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

Система периодичной ферментации

При периодичной ферментации субстрат загружают в реактор и доба­вляют посевную культуру. Процесс продолжается 4-10 сут. Содержимое ферментера перемешивают механически или естественно за счет выделяющегося диоксида углерода. Сахар или ферментирую­щийся источник углерода добавляют к выращиваемой культуре перио­дически, уменьшая интервалы подачи или непрерывно увеличивая ин­тенсивность, по мере роста микробной культуры.

Оценка жизненного цикла

До недавнего времени основное внимание, как правило, уделялось толь­ко проектированию системы. Такой метод расчета был типичен для фирм, поставлявших, как правило, оборудование для потребителей, ко­торых в основном интересовали технические характеристики установки. Тщательный экономический анализ предусматривает учет как капитало­вложений, так и эксплуатационных расходов. Другими словами, необхо - . дима оценка всего жизненного цикла установки. Для этого составляется стандартная карта расходов, с помощью которой оцениваются расходы в течение всего срока службы установки (табл.

Этанольная ферментация1′

Периодическая ферментация. Некоторые виды сырья могут подвергаться только такой ферментации. При ферментации сырья из хлебных злаков неферментирующуюся часть обычно также приходится пропускать че­рез ферментер. Извлечение дрожжевых клеток из твердых веществ, со­держащихся в ферментационной жидкой фазе, при непрерывной рецир­куляции неэффективно и неэкономично. Суспендированные субстраты чувствительны к загрязнению, которое легче предотвратить при перио­дической ферментации.

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел. +38 05235 7 41 13 Завод
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 067 561 22 71 — гл. менеджер (продажи всего оборудования)
+38 067 2650755 - продажа всего оборудования
+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи всего оборудования
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Скайп: msd-alexandriya

Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Представительство МСД в Киеве: 044 228 67 86
Дистрибьютор в Турции
и странам Закавказья
линий по производству ПСВ,
термоблоков и легких бетонов
ооо "Компания Интер Кор" Тбилиси
+995 32 230 87 83
Теймураз Микадзе
+90 536 322 1424 Турция
info@intercor.co
+995(570) 10 87 83

Оперативная связь

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