Введение

Биологический процесс, в результате которого образуются этанол и углекислый газ как побочные продукты.

Этаноловое брожение, также называемое спиртовым брожением, – это биологический процесс, в ходе которого сахара, такие как глюкоза, фруктоза и сахароза, преобразуются в клеточную энергию с образованием этанола и углекислого газа как побочных продуктов. Поскольку дрожжи осуществляют это преобразование в отсутствие кислорода, спиртовое брожение считается анаэробным процессом. Оно также происходит у некоторых видов рыб (включая золотую рыбку и карпа), где (наряду с молочнокислотным брожением) обеспечивает энергию при недостатке кислорода. Этаноловое брожение лежит в основе производства алкогольных напитков, этанольного топлива и подъема теста для хлеба.

Влияние кислорода

Для ферментации кислород не требуется. Если кислород присутствует, некоторые виды дрожжей (например, Kluyveromyces lactis или Kluyveromyces lipolytica) полностью окисляют пируват до углекислого газа и воды в процессе, называемом клеточным дыханием, поэтому эти виды дрожжей производят этанол только в анаэробных условиях (в отличие от клеточного дыхания). Это явление известно как эффект Пастера. Однако многие дрожжи, такие как широко используемые хлебопекарные дрожжи Saccharomyces cerevisiae или дрожжи Schizosaccharomyces pombe, при определенных условиях осуществляют брожение, а не дыхание, даже в присутствии кислорода. В виноделии это известно как обратный эффект Пастера. Эти дрожжи производят этанол даже в аэробных условиях, если им обеспечено соответствующее питание. Во время периодического брожения скорость производства этанола на миллиграмм клеточного белка максимальна в течение короткого периода в начале процесса и постепенно снижается по мере накопления этанола в окружающей среде. Исследования показывают, что удаление накопленного этанола не приводит к немедленному восстановлению ферментативной активности, и предоставляют доказательства того, что снижение скорости метаболизма обусловлено физиологическими изменениями (включая возможное повреждение, вызванное этанолом), а не самим присутствием этанола. Было изучено несколько потенциальных причин снижения ферментативной активности. Жизнеспособность оставалась на уровне 90% или выше, внутренний pH оставался близким к нейтральному, а удельная активность гликолитических и этанологенных ферментов (измеренная in vitro) оставалась высокой на протяжении всего периодического брожения. Ни один из этих факторов, по-видимому, не связан причинно-следственной связью с падением ферментативной активности во время периодического брожения.

Печь хлеба

Ферментация этанолом вызывает подъем хлебного теста. Дрожжевые организмы потребляют сахара в тесте и производят этанол и углекислый газ как побочные продукты. Углекислый газ образует пузырьки в тесте, увеличивая его в объеме и превращая в пористую массу. После выпечки остается менее 2% этанола. В недавней разработке, группа ученых в Германии занимается обратным процессом – превращением черствого хлеба в этанол.

Алкогольные напитки

Этанол, содержащийся в алкогольных напитках, производится посредством ферментации, вызванной дрожжами. Вино получают путем ферментации натуральных сахаров, присутствующих в винограде; сидр и перри – путем аналогичной ферментации натурального сахара в яблоках и грушах соответственно; другие фруктовые вина – из ферментации сахаров любых других видов фруктов. Бренди и фруктовые дистилляты (например, сливовица) производятся путем дистилляции этих забродивших фруктовых напитков. Медовуху получают путем ферментации натуральных сахаров, содержащихся в меде. Пиво, виски и иногда водка производятся путем ферментации зернового крахмала, который предварительно превращен в сахар ферментом амилазой, содержащимся в зерновых ядрах, прошедших соложение (то есть проращивание). В смесь могут добавляться и другие источники крахмала (например, картофель и не соложеное зерно), поскольку амилаза воздействует и на них. В некоторых странах ферментация может также индуцироваться амилазой, содержащейся в слюне. Виски и водка также подвергаются дистилляции; джин и подобные напитки производятся путем добавления ароматизирующих веществ к спирту, похожему на водку, в процессе дистилляции. Рисовые вина (включая саке) производятся путем ферментации зернового крахмала, преобразованного в сахар плесенью Aspergillus oryzae. Байцзю, соджу и сёчу дистиллируют из продукта такой ферментации. Ром и некоторые другие напитки производятся путем ферментации и дистилляции сахарного тростника. Обычно ром производят из мелассы, получаемой из сахарного тростника. Во всех случаях ферментация должна происходить в емкости, позволяющей выходить углекислому газу, но не пропускающей наружный воздух. Это необходимо для снижения риска заражения сусла нежелательными бактериями или плесенью, а также для предотвращения разрыва или повреждения емкости из-за накопления углекислого газа, что может привести к травмам или материальному ущербу.

Сырье для производства топлива

Для получения этанола, который добавляется в бензин, также используется дрожжевое брожение различных углеводных продуктов. Основным сырьем для производства этанола в теплых регионах является сахарный тростник. В умеренных регионах используют кукурузу или сахарную свеклу. В Соединенных Штатах в настоящее время основным сырьем для производства этанола является кукуруза. Хотя большинство заводов по ферментации построены в районах, производящих кукурузу, сорго также является важным сырьем для производства этанола в штатах Великих равнин. Пёстрое просо демонстрирует перспективность в качестве сырья для этанола в юго-восточных штатах США, а потенциал рогоза изучается. В некоторых частях Европы, особенно во Франции и Италии, виноград де-факто стал сырьем для производства топливного этанола путем дистилляции излишков вина. Также могут использоваться избыточные сладкие напитки. В Японии было предложено использовать рис, обычно используемый для производства сакэ, в качестве источника этанола.

Касава в качестве исходного сырья для этанола

Этанол можно получать из минерального масла, сахаров или крахмала. Крахмал – наиболее дешевый вариант. Наиболее энергоемкой культурой на гектар является маниока, выращиваемая в тропических странах. В Таиланде уже существовала крупная индустрия по переработке маниоки в 1990-х годах, для использования в качестве корма для скота и дешевой добавки к пшеничной муке. Нигерия и Гана в настоящее время строят заводы по производству этанола из маниоки. Производство этанола из маниоки экономически целесообразно, когда цены на нефть превышают 120 долларов США за баррель. Ведутся разработки новых сортов маниоки, поэтому будущая ситуация остается неопределенной. В настоящее время урожайность маниоки составляет от 25 до 40 тонн на гектар (при использовании орошения и удобрений), а из тонны корней маниоки можно получить около 200 литров этанола (при содержании крахмала в маниоке 22%). Один литр этанола содержит около 21,46 МДж энергии. Общая энергоэффективность преобразования маниоки в этанол составляет около 32%. Для переработки маниоки используются дрожжи Endomycopsis fibuligera, иногда в сочетании с бактерией Zymomonas mobilis.

Побочные продукты ферментации

Ферментация этанола производит неиспользованные побочные продукты, такие как тепло, углекислый газ, корма для скота, вода, метанол, топливо, удобрения и спирты. Несброженные твердые остатки зерна, образующиеся в процессе ферментации и используемые в качестве кормов для скота или для производства биогаза, называются дистиллерскими зернами и продаются под названиями WDG (влажные дистиллерские зерна) и DDGS (высушенные дистиллерские зерна с растворимыми веществами) соответственно.