фотосинтезата с усвояването на въглероден диоксид и вода и отделянето на кислород, масата на растенията се увеличава годишно с около 200 милиарда тона. Понастоящем се използва само незначителна част от растителната биомаса, по-малко от 1 милиард тона. Особено важно е растителната биомаса да е възобновяема суровина за производството на течни биогорива - етанол и биодизел, чието използване спестява изкопаеми видове течни горива, забавя изчерпването на природните ресурси на петрола и намалява емисиите на парникови газове в атмосферата.

Структура на растителната биомаса

Целулозата е линеен, стереорегулиран, полукристален естествен полизахарид, чиито макромолекули са съставени от D-глюкопиранозни звена, имащи конформация на стола, свързани помежду си чрез химически 1,4-β-гликозидни връзки глава-до-опашка. Броят на връзките във веригата или степента на полимеризация (DP) на естествената целулоза може да достигне 20 000-30 000. По време на изолиране и избелване обаче DP на целулозата намалява. Типичният DP на изолирана дървесна маса е 800-1200. В процеса на биосинтеза сегментите на макромолекулните вериги на целулозата кристализират и образуват дълги и тънки елементарни фибрили с диаметър 3-5 нанометра. На свой ред елементарните фибрили се свързват помежду си чрез локални кристални контакти с образуването на фибриларни снопчета, наречени микрофибрили, схематично показани на фиг. 1

Фигура: 1. Модел на целулозна микрофибрила

Микрофибриларната структура на целулозата има следните характерни черти:

Елементарните целулозни фибрили и техните снопове (микрофибрили) се състоят от кристални области (Cr) с триизмерен ред и лошо подредени некристални (аморфни) области (A), статистически изтъняващи по фибрилите.
Размерите на кристалните и некристалните области са променливи и се разпределят в определен диапазон от стойности.
Кристалните области са недостъпни за ензими и повечето реагенти, типични органични разтворители, вода и други полярни течности.
За разлика от кристалните, аморфните области са слаби области на фибрилите и имат повишена достъпност и реактивност за ензими и реагенти.
Макромолекулите преминават през няколко кристални и некристални области, свързвайки ги с вериги и осигурявайки подобрени механични свойства на фибрилите в надлъжна посока.

Производство на етанол от биомаса

Фигура: 2. Схема на ензимна хидролиза на целулоза

Процесът на ензимна хидролиза на целулоза може да бъде схематично представен, както следва. На първия етап от процеса (фиг. 2, 1), специален домейн на ендо-глюканаза, CBD, е прикрепен към повърхността на микрофибрилата близо до достъпната аморфна област (AU), след което каталитичният домейн, CD, ендо-глюканаза се доближава до веригите в AC върху повърхността на микрофибрилите и причинява тяхното хидролитично разцепване.

На втория етап от процеса на хидролиза (фиг. 2, 2), екзо-глюканазният ензим (Екзо-Glu), който катализира хидролитичното разцепване на олигомерни фрагменти от краищата на веригите, отделени от повърхността на микрофибрилата на първия етап в резултат на действието на ендоглюканаза (Ендо-Glu). Получените олигомерни фрагменти включват главно дизахарид - целубиоза, както и олигомерни захари, съдържащи до четири глюкозни единици.