К слайду 25.

Перевод Лекция № 4. Экологическая биотехнология / Биоработка твердых отходов

К слайду 1. Презентация

В прошлый раз мы начали изучать экологическую биотехнологию как очень важную отрасль биотехнологии, которая способствует решению растущих экологических проблем. Некоторые методы биоремедиации были проанализированы как вариант, включенный в управление отходами, который дает возможность уничтожить или уменьшить действие загрязняющих веществ с помощью естественной биологической активности.

Мы проанализировали наиболее распространенные процессы биоремедиации, используемые при очистке загрязненной почвы, воды и воздуха. Сегодня начнем с биоремедиации твердых отходов.

Сегодня начнем с биоремедиации твердых отходов. Производство этанола из лигноцеллюлозных материалов является примером применения биотехнологии в управлении твердыми отходами. Использование биомассы для производства энергии имеет положительные экологические последствия и создает большой потенциал для внесения значительного вклада в сектор возобновляемых источников энергии, особенно при преобразовании в современные энергоносители, такие как биотопливо.

Большое количество этанола получают из кукурузного крахмала. Используются другие материалы, такие как сахарный тростник, сахарная свекла, древесная стружка и макулатура. Некоторые из этих материалов служат пищей для людей и животных.

К слайду 2.Биоработка твердых отходов / Производство этанола из лигноцеллюлозных материалов (I)

К слайду 3.В результате возникает конфликт между производством продуктов питания и производством топливного этанола. Тогда мы можем сказать, что лигноцеллюлозные материалы являются хорошей альтернативой производству этанола в качестве топлива, не затрагивая пищевой сектор.

К слайду 4.Когда мы закончим эту лекцию, вы сможете описать лигноцеллюлозные компоненты, их характеристики и способы их приготовления перед использованием в производстве этанола.

К слайду 5.Контур

- Лигноцеллюлозные материалы для производства этанола

- Лигноцеллюлозные материалы. Состав

- Характеристики целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина

- Гидролиз целлюлозы и гемицеллюлозы

- Методы предварительной обработки

К слайду 6.Здесь представлен углеродный цикл. Это помогает нам понять важность использования топливного этанола для окружающей среды. Во-первых, мы получаем этанол из данного растения, богатого сахарами. Этот этанол можно использовать в качестве топлива. Когда происходит сгорание этанола, образуется углекислый газ, но этот газ не уходит в атмосферу. Он будет использоваться растением в качестве источника углерода во время фотосинтеза. Затем при использовании этанола в качестве топлива:

- Выбросы газа в атмосферу уменьшаются.

- Нет чистого производства CO₂ и

- Не способствует парниковому эффекту (увеличению количества углекислого газа и других газов в атмосфере, что считается причиной постепенного потепления поверхности земли).

К слайду 7.Лигноцеллюлозные материалы

- Лесные остатк

- Остатки сельскохозяйственной и пищевой промышленности

- Твердые бытовые отходы (переработанная бумага)

- Энергетические культуры

К слайду 8.Примеры лигноцеллюлозных материалов

- жмых сахарного тростника

- стебли маниоки

- рисовая шелуха

- скорлупа арахиса

К слайду 9.Альтернатива производству этанола

Биотопливо второго поколения

К слайду 10.Лигноцеллюлоза является основным компонентом стенок растительных клеток. Он в основном состоит из целлюлозы (35–50%) от общей сухой массы, гемицеллюлозы (20–35%), лигнина (10–25%), золы (0–2%) и экстрактивных веществ (1–5%).

К слайду 11.Здесь показано растение. Мы видим растительную клетку, а внутри клетки находится клетчатка. Волокно состоит из трех основных компонентов: лигнин находится в самой внешней части, затем - гемицеллюлоза, а в самой внутренней части - целлюлоза.

Целлюлоза - самый распространенный полимер на Земле. Он имеет очень сложную структуру и представляет собой линейную молекулу, в которой повторяющиеся звенья представляют собой целлобиозу. Целлобиоза состоит из единиц глюкозы.

Гемицеллюлоза состоит из гексоз и пентоз.

Лигнин также представляет собой очень сложную молекулу, состоящую из фенилпропановых звеньев, связанных в трехмерную структуру. При производстве этанола лигнин не играет роли. Он очень устойчив к разложению и является побочным продуктом этого процесса. Здесь важно преобразовать целлюлозу и гемицеллюлозу в простые сахара, которые ферментируются дрожжами.

К слайду 12.Здесь кратко изложен состав микрофибры из лигноцеллюлозных материалов.

Целлюлоза Целлобиоза Глюкоза

Гемицеллюлоза

Гексозы: Пентозы:

D-манноза D-ксилоза

D-глюкоза L-арабиноза

D-галактоза

Лигнин Фенилпропановые единицы

К слайду 13.Как вы уже знаете, это технологическая схема производства этанола из простых сахаров. Они имеют простую структуру, и микроорганизмы могут напрямую превращать их в этанол.

К слайду 14.Однако, когда у нас есть соединения с более сложной структурой, как получить простые сахара, необходимые для ферментации? Превращение может происходить путем гидролиза.

К слайду 15.Это лигноцеллюлозное волокно. Когда это нарушено, высвобождаются сахара.

К слайду 16.Гидролиз может происходить с использованием кислот или ферментов. Когда мы используем кислоты, можно использовать концентрированные или разбавленные кислоты. Ферментативный гидролиз требует одновременного действия различных целлюлаз и гемицеллюлаз.

К слайду 17.Кислотный гидролиз

H₂SO₄ в высокой концентрации:

☺ Высокий выход сахара

☺ Использование низкой температуры

☺ Мало побочных продуктов

☹ Коррозия оборудования

☹ Необходимость дорогостоящей сушки сырья

☹ Высокие затраты на восстановление кислоты

☹ Инкрустация (нейтрализация)

К слайду 18.Разбавленный кислотный гидролиз

☺ Более низкая потребность в кислоте (по сравнению с предыдущей)

☹ Высокие температуры

☹ разложение сахара

☹ Образование побочных продуктов

☹ Коррозия оборудования

К слайду 19.Ферментативный гидролиз

- Бактериальные целлюлазы (Clostridium и Bacillus)

- Грибковые целлюлазы (Trichoderma, Aspergillus, Penicillium)

- Эндоглюканаза (EC 3.2.1.4)

- Целлобиогидролаза (EC 3.2.1.91)

- b-гликозидаза (EC 3.2.1.21)

К слайду 20.Здесь вы можете увидеть целлюлозное волокно. Есть аморфная область и кристаллическая область. Сначала эндоглюканаза разрушает аморфную область волокна. После этого целлобиогидролаза расщепляет целлюлозу на целлобиозу и, наконец, β-глюкозидаза расщепляет целлобиозу на глюкозу. Затем субстрат готов к ферментации.

К слайду 21.Конкретно гидролиз происходит следующим образом. Длинные цепочки целлюлозы превращаются в димеры целлобиозы. Позже целлобиоза превращается в глюкозу.

К слайду 22.В случае гидролиза гемицеллюлозы она легко разлагается благодаря своей аморфной структуре. В результате разложения гемицеллюлозы они высвобождают гексозы (манноза, глюкоза и галактоза), пентозы (ксилоза и арабиноза) и некоторые кислоты, такие как глюкуроновая и этановая кислоты.

К слайду 23.Ферментативный гидролиз

☺ Высокая конверсия

90-100% для целлюлозы

70-75% для гемицеллюлоз

☺ Без деградации сахара

☹Высокая стоимость ферментов

☹ Медленный процесс

К слайду 24.Целлюлазы должны:

- Достигать и адсорбироваться на поверхности целлюлозы (доступность)

- Найдите или создайте реактивные концы целлюлозной цепи (реакционная способность)

К слайду 25.

☹ Низкая доступность (связь с гемицеллюлозами и лигнином)

☹ Низкая реакционная способность (высокая степень кристалличности)

ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ЛЕЧЕНИЕ

К слайду 26.Давайте посмотрим, как происходит эта предварительная обработка. Вот вам волокно из лигноцеллюлозного материала. Лигнин - один из его компонентов. Немного ближе к внутренней области волокна вы можете увидеть гемицеллюлозу, а в самой внутренней области - целлюлозу.

Как мы уже говорили, существуют аморфные и кристаллические области. Цель предварительной обработки - сделать более открытыми эти области лигноцеллюлозной структуры и увеличить площадь поверхности. Это означает производить более доступные волокна без разрушения отдельных сахаров. Также важно увеличить пористость и размер пор.

12 Следующая ⇒