Кіріспе

Этанол және көмірқышқыл газын қосалқы өнім ретінде түзілетін биологиялық процесс. Этанол ашыту, сондай-ақ алкогольді ашыту деп аталатын бұл процесс, глюкоза, фруктоза және сахароза сияқты қанттарды жасушалық энергияға айналдырады, нәтижесінде этанол мен көмірқышқыл газы пайда болады. Ашытқылардың бұл түрлендіруді оттегі жоқ жағдайда жүзеге асыруы себепті, алкогольді ашыту анаэробтық процесс саналады. Бұл процесс сонымен қатар балықтардың кейбір түрлерінде (мысалы, алтын балық және сазан) де кездеседі, онда (сүт қышқылы ашытумен бірге) оттегі тапшы болғанда энергиямен қамтамасыз етеді. Этанол ашыту алкогольді сусындар, этанол отыны және нан қамырының көтерілуі үшін негіз болып табылады.

Қысқылтегінің әсері

Ашыту үшін оттегі қажет емес. Егер оттегі болса, кейбір ашытқы түрлері (мысалы, Kluyveromyces lactis немесе Kluyveromyces lipolytica) пируватты көмірқышқыл газы мен суға толық тотықтырады, сондықтан осы ашытқы түрлері тек анаэробтық ортада ғана этанол өндіреді (жасушалық тыныс алу процесі емес). Бұл құбылыс Пастер эффектісі деп аталады. Дегенмен, көптеген ашытқылар, мысалы, кеңінен қолданылатын нан пісіру ашытқысы Saccharomyces cerevisiae немесе Schizosaccharomyces pombe белгілі бір жағдайларда, тіпті оттегі болған кезде де тыныс алудың орнына ашытады. Шарап жасау саласында бұл құбылыс Пастер эффектісіне қарсы әсер деп аталады. Егер осы ашытқыларға тиісті қоректік заттар берілсе, олар аэробтық жағдайда да этанол өндіруі мүмкін. Үзеліссіз ашыту кезінде, бір миллиграмм жасуша ақуызына шаққанда этанол өндірісінің жылдамдығы осы процестің басында қысқа мерзімге максималды болады және қоршаған ортада этанол жиналған сайын біртіндеп төмендейді. Зерттеулер көрсетіп тұрғандай, жиналған этанолды алып тастау ферментациялық белсенділікті бірден қалпына келтірмейді, және метаболизмнің төмендеуі этанолдың болуынан гөрі физиологиялық өзгерістерге (соның ішінде этанолдың зиян келтіру мүмкіндігіне) байланысты екенін көрсетеді. Ферментациялық белсенділіктің төмендеуіне ықтимал себептер зерттелді. Жасушалардың тірі қалу деңгейі 90% және одан жоғары, ішкі pH бейтарап деңгейге жақын қалды, ал гликолиздік және алкогольдік ферменттердің белсенділігі (in vitro өлшенген) үзеліссіз ашыту кезінде жоғары болды. Бұл факторлардың ешқайсысы үзеліссіз ашыту кезінде ферментациялық белсенділіктің төмендеуімен тікелей байланысты емес.

Нан пісіру

Этанол ферментациясы нан қамырын көтеруге себеп болады. Ашытқы организмдер қамырдағы қанттарды пайдаланып, этанол мен көмірқышқыл газын қалдық өнімдер ретінде шығарады. Көмірқышқыл газы қамырдың ішінде көпіршіктер құрап, оны көбікке айналдырады. Пісіру кезінде 2%-дан аз этанол қалады. Соңғы жетістік ретінде, Германиядағы ғалымдар тобы кері процесті жүзеге асырып, ескірген нанды этанолға айналдыруда.

Алкогольді сусындар

Алкогольді сусындардағы этанол ашытқының әсерінен болатын ферментация арқылы өндіріледі. Шарап жүзімдегі табиғи қантты ашыту арқылы жасалады; алма мен алмұрттағы табиғи қантты ұқсас ашыту арқылы сайдер мен перри өндіріледі; ал басқа жеміс шараптары кез келген жемістегі қантты ашыту арқылы жасалады. Бренди мен жеміс бренділері (мысалы, сливовица) осы ашытылған жеміс сусындарын дистилляциялау арқылы өндіріледі. Мед балдағы табиғи қантты ашыту арқылы алынады. Сыра, виски және кейде арақ – дәнді дәндердегі амилаза ферментінің әсерінен қантқа айналған дәнді крахмалдарды ашыту арқылы өндіріледі (яғни, өсірілген). Қоспаға басқа крахмал көздерін (мысалы, картоп пен қабықтандырылмаған дәнділерді) қосуға болады, себебі амилаза осы крахмалдарға да әсер етеді. Кейбір елдерде сілекеймен ферментацияланған амилаза индукциясы да болуы мүмкін. Виски мен водка да дистилляцияланады; джин және оған ұқсас сусындар дистилляция кезінде водка сияқты шикізатқа хош иістендіргіштер қосылып жасалады. Күріш шараптары (саке қоса) Aspergillus oryzae көмегімен қантқа айналған дәнді крахмалдарды ашыту арқылы өндіріледі. Байдзиу, соджу және шёчу осындай ашыту өнімдерінен дистилляцияланады. Ром және басқа да сусындар қант қамырын ашыту және дистилляциялау арқылы өндіріледі. Ром әдетте қант қамырынан алынатын мелассадан жасалады. Кез келген жағдайда, ферментация көмірқышқыл газының шығуына мүмкіндік беретін, бірақ сыртқы ауаның кіруіне жол бермейтін ыдыста жүргізілуі керек. Бұл сусынның қажетсіз бактериялар немесе саңырауқұлақтармен ластану қаупін азайту үшін және көмірқышқыл газының жиналуы ыдыстың жарылуына немесе зақымдануына, соның салдарынан жарақат алуға немесе мүлікке зиян келтіруге алып келуі мүмкін болғандықтан қажет.

Отын өндірісі үшін шикізат

Әртүрлі көмірсу заттарын ашытқымен ферментациялау арқылы бензинге қосылатын этанол да өндіріледі. Жылы аймақтарда этанолдың басты шикізаты – қант қамысы. Орташа белдеуде жүгері немесе қант қызылшасы қолданылады. Қазіргі уақытта АҚШ-та этанол өндіруге негізгі шикізат жүгері болып табылады. Ферментациялық өсімдіктердің көп бөлігі жүгері өсірілетін аймақтарда салынғанымен, сорго да дала штаттарында этанол өндіру үшін маңызды шикізат есебінде қолданылады. АҚШ-тың оңтүстік-шығысында перлі қарақұмық этанол өндіруге перспективті шикізат ретінде қарастырылып, су өсімдігінің мүмкіндіктері зерттелуде. Еуропаның кейбір елдерінде, әсіресе Франция мен Италияда, артық шарапты дистилляциялау арқылы жүзім майлы этанол өндіруге қолданылатын шикізатқа айналды. Артық қантты сусындар да пайдаланылуы мүмкін. Жапонияда саке жасауға арналған күрішті этанол көзі ретінде пайдалану ұсынылған.

Кассава - этанолдың шикізаты

Этанолды минералды майдан немесе қанттар мен крахмалдан жасауға болады. Крахмал ең арзан. Гектарына ең көп энергия беретін крахмалды дақыл – тропикалық елдерде өсетін маниока. Тайланд 1990 жылдары ірі маниока өндірісіне ие болды, оны мал азығы ретінде және бидай ұнына арзан қоспа ретінде пайдаланды. Нигерия мен Ганада маниокадан этанол шығаратын зауыттар салынуда. Қазіргі уақытта маниокадан этанол өндіру мұнай бағасы барреліне 120 АҚШ долларынан жоғары болғанда экономикалық тұрғыдан тиімді. Маниоканың жаңа сорттары әзірленуде, сондықтан болашақ жағдай белгісіз. Қазіргі уақытта маниока гектарынан 25-40 тонна өнім береді (суғару және тыңайтқыштар қолданғанда), ал маниока тамырының бір тоннасынан шамамен 200 литр этанол өндірілуі мүмкін (маниока құрамында 22% крахмал бар екенін ескерсек). Этанолдың бір литрінде шамамен 21,46 МДж энергия бар. Маниока тамырын этанолға айналдырудың жалпы энергия тиімділігі шамамен 32% құрайды. Маниоканы өңдеу үшін қолданылатын ашытқы – Endomycopsis fibuligera, кейде Zymomonas mobilis бактериясымен бірге қолданылады.

Ферментацияның қосалқы өнімдері

Этанол ашыту кезінде жиналмайтын, жылу, көмірқышқыл газы, мал азығы, су, метанол, отын, тыңайтқыш және спирттер сияқты қосалқы өнімдер пайда болады. Ашыту процесінен қалған, ашымаған дән қалдықтары мал азығы ретінде немесе биогаз өндірінде қолданылатындықтан, дистилляторлық дән деп аталады және тиісінше WDG (ылғал дистилляторлық дән), және DDGS (құрғатылған дистилляторлық дән, эстрактивтермен бірге) деп сатылады.