7. Технология биохимического производства этилового спирта. Основные параметры и процессы. Субстраты и продуценты этанола.

В основе биотехнологического получения этилового спирта, лежит процесс брожения - один из разновидностей биологического окисления субстрата у гетеротрофных микроорганизмов. Биотехнологические бродильные процессы изучены сравнительно давно. Однако некоторые процессы брожения реализованы на практике только сейчас. В основе брожения лежит универсальная реакция превращения источника углерода глюкозы в ключевой промежуточный продукт-пировиноградную кислоту, из которой синтезируются дальнейшие продукты, включая этиловый спирт. Возбудителями спиртового брожения могут быть дрожжи - сахаромицеты, некоторые мицелиальные грибы (Aspergillus oryzae) и бактерии (Erwinia amylovora, Sarcinaventricula, Zymomonas mobilis, Zanaerobia).

По расходу сырья производство этилового спирта самое крупное биотехнологическое производство в мире. Однако по стоимости валового продукта этанол занимает третье место среди крупнотоннажной продукции.

Как известно, этанол широко используется в химической, фармакологической и пищевой промышленности. Кроме того, он может стать источником энергетических ресурсов.

Из этанола получают этилен - традиционное сырье для органического синтеза. Из 3,8 кг сахара можно получить 1,7 кг этанола, из него - 1 кг этилена. Этанол как жидкое топливо пока не может конкурировать с бензином, поскольку, например, в США, полученный из зерна этанол в 2-3 раза дороже бензина. Существуют национальные программы замены части бензина (до 20%) этанолом как топлива для автомобильного транспорта, что позволит уменьшить импорт нефти. Бразилия еще в 1992 г. планировала получить из тростникового сахара 3,8 млрд. л этанола, чтобы сократить импорт нефти на 4 млрд. долларов.

Необходимо отметить, что производство спирта - одна из самых старых отраслей биотехнологии. Хорошо изучены различные продуценты этанола, биохимия процессов спиртового брожения. Материальный баланс спиртового брожения имеет следующий вид:

С_nН_2nО_n + 0,005 NН₃ - 0,04 X + 0,49 С₂Н₅ОН + 0,47 СО₂.

Современная промышленная технология получения этилового спирта из пищевого сырья включает следующие стадии:

1.Подготовка и измельчение крахмалистого сырья — зерна (прежде всего — ржи, пшеницы), картофеля, кукурузы и т. п.

2.Ферментация. На этой стадии происходит ферментативное расщепление крахмала до сбраживаемых сахаров. Для этих целей применяются рекомбинантные препараты альфа-амилазы, полученные биоинженерным путём — глюкамилаза, амилосубтилин.

3.Брожение. Благодаря сбраживанию дрожжами сахаров происходит накопление в браге спирта.

4.Брагоректификация. Осуществляется на разгонных колоннах.

Отходами бродильного производства являются углекислый газ, барда, эфиро-альдегидная фракция, сивушный спирт и сивушные масла.

Спирт, поступающий из брагоректификационной установки (БРУ) не является безводным, содержание этанола в нём до 95,6 %.

Производительность современного спиртового завода около 30 000—100 000 литров спирта в сутки.

Биотехнологическое получение вина

Спиртовое брожение находится также в основе виноделия. Вина обычно получают из сока спелого неиспорченного винограда, отделенного или неотделенного от мезги (например, при изготовлении красных вин). Индукторами брожения являются различные расы Saccharomyces cerevisiae. В винах, кроме этанола, содержатся: белки, пигменты, неорганические соли, летучие и нелетучие органические кислоты, танин, в некоторых сортах - углеводы, глицерин.

В связи с ограничением ресурсов традиционного сырья для производства этанола сейчас разрабатываются процессы на основе новых заменителей сахара. К ним можно отнести синтетический газ, получаемый из угля. Как известно, этот газ состоит из СО, Н2 и СО2. Выделены бактерии, способные конвертировать СО и Н2 до этанола согласно уравнениям:

6СО + ЗН₂О → С₂Н₅ОН + 4СО₂;

6Н₂ + 2СО₂ → С₂Н₅ОН + ЗН₂O.

В настоящее время разрабатывают и применяют замкнутую биосистему получения этанола из картофеля.

Современные разработки направлены на расширение ассортимента возможных субстратов синтеза спиртов, в первую очередь из возобновимого сырья, и подбору или конструированию эффективных штаммов микроорганизмов и грибов.