UKOMLJAVANJE I HIDROLIZA CELULOZNIH

SIROVINA

BIOTEHNOLOGIJA 2akad. god. 2008/09.

1/9/2009 2

Lignocelulozne sirovine (biomasa)

- drvenaste i nedrvenaste biljke,

- otpadni poljoprivredni i umski otpaci

- ostaci drvopreraivake i prehrambeneindustrije

- kruti komunalni otpad

1/9/2009 3

Graa biljnog vlakna

1 lumen (upljina)2 unutarnja sekundarna stijenka3 glavna sekundarna stijenka4 propusna lamela5 primarna stijenka6 - sredinja lamela

1/9/2009 4

Sastav lignocelulozne biomase

1/9/2009 5

Lignocelulozne sirovine

CELULOZA: 45-50 %- polimer -glukozeHEMICELULOZA: 20-25 %-polimer sastavljen od pentoza i

heksoza-ksiloza je prvi najzastupljeniji

eer u biosferi

LIGNIN: 20-25 %-kompleksna aromatska struktura

1/9/2009 6

Sastav stanine stijenke biljaka

1/9/2009 7

Struktura stanine stijenke biljaka

1/9/2009 8

CELULOZA

-linearni polimer -glukoznih jedinica vezanih -1,4 glikozidnim vezama

- priblino 10 000 glukoznih jedinica po molekuli

-hidroliza kiselinom ili enzimski-izrazito kristalinine strukture

1/9/2009 9

Struktura celuloze

1/9/2009 10

1/9/2009 11

Zbog ega je celulozu teko hidrolizirati?

a) graa je preteito kristalinina (80 %), a udjel lako razgradljivih amorfnih sastojaka je mali (samo 15 %);

b) vlakna su obavijena ligninom, koji ih fiziki titi, a otporan je prema hidrolizi zbog nepravilne kemijske grae.

- prije hidrolize: celulozu osloboditi iz lignoceluloznog kompleksa- prevesti iz kristalininog u amorfni oblik (prethodna obrada)

1/9/2009 12

Metode prethodne obrade (predtretmana)

1. Fizikalne (mehaniko usitnjavanje, djelovanje topline - piroliza),2. Kemijske (ozonoliza, kiselinska ili alkalna hidroliza),3. Fizikalno-kemijski postupci (autohidroliza, AFEX, eksplozija s CO2),4. Bioloki, tj. enzimski postupci (ligninaze, celulaze, hemicelulaze).

1/9/2009 13

POSTUPCI PRETHODNE OBRADE (PREDTRETMAN)

1. Fizikalni postupci

A. Mehaniko usitnjavanje

CILJ: smanjenje kristalinosti celuloze

-suho usitnjavanje mlinovi ekiari -ne mijenja se znatno udjel kristaline celuloze-manje estice (10-30 mm) olakana hidroliza-mokro ili koloidno mljevenje: bolje usitnjavanje,trokovi previsoki-mljevenje u mlinovima: veliina estica 0,22,0 mm

- bolji uinak: mljevenje uz istovremeno zagrijavanje na 200 do 240 oC (trenje)

1/9/2009 14

B. Piroliza

- dolazi do razgradnje organske tvari djelovanjem topline bez prisustva kisika ili nekog kemijskog reagensa, osim vodene pare

- na temperaturi iznad 300 oC celuloza se naglo razgrauje

- pri niim temperaturama razgradnja znatno sporija

1/9/2009 15

2. Kemijski postupci

A. kiselinska hidroliza prvi put primijenjena 1913. u SAD- hidroliza konc. kiselinama (H2SO4, HCl)-CILJ: uklanjanje lignina iz materijala-MANA: visoki trokovi procesa, neutralizacija supstrata

B. alkalna obrada- uklanjanje lignina- NaOH u konc. iznad 8% (te/te) izaziva bubrenje biljnih stanica i

depolimerizaciju celuloznih vlakana- nedostaci su veliki utroak luine, puno vode za ispiranje i veliki gubitak

lignoceluloznog supstrata (do 25% s.tv.)

C. ozonoliza CILJ razgradnja lignina i hemiceluloze-ozon najbolje djeluje na lignin, slabije na hemicelulozu, najslabije na

celulozu- prednosti: nema kemijskih reagenasa; mana: postupak nije ekonomian

D. oksidativna delignifikacija

-biodegradacija lignina katalizirana djelovanjem peroksidaze u prisutnosti H2O2

-2 % H2O2 pri 30 oC tijekom 8 sati-50 % lignina i vei dio hemiceluloze se pretvara u topljivu frakciju

1/9/2009 17

3. Fizikalno-kemijski postupci

A. Autohidroliza

- eksplozija vodenom parom, najee koriten postupak predobrade lignocelulozne biomase

1.podvrgavanje usitnjenog materijala zasienoj pari (temp. 160-260 oC) tijekom 1 minute pri visokom tlaku (0.69 4,83 MPa); slijedi naglo smanjenje tlaka eksplozivna dekompresija materijala

2.tekua vrela voda: djelovanje vrele voda pod tlakom i temperaturom od 170-230 oC/46 minuta

-dolazi do djelomine hidrolize hemiceluloze, potpuna depolimerizacija lignina

-prednosti: mali trokovi procesa-nedostaci: gubici ksilana, mogua tvorba inhibitora hidrolize i

fermentacije.

B. Eksplozija vlakana amonijakom (AFEX)- jedina metoda za predobradu trava - podvrgavanje biomase djelovanju tekueg amonijaka u kratkom vremenu

(30 min) pri 90 oC- ne otapa se u potpunosti hemiceluloza; uspjena depolimerizacija lignina- skup postupak zbog zahtjevnog uklanjanja amonijaka, smanjenje trokova

reciklacijom amonijaka

C. Eksplozija s CO2- slino autohidrolizi i AFEX-u- 4 kg CO2/kg supstrata; tlak 5,62 MPa- dobri rezultati s recikliranim papirom, jeftiniji od AFEX-a

1/9/2009 18

1/9/2009 19

4. Bioloki (enzimski) postupci

- primjena funga (Pleurotus ostreatus) za razgradnju lignina iz drvea

- celulaze (Trichoderma reseii, Clostridium, Cellulomonas, Bacillus, Erwinia, Streptomyces, itd.)

- 1993. dokazano da neke plijesni proizvode enzim ligninazu koji razgraujelignin velikom brzinom

- za razliku od drugih oksidaza, mogu razgraivati lignin bezatmosferskog kisika (peroksidaza oduzima po 1 e- iz arilnog prstena)

- oekuje se njihova velika primjena u procesima izdvajanja celuloze i glukoze iz lignoceluloznih supstrata.

1/9/2009 20

HIDROLIZA (OEERENJE) CELULOZE I PROIZVODI HIDROLIZE

Glavni cilj:-ekonomski prihvatljiv postupak prevoenja osloboene celuloze u glukozu- hidroliza do glukoze mogua kemijskim ili enzimskim postupcima

1.Kemijska hidroliza-Prvi postupak: otapanje drveta s HF- dobivaju se fluorirani eeri, a zatim obrauju slabom kiselinom- time se eerni oligomeri prevode u monomereDrugi postupak: bubrenje celuloze pomou zas. otopine CaCl2, te hidroliza

plinovitom HCl pri niskoj temperaturi-dobiva se 45 %-tna otopina glukoze, a CaCl2 se izdvaja elektroosmozom

1/9/2009 21

2. Enzimska hidroliza celuloze

kvasci iz roda Trichoderma (T. reesei, T. viride i T. konigii)

-posjeduju potpun celulazni sustav koji ine 3 enzima:

1. Egzo--1,4-glukanaza ili -1,4-glukanocelobiohidrolaza, takoer poznata kaocelobiohidrolaza, avicelaza ili C1 celulaza,

2. Endo--1,4-glukanaza ili -1,4-glukanoglukanohidrolaza, takoer poznata kaokarboksimetil celulaza ili Cx celulaza,

3. -1,4-glukozidaza ili celobiaza.

1/9/2009 22

Shematski prikaz enzimske hidrolize celuloze

NETOPLJIVA CELULOZA

ENDOCELULAZA

EGZOCELULAZA

EGZOCELULAZA TOPLJIVA CELULOZA

ENDOCELULAZA

CELOBIAZA UGLAVNOM CELOBIOZA

GLUKOZA INHIBICIJA KRAJNJIM

PROIZVODOM

1/9/2009 23

Shematski prikaz enzimske hidrolize lignoceluloznih sirovina

USITNJENA LIGNOCELULOZNA

SIROVINA (16 % s. tv.)

I. Predhidroliza

SO2 (plin), 2 %

Vodena para, 208 C, 3 min

PRETHODNO OBRAENA

KOMINA

II. Hlaenje, 50 C Neutralizacija (vapno); pH = 4,8

III. Hidroliza (oeerenje)

Celulolitiki enzimi - 48 h

OEERENA KOMINA

C6 i C5 eeri (10 - 11 %)

1/9/2009 24

Shematski prikaz kemijske hidrolize lignoceluloznih sirovina za proizvodnjuetanola

LIGNOCELULOZNE

SIROVINE

SUMPORNAKISELINA

NEUTRALIZACIJA

- Vapneno mlijeko - Amonijska voda - Amonijev fosfat - Kalijev klorid

TALOENJE

HLAENJE

HRANJIVA PODLOGA

- heksoze (glukoza, manoza, galaktoza)

- pentoze (ksiloza, arabinoza)

MEHANIKA PRIPREMA

HIDROLIZAPARA

FURFUROLMETANOL

TERPENTIN

HLAENJELIGNIN

GIPS

1/9/2009 25

UKOMLJAVANJE I HIDROLIZA CELULOZNIH SIROVINALignocelulozne sirovine (biomasa)Graa biljnog vlaknaSastav lignocelulozne biomaseLignocelulozne sirovineSastav stanine stijenke biljakaStruktura stanine stijenke biljakaCELULOZAStruktura celulozeZbog ega je celulozu teko hidrolizirati?Metode prethodne obrade (predtretmana) POSTUPCI PRETHODNE OBRADE (PREDTRETMAN)2. Kemijski postupci3. Fizikalno-kemijski postupci4. Bioloki (enzimski) postupciHIDROLIZA (OEERENJE) CELULOZE I PROIZVODI HIDROLIZE2. Enzimska hidroliza celulozeShematski prikaz enzimske hidrolize celuloze Shematski prikaz enzimske hidrolize lignoceluloznih sirovinaShematski prikaz kemijske hidrolize lignoceluloznih sirovina za proizvodnju etanola