БИОМАССА Как источник энергии

Ферментация субстрата

Первичным субстратом, используемым для получения этанола фермен­тацией, являются глюкоза, лактоза, целлюлоза, сахароза и ксилан. Все субстраты, за исключением ксилана, представляют собой сахара на ос­нове гексозы, и ферментацию каждого из них можно регулировать с по­мощью предварительной обработки, а также путем применения того или иного типа микробной культуры. Первая стадия ферментации суб­стратов - катаболический обмен гексозного сахара - представлена на рис. 1 [13]. Так, сахароза гидролизуется с помощью фермента сахаро­за-фосфорилаза в глюкозу-1-Р и фруктозу, которые в свою очередь фосфорилируются. Целлюлоза ферментативно расщепляется в два эта­па: вначале она превращается в целлобиозу (целлюлозу), а затем-в глю­козу (целлобиоза или целлобиозная фосфорилаза). Крахмал в ходе предварительной обработки гидролизуется в ферментирующийся суб­страт-глюкозу и мальтозу. Мальтоза, димер глюкозы, расщепляется на две молекулы глюкозы. При плохой предварительной подготовке боль­шое количество декстринов остаются негидрализованными, и, следова­тельно, они могут не подвергнуться ферментации. Лактоза превращает­ся в глюкозу и галактозу, в которых постепенно происходит гликолитический обмен.

Ксилан состоит из мономеров пентозного сахара и расщепляется в ксилозу и ксилозу-5-фосфат, в которых затем начинается ассимиля­ционный обмен пятиуглеродного сахара. Такой обмен ведет к образова­нию глицеральдегида-З-Р и ацетила-Р, при этом из каждой молекулы ксилозы образуется одна молекула этанола и одна молекула пировино­градной кислоты. В случае других соединений, таких, как липиды и ор­ганические кислоты, происходит ассоциированный обмен с гликолевой, дикарбоновой кислотой и глиоксалатами.

Поскольку большая часть исследуемых в настоящее время субстра­тов для производства этанола представляет собой гексозы, рассмотрим, каким образом дрожжи или бактериальная культура ферментируют эти соединения в этанол.

После того как сахара достигли начальной стадии превращения в клеточном метаболизме (табл. 1), микроорганизмы могут осущест­влять катаболизм тремя путями. Основным путем метаболизма глю­козы, очевидно, является гликолиз (табл. 1), который состоит из серии трансформаций, включая реакции фосфорилирования, имеющие важное значение в производстве энергии для роста клеток микроорганизмов. Молекула глюкозы последовательно распределяется, образуя два моля пировиноградной кислоты на моль гексозы. Гексозомонофосфатный шунт (табл. 1) несколько отличается от гликолиза: из каждого моля глюкозы (или сахара) образуются один моль этанола и один моль пи­ровиноградной кислоты. При распаде по Энтену-Дудорову (табл. 1) из каждого моля глюкозы образуются два моля пировиноградной кислоты по механизму, отличному от гликолиза. Дрожжам свойственны два пу-

Таблица 1. Анаэробное брожение пировиноградной кислоты

Тип ферментации

Конечные продукты

Микроорганизмы

Этанольиый

Этанол

Дрожжи

Диоксид углерода

Zymomonas Clostridium

Молочная кислота

И многие кишечные

Бактерии

Смешанокислый

Муравьиная кислота Уксусная кислота Диоксид углерода Водород Этанол

Бутандиольиый

Как при смешанокислой

Bacillus и другие бакте­

Ферментации плюс 2,3-бу-

Рии

Тандиол

Бутанол-ацетоиовый

Уксусная кислота

Масляная кислота

Этанол

Ацетон

Изопропанол

Диоксид углерода

Водород

Clostridium

Гомомолочиокислый

Молочная кислота

Lactobacillus Streptococcus

Ти обмена-гликолиз и гексозомонофосфатный шунт; другие бактерии используют все три типа обмена.

Метаболические пути (последовательности), показанные на рис. 1 и 2, протекают не только в анаэробных условиях. Присутствие кислоро­да (или его отсутствие) не влияет на путь обмена. В аэробных условиях восстановленный в этих метаболических последоиательностях никотина - мидадениндинуклеотид (NAD4" до NADH) вновь окисляется через си­стему транспорта электронов, в которой кислород служит акцептором электронов, и образуется вода. Однако в анаэробных условиях микробы используют в качестве акцептора электронов какое-то органическое со­единение, чтобы регенерировать NAD+. В процессе эволюции возмо­жен ряд систем, в которых основной точкой ответвления в процессе фер­ментации служит пировиноградная кислота. При ферментации по этаноль - ному типу пировиноградная кислота превращается в уксусный альдегид и двуокись углерода; уксусный альдегид затем восстанавливается в эта­нол, a NADH вновь окисляется. В этом процессе теоретически возмож­но получить два моля этанола на каждый моль превращенной глюкозы или, исходя из соотношений масс, можно превратить в этанол 51% глю­козы. Практически получают только 90-95% теоретического количества этанола, так как некоторая часть пировиноградной кислоты поглощает-

Пути пре­вращений

Гликолиз

Гексозомонофосфат - ный шунт

Обмен по типу Знтера-Дударова

Глюкоза \

Глюкоза - 6 - Р і

Фруктоза-б-Р Фруктоза -1,6- di Р Z (глицеральдегид-З-Р)

2{ 1,3-ди-Р - глицери­новая кислота)

Z(3-P-глицериновая кислота) I

2(2-Р-глицериновая

Кислота) \

2(фосфоенол

Пировиноградной

Конечный продукт

Подходящие минробные группы

Кислоты)

2 (пировиноградная кислота )

Дрожжи Бактерии

Глюкоза Глюкоза-6-Р

J

6-фосфоглюконат

F-*C02 Пентозофосфат

Глицеральдегид- З-Р-ацетилфосфат I

| Ацетилфоарат

1,3-ди-Р-глицери­новая кислота у

| Ацетальдегид

3 - Р- глицериновая кислота \

<Jo

2-Р - глицериновая кислота

\осфоенол пирови­ноградной кислоты

Лировиноградн Этанол кислота

Дрожжи Бактерии

Глюкоза \

Плюкоза-6-Р

I

6-фосфоглюконат j

2-кето-З-диокси-В- фосфоглюконовая кислота

Глицеральдегид-З-Р

1,3-ди-Р - глицерино­вая кислота

I

3-Р - глицериновая кислота

I

2 - Р-гли цериновая кислота і

Ьцросфоенал пирови­ноградной кислоты)

І_____________

Пировшоград■ Пировиноград­ная кислота ная кислота

Бактерии

Рис. 2. Микробные метаболические обмены, ведущие к образованию пировино­градной кислоты.

Ся клетками. Побочными продуктами при таком брожении является не­большое количество высших спиртов.

Наиболее эффективный способ производства этанола-дрожжевая ферментация [(табл. 1), [14]]. При брожении с образованием смеси кис­лот (Clostridium) пировиноградная кислота превращается в молочную, муравьиную, уксусную кислоты, диоксид углерода, водород и этанол. При бутандиоловом брожении (Bacillus) получают этанол и четыре дру­гих основных органических продукта, а при бутанол-ацетоновом броже­нии пировиноградная кислота превращается в пять основных конечных продуктов.

Один из путей обмена, рассматриваемых в табл. 2, называется гомо - молочнокислым брожением. В этом случае этанол не образуется, так как на моль глюкозы приходятся только два моля молочной кислоты. Этот процесс упоминается при рассмотрении этанольного брожения, потому что культура с таким типом метаболизма (например, Lactobacillus) за­грязняет ферментирующую среду, в результате чего может резко сни­зиться выход этанола. В некоторых условиях ферментации Lactobacillus
Или Streptococcus конкурирует с ферментацией микроорганизмами, образующими этанол и расщепляющими гексозы до молочной кислоты.

БИОМАССА Как источник энергии

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Комплекс по производству этанола, где полностью используется сырье (например, пшеничные зерна (рис. 4)), может дать положительный энер­гетический эффект. Такой комплекс включает установку для пронзвод- Ства этанола и промышленного типа хозяйство для откормки рогатого скота. В энергетическом балансе учитывается энергия, расходуемая на выращивание пшеницы, и энергия для производства пара.

Кислород

Микроорганизмы, ответственные за производство этанола фермента­цией, являются факультативными, так как они могут развиваться как при наличии кислорода, так и без него. В присутствии кислорода из на­чального субстрата образуется больше клеточной массы (в 5-10 раз больше, чем в анаэробных условиях), и скорость роста ее увеличивается. Другими словами, аэрацией можно увеличить выход клеточной массы и интенсивность процесса.

Тепловой и энергетический к. п. д

Для составления энергетического баланса необходимо точно опреде­лить границы рассматриваемой системы. Энергетический к. п.д. может быть использован для оценки к. п.д. различных систем по переработке биомассы. Однако в тех случаях, когда процесс переработки биомассы включает стадии производства энергии (например, водяного пара или электроэнергии), более полезным будет сравнение термодинамических к. п. д., поскольку последний дает возможность установить, какая из си­стем для производства работы (энергии) лучше по сравнению с идеаль­ной.

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.