بخشی از مقاله
خلاصه
ذخایر انرژی فسیلی جهان، با روند فزاینده مصرف کنونی، تا چند سال دیگر به اتمام خواهند رسید در حالی که منابع گیاهی و سلولزی موجود در دنیا، به دلیل تجدیدشوندگی میتوانند جایگزین مناسبی برای منابع نفتی باشند. فراوان-ترین ماده آلی، سلولز و پلی ساکاریدهای مشابه آن میباشد. اگر با فرایندی مناسب و اقتصادی، سلولز گیاهان به قندهای ساده و قابل تخمیر تبدیل شود، در صنایع غذایی و همچنین تولید سوخت های طبیعی تحولی شگرف روی خواهد داد. پس از تولید گلوکز، با استفاده از میکروبهای دیگر و با استفاده از عمل تخمیر میتوان از قندهای موجود، اتانول تولید کرد.
تولید سلولاز پرهزینهترین قسمت فرایند تولید الکل است. به همین سبب تحقیقات بسیاری به منظور کاستن هزینه تولید آنزیم در حال انجام است. هم اکنون تولید و پرورش میکروارگانیسمهایی که با سرعت بیشتر و هزینه کمتری قادر به تولید آنزیم سلولاز باشند، مد نظر بسیاری از محققان است. در این تحقیق سعی شده است که با استفاده از مخمر ساکارومایسس سرویسیا از کاه گندم به عنوان یک منبع غنی از سلولز، اتانول تولید گردد. برای این منظور ابتدا کاه گندم طی یک فرایند دو مرحلهای توسط بخار و سود تیمار گردید. با توجه به نتایج، هر چقدر مقدار کاه گندم تیمار شده و حجم مایه تلقیح افزایش یافت، مقدار الکل تولیدی افزایش پیدا کرد. نتایج نشان داد که 10 گرم کاه گندم و 50 سیسی مایه تلقیح منجر به تولید حدود 6 سیسی الکل میگردد.
کلمات کلیدی: کاه گندم، بیواتانول، سلولز، مخمر ساکارومایسس سرویسیا و ملاس.
.1 مقدمه
فرایند تخمیر از زمان های بسیار قدیم حتی قبل از شناخت مبانی اولیه آن، مورد استفاده مردم قرار گرفته بوده است. با ورود علم میکروبیولوژی و خصوصاً میکروبیولوژی تخمیر، گسترش اطلاعات علمی در مورد فرآیندهای تخمیری سنتی امکانپذیر شد. در زمانی که قند در حال تخمیر شدن است، غلظت الکل افزایش می یابد تا حدی که فقط سلول های خاصی به نام osmo-tolerant و alcohol-tolerant میتوانند زنده بمانند. به این ترتیب مشخص میشود که مکانیسم پیچیدهای برای این کار وجود دارد.مرحله دوم از پیشرفت علم میکروبیولوژی تخمیر و بیوتکنولوژی در سال 1877، زمانی آغاز شد که موریتز تروب* تئوری به مفهوم زیر را مطرح کرد: »تخمیر و دیگر واکنش های شیمیایی توسط موادی شبیه به پروتئین ها کاتالیست می-شوند که در پایان واکنش بدون تغییر باقی خواهند ماند.« به علاوه او تخمیر را نتیجه فرایند انتقال O2 از یک قسمت مولکول قند به قسمت دیگر و در نهایت تشکیل یک محصول کاملا اکسید شدهمثلاً - - CO2 و محصول کاملاً احیا شده - مثلاً الکل - میدانست 2]،.[1
با تکامل شیمی آلی در نیمه دوم قرن نوزدهم الکل به طریقه مصنوعی به عنوان یک سوخت، حلال، ماده ضدعفونی کننده و از بین برنده باکتری و به عنوان ماده اولیه برای تولید تعداد زیادی از محصولات آلی به وجود آمد. در حال حاضر حدود % 80 از منبع الکل جهان از طریق تخمیر تولید میشود، اگرچه در کشورهای با تکنولوژی برتر، تقرباًی تمام اتانول صنعتی از اتیلن استخراج شده از منابع نفت خام تهیه میشود. قیمت الکل صنعتی با افزایش قیمت نفت خام وارداتی، افزایش مییابد. وابستگی شدید چنین الکلی به نفت خام باعث شده است تا به فکر منابع دیگری برای انرژی باشند 3]،.[2تولید فعلی اتانول سوختی بر پایه استفاده از دکستروز حاصل از نشاسته ذرت یا ساکاروز حاصل از نیشکر میباشد.
به همراه این حقیقت که هزینه صنعتی تولید چنین مواد شیمیایی بسیار بالاست، در نتیجه منجر به ایجاد قیمتی برای اتانول سوختی میگردد که به هیچ وجه قابل مقایسه با بنزین مشتق شده از نفت خام نمیباشد . به همین جهت هدف بیوتکنولوژی جدید، استفاده از زیست توده یعنی کل گیاه شامل سلولز، لیگنین و همی سلولز به جای استفاده از فقط بخش نشاسته دار دانه میباشد.مطالعات اقتصادی انجام شده، مشخص کرده است که قندهای همیسلولزی برای دست یابی به موفقیت تجاری از اهمیت ویژهای برخوردار هستند. استفاده از مواد همیسلولزی و دیگر مواد شیمیایی مشتق شده از قندهای موجود در توده زیستی به منظور تأمین نیاز دراز مدت اتانول سوختی امری ضروری به نظر می رسد .[1-4]
انواع مواد خام مورد نیاز برای تولید اتانول به سه دسته تقسیم میشوند:
-مواد قندی که مستقماًی مورد تخمیر قرار میگیرند.
-مواد نشاسته ای که به راحتی تحت تأثیر هیدرولیز آنزیمی یا اسیدی به قندهای قابل تخمیر تبدیل میشوند.
- مواد سلولزی که به سختی دچار هیدرولیز میشوند.
استفاده از مواد خام سلولزی برای تولید اتانول یک تلاش امیدبخش است ولی این روش نیز مشکلات تکنولوژی و اقتصادی خاص خود را دارد. بازده تولید اتانول در مواد خام سلولزی به طور قابل توجهی پایین میباشد. زیرا آلفا-سلولز به حملات آنزیمیکاملاً مقاوم است.استفاده از اسید به منظور تجزیه مواد سلولزی از مدتها پیش انجام میگرفته است. در طی 10 سال گذشته، فرایندهای آنزیمی به کار برده شدهاند که تمام اینها مدیون آنزیمی به نام سلولاز - بتا 1 و 4 گلوکائوهیدرولاز - میباشد. با این وجود در مقایسه با هیدرولیز نشاسته توسط آلفا 1 و –4آمیلوگلوکوزیداز، چنین هیدرولیزی آهستهتر میباشد. چنین امری به دلیل حالت کریستالی نسبی سلولز و نیز به دلیل خاصیت چسب مانند لیگنین میباشد که باعث میشود این پلیمر تا حدودی در برابر هیدرولیز آنزیمی دسترسی کمی ایجاد کند.
بنابراین پیش تیمار مواد سلولزی با اسید، قلیا یا تجزیه مکانیکی امری ضروری میباشد. یک راهکار امید بخش پیش تیمار مواد سلولزی با مادهای به نام کادوکسن میباشد 5]،.[2سلولز در طبیعت بیشتر به صورت ترکیبات لیگنوسلولز وجود دارد که شامل سه جزء اصلی همی سلولز، سلولز و لیگنین است 4]،.[3 سلولز بیشترین ماده آلی دور ریخته شده است، که میتواند منبع بسیار خوبی برای تولید اشکال دیگری از انرژی - بیوانرژی - باشد. سلولز مولکول بسیار محکمی بوده و اتصالات آن با آنزیمهای سلولاز که در طبیعت به طور معمول کمتر دیده میشود، شکسته میشود 3]،.[1همیسلولز دارای ساختار بی شکل و بدون نظم و با استحکام پایین است. این ماده به آسانی به وسیله اسید یا باز رقیق هیدرولیز میشود. در طبیعت نیز آنزیمهای همی سلولاز متنوعی برای هیدرولیز این مواد موجود است .[6]
از بین مواد تشکیل دهنده لیگنوسلولزی، لیگنین به عنوان یک دیواره مقاوم در برابر تبدیل سلولز به گلوکز عمل می-کند که باعث پدید آمدن مشکلاتی در فرایند میشود؛ برای آنکه بتوان هیدرولیز را انجام داد باید این دیواره تخریب گردد. تخریب دیواره یکی از بخشهای مهم در فرایند تبدیل سلولز به گلوکز است 7]،.[3از جمله خصوصیات مواد سلولزی میتوان به نامحلول بودن آنها اشاره کرد. ضمناً این مواد دارای ساختار کریستالی و همچنین دارای ترکیباتی هستند که در برابر هیدرولیز مقاومت میکنند. به طور کلی، دربین خصوصیات فیزیکی موجود در مواد سلولزی، سطح در معرض واکنش و درجه کریستالی بودن مهمترین عوامل درتبدیل سلولز به گلوکز به شمار میروند. این بدان معنی است که هر کدام از گونههای سلولزی دارای درجه تبدیل متفاوتی برای تبدیل به قند است.
تبدیل سلولز و همیسلولز به اتانول به دقت از نظر اقتصادی و صنعتی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. اتانول، سوخت قابل حمل و تطبیق پذیری است و میزان سمی بودن، فرار بودن و فعالیت فوتوشیمیایی پایینی دارد که در مقایسه با سوختهای مرسوم، مقدار ازن، مه و دود کمتری ایجاد میکند. همچنین بیواتانول میتواند به عنوان منبع سوخت هیدروژنی برای سلولهای سوختی مورد استفاده قرار گیرد و به عنوان یک راه حیاتی برای بهبود شرایط آب و هوا در طولانی مدت در نظر گرفته شود 1]،.[4در صورتی که نیازمندیهای فیزیولوژیکی زیستگاهی و راکتورهای زیستی بهینه میکروارگانیسمهای تجزیه کننده لیگنین موجود باشد، فرایند حذف زیستی لیگنین امکان پذیر خواهد بود. میکروارگانیسمهای هوازی، ترموفیل و باکتری-های نوترکیبی که اخراًی توسعه یافتهاند، مؤلفههای مفیدی برای تبدیل میکروبی سلولز - تجزیه پلیمرهای کربوهیدراتی سلولز - به اتانول هستند .[8]
اکثر کارهای آزمایشگاهی و تولید تجاری با ساکارومایسس سروسیا انجام میگیرند. این ارگانیسمی میباشد که به طور سنتی در فراوری خمیرها و نیز در تولید آبجوی انگلیسی و نوشیدنیهای تقطیری به کار میرود. دمای بهینه برای رشد و تولید اتانول در مورد ساکارومایسس سروسیا، 30℃ میباشد .[2] جزء سریعترین و کارآمدترین میکروارگانیسمها برای تخمیر قندها به اتانول بوده و به طرز سنتی در صنایع تخمیر محصولات کشاورزی با اساس گلوکز - یا قندهای هگزوز - به اتانول مورد استفاده قرار میگرفته است. تودههای زیستی سلولزی که شامل پسماندهای کشاورزی، کاغذهای باطله، تکه های چوب و ... میباشد، منابع ایدهآل ارزان، قابل تجدید، فراوان و در دسترس از قندها برای تخمیر شدن به اتانول می-باشند، به ویژه اتانولی که به عنوان سوخت برای حمل و نقل مورد استفاده قرار میگیرد. فرایند تبدیل کلی سلولز به اتانول شامل چهار بخش اصلی زیر است:
پیش تیمار: در این مرحله، ابعاد و اندازه زیست توده به کمتر از 5 میلیمتر کاهش مییابد و در اثر انجام فرایندهای شیمیایی و یا فیزیکی، سطح سخت آن تخریب میشود. زنجیره سلولزی آماده تأثیرپذیری از مواد شیمیایی و یا بیولوژیکی برای انجام فرایند هیدرولیز خواهد بود.
