Обзор производства биоэтанола второго поколения из остаточной биомассы

В условиях изменения климата и истощения запасов ископаемого топлива существует острая потребность в альтернативах нефти для транспортного сектора. В настоящем обзоре представлен общий анализ производства биоэтанола второго поколения, который отличается от биотоплива первого и последующих поколений использованием лигноцеллюлозной биомассы в качестве сырья. Рассмотрены структурные компоненты лигноцеллюлозной биомассы — целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин, — а также основные технологические этапы: предварительная обработка, ферментативный гидролиз, ферментация, дистилляция и обезвоживание. Цель предварительной обработки — увеличить площадь поверхности углеводов, доступных для ферментативного осахаривания, одновременно минимизировав содержание ингибиторов. Ферментативный гидролиз высвобождает сбраживаемые сахара, которые микробные катализаторы превращают в этанол. Гидролизаты, полученные после предварительной обработки и ферментативного гидролиза, содержат широкий спектр сахаров, преимущественно глюкозу и ксилозу. Поэтому для проведения коферментации необходимы генетически модифицированные микроорганизмы. Избыток вредных ингибиторов в гидролизате, таких как слабые органические кислоты, производные фурана и фенольные соединения, перед ферментацией можно удалить путем детоксикации. Для эффективного осахаривания также необходимо использовать экзогенные гемицеллюлазы и целлюлолитические ферменты. Обычные виды дрожжей, применяемых в спиртовом производстве, не способны сбраживать пентозы с образованием этанола; лишь немногие природные микроорганизмы, включая дрожжи Candida shehatae, Pichia stipitis, Scheffersomyces stipitis и Pachysolen tannophilus, способны превращать ксилозу в этанол. Ферментативный гидролиз и ферментацию можно проводить несколькими способами: путем раздельного осахаривания и ферментации, одновременного осахаривания и ферментации либо в рамках консолидированного биопроцесса. Микроорганизмы, сбраживающие пентозы, можно получать с помощью генной инженерии путем введения в метаболизм выбранного микроорганизма генов, кодирующих утилизацию ксилозы, чтобы оптимизировать использование ксилозы, накапливающейся в гидролизате.