Жоспар Спирт алудағы экологиялық биотехнология Сұйық көмірсутектер өндірудегі экологиялық биотехнология Спирт алудағы экологиялық биотехнология

1. 
   Спирт алудағы экологиялық биотехнология
   
2. 
   Сұйық көмірсутектер өндірудегі экологиялық биотехнология
   

1. 
   Спирт алудағы экологиялық биотехнология
   

Төменгі спирттерді (метанол, этанол), сондай-ақ ацетонды және басқа еріткіштерді ішкі жану қозғалтқыштарына отын ретінде пайдалану перспективалары соңғы жылдары әртүрлі өсімдік шикізатын қолдана отырып, микробиологиялық процестерде оларды кең көлемде алу мүмкіндігіне үлкен қызығушылық тудырды. Этил спирті-бұл ішкі жану қозғалтқыштары үшін керемет экологиялық таза жанармай. Тапшы бензинді отынның басқа түрлерімен алмастыру қазіргі заманның өзекті мәселесі болып табылады. Мәселе әсіресе Америка мен Батыс Еуропа елдерінде өткір тұр. Таза этанолды немесе бензинмен (газохолмен) қоспаны қолдану қоршаған ортаның шығатын газдармен ластануын едәуір төмендетеді, өйткені этанол жанған кезде тек көмірқышқыл газы мен су пайда болады. Сондықтан табиғи өсімдік материалдарының үлкен қоры бар және жыл сайын мол өнім беретін тиісті топырақ-климаттық жағдайлары бар елдерде мотор отынын өндіруді микробиологиялық ашыту процестеріне бағыттау орынды болады.

Жанармай ретінде алкоголь АҚШ пен Германияда 30-40 жылдары қолданыла бастады. Мысалы, Бразилияда этанол бірнеше ондаған жылдар бойы ішкі жану қозғалтқыштарында отын ретінде қолданылып келеді. 1982 жылы құрамында қант бар шикізат негізінде өнімділігі тәулігіне 95% спирт болатын 150 мың л дейін "Альфа Ляваль" швед фирмасының технологиясы бойынша спирт зауыттарының қарқынды құрылысы басталды. Ресейде вниигидролиз (С-Петербург) технологиясы бойынша гидролиз спиртін өндіру жөніндегі қондырғылар жұмыс істейді. Жапонияда 90-жылдардың аяғында. иммобилизацияланған микробтық жасушалар негізінде спирт алу есебінен мұнай экспорты 72-ден 49% - ға дейін қысқарды.

Алкогольді ашыту процестеріне арналған шикізат құрамында крахмал бар (астық, картоп), құрамында қант бар материалдар (меласса, Ағаш өңдеу өнеркәсібінің қалдықтары), сондай-ақ арнайы өсірілген Тұщы су мен теңіз өсімдіктері мен балдырлардың биомассасы болуы мүмкін. Процесс шикізатты дайындауды, ашыту процесін, алкогольді айдау мен тазартуды, денатурацияны, текше қалдықтарын өңдеуді қамтитын бірнеше кезеңнен тұрады.

Этил спирті әдетте бактериялар (Zymomonas mobilis, Z. anaerobica, Sarcina ventriculi), клостридиялар (Clostridium thermocellum) және ашытқылар (Saccharomyces cerevisiae) тудыратын ашыту процестерінде гексозалардан алынады:

С₆H₁₂O₆  2 CH₃CH₂OH + 2 CO₂.

Техникалық мақсаттағы спирттерді алу кезінде шешуге тура келетін негізгі міндет-қымбат крахмал бар субстраттарды азық-түлікке жатпайтын арзан шикізатпен алмастыру.

Ашытқымен этанолдың пайда болуы анаэробты процесс, бірақ аз мөлшерде ашытқыны көбейту үшін оттегі қажет. Құрамында қант бар субстратты алкогольге айналдыру кезінде пайда болатын процестерге сонымен қатар өндіруші жасушалардың метаболизмі мен өсуі жатады, сондықтан алкогольді алудың биологиялық процесі бірқатар параметрлерге (субстрат концентрациясы, оттегі, сонымен қатар соңғы өнім) байланысты болады. Белгілі бір концентрацияға дейін культурада алкоголь жиналған кезде жасушалардың ингибирлеу процесі басталады. Сондықтан алкогольге төзімді арнайы штамдарды алу үлкен маңызға ие.

Өнеркәсіптік ашыту процесі әртүрлі схемаларға сәйкес жүзеге асырылуы мүмкін: биомассаның қайтарылуымен үздіксіз, мезгіл-мезгіл және мезгіл-мезгіл. Мерзімді процесс кезінде субстрат жаңадан алынған инокулятты енгізгеннен кейін ашытылады, ол әдетте аэробты жағдайда алынады. Субстраттың ашытуы аяқталғаннан кейін өндірушінің жасушалары бөлініп, жаңа цикл үшін тұқымның жаңа бөлігі алынады. Бұл өте қымбат процесс, өйткені ашытқылардың көбеюінің аэробты процесінде көптеген субстрат жұмсалады. Бұл процесстегі экономикалық кірістілік субстраттың шамамен 48% құрайды (субстраттың бір бөлігі жасушалардың өсуі мен метаболизміне, сондай – ақ басқа өнімдердің-сірке қышқылының, глицеролдың, жоғары спирттердің түзілуіне жұмсалады). Егер ашытқы ашыту процесінде өндіруші ретінде пайдаланылса, өнімділігі сағатына 1-2 г этанол/г жасуша болады. Зертханалық деңгейде Zymomonas mobilis бактериялық мәдениетін өндіруші ретінде қолданған кезде бұл мән 2 есе жоғары. Өнеркәсіптік процестерде аппараттардың өнімділігі өндірушінің физиологиялық ерекшеліктеріне, биомассаның тығыздығына, аппараттың түріне және ашыту режиміне байланысты; өте кең өзгереді, 1 – ден 10 г/л сағ.циклдің ұзақтығы шамамен 36 сағ, алкогольдің соңғы концентрациясы-5 % (салмағы/көлемі).

Процестің кемшіліктері (негізінен субстраттың ұзақтығы мен толық пайдаланылмауы) биомассаны қайта пайдалану процесін қолдану арқылы ішінара жойылуы мүмкін. Бұл схема бойынша алкоголь шығымдылығын 10 г/л сағатқа дейін арттыруға болады.

Үздіксіз процесті жүзеге асыру кезінде субстратты қолданудың толықтығы негізінен процестің қарқындылығына, яғни түтіктің жылдамдығына байланысты болады. Алайда, екі параметр арасында қайшылықтар бар, олар әдетте ашытуды оңтайландырады: алкогольдің соңғы шығымдылығы және қантты қолданудың толықтығы. Ашыту процесі аяқталғаннан кейін ашытылған сүттің концентрациясы 6-дан 12% - ға дейін болуы мүмкін. Алкогольдің соңғы концентрациясы неғұрлым жоғары болса, айдау сатысы соғұрлым аз болады. Осылайша, спирттің 5% концентрациясы кезінде 96% спиртті алу үшін бу шығыны 4 кг/л-ден астам құрайды; ашытылған сүттегі алкоголь мөлшері шамамен 10% болған кезде – бұл мән 2.25 кг/л дейін азаяды.

Алкогольді ашытудың жанама өнімдері-көмірқышқыл газы, сивуш майы, текше қалдықтары, ашытқы. Бұл өнімдердің әрқайсысы белгілі бір құны мен тәуелсіз қолдану саласына ие.

Ашыту процесін жақсарту әрекеттері бірнеше бағытқа ие. Бұл үздіксіз процестерге көшу, алкогольге төзімді ашытқы штамдарын алу және шикізаттың құнын төмендету. Ашытудың үздіксіз процестері алкогольдің соңғы концентрациясын 12% дейін арттыруға мүмкіндік береді. Жаңа штаммдар негізінен алкогольдің осындай концентрациясына төзімді бактериялық дақылдар арасында алынды. Соңғы жылдардағы әзірлемелер бос емес, иммобилизацияланған микробтық жасушаларды қолдануға негізделген бағытты қамтиды. Алкогольге жоғары төзімділікке ие иммобилизацияланған жасушалар екі параметр бойынша оңтайландыру мәселесін бір уақытта шешуге мүмкіндік береді: субстратты қолданудың толықтығын және алкогольдің соңғы шығуын арттыру.

Спирттерді мотор отыны ретінде шығару оларды өндірудің үлкен көлемін, ондаған млн.тоннаны көздейді. Техникалық спиртті алу үшін бастапқы субстрат ретінде қант қамысы – багасса қалдықтарын, сондай-ақ касса, тәтті картоп, тәтті құмай, тапинамбур қалдықтарын пайдалану экономикалық тұрғыдан ақталған. Алайда, бұл мәдениеттер жылы климаты бар елдерге тән, мысалы, Латын Америкасы. Климаты қоңыржай, ормандардың үлкен массивтері бар аймақтар үшін ағаш қалдықтарының гидролизаттарын қолдану қолайлы. Бірақ бұл суда еритін қантты қалыптастыру үшін лигнин мен целлюлозаны жоюдың жеткілікті энергияны қажет ететін және қымбат процесін қажет етеді. Гидролиз процесі үздіксіз жетілдірілуде. Гидролиз процесінде қанттың шығуын арттыру және энергия шығынын азайту үшін физикалық, химиялық, ферментативті әдістерді қолдана отырып, сондай-ақ олардың үйлесімінде лигноцеллюлозаларды жоюдың жаңа әдістері жасалады. Аралау және ағаш өңдеу қалдықтарынан басқа, сабан, шымтезек, қамыс та тартылуы мүмкін.

Этанолды отын ретінде алу мен қолданудың экологиялық пайдасы айқын. Экономикалық жағдайға келетін болсақ, олар бірқатар жағдайлармен анықталады: климат және жасыл биомассаның өнімділігі, ауылшаруашылық өнімдерінің құны және мұнай, табиғи газ немесе көмір түріндегі энергия көздерінің болуы (немесе болмауы).