Гидролизный спирт

Целлюлоза состоит из остатков молекул глюкозы, которую можно получить гидролизом целлюлозы в присутствии серной кислоты[2]:

(C₆H₁₀O₅)_n + nH₂O -> nC₆H₁₂O₆

В дальнейшем, серную кислоту нужно из раствора удалить, осадив, например, известняком. Заключительная реакция сбраживания глюкозы описывается уравнением:

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂

В 1819 году французский химик Анри Браконно обнаружил, что целлюлоза может быть преобразована (гидролизована) в сахара с помощью серной кислоты. Этот сахар потом сбраживается до алкоголя.

В Соединенных Штатах Standard Alcohol Company открыла первый завод по производству целлюлозного этанола в Южной Каролине в 1910 году. Позже был открыт второй завод в Луизиане. Однако оба завода были закрыты после Первой мировой войны по экономическим причинам.

Первая попытка коммерциализации процесса получения этанола из древесины была предпринята в Германии в 1898 году. Она включала использование разбавленной кислоты для гидролиза целлюлозы до глюкозы и была способна производить 7,6 литра этанола на 100 кг древесных отходов. Вскоре немцы разработали промышленный процесс, оптимизированный для выработки около 190 л. на тонну биомассы. Этот процесс вскоре добрался до США, кульминацией которого стали две коммерческие установки, работавшие на юго-востоке во время Первой мировой войны. Эти установки использовали так называемый «американский процесс» — одностадийный гидролиз разбавленной серной кислоты. Хотя выходы были вдвое меньше, чем в оригинальном немецком процессе (25 галлонов США (95 л) этанола на тонну против 50), производительность американского процесса была намного выше. Падение производства пиломатериалов вынудило заводы закрыться вскоре после окончания Первой мировой войны. Тем временем в «Лаборатории лесной продукции USFS» продолжалось небольшое, но постоянное исследование гидролиза глюкозы разбавленной кислотой. Во время Второй мировой войны США снова обратились к целлюлозному этанолу, на этот раз для преобразования в бутадиен для производства синтетического каучука. Компания Vulcan Copper and Supply Company заключила контракт на строительство и эксплуатацию завода по переработке опилок в этанол. Завод был основан на модификациях оригинального немецкого «процесса Шоллера», разработанного «Лабораторией продукции USFS». Эта установка достигла выхода этанола в 50 галлонов США (190 л) на сухую тонну, но все еще не приносила прибыли и была закрыта после войны.

С быстрым развитием ферментных технологий в последние два десятилетия процесс кислотного гидролиза постепенно сменился ферментативным гидролизом. Химическая предварительная обработка исходного сырья необходима для предварительн. гидролиза (отделения) гемицеллюлозы, чтобы она могла более эффективно превращаться в сахара. Предварительная обработка разбавленной кислотой разработана на основе ранних работ по кислотному гидролизу древесины в «Лаборатории лесной продукции USFS» . Недавно Лаборатория лесной продукции USFS совместно с Университетом Висконсин-Мэдисон разработали предварительную обработку сульфитом для преодоления непроходимости лигноцеллюлозы для надежного ферментативного гидролиза древесной целлюлозы.

Биоэтанол — это этиловый спирт, полученный путем ферментации из сахаров с помощью микроорганизмов. Обычно для этой цели используют дрожжи (Saccharomyces cerevisiae). Сахар поступает из растений, которые используют энергию солнечного света в процессе фотосинтеза для создания своих органических компонентов из углекислого газа (СО₂). Сахара могут храниться в форме крахмала (например у зерновых, картофеля) или сахарозы (например у сахарной свеклы, сахарного тростника), или они могут быть включены в структурные компоненты растений (например, целлюлоза).), которые придают растению его форму и устойчивость. В настоящее время биоэтанол в основном получают путем сбраживания сахарозы (бразильский сахарный тростник) или гидролизатов крахмала (кукуруза, другие злаки). После перегонки и сушки этанол можно использовать в качестве топлива. Однако этот вид технической культуры создает конкуренцию с продовольственным рынком. Кроме того, ограниченные доступные площади и экологические проблемы, связанные с необходимой интенсификацией сельского хозяйства, препятствуют крупномасштабному производству этанола на основе крахмала. Таким образом, целью ученых является все более широкое использование дешевых растительных остатков, таких как солома, древесные отходы и, или энергетических культур, таких как Просо прутьевидное (Panicum virgatum) или мискантус, которые не требуют интенсивного ведения сельского хозяйства и зачастую растут на бросовых угодьях.

Растительные остатки или энергетические культуры содержат мало крахмала или сахарозы, но содержат углеводы, хранящиеся в виде лигноцеллюлоз в клеточных стенках. Лигноцеллюлозы состоят из целлюлозы, гемицеллюлозы и неферментируемого лигнина («древесная масса»). Целлюлоза, как и крахмал, представляет собой полимер из шестиуглеродных молекул сахара, глюкозы, связанных между собой длинными цепями. Оба отличаются только типом связей. Гемицеллюлозы в основном состоят из пятиуглеродных сахаров, ксилозы и арабинозы которые соседствуют в разветвленных цепях.

Как традиционный этанол целлюлозный этанол может быть добавлен к бензину и использоваться во всех бензиновых автомобилях сегодня. Его потенциал по снижению выбросов парниковых газов выше, чем у традиционного этанола, получаемого из зерновых. Производство целлюлозного этанола может стимулировать экономический рост в сельских районах, открыть новые рынки для фермеров и увеличить использование возобновляемых источников энергии. Наиболее распространены смеси бензина или дизтоплива со спиртом, называемые соответственно газхол и дизхол.

• Гидролиз торфа
• Зелёная химия
• Синтетическое топливо