За матеріалами статті на тему «Виробництво біоетанолу з бурякового соку та меляси з економічної та екологічної точки зору» («Bioethanol Production from Sugar Beet Juices and Molasses for Economic and Environmental Perspectives») журналу «Менеджмент, вирощування та переробка цукрових буряків» («Sugar Beet Cultivation, Management and Processing»), серпень 2022 р.

Технологія ферментації

Для ферментаційної промисловості дуже важливі мікроорганізми, оскільки вони допомагають у виробництві біоетанолу шляхом ферментації цукру. Під час ферментації етанолу мікроорганізми виконують дві основні функції. При першому застосуванні вони перетворюють ферментовані субстрати на етанол, а при другому застосуванні мікроорганізми виробляють ферменти, які каталізують перетворення складних вуглеводів у простіші цукри. Цукор діє як субстрат для кількох бактерій, дріжджів і грибків, які виробляють біоетанол під час фоементації. Як і будь-яка інша технологія ферментації, для отримання біоетанолу ферментація бульбових культур може здійснюватися трьома способами, а саме: періодична ферментація, періодична ферментація з підживленням і безперервна ферментація.

Періодична ферментація

У технології періодичної ферментації бродіння відбувається в системі замкнутого циклу. Ферментер заповнюється підготовленим суслом із сировини, що зброджується. Мікробна ферментація відбувається в умовах контрольованого pH і температури, через різні проміжки часу, відповідно до вимог, додаються живильні добавки. Сусло стерилізується парою, а інокулят додається до ферментера з окремого культурального посуду. Пакетна культура включає чотири фази, а саме: фаза затримки, експоненціальна або логарифмічна фаза, стаціонарна фаза та фаза смерті.

Система періодичної ферментації включає резервуари, розроблені на основі ємності ферментаційного резервуару та часу витримки. Резервуар оснащений теплообмінниками, мішалками, змішувальними робочими колесами та двигуном для оптимальної продуктивності. Пакетна культура вигідна там, де термін придатності кінцевого продукту менший, і в основному використовується для продукту, створеного лише на стаціонарній фазі.

Були численні повідомлення про виробництво біоетанолу з проміжних продуктів переробки цукрових буряків у пакетній культурі вільними клітинами S. cerevisiae. Вихід етанолу із середовища на основі проміжних продуктів цукрових буряків досягав 490 г/кг. Періодичні системи можна замінити на пакетні культури з підживленням для скорочення витрат на виробництво та забезпечення кращої продуктивності.

Періодична ферментація з підживленням

Технологія, яка знаходиться між періодичною і безперервною ферментацією, називається періодичною ферментацією. Під час даного процесу підтримується належна швидкість подачі з правильним складом компонентів. Періодична ерментація з підживленням є більш ефективною стратегією виробництва біоетанолу, порівняно з періодичною ферментацією, так як мікроорганізми працюють при низькій концентрації субстрату зі збільшенням концентрації етанолу. Вихід пакетної культури з підживленням є більшим, порівняно з пакетною культурою, що також запобігає забрудненню.

Безперервна ферментація

При безперервній ферментації субстрат подається до ферментера безперервно з фіксованою швидкістю. Це утримує мікроорганізми в логарифмічній фазі росту. Продукти бродіння безперервно вилучаються. Переваги технології безперервної ферментації, порівняно з періодичною ферментацією та періодичною ферментацією з підживленням, полягають у набагато вищому виході кінцевого продукту. Вихід етанолу досягнув рівня 83,53% теоретично з максимальною загальною конверсією субстрату (відновлюючих цукрів) 92,68%.

Дані методи ферментації відіграють важливу роль у виробництві біоетанолу з бульбових культур, і тип технології ферментації можна змінювати залежно від виду субстрату та мікроорганізмів, що використовуються.

Вплив різних факторів на ферментаційне виробництво етанолу

Кілька компонентів, такі як температура, рН, тривалість ферментації, швидкість перемішування, початкова концентрація цукру та розмір інокуляту, відіграють важливу роль у процесі ферментації, а також впливають на вихід етанолу.

Температура та pH

Ідеальна температура ферментації для виробництва етанолу становить від 20 до 35°C. Застосування іммобілізованих дріжджових клітин у соку цукрового сорго дає 75,59% етанолу при 28°C, тоді як при 37°C вихід етанолу збільшується до 89,89%.

Але висока температура викликає стрес у мікроорганізмів, який порушує їх оптимальний ріст, і вони виробляють білки теплового шоку у відповідь на високу температуру. Крім того, мікробна активність і різні ферменти, які використовуються під час процесу ферментації, також чутливі до високої температури.

Краще виробництво етанолу можна отримати, підтримуючи рН розчину, оскільки рН має прямий вплив на організми, а також на їхні клітинні процеси. Оптимальний діапазон рН для S. cerevisiae, який використовується у ферментації для виробництва етанолу, становить 4,0-5,0. Залежно від вихідної сировини також повідомлялося про різний оптимальний діапазон pH, наприклад 2,8-3,4 для тростинного соку та 4,0-4,5 для сахарози.

Тривалість ферментації та швидкість перемішування

Коротший час ферментації призводить до достатнього розвитку мікроорганізмів. З іншого боку, збільшення тривалості даного процесу призводить до токсичного впливу на ріст мікроорганізмів, головним чином у періодичному режимі за рахунок високої концентрації метаболітів, що виробляються у ферментаційному розчині.

Швидкість перемішування відіграє важливу роль в отриманні максимального виходу етанолу під час ферментації за рахунок переміщення поживних речовин із ферметаційного розчину всередину клітин.

Швидкість перемішування збільшує споживання цукру і зменшує клітинне пригнічення етанолу. Під час ферментації швидкість перемішування для клітин дріжджів становить 150-200 об./хв. У 2008 році повідомлялося про максимальний вихід етанолу (85,73%), досягнутий при швидкості перемішування 200 об./хв.

Концентрація цукру

Початкова концентрація цукру є дуже важливою, оскільки вона має прямий вплив на швидкість ферментації та клітини мікроорганізмів. Складність між початковим вмістом цукру та швидкістю ферментації є більш складною, оскільки швидкість ферментації збільшується зі збільшенням концентрації цукру до певного рівня.

Дистиляція і вилучення біоетанолу

Під час виробництва біоетанолу дуже важливий процес поділу, який є дорогим, оскільки він споживає найбільше енергії. Були встановлені різні методи поділу для очищення та більш ефективного вилучення етанолу. Дистиляційна колона широко сприймається як важливий метод поділу завдяки його продуктивності та точності. У галузі виробництва етанолу була широко реалізована дистиляційна двох колонна система поділу для вилучення етанолу з ферментаційного розчину.

Метод дистиляційної колони — це енергетичний процес, який може збільшити вартість біоетанолу, вилученого з ферментаційного розчину. У цьому контексті було реалізовано кілька методів поділу, таких як молекулярне сито за допомогою адсорбції, вилучення розчинника, первапорація (мембранна дистиляція), видалення газу та вакуумна ферментація.

Молекулярне сито за допомогою адсорбції

Молекулярне сито за допомогою адсорбційного процесу було комерціалізовано як звичайний метод вилучення біоетанолу з ферментаційного розчину. Різниця в молекулярному розмірі між водою та етанолом є основою молекулярного сито. У цій техніці невеликі молекули, які проходять через пори, адсорбуються, тоді як більші молекули — ні. Діаметр пори молекулярного сита, як правило, 3A° для дегідратації етанолу. Тому молекулярне сито здатне адсорбувати воду діаметром 2,5-2,8A°, але не етанолу, який має діаметр 4-4,4A°. Таким чином, ця методика допомагає вилучити біоетанол із розчину.

Вилучення розчинника

Окрім звичайного молекулярного сита, для виробництва безводного етанолу можна використовувати метод екстрактивної дистиляції. Екстрактивна дистиляція складається з двох колон, в яких одна — це екстракційна дистиляційна колона, а інша — колона виділення.

У техніці вилучення розчинника етиленгліколь використовується для зміни нестабільно відносних компонентів, а також для дегідратації етилового спирту. Експериментальні дані показали, що екстракційна дистиляція може бути широко прийнята в промисловості для досягнення високої чистоти етанолу з низькими витратами енергії.

Первапорація (мембранна дистиляція)

Первапорація — це перспективна технологія мембранного розділення, яка може використовуватися для виробництва безводного етанолу. В основному, в цій технології рідина, що подається, розділяється на два потоки, а саме пермеат та концентрат.

Вода проходить через мембрану, тому пари називають пермеатом, тоді як етанол залишається в рідкій фазі як концентрат. Різний тиск з обох боків шару контролюється різницею температури в технології мембранної дистиляції. Різниця тиску викликана через пермеат та концентрат. Тому мембранна дистиляція вважається більш ефективною, простою в експлуатації та має низьке споживання енергії.

Видалення газу

Методи видалення газу вилучають компоненти, перетворюючи суміш у газ, що проходить через ферментаційний розчин. У цій технології вуглекислий газ або азот використовується для випаровування біоетанолу, який буде зібраний з газового потоку через конденсатор, тоді як вуглекислий газ або азот переробляється через біореактор для наступного циклу. У технології видалення газу збільшення коефіцієнта видалення призводить до збільшення концентрації клітин, використання субстрату, підвищення виходу етанолу та перевірки ефекту інгібіторів етанолу. Повітря, CO₂ та N₂ найбільш часто використовуються для видалення газів у промисловому виробництві етанолу.

Вакуумна ферментація

У даному процесі застосування вакуумного тиску у ферментаційному розчині призводить до випаровування етанолу, який згодом конденсується системою охолодження конденсації або холодною водою. У цій методиці концентрація етанолу може регулюватися на низькому рівні, що знижує інгібіторну дію етанолу на дріжджовий метаболізм та процес ферментації.

Використання меляси

Мелясу, отриману під час виробництва цукру, також можна використовувати, щоб отримати кілька продуктів із доданою вартістю. Вона може використовуватися як сировина в кількох галузях, таких як тваринництво, переробка харчових продуктів, виробництво пластику та композитне виробництво тощо.

Матеріал корму для худоби

Меляса, отримана під час переробки цукру, зазвичай використовується для виробництва біоетанолу за допомогою ферментації. Залишки меляси, збагаченої азотом, можна використовувати або як корм для тварин, або як добриво.

Пресовані та висушені залишки бурякового жому також можна використовуватися як корм для тварин. До складу бурякового жому входить значна частка структурного полісахариду, такого як пектин та дієтичне волокно. Розумне використання побічних продуктів може зменшити відходи та збільшити вартість сільськогосподарської продукції.

Підсилювач якості харчової продукції

Вартість харчових продуктів можна збільшити за допомогою використання меляси, не впливаючи на їх смакову здатність. Харчові продукти, наділені буряковою мелясою, демонструють підвищений мінерал, а також антиоксидантний профіль. Вона може використовуватися для забезпечення кращого підняття тіста у виробництві пшеничного хліба до 5-10% (борошна), напівсолодкого печива — до 25%, тоді як у рецептурі бісквіту на основі імбиру можна додавати до 50% меляси у якості замінника меду.

Екстракція клітковини з бурякового жому є відносно простим процесом, а отримана клітковина, як правило, визнана безпечною. Поживна цінність комерційних продуктів бурякового волокна тягне за собою наявність білка (8%) на основі сухої маси та вуглеводів, головним чином геміцелюлози (28%), целюлози 19% та пектину (18%).

Волокна, що виробляються з цукрового буряка, мають широкий спектр ефектів, корисних для здоров’я людини, оскільки волокно, отримане з буряка, може бути або у вигляді жому, або непорушної пектинової речовини, такої як арабінан.

Використання бурякового волокна в оброблених продуктах обмежене їх текстурою та смаком. Як правило, воно використовується в приготуванні м'ясних пиріжків, продуктів на основі хлібобулочних виробів, зернових та різних продуктів, які вимагають додаткового збільшення або наповнення.

Пектинові олігосахариди, такі як арабінан у буряковому жомі, мають пребіотичні властивості для кишечника людини. Пребіотичні речовини мають здатність модулювати мікробну популяцію кишечника і сприяють росту корисних бактерій. Бурякова меляса може використовуватися як субстрат (цукор/вуглець) для ферментації ксантану, що здійснюється мікроорганізмами. Харчова промисловість широко використовує ксантан як загущувач.

Виробництво пектину

Пектин, будучи волокнистим за своєю природою, є структурним гетерополісахаридом, який складається переважно з галактуронової кислоти, отриманої з галактози, тоді як рамноза приєднана до бічних ланцюгів у різних фракціях. Пектин відіграє важливу роль у желеформуючих властивостях фруктових продуктів. Емульгуючі властивості буорякового пектину кращі, в порівнянні з іншими відомими джерелами пектину.

Для вилучення пектину з бурякового жому можна використовувати пектинолітичні ферменти та обробки м’якою органічною кислотою. Стабілізуючі властивості пектину, отриманого з буряків, в емульсіях сприяють приєднанню білка. Деякі молекули з низькою масою, такі як арабінан, можуть бути виділені з бурякового жому та використовуватися для синтезу адгезиву, стабілізатора емульсії і суспензійного агента, який використовується в косметиці, а також у фармацевтиці.

Виробництво пластмас і композитів

Більшість пластику, що продається на світовому ринку, зазвичай виробляється з нафти. Багато дослідницьких зусиль спрямовано на заміну пластику на основі нафти біопластиком, отриманим за допомогою відновлюваних ресурсів.

У більшості випадків полімери необхідно вилучити з рослини перед їх використанням, тоді як у деяких випадках полімери синтезуються з малих молекул, які також отримуються з рослин. Термопластичні плівки можна отримати з бурякового жому після обробки в двошнековому екструдері за допомогою пластифікатора.

Нарешті, композитний продукт, отриманий з бурякового жому, можна візуалізувати як мережу зважених целюлозних мікрофібрил, вплетених у пектинову матрицю. На практиці також реалізується виробництво уретанів з бурякового жому як джерела поліолів.

Полімер на біологічній основі, такий як полімолочна кислота, можна змішувати з буряковим жомом та утворювати композиційний полімер із міцністю до розривів, як у товарних пластмасах. Поліефіри, такі як полігідроксіалканоати, рослинного або мікробного походження, набувають популярності на ринку замінників пластику.

Буряковий сік як цукровий субстрат можна використовувати у виробництві полігідроксиалканоату (полігідроксибутирату). Полігідроксиалканоат є одним із важливих полімерів, що мають пластичні властивості, як поліпропілен, який можна отримати з біологічного джерела. Будучи біологічно розкладаними за своєю природою, вони можуть бути компостними та екологічно чистими. Вартість виробництва полігідроксиалканоату базується на джерелі вуглецю, що використовується під час даного процесу, і її можна визначити на основі бурякової меляси як виключної вихідної сировини.

Перехід до базових хімічних речовин

У виробництві альтернативного джерела палива, яке може бути відновлюваним у природі, почали технологічно використовувати біомасу в екологічно чистий спосіб. Удосконалення даної технології включає використання зброджуваного цукру і його подальше перетворення на широкий спектр багатих енергією хімічних речовин, таких як етанол.

Завдяки низькому вмісту лігніну та кращій засвоюваності вуглеводів буряковий жом можна використовувати як сировину для біопереробних заводів. Розпад складних мереж клітинної стінки та їх будівельних блоків, таких як пектин і целюлоза в буряковому жомі, є необхідною умовою для процесу ферментації.

На вихід зброджуваного цукру, отриманого з бурякового жому, впливає рівень і складність попередньої обробки, а також використання різних ферментів. Буряковий жом можна використовувати для виробництва ваніліну за допомогою біоконверсії з використанням грибкових ферментів, феруліну, а також целобіози в малих і великих кількостях. Харчова та фармацевтична промисловості використовують ферулову кислоту як попередник.

Барда, отримана під час виробництва етанолу з цукрових буряків, має 15% вміст бетаїну, який можна використовувати для виробництва амфотерних поверхнево-активних речовин, які в подальшому можуть використовуватися для рецептури засобів особистої гігієни. У протеоміці та фармацевтичних дослідженнях використовується дегідрат галактинолу та міоінозитол, отримані з бурякового сиропу. Бурякову мелясу можна використовувати для виробництва щавлевої кислоти в присутності ванадію як каталізатора з 75% виходом.

Джерело вуглецю для зменшення забруднення

Зростаюче занепокоєння щодо викидів парникових газів та їхнього впливу на атмосферні зміни в навколишньому середовищі призводить до прийняття підходу щодо відновлюваної та сталої енергії, який може використовувати біомасу як сировину, а сам процес відомий як вуглецево-нейтральний. Забруднення водойм токсичними речовинами є актуальною проблемою в контексті екології навколишнього середовища та здоров'я лидини. Використання сільськогосподарських матеріалів має переваги, такі як низька вартість, здатність регенерувати біосорбент та ефективного відновлення важких металів. Потенціал зв’язування бурякового жому може бути посилений як іонообмінник, що може призвести до підвищення його цінності та ринкового попиту.

Виробництво целюлози

Із бурякового жому можна виділити целюлозу (Рис. 6), яку можна надалі використовувати для консервації фруктів та овочів зі збереженням їх свіжості під час фази транспортування та тривалого зберігання. Внутрішню енергію зв’язку в паперових виробах можна підвищити за рахунок використання бурякового жому із розширеною мережею целюлозних мікрофібрил у желатиновому пектиновому матриксі.

Рис. 6. Схематичне зображення продукції з доданою вартістю, отриманої з цукрових буряків

Майбутні перспективи

Ферментація спрямована на підвищення виробництва біоетанолу із соку та побічних продуктів цукрового буряку. Оскільки орієнтація на інші етапи їх модифікації у виробництві біоетанолу є виснажливою з різних причин: по-перше, виробництво соків (вилучення бурякового соку) є невід’ємною частиною цукрової галузі та дуже оптимізованим процесом. Відповідно, внесення змін до технологічної схеми не може бути досить легким та без впливу на економічні показники цукрового заводу. Таким чином, біоетанольна промисловість повинна використовувати цукровий сік, а також побічні продукти, які виробляються установкою з переробки цукру.

По-друге, щодо маніпуляцій на етапі розділення (дистиляції біоетанолу), на сьогоднішній день більшість технологій, які практикуються для ферментативної концентрації етанолу (екстрактивна дистиляція, зворотний осмос, вакуумна дистиляція, реактивна дистиляція тощо), вже досягли максимального розвитку та ефективності, відповідно подальших значних покращень у цій галузі в короткостроковій перспективі не очікується. Таким чином, зосередження на стадії ферментації для покращення виробництва біоетанолу може бути досягнуто двома можливими шляхами: розвиток і посилення ферментаційної здатності мікроорганізмів та підвищення продуктивності процесу.

Ферментативна здатність мікроорганізмів може бути принципово покращена за допомогою генної інженерії. Підходи, реалізовані для цієї мети, засновані на розвитку мікроорганізмів, які можуть використовуватися в різних класах цукрів одночасно як субстрат і ферментувати їх з утворенням етанолу, усуненням інгібіторів та здатністю адаптуватися в несприятливому середовищі (перепади температур, рН, високий вміст солі, концентрація, нестача поживних речовин) без впливу на вихід кінцевого продукту.

Однак традиційний еволюційний підхід може бути одним із технічних варіантів досягнення цих цілей. Стратегія звичайних еволюційних підходів вимагає більше зусиль і часу для отримання значних результатів, тоді як стратегія генної інженерії може досягти цього за більш короткий проміжок часу з максимальними шансами на успіх.

Використання генетично модифікованих організмів в енергетичному секторі не так відкидається, як у харчовій та сільськогосподарській галузях. Спільне культивування різних мікроорганізмів може бути використано для збільшення ферментаційної потужності, при якій високоспецифічні штами поступово або одночасно використовуються в цукрі для виробництва етанолу.

З огляду на впровадження ферментативного процесу розрізняють два підходи до покращення: іммобілізацію мікроорганізмів для безперервної ферментації, тоді як у випадку твердих побічних продуктів, таких як буряковий жом, можна проводити твердофазну ферментацію.

Для безперервної ферментації можна використовувати різні типи субстратів, такі як альгінатні полімери, природні тверді полімери або сільськогосподарські відходи, унікальний штам іммобілізованих мікроорганізмів або різні типи коіммобілізованих бактерій і грибів.

Біоетанол можна виробляти з використання бурякового жому. Однак основна складова відходів, полісахарид, повинна бути гідролізована в простий цукор, який потім можна ферментувати, щоб отримати етанол. Оптимізації цього процесу можна досягти шляхом використання унікального мікроорганізму, який має здатність здійснювати як оцукрювання, так і ферментацію після твердофазної ферментації.

Висновки

Високе споживання викопного палива призводить до зменшення його запасів, що вимагає пошуку життєздатного з економічної та екологічної точки зору альтернативного джерела енергії.

Енергетичний підхід на основі біоетанолу може призвести до менших викидів газоподібних забруднюючих речовин. У всьому світі вживаються ініціативи для формулювання політики щодо використання біомаси для задоволення майбутнього попиту на енергію та їх значення для досягнення мети щодо скорочення викидів CO₂.

Цукрові буряки за своїм хімічним складом є одним із альтернативних субстратів для виробництва біоетанолу. Численні побічні та проміжні продукти, які виробляються з буряків після вилучення цукру, можуть використовуватися для задоволення попиту на енергію та інші продукти з доданою вартістю.

Різні види полімерів, що містяться в побічних продуктах бурякоцукрового виробництва, таких як буряковий жом та меляса, у різних кількостях пов’язані один з одним. Розділення таких типів полімерів може бути досягнуто за допомогою попередньої обробки для вивільнення їхньої цукрової складової. Розширюється сфера застосування різних наявних у мелясі типів біохімічних речовин, таких як мінералів, антиоксидантних сполук та вітамінів, у харчових добавках і функціональних продуктах харчування.

Мікроорганізми є обмежуючим фактором для ферментаційної промисловості через їх здатність ферментувати цукровий субстрат у біоетанол. Як правило, стадії ферментації спрямовані на підвищення виробництва біоетанолу з різних видів сировини.

Використання передових інструментів і методів генної інженерії для покращення ферментаційної здатності мікроорганізмів може збільшити виробництво біоетанолу. Розробляються види мікроорганізмів, які можуть використовувати різні класи цукрів як субстрат та одночасно ферментувати їх для кращого виходу етанолу, мати здатність нейтралізувати інгібітори та мати високу адаптивність у суворих умовах без впливу на вихід кінцевого продукту.