biotechnologia


 
 

Surowce i metody wykorzystywane do produkcji etanolu

Autor: Monika Wójcik
Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie

Etanol jest powszechnie otrzymywany w wyniku fermentacji surowców zawierających cukry proste (glukozę, ksylozę) lub dwucukry (sacharozę lub laktozę). W Polsce dostępnymi surowcami zawierającymi bezpośrednio fermentowane cukry są melasa i serwatka.
Melasa stanowi produkt uboczny powstający w cukrowniach i zawiera około 50% sacharozy. Głównym ograniczeniem stosowania melasy do produkcji etanolu jest trudność z zagospodarowaniem wywaru gorzelniczego powstającego w tym procesie. Serwatka z kolei pozostaje jako produkt uboczny przemysłu mleczarskiego. Zawiera około 4 – 5% laktozy, która może być przetwarzana na etanol.

Surowce zawierające wielocukry - skrobia i celuloza, stanowią najbardziej interesujące źródło dla przemysłu fermentacyjnego. Ich wykorzystanie do produkcji etanolu wymaga wstępnej obróbki, a więc rozłożenia wielocukrów do cukrów fermentowanych.
Skrobia, która stanowi materiał zapasowy roślin łatwo ulega hydrolizie. Powszechnie wykorzystywane surowce skrobiowe to żyto, pszenżyto, kukurydza, ziemniaki. Zawierają one od 20% skrobi (ziemniaki) do 60% skrobi (zboża). Wytwarzanie etanolu ze skrobi ogranicza bardzo wąska baza surowcowa wykorzystywana w pierwszej kolejności w żywieniu ludzi i zwierząt. Dlatego też biomasa roślinna zawierająca celulozę i hemicelulozy stanowi potencjalnie nieograniczone źródło do produkcji paliwowego etanolu [6].

Znane są dwie podstawowe technologie produkcji etanolu z ligninoceluloz:
a) biotechnologiczne
b) chemiczne

Metoda biotechnologiczna polega na hydrolizie wcześniej przygotowanego materiału ligninocelulozowego na cukry proste, pięcio- i sześciowęglowe przy użyciu enzymów pozyskiwanych z genetycznie zmodyfikowanych mikroorganizmów, a następnie na stosowaniu fermentacji i destylacji. Metoda chemiczna natomiast obejmuje gazyfikację czyli proces przekształcający ligninocelulozowy surowiec w gazowy tlenek węgla i wodór, który z kolei może być wykorzystywany do syntezy biopaliwa z zastosowaniem klasycznej katalizy chemicznej lub biosyntezy etanolu, a następnie destylacji [2].

Jednym z najbardziej znanych procesów przetwarzania celulozy i hemiceluloz do etanolu jest technologia Iogen (Rys. 1). Firma Iogen Corporation prowadzi produkcję bioetanolu, powstającego z przerobu biomasy roślinnej, przy użyciu kombinacji metod barometrycznych, chemicznych i biologicznych. Surowcami są głównie słoma, łodygi kukurydzy oraz trawy. Proces produkcji rozpoczyna się od siekania i mielenia roślin. Następnie rozdrobniony materiał kierowany jest do reaktora, w którym poddawany jest obróbce cieplnej w temperaturze 180 – 250oC w obecności pary wodnej z roztworem kwasu siarkowego o stężeniu 0,5 – 2%. W takich warunkach surowiec jest przetrzymywany od 1 do 5 min, po czym gwałtowanie obniżane jest ciśnienie. Do tak przygotowanego materiału dodawane są enzymy, których zadaniem jest rozkład hemicelulozy i celulozy na cukry proste. Po zakończeniu hydrolizy następuje filtracja mająca na celu oddzielenie osadu od roztworu uzyskanych cukrów. Roztwór ten kierowany jest do fermentora, gdzie dodawane są drożdże przeprowadzające fermentację cukrów do etanolu. Otrzymany roztwór etanolu poddaje się dwustopniowej destylacji kaskadowej w wyniku której uzyskiwany jest czysty alkohol etylowy. Lignina pozostająca po procesie jako produkt uboczny jest zużywana do wytworzenia pary i energii elektrycznej, dzięki czemu w procesie technologicznym nie są potrzebne inne źródła energii [7].


Rys. 1. Proces produkcji alkoholu etylowego przez firmę Iogen Corporation [2].

Inną firmą zajmującą się produkcją bioetanolu jest BlueFire Ethanol Inc. (USA). Wykorzystuje ona kwasy nieorganiczne hydrolizujące cząsteczki celulozy i hemicelulozy do cukrów prostych. Problemem w tej technologii jest konieczność wyeliminowania używanego do hydrolizy kwasu siarkowego. Naukowcom BlueFire Ethanol Inc. udało się rozwiązać ten problem przez zastosowanie metod chromatograficznych. Technologia wymiany jonowej pozwala rozdzielić substancje zbędne uzyskane w procesie hydrolizy bez konieczności rozcieńczania roztworu cukrów. Niewielkie ilości kwasu siarkowego pozostałe w mieszaninie zostają wyeliminowane w reakcji z wapniem. Tworzy się nierozpuszczalny w wodzie i łatwy do usunięcia gips. Uzyskana mieszanina cukrów pięcio- i sześciowęglowych poddawana jest fermentacji i destylacji metodami tradycyjnymi. Otrzymany produkt jest wykorzystywany jako paliwo drugiej generacji [8].


Rys. 2. Proces produkcji etanolu firmy BlueFire Ethanol Inc. z wykorzystaniem kwasu siarkowego do hydrolizy biomasy roślinnej [2].

Kolejną interesującą koncepcją wykorzystywania odnawialnych źródeł energii jest technologia firmy Coskata Inc. W procesie przetwarzania materiałów ligninocelulozowych wykorzystywana jest metoda gazyfikacji. W przeciwieństwie do hydrolizy, gazyfikacja jest procesem polegającym na chemicznym rozkładzie celulozy i hemiceluloz. Z surowca zostaje wytworzony gaz syntetyczny, będący mieszaniną tlenku węgla i wodoru. Zamiast fermentacji lub konwersji termochemicznej, pompuje się gaz do reaktora zawierającego bakterie, które wykorzystują go jako substrat, produkując etanol [9].


Rys. 3. Proces produkcji bioetanolu firmy Coskata Inc. [2].

Najczęściej używanymi mikroorganizmami prowadzącymi fermentację etanolową z cukrów prostych są drożdże Saccharomyces cerevisiae oraz bakterie Zymomonas mobili. Obydwa drobnoustroje charakteryzują się wysoką odpornością na działanie etanolu, jednak nie są wstanie metabolizować ksylozy występującej w dużych ilościach w hemicelulozach. W porównaniu z innymi szczepami drożdży, Pichia stipitis najbardziej wydajnie fermentuje ksylozę do etanolu, nie jest jednak dostatecznie odporna na jego wysokie stężenia.

Dzięki wykorzystaniu inżynierii genetycznej prowadzone są badania nad wytworzeniem idealnego szczepu zdolnego do wydajnej fermentacji cukrów prostych zawartych w hydrolizacie ligninocelulozowym. Szczep taki powinien charakteryzować się wysoką tolerancją na etanol z jednoczesną dostatecznie wydajną fermentacją zarówno glukozy jak i ksylozy [3]. Wymagania dla obiecujących drobnoustrojów przedstawiono w Tabeli 1.


Tabela 1. Wymagania stawiane szczepom wykorzystywanym w alkoholowej fermentacji ligninocelulozy [5].
Lp. Wymagania
1 Wysoka tolerancja na działanie stężonego etanolu
2 Wysoka termotolerancyjność
3 Odporność na działanie toksycznych związków uwalnianych podczas hydrolizy
4 Wytwarzanie minimalnych ilości produktów ubocznych
5 Zdolność do jednoczesnej utylizacji substratów węglowych
6 Niepatogenność
7 Minimalne wymagania żywieniowe szczepów


Prowadzone badania polegają na wprowadzaniu genów metabolizmu ksylozy do drobnoustrojów niezdolnych do jej fermentacji. Geny takie uzyskiwane są między innymi z drobnoustrojów fermentujących ksylozę - Pichia stipitis i Escherichia coli, a wprowadzane są do genomu Saccharomyces cerevisiae i Zymomonas mobili, które posiadają zdolność do wydajnej fermentacji jedynie glukozy [4]. Poza wymienionymi drobnoustrojami Pichia segobiensis, Candida shehatae, Pachysolen tannophilus są również brane pod uwagę jako alternatywne szczepy mogące mieć znaczenie w produkcji bioetanolu [1].

Literatura:
1. Jeffries T.W.: Engineering yeasts for xylose metabolism., Curr. Opin. Biotechnol., (2006), 17:320-326.
2. Kłosowski G., Macko D., Mikulski D.: Rozwój metod biotechnologicznych produkcji biopaliwa ze źródeł odnawialnych., Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych., (2010), 45: 118-135.
3. Mussatto S.I., Dragone G., Guimarães P.M., Silva J.P., Carneiro L.M., Roberto I.C., Vincente A., Domingues L., Teixeira J.A.: Technological trends, global market and challenges of bio-ethanol production., Biotechnol. Adv., (2010), 28: 817-830.
4. Sybirny W., Puchalski C., Sybirny A.: Metaboliczna inżynieria drobnoustrojów do konstruowania wydajnych producentów bioetanolu z lignocelulozy., Biotechnologia., (2007), 4(79): 38-54.
5. Zaldivar J., Nielsen J., Olsson L. : Fuel ethanol production from lignocellulose: a challenge for metabolic engineering and process integration. Appl. Microbiol. Biotechnol., (2001), 56: 17-34.
6. www.transport.gov.pl
7. www.iogen.com
8. www.bfreinc.com
9. www.coskata.com


Menu główne

Podręcznik biotechnologii

Kto jest online

68 anonymous users oraz 0 registered users online.

Jesteś niezarejestrowanym lub niezalogowanym użytkownikiem.


 
 
 
Partnerzy:

laboratoria.net Nauka w Polsce Academio Fundacja NanoNet BioCen - BioCentrum Edukacji Naukowej Notatek.pl cebioforum.com materialyinzynierskie.pl Wspieram.to - POLSKI KICKSTARTER - Polska platforma finansowania społecznoœciowego.Tu zrealizujš się Twoje pomysły. Portal popularnonaukowy

Portal: Redakcja . Współpraca . Kontakt . Polecamy



Wszystkie prawa zastrzeżone 2006-2016 e-biotechnologia.pl
stat4u