1598005439-1326b994f1090c560653e496106b7ac8 (811216), страница 63
Текст из файла (страница 63)
При брожении с образованием смеси кислот (С!ожпгйшл) пировиноградная кислота превращается в молочную, муравьиную, уксусную кислоты, диоксид углерода, водород и этанол. При бутандиоловом брожении (Васй!из) получают зтанол и четыре других основных органических продукта, а при бутанол-ацетоновом брожении пировиноградная кислота превращается в пять основных конечных продуктов. Один из путей обмена, рассматриваемых в табл. 2, называется гомомолочнокислым брожением. В этом случае этанол не образуется, так как на моль глюкозы приходятся только два моля молочной кислоты.
Этот процесс упоминается при рассмотрении этанольного брожения, потому что культура с таким типом метаболизма (например, Еас!оЬасй!из) загрязняет ферментирующую среду, в результате чего может резко снизиться выход этанола. В некоторых условиях ферментации 1.асгоЬас!Ииз 315 314 Часть П Дрожжи/этавольвьзй 200 (49) 200 (51) Бактерии/бутандноль иый 66 70 (33) (1 8) 172 (42) Бактерии/гомомолочио- кислый 36 18 0,5 3 (0,4) (4,6) (0,2) (1,2) 200 (82) 0 (о) Бактерии/смешанокислый 88 (21) 50 (1 3) 75 2 37 80 (0,8) (0,5) (1 2,3) (33) Бактерия76утавояапетоновый 219 (54) 139 + (1,5) 13 (4,3) 10 (2,5) или 51 ергососсиз конкурирует с ферментапией микроорганизмами, образующими этанол и расщепляюзцими гексозы до молочной кислоты.
2. ВЛИЯНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ НА ПРОИЗВОДСТВО ЭТАНОЛА Не все микроорганизмы пригодны для промышленного производства этанола. Кроме того, ни одна из известных культур не является идеальной для эффективной конверсии или сильного разжижения перечисленных вьуше субстратов. Наиболее интенсивно используются дрожжевые культуры [15 — 173, особенно Басс)заро»сусек. Сравнительно высоко- температурная этанольная ферментация осуществлялась с участием бактериальных культур Вас(1(иу н С(оуггд(!ияз '1183.
Для промьшшенного производства алкогольных напитков, в том числе и спирта, используются в основном два типа дрожжевых культур, которые относятся к 5ассйаготусеж Одну из них называют верхним ферментатором, поскольку большая часть дрожжевых клеток остается наверху ферментациоиной жидкой среды, а другую-нижним фермеитатором, так как дрожжевые клетки в период активной ферментации оседают на дно аппарата.
В пропессе производства алкогольных напитков иногда используют пдикие» дрожжи. В го же время изучается возможность использования для производства этанола видов 5асс)загоизусеу, так как в этом случае достигается высокая эффективность превращения сахаров в этанол 1173. Кроме того, они не очень поддаются ингибироТаблица 2. Конечные продукты аяаэробиой фермеитации !Ьмод !нсхолл нз !ООООО молов твюлозмх мми.п Кульзурвтьмл еормонтвлни СОз Нз Мура- увсуслм Молознвл кутьи- Этвнов вьвнвл «ислотв «нслотв диол он слито Способы получения энергии иэ биомассы ванию при высоких концентрациях этанола по сравнению с другими микроорганизмами. Из табл. 2 видно, что из одного моля глюкозы теоретически могут быть получены два моля этанола (511 кг этанола из 1000 кг глюкозы).
Использование бактериальных культур для производства этанола объясняется их высокой стойкостью к повышению температуры. Так, например, некоторые виды С(оугг!т(!ияз и Вас!Паз способны развиваться при температуре 50оС и выше, что позволяет уменьшить расходы на ферментацию и отгонку спирта. Однако выход этанола при использовании этих бакгериальных культур не так высок, как при дрожжевой ферментации.
3. ПАРАМЕТРЫ ФЕРМЕНТАЦИИ 3.1. Температура Скорость роста микроорганизмов и выход этанола существенно зависят от температуры ("19-23). Ферментация вина и пива обычно проводится при температуре ниже 20 С, вместе с тем при промышленном производстве спирта с применением дрожжевых культур температура может достигать 30-38нС. По мере повышения концентрации этанола снижается оптимальная температура роста клеток и производства этанола. При высокой концентрации этанола ингибирующее действие при более высоких температурах может быль сильнее, чем при низких температурах, вследствие большей нестабильности структуры клеточной мембраны.
Делались попьпки выделить термофилы-культуры, развивающиеся при температуре выше 50'С (!8, 201. Применение таких культур, по-видимому, позволило уменьшить бы расходы на охлаждение ферментера и на отгонку эганола. Температура может влиять также ~а соотношение химических продуктов, получаемых анаэробной ферментацией пировиноградной кислоты. Таким образом, температурные сдвиги могут привести к изменению количества пировиноградной кислоты, перешедшей в этанол, органических кислот и других спиртов.
3.2. рН ферментацнонной среды Важным фактором для роста клеток является рН среды ('23, 24). Дрожжевая ферментация большей частью проводится при рН анже 4,5, хотя возможно, что это и не оптимальное значение. Дрожжевые культуры могут расти в среде, рН которой меняется от 3 до 8, причем озпимальный рост происходит обычно в слегка кислых средах. Сдвиги в рН могут также влиять на соотношение органических продуктов, производимых дрожжевыми культурами.
Таким образом, оптимальный рН для ферментационного процесса должен обеспечивать баланс между образованием этанола, ростом клеток микроорганизмов и физиологическим влиянием на обмен с сырьем. Низкие значения рН при дрожжевой фер- 317 Способы получения энергии из биомассы 316 Часть В ментации способствуют ингибированию роста загрязняющих бактериальных культур. Оптимальный рН для бактериальных культур равен примерно 7 — 7,5. при этом они отличаются меньшей стойкостью в кислой среде, чем дрожжи.
Поэтому ферментация с использованием С)охггй))игл или Васййих проводится в среде с более высоким рН, поддерживаемым путем использования буферного растворителя. 3.3. Кислород Микроорганизмы, ответственные за производство этанола ферментацией, являются факультативными, так как они могут развиваться как при наличии кислорода, так н без него. В присутствии кислорода из начального субстрата образуется больше клеточной массы (в 5 — 10 раз больше, чем в анаэробных условиях), и скорость роста ее увеличивается. Другими словами, аэрацией можно увеличить выход клеточной массы и интенсивность процесса.
Однако для производства этанола доступ кислорода в фермеитационную жидкую среду должен быть в небольших количествах. Конпентрация кислорода, вызывающая инициирование процесса или рост различных культур )'25-271, зависит от концентрации субстрата и плотности клеток. Для синтеза липидов, которые необходимы для «анаэробного» роста дрожжевых культур, может потребоваться очень низкая концентрация кислорода )'28-303.
Если нельзя обеспечить низкий уровень содержания кислорода, то следует добавить к ферментацнонной жидкой среде некоторые липидные прекурсоры. Производство этанола может осуществляться и без роста клеток. В этом случае кислород не требуется. 3.4. Этя пол Концентрация этанола в ферментационной жидкой среде может непосредственно влиять на скорость роста культуры и ее способность превращать сахар в этанол 122, 31), Ингибнруюшее и токсичное действие этанола на различные культуры неодинаково. В случаях использования некоторых дрожжевых культур прн концентрации 4 — 6;~ этанола ингибирование их роста достигает 50",,. Другие культуры отличаются большей стойкостью к этанолу.
Как правило, максимальная концентрация этанола в ферментационной среде находится в пределах 11-14',~, Однако, по данным некоторых исследователей 1323, она может достигать 20",,. В то же время высокие темпы производства этанола ведут к межмолекулярному преобразованию этанола и увеличению чувствительности процесса 1321. Некоторые высшие спирты, получающиеся в незначительных количествах, мокнут оказать болыпее ингибируюшее действие, чем этанол.
Таким образом, несмотря на то что такие спирты получаются в значительно меньших количествах, ингнбируюшее их действие может оказаться заметным 1333. Для обеспечения эффективного производства этанола требуется ре- шение двух взаимоисключающих пробдем. С одной стороны, рост микробной культуры и превращение сахаров. в этанол происходят наиболее эффективно в отсутствие этанола и по мере увеличения концентрации спиртов все в большей степени ингибируются. С другой стороны, для эффективной отгонки этанола желательна его высокая концентрация (выше 6',~).
Для решения этих проблем были выполнены работы по выделению микроорганизмов, более стойких к этанолу 134, 351. В одном из процессов ферментация проводилась в условиях вакуума и этанол по мере его образования отводился из жидкой среды. Для конденсата была характерна значительно большая концентрация этанола, который отделялся отгонкой.
3.5. Сахар Количество производимого спирта пропорционально количеству добавпенного сахара. Следовательно, желательна высокая концентрация сахара 1361. Однако при очень высоких концентрациях сахара происходит игибирование процесса вследствие повышенного осмотического давления. Вместе с тем очень низкое содержание сахара, как это может иметь место при непрерывной ферментации, веде~ к снижению интенсивности производства этанола. Таким образом, в каждом отдельном случае необходимо установить оптимальную концентрацию глюкозы нли эквивалентного количества пру~ого сахара. Концентрация различных сахаров в процессе ферментации смешанного субстрата может влиять на метаболизм микроорганизмов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
