(Russian) Перспективы Биотехнологии; производство биотоплива и биогаза

Тезис
Перспективы Биотехнологии: производство биотоплива и биогаза
Улзийбаяр О.
31 ноября 2022 г.
Рост цен на энергию и истощение запасов ископаемого топлива продолжают возрождать интерес к
преобразованию биомассы в производство биотоплива. Биотопливо, полученное из
возобновляемого сырья, является экологически безопасным топливом и может удовлетворить более
четверти мирового спроса на транспортное топливо к 2050 году. Более того, ожидается, что
биотопливо уменьшит зависимость от импортируемой нефти, сократит выбросы парниковых газов и
будет стимулировать региональную экономику за счет создания рабочих мест и увеличения спроса и
цен на биопродукты.
Биотопливо, такое как этанол, получают из пищевых культур, биомассы или лигноцеллюлозных
материалов посредством процессов биохимической и термохимической конверсии. Биотопливо
первого поколения (то есть кукурузный этанол и биодизель) производится в основном из
продовольственных культур, таких как зерновые, сахарные культуры и семена масличных культур.
Технологии производства биотоплива первого поколения из пищевого сахара и крахмала отработаны
и хорошо изучены, а производство в первую очередь ограничивается экологическими и социальными
проблемами, такими как конкуренция за землю и воду, используемые для производства продуктов
питания и волокна, что приводит к росту мировых цен на сырьевые товары для продукты питания и
корма для животных (Sims et al. 2010). Из-за этих важных ограничений биотопливо «следующего
поколения» или второго и третьего поколения разрабатываются из несъедобных лигноцеллюлозных
материалов с использованием передовых технологий. Это лигноцеллюлозное сырье включает
древесную биомассу и древесные отходы, растительные остатки, специальные энергетические
культуры, такие как просо просо, бытовые отходы и водоросли. Это сырье нового поколения не
конкурирует напрямую с производством продуктов питания и часто может производиться на
маргинальных или неиспользуемых пахотных землях. Кроме того, лигноцеллюлозная биомасса
является распространенным возобновляемым источником энергии, способным заменить большую
часть традиционных энергетических ресурсов, таких как ископаемое топливо и природный газ, для
будущего производства жидкого биотоплива с улучшенными экологическими преимуществами. В
результате лигноцеллюлозная биомасса перспективна в качестве сырья для биоперерабатывающего
завода, где сахара могут быть преобразованы в химические строительные блоки посредством
ферментации, ферментативных и химических преобразований (Ragauskas et al. 2006).
Лигноцеллюлозная биомасса представляет собой композитную структуру полимеров лигнина,
целлюлозы и гемицеллюлозы. Эффективное использование биомассы для производства биотоплива
требует фракционирования компонентов биомассы на отдельные потоки с максимальным выходом.
Однако основным препятствием для использования лигноцеллюлозной биомассы на любом заводе
по биопереработке сахарной платформы является ее внутренняя устойчивость к деконструкции. Эта
сопротивляемость является результатом множества факторов, включая гетерогенную природу
полимерной матрицы, сложность пространственных и химических взаимодействий лигнина и
гемицеллюлозы, а также обширные водородные связи кристаллической целлюлозы. Таким образом,
исследование биосинтеза клеточных стенок растений для раскрытия неподатливой структуры
лигноцеллюлозной биомассы, изучение типов процессов предварительной обработки, используемых
для разрушения биомассы, и разработка эффективного ферментативного гидролиза являются
основными направлениями преобразования полимерных углеводов.
Благодаря своей жесткой структуре и высокой кристалличности целлюлоза обеспечивает основу для
растительных волокон и устойчива к химическому или ферментативному гидролизу. Ферментативный
гидролиз целлюлозы является медленным процессом, и степень гидролиза зависит от структурных
свойств субстрата биомассы, таких как кристалличность, площадь поверхности, степень
полимеризации и пористость (Yoshida et al. 2008; Hall et al. 2010). Чтобы повысить эффективность и
действенность процесса ферментативного гидролиза, обычно необходимо выполнить химическую
предварительную обработку биомассы для изменения одного или нескольких из этих свойств, тем
самым обеспечивая лучший доступ ферментов целлюлазы к целлюлозе. Кроме того, для
эффективного ферментативного гидролиза целлюлозы требуется синергетическое действие
нескольких целлюлозолитических ферментов, продуцируемых различными грибковыми и
бактериальными микроорганизмами (Himmel et al. 2007). Способ действия целлюлозолитических
ферментов на цепи целлюлозы обычно описывается синергетическим действием эндо-действующих
ферментов, которые случайным образом расщепляют связи вдоль цепи целлюлозы, и процессивных
экзо-действующих ферментов, которые разлагают полимеры с концов цепи (Teeri 1997; Horn et др.
2012). Несмотря на наличие подробных сведений о структуре целлюлазы, молекулярных свойствах и
ультраструктуре целлюлозы, сложность биомассы и ее взаимодействия с целлюлазой ограничивают
наше понимание механизма эффективного гидролиза неподатливой целлюлозы. Следовательно,
новые исследования, направленные на понимание механизма повышения эффективности и
производительности целлюлазы, находятся в авангарде биохимических и биотехнологических
исследований, направленных на преобразование биомассы в биотопливо.
Вклад биотехнологии в энергетику не ограничивается производством биотоплива, и микробное
производство метана вполне может стать крупнейшим вкладом в будущем. От 60 до 80% нефти в
геологических отложениях остается в нефтяной промышленности, поскольку считается технически и
экономически неизвлекаемой (Muggeridge et al., 2014). Однако микробная конверсия углеводородов
в метан может резко увеличить количество получаемой энергии. Количественное определение
относительного содержания стабильных изотопов углерода и водорода может выявить
происхождение метана в геологических отложениях, поскольку химические и биохимические пути
образования метана имеют разную реакционную предпочтение для разных изотопов. Подсчитано,
что 20–40% метана в нефтяных и газовых коллекторах имеет микробное происхождение (Katz, 2011),
и большая его часть образуется в результате преобразования двуокиси углерода в метан.
Аналогичным образом, присутствие биологически произведенного метана в угольных
месторождениях свидетельствует о том, что биотехнология также может способствовать извлечению
энергии из угля (Cheung et al., 2010). Таким образом, существует потенциал использования
биотехнологии для преобразования остаточных углеводородов в истощенных нефтяных скважинах и
угольных месторождениях в метан и извлечения гораздо большего процента содержания энергии в
разумные сроки при одновременном снижении количества CO2, выбрасываемого в атмосферу (Geig и
др., 2008).
Биотехнологию можно использовать для повышения качества нефти и угля за счет удаления
нежелательных компонентов, таких как сера, азот, металлы и зола, а также за счет снижения
вязкости. Биопереработка может упростить/удешевить переработку нефти и снизить образование
загрязняющих воздух газов в результате сжигания нефти и угля. Однако эти приложения
биотехнологии в энергетике еще не реализованы в коммерческих масштабах, поэтому еще
неизвестно, смогут ли будущие разработки преодолеть существующие препятствия. Главным
препятствием для внедрения любой технологии является стоимость. Можно предположить, что
наибольший эффект от разработки биотоплива будет заключаться в преобразовании
биотехнологической промышленности. Опыт, полученный в производстве больших объемов
дешевого биотоплива, может значительно увеличить количество и снизить стоимость продуктов
биотехнологической промышленности во всем мире.
Биотехнология может внести свой вклад в производство ископаемого топлива, способствуя
производству ископаемого топлива, улучшая качество топлива, биоремедиацию воды, почвы и
воздуха, контролируя микробиологическую коррозию (MIC; Youssef et al., 2009; Bachmann et al. , 2014)
а также ферментации, ферментативных и химических преобразований . Применение биотехнологии
для увеличения производства ископаемого топлива в основном носит экспериментальный характер,
но потенциал роста в этой области огромен. Увеличение извлечения энергии из истощенных
нефтяных и угольных месторождений, особенно в сочетании с утилизацией CO2, может стать
основным компонентом биотехнологической промышленности в будущем.
Список использованной литературы и информационных источников:
1 Youssef N., Elshahed M. S., McInerney M. J. Microbial processes in oil fields: Culprits, problems and
opportunities. 2009 [Google Scholar]
2 Sims REH, Mabee W, Saddler JN, Taylor M. An overview of second generation biofuel technologies.
Bioresour Technol. 2010 [Google Scholar]
3 Ragauskas AJ, Williams CK, Davison BH, Britovsek G, Cairney J, Eckert CA, Frederick WJ, Hallett JP, Leak DJ,
Liotta CL, Mielenz JR, Murphy R, Templer R, Tschaplinski T. The path forward for biofuels and biomaterials.
Science. 2006 [Google Scholar]
4 Yoshida M, Liu Y, Uchida S, Kawarada K, Ukagami Y, Ichinose H, Kaneko S, Fukuda K. Effects of cellulose
crystallinity, hemicellulose, and lignin on the enzymatic hydrolysis of Miscanthus sinensis to
monosaccharides. Biosci Biotechnol Biochem. 2008 [Google Scholar]
5 Hall M, Bansal P, Lee JH, Realff MJ, Bommarius AS. Cellulose crystallinity—a key predictor of the enzymatic
hydrolysis rate. FEBS J. 2010 [Google Scholar]
6 Himmel ME, Ding SY, Johnson DK, Adney WS, Nimlos MR, Brady JW, Foust TD. Biomass recalcitrance:
engineering plants and enzymes for biofuels production. Science. 2007 [Google Scholar]
7 Teeri TT. Crystalline cellulose degradation: new insight into the function of cellobiohydrolases. Trends
Biotechnol. 1997 [Google Scholar]
8 Horn SG, Vaaje-Kolstad G, Westereng B, Eijsink VGH. Novel enzymes for the degradation of cellulose.
Biotechnol Biofuels. 2012 [Google Scholar]
9 Muggeridge A., Cocklin A., Webb K., Frampton H., Collins I., Moulds T., et al... Recovery rates, enhanced oil
recovery and technological limits. 2014 [Google Scholar]
10 Katz B. J. Microbial processes and natural gas accumulations. 2011 [Google Scholar]
11 Cheung K., Klassen P., Mayer B., Goodarzi F., Aravena R. Major ion isotope geochemistry of fluids and
gases from coalbed methane and shallow groundwater wells in Alberta, Canada. 2010
[Google Scholar]
12 Bachmann R. T., Johnson A. C., Edyvean R. G. J. Biotechnology in the petroleum industry: an overview.
2014 [Google Scholar]