تولید اتانول به روش تخمیر یکی از رایج ترین روش‌های تولید اتانول است. در این مقاله ما به شرح این روش خواهیم پرداخت و مواد موردنیاز، سازوکار فرآیند تخمیر و جزئیات این فرآیند را مورد بررسی قرار خواهیم داد.
فرآیند تولید اتانول به روش تخمیر
اتانول توسط فرایند تخمیر از متابولیسم گلوکز توسط گونه مخصوصی از مخمرها در غیاب اکسیژن تولید می‌شود و در پایان فرآیند تخمیر غلظت اتانول را با تقطیر بالا می‌برند. مخلوط اتانول با آب بالاترین برای نقطه آزئوتروپ جوش برای ۹۵% الکل و ۵% آب است. بنابراین جزء تقطیر شده مخلوط اتانول و آب نمی‌تواند خالصتر از ۹۵ درصد باشد. برای تولید اتانول خالصتر، مقدار کمی بنزن به آن اضافه می‌شود.
بنزن، آزئوتروپ سه‌گانه ای با آب و اتانول تشکیل می‌دهد و مخلوط دوباره تقطیر می‌شود. نتیجه این فرایند بدست آوردن اتانول بدون آب است. با این همه چند ppm بنزن در اتانول باقی می‌ماند که جذب آن در بدن از مشخصه‌های آسیب کبدی است که در افراد الکلی دیده می‌شود.
تخمیر چیست؟
تخمیر پدیده‌ای است ناشی از مجموعه فعالیت های زیستی که در آن ترکیبات آلی دارای مولکول های بزرگ به ترکیبات دارای مولکول های کوچک‌تر و ساده‌تر شکسته و تجزیه کاتابولیسم شده از فرآیند آن علاوه بر ایجاد ترکیبات آلی ساده‌تر، دی‌اکسیدکربن و انرژی نیز آزاد می‌گردد. با بیان دیگر تخمیر تجزیه ناقص بعضی از متابولیت های ترکیبات آلی به ترکیبات ساده‌تر همراه با انرژی توسط عامل تخمیری است. تکنولوژی تخمیری، قدیمی‌ترین فرایند همه بیو تکنولوژری‌هاست.
تخمیر یک فرآیند متابولیک است که از طریق آنزیم‌ها تغییرات شیمیایی در بسترهای آلی ایجاد می کند. این فرایند در بیوشیمی، در زبان ساده به منظور استخراج انرژی از کربوهیدرات‌ها تعریف می‌شود. همچنین از تخمیر در تولید مواد غذایی استفاده می‌شود، بدین صورت که در آن فعالیت میکروارگانیسم‌ها تغییر مطلوبی را در یک ماده غذایی یا نوشیدنی ایجاد میکند. از تخمیر همچنین در صنعت به منظور استفاده از میکروب ارگانیسم‌ها برای تولید در مقیاس بزرگ مواد شیمیایی (مانند اتانول)، سوخت‌های زیستی، آنزیم‌ها، پروتئین‌ها و داروها استفاده می‌شود. روش تخمیری تولید اتانول یکی از مهمترین فرایندهای صنعتی است که در آن خوراک وارده مانند ملاس نیشکر و چغندر به اتانول تبدیل می‌شود.
روش تخمیری تولید اتانول
در تخمیر اتانول، یک مولکول گلوکز به دو مولکول اتانول و دو مولکول دی اکسید کربن تبدیل می شود. تخمیر در فراوری خمیر نان نیز اتفاق میفتد که دی اکسید کربن حباب هایی را تشکیل می دهد و خمیر را به صورت کف در می آورد. اتانول عامل مسموم کننده در مشروبات الکلی مانند شراب، آبجو و مشروبات الکلی است. تخمیر مواد اولیه از جمله نیشکر، ذرت و چغندر قند، اتانولی تولید می کند که به بنزین اضافه می شود. در برخی از گونه‌های ماهی، از جمله ماهی قرمز و کپور، زمانی که اکسیژن کمیاب است، از طریق تخمیر تولید انرژی میکند. روش تخمیری تولید اتانول امروزه رایج‌ترین روش برای تولید انبوه الکل است.
تعریف‌های بیان شده برای تخمیر
روش‌های نگهداری غذا از طریق میکروارگانیسم‌ها
هر فرآیند میکروبی در مقیاس بزرگ که با یا بدون هوا رخ می دهد (تعریف رایج مورد استفاده در صنعت، همچنین به عنوان تخمیر صنعتی شناخته می شود).
هر فرآیندی که نوشیدنی های الکلی یا محصولات لبنی اسیدی تولید می کند (مصرف عمومی) که به عنوان روش تخمیری تولید اتانول مطرح است.
هر فرآیند متابولیک آزاد کننده انرژی که فقط در شرایط بی هوازی انجام می شود.
هر فرآیند متابولیکی که انرژی را از یک قند یا مولکول آلی دیگر آزاد می کند، نیازی به اکسیژن یا سیستم انتقال الکترون ندارد و از یک مولکول آلی به عنوان گیرنده نهایی الکترون (علمی ترین) استفاده می کند.
جزئیات روش تخمیری تولید اتانول
قبل از تخمیر، یک مولکول گلوکز به دو مولکول پیروات (گلیکولیز) تجزیه می شود. انرژی حاصل از این واکنش گرمازا برای اتصال فسفات های معدنی به ADP استفاده می شود که آن را به ATP تبدیل می کند و NAD+ را به NADH تبدیل می کند. پیرووات ها به دو مولکول استالدهید تجزیه می شوند و دو مولکول دی اکسید کربن را به عنوان مواد زائد تولید می کنند. استالدهید با استفاده از انرژی و هیدروژن NADH به اتانول تبدیل می شود و NADH به NAD+ اکسید می شود تا چرخه تکرار شود. واکنش توسط آنزیم‌های پیروات دکربوکسیلاز و الکل دهیدروژناز کاتالیز می‌شود.
میکروارگانیسم های تخمیری
پروکاریوت: تک سلولی (باکتری‌ها ، سیانو باکتری‌ها) _ چند سلولی (سیانو باکتری‌ها)
یوکاریوتها: تک سلولی (مخمرها ، جلبک‌ها) _ چند سلولی و پر سلولی (قارچها ، جلبک‌ها)
جانداران تک سلولی و میکرو ارگانیسم‌ها ، بندرت در تخمیر استفاده می‌شوند، در حالیکه سلولهای ایزوله شده جانوران چند سلولی ، بطور رایج استفاده می‌گردند.
مواد اولیه برای تخمیر اتانول
اتانول تخمیری را می‌توان از مواد اولیه متعددی تولید کرد. این مواد در سه دسته قنددار، نشاسته‌دار و ترکیبات سلولزی طبقه‌بندی و در جدول زیر ارائه شده است:
ترکیبات قنددار | ترکیبات نشاسته‌دار | ترکیبات سلولزی |
ملاس نیشکر | غلات (گندم ـ ذرت) | چوب |
ملاس چغندر قند | سیب‌زمینی | پسماند کشاورزی |
میوه و سر درختی‌ها | برنج | ضایعات جنگل‌ها |
خرما | دیگر محصولات ریشه‌ای | زباله‌های جامد شهری |
هندوانه | کاغذ بازیافتی |
مواد اولیه قنددار معمولاً بطور مستقیم توسط میکروارگانیسم ها به اتانول تبدیل می‌شوند، در حالی که نشاسته و سلولز ابتدا باید هیدرولیز شده و به قند تبدیل گردند و سپس در فرآیند تخمیر تبدیل به اتانول شوند.
طراحی واحد تخمیر اتانول
موارد مورد نیاز:
-محیط کشت خالص از ارگانیسم انتخاب شده در مقدار مناسب و در وضعیت فیزیولوژیکی صحیح
-محل کشت دقیق و استریلیزه برای رشد ارگانیسم.
-فرمانتور (دستگاهی که تخمیر درآن صورت می‌گیرد) کوچک برای رشد و شروع فرایند در اندازه کوچک و بعد انتقال آن به فرمانتوز بزرگ.
-تخمیر کننده یا مدل بزرگ آن که بتوانند حجم‌های وسیعی از ارگانیسم مورد نظر را جای دهد.
-ابزارهایی جهت:
-طراحی محیط کشت در وضعیت پایدار
-جداسازی سلولها
-جمع آوری مواد شناور
-تخلیص محصول
-قسمت بیرون ریزنده
-همچنین فرمانتورها و بیو اکتورها (برای کشت سلولهای جانوری و گیاهی استفاده می‌شوند نه میکروارگانیسم ها) مجهز شده با یک هوا دهنده برای تامین اکسیژن در فرایندهای هوازی و نیز یک حرکت دهنده برای یکنواخت ساختن غلظت محیط کشت و یک ترموستات برای تنظیم دما و PH و وسیله‌های کنترلی دیگر.
تولید الکل از ترکیبات قنددار
هم اکنون این گروه مهم ترین ماده اولیه تولید الکل در ایران است. از بین این گروه ملاس (چغندر قند و نیشکر) مهمترین منبع هیدروکربنی ارزان قیمت است. ملاس در کارخانجات تولید قندوشکراز چغندرقند و نیشکر بوجود می‌آید که حاوی حدود ۳۶% قند قابل تبدیل به الکل است. (در مورد ملاس چغندر میزان قند ۵۱ درصد است) در این فرآیند، ابتدا ملاس با آب رقیق شده و سپس بوسیله مخمر تخمیر میکروبی و تبدیل به الکل می‌گردد.
به لحاظ تئوری، از هرکیلوگرم شکر موجود در ملاس، ۵۱۱ گرم الکل قابل تولید است. اما راندمان فرآیند در عمل بخاطر تولید محصولات جانبی نظیر میکروارگانیسم‌ها و بعضی از محصولات شیمیایی دیگر کمتر بوده و بین ۴۰۰ تا ۴۶۰ گرم الکل از هر کیلوگرم شکر خواهد بود. بنابراین بطور تئوری می‌توان گفت که هر ۱۵ـ۱۴ کیلوگرم ملاس نیشکر حدود یک کیلوگرم الکل تولید می‌نماید. میکروارگانیسم (مخمر) مورد استفاده در فرآیندهای صنعتی تولید اتانول از ملاس، از گونه مخمر خمیر مایه نانوایی Baker’s yeast یا Saccharomyces cerevisiae اســت.
سازوکار تخمیر اتانول
سازوکار تخمیر الکلی تقریباً مشابه سازوکار مکانیسم تنفس عادی است و در بیشتر پیامدهای واکنشی، همانند هم هستند. برای مطالعه مکانیسم تخمیر، به واکنشهای تخمیر الکلی می‌پردازیم. تخمیر الکلی فقط روی گلوسیدها صورت گرفته، خود شامل دو مرحله است:
– قدم اول در این واکنش های زنجیره‌ای، همان مسیر EMP یا گلیکولیز است که به تشکیل اسید پیروویک ختم می‌شود.
– مرحله دوم با تجزیه اسید پیروویک که خود سرآغاز پیامدهای واکنشی جداگانه‌ای است که به هیچ وجه ادامه یا بخشی از مسیر گلیکولیز نیست شروع می‌شود. اسید پیروویک با آنکه در آخر مسیر گلیکولیز و پایان تمام پیامدهای زنجیره‌ای آن مانند هگزوزها، تری اوزها و همه اوزهای شکسته و تخریب یافته قرار دارد خود از گلوسیدها به شمار نمی‌آید. شروع تخمیر الکلی از راه گلیکولیز با استالوئید است. استالوئید را می‌توان به‌وسیله سولفیت سدیم از عصاره‌های تخمیری به صورت بی‌سولفیت جدا و استخراج نمود. در تخمیر الکلی به ازای مصرف هر مول گلوکز دو مول NADH۲ دو مول ATP و دو مول اسید پیروویک حاصل می‌شود.
محصولات جانبی در روش تخمیری تولید اتانول
تخمیر اتانول محصولات جانبی ناخواسته‌ای مانند گرما، دی اکسید کربن، آب، متانول، سوخت و کود تولید می کند. بقایای جامد تخمیر نشده غلات حاصل از فرآیند تخمیر نیز می تواند به عنوان خوراک دام یا تولید بیوگاز مورد استفاده قرار گیرد.
علی‌رغم مزایایی که روش تخمیری تولید اتانول دارد و آن را به یکی از روش های متداول تولید اتانول در جهان تبدیل کرده است، محصولات جانبی مانند گلیسرول، اسید لاکتیک، اسید استیک و اسید سوکسینیک تولید میکند که تاثیرات منفی روی فرایند تخمیر و درصد خلوص محصول نهایی دارند. بسیاری از عوامل محیطی گزارش شده است که بر ماهیت محصولات جانبی تولید شده در طی تخمیر الکلی تاثیر میگذارند. این فاکتورها عبارتند از: غلظت سولفیت، pH، دمای تخمیر و هوادهی. گلیسرول و اسیدهای آلی (اسید استیک، اسید لاکتیک، اسید تارتاریک و اسید فرمیک) از نظر کمی مهم ترین محصولات تخمیر پس از اتانول و دی اکسید کربن هستند. اسیدهای آلی ضعیف با زنجیره مولکولی کوتاه، بازدارنده های قوی رشد میکروبی در طی فرآیندهای تخمیر صنعتی هستند زیرا تجمع این محصولات فرعی در تخمیر ممکن است بازدهی نهایی اتانول و رشد میکروبی را تحت تاثیر قرار دهد.
آیا تولید اتانول به روش تخمیر به صرفه است؟
این که چه روشی برای تولید اتانول مناسب است به پارامترهای گوناگونی بستگی دارد. اینکه سرمایه اولیه شما چقدر است، در چه ظرفیتی می‌خواهید الکل را تولید کنید، از چه ماده اولیه ای می‌خواهید استفاده کنید و … در انتخاب روش تولید موثر است.
مشاوران شرکت سانیار می‌توانند در این زمینه شما را راهنمایی کنند. بدین منظور با ما تماس بگیرید
مطالب مرتبط
تصفیه پساب الکل
تصفیه پساب الکل کارخانجات(تولید اتانول) در واقع bottom product ستون‌های تقطیر الکل می‌باشد که حدوداً ۱۲ تا ۱۵ برابر حجم الکل تولیدی است. این پساب با بار آلی بالایی که دارد قبل از اینکه در رودخانه یا چاه یا … ...
ادامه مطلب
الکل مطلق
الکل مطلق یک نام معمول برای ترکیب شیمیایی اتانول است. اتیل الکل باید به عنوان "مطلق" واجد شرایط باشد، باید بیش از یک درصد آب باشد. به عبارت دیگر، الکل مطلق الکل مایع است که حداقل وزن آن ۹۹ ...
ادامه مطلب
تفاوت الکل طبی و صنعتی
متانول و اتانول هردو به صورت رواج‌یافته‌ای الکل نامیده می‌شوند. این دو الکل از یکدیگر متمایز هستند. یکی جهت مصارف طبی و دیگری جهت مصارف صنعتی استفاده می‌شود. در ادامه تفاوت الکل طبی و صنعتی از لحاظ خواص، کاربرد و ...
ادامه مطلب
انواع الکل
انواع الکل از دیدگاه علم شیمی، هر ماده‌ای که در ترکیب شیمیایی آن –OH (عامل هیدروکسیل) وجود داشته باشد، یک الکل می‌باشد. انواع الکل‌ها با ساختارهای ساده و پیچیده بصورت طبیعی در بدن انسان‌ها و جانوران، میوه‌ها، درختان و بطور ...
ادامه مطلب
محصولات جانبی فرآیند تولید اتانول از غلات
همواره در پروسس فرایندهای شیمیایی علاوه بر محصول مدنظر، محصولات و مواد جانبی دیگری نیز خواسته یا ناخواسته تولید می‌گردد. این محصولات می‌توانند با توجه به نیاز بازار دارای ارزش‌های متفاوت و یا حتی بدون ارزش باشند. پروسه تولید اتانول ...
ادامه مطلب
تغییر کاربری کارخانه الکل
با گسترش کارخانه‌های تولید الکل در ایران، قدرت رقابت یکی از پارامترهای مهم در سودآوری خط تولید الکل خواهد بود. برخی از کارخانه‌داران تمایل دارند با کمترین هزینه برای تغییر کاربری کارخانه الکل خود اقدام کنند. اما شرکت سامیار پیشنهاد ...
ادامه مطلب