Alcoolul etilic obținut prin fermentație

1. Scopul lucrării

Este de a studia cinetica de fermentație alcoolică, atât cu drojdie liberă cât și imobilizată, având loc totodată și determinarea randamentului de alcool.

2. Aspecte teoretice

Deoarece rezervele de combustibili fosili scad, dar și pentru că arderea acestora duce la apariția efectului de seră (care accentuează încălzirea globală) și a poluării mediului ambiant, bioetanolul a început să fie utilizat ca și combustibil alternativ. Reducerea emisiilor de monoxid de carbon și a gazelor nearse rezultate din combustibilii fosili se realizează prin intermediul etanolului, care începe să se folosească pe scară largă ca și combustibil sau ca aditiv pentru combustibili.

Etanolul este utilizat atât în industria alimentară, în fabricarea berii, dar și în aplicații din domeniul medical și farmaceutic. Etanolul poate fi produs prin fermentație anaerobă a zahărului utilizând drojdie și alte microorganisme. Una dintre cele mai cunoscute drojdii utilizate la fabricarea etanolului este Saccharomyces cerevisiae, fiind una dintre cele mai ieftine materiale brute utilizate, aceasta fiind capabilă să fermenteze mai multe tipuri de zaharuri (glucoză, fructoză sau zaharoză).

Reacția chimică globală a procesului este următoarea:

C6H12O6 - 2 C2H5OH + 2 CO2 + 6 ATP

În procesul de fermentație alcoolică, substratul este transformat în etanol, dioxid de carbon și energie celulară cu ajutorul drojdiilor și a enzimelor. Pe măsură ce concentrația de alcool crește în mediul de reacție, celulele de drojdie se degradează și sunt distruse.

Modelul cinetic Monod utilizat pentru producția de etanol este descris de următoarea formulă:

unde: μ - viteza de creștere [h-1];

S - concentrația substratului [g/l];

Ks - constanta Monod [g/l]

μmax - viteza maximă de creștere [h-1].

Partea cea mai activă a vitezei de creștere a celulei este exponențială, fază care este utilizată pentru a determina parametrii cinetici. Modelul Malthus a fost și el utilizat pentru a caracteriza creșterea celulelor. Viteza specifică de creștere este definită astfel:

unde: X - concentrația celulelor [g/l];

t - timp [h];

Forma intregrată a ecuației este:

unde: X0 - concentrația biomasei la momentul inițial.

Viteza de creștere specifică este dată de modelul Logistic:

xmax - concentrația maximă a celulelor uscate [g/l].

În procesul de fermentație alcoolică se utilizează drojdii precum:

- Saccharomyces cerevisiae: este cea mai utilizată, deoarece prezintă un randament bun și rezistență ridicată la diferiți compuși (SO2 sau alcool). Este utilizată în industria alimentară în panificații, producerea berii și a vinului;

- Saccharomyces bayanus: rezistă la concentrații de alcool de 17-20%. Este utilizată la obținerea vinului;

- Saccharomyces uvarum: utilizată la obținterea berii;

- Brettanomyces: drojdie care asigură fermentația mustului. Este utilizată la obținerea vinului sau berii;

- Kloeckera: sporește fermentația. Este utilizată la producerea vinului.

Imobilizarea drojdiei:

Este o metodă mai eficientă comparativ cu cea în care drojdia este liberă, deoarece crește performanța și economicitatea proceselor fermentative. Această metodă se utilizează și în cadrul fabricării vinurilor spumante. Ionii de potasiu, amoniu, cesiu sau rubidiu sunt utilizați cu scopul de a obține geluri mai puternice comparativ cu ionii bivalenți sau trivalenți.

Membranele, ca și picăturile, pot fi preparate prin metoda picurării (care constă în adăugarea unui aditiv de picurare în suspensia celulară sau de polimer) sau prin tehnici de emulsifiere (suspensia celulară este emulsificată într-un ulei vegetal stabil).

Folosirea celulelor imobilizate prezintă mai multe avantaje:

- activitatea enzimatică se dezfășoară la cote înalte, vitezele de conversie a substanțelor fiind maxime;

- stabilitatea operațională;

- productivitatea mărită;

- separarea ușoară a imobilizatorului de mediul de reacție;

- economicitatea procesului;

- manipularea preparatelor, controlul și conducerea proceselor se realizează cu ușurință;

- posibilitatea reutilizării biocatalizatorilor.

Imobilizarea se aplică atât celulelor vii, celulelor moarte cât și celor aflate în creștere. Imobilizarea se realizează atunci când materialul utilizat are o suprafață specifică cât mai mare disponibilă pentru reactanți și celule, dar și atunci când este stabil din punct de vedere chimic, termic și mecanic. Este necesar ca matricea de imobilizare să conțină suficiente grupări funcționale pentru a lega celulele.

Metodele care se utilizează pentru imobilizarea drojdiilor sunt:

- adsorbția sau fixarea într-o suprafață: imobilizarea se realizează pe suprafața unor particule realizate din diferiți polimeri (poliacrilamidă, polistiren, gelatină), sticlă sau ceramică, nefiind necesară adăugarea de reactivi;

- imobilizarea prin legătură ionică: reprezintă un caz particular de adsorbție fizică și apare atunci când celulele sunt încărcate electrostatic și formează legături ionice cu suprafața de care se leagă. O influență deosebită asupra acestui proces o au: încărcarea suprafeței, vârsta celulei, compoziția suprafeței pe care are loc imobilizarea, pH-ul și tăria ionică;

- încapsularea într-o matrice poroasă, membrană sau o microcapsulă: se realizează prin reținerea celulelor în rețeaua unui polimer sub formă de peleți;

- flocularea și izolarea în spatele unei bariere: are loc în prezență de polielectroliți (de exemplu: chitosan).