Введение в ферментные технологии производства биоэтанола
Биоэтанол представляет собой вид биотоплива, которое производится путем ферментации различных растительных материалов, богатых углеводами. Он широко используется как топливная добавка к бензину или как самостоятельное моторное топливо.
Сырье для производства биоэтанола
В качестве сырья для производства биоэтанола чаще всего используются зерновые и технические культуры, богатые крахмалом или сахаром:
Зерновые культуры (кукуруза, пшеница, ячмень, рожь и др.)
Сахарный тростник и сахарная свекла
Картофель, маниока, батат
Также в качестве сырья могут использоваться отходы пищевой промышленности, богатые углеводами, например меласса, барда, жом и др. Выбор сырья зависит от его доступности и стоимости в конкретном регионе.
Технология производства биоэтанола
Процесс производства биоэтанола состоит из нескольких основных этапов:
Подготовка сырья. На этом этапе сырье измельчается, дробится, очищается от примесей для улучшения эффективности последующих процессов.
Гидролиз углеводов в сырье до сахаров. Полисахариды (крахмал, целлюлоза) в сырье гидролизуются до простых сахаров. Это может происходить путем обработки кислотой, ферментативным гидролизом или комбинированным способом.
Ферментация сахаров в этанол. Сахара ферментируются дрожжами в этанол. Используются специальные штаммы дрожжей (Saccharomyces cerevisiae или Zymomonas mobilis).
Очистка и ректификация этанола. Из бродильной смеси выделяется чистый этанол с концентрацией около 96% путем дистилляции и ректификации.
Обезвоживание этанола. Проводится финальная очистка и обезвоживание этанола до концентрации 99,8%.
Преимущества ферментативных технологий
По сравнению с кислотным гидролизом, ферментативные технологии имеют ряд преимуществ:
Более высокий выход этанола, так как побочные реакции снижены
Мягкие условия процесса (оптимальная температура, рН)
Ниже энергозатраты на производство
Возможность использования более дешевого и разнообразного сырья
Меньшее образование побочных токсичных продуктов
Ключевым этапом в ферментативном производстве биоэтанола является ферментативный гидролиз полисахаридов (крахмала, целлюлозы) до глюкозы с помощью ферментов.
Ферменты, используемые для гидролиза
Для гидролиза крахмала обычно используется α-амилаза и глюкоамилаза, которые проводят гидролиз связей внутри и между цепочками амилозы и амилопектина.
Для гидролиза целлюлозы необходимо применять комплекс целлюлаз — эндоглюканазы, экзоглюканазы (целлобиогидролазы) и β-глюкозидазы. Эти ферменты синергически действуют на разрыв β-1,4-гликозидных связей в целлюлозе.
Также часто добавляют ксиланазы и другие ферменты для гидролиза гемицеллюлоз. Применение оптимизированных комплексов ферментов повышает эффективность процесса.
Технология SSF
Одним из наиболее перспективных подходов является технология одновременного сахарификации и ферментации (SSF). В этом процессе гидролиз полисахаридов и ферментация сахаров в этанол протекают последовательно в одном реакторе.
Преимущества SSF:
Сокращение продолжительности процесса
Снижение риска контаминации
Меньшие энергозатраты
Более высокий выход этанола
