Fermentacja acetonowo-butanolowa – to odmiana fermentacji masłowej, wywoływana przez bakterie z rodzaju Clostridium, podczas której powstaje zamiast kwasu masłowego butanol, a zamiast kwasu octowego aceton. Początkowo fermentacja ta ma przebieg identyczny z fermentacją masłową. Gdy wytworzone kwasy obniżą pH środowiska do 4,5 a stężenie kwasu masłowego osiąga poziom powyżej 2 g/l fermentacja zmienia przebieg i zamiast kwasów powstają rozpuszczalniki organiczne, głównie butanol i aceton. Fermentacja a-b znajduje zastosowanie w produkcji acetonu i butanolu.
Bakterie Clostridium – jest około 100 gat z czego ponad 40 wyizolowano z organizmu człowieka, są to beztlenowe, gram+, urzęsione laseczki. Wytwarzają endospory umieszczone centralnie, terminalnie lub subterminalne co nadaje kom kształt wrzeciona, rakiety tenisowej itd. Przeprowadzają fermentację węglowodanów, rozkładają też kwas moczowy. Wytwarzają szereg produktów fermentacji: butanol, aceton, kwas masłowy, octowy itd. Niektóre gat wytwarzają toksyny niebezpieczne dla zdrowia i życia. Niektóre Clostridia sacharolityczne wiążą azot atmosferyczny.
Proces technologiczny z użyciem melasy buraczanej – 1) etap laboratoryjny: - zaszczepienie endosporami C. acetobutylicum probówek z 20% zacierem ziemniaczanym, inkubacja w temp 37,5 przez 18h. – namnażanie Klostridiów w tzw aparatach czystych kultur zawierających 6%zacier jęczmienny przez 18h w temp 37,5 2) etap przemysłowy: - zaszczepienie zawartością aparatów czystych kultur inkubatorów zawierających 600dm3 6%zacieru jęczmiennego, inkubacja 14h w temp 37,5 – wykorzystanie namnożonych bakterii do przeprowadzenia fermentacji 7%zacieru melasowego w kadziach produkcyjnych, czas trwania procesu 62h w temp 37,5 – oddzielnie powstałych rozpuszczalników organicznych za pomocą destylacji frakcjonowanej.
Butanol jako paliwo silnikowe: butanol jest doskonałym substytutem benzyny, który może być używany w silnikach po zmieszaniu z benzyną lub samodzielnie po modyfikacjach lub jako dodatek do oleju napędowego. Ma znacznie wyższą kaloryczność niż etanol, niższe ciepło parowania, jest mniej korozyjny, nie ma właściwości higroskopijnych, ma wysoką lepkość, może być dystrybuowany na stacjach paliw, nie wymaga zbiorników wysokociśnieniowych, jest bardziej opłacalny ekonomicznie
Rozwój technologii fermentacji acetonowo – butanolowej: - wykorzystywanie metod inżynierii genetycznej, - wykorzystywanie zaawansowanych technik, tzw inżynierii metabolicznej, - prowadzenie procesu fermentacji dwuetapowo – stosowanie systemów fermentacji ciągłej zamiast tradycyjnego procesu okresowego – wykorzystywanie kom immobilizowanych. firma BUTALCO – prowadzi badania nad wykorzystanie drożdży do wytwarzania butanolu z materiału ligninocelulozowego. Wg nich butanol wytwarzany tą metodą jest bardzo konkurencyjny w stosunku do produktów ropopochodnych oraz innych biopaliw. Skonstruowali szczepy drożdżowe zdolne do efektywnej fermentacji większości monocukrów ( heksoz, pentoz). Fermentacja pentoz znacząco podnosi wydajność procesów fermentacji prowadzonych przez drożdże, w tym procesu wytwarzania butanolu. Firma ButylFuel LLC – technologia opiera się na patencie dotyczącym modyfikacji przebiegu fermentacji. Surowcem jest ziarno kukurydzy. Poprzez odpowiednie dozowanie kwasu masłowego metabolizm fermentacyjny baterii zostaje zmieniony w kierunku produkcji butanolu już od początku procesu. Proces ma charakter ciągły, bakterie są unieruchomione na podłożu celulozowym, przefermentowany zacier jest odbierany do zbiornika, gdzie butanol jest następnie oddzielany z wykorzystaniem technik fizykochemicznych. Ma to być znacznie tańsze od tradycyjnej destylacji.
Etanol – jest bezbarwną cieczą o gęstości 789,4 kg/m3. Wrzącą w temp 78,4 pod normalnym ciśnieniem, ciepło spalania etanolu wynosi ok. 27 MJ/kg. Jest ważnym surowcem w przemyśle chemicznym, rozpuszczalnikiem o szerokim zastosowaniu i wartościowym paliwem . Nie ma toksycznych produktów spalania. Wytwarzany przez syntezę chemiczną lub fermentację. Wykorzystywany jako paliwa samochodowe. Ma wyższą liczbę oktanową niż zwykła benzyna co umożliwia zwiększenie stopnia kompresji w silnikach i lepsze osiągi. Stosowany również jako dodatek utleniający do benzyn , Konkuruje z pochodnymi petrochemicznymi ETBE i MTBE (etylowe i metylowe etery tetrbutylowe). Etanol jest uważany za paliwo przyjazne środowisku, powoduje zmniejszenie emisji tlenku węgla i toksycznych składników spalin. Etanol jest produkowany z surowców odnawialnych, okazuje się paliwem najbardziej proekologicznym, jest wytwarzany z surowców roślinnych, które asymilują CO2, zatem utlenianie etanolu stanowi jedynie element naturalnego obiegu węgla w przyrodzie.
Surowce do produkcji etanolu: etanol otrzymywany w wyniku fermentacji surowców zawierających cukry proste lub dwucukry. W Polsce dostępnymi surowcami zawierającymi bezpośrednio fermentowane surowce są melasa i serwatka. Melasa jest produktem ubocznym powstającym w cukrowniach, jest wartościowym surowcem dla przemysłu biotechnologicznego. Wykorzystywana m. in. do produkcji drożdży piekarnianych, kwasu mlekowego, kwasu cytrynowego i antybiotyków. Wydajność etanolu z melasy wynosi ok 0,3 m3/t. Ograniczeniem wykorzystania melasy do produkcji etanolu są trudności z zagospodarowaniem wywaru gorzelnianego. Wywar z melasy nie nadaje się do produkcji pasz. Serwatka jest produktem ubocznym z przetwórstwa mleka, zawiera ok. 4-5% laktozy. Stanowi uciążliwy odpad, wykorzystywana jest jako dodatek do pasz, do wytwarzania preparatów białkowych i produkcji biogazu. Surowce zawierające wielocukry ( skrobia, celuloza) stanowią źródło zaopatrzenia dla przemysłu fermentacyjnego. Ich wykorzystanie do produkcji etanolu wymaga wstępnej hydrolizy. Hydrolizie łatwo ulega skrobia. Celuloza jest bardziej odporna na działanie czynników hydrolizujących. Surowce skrobiowe: żyto, pszenżyto, kukurydza i ziemniaki, zawierają ok. 20-60% skrobi. Surowce celulozowe stanowią najbardziej obiecującą gr surowców do produkcji etanolu. W odróżnieniu od łatwo hydrolizowanej skrobi celuloza wymaga kosztownej hydrolizy (rozcieńczonymi kwasami, ekstrakcja, hydroliza enzymatyczna). Odpady papiernicze i komunalne – surowce celulozowe.
Technologie otrzymywania etanolu: fermentacja etanolowa jest jedną z najstarszych technik biotechnologicznych. Technologia wytwarzania etanolu składa się z 3 etapów: przygotowania surowca, fermentacji etanolowej i wydzielenie produktu.
Produkty uboczne w gorzelni: wywar, di tlenek węgla, drożdże suszone, fuzle.
Surowce w przemyśle spirytusowym- mogą być wszystkie produkty które zawierają węglowodany, najczęściej monosacharyd lub skrobia. Należą do nich: ziemniaki, zboża, buraki cukrowe, kukurydza, okopowe rośliny pastewne oraz surowce przemysłowe: melasa, odpady produkcji krochmalu, Przemyślu młynarskiego, owocowo-warzywnego i celulozowego.
Przygotowanie surowców: w przypadku surowców skrobiowych proces składa się z etapów: 1) upłynnienie surowca- polega na rozgotowaniu surowca w wodzie, proces prowadzi się pod ciśnieniem 0,4-0,6 MPa w temp. 150-170, dochodzi do kleikowienia skrobi, która jest podatna na działanie enzymów amylolitycznych, 2) hydroliza upłynnionej skrobi przy użyciu enzymów amylolitycznych (stosowane w przemyśle spirytusowym to amyloza, do hydrolizy skrobi używa się termo stabilnych enzymów pochodzenia mikrobiologicznego.
Zacieranie – pierwszy etap produkcji alkoholu etylowego, polega na przygotowaniu surowca, żeby był możliwy rozwój drożdży, a w rezultacie przerób węglowodanów na alkohol. W zacieraniu skrobi sklei kowanej biorą udział 3 enzymy: α i β – amyloza oraz amyloglukozydaza. Po skończonym procesie zacierania, zacier zawiera monosacharydy, disacharydy i dekstyny, które mogą służyć drożdżom do produkcji alkoholu.
Drożdże gorzelnicze – powinny szybko fermentować sacharydy oraz być niewrażliwe na stężenia alkoholu do 14%. Fermentują glukozę, fruktozę, maltozę, sacharozę, czasami mannozę, laktozę i rafinozę.
Fermentacja – polega na przemianie sacharydów znajdujących się w zacierze w alkohol etylowy przy użyciu drożdży. Przeciętny czas fermentacji wynosi 48-72h. Wyróżniamy 3 fazy procesu: 1) zafermentowanie, początkowy etap (6-18h) gdy zacier zawiera dużo powietrza i sacharydów, w takich warunkach drożdże zużywają sacharydy na rozmnażanie, a w mniejszym stopniu wytwarzają alkohol etylowy. Jednocześnie jest wytwarzany CO2 który najpierw nasyca lepki zacier, a następnie uwalniając się do otoczenia powoduje tworzenie piany na powierzchni. Proces jest egzotermiczny, przy końcu tego etapu proces z tlenowego staje się beztlenowy i w coraz większym stopniu wynikiem fermentacji jest alkohol, 2) fermentacja główna, 12-18h, gwałtowne burzenie się zacieru, zwiększenie objętości, gromadzi się piana, wzrasta temp. co jest niekorzystne do produkcji alkoholu. Zakończenie etapu można rozpozna po zmniejszeniu burzliwości procesu i zniknięciu piany. 3) dofermentowanie, 20-30h, polega na dofermentowaniu resztek sacharydów przez drożdże, w tym etapie drożdże fermentują głównie dekstryny.
Destylacja – oddzielenie alkoholu etylowego z odfermentowanego zacieru. W tym procesie korzysta się różnic lotności wody i alkoholu etylowego. W wyniku destylacji oprócz alkoholu uzyskujemy wartościowy produkt uboczny – wywar zawierający glicerynę, kwasy organiczne, wyższe alkohole (fuzle), estry i aldehydy.
Utylizacja produktów ubocznych i odpadów przemysłu spirytusowego – produktami ubocznymi są wywar gorzelniczy i drożdże odpadowe.
Surowce do przemysłu spirytusowego: spirytus surowy, spirytus winny, rektyfikowany, owocowy naturalny oraz dodatki: owoce, przyprawy, zioła itd.
Zalety wykorzystywania biopaliw: 1) odnawialność surowców wykorzystywanych do produkcji biomasy 2) podwyższenie bezpieczeństwa energetycznego kraju poprzez zmniejszenie uzależnienia rynku od importu paliwa 3) ograniczenie emisji CO2 4) zapewnienie większej stabilności ceny paliwa 5) tworzenie nowoczesnych miejsc pracy w kraju 6) zwiększenie dochodu rolnego z ziemi.
Wady stosowania biopaliw: 1) ryzyko wzrostu cen żywności przy masowej uprawie roślin energetycznych 2) ryzyko poważnego, negatywnego wpływu na śr naturalne, przy wprowadzeniu wielkoobszarowej, intensywnej uprawy roślin energetycznych na dużych obszarach 3) mniejsza uniwersalność w porównaniu z paliwem tradycyjnym (zwiększone ryzyko uszkodzenia niektórych silników) 4) mniejsza jednostkowa wartość energetyczna w porównaniu z paliwem tradycyjnym 5) wyższa cena takiego paliwa.
Możliwości dalszej redukcji kosztów surowca: 1) zwiększenie plonów poprzez intensyfikację produktów, 2) wprowadzenie nowych odmian roślin tradycyjnie wykorzystywanych do produkcji etanolu 3) poszukiwanie nowych gatunków roślin, z których można wytwarzać etanol z wysoką wydajnością.
Cechy użytkowania topinamburu: 1) wytwarza bulwy zawierające do 20% polisacharydu inuliny 2) duży potencjał plonowania 3) bardzo odporny na niskie temp. 4) możliwość samo odnawiania się plantacji, brak konieczności corocznych nasadzeń 5) wysadzane jest jesienią i wcześnie rozpoczyna wegetację 6) ma silniejszy system korzeniowy i szybciej zacienia glebę dlatego może być uprawiany na gorszych stanowiskach 7) mało podatny na ataki szkodników oraz choroby bakteryjne i grzybowe 8) dobrze rośnie na gruntach zdewastowanych przez przemysł, zwałowiskach pokopalnianych i komunalnych.
Metabolizm drożdży :1)beztlenowy metabolizm sacharydów - w warunkach beztlenowych glukoza po wniknięciu do komórki jest utleniana do dwóch cząsteczek kwasu pirogronowego na drodze glikolizy. Kwas ten następnie ulega dekarboksylacji do aldehydu octowego, a aldehyd redukcji d etanolu. 2) tlenowy metabolizm węglowodanów – pirogronian pochodzący z glikolizy jest transportowany do mitochondriom i na drodze oksydatywnej dekarboksylacji, przy udziale koenzymu A i dehydrogenazy pirogronianowej zostaje przekształcony do acetylokoenzymu A. Ten zostaje całkowicie utleniony w cyklu Krepsa do CO2 i H2O. Końcowymi etapami metabolizmu tlenowego są reakcje zachodzące w łańcuchu oddechowym. Końcowym akceptorem elektronów jest tlen cząsteczkowy. 3) Fermentacja konta oddychanie – wzrost stęż tlenu hamuje aktywność glikolizy, zwiększa intensywność cyklu Krepsa, uruchamia proces fosforylacji oksydatywnej w mitochondriach, hamuje transport aktywny przez błony, intensyfikuje cykl glioksalowy. Wysokie stęż glukozy lub innych cukrów hamuje syntezę mitochondriów i reprodukcję komórek.