Биомасса как источник энергии стр.166

11 Douglas M. Munnecke, University of Oklahoma, Department of Botany and Microbiology.

В качестве субстрата для производства этанола методом анаэробной ферментации может быть использована любая сельскохозяйственная культура с высоким содержанием крахмала или сахаров (кукуруза, картофель, сахарная свекла, зерно) или целлюлозные материалы (древесина, солома, бумага, отходы лесозаготовительной промышленности) и навоз.

Сахара в сельскохозяйственных продуктах содержатся в виде либо димеров гексозных сахаров (сахароза или глюкоза-фруктоза, в сахарном тростнике и сахарной свекле), либо крахмала (полимер глюкозы), получаемого из кукурузы, картофеля и зерна. Поскольку при использовании в качестве жидкого топлива этанола, а в качестве газообразного метана и водорода одних сельскохозяйственных ресурсов страны недостаточно для одновременного удовлетворения потребностей как в энергии, так и в пищевых продуктах [3, 4], изучалась возможность использования других источников ферментирующихся сахаров или не содержащих сахаров субстратов.

Несомненно, что самым мощным источником углеводов, из которых может быть получен этанол, являются целлюлозные материалы. Так, древесина содержит целлюлозу (полимер глюкозы), гемицеллюлозу (смешанные гексозы и пентозы) и ксилан (полимер ксилозы), которые при правильной предварительной обработке могут оказаться субстратом для производства этанола ферментацией. Источником ферментирующихся сахаров для производства этанола могут быть также целлюлозосодержащие отходы, такие, как солома, шелуха риса, обрезки деревьев и бумага [7]. Для производства этанола могут быть использованы отходы производства пищевых продуктов, в частности молочная сыворотка-отход сыроваренной промышленности [8].

1.1. Подготовка субстрата

Общая кинетика процесса и эффективность превращения субстрата в этанол существенным образом зависят от предварительной подготовки субстрата для ферментации [9]. Поскольку стоимость субстрата влияет на стоимость этанола, методы предварительной подготовки сырья имеют важное значение и для снижения производственных расходов.

Некоторые микроорганизмы расщепляют крахмал на сахар-мальтозу и глюкозу, которые затем могут быть превращены в этанол. Однако используемая в большинстве ферментационных процессов дрожжевая культура Saccharomyces неспособна превращать крахмал в ферментирующиеся сахара. Поэтому крахмал перед ферментацией в этанол подвергают гидролизу, в результате которого образуются мальтоза и глюкоза [2, 10]. При производстве пива гидролиз ячменного крахмала осуществляется с помощью растительных ферментов (амилаза), получаемых из прорастающих семян в процессе образования солода [9]. В других процессах ожижение крахмала осуществляется путем добавле-

Рис. 1. Получение этанола ферментацией.

1.2. 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.


⇐ вернуться назад | | далее ⇒