مروری بر تولید زیست سوخت اتانول با استفاده از فرآوری زیستی زیست توده

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادگروه زیست شناسی، دانشکده علوم، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران. مرکز تحقیقات بیوتکنولوژی و علوم زیستی ،دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران *(مسوول مکاتبات)

2 کارشناسی ارشد میکروبیولوژی، گروه زیست شناسی، دانشکده علوم، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران.

چکیده

جهت حفظ منابع فسیلی به عنوان مهم­ترین منبع تامین انرژی، بشر نیازمند یافتن منابع تجدیدپذیری برای این مواد است. از جمله گزینه‌های پیش رو زیست‌توده‌ است که قابلیت تبدیل به زیست‌سوخت‌ها را دارد. از جمله مهم‌ترین زیست‌سوخت‌های تولید شده اتانول است که به عنوان بهترین جایگزین برای بنزین شناخته شده است. تبدیل زیست‌توده به زیست‌سوخت طی یکی از فرآیندهای زیست‌پالایی به نام تبدیل زیستی انجام می‌شود که در آن ابتدا محتوای کربوهیدراتی زیست‌توده به قندهای ساده تبدیل شده، سپس قندها به اتانول تخمیر شوند. با توجه به ساختار سخت تجز‌یه‌شونده‌ مواد لیگنوسلولزی، انجام روش پیش‌تیمار ضروری به نظر می‌رسد که روش‌های متفاوتی از جمله تیمارهای فیزیکی و شیمیایی پیشنهاد شده است. در مرحله قندسازی، زیست‌توده تیمار شده تحت اثر آنزیم‌های تجزیه‌کننده قرار می­گیرد که بسته به نوع آنزیم‌های استفاده شده قندهای 5 یا 6 کربنه یا هردونوع تولید می‌شود و بر این اساس نوع میکروارگانیسم تخمیر کننده انتخاب می‌شود. برای بالا بردن بازده نهایی تجزیه و تخمیر، معمولا این دو مرحله را به‌صورت هم­زمان انجام می‌دهند. یکی از ابعاد مهم تحقیقات در زمینه تولید زیست‌سوخت‌ها به­خصوص اتانول، معطوف به توسعه روش‌های تخمیری است تا بازده نهایی تولید را افزایش دهند که از مهم­ترین این تحقیقات می‌توان به روش تخمیر دوفازی اشاره کرد.

کلیدواژه‌ها


 

 

 

 

 


 

 

فصلنامه انسان و محیط زیست، شماره 49، تابستان 98

 

مروری بر تولید زیست سوخت اتانول با استفاده از فرآوری زیستی[1] زیست توده[2]

 

حسین معتمدی [3] *

hhmotamedi@yahoo.com

ابوالقاسم هدایت خواه [4]

مصطفی عموپور بهنمیری 4

 

تاریخ دریافت: 01/09/1392

تاریخ پذیرش:14/03/1393

 

چکیده

جهت حفظ منابع فسیلی به عنوان مهم­ترین منبع تامین انرژی، بشر نیازمند یافتن منابع تجدیدپذیری برای این مواد است. از جمله گزینه‌های پیش رو زیست‌توده‌ است که قابلیت تبدیل به زیست‌سوخت‌ها را دارد. از جمله مهم‌ترین زیست‌سوخت‌های تولید شده اتانول است که به عنوان بهترین جایگزین برای بنزین شناخته شده است. تبدیل زیست‌توده به زیست‌سوخت طی یکی از فرآیندهای زیست‌پالایی به نام تبدیل زیستی انجام می‌شود که در آن ابتدا محتوای کربوهیدراتی زیست‌توده به قندهای ساده تبدیل شده، سپس قندها به اتانول تخمیر شوند. با توجه به ساختار سخت تجز‌یه‌شونده‌ مواد لیگنوسلولزی، انجام روش پیش‌تیمار ضروری به نظر می‌رسد که روش‌های متفاوتی از جمله تیمارهای فیزیکی و شیمیایی پیشنهاد شده است. در مرحله قندسازی، زیست‌توده تیمار شده تحت اثر آنزیم‌های تجزیه‌کننده قرار می­گیرد که بسته به نوع آنزیم‌های استفاده شده قندهای 5 یا 6 کربنه یا هردونوع تولید می‌شود و بر این اساس نوع میکروارگانیسم تخمیر کننده انتخاب می‌شود. برای بالا بردن بازده نهایی تجزیه و تخمیر، معمولا این دو مرحله را به‌صورت هم­زمان انجام می‌دهند. یکی از ابعاد مهم تحقیقات در زمینه تولید زیست‌سوخت‌ها به­خصوص اتانول، معطوف به توسعه روش‌های تخمیری است تا بازده نهایی تولید را افزایش دهند که از مهم­ترین این تحقیقات می‌توان به روش تخمیر دوفازی اشاره کرد.

کلمات کلیدی: زیست‌توده، زیست‌سوخت، اتانول، پیش‌تیمار، تخمیر.


 

Human & Environment., No. 49, Summer 2019

 

 

 

 


A review of Bioethanol production through biomass bioprocessing

 

Hossein Motamedi [5]*(Corresponding Author)

hhmotamedi@yahoo.com

Abolghasem Hedayatkhah[6]

Mostafa Amopour Bahnamiry 2

 

Abstract

In order to preserve fossil fuel reservoirs, it is necessary to find renewable resources. One option is biomass that can be converted to biofuels. One of the most important biofuels is ethanol that has been regarded as the best substituent for benzene. Bioconversion is one of the bioremediation methods in which, biomass is converted to biofuel. In this process carbohydrate content is converted to simple sugars and then fermented to ethanol. With regard to the unique structure of lignocellusic materials the pretreatment is necessary that can be done by physical and chemical methods. In saccharification, the biomass is degraded to 5 and/or 6 carbon sugars and then the fermenter microorganism is selected based on the produced sugar. In order to improve final yeild, usually this two steps will be done simulatneously. One of the most important subjects in biofuel production is development of fermentation methods to reach maximum yield one of them is biphasic fermentation.

Key Words: Biomass, Biofuel, Ethanol, Pretreatment, Fermentation.

 

 

 

 

 

 


مقدمه

 

انرژی کلید زندگی مدرن بشر  و تولید و منابع تأمین آن یکی از مهم­ترین دغدغه­های بشر امروزی است (1). سوخت­های فسیلی از مهم­ترین منابع تولید انرژی در جهان هستند و نفت خام به عنوان منبع­تامین آن­ها اهمیت بسیار بیش­تری از سوخت­های مشتق دارد. کاهش منابع نفتی و به تبع آن سوخت­های فسیلی حاصل از آن، افزایش تقاضای انرژی، بالا رفتن روز به روز قیمت آن و اثرات نامطلوب زیست محیطی ناشی از مصرف سوخت­های فسیلی (4-2)، سبب تهییج دولت­ها و موسسات علمی در احساس نیاز برای جایگزینی این منبع انرژی با منابعی دیگر است که امن، از لحاظ اقتصادی شدنی و به صرفه، تجدیدپذیر و دوست­دار محیط زیست باشند. منابع تجدید پذیر زیستی[7] و سوخت­های مشتق از آن­ها می­تواند وابستگی به مواد نفتی را کاهش داده، فرصت­های شغلی بومی (داخلی) ایجاد کرده و کیفیت محیط زیست را بهبود بخشد (3). زیست‌سوخت‌ها[8] دسته­ای از انرژی­های جایگزین[9] تجدیدپذیر[10]هستند که به کمک منابع تجدیدپذیر تولید می­شوند(4). اتانول، متانول، بوتانول، پروپانول، استون، بیوهیدروژن، بیوگاز و بیودیزل از جمله زیست‌سوخت‌ها هستند.

یکی از ابعاد مهم زیست‌پالایی انتخاب نوع ماده‌ خام است. در گذشته گزینه­های مختلفی­به عنوان سوبسترای­تولید زیست‌سوخت‌ها مورد بحث قرار گرفته­ و تولید آن­ها از مواد اولیه لیگنوسلولزی به عنوان یکی از بهترین انتخاب­ها مطرح شد، در نتیجه با جایگزین کردن غلات با مواد لیگنوسلولزی در تولید زیست‌سوخت‌ها می­توان مشکل تداخل سوبسترای تولید با زنجیره غذایی انسانی و غذای دام را حل کرده و نیز جلوی افزایش قیمت این دسته از مواد را گرفت (5). در فرآیند تبدیل زیستی[11] زیست‌توده به زیست‌سوخت‌ها عوامل مهمی اثر گذار است و نیازمند طی مراحل مختلفی است. برای تولید زیست‌سوخت‌هایی مانند اتانول و بوتانول از زیست‌توده انجام سه مرحله ضروری به نظر می‌رسد: پیش‌تیمار[12] ماده خام، تبدیل ماده خام به قندهای ساده قابل تخمیر و تخمیر این قندها به زیست‌سوخت مدنظر. یکی از چالش های اصلی در تولید بیواتانول از مواد لیگنوسلولزی، انتخاب یک تکنیک پیش تیمار مناسب و مقتضی است که نقش مهمی را در بالا بردن کیفیت و میزان قندسازی آنزیمی بازی می­کند و به موجب آن تمام مراحل تولید از لحاظ اقتصادی مطلوب یا نامطلوب می‌شود. همچنین نوع روش قندسازی و تخمیر اثرات مهمی در بازده نهایی خواهد داشت (6).

این مقاله سعی بر آن دارد تا با بیان اهمیت تولید زیست­سوخت­ها از منابع زیست توده­ای و بیان اهمیت بخش پیش تیمار زیست توده، مروری کوتاه بر مراحل مختلف این پروسه و انواع روش­های مورد استفاده در هر مرحله مانند انواع روش­های تیمار مواد لیگنوسلولزی داشته باشد و به مزایا و معایب هر کدام بپردازد.

زیست‌پالایی و نیاز به سوخت­های زیستی

منابع مورد نیاز بشر انواع گوناگونی دارد که اجزای ساده      یک غذا تا مواد کامپوزیتی بسیار پیچیده صنعتی را شامل می­شود. انرژی و منابع تامین آن یکی از ابعاد زندگی بشر است که نقشی حیاتی و تعیین کننده دارد (7). منابع و میزان تولید انرژی و حاملان آن در زندگی سیاسی کشورها، تعادل قدرت و جغرافیای سیاسی- اقتصادی آن­ها اثرگذار است. منابع انرژی را می­توان به سه دسته منابع فسیلی[13]، منابع تجدیدپذیر[14] و منابع قابل انشقاق[15] (ناپاک[16]) تقسیم بندی کرد(7) .منابع فسیلی شامل، نفت خام، قیر، ذغال سنگ، گاز طبیعی و غیره است. منابع انرژی تجدیدپذیر زیادی وجود دارند از جمله خورشید، باد، زمین گرمایی، امواج دریایی- اقیانوسی، زیست‌توده و غیره که البته زیست‌توده یکی از مهم­ترین آن­ها است. مهم­ترین منبع انرژی انشقاقی اورانیوم و توریوم است (4 و 7). 80% کل مطالبه انرژی در دنیا مربوط به نفت، گاز و ذغال سنگ است (8).    این حاملین انرژی نتیجه­ میلیون­ها سال انباشته شدن رسوبات موجودات است که در مقیاس زمان ژئولوژیکی، انسان فقط در چشم بر هم زدنی این منبع گران­بها را مصرف نموده است. هرچند در مقیاس­های زمانی طولانی این فرآیند تکرار پذیر است، اما در مقیاس زمانی زندگی بشر و نیز با توجه به حجم مصرف بسیار بالای این مواد توسط انسان، فرصت کافی برای بازتولید این مواد وجود ندارد. به عبارت دیگر تجدیدناپذیرند (4و 7). Campbell و  Laherrère (1998) تخمین زدند که قبل از سال 2010 تولید جهانی نفت کاهش پیدا خواهد کرد و تولید سالانه 25 میلیارد بشکه در سال 1998 به 5 میلیارد در سال 2050 می­رسد (2). هرچند پس از سال 2010 میزان تولید چندان کاهشی پیدا نکرد و حتی بعضی کشورهای اُپِک[17] افزایش تولید داشته­اند، اما کاهش میزان تولید که خود نشان از کاهش منابع و ذخایر نفت خام است امری دور از ذهن و واقعیت نیست. علاوه بر این تولید مقادیر بالای دی­اکسید­کربن، اکسیدهای نیتروژن و اکسیدهای گوگرد طی مصرف سوخت­های فسیلی اثرات نامطلوب زیست محیطی برجای می­گذارد. (4و 7). همه این موارد دست به دست هم می­دهد تا انسان    به­دنبال پیدا کردن یک منبع جایگزین برای سوخت­های فسیلی باشد. سوخت­هایی که هم تجدیدپذیر باشند و هم اثرات نامطلوب بر محیط زیست نداشته باشند و علاوه بر پایداری، قابلیت دسترسی و میزان تولید مطلوبی داشته باشند. در همین راستا منابع تجدیدشونده و پاکی همچون هیدروژن، زیست‌توده، خورشید، زمین گرمایی، امواج و باد مورد توجه محققان قرار گرفت (7). این­که کدام­یک از این منابع تجدیدپذیر نقش اصلی در زندگی آینده ما بازی می­کند به روشنی مشخص نیست و   به عواملی مانند میزان زمین مورد نیاز و در دسترس در آینده، نوآوری­های فنی آینده، سیاست­های محیطی تنظیم انتشار گازهای گلخانه­ای، کمک­های مالی دولتی برای استخراج و پردازش منابع غیر فسیلی و پشتیبانی مردمی از سوخت­های جایگزین، وابسته است (4).

زیست‌پالایی مجموعه­ای از پردازش­های زیستی، شیمیایی و فیزیکی است که طی آن محصولات مورد نیاز بشر از منابع زیستی تهیه می­شوند. معنی تحت اللفظی این واژه پالایشگاه زیستی است. همان­گونه که در یک پالایشگاه مواد نفتی، نفت برای تولید سوخت، پلاستیک و ترکیبات شیمیایی-نفتی فرآوری می­شود، در زیست‌پالایی، مواد خام کشاورزی، محصولات ثانویه و پسماندهای زیستی برای تولید محصولات گوناگونی مانند ترکیبات غذایی، ترکیبات دارویی و زیست‌سوخت‌ها فرآوری می­شوند؛ بسیاری از سوخت­های حاصل از زیست‌توده تنها زمانی صرفه­ی اقتصادی دارند که یک محصول جانبی[18] ارزشمند نیز طی فرآوری آن­ها قابل بازیافت باشد و کنترل کارآمد انرژی به­کار برده شود. زیست‌توده قدیمی­ترین منبع تامین انرژی برای انسان بوده است. این محصول حامل انرژی، به‌ صورت پیوسته و مداوم (تجدیدپذیر) انرژی خورشید را در خود ذخیره می­کند و می­تواند به‌صورت مستقیم یا غیر مستقیم به سوخت­های مایع تبدیل شود (9). تبدیل زیست‌توده به سوخت می­تواند هم تولید کننده سوخت­های مایع مانند سوخت­های پایه الکلی و بیودیزل، که جانشین­های مناسبی برای سوخت­هایی مانند بنزین هستند (4، 13-10)، و         هم سوخت­های گازی شکل مانند بیوگاز و بیوهیدروژن باشد (4، 11، 17-14) و یا آن­که در حالت جامد به عنوان سوخت مصرف شوند که همان شکل کهن سوزاندن مواد چوبی است.  به عبارت دیگر، تنوع بالا در شکل­های تولید، ذخیره و مصرف وجود دارد. در حالت دیگر زیست‌توده می­تواند به صورت مستقیم یا غیر مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل شود (4، 11، 14، 18). مشتق­سازی از زیست‌توده به زیست‌سوخت می­تواند هم از زیست‌توده‌ با مصرف خوراکی و هم از زیست‌توده‌ غیر خوراکی انجام شود (7).  بعضی زیست‌سوخت‌ها مانند انواع روغن که از گیاهان و جلبک­ها استخراج می­شود، محصول مستقیم فتوسنتز است، بعضی­ها مانند اتانول تولید شده توسط مخمرها و باکتری­ها، حاصل مشتق سازی و تبدیل زیست‌توده است و بعضی دیگر مانند هیدروژن می­تواند از هر دو مسیر تولید شود. جدول 1 میزان انرژی سوخت­های معمول را نشان می­دهد (4).

 

 

جدول 1- مقدار چگالی انرژی سوخت­های معمول(4)

محتوای انرژی

(GJ/m3)

چگالی

(kg/m3)

چگالی انرژی

(kJ/g)

نوع سوخت

0128/0

0898/0

0/143

هیدروژن

0387/0

7167/0

0/54

متان(گاز طبیعی)

1/39

850

0/46

دیزل شماره 2

6/32

740

0/44

بنزین

6/35

885

2/40

بیودیزل

0/28

800

0/35

ذغال سنگ

5/23

794

6/29

اتانول

6/17

790

3/22

متانول

5/5

270

4/20

نرم چوب­ها

8/2

160

5/17

باگاس

2/1

130

2/16

سبوس برنج

6/10

1280

3/8

نفت تجزیه شده با حرارت

 

 

اتانول یا اتیل الکل، یکی از منابع جایگزین و امید بخش سوخت­های فسیلی است که بسیار مورد توجه قرار گرفته است. این ماده از معمول­ترین الکل­ها است و به راحتی می­توان آن­را طی فرآیند تخمیر از غلات (نشاسته)، آب­میوه­ها و هر منبع دیگری که بتوان قند آن را در اختیار میکروارگانیسم تخمیرگر قرار داد، تولید کرد (4، 11). اتانول که توسط هنری فورد "سوخت آینده" نام گرفت، به چند دلیل معمول­ترین سوخت الکلی شده است (11):سمیت آن از سایر الکل­ها کم­تر است و نیز محصولات ثانویه حاصل از اکسیداسیون ناقص اتانول (استیک اسید و استالدئید) سمیت کم­تری از محصولات ثانویه حاصل از اکسیداسیون ناقص سایر الکل­ها دارد. در هر غلظتی در آب حل می­شود. می­توان آن­را از محصولات کشاورزی (گیاهی) تجدیدپذیر (شکر، ملاس، ذرت، لیگنوسلولز و ...) تولید کرد. در نتیجه         بر محصولات نفتی تجدیدناپذیر ارجح است. از لحاظ قابلیت تجاری سازی و صرفه اقتصادی، اتانول ( و پس از آن متانول) قابلیت پویایی برای مصرف به عنوان سوخت را دارند. در حال حاضر آمریکا و برزیل بیش­ترین تولید اتانول زیستی را دارند (19). می­توان آن­را به‌صورت مستقیم و یا در حالت­های مخلوط[19] با بنزین در موتورهای احتراقی مصرف کرد. هرچند متانول و بوتانول نیز قابلیت افزودن به بنزین را دارند، اما اتانول انتخاب رایج است. معمول­ترین حالت­های ترکیبی اتانول و بنزین سوخت­های E10 و E85 هستند که به ترتیب دارای نسبت­های 10% اتانول :90% بنزین و 85 % اتانول : 15% بنزین می­باشند (11، 19). در سال­های اخیر اتانول به عنوان سوخت در سلول­های سوختی اتانولی مستقیم و سلول­های زیست سوختی[20] پیشنهاد شده است.

سوبسترای تولید اتانول

تولید اتانول به روش زیستی به واسطه تخمیر بسیاری از قندهای ساده امکان پذیر است. به این ترتیب هر ماده­ قندی یا هر ماده ای که از هیدرولیز آن بتوان قند تولید کرد می­تواند ماده خام یا همان سوبسترای تولید اتانول باشد. یکی از مشکلات تولید اتانول در دسترس بودن سوبسترای تولید است (20). قیمت این سوبستراها، تجدیدپذیر بودن آن­ها و مشکلات اجتماعی نیز نقش مهمی در انتخاب نوع سوبسترای تولید دارد (4). مواد خام در سه دسته طبقه بندی می­شود: الف- مواد خام محتوی قند مانند نیشکر، چغندر، سورگوم شیرین و میوه­ها؛ ب- مواد خام نشاسته­ای مانند ذرت، گندم، برنج، سیب­زمینی و ج- مواد خام لیگنوسلولزی (19، 20).

تولید اتانول از زیست‌توده لیگنوسلولزی به نام نسل دوم تولید[21] شناخته می­شود و نسبت به تولید آن از قندها و نشاسته (نسل اول تولید[22]) دارای مزایای انرژتیک، اقتصادی، محیطی و حتی سیاسی- اجتماعی بیش­تری است و با توجه به مزایای  قابل توجه مواد لیگنوسلولزی، تمرکز محققان و شرکت­ها به سمت استفاده از زیست‌توده لیگنوسلولزی معطوف شده است(14، 21).


در ایران پسماندهای زیست‌توده‌ای کشاورزی و صنعتی فراوانی وجود دارد مانند کاه برنج، کاه گندم، باگاس نیشکر، ملاس نیشکر، پسماند صنایع تولید کاغذ، کاه حبوبات و  غیره. اما باگاس نیشکر وکاه برنج از جمله مواد لیگنوسلولزی پسماندی، تجدید شونده و فراوان در دنیا و از مهم­ترین پسماندهای کشاورزی ایران هستند که بیش­تر مقادیر آن­ها بدون هیچ استفاده‌ای سوزانده می‌شود. این مواد دارای مقدار بالایی سلولز و همی­سلولزاند که می­توانند به آسانی به قند تخمیرشونده، تجزیه شوند (6، 22).

ساختمان زیست‌توده

ساختار چوب

در دیواره سلولی بسیاری از گیاهان الیاف سلولزی در میان ماده‌ای زمینه‌ای و غیر بلورین از دو بیوپلیمر دیگر به نام لیگنین و همی­سلولز، محصور شده است (شکل 1) و ترکیبی به نام لیگنوسلولز را می­سازند که بیش از 90 % وزن خشک سلول گیاهی را به خود اختصاص می­دهد. سلولز و همی­سلولز قابلیت تبدیل شدن به اتانول را دارند و لیگنین را می­توان به عنوان نوعی زیست‌سوخت مصرف کرد. جدول شماره­ی2  بیان­گر درصد سلولز و همی­سلولز و میزان تولید اتانول از لحاظ نظری در بعضی غلات است.



جدول 2- درصد سلولز و همی­سلولز در بعضی غلات و میزان نظری تولید اتانول (4)

سوبسترا

درصد سلولز

درصد همی‌سلولز

مقدار تولید اتانول (L/Kg)

علوفه ذرت

9/36

3/21

43/0

باگاس

1/39

5/22

45/0

کاه گندم

6/39

4/26

48/0

کاه برنج

6/38

7/19

42/0


سلولز

 

سلولز جزء اصلی ساختار دیواره اولیه در سلول­های گیاهی و فراوان­ترین پلیمر بیوسفر است که به­طور معمول بین 20 تا 45 % از وزن خشک سلول­های گیاهی را تشکیل می­دهد (23، 24). پلی­ساکاریدی رشته­ای خطی از واحدهای D-گلوکزبا اتصال گلیکوزیدی (4"1)β است (23، 27-25) که ساختار آن در شکل 1 نشان داده شده است. فیبریل­های سلولزی در دیواره‌ سلول­های گیاهی به دو شکل بسیار منظم و با اتصالات مستحکم به نام نواحی بلورین[23] و دیگری شکل غیر منظم[24] به نام نواحی غیربلورین وجود دارند (شکل 2). ساختار بلورین نسبت به ساختار غیر بلورین در برابر تجزیه بسیار مقاوم­تر و سخت تجزیه‌شونده­تر است و یکی از موانع مهم در فرآیند تولید زیست سوخت­ها می‌باشد، چرا که این نوع گردهم‌آیی ساختار مقاومی در برابر نفوذ آنزیم­ها و حتی مولکول­های بسیار کوچکی مانند آب ایجاد می‌کند(23، 25).

 

 شکل1- ساختار سلولز. در شکل سه رشته از یک فیبر سلولزی نشان داده شده است که در زنجیره وسط       یک واحد گلوکز تکرار شوند سلوبیوز مشخص شده است(26)

 

شکل2- ساختار کریستالی و بدون شکل فیبر سلولز (23, 28)

 

همی سلولز

پس از سلولز، همی­سلولز مهم­ترین نقش را در ساختار دیواره سلولی سلول­های گیاهی ایفا می­کند و در واقع رابط اتصالی بین سلولز و لیگنین است. این ترکیب برخلاف سلولز، هتروپلیمر و خطی است(25). قندهای پنتوزی، قند­های غالب در آن هستند که مهم­ترین آن­ها زایلان می­باشد. زایلان توسط مخمرهای معمول     تولید­کننده­ اتانول مانند  Saccharomyces cerevisiae  قابل تخمیر نیست، ولی توسط بعضی دیگر مثل جنس Pichia قابل مصرف و تخمیر به اتانول است (6، 27). همی­سلولز ساختاری غیربلورین دارد و به صورت جزئی در آب حل می­شود و اگرچه نسبت به سلولز بسیار سریع­تر تجزیه می­شود، اما حضور آن یک عامل مهم برای مقاومت سلولز در برابر تجزیه است (24، 25).

لیگنین

این ماده شبکه پیچیده سه بعدی و آبگریز است که از کنار هم قرارگرفتن تصادفی واحدهای فنول پروپانوئید با ساختاری نامنظم تشکیل شده و نسبت به سلولز سخت­تر تجزیه می­شود. این ماده می­تواند به عنوان زیست‌سوخت استفاده شود. دارای اثر مهارکنندگی بر روی آنزیم‌های تجزیه‌کننده کربوهیدرات­ها است؛ بدین‌صورت که آنزیم­ها به صورت غیر قابل بازگشت به آن پیوند شده و در نتیجه بازده کلی فعالیت هیدرولیز آنزیمی را کاهش می­دهد (6، 23، 25، 29).

سایر ترکیبات

به­جز سه ترکیب اصلی ذکر شده در ساختار دیواره‌ سلول گیاهی ترکیبات دیگری نیز وجود دارند مانند مونو و دی­ساکاریدهای آزاد (پیوند نشده) در کمپلکس دیواره، اسیدهای چرب، موم الکل­ها و غیره . علاوه بر این­ها باقی­مانده زیست‌توده پس از سوزاندن در دمای °C30 ± 575 نیز تحت عنوان خاکستر موجود در زیست‌توده شناخته می­شود (30).

تبدیل زیست‌توده لیگنوسلولزی به زیست سوخت

همان­گونه که قبلا ذکر شد برای تبدیل مواد لیگنوسلولزی به زیست سوخت سه مرحله ضروری وجود دارد که در ادامه توضیح داده خواهند شد.

تیمار

در فرآیند تبدیل زیستی زیست­توده به زیست سوخت­ها     عوامل مهمی اثر گذار است که پیش تیمار گام مهم و اول است.  با استفاده از یک روش تیمار مناسب می­توان زیست­توده را به مواد قندی قابل مصرف برای میکروارگانیسم تبدیل کرد تا میکروارگانیسم تخمیرگر با مصرف این قندها زیست­سوخت   مورد نظر را تولید کند (4). از آن­جا که زیست‌توده گیاهی از ترکیبات پلیمری کربوهیدرات­های نامتجانس[25] تشکیل شده است و سلولز و همی­سلولز به صورت متراکمی توسط لایه­هایی از لیگنین بسته­بندی شده است تا از هیدرولیز آنزیمی حفاظت شوند، داشتن یک پیش تیمار برای شکستن سد لیگنینی، کاهش درصد کریستاله بودن سلولز و یا متخلخل کردن زیست‌توده با حذف بخشی از ترکیبات تشکیل دهنده غیر از سلولز، به منظور در معرض قرار گرفتن سلولز و همی­سلولز، برای فعالیت آنزیمی ضروری به نظر می­رسد. فرآیندهای تیماری تغییر دهنده­ ویژگی­های فیزیکی (افزایش سطح، ظرفیت جذب، افزایش تخلخل، قابلیت دسترسی سلولاز به سلولز با افزایش سطح در دسترس سوبسترا) و شیمیایی (تغییر در محتوای کربوهیدرات، لیگنین، تبلور، درجه پلیمریزاسیون یا میزان کریستاله بودن سلولز) زیست‌توده است که این واقعه خود می­تواند سبب ایجاد تغییرات مثبت (مثل بهبود عملکرد آنزیم­ها، افزایش سطح و میزان دسترسی آنزیم به سوبسترا، کاهش مهارگرها، افزایش بازده نهایی تولید و ...) و یا تغییرات منفی (افزایش هزینه، تولید مهارگر و ...) در فرآیند تولید بیواتانول شود (6، 22، 25). در واقع هدف اصلی تیمار زیست‌توده افزایش سطح در دسترس کربوهیدات­ها به­خصوص سلولز برای آنزیم­های تجزیه کننده است و بسته به نوع آن اثرات ویژه­ای بر اجزای لیگنینی، همی­سلولزی و سلولزی دارد. تیمارها شامل روش­های فیزیکی، شیمیایی و حرارتی یا ترکیبی از این­ها می­باشد و تیمار یکی از مراحل فرآوری بسیار گران در فرآیند تبدیل زیست‌توده‌های سلولزی به قندهای قابل تخمیر است. در نتیجه باید متناسب با مرحله بعدی تیمار، تجزیه آنزیمی و تخمیر و اهداف آن­ها یک فرآیند تیماری پیشرفته و به صرفه از لحاظ اقتصادی را انتخاب کرد (21). عوامل کلیدی که برای انتخاب نوع تیمار باید به همه یا بخش زیادی از آن­ها دقت شود عبارتند از:

مواد جامد تیمار شده باقی مانده با قابلیت تجزیه پذیری بالا،  عدم تجزیه قابل توجه کربوهیدرات­های ساختاری به­خصوص سلولز (در بعضی تیمارها هدف تیمار حذف همی­سلولزاست)، حداقل تولید ترکیبات سمی و مهارکننده، ، بازده بالا برای انواع علوفه­ها و پسماندهای گیاهی و زمان­های برداشت محصول، قابلیت بازیافت لیگنین، حداقل مصرف انرژی (حرارت و انرژی) و غیره (21).تیمار زیست‌توده به روش­های گوناگونی انجام می­شود که به­طور کلی شامل موارد زیر است:

تیمار فیزیکی

این تیمار سطح سوبسترای در دسترس و اندازه­ منافذ را افزایش داده و میزان کریستالیزه بودن و درجه پلیمریزه بودن را کاهش می­دهد.

 الف- خرد کردن و آسیاب کردن

معمولا این مرحله، مرحله­ ابتدایی از تیمار برای هر زیست‌توده است که اندازه­ی اجزای آن را کاهش می­دهد. این روش تا    حد زیادی سبب کاهش درجه کریستالیزه بودن سلولز می­شود.

ب- تابش پرتو الکترونی[26]

بخش­های سلولزی مواد لیگنوسلولزی می­توانند تحت تاثیر پرتوافکنی به فیبرهای شکننده، الیگوساکاریدهایی با وزن مولکولی کم و سلوبیوز تبدیل شوند. روش پرتوافکنی        بسیار گران قیمت و با مصرف انرژی بسیار بالا و مشکلاتی در کاربردهای صنعتی همراه است.Jin  و همکاران روی کاه خشک و آسیاب شده برنج، تیمار فیزیکی تابش پرتوالکترونی را انجام دادند که نتایج آن در فرآیند هیدرولیز بعد از 132 ساعت، معادل تولید 1/52 % گلوکز است، در حالی­که از هیدرولیز کاه برنج خالص 6/22% گلوکز حاصل شده است. از آن­جایی که    در این روش از حرارت بالا استفاده نمی­شود، از تولید         مواد مهارکننده­ای که طی تیمار اسیدی یا قلیایی در دمای بالا تولید می­شوند، دوری شده و یا تولید آن­ها به حداقل می­رسد(6).

ج- تیمار با امواج مایکروویو

پرتوافکنی مایکروویو فراساختار سلولز را به هم می­ریزد، لیگنین و همی­سلولز را می­شکند و قابلیت آنزیم پذیری مواد لیگنوسلولزی را افزایش می­دهد. هیدرولیز آنزیمی کاه برنج، به­واسطه تیمار با امواج مایکروویو و در حضور آب و نیز در حضور محیط گلیسرین با میزان آب کم­تر می­تواند افزایش پیدا کند (6) این روش نیز بسیار انرژی‌بر است.

 تیمار شیمیایی

آنزیم­ها نمی­توانند بدون تیمار شیمیایی، مواد لیگنوسلولزی را به­طور موثری به قندهای قابل تخمیر تبدیل نمایند.

الف- تیمار قلیایی

تیمار قلیایی شامل کاربرد محلول­های بازی مثل NaOH  ، KOH و یا آمونیاک برای حذف لیگنین و مقداری از همی­سلولز است و به­طور کارآمدی قابلیت دسترسی آنزیم به سلولز را افزایش می­دهد. تیمار قلیایی روش بسیار موثری برای شکستن پیوندهای استری میان لیگنین، همی­سلولز و سلولز می­باشد و نیز سبب مهار تکه تکه شدن پلیمر همی­سلولزی شود. اثر اصلی تیمار NaOH بر زیست‌توده‌ لیگنوسلولزی، لیگنین­زدایی آن با شکستن پیوندهای استری عامل اتصالات عرضی لیگنین و زایلان و در نتیجه افزایش تخلخل سوبسترا می­باشد. در تیمار با آمونیاک، لیگنین­زدایی بدون باقی گذاشتن اثر قابل توجهی بر روی محتوی کربوهیدراتی رخ می‌دهد.    این روش یک تیمار بسیار موثر است به­خصوص برای سوبستراهایی که مقدار لیگنین کمی دارند مانند پسماندهای کشاورزی و ذخایر علوفه­ای(35-31). آمونیاک در مقایسه با سایر قلیاها مثل هیدروکسید سدیم و یا آهک تمایل بیش­تری برای حذف لیگنین دارد و لیگنین تولید شده در آن بر خلاف اکثر روش­های قلیایی فاقد سولفور و سود است؛ آمونیاک اثر تورمی[27] قابل توجهی بر مواد لیگنوسلولزی دارد و همچنین به سبب فراریت بالای آن، بازیابی آن بسیار آسان است (32). دو روش تیمار آمونیاکی در دسترس است، یکی روش [28]ARP و دیگری روش SSA [29] می­باشد(31، 36، 37)، اولی فرآیندی تیماری با شدت و حدت بالا و مدت زمان کم است و دومی با شدت پایین ولی مدت زمان انجام بیش­تر است. فرآیند جریان­دار که بازچرخه­ تراوش آمونیاک نامیده می­شود (ARP) [30] برای پیش تیمار توسعه یافته است. در این فرآیند آمونیاک از میان بستری از زیست‌توده که در 170 درجه سانتی­گراد نگه­داری می­شود، پمپ می­گردد. با این روش 85% لیگنین حذف می­شود و تقریبا از لحاظ نظری بازده تولید گلوکز در فرآیند هیدرولیز آنزیمی افزایش پیدا می­کند (4). خیساندن در آمونیاک آبدار (SAA) [31] و تیمار در دمای ملایم در طیف دمایی 40 تا 90 درجه سانتی­گراد، و مدت زمان واکنش طولانی­تر، می­تواند سبب حفظ پلیمرهای گلوکان و زایلان بیش­تری در نمونه­ها شود که متعاقباً در فرآیند قندسازی و تخمیر همزمان مورد استفاده قرار می­گیرد. میزان موثر بودن روش SSA به میزان بالایی وابسته به دمای تیمار است (33-31). تیمارSAA هنوز یک روش جدید است و میزان اثر آن برای بسیاری از سوبستراهای لیگنوسلولزی با کاربرد صنعتی، هنوز آزمایش نشده است (6). از جمله سایر مطالعات روی این روش می‌توان به مطالعات Kim و همکاران (2009)، Li و همکاران (2010) و هدایت‌خواه و همکاران (2011) بر روی مواد مختلفی مانند کاه برنج، باگاس و علوفه ذرت اشاره کرد که بازده های گوناگونی از 60 تا بیش از 90 % در تجزیه‌ آنزیمی را گزارش داده‌اند (40- 38). یک روش دیگر تیمار قلیایی  روش  AFEX[32] است که از آمونیاک بدون آب به­جای آمونیاک آبدار استفاده می­کند. مشابه روش ARP و روش SAA، آمونیاک مصرف شده در روش AFEX می­تواند به علت فرار بودن بالای آن بازیابی شده و به چرخه باز گردد. بخار خروجی مخلوطی از گاز شامل آمونیاک و بخار آب است. همه ترکیبات زیست‌توده در ماده تیمار شده­ جامد، باقی می­ماند. در نتیجه هیچ جزء کربوهیدراتی از دست نمی­رود. پس از تبخیر کردن همه آمونیاک، هیچ نیازی برای تنظیم pH نمی­باشد و مواد تیمار شده می­توانند متعاقباً تحت هیدرولیز آنزیمی و سپس تخمیر اتانولی قرار بگیرند. هیدرولیز آنزیمی سوبسترا پس از تیمار AFEX می­تواند سبب بازده نظری 90 % در تولید گلوکز و تا 80 % زایلوز شود. در این واکنش هیچ ماده­ مهاری تولید نمی­شود (4). AFEX به عنوان یک روش موثر در تیمار کاه برنج، با اتلاف 3%  قند، گزارش شده است (41). این روش دارای محدودیت­هایی است که از آن جمله می‌توان به مصرف شدن آمونیاک طی واکنش با لیگنین و خنثی شدن آن طی واکنش با استات و دیگر بافرهای شناخته شده موجود در زیست‌توده اشاره کرد. هرچند مقدار زیادی از آمونیاک وارد شده به فرآیند تیمار قابل بازیافت است اما میزانی از آمونیاک (معادل 2 تا 5 % از زیست‌توده خشک)، به صورت غیر قابل بازگشتی طی این فرآیند مصرف می‌شود. مشکل دیگر قابلیت خورندگی است. آمونیاک           یک خورنده ملایم (معتدل) است، اما خورندگی آن از اسیدسولفوریک در دمای بالا بسیار کم­تر است و در مجموع مشکل فنی مهمی برای طراحی و اجرای یک فرآیند تیماری ایجاد نمی­کند(33).

ب- تیماراسیدی

تیمار اسیدی مواد لیگنوسلولزی در دمای محدود سبب افزایش تجزیه پذیری بی­هوازی آن می­شود. تیمار اسیدی سبب محلول شدن همی­سلولز می­شود و به این وسیله سلولز را بهتر در دسترس آنزیم قرار می­دهد و معمولا با اسیدهای معدنی مثل اسید کلریدریک و یا اسید سولفوریک انجام می­شود. به دنبال تیمار با اسید رقیق، آنزیم­های سلولازی برای هیدرولیز باقی‌مانده­های کربوهیدرات در زیست‌توده‌های تیمار شده،   مورد نیاز می­باشند. این تیمار می­تواند در یک مرحله ساده با غلظت مناسب از اسید سولفوریک رقیق و در یک دمای مناسب و طی یک دوره زمانی انجام شود. برای کاهش دادن میزان آنزیم مورد نیاز برای تجزیه، یک روش دو مرحله­ای نیز در NERL در گُلدن­کُلرادو[33] توسعه یافته است(6، 19، 22، 38).

ج) تیمار با عوامل اکسید کننده

این تیمار شامل اضافه کردن یک ترکیب اکسید کننده  مثل هیدروژن پراکسید یا پراستیک اسید به زیست‌توده مخلوط شده با آب است. این روش همی­سلولز و لیگنین را حذف می­کند تا سلولز در دسترس قرار بگیرد. تیمار با پراکسید هیدروژن از لیگنین زدایی اکسیداتیو استفاده می­کند تا لیگنین را جدا و حل نماید و سبب سست و شل شدن ماتریکس لیگنوسلولزی شود تا در نتیجه­ آن تجزیه پذیری آنزیمی را بهبود بخشد (6 ، 25).

تیمار با حلال­های آلی[34]

این تیمار میزان تجزیه پذیری آنزیمی را عمدتاً به واسطه لیگنین­زدایی، حذف همی­سلولز و ماندن بقایای غنی از سلولز افزایش می­دهد که این سلولز می­تواند تا درصد بالایی با آنزیم هیدرولیز شود؛ همچنین سبب افزایش بازده نظری تولید گلوکز می­شود. کاهش درجه­ کریستاله بودن سلولز با این تیمار هنوز به روشنی مشخص نیست، اما این مشخص شده که میزان تورم سلولز شدیدا وابسته به نوع حلال آلی، غلظت و دمای آن است. این تیمار از حلال­های آلی داغ مانند اتانول با pH اسیدی برای تجزیه ترکیب زیست‌توده‌ای استفاده می­کند. از جمله مشکلات آن­گران­تر بودن آن است اما جداسازی و بازیافت حلال به کار رفته می­تواند هزینه­های عملیاتی فرآیند را پایین آورد. حذف حلال از سلولز تیمار شده نیز معمولا لازم است، چرا که ممکن است سبب مهار فرآیند تجزیه یا تخمیر و یا تجزیه و هضم   مواد حاصل از هیدرولیز شود (6). شاید مهم­ترین عامل مطلوب این فرآیند تیماری باقی ماندن لیگنین حذف شده تقریبا خالص باشد (مانند تیمار آمونیاکی)(21).

 تیمار زیستی

اکثر روش­های تیماری زیستی بر روی لیگنین­زدایی متمرکز شده است. این تیمار مزایای مهمی مانند مصرف کم انرژی و مواد شیمیایی را ارایه می­کند، اما یک سیستم کنترلی و        به اندازه­ کافی سریع برای این روش پیدا نشده است. مهم­ترین مزایای بازتیمار[35] زیستی عبارت است از مصرف کم             مواد شیمیایی و انرژی. از معایب تیمارهای شیمیایی نیاز به تجهیزات مقاوم به خوردگی، نیاز به شستن بسیار وسیع در آن و دفع مناسب زباله­های شیمیایی است؛ در حالی­که تیمار زیستی یک روش امن و سازگار با محیط زیست برای حذف لیگنین از مواد لیگنوسلولزی است. میکروارگانیسم­های بسیار امید بخش در این زمینه، قارچ­های عامل پوسیدگی سفید و به­خصوص بازیدیو­مایست­ها هستند. بررسی­هایی در این زمینه انجام شده که از گونه­های مخمر Saccharomyces به عنوان عامل تخمیری استفاده کرده­اند و به بازده بالایی از تولید اتانول دست پیدا کرده­اند (6 ، 21).

تیمار مرکب

اکثر روش‌های تیماری که در حال حاضر به کار گرفته می‌شوند، ترکیبی از روش‌های ذکر شده در بالا هستند؛ به عنوان مثال ترکیب تیمار فیزیکی با تیمار آمونیاکی (38، 42)، ترکیب تیمار فیزیکی و اسیدی(22)، ترکیب تیمار آمونیاکی، حلال آلی و فیزیکی(38) و بسیاری از ترکیب‌های ممکن دیگر.

تجزیه آنزیمی

هیدرولیز آنزیمی دومین مرحله در تولید اتانول از مواد لیگنوسلولزی است که شامل شکستن پلیمر سلولزی و همی سلولزی توسط آنزیم­ها است (6). فرآیند تیماری انجام یافته   بر روی سوبسترای خام در بازده نهایی فرآیند تجزیه آنزیمی بسیار موثر است. ساختار سلولز و همی­سلولز به اندازه­ای پیچیده است که یک نوع آنزیم به تنهایی نمی­تواند تجزیه­ مناسبی را داشته باشد؛ به همین دلیل در فرآیند تجزیه آنزیمی مواد لیگنوسلولزی از چند نوع آنزیم استفاده می­‌شود که هر کدام بر سوبسترای اختصاصی خود اثرگذار است (25). سه گروه عمده آنزیمی برای تجزیه­ کربوهیدرات­های موجود در زیست­توده استفاده می‌شود: سلولازها، بتاگلوکوزیدازها و زایلانازها.

همی­سلولز پلیمری از چندین قند شامل گلوکان، زایلان، گالاکتان، مانان و آرابینان است که تا حدودی توسط آنزیم­های سلولازی و بتاگلوکوزیدازی شکسته می‌شود، اما برای تجزیه­ بهتر این پلی­ساکارید باید از آنزیم زایلاناز استفاده کرد. سلولز پلیمری خطی از گلوکز با پیوند بتا (1،4) است، در نتیجه به تبع محصول اصلی هیدرولیز سلولز، گلوکز است که برای انجام این هیدرولیز از آنزیم­های سلولاز و بتاگلوکوزیداز استفاده می‌شود؛ در حالی­که محصولات تجزیه همی­سلولز چندین نوع قند پنتوزی و هگزوزی است. محصول اصلی تجزیه سلولز، گلوکز یا سلوبیوز و سلودکسترین­ها است که نهایتا به گلوکز تجزیه می‌شود (43). حضور همی­سلولز یک عامل مهم برای مقاومت سلولز در برابر تجزیه است و آنزیم زایلاناز خارجی اضافه شده به عنوان مکمل، افزایش قابل توجهی در تجزیه آنزیم سوبسترای لیگنوسلولزی تیمار شده و دارای همی­سلولز دارد، اما محصولات تجزیه­ای همی­سلولز خود می­تواند اثر مهارکنندگی بر فعالیت آنزیم سلولاز داشته باشد (25). میزان بالای لیگنین، دسترسی آنزیم به سوبسترا را محدود می­کند و باعث مهار تولید محصول نهایی و کاهش سرعت و بازده هیدرولیز می‌شود. سلوبیوز و گلوکز که خود محصولات تجزیه کربوهیدرات­ها به­خصوص سلولز هستند، مهارگران قوی آنزیم­های سلولازی هستند (6). به­طور کلی عوامل زیر، عوامل محدود کننده­ فرآیند تجزیه آنزیمی هستند (21):

* درجه­ کریستاله بودن سلولز: هر چه درجه کریستاله بودن و پلیمریزاسیون بیش­تر باشد بازده کلی آنزیم را کم­تر خواهد کرد، چرا که مرحله اول تجزیه آنزیم طولانی­تر خواهد شد. البته      به تنهایی عامل موثر نیست چرا که آنزیم‌هایی وجود دارند که حتی در درجه پلیمریزاسیون بالا بازده تجزیه­ای مطلوبی دارند (مانند سلولازوم­ها[36]).

* درجه پلیمریزه بودن سلولز (تعداد باقی‌مانده­های گلیکوزیلی به ازای هر رشته­ سلولز): به درجه­ی کریستاله بودن وابسته است. حذف زایلان­ها در کاهش آن اثر بیش­تری دارد تا حذف لیگنین.

* منطقه­ سطحی در دسترس سوبسترا: از عوامل اصلی موثر بر تجزیه سوبسترا است و هدف اصلی بسیاری از تیمارها افزایش میزان آن است.

* مانع لیگنینی (مقدار و نحوه توزیع): حضور لیگنین و همی­سلولز دسترسی آنزیم به سوبسترای سلولزی را سخت می­کند. لیگنین علاوه بر این­که مانع فیزیکی است، می­تواند به آنزیم متصل شده و در نتیجه سبب پیوند غیر مولد (بدون تولید محصول) آنزیم شود. امروزه تحقیقات به این سو گراییده است که نه تنها لیگنین از سوبسترای لیگنوسلولزی حذف شود، بلکه به دنبال بازیافت آن در زیست‌پالایی برای مصارف دیگر (مانند زیست سوخت) هستند.

*محتوای همی سلولزی: حذف همی سلولز سبب افزایش تخلخل و در نتیجه افزایش دسترس­پذیری به سلولز است. همچنین بازیافت و تجزیه همی­سلولز عامل افزایش بازده بازیافت قند و    به دنبال آن افزایش بازده تولید اتانول از روش تخمیری مطلوب و میکروارگانیسم تخمیر­گر مناسب است. از سوی دیگر درجه استیلاسیون همی­سلولز فاکتور موثر دیگر است چرا که لیگنین و همی­سلولز با گروه­های استیل به هم متصل شده­اند.

*اندازه­ اجزای سوبسترا: بر سطح در دسترس آنزیم اثر گذار است.

* تخلخل: هرچه بیش­تر باشد قابلیت دسترسی آنزیم به سوبسترا بیش­تر است.

تجزیه سلولز

سلولز توسط مولتی آنزیمی به نام سلولاز تجزیه می‌شود که   این آنزیم­ها به صورت سینرژیسم  تجزیه­ سلولز را انجام می­دهند. برای تجزیه سلولز بلورین به گلوکز به سه نوع اصلی از آنزیم­ها نیاز است که عبارتند از :

* اندوگلوکونازها[37]: این آنزیم­ها به طور تصادفی به زنجیره­ سلولز حمله برده، پیوندهای (4"1)β گلیکوزیدی را می­شکنند. این آنزیم در تجزیه سلولز بلورین چندان موفق نیست. اندوگلوکاناز اولین حمله کننده به سلولز برای کاهش درجه­ پلیمریزه شدن آن است که با شکست درونی اتصالات سلولز در ناحیه        بدون شکل (غیر بلورین) انتها­های دیگری را که مستعد فعالیت اگزوگلوکاناز است، ایجاد می­کند.

*اگزوگلوکونازها[38] یا سلوبیوهیدرولازها[39]: این آنزیم­ها واحدهای گلوکز یا سلوبیوز را (اغلب) از انتهای احیا و غیر احیای زنجیره های سلولز آزاد می‌کنند. فعالیت این آنزیم برای تجزیه­ سلولز بلورین ضروری است. سلوبیوز فرآورده­ اصلی فعالیت این آنزیم، اثر مهاری بر فعالیت سلوبیوهیدرولازی و اندوگلوکانازی دارد.

* بتاگلوکوزیدازها[40] یا سلوبیازها[41]:این آنزیم ها سلوبیوز و      سایر سلودکسترین­های محلول در آب را به گلوکز تبدیل می­‌کنند (23).

در مجموع تجزیه سلولز از دو مرحله تشکیل شده است ؛      طی یک مرحله سلولز توسط یک رشته از آنزیم­ها به سلودکسترین­ها و سلوبیوز تبدیل می‌شود و طی مرحله دوم به کمک آنزیمی دیگر، سلوبیوز به گلوکز تبدیل می­شود. مرحله اول مرحله کند واکنش است، درحالی که بخش دوم سریع­تر انجام می‌شود.

تجزیه همی­سلولز

بیش­تر فرآیند تجزیه­ این ماده بر روی تجزیه زایلان متمرکز شده است که بیش­ترین جزء تشکیل دهنده­ همی­سلولز است. به دلیل فراوانی زیاد زایلان در لیگنوسلولز تبدیل اقتصادی این ماده در بعضی از فرآیندها بسیار مهم است، مثل فرآیند تولید الکل.  تجزیه­ زایلان یک مرحله­ی مهم در تولید اتانول از لیگنوسلولز است که سبب افزایش بازده تولید قند از لیگنوسلولز و به تبع افزایش بازده تولید محصول مورد نظر است. دو دلیل مهم دیگر در بررسی تجزیه­ زایلان، یکی در فناوری تهیه کاغذ است که طی تهیه خمیر کاغذ از چوب و عمل­آوری خمیر کاغذ پسابی تولید می­‌شود که دارای درصد بالایی از زایلان­ها می­باشد، از سوی دیگر این پساب­ها وارد آب نهرها و رودخانه­ها شده و سبب آلودگی آن­ها می­شود. موضوع دیگر آن­که پسماندهای کشاورزی نیز دارای مقادیر قابل توجهی زایلان هستند. تجزیه زایلان نیز مانند سلولز فرآیند پیچیده­ای است ولی نسبت به سلولز راحت­تر است. تجزیه زیستی کامل        این ماده به عملکرد هماهنگ چندین آنزیم از اندو و اگزوآنزیم­ها نیاز دارد مانند: (4"١)β زایلاناز، βگزیلوزیداز، استیل زایلان استراز و غیره(23).

در مرحله‌ قندسازی از ترکیبی از بتاگلوکوزیدازها و گلوکاناز استفاده می‌شود. اثر مقادیر و ترکیبات متفاوتی از این آنزیم‌ها توسط محققان زیادی بررسی شده‌اند اما آزمایشگاه ملی انرژی آمریکا که تعداد زیادی پروتکل آزمایشگاهی در تولید انرژی ارایه داده است، مقادیر 30 تا 60 واحد آنزیمی (FPU) از آنزیم سلولاز (گلوکانازها) و 15 تا 30 واحد (CBU) از بتاگلوکوزیدازها به ازای هر گرم سوبسترا پیشنهاد داده است. در تست تجزیه آنزیمی معمولا برای جلوگیری از آلودگی محیط با رشد باکتری‌ ها و قارچ‌ها از آنتی‌بیوتیک‌هایی مانند تتراسایکلین و سیکلوهگزامید استفاده می‌شود (19، 44، 45). البته هر چه مقدار آنزیم‌ها به ازای گرم سوبسترا اضافه شود، مقدار قند بیش­تری آزاد می‌شود و در نتیجه به بازده‌های بالاتری از تجزیه می‌توان دست پیدا کرد؛ اما از آن­جا که آنزیم‌ها بسیار گران قیمت هستند از لحاظ اقتصادی این عمل به صرفه نیست. در نتیجه در مقیاس تجاری پیشنهاد می‌شود که آنزیم‌ها در بیوراکتورهای جداگانه‌ای تولید شوند. برای این امر مطالعات گوناگون و میکروارگانیسم‌های متفاوت از نیچ‌های اکولوژیک متفاوت مانند دریا، دستگاه گوارش حشراتی مانند موریانه و نیز جنگل‌ها شناسایی شده‌اند که می‌توانند مقادیر مطلوبی از این آنزیم‌ها را تولید نمایند (7، 11، 27، 48-46).

 تخمیر

اجزای سلولزی مواد لیگنوسلولزی می­توانند پس از تجزیه­ آنزیمی توسط میکروارگانیسم­های تخمیر کننده مورد استفاده قرار گرفته و در شرایط مناسب، اتانول تولید نمایند. طی فرآیندهای تجزیه­ای کربوهیدرات­های لیگنوسلولزی، گلوکز و زایلوز به عنوان بیش­ترین قندها تولید می­شوند، اما قندهایی مانند مانوز، گالاکتوز و آرابینوز نیز تولید می­شوند. از لحاظ نظری هر کیلوگرم گلوکز و زایلوز تولید شده قابلیت تولید 510 گرم اتانول و 490 گرم دی­اکسید کربن را دارد (19). قندهای حاصل از تجزیه­ آنزیمی می­توانند طی مراحل هم­زمان قندسازی و تخمیر(SSF)[42] به اتانول تبدیل شوند یا در دو مرحله جدای قندسازی (تجزیه­ی آنزیمی) و تخمیر (SHF)[43]. به دلیل پتانسیل هزینه­ای کم­تر، SSF بیش­تر مورد توجه است (22). فرآیند SSF نوعی فناوری تجزیه و تخمیر است که به علت هم­زمان بودن قندسازی و تخمیر نسبت به مهار فرآیند مقاوم­تر است، درحالی که در SHF تفاوت دمایی میان هیدرولیز آنزیمی و تخمیر وجود دارد. بسیاری از مقالات دمای بهینه برای تجزیه­ی آنزیمی را در 50-40 درجه­ی سانتی­گراد ذکر کرده­اند، این در حالی است که میکروارگانیسم­هایی که تولید و بازده خوبی از اتانول را دارند  قادر به تحمل این دما نمی­باشند.     این مشکل می­تواند با استفاده از میکروارگانیسم­های تحمل کننده­ گرما مثل Kluyveromyces marxianus، Candida  lusitaniae، Zymomonas mobilis یا استفاده از کشت مخلوط بعضی از میکروارگانیسم­ها مثل Brettanomyces clausenii و Saccharomyces cerevisiae برطرف شود (6). راه دیگر استفاده از یک مرحله پیش‌تیمار است، به عنوان مثال در 50 درجهی سانتی­گراد به مدت 24 ساعت که با اضافه کردن میکروارگانیسم­ها در دمای پایین مناسب ادامه می­یابد که به این فرآیند SSF ناهم­دما گفته می‌­شود (NSSF)[44] (22).

فرآیند هیدرولیز و تخمیر مجزا

در این فرآیند عمل تجزیه­ آنزیمی جدای از تخمیر انجام می­‌شود، در نتیجه می­توان شرایط مناسب برای تجزیه­ی بهینه توسط آنزیم را فراهم کرد سپس محصول تجزیه­ای را برداشت کرده، سمیت­زدایی کرده و در اختیار میکروارگانیسم تخمیرگر قرار داد (هر دو گروه قندهای 5 و 6 کربنه در یک بیوراکتور تخمیر می­شوند). برای تخمیر می­توان از یک میکروارگانیسم یا از چند میکروارگانیسم (کنسرسیوم) استفاده کرد. در فرآیندهایی که از کنسیرسیوم میکروارگانیسمی استفاده شده است، هدف اصلی تخمیر هر دو نوع قندهای 6 کربنه و 5 کربنه بوده است.

فرآیند تخمیر را می­توان در دو مرحله انجام داد؛ در مرحله­ اول محصول تجزیه­ای وارد بیوراکتور تخمیر کننده گلوکز می­‌شود و پس از پایان تخمیر، اتانول از آن تقطیر می­‌شود. سپس باقی­مانده به بیوراکتور تخمیرگر زایلوز منتقل شده و در آنجا زایلوز به اتانول تبدیل شده و در نهایت اتانول تولید شده را برداشت می­‌کنند. اولین مزیت SHF این است که تجزیه و تخمیر در شرایط بهینه خود انجام می­شوند اما عیب این حالت این است که از آن­جایی که سلولازها توسط محصول نهایی خود (سلوبیوز و گلوکز) مهار می­شوند، در نتیجه بازده هیدرولیز سلولز به­طور پیش­رونده­ای طی تجمع گلوکز و سلوبیوز کاهش می­یابد(4، 6، 19).

فرآیند قند سازی و تخمیر هم­زمان

در این فرآیند در زمانی که تجزیه­ آنزیمی در حال وقوع است، میکروارگانیسم­های تخمیرگر نیز در محیط وجود دارند و       با مصرف قندهای تولید شده طی فرآیند تجزیه­ای اثر منفی محصول (گلوکز، سلوبیوز و زایلوز) بر آنزیم را رفع می­‌کنند (19). مشکل مهار آنزیم توسط محصول در هیدرولیز آنزیمی همان که در روش SHF نمود دارد با روش SSF  برطرف شده ولی خود SSF مشکل دیگری دارد و آن این­که در این روش سرعت واکنش تخمیر به واسطه­ سرعت هیدرولیز آنزیمی محدود می‌شود (49). با این حال فرآیند SSF بازده بالاتری از SHF دارد. از دیگر مزایای آن می‌توان به این موارد اشاره کرد: این افزایش بازده با استفاده از دمای بهینه 37 درجه سانتی­گراد است؛ از آن­جا که اثر مهاری محصولات تجزیه­ای بر آنزیم­ها    به حداقل رسیده است در نتیجه بارگذاری کم­تری از آنزیم برای این فرآیند نیاز است؛ خود این­ها عاملی برای صرفه جویی اقتصادی است (19). مزایای اصلی  SSFرا این­گونه گزارش داده‌اند: افزایش نرخ تجزیه با تبدیل قندهایی که اثر مهاری برآنزیم­ها دارند، نیازمندی به مقادیرکم­ترآنزیم، بازده محصول بالاتر، نیازمندی کم­تر برای شرایط استریل، زمان کم­تر در فرآیند، احتیاج به بیوراکتورهای کم­تر (از لحاظ حجمی، حجم نیازمندی تقریبا به نصف کاهش می­یابد).

از آن­جا که   SSFمعمول­تر ازSHF است این روش دچار تحولات شده و در مطالعات گوناگون به دنبال افزایش کیفیت  این روش بوده‌اند. در نتیجه علاوه بر روش عمومی SSF، سه روش از این روش مشتق شده‌اند:

الف- فرآیند قند سازی و تخمیر هم­زمان ناهم دما: این روش به نوعی ترکیبی از SHF و SSF است. در این روش در مرحله اول سوبسترا به مدت 24 ساعت در دمای بهینه آنزیمی در معرض آنزیم‌ها قرار می‌گیرد. پس از این مدت محیط به دمای بهینه تخمیر رسانیده می‌شود و سپس میکروارگانیسم تخمیرگر به محیط اضافه می‌گردد. از آن­جا که 24 ساعت اول مهم­ترین زمان در تجزیه آنزیمی است، مزیت این روش این است که   این مرحله 24 ساعت آنزیم در شرایط بهینه خود فعالیت می‌کند، درنتیجه بازده اولیه آنزیم دریافت شده است، سپس با مصرف قندهای تولید شده توسط میکروارگانیسم تخمیرکننده آنزیم‌ها دوباره فعالیت کرده و در نتیجه مقدار بیش­تری قند نسبت به روش SSF تولید می‌کنند (50، 51).

ب) SSCF[45]: در این روش تجزیه و تخمیر علاوه بر آنزیم‌های تجزیه‌کننده سلولز از تجزیه‌کنندگان همی‌سلولز مانند زایلانازها نیز استفاده می‌شود و برای تخمیر، هم‌­زمان با کمک            دو میکروارگانیسم انجام می‌شود. یکی از میکروارگانیسم‌ها قندهای 5 کربنه را مصرف نموده آن­ها را به زیست‌سوخت مورد نظر تبدیل می‌کند؛ در مورد اتانول از سویه‌هایی مانند Escherichia coli KO11 و یا گونه­های             Pichia stipitis استفاده می‌شود. هم‌زمان با این فرآیند قندهای       6کربنه توسط میکروارگانیسم دیگری مانند Saccharomyces cerevisiae تبدیل به اتانول می‌شوند. در نتیجه طی این فرآیند هم‌زمان هر دو گروه قندهای 6 کربنه و 5 کربنه تولیدشده در تجریه آنزیمی برای تولید اتانول مصرف می­شوند (19).

ج- فرآیند دو مرحله­ای قند سازی و تخمیر هم­زمان               ( (TPSSF[46]: این روش به نوعی روش تغییر یافته SSCF است. منتهی در این روش تخمیر قندهای 5 کربنه و 6 کربنه در دو مرحله یا فاز متفاوت انجام می‌شود. در فاز اول یک گروه از آنزیم‌های تجزیه‌کننده - سلولازها یا همی‌سلولازها- و میکروارگانیسم مطلوب آن به محیط اضافه می‌شود. پس از 48 تا 96 ساعت، گروه دوم آنزیمی و میکروارگانیسم تخمیرگر مطلوب اضافه می‌شود. این روش نسبت به روش SSF و SSCF بازده بالاتری دارد. خود این روش مجددا دچار تغییراتی شد و  تحت عنوان SSF آبشاری -CSSF [47]- برای تولید اتانول ارتقا داده شد. فرآیند TPSSF یا SSF دوفازی توسط Li و همکاران انجام یافت که طی آن ابتدا باکتری

 E. coli دست­ورزی شده برای تخمیر 5 کربنه­ها در محیط تلقیح شده و پس از پایان مدت تخمیر (72ساعت) مخمر ساکارومایسز که در تخمیر 6 کربنه­ها بسیار قدرتمند است، به محیط تلقیح شد (به مدت 72 ساعت). Li و همکاران گزارش داده­اند که تولید در فرآیندهای تخمیر دوفازی از تخمیر با     یک میکروارگانیسم بازده بالاتری دارد (29, 52).

میکروارگانیسم­ها

برای فرآیند تخمیر اتانولی می­توان از سویه­های گوناگون مولد اتانول[48] با ویژگی­های متفاوت استفاده کرد، اما برای تولید اتانول از قندهای 6 کربنه‌ S.  cerevisiae از بهترین گزینه­هاست که علاوه بر بازده بالای تولید، مقاومت خوبی نیز به محصول (اتانول) و نیز مهارکننده­ها دارد. مطالعات بسیاری بر روی  این مخمر انجام شد که مهم­ترین اهداف آن­ها عبارت بوده‌اند از: بهینه‌سازی دمای تخمیر، بهینه‌سازی شرایط اکسیژن، بهینه‌سازی و افزایش بازده تولید اتانول، بالابردن تحمل مخمر به اتانول، بالابردن توان تحمل مخمر به مهارکننده‌های تخمیر مانند فورفورال. از میان باکتری­ها نیز E. coli دست‌ورزی شده ژنتیکی، Klebsiella oxytoca و Zymomonas mobilis امیدوار کننده­ترین گونه­ها در مقیاس­های صنعتی هستند. باکتری  Z. mobilisبه­خاطر تولید سریع و کارآمد اتانول و نیز 5 % بازده تولید بالاتر نسبت به سویه های سنتی مولد اتانول به خوبی شناخته شده است به گونه­ای که توانایی تولید اتانول بالای 12 % وزنی/حجمی، معادل 97% بازده نظری را داراست. البته استفاده از این میکروارگانیسم مشکلاتی دارد که مهم­ترین آن تولید محصولات ثانویه فراوان و با مقادیر نسبتاً بالاتر در مقایسه با سایر سویه­های صنعتی است. امروزه برای تولید مقادیر بالاتر، مصرف قندهای 5 کربنه، مقاومت بالاتر به مهارکننده­ها و نیز غلظت اتانول، فرآیندهای مهندسی ژنتیک زیادی صورت گرفته است از جمله در NREL [49] وزارت انرژی آمریکا و FCRC [50]دانشگاه فلوریدا (19).

میکروارگانیسم­های مولد اتانول را می­توان بر اساس سازگاری­ها و نیازمندی­های تخمیر آن­ها نیز شرح داد از جمله طیف دمای تخمیر، pH مورد نیاز و طیف تحمل، اختصاصیت (قند و ...)، مقاومت به اتانول، مقاومت به مهارگرها، توان تولید، سرعت رشد، نیازمندی­های اکسیژن، بازده تولید، مقاومت اسمزی، پایدرای ژنتیکی، محصولات ثانویه و میزان تولید آن­ها.

اکثر میکروارگانیسم­های دست­ورزی شده ژنتیکی مزوفیل هستند. بسیاری از سویه­های صنعتی نیز مزوفیل هستند. گونه­های    Saccharomysces و گونه­هایE. coli دست­ورزی شده بهترین رشد را در دمای 37 درجه سانتی­گراد دارند (19) درحالی­که مصرف کنندگان قندهای 5 کربنه مانند گونه­های Pichia در دماهای زیر 35 درجه سانتی­گراد تولید بهتری دارند. وقتی که هدف استفاده از کشت همراه[51] باشد نیز معمولا از دماهای بین 28 تا 35 درجه سانتی­گراد استفاده می‌شود؛ امروزه بیش­تر تخمیرهای کشت همراه در دمای 30 درجه سانتی­گراد انجام می­‌شود. از آن­جای که pH برابر 5، pH بهینه برای تخمیر همراه توسط سویه­های S. cerevisiae و         P. stipitis است اکثر تخمیرهای همراه را در این pH انجام می­دهند و این pH معمولا با استفاده از هیدرات سدیم، هیدرات پتاسیم، یا کلرید هیدروژن در 5/7-5/4 کنترل می‌شود؛ این برای زمانی است که هر دو سویه­ تخمیرگر، مخمر باشند، اما زمانی که از باکتری­ها در کشت همراه استفاده شود معمولا pH در 6 تا 7 کنترل و نگه­داری می­‌شود (53).

 بعضی از فرآیند­های تخمیری از سویه­های ترموفیل استفاده می‌­کنند، باکتری Clostridium thermocellum از سویه­های ترموفیل تولید کننده اتانول است که دمای بهینه تولید برای این باکتری 60 درجه سانتی­گراد است (23، 27، 53). این سویه علاوه بر قابلیت تولید اتانول قادر به تولید سلولازها نیز هست که فعالیت سلولازی مایع رویی حاصل از کشت این سویه در محیط­های سلولزی برابر فعالیت سلولازی قارچ Trichoderma reesei[52] است (23, 27). باکتری­ها اکثراً در طیف pH برابر 5/6 تا 5/7 تولید بهتری دارند، در حالی که قارچ­ها و مخمرها تحمل کننده­ طیف pH بین 5/3 تا 5 هستند و سویه­هایی مانند ساکارومایسز در pH معادل 5/5 بهترین تولید را دارند (19).

 یکی دیگر از عوامل موثر در فرآیند تخمیر میزان اکسیژن  مورد نیاز محیط است. اگر اکسیژنی در محیط نباشد، مخمر قادر به رشد و بازسازی دیواره خود نیست، در نتیجه اگر مقدار تلقیح اولیه کم باشد، میزان تولید بسیار کم خواهد بود اما اگر تلقیح به اندازه­ای باشد که مخمر بدون رشد هم بتواند میزان تولید مناسبی داشته باشد، یا باکتری به اندازه مطلوب رشد کرده باشد، وجود یا ادامه دادن شرایط هوازی سبب مصرف قند از سازوکارهای هوازی تولید انرژی می­‌شود، در نتیجه قندها وارد سازوکار تخمیر اتانولی نخواهند شد و به تبع تولید اتانولی نیز صورت نمی­گیرد. اگر هدف مصرف قندهای 5 کربنه باشد مشکل دوچندان می­‌شود، چرا که اکثر مسیرهای جذب قندهای 5 کربنه از محیط نیازمند مصرف اکسیژن است و از سوی دیگر در صورت وجود اکسیژن بالا اتانول تولیدی توسط سویه­های مولد مصرف می­‌شود به­خصوص در گونه­های Pichia، و اگر هم اکسیژن در محیط نباشد جذب قندی و در نتیجه تولید اتانول انجام نمی­‌شود. لذا برای مخمر­های تولید کننده اتانول از قندهای 5 کربنه معمولا شرایط میکروآئروفیل در نظر گرفته می‌شود که یا در بیوراکتورهای بسته با تنظیم میزان اکسیژن وارد شده به محیط این عمل انجام می­‌شود و یا در بیوراکتورهای درباز مانند ارلن (پوشیده شده با پنبه) فرآیند تخمیر انجام می­‌شود که در این حالت شیکر در دور پایین   مورد  استفاده قرار می­گیرد ( بین 50 تا 70 دور در دقیقه) که این حالت سبب ایجاد شرایط میکروآئروفیل برای مخمر می­‌شود. در حالت دیگر می­توان درصد حجم مورد استفاده از ظرف تخمیر را بالا برد و از همان شرایط هوادهی و شیک معمول استفاده کرد، مثلا به جای بارگذاری 100 میلی­لیتر در ارلن 250 میلی­لیتری، حجم 150 میلی­لیتربارگذاری محیط انجام شود که در این حالت نیز تقریبا شرایط میکروآئروفیل برای مخمر فراهم می­‌شود (55-53).

بحث و نتیجه­گیری

امروزه زیست‌پالایی زیست‌توده لیگنوسلولزی به زیست‌سوخت‌ها به‌صورت روزافزونی مورد توجه قرار گرفته است. اتانول از جمله مهم­ترین این زیست‌سوخت‌ها و بهترین جایگزین برای بنزین است که مورد استقبال جهانی قرار گرفته است. تولید آن از منابع زیست‌توده‌ای طی فرآیندهای تبدیل زیستی انجام می‌شود و نیازمند مراحل گوناگونی است که هم باید از لحاظ هزینه‌ای مقرون به‌صرفه باشد و هم اثرات نامطلوب زیست‌محیطی نداشته باشد. لیگنوسلولز را می‌توان طی فرآیند تجزیه آنزیمی کربوهیدرات‌ها و متعاقب آن تخمیر قندها به بیواتانول تبدیل کرد. اما لیگنوسلولز دارای ساختاری مقاوم به تجزیه است، لذا انواع روش‌های تیماری برای بالا بردن سطح دسترسی آنزیم‌ها به محتوای کربوهیدراتی سوبسترا پیشنهاد شده که هر کدام مزایا و معایب خود را دارند. انتخاب روش تیماری مناسب می­تواند موجب افزایش بازده تولید قند و       به دنبال آن افزایش تولید الکل گردد. این امر با توجه به منابع در دسترس انتخاب می­شود که البته تیمارهای شیمیایی کاربردی­تر از سایر تیمارها هستند و به­خصوص اگر سیستم تیمار به گونه­ای طراحی شود که ماده استفاده شده قابلیت بازیافت داشته باشد، هزینه تولید کاهش خواهد یافت. تیمار آمونیاکی در ایران از جمله تیمارهای کاربردی است که بازده بالا و از نظر هزینه­ها مقرون به صرفه است.  از آن­جا که محتوای کربوهیدراتی در لیگنوسلولز ترکیبی از قندهای 5 کربنه و 6 کربنه است، استفاده از روش‌های تجزیه و تخمیر مقتضی برای رسیدن به حداکثر بازده ممکن ضروری است. نوع آنزیم‌های مورد استفاده و نوع میکروارگانیسم تخمیرگر از مهم­ترین عوامل در بازده نهایی تولید اتانول، به­خصوص در مقیاس تجاری است.

منابع

  1. Sonnenenergie DGf, ECOFYS., 2005. Planning and Installing Bioenergy Systems: A Guide for Installers, Architects, and Engineers, 2 ed, vol. 1. Earthscan, UK
  2. Campbell, CJ., Laherrère, JH., 1998. The end of cheap oil. Scientific American, Vol. 278, pp.5-6
  3. Isci, A., 2008. Cellulosic ethanol production via aqueous ammonia soaking pretreatment and simultaneous saccharification and fermentation. Ph.D. 3316217. Iowa State University, United States, Iowa
  4. Drapcho, CM., Nhuan, NP., Walker, TH., 2008. Biofuels. Engineering Process Technology. 1 ed. McGraw-Hill, United States. pp. 50-169
  5. Kim, Y., 2007. Metabolic engineering of Escherichia coli for ethanol production without foreign genes. Ph.D. 3299343. University of Florida, United States, Florida.
  6. Binod, P., Sindhu, R., Singhania, RR., Vikram, S., Devi, L., Nagalakshmi, S., Kurien, N., Sukumaran, RK., Pandey, A., 2010. Bioethanol production from rice straw: An overview. Bioresource Technology,  Vol. 101, pp.4767-4774
  7. Demirbas,  A., 2009. Biofuels securing the planet's future energy needs, 1 ed. Springer Verlag, London.
  8. Goldemberg, J., 2007. Ethanol for a Sustainable Energy Future. Science,  Vol. 315, pp.808-810.
  9. Teymouri, F., 2003. Ammonia fiber explosion (AFEX) treatment of corn stover and effects of AFEX treatment on plant-produced heterologous cellulase. Ph.D. 3100510. Michigan State University, United States, Michigan.
  10. NREL., 2006. Handbook for Handling Storing and Dispensing E85, p. 31. U.S. Department of Energy
  11. Minteer, S., 2006. Alcoholic Fuels illustrated ed. CRC/Taylor & Francis, BosaRoca.
  12. Nagy, M., 2009. Biofuels from lignin and novel biodiesel analysis. Ph.D. 3394437. Georgia Institute of Technology, United States, Georgia
  13. Prasad, S., Singh, A., Joshi, HC., 2007. Ethanol as an alternative fuel from agricultural, industrial and urban residues. Resources, Conservation and Recycling, Vol. 50, pp.1-39.
  14. Balat, M., 2009. Political, economic and environmental impacts of biomass-based hydrogen. International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 34, pp.3589-3603.
  15. Weiland, P., 2010. Biogas production: current state and perspectives. Appl Microbiol Biotechnol, Vol. 85, pp.849-860.
  16. Kaparaju, P., Serrano, M., Thomsen, AB., Kongjan, P., Angelidaki, I., 2009. Bioethanol, biohydrogen and biogas production from wheat straw in a biorefinery concept. Bioresource Technology, Vol. 100, pp.2562-2568.
  17. Nguyen, T-AD., Kim, K-R., Kim, MS., Sim, SJ., 2010. Thermophilic hydrogen fermentation from Korean rice straw by Thermotoga neapolitana. International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 35, pp. 13392- 13398  
  18. Deng, L., Shang, L., Wen, D., Zhai, J., Dong, S., 2010. A membraneless biofuel cell powered by ethanol and alcoholic beverage. Biosens Bioelectron, Vol. 26, pp.70-73.
  19. Balat, M., Balat, H., Öz, C., 2008. Progress in bioethanol processing. Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 34, pp.551-573.
  20. Balat, M., 2011. Production of bioethanol from lignocellulosic materials via the biochemical pathway: A review. Energy Conversion and Management, Vol. 52, pp.858-875.
  21. Alvira, P., Tomás-Pejó, E., Ballesteros, M., Negro, MJ., 2010. Pretreatment technologies for an efficient bioethanol production process based on enzymatic hydrolysis: A review. Bioresource Technology, Vol. 101, pp.4851-4861.
  22. Karimi, K., Emtiazi, G., Taherzadeh, MJ., 2006. Ethanol production from dilute-acid pretreated rice straw by simultaneous saccharification and fermentation with Mucor indicus, Rhizopus oryzae, and Saccharomyces cerevisiae. Enzyme and Microbial Technology, Vol. 40, pp.138-144.
  23. Lynd, LR., Weimer, PJ., van Zyl, WH., Pretorius, IS., 2002. Microbial cellulose utilization: fundamentals and biotechnology. Microbiology and Molecular Biology Reviews, Vol. 66, pp.506-577.
  24. Agbogbo, FK., Wenger, KS., 2007. Production of ethanol from corn stover hemicellulose hydrolyzate using Pichia stipitis. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology, Vol. 34, pp.723-727.
  25. Gupta, R., 2008. Alkaline pretreatment of biomass for ethanol production and understanding the factors influencing the cellulose hydrolysis. Ph.D. 3317316. Auburn University, United States, Alabama.
  26. Nelson, DL., 2008. Lehninger Principles of Biochemistry. W H Freeman & Co.
  27. Hedayatkhah, A., 2008. Cellulose Degradation, Microorganisms, Usage, B.Sc., Shahid Chamran University of Ahvaz-SCU, Ahvaz, Iran
  28. Prescott, LM., Harley, JP., Klein, DA., 2002. Microbiology. McGraw-Hill
  29. Li, X., 2010. Bioethanol production from lignocellulosic feedstock using aqueous ammonia pretreatment and simultaneous saccharification and fermentation (SSF): process development and optimization. M.S. 1480111. Iowa State University, United States, Iowa
  30. Sluiter, A., Hames, B., Ruiz, R., Scarlata, C., Sluiter, J., Templeton, D., 2005. Determination of ash in biomass. Laboratory Analytical Procedure, NREL/TP-510-42622
  31. Kim, TH., Kim, JS., Sunwoo, C., Lee, YY., 2003. Pretreatment of corn stover by aqueous ammonia. Bioresource Technology, Vol. 90, pp.39-47.
  32. Kim, T., Lee, Y., 2007. Pretreatment of corn stover by soaking in aqueous ammonia at moderate temperatures. Applied Biochemistry and Biotechnology, Vol. 137-140, pp.81-92.
  33. Kim, TH., Gupta, R., Lee, YY., 2009. Pretreatment of biomass by aqueous ammonia for bioethanol production, pp. 79-91. In Mielenz JR (ed.), Biofuels, Methods and Protocols. Humana Press
  34. Hedayatkhah, A., Motamedi, H., Varzi, HN., Ghezelbash, G., Karimi, K., Amopour Bahnamiry, M., 2012. Applying soaking in aqueous ammonia (SAA) pretreatment on sugarcane bagasse and rice straw inorder to produce bioethanol, p. 39 The 5 th Croatian Congress of Microbiology, Croatia, Croatia
  35. 35.  Hedayatkhah, A.,  Motamedi, H., Najafzadeh, Varzi HN., Ghezelbash, G., Amopour Bahnamiry, M., Karimi, K., 2013. Improvement of hydrolysis and fermentation of sugarcane bagasse by soaking in aqueous ammonia and methanolic ammonia. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, Vol.77,pp.1379-1383.
  36. Kim, TH., 2004. Bioconversion of lignocellulosic material into ethanol: Pretreatment, enzymatic hydrolysis, and ethanol fermentation. Ph.D. 3154820. Auburn University, United States, Alabama
  37. Kim, TH., Lee, YY., 2005. Pretreatment and fractionation of corn stover by ammonia recycle percolation process. Bioresource Technology, Vol. 96, pp.2007-2013.
  38. Hedayatkhah, A., 2011. Biofuel ethanol production from lignocellulosic material. Master degree thesis. Shahid Chamran University of Ahvaz, Iran - Ahvaz
  39. Li, X., Kim, TH., Nghiem, NP., 2010. Bioethanol production from corn stover using aqueous ammonia pretreatment and two-phase simultaneous saccharification and fermentation (TPSSF). Bioresource Technology, Vol. 101, pp.5910-5916.
  40. Kim, TH., Gupta, R, Lee, YY., 2009. Pretreatment of biomass by aqueous ammonia for bioethanol production. Methods in molecular biology (Clifton, N.J.) , Vol. 581, pp.79-91.
  41. Zhong, C., Lau, M., Balan, V., Dale, B., Yuan, Y-J., 2009. Optimization of enzymatic hydrolysis and ethanol fermentation from AFEX-treated rice straw. Applied Microbiology and Biotechnology, Vol. 84, pp.667-676.
  42. Kim, T., Nghiem, N., Hicks, K., 2009. Pretreatment and fractionation of corn stover by soaking in ethanol and aqueous ammonia. Applied Biochemistry and Biotechnology, Vol. 153, pp.171-179.
  43. Taherzadeh, M., Karimi, K., 2008. Pretreatment of lignocellulosic wastes to improve ethanol and biogas production: A review. International Journal of Molecular Sciences, Vol. 9, pp.1621-1651.
  44. Dowe, N., McMillan, J., 2001. SSF Experimental protocols lignocellulosic biomass hydrolysis and fermentation. Laboratory Analytical Procedure, NREL/TP-510-42630
  45. Selig, M., Weiss, N., Ji Y., 2008. Enzymatic saccharification of lignocellulosic biomass. Laboratory Analytical Procedure, NREL/TP-510-42629
  46. Tsao, GT., 1999. Recent progress in bioconversion of lignocellulosics. Springer Verlag
  47. Pour Ramezan, Z., Ghezelbash, GR., Romani, B., Ziaei, S., Hedayatkhah, A., 2012. Screening and identificationof newly isolated cellulose-degrading bacteria from the gut of xylophagous termite Microcerotermes diversus (Silvestri). Microbiology, Vol. 81, pp.736-742.
  48. Ko, JK., Bak, JS., Jung, MW., Lee, HJ., Choi, I-G., Kim, TH., Kim, KH., 2009. Ethanol production from rice straw usingoptimized aqueous-ammonia soaking pretreatment and simultaneous saccharification and fermentation processes. Bioresource Technology, Vol. 100, pp.4374-4380.
  49. Kerstetter, JD., Lyons, JK., Trade, WO., Development E, Program WCEE, Publications WSLES. 2001. Wheat straw for ethanol production in Washington: A resource, technical, and economic assessment. Washington State University, Cooperative Extension Energy Program
  50. Wu, Z., Lee, Y., 1998. Non-isothermal simultaneous saccharification and fermentation for direct conversion of lignocellulosic biomass to ethanol. Applied Biochemistry and Biotechnology, Vol. 70, pp.479-492.
  51. Axelsson, J., 2011. Separate hydrolysis and fermentation of pretreated Spruce. Linköping
  52. Li, X., Kim, TH., 2012. Bioconversion of corn stover derived pentoseand hexose to ethanol using cascade simultaneous saccharification and fermentation (CSSF). Bioprocess and Biosystems Engineering, Vol. 35, pp.99-104.
  53. Yue, G., Yu, J., Zhang, X., Tan, T., The influence of nitrogen sources on ethanol production by yeast from concentratedsweet sorghum juice. Biomass and Bioenergy, Vol. 39, pp.48-52.
  54. Merida Figueroa, F., 2010. Kinetics and modeling of batch bioethanol production using Suspended Co-Cultures of Saccharomyces cerevisiae and Pichia stipitis in glucose-xylose media. M.S. 1487551. University of Puerto Rico, Mayaguez (Puerto Rico), United States, Puerto Rico
  55. 55.  Yu, Z., Zhang, H., 2003. Ethanol fermentation of acid-hydrolyzed cellulosic pyrolysate with Saccharomyces cerevisiae. Bioresource Technology, Vol. 90, pp.95-100.

 


 



[1]- Bioprocessing

[2]- Biomass

3-  استادگروه زیست شناسی، دانشکده علوم، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران. مرکز تحقیقات بیوتکنولوژی و علوم زیستی ،دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران *(مسوول مکاتبات)

[4]- کارشناسی ارشد میکروبیولوژی، گروه زیست شناسی، دانشکده علوم، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران.

[5]- Professor, Department of Biology, Faculty of Science, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran. Biotechnology and Biological Science Research Center, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran.  *(Corresponding Author)

[6]- MSc in Microbiology, Department of Biology, Faculty of Science, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran.

1- Biorenewable resources

2- Biofuel

3- Alternative Energy

4- Renewable energy

5- Bioconversion

6- Pretreatment

7- Fossil

8- Renewable

9- Fissile

10- Not Clear

1- OPEC

2- Coproduct

1-Blend

1- Biofuel Cell

2- Second generation

3- First generation

1- Crystalline

2- Amorphous

[25]- Heterogeneous

[26]- Electron beam irradiation

[27]- Swelling effect

[28]- Ammonia Recycle Percolation

3-Simultaneous Saccharification and Amonification

4- Ammonia recycling procedure  

5- Soaking in aqueous amonia

[32]- Ammonia Fiber/Freeze Explosion/Expansion

1- Golden Colorado

[34]- Organosolvent pretreatment

[35]- Retreatment

[36]-کمپلکس­های آنزیمی تجزیه کننده سلولز که در میکروارگانیسم­های بی­هوازی تجزیه کننده سلولز وجود دارند مانند رومینوکوکوس­ها یا کلستریدیوم­ها

[37]- Endoglucanase

[38]- Exoglucanase

[39]- Cellobiohydrolase

[40]- β-Glucosidase

[41]- Cellobiase

[42]- SimultaneousSaccharification and Fermentation

[43]- Separated Hydrolysis and Fermentation

[44]- Nonisothermal Simultaneous Saccharification and Fermentation

[45]- Simultaneous Saccharification and Co-Fermentation

[46]- Two Phase Simultaneous Saccharification and Fermentation

[47]- Cascade Simultaneous Saccharification and Fermentation

[48]- Ethanologen

[49]- National Renewable Resources Laboratory

[50]- Florida Center for Renewable Chemicals and Fuels

[51]- Co-Culture

[52]- این قارچ در حال حاضر از مهم­ترین تولید کنندگان آنزیم سلولاز در مقیاس­های صنعتی است.

 

  1. Sonnenenergie DGf, ECOFYS., 2005. Planning and Installing Bioenergy Systems: A Guide for Installers, Architects, and Engineers, 2 ed, vol. 1. Earthscan, UK
  2. Campbell, CJ., Laherrère, JH., 1998. The end of cheap oil. Scientific American, Vol. 278, pp.5-6
  3. Isci, A., 2008. Cellulosic ethanol production via aqueous ammonia soaking pretreatment and simultaneous saccharification and fermentation. Ph.D. 3316217. Iowa State University, United States, Iowa
  4. Drapcho, CM., Nhuan, NP., Walker, TH., 2008. Biofuels. Engineering Process Technology. 1 ed. McGraw-Hill, United States. pp. 50-169
  5. Kim, Y., 2007. Metabolic engineering of Escherichia coli for ethanol production without foreign genes. Ph.D. 3299343. University of Florida, United States, Florida.
  6. Binod, P., Sindhu, R., Singhania, RR., Vikram, S., Devi, L., Nagalakshmi, S., Kurien, N., Sukumaran, RK., Pandey, A., 2010. Bioethanol production from rice straw: An overview. Bioresource Technology,  Vol. 101, pp.4767-4774
  7. Demirbas,  A., 2009. Biofuels securing the planet's future energy needs, 1 ed. Springer Verlag, London.
  8. Goldemberg, J., 2007. Ethanol for a Sustainable Energy Future. Science,  Vol. 315, pp.808-810.
  9. Teymouri, F., 2003. Ammonia fiber explosion (AFEX) treatment of corn stover and effects of AFEX treatment on plant-produced heterologous cellulase. Ph.D. 3100510. Michigan State University, United States, Michigan.
  10. NREL., 2006. Handbook for Handling Storing and Dispensing E85, p. 31. U.S. Department of Energy
  11. Minteer, S., 2006. Alcoholic Fuels illustrated ed. CRC/Taylor & Francis, BosaRoca.
  12. Nagy, M., 2009. Biofuels from lignin and novel biodiesel analysis. Ph.D. 3394437. Georgia Institute of Technology, United States, Georgia
  13. Prasad, S., Singh, A., Joshi, HC., 2007. Ethanol as an alternative fuel from agricultural, industrial and urban residues. Resources, Conservation and Recycling, Vol. 50, pp.1-39.
  14. Balat, M., 2009. Political, economic and environmental impacts of biomass-based hydrogen. International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 34, pp.3589-3603.
  15. Weiland, P., 2010. Biogas production: current state and perspectives. Appl Microbiol Biotechnol, Vol. 85, pp.849-860.
  16. Kaparaju, P., Serrano, M., Thomsen, AB., Kongjan, P., Angelidaki, I., 2009. Bioethanol, biohydrogen and biogas production from wheat straw in a biorefinery concept. Bioresource Technology, Vol. 100, pp.2562-2568.
  17. Nguyen, T-AD., Kim, K-R., Kim, MS., Sim, SJ., 2010. Thermophilic hydrogen fermentation from Korean rice straw by Thermotoga neapolitana. International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 35, pp. 13392- 13398  
  18. Deng, L., Shang, L., Wen, D., Zhai, J., Dong, S., 2010. A membraneless biofuel cell powered by ethanol and alcoholic beverage. Biosens Bioelectron, Vol. 26, pp.70-73.
  19. Balat, M., Balat, H., Öz, C., 2008. Progress in bioethanol processing. Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 34, pp.551-573.
  20. Balat, M., 2011. Production of bioethanol from lignocellulosic materials via the biochemical pathway: A review. Energy Conversion and Management, Vol. 52, pp.858-875.
  21. Alvira, P., Tomás-Pejó, E., Ballesteros, M., Negro, MJ., 2010. Pretreatment technologies for an efficient bioethanol production process based on enzymatic hydrolysis: A review. Bioresource Technology, Vol. 101, pp.4851-4861.
  22. Karimi, K., Emtiazi, G., Taherzadeh, MJ., 2006. Ethanol production from dilute-acid pretreated rice straw by simultaneous saccharification and fermentation with Mucor indicus, Rhizopus oryzae, and Saccharomyces cerevisiae. Enzyme and Microbial Technology, Vol. 40, pp.138-144.
  23. Lynd, LR., Weimer, PJ., van Zyl, WH., Pretorius, IS., 2002. Microbial cellulose utilization: fundamentals and biotechnology. Microbiology and Molecular Biology Reviews, Vol. 66, pp.506-577.
  24. Agbogbo, FK., Wenger, KS., 2007. Production of ethanol from corn stover hemicellulose hydrolyzate using Pichia stipitis. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology, Vol. 34, pp.723-727.
  25. Gupta, R., 2008. Alkaline pretreatment of biomass for ethanol production and understanding the factors influencing the cellulose hydrolysis. Ph.D. 3317316. Auburn University, United States, Alabama.
  26. Nelson, DL., 2008. Lehninger Principles of Biochemistry. W H Freeman & Co.
  27. Hedayatkhah, A., 2008. Cellulose Degradation, Microorganisms, Usage, B.Sc., Shahid Chamran University of Ahvaz-SCU, Ahvaz, Iran
  28. Prescott, LM., Harley, JP., Klein, DA., 2002. Microbiology. McGraw-Hill
  29. Li, X., 2010. Bioethanol production from lignocellulosic feedstock using aqueous ammonia pretreatment and simultaneous saccharification and fermentation (SSF): process development and optimization. M.S. 1480111. Iowa State University, United States, Iowa
  30. Sluiter, A., Hames, B., Ruiz, R., Scarlata, C., Sluiter, J., Templeton, D., 2005. Determination of ash in biomass. Laboratory Analytical Procedure, NREL/TP-510-42622
  31. Kim, TH., Kim, JS., Sunwoo, C., Lee, YY., 2003. Pretreatment of corn stover by aqueous ammonia. Bioresource Technology, Vol. 90, pp.39-47.
  32. Kim, T., Lee, Y., 2007. Pretreatment of corn stover by soaking in aqueous ammonia at moderate temperatures. Applied Biochemistry and Biotechnology, Vol. 137-140, pp.81-92.
  33. Kim, TH., Gupta, R., Lee, YY., 2009. Pretreatment of biomass by aqueous ammonia for bioethanol production, pp. 79-91. In Mielenz JR (ed.), Biofuels, Methods and Protocols. Humana Press
  34. Hedayatkhah, A., Motamedi, H., Varzi, HN., Ghezelbash, G., Karimi, K., Amopour Bahnamiry, M., 2012. Applying soaking in aqueous ammonia (SAA) pretreatment on sugarcane bagasse and rice straw inorder to produce bioethanol, p. 39 The 5 th Croatian Congress of Microbiology, Croatia, Croatia
  35. 35.  Hedayatkhah, A.,  Motamedi, H., Najafzadeh, Varzi HN., Ghezelbash, G., Amopour Bahnamiry, M., Karimi, K., 2013. Improvement of hydrolysis and fermentation of sugarcane bagasse by soaking in aqueous ammonia and methanolic ammonia. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, Vol.77,pp.1379-1383.
  36. Kim, TH., 2004. Bioconversion of lignocellulosic material into ethanol: Pretreatment, enzymatic hydrolysis, and ethanol fermentation. Ph.D. 3154820. Auburn University, United States, Alabama
  37. Kim, TH., Lee, YY., 2005. Pretreatment and fractionation of corn stover by ammonia recycle percolation process. Bioresource Technology, Vol. 96, pp.2007-2013.
  38. Hedayatkhah, A., 2011. Biofuel ethanol production from lignocellulosic material. Master degree thesis. Shahid Chamran University of Ahvaz, Iran - Ahvaz
  39. Li, X., Kim, TH., Nghiem, NP., 2010. Bioethanol production from corn stover using aqueous ammonia pretreatment and two-phase simultaneous saccharification and fermentation (TPSSF). Bioresource Technology, Vol. 101, pp.5910-5916.
  40. Kim, TH., Gupta, R, Lee, YY., 2009. Pretreatment of biomass by aqueous ammonia for bioethanol production. Methods in molecular biology (Clifton, N.J.) , Vol. 581, pp.79-91.
  41. Zhong, C., Lau, M., Balan, V., Dale, B., Yuan, Y-J., 2009. Optimization of enzymatic hydrolysis and ethanol fermentation from AFEX-treated rice straw. Applied Microbiology and Biotechnology, Vol. 84, pp.667-676.
  42. Kim, T., Nghiem, N., Hicks, K., 2009. Pretreatment and fractionation of corn stover by soaking in ethanol and aqueous ammonia. Applied Biochemistry and Biotechnology, Vol. 153, pp.171-179.
  43. Taherzadeh, M., Karimi, K., 2008. Pretreatment of lignocellulosic wastes to improve ethanol and biogas production: A review. International Journal of Molecular Sciences, Vol. 9, pp.1621-1651.
  44. Dowe, N., McMillan, J., 2001. SSF Experimental protocols lignocellulosic biomass hydrolysis and fermentation. Laboratory Analytical Procedure, NREL/TP-510-42630
  45. Selig, M., Weiss, N., Ji Y., 2008. Enzymatic saccharification of lignocellulosic biomass. Laboratory Analytical Procedure, NREL/TP-510-42629
  46. Tsao, GT., 1999. Recent progress in bioconversion of lignocellulosics. Springer Verlag
  47. Pour Ramezan, Z., Ghezelbash, GR., Romani, B., Ziaei, S., Hedayatkhah, A., 2012. Screening and identificationof newly isolated cellulose-degrading bacteria from the gut of xylophagous termite Microcerotermes diversus (Silvestri). Microbiology, Vol. 81, pp.736-742.
  48. Ko, JK., Bak, JS., Jung, MW., Lee, HJ., Choi, I-G., Kim, TH., Kim, KH., 2009. Ethanol production from rice straw usingoptimized aqueous-ammonia soaking pretreatment and simultaneous saccharification and fermentation processes. Bioresource Technology, Vol. 100, pp.4374-4380.
  49. Kerstetter, JD., Lyons, JK., Trade, WO., Development E, Program WCEE, Publications WSLES. 2001. Wheat straw for ethanol production in Washington: A resource, technical, and economic assessment. Washington State University, Cooperative Extension Energy Program
  50. Wu, Z., Lee, Y., 1998. Non-isothermal simultaneous saccharification and fermentation for direct conversion of lignocellulosic biomass to ethanol. Applied Biochemistry and Biotechnology, Vol. 70, pp.479-492.
  51. Axelsson, J., 2011. Separate hydrolysis and fermentation of pretreated Spruce. Linköping
  52. Li, X., Kim, TH., 2012. Bioconversion of corn stover derived pentoseand hexose to ethanol using cascade simultaneous saccharification and fermentation (CSSF). Bioprocess and Biosystems Engineering, Vol. 35, pp.99-104.
  53. Yue, G., Yu, J., Zhang, X., Tan, T., The influence of nitrogen sources on ethanol production by yeast from concentratedsweet sorghum juice. Biomass and Bioenergy, Vol. 39, pp.48-52.
  54. Merida Figueroa, F., 2010. Kinetics and modeling of batch bioethanol production using Suspended Co-Cultures of Saccharomyces cerevisiae and Pichia stipitis in glucose-xylose media. M.S. 1487551. University of Puerto Rico, Mayaguez (Puerto Rico), United States, Puerto Rico
  55. 55.  Yu, Z., Zhang, H., 2003. Ethanol fermentation of acid-hydrolyzed cellulosic pyrolysate with Saccharomyces cerevisiae. Bioresource Technology, Vol. 90, pp.95-100.