Сочинение на тему ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО ИЗ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

Справочная информация об исследовании

Биомасса является кульминацией органических материалов, таких как растительные вещества и навоз, которые не окаменели и используются в качестве топлива или источника энергии. (Словарь английского языка, 2016). Растительная биомасса является возобновляемым источником энергии, которая вырабатывается в процессе фотосинтеза во время ассимиляции оксида углерода IV с образованием углеводов и кислорода под воздействием солнечного света. Наиболее распространенным источником растительной биомассы на земле является лигноцеллюлоза. Он состоит из углеводных полимеров, целлюлозы и гемицеллюлозы и ароматического полимера лигнина. Все три полимера образуют компоненты клеточной стенки растений и все вместе называются лигноцеллюлозной биомассой. После разрушения эти полимеры дают химические компоненты, которые можно использовать для производства биотоплива. В конце концов, целлюлоза представляет собой гомополимер D-глюкозы, который при экстракции может быть ферментирован для производства биотоплива. Гемицеллюлоза представляет собой полимер из множества сахаров, а лигнин имеет основной полимерный каркас из фенольных групп.

Препятствием для производства биотоплива из биомассы является то, что сахара, необходимые для ферментации, задерживаются внутри лигноцеллюлозы. Лигноцеллюлоза претерпела эволюцию, чтобы сделать ее устойчивой к биодеградации благодаря жесткой и компактной структуре клеточной стенки растений. Эта стойкость к деградации, называемая невосприимчивостью, обусловлена ​​сшивкой между полисахаридами (целлюлозой и гемицеллюлозой) и лигнином через сложноэфирные и эфирные связи. Глюкозные полимерные цепи в целлюлозе в значительной степени нерастворимы и существуют в кристаллических микрофибриллах, которые затрудняют доступ сахаров. Микрофибриллы целлюлозы прикреплены к гемицеллюлозе, которая содержит различные сахара, что затрудняет преобразование ее в один продукт, например спирт этиловый. Вокруг этих двух находится лигнин, который представляет собой крайне нерастворимый комплексный разветвленный полимер замещенных фенилпропановых звеньев, которые удерживаются вместе сильными эфирными и углерод-углеродными связями, что затрудняет его разрушение. Состав лигнина также варьируется от растения к растению, и его истинная структура остается неизвестной. Кроме того, целлюлозу трудно гидролизовать из-за того факта, что ее D-глюкозные звенья удерживаются вместе посредством β-1,4-гликозидных связей, которые могут быть разрушены только ферментной целлюлазой, которая в основном присутствует в микроорганизмах. (Sanderson, 2018)

В ходе эволюции микроорганизмы разработали физиологические механизмы для выживания. Одним из них является разработка клеточных механизмов для получения энергии из растительной биомассы во время сапрофитизма. Эти микроорганизмы развили способность секретировать ферменты, которые разрушают клеточную стенку растения, высвобождая сахарные мономеры, которые можно использовать в качестве субстратов для метаболизма микроорганизма. Способность разлагать лигноцеллюлозу в основном распределяется среди грибов и бактерий. Таким образом, микроорганизмы способны перерабатывать целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин. (Соуза, 2013)

К ним относятся различные ферменты, продуцируемые различными видами грибов, которые расщепляют лигноцеллюлозу. Целлюлоза расщепляется тремя разными целлюлазами. Гемицеллюлоза гидролизуется гемицеллюлазами, такими как ксиланаза, а лигнин разлагается ферментами, такими как лакказы, пероксидазы и пероксидаза марганца.

Целлюлазы в основном бывают трех типов: эндоглюканазы, которые случайным образом расщепляют внутренние связи в аморфных сайтах с образованием новых концов цепи, экзоглюканазы (целлобиогидралазы), которые отщепляют 2-4 единицы от вновь обнаженных концов цепи, образованных из-за активности эндоглюканазы, и целлобиазы ( β-глюкозидазы), которые гидролизуют продукты экзоцеллюлазы в конечные мономеры. Эти произведенные моносахариды, а именно D-глюкоза, могут затем подвергаться ферментации с получением биотоплива, такого как биоэтанол.

Биотопливо имеет несколько преимуществ перед ископаемым топливом. Их сырье, то есть биомасса, широко доступно во всем мире, поэтому они являются возобновляемым источником энергии, а не ископаемым топливом, которое в конечном итоге закончится. Как правило, они выделяют меньше парниковых газов, чем ископаемое топливо, что снижает глобальное потепление. Биотопливо экологически чистое и минимально приводит к загрязнению воздуха и земли по сравнению с ископаемым топливом, которое при неправильном обращении приводит к разливам нефти, а при сжигании образует токсичные пары. Кроме того, биотопливо не содержит огромное количество серы, которое содержится в ископаемом топливе, что обычно приводит к кислотным дождям при их сжигании. (Преимущества биотоплива, 2015 г.)

Постановка проблемы и обоснование

Использование ископаемого топлива находится в процессе отмены в Кении и во всем мире. Это делается для достижения цели укрепления мировой экономики, окружающей среды и энергетической безопасности. (Wynn, 2010) Сами по себе ископаемое топливо уже истощается из-за того, что оно не возобновимо. В дополнение к этому количество парниковых газов, особенно оксида углерода IV, которое они выделяют, уже привело к изменению климата в результате глобального потепления. Это привело к растущему спросу на биотопливо как на чистый, доступный и надежный источник энергии. Однако было обнаружено, что утечка сельскохозяйственных культур для производства биотоплива вместо продуктов питания приносит больше вреда, чем пользы. Это связано с тем, что оно конкурирует с поставками продовольствия, вызывающими еще больший голод среди населения страны в стремлении уменьшить нехватку нефти. Поэтому пищевой крахмал не может быть использован для производства биотоплива. (Tenenbaum, 2008) Альтернативным источником биомассы лигноцеллюлозы могут быть сельскохозяйственные отходы, такие как початки кукурузы, жмых сахарного тростника, рисовая шелуха, фрукты, овощи и солома пшеницы.

Высокая стоимость коммерчески производимого фермента целлюлазы является одним из основных препятствий для производства биоэтанола из биомассы лигноцеллюлозы. Используя минимальную продажную цену этанола в качестве индикатора, показывающего влияние изменяющихся цен на ферменты, режимов подачи фермента и параметров процесса, было выявлено, что стоимость фермента ведет цену целлюлозного этанола ниже минимальной точки прибыли. Таким образом, необходимо исследовать местные источники целлюлаз для разложения лигноцеллюлозы, например. производство ферментов на месте. (Ган Лю, 2015)

ГЛАВА ВТОРАЯ

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Энергетический статус в Кении

В Кении есть три основных источника энергии: биомасса (69%), нефть (22%) и электричество (9%). Биомасса в виде древесного топлива и древесного угля широко используется в сельской местности, главным образом для приготовления пищи и отопления. По оценкам, 83% населения используют биомассу в качестве источника энергии, и эта чрезмерная зависимость, скорее всего, обусловлена ​​отсутствием электрификации в сельских районах. (Energy 2018, Кения, 2018). В результате на запасы леса и растительности оказывалось давление с целью производства биомассы, что привело к ускорению процессов деградации земель. (Киплагат, 2011)