"ქიმიის უწყებანი" ტომი:1, ნომერი:2, 52-55 გვ.

განახლებადი ცელულოზაშემცველი ნაერთები, როგორც გარემოსთვის ნაკლებად საზიანო რესურსი ბიოსაწვავის წარმოებისთვის

ნონა ნონიაშვილი

სტუდენტი, საქართველოს აგრარული უნივერსიტეტი,

რეზიუმე: დედამიწის განახლებადი ბიომასის წარმოქმნის პოტენციალის გაანგარიშების შედეგად დადგინდა, რომ ფოტოსინთეზის საშუალებით დედამიწაზე ყოველწლიურად 120-150 მილიარდი ტონა ნახშირბადის ფიქსაცია წარმოებს. ამას ემატება ოკეანეში ფიქსირებული 50-60 მილიარდი ტონა ბიომასის რაოდენობა. აქედან გამომდინარე, ჯამში დედამიწის განახლებადი ბიომასის წარმოქმნის პოტენციალი დაახლოებით 200 მილიარდ ტონას უდრის.

საკვანძო სიტყვები: ბიოდიზელი, ცელულოზა, განახლებადი წყაროები

მე-18 საუკუნის 60-იანი წლებიდან მოყოლებული, მას შემდეგ, რაც ინდუსტრიული რევოლუციის შედეგად კაცობრიობამ დაიწყო ავტომატიზირებული სისტემების გამოყენება, მსოფლიო მნიშვნელოვნად გახდა დამოკიდებული ნავთობზე, ქვანახშირზე და ბუნებრივ აირზე. მიუხედავად იმისა, რომ ინდუსტრიული რევოლუცია კაცობრიობის ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი მიღწევაა, ამოწურვად წიაღისეულ რესურსებზე დამოკიდებულებამ დიდწილად განაპირობა ორი გლობალური პრობლემის განვითარება; ესენია: ენერგორესურსების ამოწურვადობა და ეკოლოგიური პრობლემები. უფრო ზუსტად კი, იმის გამო, რომ ნავთობი ამოწურვადი რესურსია, აუცილებელი ხდება განახლებადი რესურსების გამოყენებით ალტერნატიული ენერგიის წყაროს წარმოება. რაც შეეხება ნავთობის მოხმარებით გამოწვეულ ეკოლოგიურ პრობლემებს, წიაღისეული საწვავების წვით გარემოში გამოიყოფა დიდი რაოდენობით ნახშირორჟანგი, მეთანი ,აზოტის ოქსიდები,ტოქსიკური აირები, მძიმე მეტალები და ა.შ. ასევე, ნავთობის მოპოვებისას ხშირია მისი დაღვრა, რასაც ხშირად დამღუპველი ზეგავლენა აქვს ცოცხალ ორგანიზმებზე. ამ ყველაფრის თავიდან ასაცილებლად კი საჭიროა ისეთი ალტერნატიული საწვავის შექმნა, რომელიც მინიმალური რაოდენობის ტოქსიკურ ნაერთებს გამოყოფს გარემოში.

ამ პრობლემის მოსაგვარებლად ერთ-ერთი ორიგინალური და ოპტიმალური გზაა ცელულოზაშემცველი ნაერთების გამოყენება ბიოეთანოლის საწარმოებლად. ცელულოზა ბუნებაში ყველაზე გავრცელებული ბიოპოლიმერია, რომელიც შედგება ერთმანეთთან β-(1-4) გლიკოზიდური ბმებით დაკავშირებული D გლუკოზის ნაშთებისგან. ცელულოზას ნებისმიერი მცენარე შეიცავს გარკვეული რაოდენობით, თუმცა განსაკუთრებულად დიდი რაოდენობით გვხვდება ხის მასაში. ცელულოზას პოლიმერიზაციის ხარისხი აღემატება 10000-ს, მცენარეებში ნატიურ მდგომარეობაში მყოფი ცელულოზას პოლიმერული ჯაჭვები წარმოდგენილია ფიბრილების სახით. ცელულოზაში წყალბადური ბმების დიდი რაოდენობა და სისტემური ბუნება განაპირობებს კრისტალური უბნების არსებობას, რომლებიც ამორფულ უბნებს ენაცვლება. ამიტომაც ცელულოზა საკმაოდ მყარი ბიოპოლიმერია, რომელიც მცენარეს სიმტკიცეს ანიჭებს.

დედამიწის განახლებადი ბიომასის წარმოქმნის პოტენციალის გაანგარიშების შედეგად დადგინდა, რომ ფოტოსინთეზის საშუალებით დედამიწაზე ყოველწლიურად 120-150 მილიარდი ტონა ნახშირბადის ფიქსაცია წარმოებს. ამას ემატება ოკეანეში ფიქსირებული 50-60 მილიარდი ტონა ბიომასის რაოდენობა. აქედან გამომდინარე, ჯამში დედამიწის განახლებადი ბიომასის წარმოქმნის პოტენციალი დაახლოებით 200 მილიარდ ტონას უდრის. ამ ბიომასის 50% წარმოდგენილია ცელულოზაშემცველი ნაერთებით. ერთ სულ მოსახლეზე გადაანგარიშებით წელიწადში დაახლოებით 20-25 ტონა ცელულოზა წარმოიქმნება. გარდა ამისა, ცელულოზაშემცველ სუბსტრატებად შესაძლოა განვიხილოთ მცენარეული სახის ნარჩენები. მათი გადამუშავებით შესაძლოა ეკონომიკურად მომგებიანი ტექნოლოგიური პროცესის შექმნა და სამიზნე პროდუქტის წარმოება, რაც ეკოლოგიურადაც უდიდესი წინგადადგმული ნაბიჯი იქნება, რადგანაც შესაძლებლობა იქმნება მოხდეს უამრავი სახის ნარჩენის, როგორც გარემოს დამბინძურებლების, უტილიზაცია. გარდა ამისა, ცელულოზური ეთანოლის საწვავად გამოყენების შემთხვევაში დაახლოებით 85%-ით მცირდება ნახშირბადის მონო და დიოქსიდების და ტოქსიკანტების გამოყოფა გარემოში.

ერთი შეხედვით, ცელულოზისგან ეთილის სპირტის წარმოება საკმაოდ მარტივია, რადგანაც, როგორც ვნახეთ, ცელულოზაშემცველი ნაერთები დედამიწაზე უდიდესი რაოდენობით გროვდება, თანაც შესაძლებელია ცელულოზის გადამუშავებით ნარჩენებთან დაკავშირებული ეკოლოგიური პრობლემების შემსუბუქებაც. ეს პროცესი ეკონომიკურადაც ძალიან ხელსაყრელი და მომგებიანი ჩანს, რადგანაც სუბსტრატი იაფი და ხელმისაწვდომია (განახლებადი ხე-ტყე, მცენარეული ნარჩენები) და მისგან ეთილის სპირტის მიღების ტექნოლოგიაც მარტივია: ცელულოზა უნდა დაიშალოს მონომერ გლუკოზებად და შემდეგ მოხდეს გლუკოზის დადუღება ეთილის სპირტად საფუარი სოკოების მეშვეობით, რომელთა კულტივირებაც საკმაოდ მარტივია მიკრობიოლოგიურად. თუმცა, რეალობაში ამის განხორციელება ძალიან რთულია და ძვირადღირებულ და ენერგოტევდ ტექნოლოგიას წარმოადგენს. ამის მთვარი განმაპირობებელი მიზეზია ის, რომ ბუნებაში ცელულოზა თავისუფალი სახით არ გვხვდება. როგორც წესი, ცელულოზა გვხვდება ლიგნინთან ერთად კომპლექსის სახით. ლიგნინი ე.წ. წებოს როლს ასრულებს ცელულოზასა და ჰემიცელულოზას შორის. ამიტომაც, ლიგნოცელულოზური კომპლექსი საკმაოდ მყარი და მტკიცეა. ცელულოზაზე მოქმედება ლიგნინის მოცილების გარეშე შეუძლებელია. ლიგინის მოცილება კი ის უმთავრესი პრობლემაა, რის გამოც ვერ ხერხდება საწარმოო მასშტაბებით ცელულოზური ეთანოლის წარმოება.

ლიგნოცელულოზურ კომპლექსს კონცენტრირებული მჟავები შლიან, მაგრამ ეს ეკოლოგიურად და ეკონომიკურად არამომგებიანია. ამიტომ უპირატესობა ენიჭება ბიოლოგიურ ხერხებს, კერძოდ მიკროორგანიზმების მიერ სინთეზირებულ ორგანულ პოლიმერებს-ფერმენტებს. ამ მიმართულებით შესწავლილი მიკროორგანიზმების უამრავი სახეობიდან მხოლოდ თეთრი ლპობის სოკოებს აღმოაჩნდათ უნარი გამოყონ ლიგნინის დამშლელ ფერმენტები, როგორებიცაა ლიგნინის პეროქსიდაზა, ლაკაზა და ა.შ. თუმცა ამ ფერმენტების მოქმედებაც არ არის ოპტიმალური, რადგანაც ლიგნოცელულოზური კომპლექსის ჰიდროლიზი მიმდინარეობს ძალიან დიდხანს, ამ დროს ხდება ცელულოზის და ჰემიცელულოზის სტრუქტურის რღვევაც და სუბსტრატის რაოდენობრივი შემცირება, მიკროორგანიზმების ზრდის და მეტაბოლიზმის პროცესების უკონტროლობა და სხვა. არსებობს ლიგნინის დაშლის ფიზიკური მეთოდებიც, თუმცა ეს პროცესები დიდ ენერგოდანახარჯებთანაა დაკავშირებული და რთული ტექნოლოგიური სქემითაა წარმოდგენილი.

ამ პრობლემის გადაჭრაზე მუშაობა ინტენსიურად მიმდინარეობს მსოფლიოს მასშტაბით. უამრავი მოსაზრება, ჰიპოთეზა და დასაბუთებული და ექსპერიმენტულად დამტკიცებული მოხსენება არსებობს ამ საკითხის ირგვლივ. ამიტომაც რთულია საკუთარი ორიგინალური და რეალისტური მოსაზრების ჩამოყალიბება და დასაბუთება. თუმცა, მე მაინც მიმაჩნია, რომ ლიგნოცელულოზური მყარი ორგანული კომპლექსის დაშლა თავდაპირველად ფიზიკური ზემოქმედებით უნდა დაიწყოს. ამ შემთხვევაში მე ვგულისხმობ გაცილებით ნაკლებ ენერგოტევად და მომგებიან ტექნოლოგიებს. მაგალითად, შესაძლებელია თავდაპირველად გამოვიყენოთ კავიტაციის მოვლენა, რომლის დროსაც ვითარდება ძალიან მაღალიწნევ და 1000°C ტემპერატურა. ვთვლი, რომ ამ ფიზიკური პირობების საშუალებით შესაძლებელია ლიგნინის სტრუქტურის სერიოზული დაზიანება. ამის შემდეგ კი ოპტიმალური იქნებოდა ლიგნინის დამშლელი ფერმენტების გამოყენება. ამ შემთხვევაში, ნაკლებად სავარაუდოა, რომ ლიგნინის საბოლოო დაშლას კვლავ დიდი დრო დასჭირდეს. რაც შეეხება მიკროორგანიზმების კონტროლს, თანამედროვე გენური ინჟინერიის მიღწევების საფუძველზე შემიძლია ვივარაუდო, რომ ამ კუთხით შესაძლებელია თეთრი ლპობის სოკოებში ისეთი გენების შეყვანა, რომელთა საშუალებითც შესაძლებელი გახდება მაქსიმალურად სწრაფად და ეფექტურად წარიმართოს პროცესი. ეს ორი პროცესი ნაკლებ ენერგოდანახარჯებს მოითხოვს და მათი წარმართვა საკმაოდ იაფია. თუ ვივარაუდებთ, რომ ცელულოზისგან ლიგნინის განცალკევება შევძელით, შემდეგ უკვე ცელულოზის დაშლა მარტივად შეიძლება წარიმართოს ისევ და ისევ მიკროორგანიზმების საშუალებით. ცელულოზას დამშლელ ფერმენტებს გაამოყოფენ სოკოები გვარის Trichoderma, Phanerochaete, Fusarium და ბაქტერიები გვარის Clostridium, Cellulomonas. ცელულოზის გლუკოზამდე დაშლა რამოდენიმე ეტაპად მიმდინარეობს. თავდაპირველად ფერმენტი ენდო-β-გლუკანაზა აჰიდროლიზებს ცელულოზის ამორფულ უბნებს, შემდეგ ფერმენტი ცელობიოჰიდროლაზა ცელულოზას ახლეჩს ცელიბიოზურ ნაშთებს ჯაჭვის არარედუცირებული ბოლოებიდან. ცელობიოზაზე კი მოქმედებს ფერმენტი ცელობიაზა, რომელიც ხლიჩავს მას და წარმოიქმნება გლუკოზა. გლუკოზას კი Saccharomyces cerevisae გარდაქმნის ეთილის სპირტად ფრუქტოზო ბისფოსფატური გზის ანუ სპირტული დუღილის ეტაპების გავლის შედეგად. სწორედ ცელულოზის დაშლის შედეგად მიღებული ეთანოლი შეიძლება გახდეს თანამედროვე მსოფლიოს ენერგოპრობლემების გადაჭრის მთავარი გზა.

გამოქვეყნებულია: 30-12-2014