ع شده اند. با تمام مشکلات بحث برانگیز مربوط به سوختهای زیستی نسل اول، به نظر می رسد که این سوختها منبع اصلی ذخیره انرژی نامناسبی هستند. درعوض، سوختهای زیستی نسل دوم بهترین گزینه ای است که در حال حاضر وجود دارد. بیواتانول نسل دوم فقط به زیست توده سلولزی ارزان قیمتی به عنوان ماده اولیه نیاز دارد که در سرتاسر دنیا فراوان و سهل الوصول است. افزایش در سوختهای زیستی نسل اول که محصولات کشاورزی با ارزشی مانند نیشکر و ذرت را به عنوان ماده اولیه استفاده می کنند، دیگر ضروری نیست. درنتیجه قیمت بیواتانول با زیست توده ارزان بعنوان ماده اولیه با بنزین قابل رقابت است.
بیواتانول نسل دوم، سوخت های زیستی هستند که از منابع غیر خوراکی مانند زیست توده حاوی سلولز، همی سلولز ولیگنین تولید می شوند. به جز لیگنین، پلی ساکارید های بلند زنجیره هیدرولیز شده و مخلوطی از پنتوزها(C5) و هگزوزها(C6) را تولید می کنند. گلوکز یکی از هگزوزها و ماده اولیه فرایند تخمیر توسط آنزیم ها می باشد مثلاً در تولید اتانول از ذرت و نیشکر، تفاوت میان بیواتانول نسل اول و دوم این است که در نوع دوم به یک مرحله اضافی برای هیدرولیز زیست توده (بیومس) لیگنو سلولزی نیاز داریم همان طور که در شکل2 -1 نشان داده شده است .
اگر یک مرحله پردازش(تولید) اضافی در هیدرولیز لیگنو سلولز با گلوکز وجود داشته باشد، لیگنوسلولز از نظر دسترس پذیری بسیار فراوان و متنوع است. علاوه براین، به تقویت و افزایش کشاورزی در بیواتانول نسل اول که بازدهی (تولید) محصولات را مطابق با افزایش تقاضای ماده اولیه برای سوخت های زیستی افزایش می دهد، نیازی نیست. در نهایت، هزینه ماده اولیه برای لیگنو سلولز در مقایسه با محصولات کشاورزی کمتر است که برای بیواتانول نسل اول هزینه کل تولید به 70% می رسد. درنتیجه قیمت بیواتانول نسبت به سوختهای فسیلی مانند بنزین یا گازوئیل حالت رقابتی بیشتری خواهد داشت. منابع زیست توده لیگنو سلولزی برای تولید به سه نوع اصلی تقسیم شده است. یکی از آنها بقایای جنگل است که شامل چوب ها و کاه های باقی مانده از صنایع خمیر وکاغذ و عملیات قطع درختان می شود. تمام بقایای زیست توده سرشار از لیگنوسلولز است استفاده از آن به عنوان ماده اولیه مناسب می باشد و علاوه بر این، محصولات کشاورزی خاصی مانند گندم و محصولات با گردش زراعی کوتاه وجود دارند که برای اهداف کسب انرژی کشت شده اند. برای مثال گندم مانند میسکانتوس(میسکانتوس-گیگانتنوس) و سویچ گراس به عنوان راه حلی برای منابع فراوان و ارزان لیگنوسلولز وارد بازار شدند. مواد زائد درجه 2و3 نیز وجود دارد. مانند زباله های (جامد )شهری، کودهای حیوانی و زباله های ناشی از صنایع تولید موادغذایی، هالوفیتها تمام این منابع سرشار از لیگنو سلولز هستند و به جای استفاده از محصولات خوراکی مانند ذرت و نیشکر در بیواتانول نسل اول، این منابع بعنوان ماده اولیه بیواتانول استفاده می شود.
لیگنوسلولز بجز فراوان و ارزان بودن، مزایای زیست محیطی و تولید دیگری نسبت به محصولات کشاورزی متداول دیگر دارد. برای مثال، از نظر بازدهی تولید، گیاه میسکانتوس می توانند سالانه 40 تن در هکتار تولید شود. نیشکر یه مورد استثنایی است که بازدهی آن بسیار بالا یعنی85 تن در هکتار می باشد. در مقایسه با نیشکر که فقط در مناطق گرمسیری رشد می کند، طبق گزارشات گیاه میسکانتوس در برابر شرایط آب و هوایی مقاومت بیشتری دارد. بنابراین در اب و هوای سرد نیز به زیست خود ادامه می دهد. با وجود این نیشکر منبع سلولزی مهمی حساب می شود و به همراه باگاس(تفاله نیشکر) و کاه به عنوان ماده اولیه ارزان قیمت قابل استفاده اند.
جدول 2-1فراوانی نسبی قندهای موجود در اجزای کربو هیدراتی چوب (%وزنی) (گلدشتاین1981)
قندچوبهای نرمپوست چوبهای نرمچوبهای سختپوست چوبهای سختگلوکز65-6263-5773-5565-53زایلوز13-915-1139-2036-18مانوز16-716-64-4/03-3/0گالاکتوز17-65-14-16-1آرابینوز5-311-42-18-2رامنوز2-12-12-12-1اسیدهای ارگتنیک7-407-40جدول2-2 ترکیب گونه های مختلف زیست توده های سلولزی(%وزن خشک) (گلدشتاین،1981)
موادسلولزهمی سلولزلگنینخاکسترمواداستخراجیجلبک40-2050-20000پنبه 95-8020-5000علف40-2550-2530-1000چوبهای سخت47-4333-2824-168/0-4/08-2پوست چوبهای سخت40-2238-2055-301-6/08-4چوبهای نرم44-4029-2531-256/0-4/05-1پوست چوبهای نرم38-1833-1560-301-6/06-2ساقه ذرت47-3931-265-316-123-1در صورتی که بیواتانول نسل دوم به عنوان یک منبع مقرون به صرفه و بادوام انرژی محسوب شود، موانع و محدودیت هایی وجود دارند که باید بر طرف شوند. برای مثال، درحال حاضر تولید اتانول سلولزی گران تر از اتانول بدست آمده از ذرت یا نیشکر است. تاجایی که به اقتصاد مربوط می شود، اتانول سلولزی گزینه جالب توجه و ماندگاری برای حل مشکل افزایش قیمت نفت خام نیست. به جز فاکتور هزینه، مشکلات مربوط به دانش فنی، مسائل زیست محیطی و دسترس پذیری زیست توده نیز باید قبل از تولید اتانول سلولزی با فشار کامل به جای اتانول به دست آمده از محصولات زراعی شناسایی شده و بر طرف شوند.
تولید اتانول از موادلیگنو سلولزی شامل هیدرولیز بوده که پلیمر های سلولز را به قندهای قابل تخمیر میشکند، سپس فرآیند تخمیر را در پی داشته که قندها را به اتانول تبدیل می کند و در نهایت فرآیند تفکیک و جداسازی است که طی آن تصفیه و خالص سازی اتانول جهت تولید اتانول سوختی صورت می گیرد. با وجود این، برخی از محصولات جانبی همچون ترکیبات فوران در طول هیدرولیز شیمیایی آزاد شده و مانع از فعالیت مخمر در طول کشت می شوند که تلاشهایی در جهت غلبه بر این مشکلات صورت گرفته است(پواردی، 2008). هر چند، به دلیل قیمت بالای مواد لیگنو سلولزی اتانول عمدتأ از این مواد تولید نشده، اما پیش بینی می شود که استفاده از این ماده اولیه در آینده ای نزدیک افزایش چشمگیری خواهد داشت و علاوه بر اینکه منبع اصلی تولید اتانول گشته، بیش از دوسوم کل تولید اتانول درسال2050 را نیز در برمی گیرد.
جدول2-3ترکیب بازدهی مواد متفاوت برای تولید بیواتانول(پواری، 2008)
موادخاکسترهمی سلولزسلولزلگنینپتانسیل تولیداتانول(kg/kg)کاه گندم3/16/27341835/0شالی برنج9/187/22376/1334/0کاه جو1/7441/371146/0ساقه تنباکو4/22/284/422740/0باگاس06/247/392/2536/02-4-3-1 سلوز
فراوان ترین ترکیب آلی(پلی ساکارید) در طبیعت است حدود یک سوم وزن تمام گیاهان را تشکیل می دهد. مقدار تخمینی تولید آن در جهان40 میلیون تن در سال می رسد. سلولز پلیمری از گلوکز بتا است که در وضعیت طبیعی خود، زنجیره ای خطی متشکل از هزاران مولکول گلوکز است که توسط اتصالات گلیکوزیدی و به صورت رشته های موازی بهم متصلند. واحد اصلی تکرار شونده سلوبیوز می باشد. واحدهای پی درپی گلوکز در سلولز، نسبت به واحدهای مجاور خود180درجه به دور محور زنجیره گردش می کنند و لذا سلوبیوز انتهایی به یکی از دو شکل متفاوت استرونو شیمیایی ظاهر می شود. زنجیره پلیمر سلولز ساختار نواری مسطحی دارد که با پیوند هیدروژنی داخلی پایدار می گردند. سلولز در آب نامحلول است و قدرت کشش بالایی دارد و نسبت به تجزیه بسیار مقاومتر از سایر پلیمر های گلوکز نظیر نشاسته می باشد. فیبرهای سلولزی استحکام چوب را ایجاد کرده و شامل تقریبأ50-40 درصد وزنی چوب خشک است.
2-4-3-2 همی سلولز
در حالی که سلولز همو پلیمری خطی است. و ازگونه ای به گونه ای دیگر تفاوت چندانی ندارد، همی سلول هتروپلیمری پر انشعاب و معمولا غیر بلورین است. واحدهای قندی همی سلولز، شامل پنتوزها(دی زایلوزیاگزیلوز، ال آرابینز) و هگزوزها (دی-گالاکتوز، ال گالاکتوز، دیمانوز، ال رامنوز، ال فوکوز) و اسیدهای یورونیک(اسیددی-گلوکورونیک) هستند. این واحد ها بطور متغییر با استیل دار شدن و متیل دار شدن اصلاح می شوند. همی سلولز معمولاً 28 درصد از چوبهای نرم و 35 درصد چوبهای سخت راتشکیل می دهد. همی سلولز مخلوطی از مونوساکاریدهای پلیمرشده مختلف همچون گلوکز ومانوز، گالاکتوز، زایلوز، آرابینوز، اسیدگلوکرونیک و بقایای اسید گالاکترونیک است. زایلوز یک قند پنتوز است که از همی سلولز موجود در زیست توده های چوب سخت مشتق شده است. اما آرابینوز از قندهای پنتوز که از بقایای کشاورزی و دیگر گیاهان زراعی علفی همچون علف، مشتق شده است. در صورتیکه آرابینوز فقط 2الی4 درصد از کل پنتوز در چوبهای سخت را می سازد، همی سلولز متشکل از زنجیره های طولانی مولکول های قند است اما در برگیرنده گلوکز(قند شش کربنی) همراه با قند پنج کربنی نیز است. ساختار دقیق شکل گیری همی سلولز، می تواند بسته به نوع گیاه متفاوت باشد، از آنجایی که قند پنج کربنی شامل درصد بالایی از قندهای در دسترس است، توانایی احیای مجدد و تخمیر آنها به اتانول جهت کار آمدی و اقتصادی بودن فرایند حائز اهمیت است. اخیراٌ میکروارگانیزم های خاصی از نظر فنی مهندسی بررسی شده اند که می توانند قندهای پنج کربنی را با کارامدی بالایی به اتانول تبدیل نمایند. یک نمونه از میکروارگانیزم های از این نوع که توسط دانشگاه فلوریدا توسعه یافته است قادراست هم قند پنج کربنی و هم قند شش کربنی را تخمیر نماید. دیگر محققان میکروارگانیزم هایی با توانایی تخمیر موثر در حداقل بخشی از قند را توسعه دادند.
2-4-3-3 لگنین
لیگنین پلیمر مرکب و متقاطع و دارای اتصال عرضی، منومرهای پیوند فنلی بوده که ساختار مولکولی بزرگی را می سازند. این ماده در ساختمان دیواره سلولی وجود دارد و در مقابل حمله میکروبی و تنش اکسیدی غیر قابل نفوذ و مقاوم می باشد. لگنین در دیواره سلولی گیاهان، سرخسها، پنجه گرگیان و بویژه دربافت های آوندی انتقال مایعات