Экологические и экономические аспекты производства этанола

            После ацетальдегид восстанавливается водородом, который отщепляется от кофермента НАДН. При этом ацетальдегид восстанавливается до этанола. Собственно, цель спиртового брожения — это окисления NADH, чтобы он мог снова принять участие в гликолизе. Катализатором является алкогольдегидрогеназа.  

            Таким образом, продуктами спиртового брожения являются этанол и CO2, а не молочная кислота, как в молочнокислом брожении. 

В результате получается реакция:    

C₆H₁₂O₆ - > 2C₂H₅OH + 2CO₂ + 23,5?104 дж

глюкоза - > этиловый спирт + углекислота + энергия 

Процесс спиртового брожения - многоступенчатый, состоящий из цепи химических реакций. Превращения глюкозы до образования пировиноградной кислоты происходят так же, как и при дыхании. Эти реакции происходят без участия кислорода (анаэробно). Далее пути дыхания и брожения расходятся. 

При спиртовом  брожении пировиноградная кислота  превращается в конечном итоге в спирт и углекислоту. Эти реакции протекают в две стадии. Сначала от пирувата отщепляется СО₂ и образуется уксусный альдегид; затем уксусный альдегид присоединяет водород, восстанавливаясь в этиловый спирт. Все реакции катализируются ферментами. В восстановлении альдегида участвует НАД·H₂. 

           Обычно  при спиртовом брожении, кроме  главных продуктов, образуются побочные. Они довольно разнообразны, но присутствуют в небольшом количестве: амиловый, бутиловый и другие спирты, смесь  которых называется сивушным маслом - соединение, от котерого зависит специфический аромат вина. Образование побочных веществ связано с тем, что превращение глюкозы частично идет другими путями. 

Спиртовое брожение протекает обычно при pH 3-6. Если его проводить в щелочной среде, например в присутствии NaHCO₃, также происходит накопление в сбраживаемом растворе глицерина. Оказалось, что в щелочных условиях ацетальдегид не может акцептировать электроны, поскольку в этих условиях он участвует в реакции дисмутации с образованием уксусной кислоты и этилового спирта. Акцептором электронов, как и в предыдущем случае, служит фосфодиоксиацетон. Процесс брожения в щелочной среде можно представить в виде следующего уравнения: 

2C₆H₁₂O₆ ® 2C₃H₈O ₃+ CH₃-COOH+ CH₃-CH₂OH+ 2CO₂.

Глюкоза    глицерин  уксусная кислота этиловый спирт 

биологический смысл спиртового брожения заключается в том, что образуется определенное количество энергии, которая  запасается в форме АТФ, а затем расходуется на все жизненно необходимые процессы клетки. 

            Процесс молочнокислого брожения имеет большое сходство со спиртовым брожением. Отличие заключается лишь в том, что при молочнокислом брожении пировиноградная кислота не декарбоксилируется, а, как и при гликолизе в животных тканях, восстанавливается при участии ЛДГ за счет водорода НАДН. 

            Известны 2 группы молочно-кислых бактерий. Бактерии одной группы в процессе брожения углеводов образуют только молочную кислоту, а бактерии другой из каждой молекулы глюкозы «производят» по одной  молекуле молочной кислоты, этанола и СО₂. 

Существуют  и другие виды брожения, конечными  продуктами которых могут являться пропионовая, масляная и янтарная кислоты, а также другие соединения.  

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1.4.  Этапы  брожения 

            Последовательность  и взаимосвязь отдельных реакций, протекающих на промежуточных этапах брожения, схематически представлена ниже (молекула глюкозы для простоты изображена в виде цепи). 

1. Фосфорилирование D-глюкозы за счет АТФ с образованием глюкозо-6-фосфата. Эта первая реакция гликолиза катализируется тексокиназой. В клетке количество свободной D-глюкозы сравнительно не велико; большая ее часть находится в фосфорилированной форме: 

АТФ  + D-глюкоза - АДФ + D-глюкозо-б-фосфат.

2.  Превращение D-глюкозо-б-фосфата во фруктозо-6-фосфат в результате реакции изомеризации, катализируемой фосфогексозоизомеразой:

D-глюкозо-б-фосфат # D-фруктозо-б-фосфат. 

3.  Фосфорилирование D-фурктозо-б-фосфата путем присоединения

еще одного остатка фосфорной кислоты с  образованием фруктозо-1,6-дифосфата. В  этой второй „пусковой" реакции  используется еще одна молекула АТФ при участии фермента фосфофруктокиназы. Доказано, что суммарная скорость гликолиза лимитируется именно

этой  реакцией, катализируемой фосфофруктокиназой:  

АТФ  + D-фруктозо-б-фосфат -> АДФ + О-фруктозо-1, 6-дифосфат. 

4.  Расщепление фруктозо-1, 6-дифосфата на 2 фосфотриозы: глицеральдегид-3-фосфат и диоксиацетонфосфат. Реакция катализируется альдолазой:

0-фруктозо-1, 6-дифосфат «^диоксиацетонфосфат + D-глицеральдегид-3-фосфат. 

5.  В последующие реакции гликолиза может непосредственно включаться только одна из двух образующихся фосфотриоз, а именно глицеральдегид-3-фосфат. Однако и диоксиацетонфосфат благодаря присутствию в клетке специфического фермента триозофосфатизомеразы полностью преобразуется в глицеральдегид-3-фосфат. В результате этой реакции обеспечивается полное использование глюкозы в энергетическом обмене клетки: диоксиацетонфосфат  «± D-глицеральдегид-З-фосфат. 

6.  Окисление глицеральдегид-3-фосфата до 1,3-дифосфоглицерата. Реакция катализируется специфической дегидрогеназой триозофосфата (глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназой) и называется реакцией гликолитического окисления-восстановления. Окисление глицеральдегид-3-фосфата, катализируемого дегидрогеназой, является единственный окислительным этапом на всем протяжении гликолиза. Однако кислород в этой реакции не участвует. Требуется лишь присутствие окислителя НАД + , который при этом восстанавливается до НАД • Н (символом НАД обозначается окислительно-восстановительный кофермент никотинамид-адениндинуклеотид, НАД+ — его окисленная форма, НАД-Н— восстановленная):

D-глицеральдегид-З-фосфат  + НАД+  + Фн -> 1,3-дифосфоглицерат +НАДН + Н + 

7.  Перенос фосфатной группы от 1,3-дифосфоглицерата на АДФ. Под действием двух ферментов (глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназы и фосфоглицераткиназы) энергия, высвобождающаяся при окислении альдегидной группы до карбоксильной, запасается в форме энергии фосфатных связей АТФ.

1,3-Дифосфоглицерат  + АДФ # 3-фосфоглицерат + АТФ. 

Глицеральдегид-3-фосфат + Фн + АДФ + НАД+ <* 3-фосфоглицерат + + АТФ + НАД-Н + Н+.  (к реакциям 1 и 3) 

8.  Превращение 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат катализируется фосфоглицеромутазой:

3-фосфоглицерат  <± 2-фосфоглицерат. 

9.  Дегидратация 2-фосфоглицерата с образованием фосфоенолпирувата катализируется енолазой:

2-фосфоглицерат  # фосфоенолпируват + N20. 

10.  Перенос фосфатной группы от фосфоенолпирувата на,АДФ с образованием пирувата и АТФ катализируется пируваткиназой (АТФ: 

пируват-фосфотрансферазой): 

фосфоенолпируват + АДФ ^ пируват + АТФ. Образование пировиноградной кислоты — поворотный этап анаэробного расщепления сахара, являющийся общим для дыхания, гликолиза и брожения всех видов. Основное значение гликолиза состоит в перестройке структуры молекулы глюкозы в высокоактивный и лабильный в химическом отношении пируват, что облегчает биохимическое превращение исходного субстрата на последующих этапах окислительно-восстановительных процессов. 

11.  Если кислород отсутствует, то дальнейшие превращения пировиноградной кислоты происходят анаэробным путем, в процессе брожения (молочнокислого, спиртового и др.). При брожении последний этап гликолиза, катализируемого лактатдегидрогеназой, заменен двумя др. ферментативными реакциями, при участии соответственно пируват-декарбоксилазы и алкогольдегидрогеназы. В результате этих реакций образуется этиловый спирт — конечный продукт спиртового брожения. 

А.  Пируват -+> Ацетальдегид + СO2 (необратимая  реакция). Б. Ацетальдегид + НАД-Н  + Н+ «± Этанол + НАД+. 

Суммарное  уравнение спиртового брожения:

С6Н1206 + 2Фн + 2АДФ -> 2С,Н5ОН + 2СO2 + + 2АТФ.

При введении специфическихингибиторов формы брожения спиртового изменяются.

Вторая  форма брожения Нёйберга. Для получения  глицерина в сбраживаемую среду  вводят бисульфит натрия, который  связывает ацетальдегид и предотвращает этим реакцию восстановления его до спирта. Водород восстановленного НАД- Н2 в этом случае используется на восстановление фосфоглицеринового альдегида до глицерина (реакции 4 и 5). Таким образом, при брожении сульфитированного виноградного сусла происходит накопление в виноматериалах глицерина и ацетальдегида в виде бисульфитного производного. Эту форму брожения называют глицеропировиноградным брожением. Третья форма брожения Нёйберга. При щелочной реакции среды ход брожения изменяется: половина молекул ацетальдегида окисляется до уксусной кислоты, другая — восстанавливается до этилового спирта. Происходит подкисление субстрата. 

В  процессе брожения спиртового  в отсутствие кислорода воздуха  высвобождается лишь незначительная  часть энергии (117кДж), потенциально заложенной в одном моле глюкозы (2817кДж), тогда как при дыхании — полном окислении глюкозы до СO2 и Н20 — значительно больше (1504кДж). Доступ кислорода, обеспечивающий более эффективное в энергетическом отношении аэробное дыхание, предохраняет клетки от излишних трат веществ, происходящих в процессе анаэробиоза. Подобное действие кислорода, выражающееся в угнетении брожения дыханием в значительном снижении потребления глюкозы, названо Пастера эффектом. Явление торможения дыхания дрожжей и активация брожения при аэрации получило название Крэбтри эффекта. 

При  брожении спиртовом кроме основных  продуктов распада углеводов  — этилового спирта и углекислого  газа — образуются вторичные  продукты (глицерин, янтарная кислота,  ацетальдегид, уксусная, пировиноградная, молочная и лимонная кислоты, 2,3-бутиленгликолъ, ацетоин, диацетил, эфиры, высшие спирты). Исходным продуктом образования большинства вторичных продуктов является ацетальдегид, который в дозе 400мг/дм3 угнетает брожение, а при более высоких его дозах дрожжи теряют жизнеспособность. Поэтому для дрожжей является физиологической необходимостью превращать ацетальдегид в более безвредные продукты — в этиловый спирт и вторичные продукты, играющие важную роль в обмене веществ дрожжевой клетки и обогащающие вина полезными компонентами, обусловливающими их букет и вкус. При брожении дрожжи выделяют в среду сульфгидрильные SH-соединения (глютатион, цистеин), снижающие редокспотенциал Eh, являющийся важным показателем технологического процесса, т.к. развитие вина, начиная с выдержки и кончая созреванием и старением, связано в основном с течением окислительно-восстановительных реакций. Количество таких соединений обусловлено особенностями расы дрожжей и условиями брожения. Многочисленные исследования окислительно-восстановительных процессов и редокссистем сусла и вина проведены А. К. Родопуло. На брожение спиртовое, кроме виноделия, основано пивоварение, производство этилового спирта, глицерина, приготовление теста в хлебопечении. 

 

Спиртовое брожение – микробиологический процесс превращения углеводов в спирт и углекислый газ. Вызывается аскомицетовыми дрожжами рода Saccharomyces, некоторыми бактериями и отдельными представителями мукоровых грибов. 
Суммарное уравнение реакции: 
С₆ H₁₂ O₆ → 2 СНзCH₂ ОН + 2 СО₂ + Е 
глюкоза этиловый спирт 
 
Как и любое брожение, это сложный многоступенчатый процесс (см. раздел 7.3), который протекает при участии комплекса ферментов. Наряду со спиртом, могут образовываться побочные продукты: глицерин, уксусный альдегид, уксусная, яблочная кислоты, сивушные масла (смесь высших кислот). 
Основными возбудителями спиртового брожения являются дрожжи – сахаромицеты. 
Это факультативно-анаэробные микроорганизмы. В аэробных условиях дрожжи получают энергию путем полного окисления моно- и дисахаридов до углекислого газа и воды, т.е. путем аэробного дыхания. При этом интенсивно накапливается биомасса (эффект Пастера). Поэтому производство хлебопекарных дрожжей ведут в аэробных условиях. Ацидофилы. Мезофилы. 
Естественным местообитанием дрожжей является поверхность плодов и ягод, сок и поверхность листьев, нектар, вода, почва, кожные покровы и пищеварительный тракт людей и животных 

 

 

 

 

 

 

 

1.5.  Условия проведения спиртового брожения 
 
1. Источники питания. В качестве источника углерода используют глюкозу, фруктозу, сахарозу, мальтозу. Крахмал дрожжи не сбраживают, так как амилолитические ферменты у них отсутствуют. Поэтому крахмалсодержащее сырье подвергают осахариванию при участии амилаз различного происхождения. Концентрация сахара 10–15% наиболее благоприятна для большинства дрожжей. В качестве источника азота используются аммонийные соли органических кислот и аминокислоты. 
 
2. ^ Анаэробные условия. 
3. Температура. По отношению к температуре сахаромицеты делятся на низовые и верховые дрожжи.Дрожжи верхового брожения вызывают бурное и быстрое брожение при температуре 20–28 °С. При этом они всплывают на поверхность под действием выделяющегося диоксида углерода. Низовые дрожжи осуществляют более спокойное брожение, которое ведут при 5–10 °С. 
4. ^ Концентрация этилового спирта. Этиловый спирт, накапливающийся в среде, оказывает неблагоприятное действие на дрожжи. Угнетающее действие спирт оказывает уже при концентрации в среде 2–5 % об., а при 12–15 % об. брожение прекращается. 
5. ^ Активная кислотность среды (рН). Спиртовое брожение протекает в кислой среде (рН 4–4,5). При подщелачивании среды до рН 8 дрожжи в качестве основного продукта брожения накапливают не спирт, а глицерин. Это так называемая глицериновая форма спиртового брожения: 
2С₆Н₁₂0₆ → 2CН₂0HCHOHСН₂0Н+СНзСН₂0Н+СНзСООН+2С0₂ + Е 
глюкоза глицерин этиловый уксусная 
спирт кислота 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.6. Практическое использование спиртового брожения 
Спиртовое брожение лежит в основе производства этилового спирта, пива, вина, используется в хлебопечении. Совместно с молочнокислым брожением оно используется при производстве кваса, кефира, кумыса. Основными потребителями этилового спирта являются пищевая и химическая промышленность, а также медицина.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

             Глава II. Производство этанола ферментацией биомассы

Получение этанола. Обычно этанол получают отгонкой, и, по всей вероятности, этот способ будет применяться и в ближайшем будущем. Отгонка производится в колоннах путем последовательного отделения этанола от других компонентов жидкой фазы.

Отделение барды. В первой колонне  отделяются продукты ферментации (главным  образом этанол) и некоторое количество воды от неферментирующихся твердых веществ в жидкой фазе (барде). Эта колонна обычно называется «пивным перегонным кубом». Желательно, чтобы на этом этапе из жидкой среды был отогнан весь этанол. В некоторых конструкциях колонн возможно увеличение концентрации этанола в верхнем погоне путем ректификации. Для отделения твердых веществ из жидкой фазы, движущейся вниз, предусмотрена отпарная секция.