کلیات تولید اتانول

اتانول یک حلال مهم صنعتی و یک ماده اولیه برای سنتز مواد شیمیایی آلی مانند اتیلن و پلی اتیلن است. در بسیاری از کشورها، اتانول به عنوان سوخت زیستی به بنزین اضافه می­شود (E10 و E15 اتانول: 10 یا 15 درصد از حجم آن را تشکیل می دهد). وسایل نقلیه چندگانه سوز “Flex-fuel”[1] غلظت بالاتری از اتانول را تحمل می­کنند. در سال 2012، حدود 85 میلیارد لیتر بیواتانول (حدود 67 میلیون تن) تولید شد، که سهم آمریکا 77 درصد بوده است. میزان 95٪ از تولید جهانی آن بر پایه بیوتکنولوژی با استفاده از گلوکز یا ساکاروز به عنوان منبع کربن و مخمر و باکتری­ها به عنوان یک زیست کاتالیزور است. از سال 2014 ، صرفا تولید بیواتانول از لحاظ اقتصادی با صنعت پتروشیمی وارد قابت شده هرگاه قیمت منبع کربن بسیار پایین است یا قیمت نفت افزایش یافته یا توسط دولت تنظیم شده است، در برزیل، منبع کربن از ساکاروز (ملاس نی شکر)، و در ایالات متحده آمریکا، توسط گلوکز بدست آمده از نشاسته ذرت  تامین می­شود. از آنجایی که ذرت به عنوان خوراک حیوانی و نیز برای تغذیه انسان استفاده می شود، پتانسیل بالقوه­ی رقابتی درمورد استفاده از این مواد خام بصورت خوراکی یا استفاده از آن جهت تولید بیواتانول از زیست توده (نی، چمن[2] و غیره) در  تصفیه زیستی به وجود می آید.

ساختار و ویژگی های اتانول

بیوسنتز بیواتانول به وسیله میکروارگانیسم ها

مهمترین ارگانسیم که در تولید اتانول استفاده می شود، مخمر نان (ساکارومایسز سرویزیه[3]) است. توسط گلیکولیز، دو مول اتانول از هر مول گلوکز تشکیل می شود. زیموموناس موبیلیس[4]، یک باکتری جدا شده از آگاو[5]، عملکرد مولی مشابهی به دست می­دهد، اما سنتز بر اساس مسیر متابولیک کتو-دئوکسی-فسفوگلوکونات (KDPG)[6] است. هر دو ارگانیسم می­توانند متابولیز ساکاروز و را انجام دهند و نشاسته را خیر ، چراکه آنها فاقد آنزیم دپلی مریزاسیون نشاسته هستند. بنابراین، اگر نشاسته به عنوان منبع کربن مورد استفاده قرار گیرد،دپلیمریزاسیون نشاسته به گلوکز باید قبل از تخمیر انجام شود.

تخمیر و بازیافت بیواتانول :

تولید بیواتانول معمولا در حالت تغذیه فدبچ [7] با استفاده از بیوراکتورهای بزرگ با ظرفیت بالای 500m³ انجام می­شود. ارگانیسم انتخاب شده ساکارومایسز سرویزیه نسبت به زیموموناس موبیلیس کمتر به عفونت های لاکتوباسیلوس[8]، حتی در شرایط غیر استریل حساس است. برای کشت، یک محیط قند غنی شده با منابع نیتروژن و مواد معدنی مورد استفاده قرار می­گیرد. پس از یک مرحله رشد هوازی، هوادهی متوقف شده و پس از حدود 20 ساعت تولید اتانول به ماکزیمم  90٪ از لحاظ تئوری می­رسد. غلظت گلوکز کمتر از 0.1٪ منجر به مهار فرآیند توسط سرکوب کاتابولیت می­شود؛ این مهار توسط تغذیه مداوم یا نیمه مداوم شکر (fedbatch) رفع می­شود.

از آنجایی که غلظت اتانول بیشتر از 8٪ (معمولا پس از 72 ساعت) باعث جلوگیری از متابولیسم مخمر شده، مخلوط (broth )حاوی اتانول برداشته می­شود. اتانول 95%، که می­توان در خودروها استفاده کرد، معمولا توسط تقطیر آزئوتروپیک بدست می­آید. اتانول خالص را می­توان با تقطیر عصاره، غربال مولکولی یا تکنولوژی غشایی (pervaporation) تهیه کرد. در چندین فرآیند، برای مثال فرآیند Melle-Boinot، سلول های به دست آمده توسط جداساز در هنگام برداشت مخلوط (broth)، بازیافت می­شوند و به عنوان پیش-کشت برای دسته بعدی بکار می­روند؛ این روش باعث کاهش مدت زمان تخمیر کلی می­شود. امروزه روش های تخمیر مداوم اتانول (continuous)  ایجاد شده  اما بسیار وابسته به تکنیک انجام فرآیند هستند. به طوریکه یک راکتور سلولی  با مخمر تثبیت شده برای تولید ساخته شده است اما در حال حاضر مورد استفاده قرار نمی­گیرد.

ملاحظات اقتصادی تولید بیواتانول :

در حال حاضر، بیش از 700 گیاه تخمیری بیواتانول تولید می­شود. در برزیل برنامه “Proalcool” در سال 1975 با هدف کاهش واردات نفت آغاز شد. در بیش از 100 گیاه تخمیری، حدود 21 میلیارد لیتر در سال (2012) اتانول از ملاس نی شکر با استفاده از تکنولوژی ساده مانند تخمیر یا تقطیر فدبچ تولید شده است. در ایالات متحده آمریکا، بنزین غنی با اتانول زیستی (“gasohol”) برای خودرو از سال 1975 (2012: حدود 50 میلیارد لیتر در سال) از نشاسته ذرت تولید شده است.در این زمینه تکنولوژی بیشتری مورد نیاز است (به عنوان مثال، fedbatch ، pervaporation). موادجامد تخمیر (توده سلولی و اجزای مواد باقی مانده) به عنوان خوراک حیوان نیز به فروش می رسد.

اتانول حاصل از زیست توده . اولین گام در این فرآیند تجزیه فیزیکی (به عنوان مثال: بخار) یا تجزیه شیمیایی (به عنوان مثال: اسید فسفریک، آمونیاک)، و به دنبال آن هیدرولیز آنزیمی با استفاده از سلولز و همی-سلولز است . در این فرآیند، مهار کننده­های آنزیمی مانند فورفورال تشکیل می شوند و همی-سلولزها به پنتوزهایی مانند زایلوز و آرابینوز هیدرولیز می شوند که نمی توانند با مخمر نان متابولیزه شوند. در نتیجه، در اینجا تاکید بر به کارگیری روش­های موثر و ارزان تخمیر است، و آنزیم های هیدرولیزی ارزان و مقاوم در برابر مهار ، مانند: تریکودرما ریزه و مخمرهای قوی نوترکیب یا باکتریایی (S. cerevisiae، Kluyveromyces marxianus، Pichia stipitis، Z. mobilis، E. coli) که می توانند هر دوی گلوکز و پنتوز را متابولیزه کنند.

[1] خودرو چندگانه سوز، خودوریی است که علاوه بر بنزین معمولی، می‌تواند با اتانول یا با ترکیبی از اتانول و بنزین نیز کار کند.

[2] switch-grass [3] Saccharomyces cerevisiae [4] Zymomonas mobilis [5] agaves [6] ketodeoxyphosphogluconate (KDPG) [7] fedbatch [8] Lactobacillus