Етанол од втора генерација

Производството на ракија во домашни услови е традиција во Македонија и сите горе долу знаеме како се одвива процесот. Но, замислете ваква ситуација: варите (печете) ракија а искористенето комиње, остатокот, наместо да го исфрлите, по хемиски пат го преработувате и добивате нова тура ракија или етанол од втора генерација!

Етанолот не се користи само за алкохолни пијалоци, туку е и алтернативно гориво во однос на фосилните горива, па затоа се смета за обновлив извор на енергија. Претставува растечки, конкурентен пазар и има ниско влијание во загадувањето на животната средина. Во 2007 година, светското производство на етанол беше приближно 55,7 милијарди литри, предводено од американскиот етанол од пченка и бразилскиот етанол од шеќерна трска. Сепак, бразилскиот етанол е поконкурентен, со оглед на неговата пониска производна цена, за скоро 55%.

Технолошкиот процес на производство на етанол врз основа на шира (сок) од шеќерна трска е познат како етанол од прва генерација (FGE).

 Методот на производство на етанол, заедно со методот на производство на шеќер, создава остатоци во форма на слама и комиње, кои можат да се рекултивираат за производство на електрична енергија и повеќе етанол како финален производ. Овој втор метод на производство на етанол, кој се произведува од биомаса на шеќерна трска и познат како етанол од втора генерација (SGE), е во развој од 2010 година во Бразил, со вклучување на Владата, национални и странски приватни фирми и истражувачки институции.

Со овозможување на добивката во продуктивноста на екстракцијата на етанолот, измерена по тон преработена шеќерна трска, во исто време кога овозможува подобра употреба на остатоците од третман на шеќерна трска и, според тоа, помали влијанија врз животната средина, SGE може да се смета за еколошка технолошка иновација од највисок ранг.

Сепак, методот на производство и влијанијата на SGE покажуваат одредена специфичност во однос на FGE, бидејќи тоа е нов процес, кој бара поголем интензитет на знаење и се постигнува преку сложени хемиски процедури.

Циклусот на производство на етанол од првата генерација (FGE),кој е добро познат, и на него нема да се задржиме,започнува во фазата на земјоделство, која опфаќа садење, одгледување и берба на шеќерна трска, а потоа се користи како влезен производ за следните фази на производство, Шеќерната трска што е собрана може да се насочи кон три главни погони за производство на шеќерна трска: погони за шеќер, автономни алкохолни дестилерии со ексклузивно производство на етанол и интегрирани постројки за заедничко производство и на шеќер и на етанол. По чистењето на шеќерна трска, кое може да биде суво или со употреба на вода, се меле и се насочува кон фазата на мелење, каде што се екстрахира сокот од шеќерна трска и се користи во производството на шеќер и етанол, притоа обезбедувајќи багас(сув кашест остаток оставен по вадењето на сокот од шеќерна трска). Производството на шеќер и етанол покажува карактеристични процеси за добивање на сок од шеќерната трска. Сокот, по прочистувањето, се концентрира преку процесот на испарување, што резултира со сируп со висока концентрација на глукоза. Дел од сирупот се меша со прочистениот сок и со меласата, која потоа е позната како шира и која може да помине низ процесот на концентрирање на пареа, за да се постигне посакуваното ниво на ферментација. Виното добиено од ферментацијата потоа се насочува кон последната фаза на дестилација, каде што може да се добие хидриран етанол. За производство на безводен етанол, хидрираниот етанол мора да помине низ процес на дехидратација.

Етанолот од втора генерација (SGE) се произведува од лигноцелулозен материјал, кој е остаток од производниот циклус на првата генерација. Во просек, секој преработен тон со шеќерна трска генерира 280 килограми багас со 50% влажност, а влакната се главниот супстрат за производството на SGE. Затоа, циклусот на производство на SGE започнува во фазата на остаток од производниот циклус на FGE. Откако биомасата ќе пристигне во фабриката, започнува пред-третман фазата, која може да се постигне или преку разредена киселина или прегреана пареа. Цврстиот производ од фазата на предтретман (познат како багас пред-третман) поминува низ ензимска или кисела хидролиза, потоа преку ферментација и дестилација, што резултира со течен етанол.

Предтретман, хидролиза и ферментација може да се вршат со различни пристапи. Според протоколот, процесот на производство на етанол од багас е поделен на следните чекори. Прво, багасот е претходно обработен преку експлозија на пареа (со или без благи киселински услови) за да се зголеми ензимската достапност до целулозата и да се промовира хидролизата на хемицелулозата со проток на пентоза. Цврстата фракција на лигнин и целулоза е подложена на хидролиза на целулоза, генерирајќи проток богат со хексоза (главно составен од глuкоза, маноза и галактоза). Конечниот цврст остаток (лигнин и преостанатата неотпорна целулоза) се користи за загревање и производство на пареа. Хексозната фракција се меша со меласа (како извор на минерали, витамини и аминокиселини) и ферментирана од обичните индустриски соеви Saccharomyces cerevisiae (не генетски модифицирани) со користење на истите капацитети за ферментација и дестилација на бразилските етанолни растенија. Пентозната фракција ќе се користи како супстрат за други биотехнолошки цели, вклучително и ферментација на етанол.

Лигноцелулозни остатоци

Лигноцелулозните остатоци се составени од три главни компоненти: целулоза, хемицелулоза и лигнин. Целулозата и хемицелулозата се полисахариди составени од единици на молекули на шеќер. Багасот од шеќерна трска се состои од околу 50% целулоза, 25% хемицелулоза и 25% лигнин(на сликите подолу, соодветно).

Целулозата е составена од микрофибрили формирани од молекули на глукоза поврзани со β-1,4 врски при што секоја молекула на глукоза е „обратна“ една во однос на друга. Соединувањето на микрофибрилите формира линеарна и полукристална структура. Линеарноста на структурата овозможува силна врска помеѓу микрофибрилите. Кристалноста дава отпорност на хидролиза поради отсуство на вода во структурата и силната врска помеѓу гликозните синџири го спречува дејството на хидролазата на врските β -1,4.

За разлика од киселинската хидролиза, биоразградувањето на багасот од шеќерна трска со целулолитички ензими може да се изврши на многу пониски температури (околу 50°C или дури и пониски). Покрај тоа, конверзијата на целулоза и хемицелулозни полимери во нивните составни шеќери е многу специфична и нема да се формираат токсични производи за деградација. Сепак, за ензимска хидролиза потребен е чекор на предтретман, бидејќи структурата на родната целулоза е добро заштитена со матриксното соединение на хемицелулоза и лигнин.

Целулаза е општ термин за ензимскиот комплекс способен да ја разградува целулозата во молекули на глукоза.

Целулаза

Дејството на механизмот прифатено за хидролиза на целулоза се заснова на синергетска активност помеѓу ендоглуканаза , егзоглуканаза (или целобиохидролаза и β-глукозидаза. Првиот ензим ги расцепува β-1,4-глукозидни врски на целулозните синџири за да произведе пократки цело-декстрини. Егзоглуканазата ослободува целобиоза или глукоза од синџирите на целулоза и цело-декстрин и, конечно, β-глукозидазите ја хидролизираат целобиозата во глукоза. Интрамолекуларните β-1,4-глукозидни врски се раскинуваат со ендоглуканази . Ендоглуканазите и егзоглуканазите имаат различни начини на дејство. Додека ендоглуканазата ги хидролизира интрамолекуларните расцепувања, егзоглуканазите хидролизираат долги синџири од краевите. Поконкретно, егзоглуканазите или целобиохидролазите имаат дејство на краевите на целулозниот синџир на редукционен (CBH I) и нередуцирачки (CBH II) за ослободување на глукоза и целобиоза.

Овие ензими делуваат на нерастворливата целулоза, а потоа нивната активност често се мери со помош на микрокристална целулоза. И на крај, β-глукозидазите или целобиоазата ја хидролизираат целобиозата во глукоза. Тие се важни за процесот на хидролиза затоа што ја отстраниле целобиозата до водната фаза која е инхибитор на дејството на ендоглуканазите и егзоглуканазите.

Мулти-комплексниот ензимски коктел познат како целулаза и хемицелулаза може да биде произведен од различни сапрофитски микроорганизми. Trichoderma и Aspergillus се родовите кои најмногу се користат за производство на целулази. Меѓу нив, еден од најпродуктивните ензими за разградување на биомасата е филаментозната габа Trichoderma reesei.

Целулолитичкиот арсенал е составен од мешавина од ендоглуканази и егзоглуканази кои делуваат синергистички за да ја разградат целулозата до целобобиоза. Идентификувани се две β-глукозидази кои се вмешани во хидролизирање на целобиозата во гликоза. Опишан е дополнителен протеин, отечен, кој ги нарушува структурите на кристална целулоза, веројатно правејќи ги полисахаридите попристапни за хидролиза. Четирите најзастапени компоненти на T. reesei cellulase заедно сочинуваат повеќе од 50% од протеинот произведен од клетката под индуцирачки услови. Целулазите се од суштинско значење за концептот на биорафинеријата. За да се намалат трошоците и да се зголеми производството на комерцијални ензими, задолжително е користење на поевтини суровини како супстрат за производство на ензими и фокусирање на производ со висока стабилност и специфична активност. Освен биоетанолот, постојат неколку примени на овие ензими, како што се текстилните, детергентите, храната и во индустријата за пулпа и хартија.

Производство на ензими со употреба на багас од шеќерна трска

Одгледувањето на микроорганизми во агроиндустриски остатоци (како багас) со цел производство на ензими може да се подели на два вида: процеси базирани на течна ферментација или потопена ферментација (SmF) и процеси базирани на ферментација во цврста состојба (SSF) .

Производството на етанол од лигноцелулозни остатоци се врши со ферментација на мешавина на шеќери во присуство на инхибирачки соединенија, како што се органски киселини со мала молекуларна тежина, деривати на фуран, феноли и неоргански соединенија ослободени и формирани за време на предтретман и/или хидролиза на суровината.Етанолската ферментација на пентозните шеќери (ксилоза, арабиноза) претставува предизвик за ефикасно производство на етанол од овие остатоци, бидејќи само ограничен број на бактерии, квасци и габи можат да конвертираат пентоза (ксилоза, арабиноза), како и други мономери ослободени од хемицелулози (маноза, галактоза) во етанол со задоволителен принос и продуктивност. Процесите на хидролиза и ферментација можат да бидат дизајнирани во различни конфигурации, кои се изведуваат одделно, познати како посебна хидролиза и ферментација или истовремено, познати како процеси на симултана сахарификација и ферментација .

Кога хидролизата на претходно третираната целулозна биомаса се изведува со ензими, овие биокатализатори (ендоглуканаза, егзоглуканаза и β-глукозидаза) може силно да бидат инхибирани од производите на хидролиза, како што се глукозата, ксилозата, целобиозата и другите олигосахариди. Затоа, SSF игра важна улога за заобиколување на ензимската инхибиција со акумулација на овие шеќери. Покрај тоа, бидејќи акумулацијата на етанол во ферментаторите не ги инхибира целулазите толку многу како високите концентрации на шеќери, SSF се издвојува како важна стратегија за зголемување на вкупната стапка на конверзија на целулоза во етанол. Некои инхибитори присутни во течната фракција на претходно третираната лигноцелулозна биомаса, исто така, имаат значително и негативно влијание врз ензимската хидролиза. Поради намалувањето на инхибицијата на шеќерот за време на ензимската хидролиза во SSF, детоксикацискиот ефект на ферментацијата и позитивниот ефект на некои инхибитори присутни во хидролизатот пред третман (на пример, оцетна киселина) врз ферментацијата, SSF може да биде поволен процес во споредба со SHF.

Значење на етанолот од втора генерација

Биоетанолот од втора генерација ги има истите карактеристики како оној од прва генерација, во однос на финалниот производ, и затоа ги ужива истите предности на растечкиот пазар и побарувачка. Трошоците за производство на шеќерна трска SGE се речиси исто толку ниски како и трошоците за производство на FGE. Првата претставува воспоставена технологија, која носи помалку финансиски ризици, додека втората бара покомплексна технологија, која вклучува поголема несигурност за инвестициите, и покрај тоа што покажува значителна можност за профитабилност и аспекти за намалување на трошоците. Затоа, постои генерирање и развој на иновации на SGE во коеволуција со потенцијални економски придобивки.

Производните циклуси на FGE и SGE, имаат позитивни економски, технолошки, еколошки и социјални резултати за Бразил.Забележан е растечки пазар на етанол, и прва и втора генерација, бидејќи финалниот производ е ист и не воспоставува однос на конкуренција. Што се однесува до производствениот процес, FGE претстави зрела технологија и економски и еколошки предности во споредба со фосилните горива. На полето на земјоделство користи механизација и покрај образовното ниво, има значително учество на неквалификувана и неформална работна сила.

SGE сè уште има малку повисоки трошоци од FGE, но сепак, технолошкиот развој на среден и долг рок може да овозможи потенцијални приходи и добивки во продуктивноста, иако тоа би барало зголемени нивоа на инвестиции за истражување и развој. Еколошките придобивки, од друга страна, се далеку подобри во споредба со фосилните горива и другите обновливи замени. Факт што заслужува да се забележи е повисоката квалификација на трудовото образование во однос на производството на FGE.