مروری کوتاه بر تفکافت مواد لیگنوسلولوزی به‌عنوان پلیمرهای طبیعی برای تولید محصولات با ارزش افزوده زیاد

نوع مقاله : تالیفی

نویسندگان

1 دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، دانشکده مهندسی آب و خاک، گروه مکانیک بیوسیستم

2 دانشجوی دکتری تخصصی صنایع سلولزی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

3 دانشیار گروه مکانیک بیوسیستم، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

چکیده

پلیمرهای طبیعی مواد لیگنوسلولوزی (سلولوز، همی­ سلولوزها و لیگنین) از جمله مهم­ترین مواد اولیه تجدیدپذیر در اقتصاد کربن و انرژی­ های تجدیدپذیر در آینده به شمار می­روند. بیشتر مواد شیمیایی تولیدشده از نفت یا گاز طبیعی می­توانند از زیست­ توده لیگنوسلولوزی به ­دست آیند. سوخت دیزل و بنزین حاصل از نفت خام به ­طور گسترده در صنایع حمل و نقل مدرن استفاده می­شود. زیست ­توده می­تواند به جایگزینی این سوخت­ های مشتق شده از نفت کمک کند. گازشدن یک فرایند شیمیایی است که زیست­ توده لیگنوسلولوزی را به سوخت­های گازی مناسب یا مواد شیمیایی تبدیل می­کند. تفکافت، اکسایش جزئی و هیدروژن­دارکردن، فرایندهای مرتبط هستند. همچنین فرایند احتراق، زیست­توده لیگنوسلولوزی را به فراورده­های گازی تبدیل می­کند، اما تفاوت­های مهمی بین این فرایندها وجود دارد. فناوری­ های مبتنی بر تفکافت، مانند تفکافت سریع و گازشدن، روش­ های امیدوار­کننده­ای برای تبدیل پلیمرهای طبیعی مواد لیگنوسلولوزی به مواد با ارزش افزوده زیاد مانند زیست­ مواد شیمیایی، زیست ­مواد و زیست­ سوخت­ها هستند. درک بهتر متغیرهای مؤثر بر تفکافت-گازشدن پلیمرهای طبیعی ساختار لیگنوسلولوزی، موجب توسعه سامانه­­ های کنترل­ کننده گازشدن، غلبه بر مسائل و مشکلات زیست­محیطی و مهار معایب ساختاری این دو روش می­شود. در این مقاله، خلاصه­ای از پژوهش­های انجام­شده در زمینه اثر متغیرهای عملیاتی مؤثر بر تفکافت و گازشدن پلیمرهای طبیعی ساختار لیگنوسلولوزی و همچنین محصولات قابل تولید از آن­ها مرور می­شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Pyrolysis of Lignocellulose Materials as Natural Polymers for the Production of High Value-Added Products: A Brief Review

نویسندگان [English]

  • Mehrshad Nazarpour 1
  • Aliasghar Tatari 2
  • Ahmad Taghizadeh-Alisaraei 3
1 Department of Biosystems Engineering , Faculty of Soil Sciences, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
2 Ph.D. student in cellulose industry, Gorgan University of Agricultural Sciences & Natural Resources
3 Associate Professor, Department of Biosystems Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
چکیده [English]

Natural polymers of lignocellulosic materials (cellulose, hemicelluloses and lignin) are among the most important renewable raw materials in the carbon economy and renewable energy in the future. Most chemicals produced from petroleum or natural gas can be obtained from lignocellulosic biomass. Diesel and gasoline fuels from crude oil are widely used in modern transportation industries. Biomass can help substitution of these petroleum-derived fuels. Gasification is a chemical process that converts lignocellulose biomass into suitable gaseous fuels or chemicals feedstock. Pyrolysis, partial oxidation and hydrogenation are related processes. Combustion process also converts lignocellulose biomass into gaseous products, but there are some important differences. Pyrolysis-based technologies, such as fast pyrolysis and gasification, are promising methods for converting natural polymers of lignocellulose material into high value-added materials such as biochemicals, biomaterials and biofuels. Better understanding the variables affecting the pyrolysis/gasification of lignocellulose natural polymers develops gasification control systems, overcomes environmental issues and problems and mitigates the structural disadvantages of these two methods. In this paper, a summary of the researches done on the effect of operational variables affecting the pyrolysis and gasification of natural polymers of lignocellulose structures as well as their products is reviewed.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Pyrolysis
  • bio-chemicals
  • fuel
  • gasification
  • lignocellulose materials
1. International Energy Outlook. Report Number: DOE/EIA- 0484, 2016.
2. Bajpai P., Biorefinery in the Pulp and Paper Technology, Academic, Amsterdam, Netherland, 1-10, 2013.
3. Patwardhan P.R., Brown R.C., and Shanks B.H., Understanding the Fast Pyrolysis of Lignin, ChemSusChem, 4, 1629-1636,
2011.
4. Rosendahl L., Biomass Combustion Science, Technology and Engineering, Woodhead, Cambridge, United Kingdom, 110-
137, 2013.
5. Ohara H., Biorefinery, Appl. Microbiol. Biotechnol., 62, 474- 477, 2003.
6. Kamm B. and Kamm M., Biorefinery-Systems, Chem. Biochem. Eng. Q., 18, 1-7, 2004.
7. Amidon T.E. and Liu S., Water-Based Woody Biorefinery, Biotechnol. Adv., 27, 542-550, 2009.
8. Zhan S., Chenguang W., Kang B., Xinghua Z., Chiling Y., Renjie D., and Changle P., Py-GC/MS Study of Lignin Pyrolysis and Effect of Catalysts on Product Distribution, Int. J. Agric. Biol. Eng., 10, 214-225, 2017.
9. Klemm D., Kramer F., Moritz S., Lindstrom T., Ankerfors M., Gray D., and Dorris A., Nanocelluloses: A New Family of
Nature-Based Materials, Angew. Chem. Int. Edit. Chem., 50, 5438-5466, 2011.
10. Ko J.K. and Lee S.M., Advances in Cellulosic Conversion to Fuels: Engineering Yeasts for Cellulosic Bioethanol and
Biodiesel Production, Curr. Opin. Biotechnol., 50, 72-80, 2018.
11. Liu H., Sun J., Chang J.S., and Shukla P., Engineering Microbes for Direct Fermentation of Cellulose to Bioethanol, Crit. Rev. Biotechnol., 38, 1089-1105, 2018.
12. Sjöström E., Wood Chemistry: Fundamentals and Applications, San Diego, Academic, 54-84, 1993.
13. Gatenholm P. and Tenkanen M., Hemicelluloses: Science and Technology, American Chemical Society, Washington, 2003.
doi: 10.1021/bk-2004-0864.fw001
14. Bierman C.J., Handbook of Pulping and Papermaking, San Diego, Academic, 1996. doi: 10.1016/B978-0-12-097362-0.
X5000-6
15. Prothmann J., Spégel P., Sandahl M., and Turner C.,  Identification of Lignin Oligomers in Kraft Lignin Using
Ultra-High-Performance Liquid Chromatography/High- Resolution Multiple-Stage Tandem Mass Spectrometry
(UHPLC/HRMS n), Anal. Bioanal. Chem., 410, 7803-7814, 2018.
16. Basu P., Biomass Gasification and Pyrolysis: Practical Design and Theory, Academic, Boston, USA, 12-100, 2010.
17. Wu L., Jiang X., Lv G., Li X., and Yan J., Interactive Effect of the Sorted Components of Solid Recovered Fuel Manufactured from Municipal Solid Waste by Thermogravimetric and Kinetic Analysis, Waste Manage., 102, 270-280, 2020.
18. Ufodike C.O., Eze V.O., Ahmed M.F., Oluwalowo A., Park J.G., Liang Z., and Wang H., Investigation of Molecular
and Supramolecular Assemblies of Cellulose and Lignin of Lignocellulosic Materials by Spectroscopy and Thermal
Analysis, Int. J. Biol. Macromol., 146, 916-921, 2020.
19. Yang H., Yan R., Chen H., Lee D.H., and Zheng C., Characteristics of Hemicellulose, Cellulose and Lignin
Pyrolysis, Fuel, 86, 1781-1788, 2007.
20. Ghorbannezhad P., Dehghani Firouzabadi M., and Ghasemian A., Catalytic Fast Pyrolysis of Sugarcane Bagasse Pith with
HZSM-5 Catalyst Using Tandem Micro-Reactor-GC-MS, Energy Sour. Part A, 40, 15-21, 2018.
21. Fan L., Zhang Y., Liu S., Zhou N., Chen P., Cheng Y., and Wang Y., Bio-oil from Fast Pyrolysis of Lignin: Effects of
Process and Upgrading Parameters, Bioresour. Technol., 241, 1118-1126, 2017.
22. Ghorbannezhad P., Dehghani Firouzabadi M., Ghasemian A., De Wild P., and Heeres H.J., Biorefinery of Bagasse and Its
Pith by Fast Pyrolysis in Fluidized Bed Reactor, J. Wood For. Sci. Technol (Persian)., 24, 27-40, 2017.
23. Suriapparao D.V. and Vinu R., Effects of Biomass Particle Size on Slow Pyrolysis Kinetics and Fast Pyrolysis Product
Distribution, Waste Biomass Valoriz., 9, 465-477, 2018.
24. Wang T., Meng D., Zhu J., and Chen X., Effects of Pelletizing Conditions on the Structure of Rice Straw-Pellet
Pyrolysis Char, Fuel, 264, 116909, 2020. doi:10.1016/j. fuel.2019.116909
25. Bridgeman T.G., Darvell L.I., Jones J.M., Williams P.T., Fahmi R., Bridgwater A.V. et al., Influence of Particle Size onthe Analytical and Chemical Properties of Two Energy Crops, Fuel, 86, 60-72, 2007.
26. Mani T., Murugan P., Abedi J., and Mahinpey N., Pyrolysis of Wheat Straw in a Thermogravimetric Analyzer: Effect
of Particle Size and Heating Rate on Devolatilization and Estimation of Global Kinetics, Chem. Eng. Res. Design, 88,
952-958, 2010.
27. Aqsha A., Mahinpey N., Mani T., Salak F., and Murugan P., Study of Sawdust Pyrolysis and Its Devolatilisation Kinetics,
Can. J. Chem. Eng., 89, 1451-1457, 2011.
28. Ferdous D., Dalai A.K., Bej S.K., Thring R.W., and Bakhshi N.N., Production of H2 and Medium Btu Gas Via Pyrolysis
of Lignins in a Fixed-Bed Reactor, Fuel Proc. Technol., 70, 9-26, 2001.
29. Jackson M.A., Compton D.L., and Boateng A.A., Screening Heterogeneous Catalysts for the Pyrolysis of Lignin, J. Anal.
Appl. Pyrolysis, 85, 226-230, 2009.
30. Winsley P., Biochar and Bioenergy Production for Climate Change Mitigation, N. Z. Sci. Rev., 64, 5-10, 2007.
31. Meller Harel Y., Elad Y., Rav David D., Borenstein M., Schulcani R., Lew B., and Graber E.R., Biochar Mediates
Systemic Response of Strawberry to Foliar Fungal Pathogens, Plant Soil, 357, 245-257, 2012.
32. Elad Y., Cytryn E., Harel Y.M., Lew B., and Graber E.R., The Biochar Effect: Plant Resistance to Biotic stresses,
Phytopathol. Mediterr., 50, 335-349, 2011.
33. Frenkel O., Jaiswal A.K., Elad Y., Lew B., Kammann C., and Graber E.R., The Effect of Biochar on Plant Diseases: What
Should We Learn While Designing Biochar Substrates?, J. Environ. Eng. Landsc. Manag., 25, 105-113, 2017.
34. Han Y., Boateng A.A., Qi P.X., Lima I.M., and Chang J., Heavy Metal and Phenol Adsorptive Properties of Biochars from
Pyrolyzed Switchgrass and Woody Biomass in Correlation with Surface Properties, J. Environ. Manage. 118, 196-204,
2013.
35. Xu P., Sun C.X., Ye X.Z., Xiao W.D., Zhang Q., and Wang Q., The Effect of Biochar and Crop Straws on Heavy Metal
Bioavailability and Plant Accumulation in a Cd and Pb Polluted Soil, Ecotoxicol. Environ. Saf., 132, 94-100, 2016.
36. Komkiene J. and Baltrenaite E., Biochar as Adsorbent for Removal of Heavy Metal Ions [Cadmium (II), Copper (II),
Lead (II), Zinc (II)] from Aqueous Phase, Int. J. Environ. Sci. Technol., 13, 471-482, 2016.