Bioconversia biomasei de lignoceluloză în hidrogen - între potențial, dificultăți tehnice și științifice

Biotransformarea biomasei de lignoceluloza in hidrogen

Intre potential, dificultati tehnice si stiintifice

Laboratoarul State Key a resurselor de ape urbane si ambient, Institutul Harbin de tehnolgie (SKLUWRE, HIT), Harbin 150090, China

Abstract

Pana in prezent nu exista nici o recapitulare explicita despre biotransformarea biomasei de lignoceluloza. Se va prezenta o recapitulare reinoita a celor mai recente cercetari si dezvoltari in domeniul biotehnologiei de baza a biomasei de lignoceluloza care se transforma in H2. Biotransformarea lignocelulozei, prehidroliza, hidroliza sau a celulozei in hidrogen a fost dezbatuta in termeni care implicau microorganisme si tehnici de bioimplementare. Pentru a putea utiliza biomasa in totalitate, astfel au fost schitate combinatii similare a unor cupluri negre de foto fermentatie ,negre de fermentazie, bioelectrohidrogenoza. In plus aceasta recapitulare pune in lumina perspectivele biomasei lignocelulozice transformate in hidrogen si a dificulatilor tehnice si stiintifice cu care se confrunta biotransformarea lignocelulozei.

1. Introducere

Hidrogenul este o alternativa promitatoare a combustibilului fosil deoarce nu are acelasi impact cu ambientul.Dar este incert cum hidrogenul ca energie curata va fi produs. Productia hidrogenului prin reactii microbiene biochimice a atras atentia lumii intregi,datorita potentialului infinit, de cost redus si o sursa regeneranta de energie nepoluanta.Studii despre producerea biohidrogenului au fost concentrate in biofotoliza apei folosind alge si cianobacterii, foto-descompunerea compusilor organici de catre bacterii fotosintetice si fermentarea la intuneric a compusilor organici cu bacterii anaerobe. Printre aceste procese biologice, fermentarea anaeroba a hidrogenului pare favorabila deoarce hidrogenul poate fi produs in cantitati mai mari si cu costuri reduse prin decompunerea resturilor organice imbogatite cu carbohidrati. ([Kumar si Das, 2000], [Chen et al., 2001], [Ginkel et al., 2001], [Fang et al., 2003], [Xing et al., 2006], [Wang et al., 2008a] si [Lo et al., 2008a]).

Biomasa lignocelulozica este in natura pe departe de a fi cea mai abundanta materie prima din lemn tare sau moale ierburi si alte reziduuri din agricultura. In China media anuala de biomasa produsa depaseste 0,7 miliarde de tone ([Fan et al., 2006a], [Fan et al., 2006b] si [Zhang et al., 2007]). Anual in intreaga lume sunt produse reziduuri de biomasa lignocelulosica estimata a depasi 220 miliarde de tone, echivalente a 60-80 miliarde tone de petrol. Aceasta biomasa lignocelulosica prezinta importanta deosebita si este o rezerva putin costisitoare de productie de hidrogen.

Transformarea directa a biomasei de lignoceluloza in hidrogen necesita un tratament anticipat pentru a hidroliza structurile heterogene si cristalizate([de Vrije et al., 2002], [Datar et al., 2007], [Ntaikou et al., 2008] si [Li si Chen, 2007]). Aceast material prezinta o recapitulare critica despre biotransformarea biomaselor lignocelulozice in hidrogen in termeni tehnologici de prehidroliza si hidroliza, bioconversie si tactici de fermentazie pentru a optimiza productia de hidrogen.Vom discuta astfel viitoare perspective ale bioconversiei din biomasa lignocelulozica in hidrogen.

2. Prehidroliza si hidroliza biomasei de lignoceluloza

Biomasa lignocelulozica este compusa din polimeri de carbohidrati( celuloza si hemiceluloza) si lignina ([Tsao et al., 1982], [Lynd, 1996] si [Taherzadeh si Karimi, 2003]). Rezidurile din agricultura, de cereale, prumb, grau, orez, cuprind 32-47% celuloza, 19-27% hemiceluloza si 5-24% lignina. Compozitiile lemnului usor difera de la tip la tip(Wyman, 1994). Celuloza si hemiceluloza, care cuprind doua treimi din materialele lignocelulozice uscate sunt polizaharide. Ambele hemiceluloze si lignina produc un strat protector in jurul celulozei, care trebuie hidrolizat pentru a putea utiliza in mod eficient polizaharidele.([Mosier et al., 2005], [Lasser et al., 2002], [Lynd, 1996], [Kuhad si Singh, 1993]si [Sun si Cheng, 2002]).

Hidroliza include in mod general prehidroliza si hidroliza celulozei: prehidroliza materialelor lignocellulozice este utilizata pentru lignina si partial hidroliza hemiceluloza; in timp ce hidroliza celulozei este folosita pentru a descompune sau reduce zaharul([Duff si Murray, 1996] si [Hamelinck et al., 2005]).

Fig. 1. Schema generala pentru transformarea lignocellulozei in biohidrogen.

2.1. Prehidroliza

Prehidroliza deseori este prezentata ca fiind un tratament anticipat, de care avem nevoie pentru a altera structura biomasei lignocelulozice si a o transforma intr-o celuloza mai accesibila pentru enzimele care transforma polimerii carbohidrati in zaharide fermentabile ([Saddler et al., 1993], [Vallsier si Eriksson, 1990], [Weil si Westgate, 1994] si [Wyman, 1994]).

Procesul de prehidroliza poate fi executat:

- fizic (prin macinarea mecanica si hidrotermolizare),

- chimic (ozonizarea, hidrolizei acide, hidrolizei alcaline,delignificare axidativa,proces orgnolectic)

- combinata(catalizare acida vapor-explozie,explozie fibro amoniacala, explozie de CO2)

([Ballesteros et al., 2002], [Fan et al., 1982], [Fang et al., 1999], [Kim si Lee, 2002], [Mosier et al., 2005], [Pan et al., 2005], [Sun si Cheng, 2002], [Yang si Wyman, 2004] si [Yang si Wyman, 2008]).

Selectarea metodei de pretratament afecteaza costurile si performanta viitoarei hidrolize si etapele de fermentare. Procesul ideal de hidraliza ar trebui sa atraga nivele inalte de fermentarecare reduce zaharul cat mai mult dar sa evite degradarea sau pierderea zaharului si formara inhibitorilor pe parcursul fermentatiei, imbunatratind mai incolo etapa de hidraliza a cellulozei in termeni de energie minima, chimicale, capital si echipament utilizat (Hamelinck et al., 2005).