Fermentacja etanolowa - Ethanol fermentation

(1) Cząsteczka glukozy jest rozkładana poprzez glikolizę, dając dwie cząsteczki pirogronianu. Energia uwolniona w tych egzotermicznych reakcjach jest wykorzystywana do fosforylacji dwóch cząsteczek ADP, dając dwie cząsteczki ATP i do redukcji dwóch cząsteczek NAD+ do NADH. (2) Dwie cząsteczki pirogronianu są rozkładane, dając dwie cząsteczki aldehydu octowego i wydzielając dwie cząsteczki dwutlenku węgla. (3) Dwie cząsteczki NADH redukują dwie cząsteczki acetaldehydu do dwóch cząsteczek etanolu; to przekształca NAD+ z powrotem w NADH.

Fermentacja etanolowa , zwana również fermentacją alkoholową , jest procesem biologicznym, w którym cukry, takie jak glukoza , fruktoza i sacharoza, przekształca się w energię komórkową , wytwarzając jako produkty uboczne etanol i dwutlenek węgla . Ponieważ drożdże przeprowadzają tę konwersję przy braku tlenu , fermentację alkoholową uważa się za proces beztlenowy . Ma również miejsce w niektórych gatunkach ryb (m.in. złotych rybkach i karpiach ), gdzie (wraz z fermentacją mlekową) dostarcza energii, gdy brakuje tlenu.

Fermentacja etanolowa ma wiele zastosowań, w tym produkcję napojów alkoholowych i paliw etanolowych oraz wyrastanie ciasta chlebowego .

Biochemiczny proces fermentacji sacharozy

Naczynie laboratoryjne używane do fermentacji słomy
Fermentacja sacharozy przez drożdże

Te wzory chemiczne poniżej obejmują fermentacji sacharozy (C 12 H 22 O 11 ) w etanolu (C 2 H 5 OH). Fermentacja alkoholowa przekształca jeden mol z glukozy w dwa mole etanolu i dwa mole dwutlenku węgla, tworząc dwa mole ATP w procesie.

Ogólny wzór chemiczny fermentacji alkoholowej to:

C 6 H 12 O 6 → 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2

Sacharoza to cukier złożony z glukozy połączonej z fruktozą. W pierwszym etapie fermentacji alkoholowej enzym inwertaza rozszczepia wiązanie glikozydowe między cząsteczkami glukozy i fruktozy.

C 12 H 22 O 11 + H 2 O + inwertaza → 2 C 6 H 12 O 6

Następnie każda cząsteczka glukozy jest rozkładana na dwie cząsteczki pirogronianu w procesie znanym jako glikoliza . Glikolizę podsumowuje równanie:

C 6 H 12 O 6 + 2 ADP + 2 P i + 2 NAD + → 2 CH 3 COCOO − + 2 ATP + 2 NADH + 2 H 2 O + 2 H +

CH 3 COCOO - jest pirogronian i P i jest nieorganiczny fosforan . Wreszcie pirogronian jest przekształcany w etanol i CO 2 w dwóch etapach, regenerując utleniony NAD+ potrzebny do glikolizy:

1. CH 3 COCOO − + H + → CH 3 CHO + CO 2

katalizowany przez dekarboksylazę pirogronianową

2. CH 3 CHO + NADH + H + → C 2 H 5 OH + NAD +

Reakcja ta jest katalizowana przez dehydrogenazę alkoholową (ADH1 w drożdżach piekarskich).

Jak pokazuje równanie reakcji, glikoliza powoduje redukcję dwóch cząsteczek NAD + do NADH . Dwie cząsteczki ADP są również przekształcane w dwie cząsteczki ATP i dwie cząsteczki wody poprzez fosforylację na poziomie substratu .

Powiązane procesy

Główny artykuł: Fermentacja (biochemia)

Fermentacja cukru do etanolu i CO
2może być również wykonane przez Zymomonas mobilis , jednak ścieżka jest nieco inna, ponieważ tworzenie pirogronianu nie zachodzi na drodze glikolizy, ale na drodze Entnera-Doudoroffa . Inne mikroorganizmy mogą wytwarzać etanol z cukrów poprzez fermentację, ale często tylko jako produkt uboczny. Przykłady to

Galeria

  • Winogrona fermentujące podczas produkcji wina.

Wpływ tlenu

Fermentacja nie wymaga tlenu. Jeśli obecny jest tlen, niektóre gatunki drożdży (np. Kluyveromyces lactis lub Kluyveromyces lipolytica ) całkowicie utlenią pirogronian do dwutlenku węgla i wody w procesie zwanym oddychaniem komórkowym , stąd te gatunki drożdży będą wytwarzać etanol tylko w środowisku beztlenowym (nie komórkowym). oddychanie). Zjawisko to znane jest jako efekt Pasteura .

Jednak wiele drożdży, takich jak powszechnie stosowane drożdże piekarskie Saccharomyces cerevisiae lub drożdże rozszczepialne Schizosaccharomyces pombe, w pewnych warunkach raczej fermentują niż oddychają, nawet w obecności tlenu. W produkcji wina jest to znane jako efekt kontr-Pasteura. Drożdże te będą produkować etanol nawet w warunkach tlenowych , jeśli zapewni się im odpowiedni rodzaj pożywienia. Podczas fermentacji okresowej, szybkość wytwarzania etanolu na miligram białka komórkowego jest maksymalna przez krótki okres na początku tego procesu i stopniowo spada w miarę gromadzenia się etanolu w otaczającym bulionie. Badania wykazują, że usunięcie tego nagromadzonego etanolu nie przywraca natychmiast aktywności fermentacyjnej i dostarczają dowodów, że spadek tempa metabolizmu jest spowodowany zmianami fizjologicznymi (w tym możliwym uszkodzeniem etanolu), a nie obecnością etanolu. Zbadano kilka potencjalnych przyczyn spadku aktywności fermentacyjnej. Żywotność utrzymywała się na poziomie lub powyżej 90%, wewnętrzne pH pozostawało bliskie obojętności, a specyficzne aktywności enzymów glikolitycznych i alkohologennych (mierzone in vitro) pozostawały wysokie podczas fermentacji wsadowej. Żaden z tych czynników nie wydaje się być przyczynowo związany ze spadkiem aktywności fermentacyjnej podczas fermentacji wsadowej.

Pieczenie chleba

Powstawanie dwutlenku węgla – produktu ubocznego fermentacji etanolu – powoduje wzrost chleba.

Fermentacja etanolowa powoduje wzrost ciasta. Organizmy drożdżowe zużywają cukry zawarte w cieście i produkują etanol i dwutlenek węgla jako produkty odpadowe. Dwutlenek węgla tworzy bąbelki w cieście, rozszerzając je do postaci piany. Po upieczeniu pozostaje mniej niż 2% etanolu.

Napoje alkoholowe

Pierwotna piwnica fermentacyjna, browar Budweiser, Fort Collins, Kolorado

Cały etanol zawarty w napojach alkoholowych (w tym etanol wytwarzany w wyniku maceracji węglowej ) jest wytwarzany w drodze fermentacji wywołanej przez drożdże.

  • Wino powstaje w wyniku fermentacji naturalnych cukrów obecnych w winogronach; cydr i perry powstają w wyniku podobnej fermentacji naturalnego cukru odpowiednio w jabłkach i gruszkach ; a inne wina owocowe powstają w wyniku fermentacji cukrów zawartych w innych rodzajach owoców. Brandy i eaux de vie (np. śliwowica ) są produkowane przez destylację tych napojów fermentowanych w owocach.
  • Miód pitny powstaje w wyniku fermentacji naturalnych cukrów zawartych w miodzie .
  • Piwo , whisky , a czasem wódka są produkowane w procesie fermentacji skrobi zbożowych, które zostały przekształcone w cukier przez enzym amylazę , który jest obecny w ziarnach zbóż, które zostały słodowane (tj. kiełkowały ). Do mieszanki można dodać inne źródła skrobi (np. ziemniaki i niesłodowane ziarno), ponieważ amylaza będzie działać również na te skrobie. W niektórych krajach może to być również fermentacja indukowana amylazą ze śliną. Destylowane są również whisky i wódka; gin i podobne napoje są wytwarzane przez dodanie środków smakowych do surowca podobnego do wódki podczas destylacji.
  • Wina ryżowe (w tym sake ) powstają w wyniku fermentacji skrobi zbożowych przetworzonej na cukier przez pleśń Aspergillus oryzae . Baijiu , soju i shōchū są destylowane z produktu takiej fermentacji.
  • Rum i niektóre inne napoje są produkowane przez fermentację i destylację trzciny cukrowej . Rum jest zwykle wytwarzany z melasy z trzciny cukrowej .

We wszystkich przypadkach fermentacja musi odbywać się w naczyniu, które umożliwia ucieczkę dwutlenku węgla, ale zapobiega przedostawaniu się powietrza z zewnątrz. Ma to na celu zmniejszenie ryzyka zanieczyszczenia naparu niechcianymi bakteriami lub pleśnią oraz ponieważ nagromadzenie dwutlenku węgla stwarza ryzyko statek pęknie lub ulegnie awarii, co może spowodować obrażenia lub uszkodzenie mienia.

Surowce do produkcji paliw

Fermentacja drożdżowa różnych produktów węglowodanowych jest również wykorzystywana do produkcji etanolu dodawanego do benzyny .

Dominującym surowcem etanolowym w cieplejszych regionach jest trzcina cukrowa . W regionach o klimacie umiarkowanym stosuje się kukurydzę lub buraki cukrowe .

W Stanach Zjednoczonych głównym surowcem do produkcji etanolu jest obecnie kukurydza. Z jednego buszla kukurydzy (0,42 litra na kilogram) wytwarza się około 2,8 galona etanolu. Podczas gdy znaczna część kukurydzy zamienia się w etanol, część kukurydzy daje również produkty uboczne, takie jak DDGS (suszone zboża wywarzone z substancją rozpuszczalną), które można wykorzystać jako paszę dla zwierząt gospodarskich. Buszel kukurydzy wytwarza około 18 funtów DDGS (320 kilogramów DDGS na tonę metryczną kukurydzy). Chociaż większość zakładów fermentacyjnych zbudowano w regionach produkujących kukurydzę, sorgo jest również ważnym surowcem do produkcji etanolu w stanach Plains. Proso perłowe jest obiecującym surowcem do produkcji etanolu w południowo-wschodnich Stanach Zjednoczonych, a potencjał rzęsy wodnej jest badany.

W niektórych częściach Europy, zwłaszcza we Francji i Włoszech, winogrona stały się de facto surowcem do produkcji etanolu paliwowego w wyniku destylacji nadwyżki wina . Można również użyć nadmiaru słodkich napojów. W Japonii zaproponowano, aby jako źródło etanolu używać ryżu zwykle przerabianego na sake .

Maniok jako surowiec do produkcji etanolu

Etanol może być wytwarzany z oleju mineralnego lub z cukrów lub skrobi. Skrobie są najtańsze. Uprawą skrobiową o najwyższej zawartości energii na akr jest maniok , który rośnie w krajach tropikalnych.

Tajlandia już w latach 90. miała duży przemysł manioku, do stosowania jako pasza dla bydła i jako tania domieszka do mąki pszennej. Nigeria i Ghana już zakładają zakłady przekształcania manioku w etanol. Produkcja etanolu z manioku jest obecnie ekonomicznie opłacalna, gdy ceny ropy naftowej przekraczają 120 USD za baryłkę.

Opracowywane są nowe odmiany manioku, więc przyszła sytuacja pozostaje niepewna. Obecnie maniok może plonować od 25 do 40 ton z hektara (przy nawadnianiu i nawożeniu), a z tony korzeni manioku można wyprodukować około 200 litrów etanolu (zakładając maniok z 22% zawartością skrobi). Litr etanolu zawiera około 21,46 MJ energii. Ogólna sprawność energetyczna konwersji manioku z korzenia do etanolu wynosi około 32%.

Drożdże używane do przetwarzania manioku to Endomycopsis fibuligera , czasami używane razem z bakterią Zymomonas mobilis .

Produkty uboczne fermentacji

Fermentacja etanolowa wytwarza niezbierane produkty uboczne, takie jak ciepło, dwutlenek węgla, żywność dla zwierząt gospodarskich, woda, metanol, paliwa, nawozy i alkohole. Niesfermentowane pozostałości stałe zbożowe z procesu fermentacji, które mogą być wykorzystane jako pasza dla zwierząt gospodarskich lub do produkcji biogazu , określane są jako Ziarna wywaru gorzelnianego i sprzedawane odpowiednio jako WDG, Ziarna wywaru na mokro i Ziarna wywaru suszonego z solubem DDGS .

Mikroby stosowane w fermentacji etanolu

Zobacz też

Bibliografia