3.1 Hidroliza enzimatica a materialului lignocelulozic

Hidroliza materialului lignocelulozic se poate face pe cale :

-acidă , folosind acid sulfuric concentrat sau diluat;

-enzimatică , folosind enzime celulolitice (celulază și hemicelulază)

Hidroliza acida cu acid sulfuric diluat, necesita temperaturi ridicate de hidroliza, in schimb, hidroliza acida cu acid sulfuric concentrat se poate face la temperaturi mai scazute(≤ 45 º C ).

3.1.1 Procedee de obținere prin hidroliză acidă:3.1.1.1 Procedeul Inventa AGAcest procedeu folosește acid sulfuric diluat la concentrația de 0,6% în

greutate , materialul lignocelulozic fiind marunțit. Hidroliza se face într-un reactor (1) care lucrează sub presiune de 100kPa și la temperatura de 140-180ºC . Se hidrolizează atât hemiceluloza cât și celuloza din paiete lemnoase , produsele în funcție de degradare fiind xiloza și glucoza. Soluția acidă conținand glucidele fermentascibile, este adusă în colectorul racitor (2) , de unde ies de la partea superioară vaporii de furfural care sunt condensați într-un răcitor (3) , iar pe la partea inferioara iese soluția adică glucidica ce se neutralizează in vasul cu agitator (4), unde se aduce carbonat de calciu. Soluția neutralizată trece în filtrul (5), unde se separă de sulfatul de calciu format , iar soluția este trimisă la un racitor – flash (6), de unde iarași se separă furfural care se condensează într-un răcitor (3), lichidul fiind trimis în instalația de fermentare-distilare-rectificare în coloana azeotropica , obținandu-se alcool carbonat.

Schema de principiu a instalației de funcționare dupa Procedeul Inventa AG

3.1.1.2 Procedeul BC International SUAFoloseste hidroliza cu acid sulfuric diluat in 2 trepte:

- o treaptă în care se hidrolizează hemicelulozele , obținandu-se o soluție acidă conținand în principal xiloza;

- o treapta în care se hidrolizează celuloza, obținându-se o soluție acida care conține in principal glucoză.

În ambele etape se lucrează la temperaturi înalte . După neutralizarea hidrolizatelor și filtrarea acestora , se realizează fermentarea cu E.coli modificat genetic (cu gena de la Zymomonas). Microorganismul obținut prin recombinare genetica este capabil să fermenteze atât glucoza cât și pentoza cu o eficacitate de 90%. Schema tehnologică folosită în acest procedeu este aratată în fig.de mai jos.

Schita de principiu a instalației de funcționare a Procedeul BC International SUA

3.1.1.3 Procedeul ARKENOL (SUA)

Folosește hidroliza cu acid sulfuric in cele 2 trepte de hidroliza acida. Procesul folosește separarea cromatografică a soluției glucidice și a acidului sulfuric sub formă diluată , din care apoi reconcentrată pentru folosire in proces . Subprodusele realizate din proces sunt sulfatul de calciu si lignina. Schița procedeului este arătată mai jos in figura.

Schița de principiu a instalației de funcționare Procedeul Arkenol (SUA)

3.1.1.4 .Procedeul cu predigestie după metoda Hokkaido

Se realizează cu acid sulfuric diluat.

3.1.1.5 Procedeul ACOS

Se folosește pentru solubilizarea componentelor din materialul lignocelulozic o soluție de acetonă care conține și o cantitate mică de acid sulfuric. Tratamentul are loc la 200º C si presiune de 40 bar, timp de 0,5 h

După extracție soluția conținând glucide fermentescibile este trecută printr-un tanc pentru autoevaporare , unde se recuperează o parte din acetona și se produce și o racire pana la 100ºC . În continuare soluția intră la hidroliza secundară care are loc la 100 ºC 20 de min., când se recuperează și restul de acetonă. După racire și filtrare , inclusiv filtrare pe carbune , soluția se neutralizează și se trece la fermentare în două etape: etapa de fermentare a glucozei , cu recuperarea de alcool etilic și etapa de fermentare a zilozei, cu recuperarea alcoolului etilic.

Borhotul rămas după fermentarea xilolatului este folosit pentru obținerea xilolatului cristalizat.

Procedeul ACOS poate fi utilizat pentru procesarea unor surse de materii prime lignocelulozice.

3.1.1.6 Procedeul Bioeneering Resources

La acest procedeu se folosește CO2 și H2 ca materie primă pentru producția de alcool etilic .

Fermentarea se face la 37ºC și presiune moderata , cu o bacterie din genul Clostridium .

Etanolul fiind toxic pentru cultura de microorganisme , concentrația acestuia in bioreactor trebuie să fie menținută la 3%(v/v). La fermentare se formează ți acid acetic a carei producție este minimizată prin recircularea porțiunii inferioare de acid acetic a cărei producție este minimizată prin reciclarea porțiunii inferioare de lichid din distilator. Reactiile care conduc la formarea alcoolului etilic sunt:

6CO+3H2O C2H5OH+4CO26H2+2CO2 C2H5OH+3H2O

Schița instalației care lucrează dupa Procedeul Bioeneering Resources

3.1.2 Procedee de obținere prin hidroliza enzimatică

Enzime celuloliticeCelulazele reprezinta un complex enzimatic si sunt capabile sa hidrolizeze

celuloza. Acest complex enzimatic cuprinde:- 1. endo 1,4 – β – gluconaza care actioneaza la intamplare in interiorul

lanturilor poliglucidice ce formeaza lanturi poliglucidice ce formeaza celuloza, realizand in final ruperea legaturilor β –1,4 – glucozidice si formarea de lanturi mai scurte avand capete reducatoare libere.

- 2. exo – 1,4 – β- D- glucanaza care include doua enzime si anume:- 1,4- β- D- glucanglucohidralaza care elibereaza unitati de glucoza de la

capatul reducator al lanturilor de celuloza , dar care hidrolizeaza lent si celobioza formata de o alta enzima si anume

- 1,4- β- D- glucan celobiohidrolaza care elibereaza unitati de celobioza care elibereaza unitati de celobioza de la capatul reducator al lanturilor fragmentate de celulaza.

- 3. β- D- glucozidaza sau β- D- glucozid glucohidrolaza care hidrolizeaza celobioza si oligozaharidele cu lant scurt pana la glucoza.

Degradarea celulozei din materialul lignocelulozic nu este posibila decat dupa un tratament preliminar al acestuia prin macinare, tratare cu abur la o temperatura de 200-250ºC , tratament cu agenti de umflare (alcalii, baze organice, saruri metalice), tratament cu microorganisme , care produce degradarea ligninei , tratament cu acizi minerali diluati,etc.Pot produce celulaze bacteriile aerobe(specii de Pseudomonas si Actinomycates), facultativ anaerobe (Bacillius si Cellulomonas)si strict anaerobe (Clostridium), precum su micegaiurile din speciile Trichoderma,Penicillium,Aspergillus Phanerochaete Chrysosporium.

Din punct de vedere al randamentului in celulaze si al complexitatii acestora cea mai buna sursa de celuloza este Trichoderma reesei modificat genetic . complexul enzimatic prosus este Trichoderma reesei care este format din

- 1,4- β- D- glucan celobiohidrolaza care scindeaza unitatile de celobioza pornind de la capatul nereducator al lanturilor de celuloza.

- . endo 1,4 – β – gluconaza care scindeaza legaturile glucozidice din interiorul lanturilor de celuloza.

- 1,4 – β- D- glucozidaza care scindeaza celooligozaharidele si celobioza cu producere de glucoza.

Enzimele mentionate au masa moleculara 56000-89000 si sunt ineficace fata de celuloza cristalina. Complexitatea sistemului celulolitic excretat in mediu de cultura de catre Trichoderma reesei este determinata de multitudinea de gene ce induc producerea enzimelor a caror macroeterogenitate se bazeaza pe formarea de agregate multienzimatice , iar microeterogenitatea se bazeaza pa capacitatea enzimelor celulolitice de a forma complexe cu proteinele , glicoproteinele sau polizaharidele. Celulazele produse de Trichoderma reesei au o specificitate redusa si sunt usor inactive , chiar la temperatura optima de lucru 50ºC , si sunt sensibile la produsii de reactie (inhibitie de pridus).

Hemicelulazele si microorganisme producatoare de hemicelulazeHemicelulazele pot fi clasificate in trei categorii:

- endo-hemicelulaze care actioneaza in interiorul lantului de hemiceluloza si care au activitate limitata asupra oligomerilor cu lant scurt.

- endo-hemicelulaze care actioneaza progresiv fie de la capatul reducator fie de la cel nereducator al hemicelulozei. Anumite exohemicelulaze hidrolizeaza preferential limitari scurte de hemiceluloza, altele lanturi mai lungi

- enzime hemicelulazice , care hidrolizeaza hemiceuloza din plante native Endo-hemicelulaze pot fi la randul lor :endoarabinaze, endoarabinogalactanaze

endooglucanaze, endoxilanaze,ferulice endoxilanaze.Microorganisme producatoare de hemicelulaze sunt in principal mucegaiurile:

-aspergillius niger-aureobasidium pullulans -trichodermareesei -trichoderma viridi.

Exo 1,4 – β – D- glucanaza include doua enzime si anume 1,4 - β – D – glucanglucohidralaza care elibereaza unitati de glucoza de la capatul reducator al lanturilor de celuloza , dar care hidrolizeaza lent si celobioza formata de o alta enzima si anume 1,4-β-D-glucan celebiohidroliza care elibereaza unitati de celobioza de la capatul reducator al lanturilor fragmentate de celulaza.

β – D- glucozidaza hidrolizeaza celobiozasi oligozaharidele cu lant scutr pana la glucoza.degradarea celulozei din materialul lignocelulozic nu este posibila decat dupa un tratament preliminar al acestiua prin macinare, tratare cu abur cu temperatura de 200-250ºC , tratament cu agenti de umflare , tratament cu microorganisme , care produce degradarea ligninei , tratament cu acizi minerali diluati,etc.

3.1.2.1 Procedee de obținere

Procedeul Jotech Corp

Structura cristalina a celulozei din lemn se distruge printr-o metoda de ‚’expandare exploziva’’. Se foloseste lemn macinat marunt, intr-un reactor ‚’tun’’ incalzit cu abur saturat la o temperatura de 240-300 ºC, la 35-66 atm., la un timp de retentie cuprins intre 5 secunde si 5 minute. Prin expandare brusca la presiunea atmosferica, lemnul ‚’explodeaza’’ transformansu-se intr-o pulbere fina, de celuloza amorfa, care se supune hidrolizei enzimatice. Fermentarea etanolului se face dupa procedeele uzuale. Se obtin solutii cu 10-12% monozaharide si in final solutii cu 5-6 % etanol.

Procedeul Berc-ITT

Acest procedeu este aplicat in India, se obtine etanol din lemn,ce consta din prelucrarea catalitica cu solvent dupa procedeul Organosolv. In acest procedeu are loc separarea, cu randamente mari, in stare pura, a ligninei, hemicelulozei si cdelulozei. Separarea hemicelulozei are loc in proportii de 90-95% si a ligninei in proportie de 75-80%. Solventul se recupereaza cu unh randament de 75-80%. In final se obtine un preparat hidrolizabil enzimatic in proportie de peste 80%. Fermentarea la etanol are loc cu ajutorul bacteriilor mezofile Zymomonas Mobilis. Se considera ca din punct de vedere energetic etanolul, este cel mai rentabil procedeu.

Conform tehnologiei puse la punct de US Departament of Energy prin procedeul ABC’s of Biofuels, etapa de pretatrare se realizeaza cu acid sulfuric diluat si are drept scop transformarea hemicelulozei in zaharuri. Urmatoarea etapa are drept scop hidroliza celulozei cu enzima celulaza care transforma celulaza in zaharuri fermentescibile etapa denumita si zaharificare care se supune fermentatiei cu drojdii pentru obtinerea etanolului. Urmatoarele etape se desfasoara conform procedeelor clasice. Important este faptiul ca hemiceluloza contine zaharuri C5 denumite pentoze.Xiloza principalul component, nu poate fi fermentat la etanol cu Sachromyces cerevisiae, fermentarea acestuia realizandu-se cu Zymomonas mobolis. Lignina separata ca produs secundar este utilizat drept combustibil pentru producerea aburului si energiei electrice necesare in proces.

Un proces important in fidroliza biomasei a fost introducerea simultana a zaharificerii si fermentarii (SSF)care permite cofermentarea diferitelor tipuri de substraturi.