پیش فرآوری ترکیبات لیگنوسلولزی با استفاده از حلال های سلولزی برای افزایش بازده تولید بیولوژیکی اتانول

رشد سریع و روز افزون مصرف انرژی در جهان، محدود بودن منابع فسیلی موجود و مخاطرات زیست محیطی جدی ناشی از استفاده از آن ها مانند انتشار گاز های گلخانه ای و افزایش دمای کره زمین، ضرورت بهره برداری انرژی از منابع تجدیدپذیر را بیش از پیش برای جوامع بشری آشکار کرده است. در حال حاضر اتانول مهم ترین سوخت مایع جایگزین بنزین بوده و مواد لیگنوسلولزی که فراوان ترین توده های زیستی در جهان را تشکیل می دهند، به واسطه ارزان بودن و عدم دخالت در چرخه مواد غذایی مهم ترین ماده اولیه برای تولید اتانول محسوب می شوند. به دلیل این که فیبرهای سلولزی در ساختار لیگنوسلولزها توسط ماتریسی از همی سلولز و لیگنین محافظت می شوند، در برابر حملات شیمیایی و بیولوژیکی بسیار مقاوم بوده و بازده هیدرولیز و تخمیر آن ها به اتانول در حالت طبیعی پایین است. در فرآیند تبدیل مواد لیگنوسلولزی به اتانول، پیش فرآوری یک مرحله مهم و کلیدی برای تغییر ساختار لیگنوسلولزی به منظور تسهیل مراحل هیدرولیز و تخمیر محسوب می شود. از میان روش های مختلفی که تاکنون برای پیش فرآوری ترکیبات لیگنوسلولزی پیشنهاد شده است، استفاده از حلال های سلولزی به دلیل کارایی مطلوب در دماهای متوسط و پایین بسیار حائز اهمیت است. با توجه به این که تحقیقات انجام شده در زمینه استفاده از حلال های سلولزی اغلب محدود به کاربرد آن ها برای ترکیبات سلولزی (مانند منسوجات) است، در تحقیق حاضر از حلال های مختلفی شامل هیدروکسید سدیم، اسید فسفریک، و نیز حلال های جدید شامل nmmo و مایع یونی [emim[oac برای پیش فرآوری ضایعات کشاورزی (باگاس گیاه سورگوم شیرین) و جنگلی (ضایعات چوب صنوبر و کبوده) استفاده گردیده است. پیش فرآوری باگاس توسط محلول هیدروکسید سدیم (12%) و اسید فسفریک (85%) به ترتیب در دماهای 0 و 50 درجه سانتی گراد به مدت 3 و 5/0 ساعت صورت گرفت. هیدرولیز آنزیمی باگاس در دمای 45 درجه سانتی گراد و ph برابر 8/4 با استفاده از آنزیم های سلولاز و بتاگلوکوسیداز به مدت 72 ساعت نشان دادکه پس از عملیات پیش فرآوری توسط هیدروکسید سدیم بازده هیدرولیز از 65% تا 92% افزایش می یابد. همچنین اتانول تولیدی در فرآیند تخمیر محلول هیدرولیز باگاس فرآوری شده در دمای 32 درجه سانتی گراد و ph برابر 5/5 از حدود 50% تا بیش از 80% بهبود می یابد. آنالیز سوبسترا با استفاده از روش های مختلف بیان گر کاهش جزئی محتوای لیگنین، کاهش کریستالینیتی و باز شدن سطح سوبسترا در اثر عملیات پیش فرآوری می باشد. به دلیل این که روش های آلکالی و اسیدی مورد استفاده بیشتر برای فرآوری ضایعات کشاورزی مناسب بوده و تأثیر آن ها بر ضایعات چوبی کم تر است، برای بهبود بازده هیدرولیز چوب سخت صنوبر از پیش فرآوری توسط محلول 85% nmmo در دمای 120 درجه سانتی گراد به مدت 3 ساعت استفاده شد. نتایج نشان داد که بعد از عملیات پیش فرآوری ضمن این که محتوای کربوهیدراتی سوبسترا تقریباً حفظ می شود، کریستالینیتی آن به میزان قابل توجهی کاهش و قابلیت تورم پذیری آن افزایش می یابد. بازده تولید قند از چوب صنوبر بعد از 96 ساعت هیدرولیز آنزیمی فقط در حدود 10% است که برای سوبسترای فرآوری شده توسط nmmo بعد از 24 ساعت هیدرولیز تا 76% افزایش یافته و در نهایت پس از 96 ساعت هیدرولیز به 96% رسیده است. همچنین بعد از عملیات پیش فرآوری، بازده تولید اتانول در مدت 24 ساعت تخمیر تا بیش از 9 برابر باگاس فرآوری نشده بهبود داشته است. برای چوب های سخت تر مانند چوب کبوده روش های قبلی کارایی چندانی نداشت، لذا پیش فرآوری مایع یونی با استفاده از حلال [emim[oac در دمای 120 درجه سانتی گراد و دماهای مختلف 1، 3 و 5 ساعت بر روی ضایعات چوب کبوده که یکی از مقاوم ترین درختان جنگلی محسوب می شود، صورت گرفت. نتایج حاصل نشان می دهد که پیش فرآوری مایع یونی موجب افزایش قابل توجه بازده هیدرولیز آنزیمی ضایعات چوب از 3/5% به حدود 95% و بهبود تخمیر-پذیری آن تا بیش از 81% می گردد. آنالیز چوب بعد از فرآوری بیان گر کاهش محتوای لیگنین و کریستالینیتی سوبسترا و افزایش قابلیت تورم پذیری آن می باشد. همچنین نتایج حاصل از آزمایشات سیمون و جذب آنزیم نیز به خوبی نشان می دهد که پیش فرآوری مایع یونی حتی در زمان کوتاه (یک ساعت) موجب افزایش قابل توجه سطح تماس و اندازه منافذ سوبسترا شده و میزان دسترسی آن به آنزیم تا 74% افزایش داده است.