Производство биоэтанола как альтернативного источника энергии

УДК 579.67

М.Г. Саубенова

д-р биол. наук, профессор, гл. научный сотрудник, РГП «Институт микробиологии и вирусологии»

КН МОН РК, г. Алматы, Казахстан

Т.В. Кузнецова

магистр биологии, и.о. зав. лаборатории, РГП «Институт микробиологии и вирусологии»

КН МОН РК, г. Алматы, Казахстан

ПРОИЗВОДСТВО БИОЭТАНОЛА КАК АЛЬТЕРНАТИВНОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ

Аннотация. В обзорной статье на основании литературных источников анализируется технология производства и области применения биоэтанола, а также пути интенсификации его производства.

Ключевые слова: биоэтанол, спиртовые дрожжи, отходы растениеводства.

M.G. Saubenova, Institute of Microbiology and Virology, Almaty, Kazakhstan

T.V. Kuznetsova, Institute of Microbiology and Virology, Almaty, Kazakhstan

PRODUCTION OF BIOETHANOL AS ALTERNATIVE ENERGY

Abstract. In a review article on the basis of the literature analyzes the technology of production and application of bioethanol, as well as the way the intensification of production.

Keywords: bioethanol, alcohol yeast, crop residues.

Из-за истощения запасов и неуклонного роста цен на нефть и, вследствие этого, растущей необходимости поиска ее альтернативы с середины прошлого столетия усилилось внимание, направленное на разработку новых технологий получения источников энергии. Для полноценной замены традиционного источника энергии необходимо, чтобы новые источники отличались, прежде всего, возобновляемостью. Наряду с такими возобновляемыми источниками энергии как солнечная энергия, энергия ветра, приливно-отливных течений и др. особое внимание привлекает использование продуктов фотосинтеза. Его существенным преимуществом перед ископаемым топливом помимо возобновляемости является экологическая безопасность. Так, если в составе выхлопных газов ископаемого топлива содержится более 300 соединений, наносящих вред окружающей среде [1], то при сгорании продуктов фотосинтеза атмосфера не загрязняется вредными соединениями, а количество выделенного углерода не превышает истраченного на образование биомассы, переработанной в топливо. В качестве основного возобновляемого биотоплива в Европе рассматривают биодизель, а в США - биоэтанол. Оценка современного состояния биотехнологии производства биодизеля показала, что его популярность объясняется такими объективными причинами как возможность масштабировать процесс его наработки в ферментерах без вовлечения в процесс потенциально продуктивных земель, а также некоторыми физико-химическими показателями, в частности, более высокой температурой воспламенения, т.е. более высокой безопасностью [2]. Однако считается, что наибольший потенциал имеет топливный биоэтанол, характеризующийся неисчерпаемыми источниками его получения. Ими могут быть как различное растительное сырье, так и отходы сельского хозяйства и деревообрабатывающей промышленности. Большая перспективность использования его как экологически чистого топлива, а также сырья для химической промышленности, способствовала резкому увеличению в ряде стран финансовых затрат на соответствующие программы. В настоящее время уже более половины мирового производства этанола используется в качестве добавки к топливу для двигателей внутреннего сгорания (бензину) и лишь около 15% -для производства спиртных напитков. Существует мнение, что производство этилового спирта оп-

равдано даже в тех случаях, когда себестоимость сырья и/или выпускающего его завода высока. Согласно оценкам экспертов, к 2030 году выпуск биотоплива в мире составит 150 млн т при ежегодном приросте производства 7-9%. При этом предпочтение будет иметь биоэтанол, т.к. себестоимость его производства снижается быстрее, чем биодизеля. Даже довольно значительная добавка этанола к бензину, используемому для двигателей внутреннего сгорания, существенно экономит энергоресурсы и снижает токсичность выхлопных газов. Смесь из 85% этанола и 15% бензина (Е85) в настоящее время является стандартным топливом для так называемых «Flex-Fuel» машин, распространенных, главным образом, в США и Бразилии. Продается она дешевле, чем чистый бензин, а токсичность выхлопных газов снижается при этом на 20-40%.

Промышленное производство основано на получении этанола путем сбраживания спиртовыми дрожжами сельскохозяйственного сырья - мелассы, крахмала и др. [3-7], имеющего самостоятельную пищевую или кормовую ценность. Для создания рентабельного производства топлива необходимо снижение цены его производства. Это может быть достигнуто заменой сырья для его производства на менее дефицитное и более дешевое, а также снижением технологических затрат. Экономически оправданная технология производства этанола могла бы быть основанной на его производстве не только из крахмала и сахара, но также на различных отходах народного хозяйства.

В условиях дефицита сырья, представляющего самостоятельную пищевую и кормовую ценность, большие надежды связывали с целлюлозосодержащими отходами растениеводства, гидролитическая деструкция которых могла бы послужить основой для производства биоэтанола. В СССР было создано крупнотоннажное производство спирта, основанное на химическом гидролизе растительного сырья, в настоящее время оно находится в упадке. Представители микроорганизмов с целлюлолитической активностью, способные трансформировать растительную биомассу в этанол напрямую без предварительной обработки, известны, тем не менее, несмотря на большие успехи специалистов разных стран, из-за трудностей культивирования строгих анаэробов и низкого выхода искомого продукта достаточно эффективной технологии, позволяющей преодолевать устойчивость целлюлозосодержащих субстратов к биоразложению, пока не создано. В отличие от крахмала и гемицеллюлоз целлюлоза имеет высокоупорядочен-ную структуру, что делает ее малодоступной для действия ферментных систем микроорганизмов. Низкая продуктивность процесса ферментативного гидролиза целлюлозы автоматически ведет к резкому увеличению рабочего объема гидролизоаппаратов для достижения экономически оправданного масштаба производства, а, следовательно, к неприемлемым капитальным затратам [8].

Важнейшим аспектом интенсификации микробиологической промышленности является повышение активности штамма-продуцента. В спиртовой промышленности увеличения продуктивности процесса достигают, главным образом, путем усовершенствования технологии (иммобилизация клеток, вакуумная ферментация, рециркуляция клеток и т. д.), но в любом случае выход спирта ограничивается катаболитной репрессией, а именно, ингибированием метаболизма дрожжей конечным продуктом - этанолом. Периодичность процесса спиртового брожения вызывает необходимость возобновления ферментации после накопления около 10% этанола из-за его высокой токсичности для дрожжей.

Об актуальности проблемы можно судить по лавине научных публикаций по селекции новых штаммов спиртовых сахаромицетов с более высокими показателями удельной скорости роста, способности расти в расширенных пределах рН среды и температуры культивирования, повышенной осмотической активностью [9-11]. Восприимчивость клеток к перечисленным факторам внешней среды является штаммовой характеристикой и определяется ферментативной системой микроорганизма. Поэтому актуальным является скрининг и селекция штаммов спиртовых дрожжей для сбраживания высококонцентрированного сусла [12]. Рассматривается также

возможность подбора новых субстратов для сбраживания [13-18], а также использования дрожжей другой таксономической принадлежности, способных к утилизации гемицеллюлоз, пентоз и др. [19; 20]. Продолжаются исследования вопросов усовершенствования биотехнологического решения - иммобилизация клеток, подпитка их различными стимулирующими метаболизм факторами [21]. В последнее время ведется поиск возможностей использования непрерывного процесса в производстве спирта, однако приемлемый результат получен лишь при использовании метода слияния протопластов, который сопряжен с переоборудованием производства [22].

Независимо от целей, для которых предназначено производство этанола, этот высококачественный продукт биотехнологии имеет большое будущее в практической деятельности человечества и потому интенсификация его производства имеет большие перспективы. Этим объясняется все возрастающее количество научных исследований по разработке новых видов сырья для биоконверсии в этанол и способам его предобработки, а также поиску и селекции новых рас спиртовых дрожжей, наиболее полно отвечающих поставленным целям.

Список литературы:

1. Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Ассортимент и применение / ред. В.М. Школьникова. - М.: Техинформ, 1999. - 596 с.

2. Феофилова Е.П., Сергеева Я.Э., Ивашечкин А.А. Биодизельное топливо: состав, получение, продуценты, современная биотехнология (обзор) // Прикладная биохимия и микробиология. - 2010. - Т. 46, № 4. - С. 405-415.

3. Zhao X.Q., Bai F.W. Mechanisms of yeast stress tolerance and its manipulation for efficient fuel ethanol production // Journal of Biotechnology. 2009. V. 144, Issue 1. P. 23-40.

4. Nigam J.N. Bioconversion of water-hyacinth (Eichhornia crassipes) hemicellulose acid hy-drolysate to motor fuel ethanol by xylose-fermenting yeast // Journal of Biotechnology. - 2002. -V. 97, Issue 2. - P. 107-116.

5. Yueqin Tang, Minzhe An, Kai Liu, Saki Nagai, Toru Shigematsu, Shigeru Morimura, Kenji Kida. Ethanol production from acid hydrolysate of wood biomass using the flocculating yeast Saccharomyces cerevisiae strain KF-7 // Process Biochemistry. April. - 2006. -V. 41, Issue 4. -P.909-914.

6. Римарева Л.В. Биологические аспекты переработки растительного сырья на топливный биоэтанол // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2007. - № 3. - С. 4-10.

7. Кадиева А.Т. Разработка интенсивной технологии этанола на основе целенаправленного применения мультиэнзимных систем и новых рас спиртовых дрожжей: дис. ... канд. техн. наук. - М., 2003. - 208 с.

8. Рабинович М.Л. Производство этанола из целлюлозосодержащего материала: потенциал российских разработок // Прикладная биохимия и микробиология, 2006. - Т. 42, № 1. -С. 5-32.

9. Патент РФ № 2186846. 2002. Штамм дрожжей Saccharomyces cerevisiae, используемый для сбраживания мелассного сусла в производстве этилового спирта и хлебопекарных дрожжей / Воробьева Г.И. [и др.].

10. Zheng D.Q., Wu X.Ch., Tao X.L., Wang P.M., Li P., Chi X.Q., Li Y.D., Yan Q.F., Zhao Y.H. Screening and construction of Saccharomyces cerevisiae strains with improved multi-tolerance and bio-ethanol fermentation performance // Bioresource Technology. - 2011. - V. 102, Issue 3. - P. 3020-3027.

11. Давыденко С.Г., Устинова А.С., Меледина Т.В., Баракова Н.В. Скрининг штаммов спиртовых дрожжей для сбраживания высококонцентрированного сусла // Процессы и аппараты пищевых производств: электронный научный журнал / ГОУ ВПО «С.-Петерб. гос. ун-т низкотем-ператур. и пищевых технологий». - Санкт-Петербург, 2012. - Сент. (№ 2). URL: httpY^ww^penmechanics^om/journals

12. Устинова А.С. Разработка технологии сбраживания высококонцентрированного сусла из ячменя: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Санкт-Петербург, 2013.

13. Guimaraes P.M.R., Teixeira J.A., Domingues L. Fermentation of lactose to bio-ethanol by yeast as part of integrated solutions for the valorisation of cheese whey // Biotechnology Advances, 2010.- V. 28 - Issue 3. - P. 375-384.

14. Патент РФ №2161652. 2001. Способ производства этилового спирта из топинамбура. Крикунова Л.Н. и др.

15. US patent 7,531,348. 2009. Recombinant yeast for lignocelluloses raw materials. Cordero

O. et al.

16. US patent 7,846,712. 2010. L-arabiniose fermenting yeast. Zhang et al.

17. US patent 6,498,029. 2002. Pentose fermentation of normally toxic lignocelluloses prehydrolysate with strain of Pichia stipitis yeast using year. Keller Jr. et al.

18. Ryabova O.B., Chmil O.M., Sibirny A.A. Xylose and cellobiose fermentation to ethanol by the thermotolerant methylotrophic yeast Hansenula polymorpha // FEMS Yeast Research. - 2003. -V. 4, Issue 2. - P. 157-164.

19. Пат. РФ. № 2163076. 2001. Способ биоконверсии растительных отходов и установка для его осуществления / Пузанков А.Г. [и др.].

20. US patent 7,960,153. 2011. Glucose conversion to ethanol via yeast and bicarbonate ions. Czechowski et al.

21. Пат. РФ № 2361919. 2009. Способ получения биокатализатора для спиртового брожения / Винокуров В.А. [и др.].

22. Wang B., Ge X.M., Li N., Bai F.W. Continuous ethanol fermentation coupled with recycling of yeast flocs // Chinese Journal of Biotechnology. - 2006. - V. 22, Issue 5. - P. 816-821.

23. Bellissimi E., Ingledew W.M. Metabolic acclimatization: preparing active dry yeast for fuel ethanol production // Process Biochemistry. - 2005. - V. 40, Issue 6. - P. 2205-2210.