Один из эффективных способов обработки биомассы заключается в ее превращении в этанол, который может быть использован и как топливо, и как сырье для химической промышленности.
Таблица 4.3. Продукты завода пиролиза фирмы Occidental Research
Субстратом для производства этанола методом анаэробной ферментации может быть использована любая сельскохозяйственная культура с высоким содержанием крахмала или сахаров (кукуруза, картофель, сахарная свекла, зерно) или целлюлозные материалы (древесина, солома, бумага, отходы лесозаготовительной промышленности, навоз) [21]. Могут быть использованы отходы производства пищевых продуктов, в частности отходы сыроваренной промышленности [22].
Сырье, использованное для этаноловой ферментации, подвергается предварительной обработке — измельчению для изменения структуры материала. Ферментирующиеся твердые вещества, крахмал и другие продукты могут предварительно обрабатываться методами мокрого измельчения.
Общая кинетика процесса и эффективность превращение субстрата в этанол существенно зависят от предварительной ферментации субстрата. Твердые вещества, входящие в состав биомассы, представляют собой природные полимеры с ферментирующимися мономерами — сахарами. Полимеры отличаются стойкостью к физическому разрушению, поэтому их разрушают с помощью ферментов. Сахарный тростник и сахарная свекла содержат сахарозу, которая может ферментироваться непосредственно микроорганизмами, используемыми в промышленности для производства этанола.
В большинстве случаев для производства этанола из крахмала картофеля, кукурузы и хлебных злаков требуется предварительная подготовка сырья. Такая подготовка состоит в преобразовании полимеров крахмала в мальтозу (димер глюкозы), глюкозу и другие ферментирующиеся сахара.
Получить целлюлозу из древесины, сельскохозяйственных и промышленных отходов можно с использованием различных физических, химических и биологических процессов. При ферментации целлюлоза предварительно гидролизуется до целлобиозы (димер глюкозы), а затем подвергается дальнейшему расщеплению до глюкозы [23].
Для жидких отходов, например отходов пищевой промышленности, необходимо довести содержание ферментирующего субстрата до такого уровня, чтобы конечный выход этанола был достаточно высоким [22].
На процесс ферментации могут влиять также виды образующихся сахаров и их соотношение. Из двух или более видов сахаров, содержащихся в субстрате, один из них может ингибировать процесс по отношению к другим сахарам. Это процесс, называемый катаболитной репрессией, может влиять на выход этанола.
Схема процесса получения этанола из биомассы путем ферментации приведена на рис. 4.7 [24].
Наиболее интенсивная ферментация происходит при использовании дрожжевых культур, особенно Saccharomyces [25]. Поэтому в последнее время вопрос использования для производства этанола культур видов Saccharomyces тщательно изучается, так как в этом случае достигается высокая эффективность превращения сахаров в этанол. Кроме того, эти микроорганизмы мало поддаются ингибированию при высоких концентрациях этанола. Заметим, что, как правило, два вида дрожжевых культур, относящихся к виду Saccharomyces, используются для промышленного производства алкогольных напитков.
Высокотемпературная ферментация может быть осуществлена с участием бактериальных культур Bacillus и Clostidium.
На процесс ферментации оказывают влияние ряд факторов.
Степень роста микроорганизмов и, следовательно, выход этанола существенно зависят от температуры [25, 26]. По мере повышения концентрации этанола снижается оптимальная температура для роста клеток и производства этанола. Температура протекания процесса влияет на соотношение продуктов, получаемых анаэробной ферментацией.
Другим фактором, влияющим на рост клеток, является pH среды. Дрожжевые культуры растут в среде, pH которой изменяется от 3 до 8. Чаще всего дрожжевая ферментация проводится при pH ниже 4,5. Оптимальный pH для бактериальных культур (Clostridium и Bacillus') равен примерно 7,0... 7,5.
Концентрация кислорода зависит от концентрации субстрата и плотности клеток. По литературным данным [27, 28], доступ кислорода в ферментационную среду должен быть незначительным.
Эффективное решение проблемы производства этанола зависит от двух взаимоисключающих факторов, относящихся к концентрации этанола в ферментационной среде. С одной стороны, для роста микробной культуры и превращения сахаров в этанол последнего не должно быть в субстрате. С другой стороны, для эффективной отгонки этанола желательна
Рис. 4.7. Получение этанола ферментацией
его концентрация не менее 6 %. Как правило, максимальная концентрация этанола в ферментационной среде колеблется в пределах 11... 14 % [29].
Имеет значение концентрация сахара в субстрате [30]. При очень высоких его концентрациях происходит ингибирование процесса. Вместе с тем очень низкое содержание сахара снижает интенсивность производства этанола.
Важно для каждого субстрата, предназначенного для ферментации в этанол, выбрать наилучшую культуру. К примеру, Saccharomyces cerevisiae оказывается эффективной для ферментации сахарозы или глюкозы, но бесполезна для молочнокислой ферментации.
Для роста микробов, образующих этанол, необходимы питательные вещества: макропитательные — азот, фосфор, калий, натрий и сера; микропитательные — цинк, медь, железо, магний, марганец [31].
