الكتلة الحيوية الليغنوسليلوزية

📅 آخر تحديث: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة
يُعدّ الباجاس ، وهو المكوّن الغني باللجنين في قصب السكر، شكلاً من أشكال الكتلة الحيوية الليغنوسليلوزية. ويُستخدم احتراقه لتشغيل مصنع السكر. في هذه الصورة، يظهر الباجاس تحت الغطاء البلاستيكي الأزرق. الموقع: بروسربين، كوينزلاند .

يشير مصطلح اللجنين السليلوزي إلى المادة الجافة النباتية ( الكتلة الحيوية )، والتي تُعرف باسم الكتلة الحيوية اللجنينية السليلوزية. وهي أكثر المواد الخام وفرةً على وجه الأرض لإنتاج الوقود الحيوي . تتكون من نوعين من بوليمرات الكربوهيدرات، السليلوز والهيميسليلوز ، بالإضافة إلى بوليمر غني بالمركبات العطرية يُسمى اللجنين . [ 1 ] يُشار عادةً إلى أي كتلة حيوية غنية بالسليلوز والهيميسليلوز واللجنين باسم الكتلة الحيوية اللجنينية السليلوزية. [ 2 ] لكل مكون من هذه المكونات سلوك كيميائي مميز. ونظرًا لكونها مركبة من ثلاثة مكونات مختلفة تمامًا، فإن معالجة اللجنين السليلوزي تُعدّ عمليةً معقدة. تُعرف المقاومة المتطورة للتحلل أو حتى الفصل باسم "المقاومة". ويتطلب التغلب على هذه المقاومة لإنتاج منتجات مفيدة وعالية القيمة استخدام مزيج من الحرارة والمواد الكيميائية والإنزيمات والكائنات الحية الدقيقة. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] تحتوي هذه البوليمرات المحتوية على الكربوهيدرات على مونومرات سكرية مختلفة (سكريات سداسية وخماسية الكربون) وهي مرتبطة تساهميًا باللجنين.

يمكن تصنيف الكتلة الحيوية الليغنوسليلوزية بشكل عام إلى كتلة حيوية خام، وكتلة حيوية مهدرة، ومحاصيل طاقة . تشمل الكتلة الحيوية الخام النباتات. أما الكتلة الحيوية المهدرة فتُنتج كمنتج ثانوي منخفض القيمة من قطاعات صناعية مختلفة، مثل الزراعة ( سيقان الذرة ، وبقايا قصب السكر ، والقش، إلخ) والغابات ( مخلفات مناشر الأخشاب ومصانع الورق ). محاصيل الطاقة هي محاصيل ذات إنتاجية عالية من الكتلة الحيوية الليغنوسليلوزية، تُستخدم كمادة خام لإنتاج الجيل الثاني من الوقود الحيوي؛ ومن أمثلتها نبات حشيشة سويتش ( Panicum virgatum ) وحشيشة الفيل . يُعد الوقود الحيوي المُستخلص من هذه المحاصيل مصدرًا للطاقة المستدامة. [ 7 ] [ 8 ]

التركيب الكيميائي

الزيلان هو أحد أشكال الهيميسليلوز الموجودة في الخشب الصلب. [ 9 ]

تتكون مادة اللجنين السليلوزية من ثلاثة مكونات، لكل منها خصائص تشكل تحديات أمام التطبيقات التجارية. [ 10 ]

  • اللجنين بوليمر غير متجانس ذو روابط متشابكة عالية، يشبه راتنجات الفينول-فورمالديهايد . وهو مشتق من 3-4 مونومرات، تختلف نسبتها من نوع نباتي لآخر. وتتميز روابطه المتشابكة بأنها واسعة النطاق. ونظرًا لغناه بالمركبات العطرية، فإن اللجنين كاره للماء وصلب نسبيًا. يمنح اللجنين النباتات بنيةً متينة. ونظرًا لعدم تجانسه الشديد ومقاومته العالية للتحلل، فإن قيمته تُقاس بشكل شبه حصري كوقود.
  • يتكون الهيميسليلوز من عديدات سكاريد متفرعة. وتكمن إحدى المشكلات في ارتباط الهيميسليلوز تساهميًا باللجنين، عادةً عبر حمض الفيروليك الموجود في اللجنين. وهذا ما يُصعّب استخلاص السكريات اللازمة لتحويله إلى وقود حيوي. [ 11 ] يُعد الهيميسليلوز، بعد السليلوز، ثاني أكثر مصادر الكربوهيدرات وفرةً في النبات. [ 12 ]
  • السليلوز هو بوليمر متجانس من الجلوكوز. وهو قليل الذوبان في معظم المذيبات، لذا يُستخلص الجلوكوز من خلال التحلل الكيميائي والبيولوجي بواسطة الإنزيمات المحللة للسليلوز. [ 12 ] ويُسهّل هذا الاستخلاص حقيقة أن خيوط السليلوز مُدمجة في مكون اللجنين-هيميسليلوز، ولكنها غير مرتبطة به بروابط تساهمية.

محاصيل الطاقة المخصصة

يُعد نبات المسكانثوس من المحاصيل التي تُعرف باسم محاصيل الطاقة، فهو يتميز بكفاءة عالية (سرعة النمو) في تحويل الإشعاع الشمسي إلى كتلة حيوية.

تُعدّ العديد من المحاصيل ذات أهمية لقدرتها على توفير غلة عالية من الكتلة الحيوية. ويمكن حصاد بعضها عدة مرات في السنة، ومنها أشجار الحور ونبات المسكانثوس العملاق . أما محصول الطاقة الرئيسي فهو قصب السكر ، الذي يُعدّ مصدراً للسكروز سريع التخمر ، بالإضافة إلى منتج ثانوي من اللجنين والسليلوز يُسمى الباجاس .

طلب

صناعة اللب والورق

تُعدّ الكتلة الحيوية الليغنوسليلوزية المادة الخام لصناعة اللب والورق . في هذه العملية، يُفصل الليغنين والهيميسليلوز عادةً عن المادة النباتية، تاركين مكون السليلوز الليفي ليُعالج في إنتاج الورق، أو ما يُعرف بـ"السليلوز الكيميائي". خلال عملية اللب، يُزال معظم الليغنين ويُصرّف كنفايات سائلة/مياه صرف قبل استخدامه كوقود منخفض القيمة لتوليد الكهرباء والحرارة. يُستخدم جزء من الليغنين الموجود في نفايات الورق كبديل على شكل ليغنوسلفونات وليغنين مُسلفن. [ 13 ]

سكر

من حيث المبدأ، يمكن تلبية الطلب العالمي الحالي على السكر عن طريق إعادة توظيف مصانع اللب والورق لإنتاج السكر الليغنوسليلوزي، مما يجعله غذاءً واعداً ومستداماً . [ 14 ]

الوقود الحيوي

الاحتراق المباشر

تتمتع الكتلة الحيوية الليغنوسليلوزية، على شكل وقود خشبي ، بتاريخ طويل كمصدر للطاقة. وقد استُخدم القش وأنواع أخرى من الكتلة الحيوية الليغنوسليلوزية مؤخرًا لتوليد الكهرباء على شكل وقود غير مضغوط (بالات) ومضغوط (كريات). وتتيح عملية التكوير نقل الوقود اقتصاديًا لمسافات أطول. وتقتصر نسبة استخدام الكريات من الجيل الأول في محطات توليد الطاقة المتكاملة بالغاز والكربون الحديثة على 15% . [ 15 ]

تُغيّر المعالجة المسبقة قبل عملية التكوير الخصائص الفيزيائية والكيميائية لوقود الكتلة الحيوية. يزيد التحميص (وهو نوع من التحلل الحراري المعتدل) من كثافة الطاقة في القش ويجعله كارهًا للماء. تتمتع الكريات الناتجة بخصائص وقود مشابهة للفحم. [ 16 ]

تحويل

منذ منتصف القرن العشرين، ازداد الاهتمام بالكتلة الحيوية كمصدر أولي للوقود السائل . وعلى وجه التحديد، يُعدّ تخمير الكتلة الحيوية الليغنوسليلوزية لإنتاج الإيثانول [ 17 ] مسارًا واعدًا لإنتاج وقود يُكمّل الوقود الأحفوري . يمكن أن تكون الكتلة الحيوية مصدرًا للطاقة محايدًا للكربون على المدى الطويل. مع ذلك، وبحسب مصدرها، لن تكون محايدة للكربون على المدى القصير. فعلى سبيل المثال، إذا كانت الكتلة الحيوية مُستمدة من الأشجار، فإن الفترة الزمنية اللازمة لنمو الشجرة من جديد (والتي قد تمتد لعقود) ستشهد زيادة صافية في ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي للأرض عند احتراق الإيثانول الليغنوسليلوزي. أما إذا استُخدمت مواد خشبية من مخلفات المحاصيل السنوية، فيمكن اعتبار الوقود محايدًا للكربون. وإلى جانب الإيثانول، هناك العديد من أنواع الوقود الأخرى المُشتقة من الليغنوسليلوز ذات أهمية محتملة، بما في ذلك البيوتانول ، وثنائي ميثيل فوران ، وغاما فاليرولاكتون . [ 18 ]

الإيثانول

إحدى العقبات التي تحول دون إنتاج الإيثانول من الكتلة الحيوية هي أن السكريات اللازمة للتخمر محصورة داخل اللجنين السليلوزي. وقد تطور اللجنين السليلوزي ليقاوم التحلل ويمنح جدران خلايا النباتات استقرارًا ضد التحلل المائي ومتانة هيكلية. تُعزى هذه المتانة أو "المقاومة" إلى الترابط بين السكريات المتعددة (السليلوز والهيميسليلوز) واللجنين عبر روابط إسترية وإيثرية . [ 19 ] تنشأ الروابط الإسترية بين السكريات المؤكسدة، والأحماض اليورونية ، ومجموعات الفينول والفينيل بروبانول في اللجنين. لاستخلاص السكريات القابلة للتخمر، يجب أولًا فصل السليلوز عن اللجنين، ثم استخدام طرق حمضية أو إنزيمية لتحليل السليلوز المتحرر حديثًا إلى سكريات أحادية بسيطة. من التحديات الأخرى التي تواجه تخمير الكتلة الحيوية النسبة العالية من السكريات الخماسية في الهيميسليلوز، مثل الزيلوز أو سكر الخشب. وعلى عكس السكريات السداسية كالجلوكوز، يصعب تخمير السكريات الخماسية. وتُعدّ المشكلات التي تُسببها مكونات اللجنين والهيميسليلوز محورًا للعديد من الأبحاث المعاصرة.

يركز قطاع كبير من الأبحاث في مجال استغلال الكتلة الحيوية الليغنوسليلوزية كمادة خام لإنتاج الإيثانول الحيوي، بشكل خاص على فطر Trichoderma reesei ، المعروف بقدراته على تحليل السليلوز. ويجري استكشاف مسارات متعددة، بما في ذلك تصميم مزيج مُحسَّن من السليولاز والهيميسليولاز المعزولة من T. reesei ، بالإضافة إلى تحسين السلالات باستخدام الهندسة الوراثية، مما يسمح للفطر ببساطة بوضعه في وجود الكتلة الحيوية الليغنوسليلوزية ليقوم بتحليلها إلى مونومرات D- جلوكوز . [ 20 ] وقد أدت طرق تحسين السلالات إلى ظهور سلالات قادرة على إنتاج كميات أكبر بكثير من السليولاز مقارنةً بالعزلة الأصلية QM6a؛ ومن المعروف أن بعض السلالات الصناعية تنتج ما يصل إلى 100 غرام من السليولاز لكل لتر من الفطر، مما يسمح باستخلاص السكريات من الكتلة الحيوية الليغنوسليلوزية بأقصى قدر ممكن. ويمكن بعد ذلك تخمير هذه السكريات، مما يؤدي إلى إنتاج الإيثانول الحيوي.

الميثان

يمكن إنتاج الميثان من الكتلة الحيوية الليغنوسليلوزية عن طريق الهضم اللاهوائي ، وهي عملية بيولوجية بحتة. ويمكن استخدام المعالجة المسبقة لإزالة بعض الروابط المتشابكة، مما يُسهّل على الميكروبات هضم الكتلة الحيوية. [ 21 ] بعد ذلك، يمكن لمجموعة من الميكروبات التغلب على العوائق المتبقية والاستفادة القصوى من المادة. [ 22 ] [ 23 ]

الديزل الحيوي
أنواع الوقود الأخرى

بحث

يمكن الحصول على بعض المواد الكيميائية من الكتلة الحيوية الليغنوسليلوزية. جميعها تقريباً مشتقة من السكريات الناتجة عن تحلل مكون السليلوز. [ 24 ]

تم النظر في استخدام الكتلة الحيوية الليغنوسليلوزية في إنتاج المواد المركبة الحيوية، مثل الألواح الجزيئية، والمركبات الخشبية البلاستيكية، والمركبات الخشبية الإسمنتية/ الجيوبوليمرية . ورغم أن إنتاج هذه المواد يعتمد في الغالب على موارد الخشب، إلا أنه في البلدان الأقل كثافةً بالغابات، أو تلك التي تعاني من استنزاف موارد الخشب، يُمكن الاستفادة من مصادر بديلة للكتلة الحيوية، كالنباتات الغازية، ومخلفات الزراعة، ومناشر الأخشاب، لإنتاج مركبات "خضراء" جديدة. [ 25 ] وتجذب المركبات الحيوية المنتجة من الكتلة الحيوية الليغنوسليلوزية، كبديل للمواد التقليدية، اهتمامًا متزايدًا لكونها متجددة وأقل تكلفة، فضلًا عن توافقها التام مع سياسة "الاستخدام المتدرج" للموارد.

مراجع

  1. ↑ وايمان، تشارلز إي؛ ديل، بروس إي؛ إيلاندر، ريتشارد تي؛ هولتزابيل، مارك؛ لاديش، مايكل آر؛ لي، واي واي (1 ديسمبر 2005). "التطوير المنسق لتقنيات المعالجة المسبقة الرائدة للكتلة الحيوية" . تكنولوجيا الموارد الحيوية . 96 (18): 1959-1966 . doi : 10.1016/j.biortech.2005.01.010 . ISSN 0960-8524 . PMID 16112483 .  
  2. ↑ تشو، تشون هوي؛ شيا، شي؛ لين، تشون شيانغ؛ تونغ، دونغ شين؛ بلتراميني، خورخي (17 أكتوبر 2011). "التحويل التحفيزي للكتلة الحيوية الليغنوسليلوزية إلى مواد كيميائية دقيقة ووقود" . مجلة الجمعية الكيميائية . 40 (11): 5588-5617 . doi : 10.1039/C1CS15124J . ISSN 1460-4744 . PMID 21863197 .  
  3. ↑ ي. صن، ج. تشنغ (2002). "التحلل المائي للمواد الليغنوسليلوزية لإنتاج الإيثانول: مراجعة". Bioresour. Technol . 83 (1): 1– 11. doi : 10.1016/S0960-8524(01)00212-7 . PMID 12058826 . 
  4. ↑ إي. بالمكفيست؛ ب. هان-هاغردال (2000). "تخمير المُحلَّلات الليغنوسليلوزية. الجزء الثاني: المُثبِّطات وآليات التثبيط". مجلة تكنولوجيا الموارد الحيوية . 74 : 25-33. doi : 10.1016/S0960-8524(99)00161-3 .
  5. ↑ ب. ألفيرا؛ إ. توماس-بيخو؛ م. باليستيروس؛ م. ج. نيغرو (2010). "تقنيات المعالجة المسبقة لعملية إنتاج فعّالة للإيثانول الحيوي تعتمد على التحلل الإنزيمي: مراجعة". Bioresour. Technol . 101 (13): 4851–4861 . doi : 10.1016/j.biortech.2009.11.093 . PMID 20042329 . 
  6. ↑ دي إم ألونسو؛ جيه كيو بوند؛ جيه إيه دوميسيك (2010). "التحويل التحفيزي للكتلة الحيوية إلى وقود حيوي". الكيمياء الخضراء . 12 (9): 1493-1513. doi : 10.1039/c004654j .
  7. ↑ غوليتش، فاتح؛ بارثيبان، أنبوراجان؛ أومينويكي، غريت سي.؛ موسى، عمر؛ ويليامز، أورلا؛ مرتضائي، ياسنا؛ سوك-أوه، هيون؛ ليستر، إدوارد؛ أوغباغا، تشوكوما سي.؛ غونيش، بورجو؛ أوكولي، جود أ. (12 أكتوبر 2023). "التقدم المحرز في تثمين الكتلة الحيوية الليغنوسليلوزية لإنتاج الوقود الحيوي والمواد الكيميائية ذات القيمة المضافة في الاتحاد الأوروبي: التركيز على عمليات التحويل الحراري الكيميائي" . الوقود الحيوي، والمنتجات الحيوية، والتكرير الحيوي . 18 (3): 755-781 . doi : 10.1002/bbb.2544 .
  8. ↑ سالاديني، فابريزيو؛ باتريزي، نيكوليتا؛ بولسيلي، فيديريكو م.؛ ماركيتيني، ناديا؛ باستيانوني، سيموني (ديسمبر 2016). "إرشادات لتقييم الطاقة الكامنة للجيل الأول والثاني والثالث من الوقود الحيوي". مراجعات الطاقة المتجددة والمستدامة . 66 : 221-227 . doi : 10.1016/j.rser.2016.07.073 .
  9. ↑ هورست نيمز، أوي شميت، إيكارت شواب، أوتو ويتمان، فرانز وولف "وود" في موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية 2005، وايلي-VCH، واينهايم. دوى : 10.1002/14356007.a28_305
  10. ↑ كريستوفر م. فيلوز، تريفور س. براون، ويليام أو إس دوهرتي (2011). "المواد الليغنوسليلوزية كمادة خام متجددة للصناعات الكيميائية: مواد كيميائية من الليغنين". في: راشمي سانغي، فاندانا سينغ (محرران). الكيمياء الخضراء للمعالجة البيئية . الصفحات 561-610 . doi : 10.1002/9781118287705.ch18 . ISBN  978-1-118-28770-5.{{cite book}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  11. ↑ لو، يوتشان؛ هي، تشياو؛ فان، غوتشي؛ تشنغ، تشونبنغ؛ سونغ، غوانغسن (2021-01-01). "استخلاص وتعديل الهيميسليلوز من الكتلة الحيوية الليغنوسليلوزية: مراجعة" . المعالجة والتخليق الأخضر . 10 (1): 779-804 . doi : 10.1515/gps-2021-0065 . ISSN 2191-9550 . 
  12. 1 2 زينغ، يينينغ؛ هيمل، مايكل إي؛ دينغ، شي-يو (30-11-2017). "تصوير الوظائف الكيميائية في جدران الخلايا النباتية" . التكنولوجيا الحيوية للوقود الحيوي . 10 (1): 263. doi : 10.1186/s13068-017-0953-3 . ISSN 1754-6834 . PMC 5708085. PMID 29213316 .   
  13. ↑ حق، إظهارول؛ مازومدار، بايال؛ كلامدهاد، أجاي س. (2020-09-01). "التطورات الحديثة في إزالة اللجنين من مياه الصرف الصحي لصناعة الورق وتطبيقاتها الصناعية - مراجعة" . تكنولوجيا الموارد الحيوية . 312 123636. doi : 10.1016/j.biortech.2020.123636 . ISSN 0960-8524 . PMID 32527619. S2CID 219607347 .   
  14. ↑ ثروب، جيمس؛ غارسيا مارتينيز، خوان ب.؛ بالز، برايان؛ كيتس، جاكوب؛ بيرس، جوشوا م.؛ دينكنبرغر، ديفيد س. (2022-01-01). "إعادة توظيف سريعة لمصانع اللب والورق، ومصافي التكرير الحيوية، ومصانع الجعة لإنتاج سكريات الليغنوسليلوز في حالات الكوارث الغذائية العالمية" . معالجة الأغذية والمنتجات الحيوية . 131 : 22-39 . doi : 10.1016/j.fbp.2021.10.012 . ISSN 0960-3085 . S2CID 243485968 .  
  15. ↑ فرناندو، روهان. "الحرق المشترك لنسب عالية من الكتلة الحيوية مع الفحم" (ملف PDF) . usea.org . مركز الفحم النظيف التابع لوكالة الطاقة الدولية.
  16. ↑ مانوشهرينجاد، مريم؛ ماني، سودهاجار (نوفمبر 2018). "التحميص بعد التكوير (TAP): تحليل جودة الكريات المحمصة والمنتجات الثانوية". الكتلة الحيوية والطاقة الحيوية . 118 : 93-104 . doi : 10.1016/j.biombioe.2018.08.015 .
  17. ↑ كارول، أندرو؛ سومرفيل، كريس (يونيو 2009). "الوقود الحيوي السليلوزي". المراجعة السنوية لبيولوجيا النبات . 60 (1): 165-182 . doi : 10.1146/annurev.arplant.043008.092125 . PMID 19014348 . 
  18. ↑ باربرا أ. توكاي، "المواد الكيميائية من الكتلة الحيوية"، في موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية 2002، وايلي-في سي إتش، فاينهايم. doi : 10.1002/14356007.a04_099
  19. ↑ مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (يونيو 2006). "كسر الحواجز البيولوجية أمام إنتاج الإيثانول السليلوزي: أجندة بحثية مشتركة. تقرير ورشة عمل ديسمبر 2005" (ملف PDF) . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 7 فبراير 2017. تاريخ الاطلاع: 19 يناير 2008 .
  20. ↑ مونو، فريدريك؛ مارجو، أنطوان. "الوقود الحيوي يتحول إلى فطر - مقابلة مع فريدريك مونو وأنطوان مارجو، قسم الكيمياء التطبيقية والكيمياء الفيزيائية في معهد IFPEN" . IFP Energies nouvelles . مؤرشف من الأصل في 27 يناير 2018. تم الاطلاع عليه في 17 يوليو 2015 .
  21. ↑ شو، نينغ؛ ليو، شيشون؛ شين، فينغشيو؛ تشو، جي؛ جيا، هونغوا؛ شو، جيمينغ؛ جيانغ، مين؛ دونغ، ويليانغ (8 أغسطس 2019). "إنتاج الميثان الحيوي من اللجنين السليلوزي: مقاومة الكتلة الحيوية وتأثيراتها على الهضم اللاهوائي" . مجلة Frontiers in Bioengineering and Biotechnology . 7. doi : 10.3389/fbioe.2019.00191 . PMC 6694284 . 
  22. ↑ علي، شهباز؛ دار، مدثر أ.؛ لياقت، فخرا؛ سيثوباثي، سيفاسامي؛ راني، عابدة؛ خان، محمد إلياس؛ ريحان، محمد؛ تشو، داوتشن (أبريل 2024). "تحسين إنتاج الميثان الحيوي من الكتلة الحيوية الليغنوسليلوزية بواسطة مجموعة ميكروبية مطورة". سلامة العمليات وحماية البيئة . 184 : 1106-1118 . doi : 10.1016/j.psep.2024.02.037 .
  23. ↑ فان ويك، جيه كيه دي؛ رورك، دي سي إس؛ جورجينز، جيه إف؛ فان رينسبورغ، إي (ديسمبر 2025). "تحسين إنتاج الميثان الحيوي من مخلفات الليغنوسليلوز من خلال التنشيط الحيوي للهضم اللاهوائي". هندسة العمليات الحيوية والأنظمة الحيوية . 48 (12): 1983-1997 . doi : 10.1007/s00449-025-03223-4 . PMID 40826203 . 
  24. ↑ "أهم المواد الكيميائية ذات القيمة المضافة من الكتلة الحيوية المجلد الأول - نتائج فحص المرشحين المحتملين من السكريات وغاز التخليق" (PDF) .
  25. ↑ ناجاراجان، فيديا؛ موهانتي، عمار ك.؛ ميسرا، مانجوسري (4 مارس 2013). "المركبات الخضراء المستدامة: إضافة قيمة إلى المخلفات الزراعية والأعشاب المعمرة" . مجلة ACS للكيمياء والهندسة المستدامة . 1 (3): 325-333 . doi : 10.1021/sc300084z . ISSN 2168-0485 .