Transcript etanol1

PROIZVODNJA
ETANOLA
U fermentacionim industrijskim postupcima etanol se
najčešće dobija dejstvom kvasaca. Najčešće se koriste
Saccharomyces cerevisae, Saccharomyces uvarum, i
Candida uvalis.
Proizvodnja etanola dejstvom kvasaca se karakteriše
visokom selektivnošću, niskom akumulacijom sporednih
proizvoda, visokim prinosom etanola, visokom brzinom
fermentacije, dobrom tolerancijom na visoke
koncentracije supstrata i proizvoda. Poželjno je koristiti
kvasce sa dobrom sposobnošću za preživljavanje i
genetičkom stabilnošću pod uslovima procesa i otporne
na temperaturu.
Nutricijenti – hranljive materije
Kvascima su za rast neophodne sledeće hranljive
materije; ugljenik, azot, fosfor, sumpor, kiseonik, vodonik
kao i male količine kalijuma, magnezijuma, kalcijuma,
tragovi minerala i organski faktori rasta (vitamini,
nukleinske kiseline i amino kiseline). Kao izvor ugljenika
najčešće se koriste različiti ugljeni hidrati. Izvor azota su
amonijak, amonijum soli, urea i aminokiseline. Izvor
fosfora su fosforna kiselina i ortofosfati. Sumpor, kalijum,
kalcijum i magnezijum se koriste u obliku njihovih soli.
Ekstrakt kvasca je dobar izvor tragova minerala i
organskih faktora rasta. Većina sirovina koje se koriste u
postupku fermentacije sadrže sve potrebne nutricijente
mada je u nekikm slučajevima potrebno dodavati neke od
nutricijenata.
Sirovine za proizvodnju etanola se mogu podeliti na:
 one koje sadrže lako fermentabilne ugljene hidrate i
 one koje zahtevaju prethodnu hidrolizu ugljenih
hidrata do lako fermentabilnih.
Među onima koje sadrže lako fermentabilne ugljene
hidrate najznačajnije su: šećerna trska i šećerna repa.
Šećerna repa se prerađuje u periodu od kraja septembra
do kraja januara (kampanja šećerne repe). Nakon vađenja
iz zemlje šećerna repa je stabilna kratko vreme i zato se
mora brzo prerađivati. Po dolasku u fabriku repa se pere
da bi se uklonili mehaničke nečistoće (blato i zemlja).
Nakon pranja repa se seće posebnim noževima koji mogu
biti različite konstrukcije (rotacioni noževi, cik-cak noževi i
dr.). Prilikom sećenja cepa se mehanički oko 15 % ćelija
repe što omogućava ekstrakciju šećera iz njih. Ostatak se
otvara dejstvom toplote. Na 80 ° C otvara se 80 % ćelija
šećerne repe u roku od 5 min. Na 70 ° C isti rezultat se
postiže za 14 minuta. U praksi se za ekstrakciju primenjuje
zagrevanje repe sa vodom na 70 do 78 °C kratko vreme
(oko 5 min) a zatim se ekstrakcija izvodi na nešto nižoj
temperaturi (69 do 73 °C ). Prilikom ekstrakcije pored
šećera ekstrahuju se i nešećerne materije (20 do 30 % od
ukupnog sastava).
Šećer se ekstrahuje iz repe u prinosu od 97 do 99 %.
Ekstrakciono vreme se podešava da bude između 70 i 75
minuta. Ekstrakciona voda se pregreva na 65 do 72 °C. pH
vode se podešava na 5,6 do 5,8 pomoću sumpor-dioksida
ili hlorovodonične kiseline. Pored toga u vodu za
ekstrakciju dodaje se 350 – 700 mg/L kalcijumovih jona u
obliku kalcijum-hlorida ili kalcijum-sulfata da bi
kompleksirali pektine i smanjili njihov udeo u ekstraktu.
Količina vode koja se koristi za ekstrakciju je 25 do 30 %
bazirano na količini šećerne repe. Deo vode se
obezbeđuje presovanjem pulpe pri čemu se povečava
sadržaj suve materije sa 7 do 9 % na 18 do 32 %. Ova voda
dobivena presovanjem pulpe koja sadrži 0,6 do 2,5 %
šećera se meša sa ekstrakcionom vodom.
Pektini koji se nazivaju i galakuronani ili
ramnogalakturonani su heteropolisaharidi koji se sastoje
iz delimično esterifikovanih metanolom galakturonskih
jedinica. Lanci poligalakturonske kiseline su povezani
ramnozom. Pektin je sastavna komponenta ćelijskog
zida.
Jedan od sistema za ekstrakciju
a) Merenje repe; b) pokretna traka; c) ulazak isečene repe;
d) pužasti transporter; e) obloga za paru; f) kontrolni ventil;
g) valjak za odlaganje otpadne pulpe; h) rešetka; i) sirovi
ekstrakt; j) ulaz sveže ekstrakcione vode; k) ulaz vode iz
presovanja pulpe
Sok dobiven nakon ekstrakcije sadrži 13 do 17 % suve
materije i obojen je sivkasto crno. Boja potiće od
melanina (polimerni dihidroksifenilalanin) koji nastaje
dejstvom vazduha na tirozin. Sirovi sok sadrži sve
koloidno dispergovane i molekulsko rastvorene
supstance iz ćelijske tečnosti repe. Da bi se sok prečistio
neophodno je najpre uraditi mehaničko prečiščavanje.
Vlaknaste materije se uklanjaju ceđenjem a pesak se
uklanja u hidrociklonima. Nakon toga sok se zagreva na
60 °C. Zatim se sok ohladi i dodaje se CaO u količini od 8
do 12 g/l. Kalcijum-oksid taloži:
Pektin-hemicelulozni-proteinski kompleks kao i araban i
galaktan
Anjone kao što su fosfati, sulfati, citrati, malati, oksalati i
dr.
Materijal koji se adsorbuje na staloženom kalcijumkarbonatu
Višak CaO se uklanja dodatkom CO2 koji taloži CaCO3.
Nakon ovoga tretmana sok se odvodi na ceđenje. Ceđenje
se obično izvodi na rotacionim vakuum filterima. Dobiveni
sok se u praksi još jednom podvrgava ovim operacijama
odnosno postupak taloženja sa CaO i CO2 se ponavlja dva
puta. Prilikom dodavanja CO2 mora se voditi računa o pH
vrednosti jer na nižim pH vrednostima može otpočeti
rastvaranje kalcijumovih soli.
Ukoliko nakon ceđenja zaostane alkalna pH vrednost
rastvora ona se može podesiti dodatkom SO2 koji pored
regulacije pH igra ulogu i u obezbojavanju.
Nakon prečiščavanja sok se odvodi na uparavanje gde se
sadržaj suve materije sa 15 do 18 % povećava na 68 do 74
%. Hlađenjem ovoga rastvora kristališe šećer koji se
odvaja centrifugiranjem. Zaostali rastvor nakon
centrifugiranja predstavlja melasu.
Ekonomika proizvoda iz šećerne repe:
1000 tona šećerne repe u proseku daje:
115 tona šećera
50 tona melase
35 do 40 tona suve pulpe
90 tona vlažne pulpe
Šećerna trska
Šećerna trska je tropska biljka. Ova biljka raste 18 do 24
meseci. Prinosi šećerne trske se razlikuju po regionima.
Primera radi prinosi su od 55 do 60 tona po hektaru u
regionima sa lošim uslovima za rast do 200 tona po
hektaru na Havajima. Prinos šećera po hektaru se samim
tim razlikuje od 5 tona po hektaru (Etiopija) do 26 tona po
hektaru (Brazil). Period žetve šećerne trske se ponovo
razlikuje po regionima. Trska se žanje u suvom i hladnijem
periodu. Tako se u Lujzijani žanje od oktobra do
decembra. U zemljama severne hemisfere trska se žanje u
prvoj polovini godine dok se u zemljama južne hemisfere
žetva odvija u drugoj polovini godine.
Stabljike šećerne
trske
Voda
73-76 %
Suva materija
23-27 %
Rastvorne
10-16%
Vlakna
11-16 %
Sok nakon
ekstrakcije
Šećeri
75-92 %
Soli
3-4,5 %
Organske
kiseline
1,5-5 %
Saharoza 70-90 %
Glukoza 2.4 %
Fruktoza 2-4 %
Neorg. kis.
1,5-4,5 %
Org. Kis.
1-3 %
Karboksilne kis.
1,1-3 %
Amino kis.
0,5-2,5 %
Ostale
organske
materije
Proteini 0,5 %
Skrob 0,001-0,05
Gume 0,3 -0,6
Voskovi, fosfatidi
Masti 0,05-0,15
Sok šećerne trske se dobija sitnjenjem trske. Sitnjenje se
izvodi pomoću noževa koji se okreću. Ovi noževi sitne
stabljike u komade od 2 do 10 cm. Nakon toga tako
isitnjeni komadi prolaze kroz mašinu sličnu mašini za
uništavanje papira. Ovde dolazi do pucanja ćelija i izlaska
dela tečnosti iz ćelija. Nakon toga masa prolazi kroz
mlinove sa valjcima u kojima se materijal poliva vodom
da bi se pospešila ekstrakcija. Voda se sipa na
poslednjem mlinu i rastvor koji se sakuplja ispod ovoga
mlina se prebacuje na sledeće mlinove. Na taj način se
povećava koncentracija šećera u rastvoru. Rastvor šećera
se sakuplja u jednom rezervoaru. Najveća koncentracija
šećera je u prvoj fazi mlevenja dok se u mlinovima sa
valjcima dobija znatno niža koncentracija šećera.
Vlakna koja se sastoje od celuloze se u većini fabrika
koriste kao gorivo.
Dobiveni sok nakon ekstrakcije je mutan, tamno obojen sa
pH vrednošću oko 4,5. Sok se zatim zagreva na 75 ° C da
bi se prekinulo dejstvo invertaze i drugih enzima. Dobiveni
ekstrakt se zatim bistri dodatkom krečnog mleka (rastvor
Ca(OH)2 ) 0,5 kg CaO po toni šećerne trske. Takav rastvor
se prebacuje u sud za bistrenje gde se dodaju i organski
flokulanti koji pospešuju taloženje. Bistri rastvor se
pumpama prebacuje sa vrha suda na uparavanje a deo
mulja se prebacuje u sud u kome se sakuplja primarni
ekstrakt. . Rezultujući ekstrakt sadrži 12 do 13 % šećera.
Rastvor se uparava u evaporatorima do 62 do 69 % suve
materije. Nakon toga se hladi i ostavi da kristališe. Kristali
se odvajaju centrifugiranjem od melase.
Melasa dobivena iz trske se razlikuje od melase dobivene
iz šećerne repe. Melasa dobivena iz šećerne repe ima
znatno manji sadržaj redukujućih šećera. Kod nje se
šećer nalazi uglavnom u obliku saharoze. Pored toga
melasa dobivena iz trske ima nižu pH vrednost (5,5 u
odnosu na 7). Sastav melase se razlikuje od fabrike do
fabrike usled različitog sastava šećernog soka. Različitost
potiće od klimatskih uslova, sastava zemljišta, količine
dodatog đubriva itd.
Saharoza iz melase u vodi hidrolizuje dejstvom enzima
invertaze koji se nalazi u kvascu kojim se izvodi
fermentacija. Hidrolizom saharoze nastaju redukujući
šećeri (glukoza i fruktoza).
Stajanjem melase ili njenom kontaminacijom sa
Leuconostoc mesenteroides molekuli šećera polimerizuju i
nastaju polisaharidi dekstrani. Iako su dekstrani
redukujući šećeri oni nisu fermentabilni. Stoga se u nekim
postupcima (Alltech- postupak) dodaje enzim dekstranaza
koji hidrolizuje ove polisaharide.
U grupi sirovina koje zahtevaju prethodnu hidrolizu
ugljenih hidrata najznačajnije mesto zauzima kukuruz
koji predstavlja glavnu sirovinu u Severnoj Americi i
nekim delovima Evrope. U postupku dobijanja etanola
razlikujemo dva različita postupka:
 postupak sa suvim mlevenjem
 postupak sa vlažnim mlevenjem
Postupak sa suvim mlevenjem se znatno češće
primenjuje u industriji etanola dok se u postupku sa
vlažnim mlevenjem koristi otpadni skrob kao sirovina za
proizvodnju etanola.
Postupak sa suvim mlevenjem se sastoji iz više faza. U
prvoj fazi se sirovi materijal melje do željene granulacije.
Nakon toga se samleveni materijal meša sa vodom i na
povišenoj temperaturi se dodaje enzim koji hidrolizuje
skrob do dekstrana (proces likvefakcije skroba). Dobiveni
rastvor dekstrana se ohladi i zatim se dodaje enzim
glukoamilaza ili Rhyzozime™ koji hidrolizuju dekstrane do
glukoze. Dobiveni rastvor glukoze se podešava do
potrebne koncentracije i odvodi u fermentor.
Mlevenje
Mlevenje kukuruza ima cilj da dovede kukuruz do
odgovarajuće veličine čestica koje omogućavaju dobru
penetraciju vode u procesu kuvanja. Optimalna veličina
čestica je predmet neslaganja među tehnolozima. Neki
smatraju da finije čestice obezbeđuju bolji pristup
molekulima vode dok neki misle da se bolji prinosi
dobijaju sa većim česticama i jet cooker može da deluje
na čestice. Mlevenje se odvija u mlinovima čekičarima ili
u ređim slučajevima u mlinovima sa valjcima.
U mlinovima čekičarima kukuruz se ubacuje u odeljak za
mlevenje u kome veći broj čekiča rotira velikom brzinom
Izlaz iz mlina ima rešetku koja zadržava krupnije čestice
dok se ne izdrobe tako da rešetke definišu maksimalnu
veličinu čestica koje izlaze iz mlina. Rešetke su obično
dimenzija između 2 i 4 mm.
Kvalitet mlevenja se proverava analizom na sitima i
proizvođači obično postavljaju odeđenu
granulometrijsku analizu kao kvalitet mlevenja. Kada
dođe do odstupanja rezultata granulometrijske analize
od propisane mlinovi se podešavaju ili se zamenjuju
čekići.
Prva faza nakon mlevenja je geliranje skroba. Da bi enzim
-amilaza mogao da priđe molekulima skroba neophodno
je narušiti njihovu granularnu strukturu. Ovo se postiže
geliranjem skroba. Kuvanjem smese brašna i vode
granule skroba upijaju vodu i nabreknu. Na taj način
gube svoju kristalnu strukturu dok ne postanu kao gel
koji teži da popuni sav prostor i koji se cepa mešanjem i
abrazijom. Temperatura geliranja je za kukuruzno brašno
između 62 i 72 °C mada većina fabrika geliranje izvodi na
90 ° C. Na ovoj temepraturi geliranje je skoro trenutno i
nema gubitka u viskozitetu i prinosu. Na sledećem slajdu
prikazane su promene granula skroba u vodenoj
suspenziji sa porastom temperature.
Nakon geliranja pristupa se likvefakciji skroba odnosno
“rastvaranju skroba”. Likvefakcija se izvodi dejstvom amilaze na skrob. Skrob predstavlja smešu amiloze i
amilopektina.
Skrob iz kukuruza sadrži 10 % amiloze i 90 %
amilopektina. -amilaza hidrolizuje samo -1,4-glikozidnu
vezu dok na -1,6-glikozidnu vezu ne deluje. Njenim
delovanjem nastaje smeša dekstrana koja ima znatno
manju viskoznost od geliranog skroba.
Poslednja faza je faza saharifikacije odnosno faza
hidrolize dekstrana. U ovoj fazi dodaje se enzim
glukoamilaza koja hidrolizuje dekstrane sa
neredukujućeg dela šećera. Glukoamilaza hidrolizuje i 1,6-glikozidne veze ali znatno sporije nego -1,4 veze.
Bač postupak za kuvanje skroba podrazumeva
dodavanje 0,02 težinska procenta -amilaze na početku
da bi se ubrzalo mešanje u fazi geliranja. Smeša brašna i
vode se zagreva do ključanja propuštanjem pregrejane
pare 30 do 60 min. Nakon toga se kaša ohladi pomoću
sistema za hlađenje uronjenog u reaktor na 75 do 90 °C i
doda se nova količina -amilaze 0,04 do 0,06 težinskih
procenata. Smeša se održava na toj temperaturi 45 do 90
minuta. Pri tome se vodi računa da skrob potpuno
hidrolizuje (jodni test).Smeša se ne sme dalje
transportovati pre potpune hidrolize skroba. Optimalna
pH vrednost za delovanje amilaze je između 6 i 6,5 mada
su danas dostupni enzimi koji rade i u pH opsegu između
5,5 i 5,7. Stoga je neophodno u fazi likvefakcije održavati
pH vrednost u ovom opsegu.
Saharifikacija kao faza koja sledi nakon likvefakcije se
danas obavlja na dva načina. Jedan deo industrije ima
zasebne sudove za saharifikaciju dok u većem delu
industrije se potrebni enzimi dodaju direktno u fermentor
(tzv. SSF simultana saharifikacija i fermentacija). Faktor
koji znatno favorizuje drugu metodu je primena
Rhizozyme™. Ovaj enzim ima niži temperaturni optimum
od glukoamilaze (30 do 35 °C u poređenju sa 60 °C).
Pored toga ovaj enzim ima i niži pH optimum (3,5 do 5 u
poređenju sa 4 do 5,5). Ovakve osobine daju ovom
enzimu znatnu prednost u primeni u fermentoru u
odnosu na glukoamilazu.
Ukoliko se koristi poseban sud za saharifikaciju smeša
nakon likvefakcije se ohladi na 60 do 65 °C i prebaci u sud
za saharifikaciju gde se dodaje enzim glukoamilaza
(najčešće izolovana iz Aspergillus Niger). Ovaj proces
hidrolize dekstrana se obično odvija u trajanju od 45 do
90 minuta mada može biti i duži (do 6 sati). Glukoamilaza
se dodaje 0,06 do 0,08 težinskih procenata u odnosu na
masu kukuruza. Hidroliza se danas uglavnom prati HPLC
analizom.
Ukoliko se primenjuje SSF metoda dodaje se 0,06 %
konvencionalne glukoamilaze i 0,01 % Rhizozyme™ ili
0,05 % Rhizozyme™.
Postupak sa vlažnim mlevenjem razdvaja zrna kukuruza
na tri glavna proizvoda: spoljašnju ljusku (mekinje), klicu,
i endosperm u kome se nalaze gluten i skrob.
Iz 25 kilograma kukuruza na ovaj način dobija se 14 kg
skroba, 6,6 kg hrane i hranljivih materija i 0,9 kg ulja.
Oljušteni kukuruz se najpre čisti mehanički protresanjem
na sitima i na taj način se iz njega uklanjaju sitnije i
krupnije nečistoće.
Prva faza procesa je natapanje kukuruza. Ova faza
omekšava zrna kukuruza čineći ih pogodnijim za
mlevenje, raskida veze između skroba i proteina i uklanja
deo rastvornih materija iz kukuruza. Natapanje se odvija u
tankovima zapremine od 70 do 458 m3. U njih staje do 325
tona kukuruza. Natapanje se izvodi u razblaženom
rastvoru sumporaste kiseline (0,1 % SO2) na temperaturi
od 52 ° C. Trajanje ove operacije je od 28 do 48 sati.
Sistem je obično napravljen sa većim brojem tankova u
kojima se kukuruz zadržava različito vreme.
Tečnost za natapanje se uvodi u poslednji tank i
sistemom pumpi se potiskuje do prvog tanka u kome se
nalazi najsvežiji kukuruz.
Ova tečnost na kraju pre odlaska na uparavanje sadrži 6
procenata materije iz kukuruza. 35 do 45 % suve materije
u ovoj vodi čine proteini te je suvi ostatak izuzetno
pogodan za stočnu hranu. Voda od natapanja se reciklira
u sistemu isparivača gde se koncentruje do 35 do 55 %
suve materije. Zaostala (tzv. Teška voda iz natapanja se
meša sa ostacima iz mlevenja vlakaa i prodaje se kao
stočna hrana. Deo ove vode se može koristiti kao
hranljiva materija u fermentaciji.
Natopljeni kukuruz zatim prolazi kroz mlinove za
odvajanje klica koji cepaju zrno i oslobađaju klicu i oko
jedne polovine skroba i glutena. Dobivena pulpa se
pumpa u tečne ciklone gde se ekstrahuju i odvajaju klice
od smeše vlakana i skroba i glutena. Klice se zatim peru,
suše i dalje koriste za dobijanje ulja.
Proizvod koji izlazi iz ciklona dalje prolazi kroz seriju
ispiranja, mlevenja i ceđenja da bi se skrob i gluten
odvojili od vlaknastog materijala. Ljuska u kojoj se nalazi
najviše vlaknastog materijala se odvaja i suši da bi se
koristila u stočnoj hrani. Nakon ovoga odvajanja zaostaju
gluten, skrob i rastvorne organske materije. Suspenzija
koja sadrži skrob i gluten se prebacuje na disk sa
otvorima koji se brzo okreće gde dolazi do odvajanja
glutena. Gluten kao lakši se sakuplja na vrhu a skrob se
sakuplja na dnu. Jedan prolaz kroz ovakav centrifugalni
separator daje proizvod koji sadrži 60 % proteina.
Dobiveni gluten se odvaja od vode ceđenjem i nakon
sušenja se koristi kao stočna hrana.
Skrob koji je prošao se ponovo centrifugira kako bi se
odvojili tragovi glutena. Skrob koji prođe se deli na više
delova koji se koriste u industriji papira (kao modifikovani
skrobovi – kiseli hidrolizati, modifikati sa etilen-oksidom,
oksidovani skrob itd), jedan deo skroba odlazi za
proizvodnju visoko fruktoznog sirupa a jedan deo u
proizvodnju etanola.
Za proizvodnju etanola skrob prolazi faze likvefakcije i
saharifikacije koje su obrađene kod suvog postupka.
Lignocelulozni materijal je najznačajniji obnovljivi izvor
biomase nastao fotosintezom. Godišnja produkcija
biodegradabilnog materijala je 1,8 x 1011 tona godišnje.
Od toga je 40 % celuloze. Celuloza je polimer glukoze u
kome su glukoze međusobno povezane -1,4-glikozidnim
jedinicama.
Molekulska masa polimerne celuloze se može razlikovati
(celuloza u roto-papiru ima stepen polimerizacije 1000
dok celuloza iz pamuka ima stepen polimerizacije 10 000).
Molekuli celuloze su znatno rezistentniji prema hidrolizi
ne samo zbog primarne strukture (tipa glikozidne veze)
već i zbog sekundarne i tercijarne strukture, kao i zbog
asocijacije molekula celuloze sa drugim polimerima
(ligninom, pektinom, hemicelulozom i proteinima).
Sekundarna struktura
Tercijarna struktura
Molekuli lignina su najodgovorniji za otežanu hidrolizu
lignoceluloze. Lignin formira zaštitnu koru oko molekula
celuloze. Lignin je makromolekul fenolnog karaktera i
može se posmatrati kao dehidratacioni proizvod tri
monomerna alkohola:].
H3CO
H3CO
HO
HO
OH
OH
H3CO
trans-koniferil alkohol
HO
trans-sinapil alkohol
OH
trans-kumaril alkohol
lignin
Uloga lignina u lignoceluloznim materijalima je da
pomogne strukturnu rigidnost biljaka i da služi kao
zaštita od vode u ćelijama drveta. Polimerne alkil-aril,
alkil-alkil i alkil-ariletarske veze su stabilne prema
hidrolitičkim uslovima kao i prema dejstvu
mikroorganizama. Prisustvo lignina i njegove veze sa
celulozom i hemicelulozom ometa mikrobiološku
degradaciju ovih ugljenih hidrata. Zbog ovoga je
neophodan fizičko-hemijski tretman da bi se lignin
odvojio i obezbedio pristup enzimima za hidrolizu
ugljenih hidrata.
Pored celuloze i lignina značajan udeo u lignoceluloznim
materijalima ima i hemiceluloza. Hemiceluloza se sastoji
od kratkih polisaharidnih lanaca koji su mnogo
rastvorljiviji i dostupniji dejstvu enzima od celuloze.
Glavni delovi lanaca su D-ksiloza i L-arabinoza. Bočni
lanci su izgrađeni od D-glukoze, D-glukuronske kiseline,
D-manoze i D-galaktoze. Kod tvrdog drveća hemiceluloza
je glukuroksilanskog tipa dok je kod mekog drveća
glukomananskog tipa.
U tretmanu lignoceluloznog materijala primenjuje se
nekoliko postupaka. Jedan od postupaka zasniva se na
fizičkom pristupu tzv. eksplozija pare. U ovom postupku
komadići drveta (iverje) se tretira sa parom na 180 do 200
° C 5 do 30 min. Pod ovim uslovima kiseline nastale
hidrolizom hemiceluloze otpočinju autohidrolizu celuloze.
Lignin se dovoljno omekšava tako da prilikom
depresurizacije suda dolazi do eksplozije unutar ćelija
drveta. Na ovaj način se delimično raskida asocijacija
lignina i celuloze i povećava se površina dostupna za
hidrolizu. Dalja hidroliza celuloze može biti enzimska ili
kiselo katalizovana. U slučaju enzimske hidrolize
primenjuju se celulaze. Nedostatak ovih enzima je
inhibicija celobiozom i glukozom tako da se ovi enzimi
kombinuju sa fermentacijom (SSF-simultana
saharifikacija i fermentacija).
Alternativa prethodnom postupku je kisela hidroliza
Na slajdu je prikazan postupak firme Arkenol. Po ovom
postupku drvena vlakna se mešaju sa konc. H2SO4 i
vodom u primarnom reaktoru. Nakon toga se prebacuje u
sekundarni reaktor gde se dodaje nova količina kiseline.
Nakon toga se odvaja lignin. Pre neutralizacije je
neophodno odvojiti šećer od kiseline na koloni a zatim se
izvodi neutralizacija kiseline sa krečom. Nakon odvajanja
gipsa šećeri se odvode na fermentaciju. Lignin se koristi
kao gorivo ili kao punioc u građevinsakoj industriji.
Kvasci su jedinstveni mikrorganizmi po tome što jedini
mogu prelaziti sa respiracije na fermentaciju. U oba
slučaja kvasci koriste glukozu ukoliko je prisutna u
visokoj koncentraciji za fermentaciju. (Crabtree efekat).
Ćelija kvasca je dimenzije 7 µm x 7 µm sa površinom od
153 µm2. Deset grama presovanih kvasaca ima površinu
oko 10 m2. Ovako velika kontaktna površina omogućava
kvascima da koriste šećer u fermentacionom medijumu.
Jedan gram suvog kvasca ima oko 4.87 x 1010 ćelija.
Ćelije kvasca su smrtne. Starenje kvasca je funkcija broja
deoba odnosno ćerki ćelija koje su nastale iz jedne ćelije
kvasca. Maksimalan kapacitet deljenja ćelije naziva se
Hayflick limit. Kada ćelija dostigne taj limit ulazi u fazu
starenja koja vodi do smrti ćelije. Novonastala ćelija
kvasca može proizvesti 10 do 33 ćerki ćelija zavisno od
soja. Kvasci se dele pupljenjem. Pupljenjem nastaje nova
ćelija koja se odvaja od majke ćelije. Odvojena ćelija
dostiže kritičnu veličinu i sama otpočinje sa deobom.
Nakon odvajanja ćerke ćelije na majci ostaje ožiljak.
Deoba se nastavlja dok ćelija ne dostigne Hayflick-ov
limit. Nakon toga ćelija ulazi u fazu starenja i menja svoj
metabolizam. Na kraju ćelija ulazi u metamolizam umiranja
koji rezultuje liziranjem ćelijskog zida. Broj ožiljaka na
ćeliji je parametar na osnovu koga se može odrediti
starost ćelije.
Lag faza. U toku ove faze kvasci se adaptiraju na njihovu
novu sredinu i aktiviraju svoj metabolizam (sintetišu
enzime) Ovo je period nultog rasta ali zato period
intenzivne biohemijske aktivnosti. Ova faza se završava
sa prvom deobom ćelije.
Accelerating faza. Kada ćelije izađu iz lag faze i otpočnu
sa deobom one ulaze u fazu ubrzanja pre nego što uđu u
log fazu. U ovom delu brzina deobe se kontinualno
povećava. U fabrikama alkoholnih pića moguće je
maksimalno desetostruko uvećanje broja ćelija tj. Nastaju
tri nove generacije i eventualno četvrta generacija. Dalji
rast broja ćelija je nemoguć zbog nedostatka esencijalnih
komponenata za izgradnju membrana koje se ne mogu
sintetisati pod anaerobnim uslovima. U destilerijama se
rast kvasaca obezbeđuje pod aerobnim uslovima pre
fermentacije.
Log faza (eksponencijalni rast). U ovoj fazi imamo
konstantan maksimalan rast broja ćelija. Ovo je period
logatritamskog dupliranja ćelija. Ovde se uvodi pojam
generacijskog vremena odnosno vremena u kome se broj
ćelija duplira. Pod optimalnim uslovima ovo vreme je
između 90 i 120 minuta. Kvasac se može održavati u ovoj
fazi dodavanjem nutricijenatra u fazi rasta. Ovo se
primenjuje u fazi uzgajanja kvasca da bi se sprečila
proizvodnja etanola a povećala ćelijska masa.
Faza usporavanja. U ovoj fazi brzina rasta opada usled
redukcije nutricijenata i/ili povećanja koncentracije
inhibitora rasta (etanola)
Stacionarna faza. U stacionarnoj fazi broj ćelija kvasca
ostaje konstantan (tj. konstantan u odnosu na broj živih
ćelija. Broj novih ćelija je balansiran sa ćelijama koje umiru.
U ovoj fazi kvasac može ostati duže vreme bez dodatka
nutricijenata.
Faza opadanja. U ovoj fazi je broj ćelija koje umiru veći od
broja onih koje se rađaju tako da ukupan broj ćelija opada.
Hemizam fermentacije
Nakon ulaska šećera u ćeliju kvasca on se konvertuje
glikolizom do piruvata (Embden-Myerhof-Parnas-ov put).
Glikoliza se odvija bez obzira na to da li je kiseonik
prisutan ili ne. Kada ima dosta kiseonika i koncentracija
šećera se održava niskom favorizovana je reakcija
aerobne oksidacije piruvata i ulaska proizvoda oksidacije
u ciklus trikarbonskih kiselina. Smanjenjem koncentracije kiseonika i povećanjem koncentracije šećera iznad
0,1 težinski procenat favorizuje se fermentacioni proces i
degradacija piruvata do etanola. Proces aerobne
oksidacije obezbeđuje energiju za rast kvasaca i stvara
hranljive materije potrebne prilikom rasta kvasaca.
Prilikom anaerobne fermentacije prinos ćelija je svega 10
% u poređenju sa aerobnom oksidacijom.
Prilikom rasta kvasaca pri prevođenju piruvata u acetilkoenzim A stvara se NADH. Povećana koncentracija NADH
može zaustaviti katabolizam i stoga ga ćelija uklanja tako
što ga troši za redukciju dihidroksiaceton-fosfata. Na taj
način nastaje glicerol. Povećanje temperature fermentacije
takođe favorizuje nastajanje glicerola.
a) Milimoli proizvoda po 100 milimola fermentisane
glukoze
Pored etanola, ugljen-dioksida i glicerola važan proizvod u
fermentaciji kvasaca predstavljaju viši alkoholi tzv fusel oil.
Najzastupljeniji među njima su n-propanol, amil alkohol,
izoamil alkoholi i fenetil alkohol. Ovi alkoholi mogu nastati
kao sporedni proizvod katabolizma amino kiselina ili preko
piruvata u procesu biosinteze organskih molekula. Udeo i
odnos viših alkohola zavisi od sirovine i uslova fermentacije.
propanol
butanol izobutanol
2-metil-1butanol
Izoamilalkohol
melasa
13,2
0,2-0,7
15,8
28,4
37,4
pšenica
9,1
0,2-0,7
19,0
20,0
51,2
krompir
14,0
0,5
15,5
15,0
55
voće
8,0
2,0
19
14,0
57
Faktori koji utiču na fermentaciju
Uticaj koncentracije supstrata
Koncentracija šećera ima značajan uticaj na brzinu
fermentacije. Bač fermentacija se obično izvodi sa
koncentracijama šećera od 14 do 18 % što rezultuje
finalnom koncentracijom alkohola između 6 i 9 %.
Povećanje koncentracije šećera daje veću koncentraciju
etanola što smanjuje finalnu cenu destilacije, međutim
pri koncentracijama šećera iznad 14 % počinje plazmoliza
ćelija kvasca. Pored toga inicijalna brzina fermentacije
počinje da opada pre nego što koncentracija etanola
dostigne željenu vrednost. Pod anaerobnim uslovima i
nižim koncentracijama glukoze brzina produkcije etanola
se može predstaviti Monod-ovom jednačinom:
V = VmaxS/(Ks + S)
gde je V brzina produkcije etanola (g/gćelija , satu); S je
koncentracija glukoze (g/l); Ks je konstanta sa vrednošću
0,35 g/l.
Ovaj odnos pokazuje da se pod anaerobnim uslovima
maksimalna proizvodnja etanola po jedinici ćelija postiže u
opsegu koncentracije glukoze između 3,5 g/l i 150 g/l. Iznad
150 g/l javlja se znatna inhibicija proizvodnje etanola.
Uticaj kiseonika
Kiseonik je esencijalan za dobru fermentaciju. Kod
kiseonika se pravi kompromis jer produkcija biomase se
odvija pod aerobnim uslovima a fermentacija pod
anaerobnim uslovima. Kiseonik deluje kao faktor rasta
kvasaca i uključen je u sintezu nezasićenih masnih
kiselina i ergosterola koji stimulišu rast kvasaca pod
anaerobnim uslovima. Kiseonik je neophodan u bač
postupcima kada se radi sa višim koncentracijama
šećera kada je neophodan produženi rast ćelija . U
kontinualnim postupcima kiseonik je neophodan jer
kvasci mogu rasti samo 4 do 5 generacija pod
anaerobnim uslovima jer se nakon toga potroše
nezasićene masne kiseline i steroli akumulirani u toku
aerobnog rasta. [
Neophodan nivo kiseonika zavisi od soja kvasca. Obično je
potreban napon kiseonika od 6,7 do 13,3 Pa u
fermentacionoj čorbi. Iznad ove vrednosti dolazi do
povećanja rasta ćelija na račun smanjenja proizvodnje
etanola tj. glukoza se oksiduje do CO2 i H2O preko TCA
ciklusa. Provođenje vazduha kroz fermentacionu čorbu se
može izbeći dodavanjem oleinske kiseline, linoleinske
kiseline ili ergosterola u medijum. Kulture obogaćene ovim
dodacima mogu postići visoku koncentraciju etanola
(15,5%) sa visokom efikasnošću prema supstratu (95 %
konverzije) pod anaerobnim uslovima.
Uticaj koncentracije etanola
Etanol je toksičan za kvasce. Toksičnost se ogleda u
oštećenju membrane ili promeni osobina membrane.
Etanol inhibira rast kvasaca kao i proizvodnju etanola.
Etanol u koncentracijama većim od 110 g/l kod većine
kvasaca inhibira i rast kvasaca i proizvodnju etanola.
Kod tolerantnjih kvasaca moguća je proizvodnja etanola
ali ne i rast pri koncentracijama etanola i preko 20 %.
Efekat dodatog etanola na rast ćelija je znatno manji od
efekta autogenog etanola (etanola dobivenog radom
kvasaca. Efekat etanola raste sa porastom temperature.
Produženo izlaganje kvasaca visokoj koncentraciji
etanola dovodi do gubitka ćelija tako da se reciklovane
ćelije moraju kontinualno dopunjavati svežim ćelijama ili
se u potpunosti zamenjivati novim.
~ maksimalna specifična brzina rasta
µ = specifična brzina rasta; µ=
izvor etanola: —— dodat, ------ autogeni
Efekat pH
pH vrednost fermentacionog rastvora utiče na rast
kvasaca, brzinu produkcije etanola, formiranje sporednih
proizvoda i kontrolu kontaminacije bakterijama.
U praksi se fermentacija izvodi na pH vrednostima od 4 do
6. U blago puferisanoj sredini inicijalni pH je između 5,5 i 6
dok u jače puferisanim sredinama se podešava pH između
4,5 i 4,7. Ukoliko je pH vrednost u toku fermentacije manja
od 5 na taj način se sprečava rast bakterija. Opseg pH
vrednosti u kome raste večina sojeva Saccharomyces
cerevisae je između 2,4 i 8,6 sa optimumom na 4,5. Brzina
fermentacije ne zavisi od pH vrednosti u opsegu od 3,5 do
6.
Efekat temperature
Većina kvasaca ima maksimum rasta na temperaturama
oko 39 do 40 ° C. Maksimalna temperatura rasta za neki
kvasac do sada zabeležena je 49 ° C za Kluyveromyces
marxianus Mezofilni sojevi Saccharomyces daju
optimalan prinos ćelija i maksimalnu brzinu rasta između
28 i 35 ° C. Optimalna temperatura za termofilne kvasce
je 40 ° C. Međutim ovi kvasci su zahtevniji u pogledu
nutricijenata i rukovanja sa njima te se ređe primenjuju.
U bač postupcima optimalna temperatura za kompletnu
konverziju glukoze i maksimalnu ‘produkciju etanola je
nešto niža od optimalne temperature za sam kvasac. Ovo
se objašnjava pojačanom inhibicijom etanolom na višim
temperaturama.
U kontinualnim procesima maksimalna temperatura 35 do
40 ° C u odsustvu etanola se mora smanjiti za 1 ° C za
svaki procenat etanola.
Neki kvasci imaju optimalnu temperaturu između 40 i 42 °
C . Oni mogu da proizvedu preko 12 % etanola sa
prinosom većim od 90 % od teorijskog. S obzirom na to
da je fermentacija egzoterman proces (586 J po gramu
potrošene glukoze) primena ovih kvasaca može smanjiti
troškove hlađenja u fermentoru.
FERMENTACIJA
Uparavanjem šećera raste viskozitet rastvora kao i
koncentracije šećera ali i neorganskih primesa. Merilo
gustine melase su Brix-ovi stepeni. Brix-ov stepen
pokazuje koliki bi bio sadržaj šećera ako bi sve
suspendovane i rastvorene supstance u melasi bile
šećer. Drugim rećima to je težinski sadržaj šećera u
rastvoru koji ima istu gustinu kao melasa. Melasa sa 80 °
Briksa ima gustinu od 1,416 g/ml kao i rastvor koji sadrži
80 težinskih procenata šećera.
Melasa se čuva u dva ili tri rezervoara po 1500 m3 iz kojih se
pumpama prebacuje u intermedijerne rezervoare. U ovim
rezervoarima se vrši korekcija pH vrednosti i po potrebi se
dodaju nutricijenti, (azot i fosfor). Melasa se najpre razblažuje
na 40 ° po Briksu a zatim se zagreje. Tom prilikom se
izdvajaju gumaste materije i druge suspendovane čestice.
Zatim se melasa hladi i razblažuje do 25 Briksa. Nakon
razblaživanja melasa se steriliše u izmenjivačima toplote a
zatim se hladi i uvodi u fermentore. S obzirom na to da
melasa koja ima 25 stepeni po Briksu obično sadrži 14,3 %
šećera iz nje bi se dobio alkohol koncentracije oko 8 % što je
za današnje uslove niska koncentracija u fermentoru se
održava koncentracija šećera na 20 Briksa dodatkom melase
koja ima 40 Briksa.
Pre otpočinjanja fermentacije vrši se kondicioniranje
kvasca u oko 10 % zapremine reaktora u koju se dodaje
fermentaciona tečnost razblažena na 16 Briksa, kvasac i
hrana za kvasac. Propagacija kvasca se potpomaže
aeracijom sa protokom vazduha od 20 do 30 ml vazduha po
litri fermentacione tečnosti u minuti. Da bi se sprečila
kontaminacija kvasca dodaju se antibiotici koji sprečavaju
rast mikroorganizama. Ferermentacija melase je relativno
brza (24 sata). Prilikom fermentacije oslobađa se velika
količina toplote tako da je neophodno hlađenje reaktora,
Prinosi su oko 29 l etanola po 100 kg melase ili 65 l
alkohola na 100 kg fermentabilnih šećera. Cena 1 tone
melase se kreće oko 35 do 40 $ po toni što omogučava
proizvodnju etanola po ceni od 0,20 do 0,25 $ po litri sa
troškovima transporta.
Tipovi fermentacije
Bač postupak
a) šećer
b) etanol
c) biomasa
Konverzija šećera u jednostavnom bač postupku je 75 –
95 % a finalna koncentracija etanola je 10 do 16
zapreminskih procenata. Produktivnost je 1,8 do 2,5 g
etanola po litri fermentacione tečnosti.
Da bi se povećala produktivnost razvijen je postupak sa
recikliranjem kvasca. Na taj način se dobija veća
koncentracija biomase na početku procesa što skraćuje
vreme konverzije supstrata.
Međutim, visoka koncentracija ćelija kvasca smanjuje
prinos. Ukoliko je koncentracija kvasca preko 21 g/l
prestaje rast kvasaca jer se sav supstrat troši za
fermentaciju do etanola i održavanje postojećih kvasaca.
Pored toga brzo postizanje visoke konc. etanola dovodi
do smrti kvasaca.
Stoga je potrebno fermentaciju izvoditi na niskoj
temperaturi, sa zasićenjem kiseonika od 10 do 20 %.
Pored toga otpornost nekih kvasaca se može povećati u
prisustvu vitamina kvasaca.
Nedostaci bač postupka su isti kao i kod drugih bač
postupaka: niska produktivnost, teškoće u
automatizaciji, česti prekidi i značajni troškovi
laboratorijske kontrole.
Kontinualni postupci
Kontinualni postupci eliminišu većinu nedostataka bač
postupaka. Kod ovih postupaka je povećana ukupna
produktivnost a samim tim je za isti efekat potrebna
manja zapremina reaktora. Karakteriše ih kontinualno
uvođenje sirovine (uključujući kiseonik) u reaktor i
kontinualno odvođenje proizvoda reakcije. Proizvod
reakcije sadrži etanol, biomasu i nepotrošene hranljive
materije. Produktivnost ovih postupaka je do 6 g/lh, što je
3 puta više nego u bač postupku . Ovo omogućava za istu
količinu etanola primenu tri puta manjeg reaktora.
Specifična produktivnost etanola i ukupna produktivnost
su limitirani inhibicijom etanola. Pored toga produktivnost
je limitirana koncentracijom biomase (10 do 12 g/l).
Ekonomska analiza pokazuje smanjenje od 53 % u
troškovima rada i 50 % u investicijama za kontinualne
postupke u poređenju sa bač postupkom.
Koncentracija šećera od 10 % daje najveću
produktivnost reaktora.
Efekat koncentracije glukoze na kontinualnu fermentaciju:
a) specifična produktivnost b) produktivnost fermentora c)
ćelijska masa
Alternativa je serija reaktora međusobno povezanih. Sveži
medijum se upumpava u prvi reaktor. Vreme zadržavanja
se podešava tako da konverzija šećera bude
nekompletna. Ovo rezultuje nižom koncentracijom
etanola u prvom reaktoru i samim tim manjom inhibicijom
ćelija kvasca etanolom. Fermentaciona tečnost iz prvog
reaktora se prebacuje u drugi reaktor u kome se
fermentacija kompletira. Produktivnost drugog reaktora je
niža od produktivnosti prvog reaktora ali je ukupna
produktivnost povećana u poređenju sa postupkom koji
se izvodi u jednom reaktoru.
Produktivnost sistema se može dodatno povećati
primenom sistema sa recikliranjem ćelija. Biomasa
napušta fermentor zajedno sa fermentacionom tečnošću.
Nakon toga se odvaja centrifugiranjem i vraća nazad u
reaktor. Na ovaj način je moguće održavati koncentraciju
kvasca čak do 83 g/l. Ovako visoka koncentracija kvasca
omogućava brzu i kompletnu fermentaciju
koncentrovanih rastvora šećera. Produktivnost ovakvih
sistema je 30 do 51 g/l/h što je desetostruko povećanje u
odnosu na kontinualni postupak bez recikliranja ćelija.
Međutim, sa ekonomskog stanovišta ovaj postupak je
znatno zahtevniji (i u investicionom delu i u operativnom
delu) zbog uvođenja dodatne operacije (centrifugiranja).
Novije metode u proizvodnji etanola podrazumevaju
upotrebu flokulirajućih kvasaca odnosno metoda sa
internim recikliranjem ćelija. Visoko flokulirajući soj
kvasaca , Saccharomyces diastaticus, je ispitivan za
kontinualnu produkciju etanola iz različitih supstrata.
Ovom metodom je postignuta visoka produktivnost i
specifičnost u proizvodnji etanola (preko 50 g/l/h sa
koncentracijom glukoze od 112 g/l).
Kvasac se ostavlja da poraste u reaktoru sa mešanjem do
visoke koncentracije biomase. Mešanje se nastavlja u
toku fermentacije. Nakon završene fermentacije (potrošen
šećer) mešanje se zaustavlja i kvasac se brzo staloži (1
minut). Bistar supernatant se oddekantuje i šalje na
destilaciju. Nakon toga se dodaje svež medijum i
fermentacija se ponavlja. Ovi ciklusi se mogu ponavljati
(10 i više puta) bez gubitka produktivnosti. Na ovaj način
se obezbeđuje visoka produktivnost etanola u kratkom
vremenu.
Za prethodnu metodu su najpogodniji po konstrukciji
toranjski reaktori.
Primena viših koncentracija kvasca može se postići u
membranskim reaktorima. Ovi reaktori imaju dve zone:
fermentacionu zonu i zonu iz koje se odvaja alkohol. Ove
dve zone su odvojene semipermeabilnom
membranom koja sprečava da
biomasa napusti fermentacionu
zonu a omogućava transfer
hranljive materije i etanola.
Brzina produkcije u ovakvim
reaktorima je limitirana
difuzijom kroz membranu.
Ovaj problem se prevazilazi
primenom reaktora pod
pritiskom.
Problem sa membranskim reaktorima je fouling
odnosno taloženje na membrani proteina koji nastaju
liziranjem ćelija. Ovaj problem se prevazilazi zamenom
fiksnih membrana rotirajućim mikroporoznim
membranskim cilindrom (rotofermentorom) uronjenim u
stacionarni fermentor. Ovaj rotofermentor omogućava
kontinualno odvajanje metaboličkih proizvoda
filtracijom pod pritiskom (115 do 170 kPa). Ćelije ostaju
u kružnom delu oko membrane. Taloženje na membrani
je sprećeno centrifugalnom silom usled brze rotacije
cilindra na kome se nalazi membrana. Produkcija
ovakvih reaktora je 26,8 g/l/h pri koncentraciji od 24,8
g/l za kvasac odnosno 50,4 g/l za etanol. Nedostatak
ovih reaktora je složenost sistema kao i trajnost
membrane i dihtunga (s obzirom da se radi na visokim
pritiscima).
S obzirom na toksičnost etanola za ćelije kvasca
razvijeni su postupci kod kojih se etanol udaljava pod
sniženim pritiskom. Bioreaktor radi pod pritiskom od 6,7
kPa. Na ovom pritisku smesa etanola i vode ključa na
temperaturi koja je kompatibilna sa kvascima. Nivo
tečnosti ostaje konstantan u bioreaktoru. Na ovaj način
se u reaktoru koji ima koncentraciju kvasca od 120 g/l
može postići produktivnost od 120 g/l/h, U reaktoru se
održava koncentracija etanola od 35 g/l. Koncentracija
etanola u pari koja destiluje je 200 g/l. Uvođenje
kiseonika se može zameniti dodatkom sterola i viših
masnih kiselina. Modifikacija postupka se zasniva na
varijanti fermentora sa petljom koji radi na normalnom
pritisku a tečnost kontinualno cirkuliše kroz sud za
isparavanje iz koga se destiluje smeša etanola i vode.
Koncentracija etanola u bioreaktoru u toku fermentacije
se može smanjiti ekstrakcijom rastvaračem. Na ovaj način
se sprečava inhibicija etanolom, povećava produktivnost
reaktora i omogućava da visoka koncentracija šećera
fermentiše u kraćem periodu. Jedna varijanta je da se
tečnost odvoji od ćelija, ekstrahuje i vrati nazad u reaktor.
U drugtom interesantnijem sistemu i ekstraktant i hranljivi
medijum se kontinualno uvode u reaktor koji sadrži
imobilizovane ćelije. Dobiveni etanol se ekstrahuje, ćime
se redukuje njegova koncentracija u vodenoj fazi. Primera
radi ako se kao ekstrakciono sredstvo koristi smesa ndodekanola (60 %) i n-tetradekanola (40 %) produkcija
etanola je pet puta veća nego u istom sistemu bez
etanola. Rastvor koji sadrži 407 g/l glukoze se može
potpuno fermentisati na ovaj način sa kvascima koji
normalno transformišu 200 g/l glukoze.
Ekstrakciona sredstva koja se koriste u ovoj tehnologiji
moraju da ispunjavaju sledeće uslove:
 ne smeju biti toksični za kvasce
 moraju biti selektivni prema etanolu u poređenju sa
vodom i ostalim nutricijentima
 ne smeju praviti emulzije sa fermentacionom
tečnošću
Fermentacija sa imobilizovanim ćelijama
Visoka koncentracija kvasca u fermentoru (5.4×1010 ćelija
po mililitru) se može postići različitim imobilizacionim
tehnikama (trapovanjem ćelija u gelu matriksa,
kovalentnim vezivanjem, ili adsorpcijom na nosaču).
Ovakvi sistemi ne zahtevaju mešanje. Prednost
imobilizovanih sistema je što ćelije ostaju u reaktoru tako
da nisu potrebna postrojenja za odvajanje ćelija.
Imobilizovane ćelije se mogu koristiti u fiksnom reaktoru
ili u reaktoru sa fluidizovanim slojem. Rastvor se kreće
kroz raktor a imobilizovane ćelije konvertuju šećer u
alkohol.
Kao jedan od primera
imobilizacije koristi se
kalcijum-alginat.
U sistemu sa
kalcijumalginatom u rastvoru
glukoze koncentracije
127 g/l postiže se
produkcija etanola od
53,8 g/l za 4,6 h.
Karagenan se takođe
može koristiti za
imobilizaciju ćelija
kvasca pri tome se
postiže produkcija
etanola od 43 g/l/h u
rastvoru koji sadrži 100
g/l glukoze.
Imobilizovani kvasci imaju nešto niži temperaturni
optimum od slobodnih ćelija (30 ° C u odnosu na 37 ° C).
Pored toga sistemi sa slobodnim ćelijama
Saccharomyces cerevisiae imaju pH optimum 4,5 dok
imobilizovane ćelije imaju znatno širi opseg pH optimuma
(od 3 do 7,5).
Destilacija etanola
Tačka orošavanja je
temperatura na kojoj zasićena
para počinje da kondenzuje
Tačka ključanja je
temperatura na kojoj tečnost
počinje da ključa.
Na slici je prikazan dijagram tačke ključanja binarne
smeše komponenti A i B. Komponenta A ključa na
temperaturi na kojoj je udeo komponente A 1 a
komponenta B ključa na temperaturi na kojoj je udeo
komponente A 0.
Region iznad krive tačaka orošavanja pokazuje ravnotežni sastav
pregrejane pare dok region ispod krive tačaka ključanja predstavlja
ravnotežni sastav podhlađene tečnosti.
Na primer ako zagrevamo tečnost sa udelom molske frakcije A = 0,4
njena koncentracija ostaje konstantna dok ne postigne tačku
ključanja (B). Para koja se izdvaja prilikom ključanja ima ravnotežnu
koncentraciju datu tačkom C (udeo frakcije A je 0,8 molova). Vidimo
da je para ove ravnotežne smeše znatno bogatija frakcijom A nego
tečnost.
Za određivanje dimenzija sistema za destilaciju presudnu
ulogu imaju dijagrami ravnoteže para-tečnost. Ovi dijagrami
se crtaju za uslove konstantnog pritiska i dobijaju se iz
dijagrama sa prethodnog slajda. Kriva linija predstavlja
ravnotežnu liniju i opisuje sastav tečnosti i pare na fiksnom
pritisku. Na ovoj slici prikazan je dijagram idealnog sistema.
Mnogo češće ove krive nemaju idealan oblik već oblike
prikazane na slici što otežava njihovo odvajanje.
Poseban oblik krivih se dobija kada se analiziraju
azeotropne smeše. Azeotrop je tečna smeša koja kada
pređe u parno stanje daje isti sastav pare kao što je bio u
tečnoj fazi. Na slikama su prikazani dijagrami azeotropnih
smeša sa minimalnom i maksimalnom tačkom ključanja.
Mesto gde kriva seće dijagonalu predstavlja azeotropnu
smešu.
Na prethodnom slajdu prikazan je
dijagram ravnoteže para tečnost za
binarnu smešu etanola i vode.
Razmotrimo šta se dešava ako
destilujemo 10 % zapreminski rastvor
etanola u vodi (molski udeo etanola je
3,3) (ovo je uobičajena koncentracija
etanola nakon fermentacije).
Njegovim zagrevanjem do tačke
ključanja dobijamo parnu fazu koja
sadrži 25 % molskih procenata
etanola.
Hlađenjem pare dobijamo tečnost koja sada sadrži 25 molskih
procenata etanola. Ukoliko ovaj rastvor zagrejemo do ključanja
dobijamo paru koja sadrži 55 molskih procenata etanola. Hlađenjem
ove pare i zagrevanjem tečnosti do tačke ključanja dobijamo paru koja
sadrži 68 % etanola. Ponovnim hlađenjem i prevođenjem u parnu fazu
dobijamo 72 % etanola u parnoj fazi. Ovaj rastvor ima 86 težinskih
procenata etanola.
0,72 x 46 (molekulska masa
etanola) = 33,12 g
0,28 x 18 (mol. Masa vode)
= 5,04 g
33,12 / (33,12 + 5,04) =
33,12/38,16 = 86 %
Frakciono odvajanje komponenata se postiže ugrađivanjem
podova u kolonu za destilaciju ili pakovanjem kolone.
Podovi imaju ulogu da :
 mešaju paru koja se penje sa tečnošću koja silazi
 omoguće odvajanje nakon mešanja
 obezbede put za tečnost da silazi niz kolonu
 obezbede put za paru da se penje uz kolonu
Na sledećem slajdu je prikazan sistem za destilaciju koji
ima perforaciju potrebnu za prolaz pare a tečnost prolazi sa
strane. Na drugom slajdu je prikazana konstrukcija koja je
posebno pogodna za destilaciju sa većom količinom
čvrstog ostatka jer ovakva konstrukcija sprečava taloženje
čvrstog materijala.
Moderni sistemi za destilaciju su višestepeni, kontinualni
kontaktni sistemi gde se para i tečnost kreću u suprotnim
smerovima. Svaki sistem za destilaciju se sastoji:
 Od sirovine koja se sastoji od najmanje dve komponente
koje treba razdvojiti
 Izvora energije koja pokreće proces (u većini slučajeva to
je vodena para koja se može direktno uvoditi na dnu tornja ili
može prenositi svoju energiju preko indirektnog izmenjivača
toplote
 Izlaza na vrhu gde izlazi prečišćeni proizvod koji se sastoji
pretežno od komponente sa nižom tačkom ključanja
 Izlaza na dnu gde izlazi proizvod sa višom tačkom ključanja
 Izmenjivača toplote na vrhu kolone (kondenzatora) koji se
obično hladi vodom i kondenzuje paru
Para nakon kondenzacije se obično deli na dva dela. Jedan
deo je proizvod reakcije a drugi deo se vraća na vrh tornja za
destilaciju i obezbeđuje tečnost koja hladi paru u gornjem
delu kolone. Materijal koji se destiluje se kod sistema za
destilaciju alkohola uvodi na sredini kolone. Deo koji se
nalazi iznad mesta gde se uvodi materijal za destilaciju se
naziva rektifikacioni deo a deo ispod tog mesta se naziva deo
za ispiranje ("stripping deo“).
Nakon izlaska iz fermentora fermentaciona tečnost se
zagreva u nekoliko stupnjeva koristeći izmenjivače
toplote i preuzimajući toplotu od otpadne pare iz
procesa. Nakon toga tečnost se degasira da bi se udaljio
CO2. Nakon toga se uvodi u striper koji ima kraći
rektifikacioni deo i deo za ispiranje koji je nešto duži.
Destilat dobiven u ovom tornju se odvodi u ekstraktivni
destilacioni toranj koji radi na pritisku od 6 do 7 bara (0,6
do 0,7 MPa ili 6 do 7 atm). U ovome dest. tornju se
uklanja većina nečistoća a destilat iz koga se odvajaju
komponente sa nižom tačkom ključanja (acetaldehid i
druge) se odvodi u toranj za koncentrovanje. Prečišćeni
razblaženi etanol sa dna ekstraktivne kolone se
prebacuje u toranj za rektifikaciju koji ima ugrađen i deo
za striping (ispiranje). U ovom destilacionom tornju
se odvaja etanol kao proizvod sa jednog od gornjih
podova.
Jedan mali deo proizvoda sa nižom tačkom ključanja se
odvaja na vrhu kolone. Smeša viših alkohola (fusel oil) se
odvodi sa podova koji se nalaze iznad mesta gde ulazi
sirovina za destilaciju ali ispod mesta gde izlazi etanol.
Rektifikacioni toranj se zagreva parom koja se generiše u
ekstraktivnoj destilaciji pod pritiskom i u tornju za
koncentrovanje. Viši alkoholi kao i komponente sa nižom
tačkom ključanja odlaze u toranj za koncentrovanje. Destilat
u tornju za koncentrovanje koji sadrži acetaldehi sa malo
eanola se može koristiti kao gorivo ili se može prodavati kao
sporedni proizvod. Viši alkoholi se odvode u koncentrator
kroz sistem za hlađenje. Zaostali etanol u njima se odvaja
ispiranjem sa vodom a viši alkoholi se odvajaju
dekantovanjem od vode. Ovi viši alkoholi se prodaju kao
sporedni proizvod )kao rastvarači, za pranje itd.
Ovi sistemi koji rade pod pritiskom su smanjili utrošak
energije za 50 % u odnosu na starije sisteme kod kojih su
sve destilacije izvođene na atmosferskom pritisku.
Potrošnja vodene pare kod ovakvih kaskadnih sistema sa
pritiskom je 3 do 4,2 kg pare po litri 96 % etanola u
poređenju sa 6 kg pare po litri u starijim postupcima.
Za proizvodnju anhidrovanog alkohola (99,98 % alkohola
koji sadrži <200 mg/kg vode i <20 mg/kg ostalih nečistoća
dizajnirani su sistemi za azeotropnu destilaciju. Sistem se
sastoji iz dve kolone (dehidrataciona kolona i kolona za
ispiranje pomoćnog sredstva). Kolone rade pod
atmosferskim pritiskom te se mogu grejati sa parom ili
toplim kondenzatom ili toplom strujom iz nekog drugog
dela fabrike za proizvodnju etanola. Otrošnja pare je 1 doi
1,5 kg po litri apsolutnog etanola).
Voda se uklanja iz azeotropnog etanola dodatkom
pomoćnog sredstva kao što je benzen, heptan ili
cikloheksan. 95 % etanol se uvodi na sredini kolone.
Apsolutni alkohol se sakuplja na dnu kolone i prolazi kroz
sistem za hlađenje pre odlaganja. Voda odlazi u obliku
ternarnog azeotropa kao destilat. Destilat se kondenzuje i
odvajaju se dve faze (vodena i organska) koje se odvajaju
u dekantoru.
Vodena faza se prebacuje pumpom u striper gde se dodaje
voda i destiluju etanol, pomoćno sredstvo i mala količina
vode. Ostala voda se odbacuje kao otpadna voda. Ovakva
voda ima mali sadržaj organskih materija i može se diektno
ispuštati.
U fabrikama koje proizvode etanol kao gorivo ili dodatak
gorivu kao pomoćno sredstvo se dodaje benzin.
Dehidratacija etanola se danas u velikom broju fabrika izvodi
pomoću molekulskih sita. Kao molekulska sita koriste se
sintetički zeoliti koji imaju kristalnu strukturu sa tačno
definisanom dimenzijom pora. U dehidratacijai etanola
najčešće se koriste zeoliti 3 Å što znači da imaju pore
prečnika 3 Å. Molekul vode je dimenzija 2,8 Å dok je etanol
4.4Å. Stoga molekuli vode ulaze u pore dok molekuli etanola
ne mogu da uđu. Ova sita mogu da vežu vodu u količini od 22
% svoje težine. Regeneracija sita se izvodi zagrevanjem.
Većina sistema koji primenjuju sita se bazira na adsorpciji sa
izmenom pritiskom. Naime etanol se pod pritiskom uvodi na
kolonu napunjenu sitima a desorpcija se vrši na sniženom
pritisku. Većina sistema se sastoji iz najmanje dve kolone pri
čemu je jedna radna dok se druga regeneriše.