ПОЛУЧЕНИЕ ЭТАНОЛА

Химический синтез этанола осуществляется из этилена (получаемого из нефти и/или природного газа) при высокой температуре в присутствии воды и катализаторов. В конце XIX - начале ХХ столетия этанол получали в крупных масштабах путем брожения. В 60-70-х годах 20 столетия во многих развитых странах, например, США, более 70% требуемого спирта было получено при помощи химического синтеза. Постоянный рост производства этанола связан с расширением его применения в химической промышленности, в качестве топлива (добавка к бензину или заменитель бензина). Этанол используют как растворитель, экстрагент, антифриз, служит субстратом для синтеза многих других растворителей, красителей, фармацевтических препаратов, смазочных материалов, клеев, моющих средств, пластификаторов, взрывчатых веществ, смол для производства синтетических волокон. В двигателях внутреннего сгорания этанол используют либо в безводном виде (99,8%), либо в смеси с бензином (до 20%), либо в гидратированной форме (94%), не смешанного с бензином. В случае применения в безводной форме этанол существенно меняет октановое число и другие эксплуатационные характеристики двигателя (запуск, карбюрация, эмиссия). Экономическая ценность этилового спирта на 20% выше при использовании его в виде добавки к бензину, чем в случае, когда он применяется как заменитель бензина. Однако в связи с ростом цен на нефть, истощением запасов нефти и газа спиртовое брожение снова становится предпочтительным. Производство этанола путем брожения займет видное место в регионах, имеющих возможности получения дешевого растительного сырья: природно-климатические условия, способствующие высоким урожаям сельскохозяйственных культур, быстрорастущим древесным породам, а также наличия значительного количества площадей для их выращивания. Сырьем для производства спирта служат растительные материалы, содержащие сбраживаемые сахара, другие углеводы, поддающиеся осахариванию: крахмалсодержащие материалы - зерно (рожь, пшеница, кукуруза, ячмень, овес, просо), картофель, сахаросодержащие материалы - меласса (отход сахарного и крахмало-паточного производства), дефектная сахарная свекла, древесина и отходы сельскохозяйственных растений, вернее сахара, полученные после их гидролиза. Увеличение производства этанола планируется за счет расширения мощностей предприятий, использующих непищевое сырье, усовершенствования технологии непрерывного культивирования (брожения), обеспечивающей более высокий выход спирта (12% вместо 8…10%), эффективной перегонки и т.д.

Технология производства спирта из крахмалосодержащего сырья состоит из нескольких стадий: сырье измельчают, разваривают, извлекая и растворяя крахмал, так как он не подвержен действию ферментов дрожжей, сбраживающих только моно- и дисахариды, затем крахмалистую массу обрабатывают аминолитическими ферментами солода (пророщенного зерна) или ферментами грибов (Aspergillus oryzae, Asp. niger и др.). В процессе осахаривания масса (затор) содержит углеводы (мальтозу, глюкозу, декстрины), пептиды, аминокислоты, фосфорорганические соединения, минеральные соли и микроэлементы.

Следующая стадия - сбраживание осахаренной массы. Применяют периодический и непрерывно-поточный способы брожения, используя естественно чистые культуры дрожжей. Применяемые при переработке крахмалистого сырья дрожжи должны обладать активной бродильной способностью, полностью за короткое время сбраживать сахара, используя в анаэробных условиях и другие компоненты питательной среды, быть устойчивыми к продуктам своего метаболизма (спирту), развитию инфекции (посторонней микрофлоры). В нашей стране около 80 лет наиболее широко применяют Sacch. cerevisiae, раса XII, хорошо сбраживающие глюкозу, фруктозу, сахарозу, мальтозу, на 1/3 раффинозу, слабее галактозу, накапливая в среде 10-11 об% спирта. Раса XII - верхнебродящая, пылевидная, равномерно распределяющаяся по всему объему затора. Культура микроорганизмов способна развиваться в диапазоне температур от 5 до 38⁰С, но оптимум от 30 до 38 ⁰С, при этом рН среды необходимо поддерживать в пределах 3,8…4,0 ед. Используют, но не так широко и другие расы дрожжей.

В настоящее время ведется большая селекционная работа по получению дрожжей с более высокими ценными свойствами, способных активно метаболизировать галактозу и декстрины, термотолерантных рас, позволяющих ускорять микробиологические процессы, уменьшать расход хладоагента и т.д. Разрабатываются методы получения этанола на нетрадиционных, менее дефицитных и более дешевых субстратах с использованием иммобилизованных клеток микроорганизмов.

Меласса - побочный продукт сахарного производства, 80% сухих веществ и 20% воды. Сухие вещества: сахара - в основном сахароза, 0,1…0,5% инвертного сахара (смесь глюкозы и фруктозы), 0,5…2% раффинозы; органические безазотистые, азотсодержащие - преимущественно аминокислоты и бетаин, дающий при разложении амины, минеральные вещества, витамины группы А и биотин.

Технологические схемы включают использование выделенных после брожения дрожжей в качестве хлебопекарных. В производстве этанола с использованием мелассы применяют расы Sacch. cerevisiae Я, В (венгерская), V-30; диплоидные гибриды (67 и 73).

Гидролизаты древесины и других растительных отходов.

Древесина хвойных и лиственных пород содержит от 40 до 75% полисахаридов - целлюлоз, гемоцеллюлоз, пектиновых веществ. При кислотном гидролизе, полученный гидролизат содержит 3,2…3,5% редуцирующих сахаров - глюкозу, галактозу, маннозу, пентозы (ксилозу, арабинозу, рамнозу).

Для сбраживания гидролизных сахаров используют некоторые расы Saccharomyces cerevisiae, Schizosaccharomyces.

Зрелая бражка, полученная в результате брожения, включает 1,0…1,5% этанола, побочные продукты брожения, несброженные сахара и другие органические вещества. При перегонке бражки и ректификации гидролизного спирта избавиться от примесей не удается полностью, поэтому остается до 0,05…0,1% метанола, несколько больше кислот, сложных эфиров, альдегидов, чем ректификат из пищевого сырья. Используя расы Sacch. cerevisiae, Schizosaccharomyces значительная часть моносахаров, в основном ксилозы, остается невостребованной. В настоящее время среди дрожжей Pachysolen tannophilus, Candida shehatae (син. Pichia stipitus) и некоторых других выявлены расы, способные утилизировать ксилозу с образованием этанола. Использование таких дрожжей может обеспечить усвоение до 90% образующихся при гидролизе сахаров.

Сульфитные щелока - отходы целлюлозного производства. Целлюлозу древесины получают обработкой при повышенной температуре смесью серной кислоты с водными растворами бисульфитов и моносульфитов - Ca(HSO₃)₂, Mg(HSO₃)₂, NH₄HSO₃, NaHSO₃. В этом случае целлюлоза извлекается в неповрежденном виде, гидролизуются только гемицеллюлозы.

Зрелая бражка содержит 0,5…1% этилового спирта и много летучих примесей (альдегиды, эфиры, высшие спирты, метанол, фурфурол, сернистый ангидрид, сероводород). Ректификат сульфитного спирта содержит сернистые соединения, альдегиды, эфиры, 2…8% метанола. Это самый дешевый технический спирт. Его стоимость в три раза ниже пищевого.