UNIVERZITET U BEOGRADU TEHNOLOŠKO-METALURŠKI FAKULTET Katedra za biohemijsko inţenjerstvo i biotehnologiju Svetlana B. Nikolić Proizvodnja bioetanola kao alternativnog goriva iz kukuruza pomoću slobodnog i imobilisanog kvasca Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus Doktorska disertacija Beograd, 2009. MENTOR: ______________________ Dr Ljiljana Mojović, redovni profesor TMF-a ĈLANOVI KOMISIJE: ______________________ Dr Marica Rakin, docent TMF-a _______________________ Dr Maja Vukašinović-Sekulić, docent TMF-a _______________________ Dr Dušanka Pejin, redovni profesor u penziji TF-a u Novom Sadu KANDIDAT: ________________________ Svetlana Nikolić, dipl.inţ.teh. DATUM PRIJAVE: ___________ DATUM ODBRANE:__________ Posebnu zahvalnost dugujem mentoru prof. dr Ljiljani Mojović na svestranoj pomoći, sugestijama, konsultacijama i savesnom praćenju realizacije ove doktorske disertacije, kao i na stručnim savetima, velikoj pomoći i podršci koje mi je pružila u toku mog celokupnog dosadašnjeg naučno-istraživačkog rada. Prof. dr Marici Rakin, prof. dr Maji Vukašinović-Sekulić i prof. dr Dušanki Pejin neizmerno zahvaljujem na stručnim savetima, velikoj pomoći u eksperimentalnom radu, podršci i korisnim sugestijama i korekcijama koji su pomogli uspešnoj izradi ove teze. Takođe zahvaljujem se i kolegama sa Katedre za biohemijsko inženjerstvo i biotehnologiju na savetima i ukazanoj pomoći u toku izrade ove teze. Posebnu i neizmernu zahvalnost za razumevanje i moralnu podršku dugujem svojoj porodici i prijateljima. IZVOD Jedan od najznaĉajnijih alternativnih izvora energije je bioetanol kao obnovljivo i ekološki pogodno biogorivo. Trend proizvodnje ovog goriva u svetu je rastući, meĊutim u Srbiji danas ne postoji organizovana proizvodnja i potrošnja bioetanola kao motornog goriva, ĉime se ukazuje na veliki znaĉaj ispitivanja i optimizacije postupka njegove proizvodnje. Cilj ove disertacije je razvijanje postupka dobijanja bioetanola iz kukuruza pomoću slobodnih i imobilisanih ćelija kvasca Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus. Kao sirovine korišćeni su kukuruzno brašno i kukuruzna krupica, s obzirom da se ţitarice smatraju najperspektivnijim sirovinama za proizvodnju etanola u Srbiji. Prvobitno je ispitivan proces dvojno-enzimske hidrolize koja je izvoĊena pomoću enzima termostabilne α-amilaze Temamyl SC i glukoamilaze SAN Extra L. Izabrano je kukuruzno brašno kao sirovina. Optimizacijom obe faze hidrolize (likvefakcije i saharifikacije) kukuruznog brašna sa aspekta kranjeg prinosa glukoze i mogućnosti daljeg izvoĊenja faze alkoholne fermentacije, usvojeni su sledeći optimalni parametri procesa: hidromodul (odnos kukuruznog brašna i vode) 1:3, koncentracija enzima Termamyl SC od 0,02% (v/w) i koncentracija enzima SAN Extra L od 0,12% (v/w). Ispitivanjem fermentativnih sposobnosti ĉetiri razliĉite vrste kvasaca (Saccharomyces cerevisiae, S. cerevisiae var. ellipsoideus, S. carlsbergensis i Schizosaccharomyces pombe) na hidrolizatu kukuruznog brašna, S. cerevisiae var. ellipsoideus je pokazao najbolje fermentativne karakteristike, pa je korišćen kao proizvodni mikroorganizam. Ispitivana je alkoholna fermentacija hidrolizata kukuruznog brašna pomoću slobodnog i imobilisanog kvasca, i to u: - procesu odvojene saharifikacije i fermentacije (SHF) sa i bez dodatka aktivatora kvasca (vitamina i minerala), - procesu simultane saharifikacije i fermentacije (SSF) sa i bez dodatka aktivatora kvasca, kao i sa i bez recirkulacije imobilisanog kvasca. U sistemu sa slobodnim ćelijama kvasca ispitivana je i primena predtretmana mikrotalasima i ultrazvukom. Tokom ispitivanja ovih procesa praćen je uticaj reakcionih uslova na promenu sadrţaja etanola, koncentracije glukoze i broja ćelija kvasca, kao i ostalih procesnih parametara: prinosa etanola, procenta od teorijskog sadrţaja etanola, volumetrijske produktivnosti i potrošnje glukoze. Optimizacijom svakog od ovih procesa usvojeni su sledeći optimalni parametri: poĉetna koncentracija glukoze, koliĉina inokuluma i vreme trajanja fermentacije, kao i temperatura izvoĊenja SSF procesa i najpogodniji aktivatori kvasca i njihova koncentracija. UtvrĊeno je da je u proizvodnji etanola iz kukuruznog brašna pomoću slobodnih ćelija kvasca ekonomski najpovoljniji i najefikasniji SSF proces bez dodatka aktivatora. TakoĊe, u sistemu sa slobodnim ćelijama, primenom predtretmana ultrazvukom (60 °C, 2,5 min pre i 2,5 min posle dodatka enzima Termamyl SC) i mikrotalasima (80 W, 2,5 min pre i 2,5 min posle dodatka enzima Termamyl SC) ostvaren je porast sadrţaja etanola 9,31% i 13,45%, respektivno, u odnosu na kontrolni uzorak, nakon 32 h SSF procesa. Pri optimalnim parametrima usvojenim za fermentaciju sa slobodnim i imobilisanim kvascem, ustanovljeno je da su više vrednosti sadrţaja etanola i drugih procesnih parametara postignute u imobilisanom sistemu. Imobilisane ćelije pokazale veću tolerantnost prema višim koncentracijama supstrata i proizvoda u odnosu na slobodne ćelije kvasca. U toku fermentacije sa recirkulacijom imobilisanog kvasca, ćelije imobilisane u Ca-alginatu su oĉuvale svoju aktivnost odnosno fiziĉku i hemijsku stabilnost u proizvodnji etanola tokom 3 dana, i nisu zapaţena ograniĉenja difuzije supstrata i proizvoda. Sa aspekta smanjenja ukupnih troškova proizvodnje i uštede energije, kao optimalni postupak proizvodnje bioetanola iz kukuruznog brašna izabran je SSF proces pomoću imobilisanih ćelija kvasca i sa dodatkom mineralnih soli (ZnSO4·7H2O 0,3 g/l i MgSO4·7H2O 2 g/l) kao aktivatora kvasca, kada su postignuti sledeći procesni parametri: sadrţaj etanola od 10,23% (w/w), prinos etanola od 0,53 g/g, procenat od teorijskog sadrţaja etanola od 94,11%, volumetrijska produktivnost od 2,13 g/l·h i potrošnja glukoze od 98,92% nakon 48 h procesa. Ključne reči: bioetanol, alternativno gorivo, kukuruz, dvojno-enzimska hidroliza, amilaza, glukoamilaza, alkoholna fermentacija, kvasac Saccharomyces cerevisisae var. ellipsoideus, simultana saharifikacija i fermentacija (SSF), aktivatori kvasca, mikrotalasi, ultrazvuk, imobilizacija, recirkulacija, Ca-alginat. ABSTRACT One of the most important alternative energy resources is bioethanol which is a renewable and ecologically favorable biofuel. The trend of bioethanol production in the world is increasable, but in Serbia there is no organized production and consumption of bioethanol as a motor fuel, hereby emphasizing the great importance of investigation and optimization of its production process. The aim of this thesis was to investigate the bioethanol production from corn by free and immobilized cells of Saccharomyces cerevisisae var. ellipsoideus yeast. Taking into consideration that cereals are the most promising feedstocks in Serbia, the corn meal and corn semolina have been used as feedstocks in this work. The two-step hydrolysis with thermostable α-amylase Termamyl SC and glucoamylase SAN Extra L was initially investigated. The corn meal was chosen as an optimal feedstock. By optimization of both hydrolysis phases (liquefaction and saccharification) of corn meal from the point of final glucose yield and suitability for further ethanol fermentation, the following parameters were selected as optimal: hidromodul (weight ratio of corn meal and water) 1:3, the concentration of enzyme Termamyl SC of 0.02% (v/w) and concentration of enzyme SAN Extra L of 0.12% (v/w). In this thesis the yeast Saccharomyces cerevisisae var. ellipsoideus was used since it was found to be the most superior among four tested yeasts: S. cerevisiae, S. cerevisiae var. ellipsoideus, S. carlsbergensis and Schizosaccharomyces pombe concerning its fermentative characteristics. The ethanol fermentation of corn meal hydrolyzates by free and immobilized yeast cells was investigated in the following processes: - separated hydrolysis and fermentation (SHF) with and without yeast activators, - simultaneous saccharification and fermentation (SSF) with and without yeast activators, as well as with and without immobilized yeast recirculation. In the free cells system the application of microwaves and ultrasound as a pretreatments was investigated. In all these processes the effect of process conditions on ethanol and glucose concentration, and on the number of yeast cells, as well as on other parameters such as: ethanol yield, percentage of theoretical ethanol yield, volumetric productivity and glucose consumption was investigated and analyzed. The initial glucose and inoculum concentration and the time required for the efficient ethanol production were optimized for each process mentioned above, as well as temperature and the type and concentration of the most appropriate yeast activators. Economically most favorable and most efficient process for bioethanol production in free cell system was SSF process without yeast activators. Also, an increase of ethanol concentration of 9.31% and 13.45% over untreated control sample was achieved after 32 h of SSF process using ultrasound (60 °C, 2.5 min before and 2.5 min after addition of enzyme Termamyl SC) and microwave (80 W, 2.5 min before and 2.5 min after addition of enzyme Termamyl SC) pretreatments, respectively. Under the optimal conditions, it was shown that higher values of ethanol concentration and other process parameters were achieved in immobilized system, compared to cell free system. Also, it was demonstrated that immobilized cells exhibited an elevated tolerance to higher substrate and product concentrations compared to the free cells. During ethanol production with yeast recirculation, the yeast cells entrapped in Ca-alginate showed good physical and chemical stability after 3 days, and no substrate and product diffusion restrictions were noticed. In order to decrease total production costs and save energy, the SSF process of corn meal by immobilized yeast and with yeast activators (ZnSO4·7H2O 0.3 g/l and MgSO4·7H2O 2 g/l) was chosen to be an optimal process mode for bioethanol production. In this case the ethanol concentration of 10.23% w/w, the ethanol yield of 0.53 g/g, percentage of the theoretical ethanol yield of 94.1%, the volumetric productivity of 2.13 g/l·h and glucose consumption of 98.92% were achieved after 48 h of the process. Key words: bioethanol, alternative fuel, corn, two-step hydrolysis, amylase, glucoamylase, alcoholic fermentation, yeast Saccharomyces cerevisisae var. ellipsoideus, simultaneous saccharification and fermentation (SSF), yeast activators, microwaves, ultrasound, immobilization, recirculation, Ca-alginate. SADRŢAJ I TEORIJSKI DEO..............................................................................................................1 UVOD....................................................................................................................................2 1. ZNAĈAJ BIOETANOLA KAO ALTERNATIVNOG GORIVA...............................5 1.1. Proizvodnja i potrošnja energije u svetu.......................................................................5 1.2. Proizvodnja bioetanola kao goriva u svetu i kod nas - stanje i perspektive...........10 1.2.1. Severna i Latinska Amerika...............................................................................14 1.2.2. Evropska Unija...................................................................................................17 1.2.3. Azija...................................................................................................................21 1.2.4. Australija............................................................................................................22 1.2.5. Srbija..................................................................................................................22 1.3. Osnovne karakteristike bioetanola kao goriva.......................................................26 1.4. Ekološki znaĉaj primene bioetanola.....................................................................29 1.4.1. Emisija štetnih gasova pri sagorevanju motornih goriva i bioetanola ..........30 1.4.2. Odrţivi razvoj u funkciji zaštite ţivotne sredine...............................................35 2. SIROVINE ZA PROIZVODNJU BIOETANOLA.....................................................36 2.1. Šećerne sirovine..........................................................................................................38 2.2. Lignocelulozne sirovine..............................................................................................39 2.3. Nus proizvodi raznih tehnologija................................................................................41 2.4. Skrobne sirovine..........................................................................................................42 2.4.1. Kukuruz kao sirovina za proizvodnju bioetanola...............................................45 2.4.2. Skrob...................................................................................................................48 3. TEHNOLOGIJA PROZVODNJE BIOETANOLA....................................................51 3.1. Osnovne faze proizvodnje bioetanola.......................................................................51 3.2. Priprema skrobnih sirovina za alkoholnu fermentaciju............................................52 3.2.1. Hidroliza kukuruznog skroba..........................................................................52 3.2.1.1. Dvojno-enzimski postupak hidrolize skroba......................................55 3.2.1.2. Enzimi koji katalizuju hidrolizu skroba..............................................57 3.2.2. Primena ultrazvuka i mikrotalasa kao predtretmana za dobijanje hidrolizata kukuruza.........................................................................60 3.2.2.1. Predtretman ultrazvukom.....................................................................60 3.2.2.2. Predtretman mikrotalasima...................................................................64 3.3. Alkoholna fermentacija.............................................................................................66 3.3.1. Faktori koji utiĉu na tok i efikasnost alkoholne fermentacije.........................67 3.3.2. Karakteristike proizvodnih mikroorganizama.................................................73 3.3.2.1. Kvasci.................................................................................................73 3.3.2.1.1. Istorija, rasprostranjenost i morfološke karakteristike kvasaca.........................................................73 3.3.2.1.2. Klasifikacija kvasaca...........................................................75 3.3.2.1.3. Metabolizam kvasaca...........................................................80 3.3.2.1.4. Rast i razmnoţavanje kod kvasaca......................................84 3.3.2.1.5. Kvasci kao producenti bioetanola........................................87 3.3.2.2. Bakterije.............................................................................................90 3.3.3. Alkoholna fermentacija sa imobilisanim mikroorganizmima..........................92 3.3.4. Metode izvoĊenja fermentacije u proizvodnji bioetanola...............................95 3.4. Izdvajanje proizvoda.................................................................................................98 3.5. Sporedni proizvodi u proizvodnji bioetanola..........................................................103 3.6. Tehno-ekonomski aspekti proizvodnje bioetanola..................................................105 II EKSPERIMENTALNI DEO.......................................................................................108 4. MATERIJALI I METODE RADA……………………………………….......……..109 4.1. Materijali.............................................................................................................109 4.2. Metode .................................................................................................................111 4.2.1. IzvoĊenje dvojno-enzimske hidrolize........................................................111 4.2.2. Predtretman suspenzije kukuruznog brašna ultrazvukom........................113 4.2.3. Predtretman suspenzije kukuruznog brašna mikrotalasima......................113 4.2.4. Priprema laboratorijske kulture..................................................................114 4.2.5. Testovi karakterizacije kvasca S. cerevisiae var. ellipsoideus.................115 4.2.6. IzvoĊenje alkoholne fermentacije...............................................................116 4.2.7. IzvoĊenje postupka simultane saharifikacije i fermentacije (SSF)...........118 4.2.8. Postupak imobilizacije ćelija kvasca S. cerevisiae var. ellipsoideus u Ca- alginatu..........................................................................................118 4.2.9. OdreĊivanje sadrţaja redukujućih šećera u hidrolizatu.............................120 4.2.10. OdreĊivanje sadrţaja etanola...........................................................122 4.2.11. OdreĊivanje ukupnog broja ćelija kvasca..............................................124 4.2.11.1. Kohova metoda agarne ploĉe..................................................124 4.2.11.2. Direktno brojanje pomoću komora za brojanje po Rosenthal-u.........................................................................124 4.2.12. Polarimetrijska metoda za odreĊivanje sadrţaja kukuruznog skroba....125 4.2.13. Metoda za odreĊivanje sadrţaja suve materije.......................................127 5. REZULTATI I DISKUSIJA........................................................................................129 5.1. Dvojno-enzimska hidroliza skroba kukuruznog brašna....................................129 5.1.1. Hemijski sastav kukuruzne krupice i kukuruznog brašna..............................129 5.1.2. Uticaj koncentracije enzima Termamyl SC na promenu koncentracije i prinosa glukoze nakon likvefakcije skroba kukuruzne krupice pri razliĉitim hidromodulima...............................................................................130 5.1.3. Uticaj koncentracije enzima Termamyl SC na promenu koncentracije i prinosa glukoze nakon likvefakcije skroba kukuruznog brašna pri razliĉitim hidromodulima..............................................................................132 5.1.4. Uticaj koncentracije enzima SAN Extra L na promenu koncentracije i prinosa glukoze nakon dvojno-enzimske hidrolize skroba kukuruzne krupice i kukuruznog brašna pri konstantnoj koncentraciji enzima Termamyl SC i razliĉitim hidromodulima......................................................134 5.1.5. OdreĊivanje optimalne koncentracije enzima Termamyl SC u fazi likvefakcije skroba kukuruznog brašna pri hidromodulu 1:3........................138 5.1.6. OdreĊivanje optimalne koncentracije enzima SAN Extra L u fazi saharifikacije skroba kukuruznog brašna pri hidromodulu 1:3......................143 5.1.7. Kinetika dvojno-enzimske hidrolize skroba kukuruznog brašna....................145 5.2. Alkoholna fermentacija hidrolizata kukuruznog brašna..................................147 5.2.1. Ispitivanje fermentativne sposobnosti razliĉitih sojeva kvasaca na hidrolizatu kukuruznog brašna.......................................................................147 5.2.2. Karakterizacija proizvodnog mikroorganizma Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus................................................................................................149 5.2.3. Alkoholna fermentacija sa slobodnim ćel. kvasca S. cerevisiae var. ellipsoideus.......................................................................................................150 5.2.3.1. Uticaj poĉetne koncentracije glukoze na tok alkoholne fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna pri konstantnoj koliĉini inokuluma....150 5.2.3.2. Uticaj koliĉine inokuluma na tok alkoholne fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna pri optimalnoj poĉetnoj koncentraciji glukoze......154 5.2.3.3. Uticaj dodatka razliĉitih aktivatora (mineralnih soli i vitamina) na tok alkoholne fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna pri optimalnim vrednostima poĉetne koncentracije glukoze i koliĉine inokuluma......157 5.2.3.4. Proizvodnja etanola u postupku simultane saharifikacije i fermentacije (SSF) kukuruznog brašna.......................................................................164 5.2.3.4.1. Uticaj temperature na tok SSF procesa..................................164 5.2.3.4.1. Uticaj dodatka razliĉitih aktivatora (mineralnih soli i vitamina) na tok SSF procesa................................................170 5.2.3.5. PoreĊenje SHF (odvojena saharifikacija i fermentacija) i SSF (simultana saharifikacija i fermentacija) procesa kukuruznog brašna, sa i bez dodatka aktivatora kvasca.......................177 5.2.3.6. Uticaj ultrazvuka kao predtretmana na poboljšanje kvaliteta hidrolizata kukuruznog brašna i proizvodnju etanola tokom SSF procesa ...............................................................179 5.2.3.6.1. Uticaj vremena dejstva ultrazvuka na koncentraciju glukoze nakon dvojno-enzimske hidrolize kukuruznog brašna.............................................................179 5.2.3.6.2. Uticaj dejstva ultrazvuka na kinetiku enzimske hidrolize kukuruznog brašna pri optimalnom vremenu i razliĉitoj temperaturi soniciranja........................183 5.2.3.6.3. Uticaj dejstva ultrazvuka kao predtretmana na kinetiku SSF procesa pri optimalnom vremenu i temperaturi dejstva ultrazvuka.............................................186 5.2.3.7. Uticaj mikrotalasa kao predtretmana na poboljšanje kvaliteta hidrolizata kukuruznog brašna i proizvodnju etanola tokom SSF procesa.............................................................................190 5.2.3.7.1. Uticaj snage mikrotalasa na koncentraciju glukoze nakon dvojno-enzimske hidrolize kukuruznog brašna........190 5.2.3.7.2. Uticaj vremena dejstva mikrotalasa na koncentraciju glukoze nakon dvojno-enzimske hidrolize kukuruznog brašna..............................................................192 5.2.3.7.3. Uticaj dejstva mikrotalasa kao predtretmana na kinetiku SSF procesa pri optimalnom vremenu i snazi dejstva mikrotalasa.....................................................198 5.2.4. Alkoholna fermentacija sa imobilisanim ćelijama kvasca S. cerevisiae var. ellipsoideus................................................................................................202 5.2.4.1. Uticaj poĉetne koncentracije glukoze na tok alkoholne fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna pri konstantnoj koliĉini inokuluma imobilisanog kvasca...........................................202 5.2.4.2. Uticaj koliĉine inokuluma imobilisanog kvasca na tok alkoholne fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna pri optimalnoj poĉetnoj koncentraciji glukoze........................................206 5.2.4.3. PoreĊenje proizvodnje bioetanola pomoću slobodnih i imobilisanih ćelija kvasca tokom SHF procesa (odvojene saharifikacije i fermentacije).............................................................208 5.2.4.4. Kinetika alkoholne fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna sa recirkulacijom imobilisanih ćelija kvasca.........................210 5.2.4.5. Proizvodnja etanola u postupku simultane saharifikacije i fermentacije (SSF) kukuruznog brašna pomoću imobilisanog kvasca.................................................................................................213 5.2.4.5.1. Uticaj temperature na tok SSF procesa..............................213 5.2.4.5.2. Uticaj dodatka razliĉitih aktivatora (mineralnih soli i vitamina) na tok SSF procesa....................................218 5.2.4.6. PoreĊenje proizvodnje bioetanola pomoću slobodnih i imobilisanih ćelija kvasca tokom SSF procesa kukuruznog brašna sa i bez dodatka aktivatora......................................................223 ZAKLJUĈAK...................................................................................................................227 LITERATURA.................................................................................................................232 PRILOG............................................................................................................................251 Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 1 TEORIJSKI DEO Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 2 UVOD Svetsko društvo je danas suoĉeno sa kompleksnim ekonomskim i ekološkim pitanjima koja se odnose na potrošnju i primenu energije. Usled rasta populacije i znaĉajnog industrijskog i privrednog razvoja dolazi do neprekidnog porasta potrošnje energije u njenim razliĉitim oblicima, uprkos znatnom povećanju cene energije poslednjih godina i znaĉajnim negativnim uticajima na ţivotnu sredinu. U XX veku svetska potrošnja energije je povećana ĉak 17 puta. Zbog ograniĉenosti i iscrpljenosti konvencionalnih izvora energije, kao što su fosilna goriva, neophodno je preduzeti krupne korake u sprovoĊenju planova odrţivog razvoja koji obezbeĊuju racionalno korišćenje postojećih energetskih resursa, kao i pronalaţenje novih, obnovljivih (alternativnih) izvora energije. Jedan od znaĉajnih alternativnih izvora energije je bioetanol koji predstavlja obnovljivo i ekološki pogodno biogorivo, odnosno biodegradibilan izvor energije koji obezbeĊuje odrţivi razvoj [1, 2]. Svetska proizvodnja etanola u 2007. god. iznosila je oko 50 milijardi litara, a od 2000. godine dolazi do postepenog porasta ukupne proizvodnje (prema dugoroĉnoj proceni svetska proizvodnja bioetanola bi bila oko 80 milijardi litara u 2010. godini) [3]. Razlozi za svetski trend povećanja korišćenja bioetanola kao goriva su: velika raspoloţivost biomase kao sirovine za proizvodnju etanola, manji negativni efekti na ţivotnu sredinu od efekata koje imaju fosilna goriva (smanjenje emisije CO2), pozitivan neto energetski bilans (energija koja je sadrţana u toni etanola veća je od energije potrebne da se ona proizvede), smanjenje zavisnosti od uvoza nafte i njenih derivata u zemljama koje ne proizvode naftu, povećanje stope zaposlenosti, razvijanje ruralnih zajednica itd. Bioetanol se moţe proizvesti hemijskom sintezom ili fermentacijom.Od ukupne proizvodnje etanola u svetu preko 60% se proizvodi putem fermentacije [2, 4, 5]. Ovo biogorivo se moţe koristiti kao ĉist etanol (u posebno konstruisanim motorima) ili kao dodatak motornom benzinu [6]. Bioetanol se moţe dobiti iz razliĉitih sirovina: šećernih, skrobnih, lignoceluloznih sirovina i nus proizvoda raznih tehnologija. Da bi proizvodnja etanola biotehnološkim putem bila ekonomiĉna, potrebno je koristiti sirovinu koja je dovoljno jeftina i daje zadovoljavajući prinos etanola u što jednostavnijem procesu. Ţitarice, a posebno Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 3 kukuruz, se smatraju najperspektivnijim sirovinama za proizvodnju etanola u Srbiji. U postupku proizvodnje bioetanola, skrobne sirovine se prethodno enzimski tretiraju u dve uzastopne faze hidrolize (likvefakcija i saharifikacija) pomoću amilolitiĉkih enzima: α-amilaze i glukoamilaze. Nakon ove faze vrši se fermentacija šećera, koja se u klasiĉnim postupcima izvodi pomoću kvasaca (najĉešće iz roda Saccharomyces), a mogu se koristiti i odreĊene bakterije. Alkoholna fermentacija moţe se izvoditi pomoću slobodnih i imobilisanih ćelija. Poslednjih godina, veliku paţnju upravo je privukla imobilizacija ćelija kvasca s obzirom na prednosti koje ima u odnosu na slobodne ćelijske sisteme, a to su stabilnost kvasca, povećanje prinosa etanola i produktivnosti, mogućnost eliminacije inhibicije proizvodom i substratom itd. [7]. U Evropskoj Uniji proizvodnja bioetanola se posebno podstiĉe donošenjem direktive o korišćenju biogoriva (Direktiva 2003/30/EC) kojom se obavezuju zemlje ĉlanice da proizvedu ili obezbede na trţištu minimalne koliĉine biogoriva kojim bi se zadovoljili ciljevi da se do kraja 2005. godine obezbedi zamena od 2% fosilnih goriva, a do kraja 2010. od 5,75% mereno u odnosu na sadrţaj energije. Ova direktiva je u skladu sa Kjoto sporazumom potpisanim 1997. godine sa ciljem da se smanji emisija gasova koji doprinose efektu staklene bašte [8]. U Srbiji danas ne postoji organizovana proizvodnja i potrošnja bioetanola kao motornog goriva (iako je Srbija uvoznik znaĉajnog dela svoje potrošnje motornih goriva), i pored toga što poseduje neophodan preduslov, a to je raspoloţivost obnovljivim sirovinama tj. biomasom. Za proizvodnju energije koristi se svega oko 1,5% ukupne godišnje proizvodnje biomase, ali postoje odreĊeni trendovi i drţavne aktivnosti koje podrţavaju i promovišu efikasnije korišćenje energije biomase [9]. U Srbiji postoji teţnja ka prikljuĉenju globalnom projektu podsticanja proizvodnje bioetanola. MeĊutim, zbog velikih troškova samog procesa neophodno je intenzivno raditi na optimizaciji i usavršavanju postupaka proizvodnje na ĉemu je i baziran najveći broj nauĉno-istraţivaĉkih inicijativa. Cilj ove disertacije je razvijanje postupka dobijanja bioetanola kao alternativnog goriva iz kukuruza pomoću slobodnih i imobilisanih ćelija kvasca Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus. U prvom delu eksperimentalnog rada vršena je optimizacija procesa dvojno-enzimske hidrolize koja je izvoĊena pomoću enzima termostabilne α- amilaze Temamyl SC i glukoamilaze SAN Extra L. Kao sirovine korišćeni su kukuruzno brašno i kukuruzna krupica. Poĉetna koncentracija supstrata i poĉetna koncentracija Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 4 enzima su optimizovani za obe faze enzimske hidrolize sa aspekta kranjeg prinosa glukoze i mogućnosti daljeg izvoĊenja faze alkoholne fermentacije, u cilju dobijanja što većeg prinosa etanola kao krajnjeg proizvoda. Ispitana je primena predtretmana sirovine, dejstvom ultrazvuĉnih talasa i mikrotalasa, koji pospešuju razaranje skrobnih zrnaca a samim tim obezbeĊuju i efikasnije izvoĊenje enzimske hidrolize. Pri utvrĊenim optimalnim parametrima definisana je kinetika reakcije dvojno-enzimske hidrolize. U drugom delu eksperimentalnog rada vršena je optimizacija procesa alkoholne fermentacije dobijenih kukuruznih hidrolizata. Ispitane su fermentativne karakteristike kvasca Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus, s obzirom da se u klasiĉnim postupcima dobijanja etanola koristi kvasac gornjeg vrenja Saccharomyces cerevisiae. Reakcioni uslovi, kao što su poĉetna koncentracija glukoze, poĉetna koncentracija inokuluma i vreme trajanja fermentacije su optimizovani u cilju dobijanja što većeg prinosa etanola. Praćen je uticaj reakcionih uslova na promenu sadrţaja etanola, koncentracije glukoze i broja ćelija kvasca. Korišćene su slobodne i imobilisane ćelije kvasca i izvršeno je poreĊenje osnovnih procesnih parametara kako bi se odredilo koji je sistem superorniji. Kod imobilisanog sistema ispitana je mogućnost recirkulacije kvasca. Radi povećanja sadrţaja etanola i produktivnosti samog procesa ispitano je i obogaćivanje hidrolizata, kao fermentacionog medijuma, dodatkom odreĊenih aktivatora kvasca (vitamina i mineralnih soli), i u slobodnom i imobilisanom sistemu. U cilju dobijanja većeg prinosa etanola, kao i poboljšanja ekonomike procesa sa aspekta potrošnje energije i ukupne duţine trajanja procesa, ispitan je proces simultane saharifikacije i fermentacije (SSF proces). Pri odreĊenim optimalnim parametrima definisana je kinetika procesa alkoholne fermentacije. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 5 1. ZNAĈAJ BIOETANOLA KAO GORIVA 1.1. PROIZVODNJA I POTROŠNJA ENERGIJE Energija u uţem smislu podrazumeva sposobnost sistema (mašine) da izvrši rad ili proizvede drugi oblik energije. U najopštijem smislu, energija je jedan od oblika postojanja (egzistencije) materije. Tehno-fiziĉki gledano energija se javlja u razliĉitim oblicima, kao što su mehaniĉka, toplotna, elektriĉna, svetlosna, hemijska i nuklearna energija [10]. Energija predstavlja jedan od najvaţnijih ĉinilaca razvoja i funkcionisanja privrede i društva, osnovni pokretaĉ i deo svih ljudskih aktivnosti. Raspoloţivost energetskih izvora, korišćenje postojećih i pronalaţenje novih izvora energije, racionalna transformacija u finalne oblike potrošnje, stabilnost i sigurnost upotrebe presudno utiĉu na dinamiku razvoja i rasta privrede, društva i sveta u celini. Samim tim, kako bi se omogućio predviĊen privredni razvoj razvojna energetska politika svake zemlje treba da se usmeri ka obezbeĊivanju sigurnih i dovoljnih koliĉina energije, uz što niţe troškove i primenu mera i aktivnosti racionalnog korišćenja energije. Kroz istoriju, a i u sadašnjosti, zbog borbe oko pojedinih energetskih izvora dolazi do brojnih sukoba i ratova, a energetske krize su dovodile do poremećaja i kriza na globalnom nivou. O znaĉaju energije govori i ĉinjenica da su se industrijske revolucije pre svega razlikovale po otkrićima i primeni novih izvora energije. Prva industrijska revolucija po otkriću i primeni vodene pare, druga po otkriću i primeni nafte i elektriĉne energije, i treća pored otkrića i primene nuklearne energije i po usavršavanju postojećih izvora energije [11]. Energija se moţe podeliti na primarnu i sekundarnu (korisnu) energiju. Primarna energija se javlja u vidu obnovljivih (biomasa, energija vetra, solarna energija, hidroenergija i geotermalna energija) i neobnovljivih (ugalj, prirodni gas, nafta i njeni derivati i nuklearna energija) izvora energije. Sekundarna energija dobija se konverzijom ili transformacijom iz primarne energije ili drugih formi u elektriĉnu energiju, hidro i rafinacijske naftne proizvode [12]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 6 U tabeli 1.1. prikazana je struktura proizvodnje primarne energije u svetu u periodu od 1960-2005. god., kao i projekcija te strukture u 2020. godini [12, 13]. Tabela 1.1. Struktura proizvodnje primarne energije u svetu [12, 13] Vrsta izvora 1960 1973 2005 2020 Gten % Gten % Gten % Gten % Ugalj 1,39 42,2 1,50 24,4 2,89 25,3 3,35 25 Nafta 1,00 30,1 2,83 46,2 4,00 35,0 3,74 27,94 Prirodni gas 0,32 9,7 0,98 16,0 2,37 20,7 3,15 23,53 Nuklearna energija 0 0 0,055 0,90 0,72 6,30 0,89 6,62 Hidroelektriĉna energija 0,14 4,2 0,11 1,80 0,25 2,20 0,69 5,15 Obnovljivi izvori energije 0,45 13,8 0,65 10,70 1,21 10,50 1,58 11,76 Ukupno 3,3 100 6,13 100 11,44 100 13,4 100 (ten - tona ekvivalentne nafte, 1 ten = 4,1868·1010 J) Struktura primarne svetske proizvodnje prema energetskim izvorima ukazuje na okretanje ka ĉistijim, obnovljivim energetskim izvorima, kao i prirodnom gasu, odnosno smanjenju uĉešća konvencionalnih energetskih izvora. Primat u primarnoj proizvodnji i dalje ima nafta, ali je porast proizvodnje najviše ostvaren kod prirodnog gasa. U Srbiji, u 2004. godini, ukupna proizvodnja primarne energije iznosila je 13,56 Mten, a proizvodnja finalne energije 7,61 Mten. U periodu posle 2000. godine, nakon velikih oscilacija u kretanju energetske proizvodnje uslovljenih teškom ekonomskom situacijom u zemlji, došlo je do porasta proizvodnje i potrošnje primarne i finalne energije, ali još uvek nije dostignut nivo proizvodnje iz 1990. godine od 25 Mten. Struktura primarne energetske proizvodnje u našoj zemlji ukazuje na dominatno uĉešće uglja od oko 80% [12]. Obnovljivi izvori energije predstavljaju perspektivne izvore u našoj zemlji, ali za sada nemaju veći znaĉaj u ukupnom energetskom bilansu zemlje [14]. Po pitanju energenata Srbija je zavisna od uvoza, posebno kada su u pitanju teĉna goriva. Smatra se da će uvoz i dalje rasti ukoliko se politikom Vlade u oblasti energetike ne stvore uslovi za smanjenje uvoza, i to pre svega stimulacijom korišćenja preostalih domaćih energetskih resursa, korišćenjem obnovljivih izvora energije i povećanjem energetske efikasnosti [15]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 7 Usled znaĉajnog industrijskog i privrednog razvoja, porasta broja stanovništva i naglog razvoja društva uopšte, došlo je do znaĉajnog porasta potrošnje energije uprkos izraţenim negativnim uticajima na ţivotnu sredinu. Od kraja XIX veka potrošnja energije je rasla po relativno visokim stopama rasta. U periodu od 1870. do 1970. godine potrošnja energije je povećana 32 puta sa proseĉnom stopom rasta od 3,5% [12]. Ovakvo stanje je dovelo do brzog iscrpljivanja pronaĊenih energetskih izvora, odnosno do intenzivnog istraţivanja i eksploatacije novih energetskih resursa. Tu je i doprinos "energetske krize" jer je omogućila intenzivan razvoj politike racionalnog korišćenja i štednje energije, kao i prestruktuiranje potrošnje uz znaĉajan razvoj istraţivanja i ulaganja u energetsku privredu u mnogim zemljama sveta. Na slici 1.1. prikazan je hronološki porast potrošnje energije u svetu u periodu od 1980. do 2006. godine [16]. 283 280 299 316 338 348 349 357 375 382 399 410 447 472 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 19 80 19 82 19 84 19 86 19 88 19 90 19 92 19 94 19 96 19 98 20 00 20 02 20 04 20 06 Energija, 10 exp (15) Btu Slika 1.1. Svetska potrošnja primarne energije u periodu 1980-2006. god. [16] (1 Btu = 1055,06 MJ = 2,52· 10-8 Mten ) Ukupna svetska potrošnja energije u 2006. godini iznosila je 472·1015 Btu, odnosno 11,9 Gten. Analiza energetskih resursa zemalja u svetu ukazuje da 79% ĉoveĉanstva ţivi u delu sveta u razvoju raspolaţući sa 30% globalne potrošnje energije, dok više od 2 milijarde ljudi u svim regionima ne raspolaţe energijom, ĉak ni za svoje potrebe. Da bi Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 8 današnja svetska populacija imala istu proseĉnu potrošnju energije po stanovniku, svetska proizvodnja energije treba da se poveća ĉetiri puta [11]. Razvijene zemlje, ukljuĉujući i zemlje van OECD-a („The Organization for Economic Cooperation and Development“), troše oko 60% ukupne energije u svetu, a u ukupnoj strukturi stanovništva ĉine samo oko 25%. Zemlje u razvoju danas troše oko 40% od ukupne svetske potrošnje energije. Naime, najveći porast energetske potrošnje ostvaren je u Kini – proseĉna godišnja stopa rasta iznosi 5,55% u poslednjih 25 godina. U 2004. godini potrošnja finalne energije u svetu imala je sledeću strukturu po sektorima – industrija 41,4%, transport 1,8% i ostali sektori široke potrošnje 56,8% [13]. Upravo zbog ovakvog stanja u svetskoj potrošnji energije korišćenje ĉistijih, obnovljivih izvora energije treba da oblikuje budući razvoj energetike i društva. Ukupna svetska potrošnja obnovljivih izvora energije u 2007. godini iznosila je 1,23 Gten [13], a procenjuje se da će energetske potrebe u 2050. god. biti oko 20 Gten [12]. Na osnovu podataka Ameriĉke administracije za energetske informacije o raspodeli potrošnje energije po tipu, prikazanih na slici 1.2., moţe se videti da iako se oĉekuje znaĉajan porast potrošnje energije iz obnovljivih izvora predviĊen je ipak brţi porast potrošnje energije iz neobnovljivih izvora, kao što su nafta, ugalj i prirodni gas. Podaci jasno ukazuju da će i u periodu do 2030. godine najznaĉajniji izvor energije biti sirova nafta [4]. Slika 1.2. Svetska potrošnja energije po tipu energije za period 1980–2030. god. [4] Analiza uĉešća pojedinih energenta u potrošnji primarne energije u Srbiji, u periodu od 1990. god. do danas, ukazuje na to da najveći udeo ima ugalj, zatim nafta, prirodni gas, a najmanji hidroenergija [12]. Ukoliko se razmatra potrošnja finalne energije po vrstama Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 9 moţe se reći da u Srbiji primat imaju teĉna goriva, zatim elektriĉna energija, gasovita goriva i na kraju ĉvrsta goriva. U 2004. godini ukupna potrošnja finalne energije iznosila je 7,31 Mten, sa sledećom strukturom – teĉna goriva 38,11%, elektriĉna energija 29,17%, gasovita goriva 20,50% i ĉvrsta goriva 12,22% [12]. Srbija raspolaţe znaĉajnim potencijalima obnovljivih energetskih izvora, ali su oni još uvek na nivou niskog stepena, odnosno stepena lokalnog korišćenja. Ukupan energetski potencijal svih obnovljivih izvora energije u Srbiji je oko 3 Mten godišnje, pri ĉemu obnovljiva poljoprivredna i šumska biomasa predstavlja 80% od ukupne obnovljive energije. U tabeli 1.2. prikazan je energetski potencijal biomase u Srbiji koji iznosi oko 108.000 TJ godišnje (odnosno 2,58 Mten) [12]. Od te koliĉine 65.000 TJ (~1,68 Mten) godišnje predstavlja energetski potencijal od poljoprivredne biomase, dok je oko 43.000 TJ (~1,0 Mten) godišnje energetski potencijal šumske biomase. Od navedenih potencijala trenutno se za proizvodnju energije koristi svega oko 1,5% ukupne godišnje proizvodnje biomase, ali postoje odreĊeni trendovi i drţavne aktivnosti koje podrţavaju i promovišu efikasnije korišćenje biomase. Naime, u 2001. god. drţava je usvojila plan nacionalne energetske efikasnosti koji promoviše korišćenje obnovljivih izvora energije. Jedan od postavljenih prioriteta je povećanje korišćenja energije biomase sa tadašnjih 1% na 4,5% do 2010. godine, kao i povećanje energetske efikasnosti za 20% do 2010. godine [15]. Ovi prioriteti su ugraĊeni i u nacionalni Zakon o energiji koji je usvojen 2004. godine [9]. Tabela 1.2. Proseĉan energetski potencijal biomase u Srbiji [12] Vrsta Struktura Energetski potencijal, TJ/god Ukupno, TJ/god drvna biomasa drvo za grejanje 10.000 42.500 drvni šumski otpad 23.000 drvni otpad iz industrije 2.800 vanstatistiĉka seĉa 6.700 poljoprivredna biomasa ratarstvo 40.000 65.000 voćnjaci i vinogradi 25.000 Ukupno 107.500 Na osnovu svega reĉenog moţe se videti da se svet susreće sa rastućim trendom potrošnje i potrebe energije, kao posledice demografske ekspanzije i privrednog razvoja. S obzirom na to da su klasiĉna fosilna goriva iscrpljiva i da negativno utiĉu na ţivotne Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 10 sredinu, neophodno je poštovati koncept odrţivog razvoja koji obezbeĊuje povećanje racionalnog korišćenja postojećih energetskih resursa, kao i pronalaţenje obnovljivih, alternativnih izvora energije. MeĊu alternativnim izvorima energije znaĉajno mesto zauzimaju biogoriva, meĊu kojima je znaĉajan bioetanol kao obnovljivo i ekološki pogodno gorivo namenjeno za supstituciju motornog benzina. Razlozi koji utiĉu na povećanje korišćenja biogoriva su: neprekidni porast potrošnje energije do 2030. godine, a naroĉito u sektoru transporta, visok porast cena sirove nafte, politiĉka nestabilnost u zemljama koje su veliki proizvoĊaĉi sirove nafte, dominatna primena motora sa unutrašnjim sagorevanjem, i kompatibilnost biogoriva sa distributivnom mreţom motornih goriva, kao i pozitivan ekološki aspekt (smanjenje efekta staklene bašte) kao jedan od vodećih aspekata i u budućnosti. 1.2. PROIZVODNJA BIOETANOLA KAO GORIVA U SVETU I KOD NAS - STANJE I PERSPEKTIVE Pod gorivom se podrazumeva sagorljiva supstancija koja pri hemijskoj reakciji oksidacije, ili nukearnoj reakciji fisije ili fuzije atomskog jezgra, oslobaĊa toplotu [17]. Biogoriva predstavljaju teĉna ili ĉvrsta goriva koja se mogu proizvesti iz biomase i generalno imaju pozitivne efekte na zaštitu ţivotne sredine (smanjuju emisiju CO2). U odnosu na konvencionalna goriva koja su po hemijskom sastavu uglavnom ugljovodonici, biogoriva imaju zastupljeno manje ili više kiseonika pa se još nazivaju i oksigenovana goriva (oksigenatori). Bioetanol je jedan od znaĉajnih alternativnih, obnovljivih izvora energije koji spada u biogoriva (pored biodizela, biometanola i dr.). Dobija se fermentacijom iz obnovljivih sirovina, taĉnije fermentacijom šećera prisutnih u biomasi ili šećera dobijenih prethodnom enzimskom konverzijom sastojaka biomase. Znaĉajan je supstituent fosilnog goriva i u mnogim zemljama se već koristi kao dodatak motornom benzinu, te je svrstan u strateške sirovine. Osnovna namena etanola moţe se svrstati u tri oblasti: a) za korišćenje u industriji kao sirovina ili rastvaraĉ, b) za proizvodnju alkoholnih pića, i c) kao gorivo (slika 1.3.) [5]. Najstariju tradiciju ima proizvodnja etanola za alkoholna pića, a Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 11 najveća po kapacitetu u svetu je proizvodnja etanola kao goriva [4]. U 2007. godini, 73% od ukupno proizvedenog etanola u svetu koristilo se za gorivo, 17% za alkoholna pića i 10% u industrijske svrhe [18]. Etanol se moţe proizvesti hemijskom sintezom ili fermentacijom. Od ukupne proizvodnje etanola u svetu preko 60% se proizvodi putem fermentacije [19]. Slika 1.3. Obim svetske proizvodnje bioetanola za razliĉite namene [5] Naime, ideja o primeni etanola kao biogoriva nije nova. Korišćenje etanola kao goriva zapoĉeto je još 1860. godine kada je izumitelj motora Nikolaus Otto konstruisao ĉetvorotaktni motor sa pogonom na etanol. Henry Ford je 1880. god. u jedan od svojih prvih automobila („kvadricikl“) ugradio motor takoĊe sa pogonom na etanol. Etanol kao gorivo koristio je i kasnije kod popularne T-serije njegovih automobila koji su proizvedeni u 15 miliona primeraka u periodu od 1908. do 1927. god. Pre taĉno 100 godina, davne 1908. godine, Henry Ford je već uvideo mogućnost korišćenja biomase u proizvodnji bioetanola i znaĉaj njegove primene kao goriva što pokazuje i ovaj citat: „Moţemo dobiti gorivo iz voća, iz biljke sumah kraj puta, ili iz jabuka, korova, strugotine; skoro iz bilo ĉega...i ostaje na nekom da pronaĊe kako se ovo gorivo moţe proizvesti komercijalno - Svetska proizvodnja etanola za različite namene (miliona litara) Gorivo Industrija Alkoholna pića Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 12 bolje gorivo po boljoj ceni nego što to znamo danas“ („We can get fuel from fruit, from the sumac by the roadside, or from apples, weeds, sawdust; almost anything...and it remains for someone to find how this fuel can be produced commercially - better fuel at a better price than we now know“) [20]. Postavlja se pitanje - da li je tokom prošlog veka zaista izvršen znaĉajan napredak i u pronalaţenju novih ĉistijih tehnologija i u zaštiti ţivotne sredine? Da li se poĉelo na vreme s obzirom na to da je stanje u potrošnji energije, zagaĊenja ţivotne sredine i porasta populacije već alarmantno? Etanol su kasnije potisnula jeftina goriva na bazi nafte koja su imala dominaciju sve do pojave naftne krize. U periodu naftnih kriza koristio se gashol koji je mešavina 10% etanola i 90% benzina. Stabilizacijom svetskog trţišta etanol je ponovo potisnut izuzev kod zemalja sa jeftinom šećernom sirovinom, kakav je sluĉaj u Brazilu. Suštinski obrt u odnosu na etanol se dešava poslednjih godina kada se sve više pooštravaju zakonski propisi u pogledu emisije izduvnih gasova, i kada je dominantan ekološki aspekt primene bioetanola kao goriva. U tabeli 1.3. je prikazana proizvodnja bioetanola u pojedinim zemljama sveta (prvih 15 najvećih proizvoĊaĉa) u periodu od 2004. do 2007. godine [21, 22]. Kao što se moţe videti u tabeli 1.3. i na slici 1.3., svetska proizvodnja etanola je u 2007. godini iznosila oko 50 milijardi litara. Od 2000. god. dolazi do postepenog porasta ukupne proizvodnje, a prema dugoroĉnoj proceni svetska proizvodnja bioetanola bi bila oko 80 Gl u 2010. godini (slika 1.3.) [5]. Ukupna proizvodnja etanola u 2006. god iznosila je oko 46 Gl, od ĉega oko 33 Gl etanola se koristilo kao gorivo, a ostatak za alkoholna pića i u industriji. Ova koliĉina etanola kao goriva predstavljala je 2% od tadašnje ukupne potrošnje benzina u svetu [23]. Glavni proizvodjaĉi etanola u svetu u 2007. godini su Brazil i SAD, koji zajedno proizvode 88% od ukupne svetske proizvodnje (tabela 1.3.) [21, 22]. Pre oko 10 godina svega nekoliko zemalja je proizvodilo etanol za gorivo. U 2003. godini broj zemalja u svetu koje prozvode etanol kao gorivo se povećao na 13, a prema predviĊanjima oĉekuju se znaĉajne investicije u nova postrojenja u Americi, Evropskoj Uniji kao i u Indiji, Tajlandu, Kini, Australiji i Japanu [5]. Tabela 1.3. Proizvodnja bioetanola u pojedinim zemljama sveta (TOP 15) u periodu od 2004. do 2007. godine [21, 22] Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 13 Ukupna proizvodnja bioetanola, miliona litara/god Rang Zemlja 2004 2005 2006 Rang Zemlja/Region 2007 1 SAD 13.380 16.142 18.378 1 SAD 24.600 2 Brazil 15.100 16.000 17.000 2 Brazil 19.000 3 Kina 3.650 3.800 3.850 3 EU 2.160 4 Indija 1.749 1.700 1.900 4 Kina 1.840 5 Francuska 829 908 950 5 Kanada 800 6 Nemaĉka 269 432 765 6 Tajland 300 7 Rusija 750 750 647 7 Kolumbija 284 8 Kanada 231 230 579 8 Indija 200 9 Španija 300 352 462 9 Centralna Amerika 150 10 Juţna Afrika 416 390 386 10 Australija 100 11 Tajland 280 300 352 11 Turska 60 12 Velika Britanija 401 348 280 12 Pakistan 35 13 Ukrajna 250 246 269 13 Peru 30 14 Poljska 200 219 250 14 Argentina 19 15 Saudijska Arabija 300 121 197 15 Paragvaj 18 Ukupno 38.105 41.938 46.265 Ukupno 49.596 Razlozi za svetski trend povećanja korišćenja bioetanola kao goriva su: velika raspoloţivost biomase kao sirovine za proizvodnju etanola, manji negativni efekati na ţivotnu sredinu od efekata koje imaju naftna goriva ili iz nafte izvedeni dodaci gorivima (smanjenje emisije CO2), smanjenje zavisnosti od uvoza nafte i njenih derivata u zemljama koje ne proizvode naftu, povećanje stope zaposlenosti, razvijanje ruralnih zajednica itd. [4]. Jedan od razloga je i što etanol ima pozitivan neto energetski bilans, odnosno energija koja je sadrţana u toni etanola veća je od energije potrebne da se ona proizvede [5]. Prema podacima koje je Grassi [24] prikazao u svom radu odnos energije output-a i input-a za proces proizvodnje bioetanola iz kukuruza iznosi 1,30, što znaĉi da za svaku jedinicu energije unete u proces dobija se 30% energije više. Ukoliko se kao sirovina koristi šećerna trska taj odnos je mnogo veći, u opsegu od 2,5-10,2. Za benzin odnos energije output/input Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 14 je 0,805 (za svaku jedinicu energije koja se iskoristi za prozvodnju benzina dobija se 19,5% manje energije - negativan neto energetski bilans). [20]. U tekstu koji sledi najviše paţnje posvećeno je Sjedinjenim Ameriĉkim Drţavama (SAD) i Brazilu, kao najvećim proizvoĊaĉima i potrošaĉima bioetanola kao goriva, ali i ostalim znaĉajnim proizvoĊaĉima etanola u svetu, kako bi se sagledalo trenutno stanje i razmotrile mogućnosti za budući razvoj i primenu biogoriva u skladu sa odrţivim razvojem. 1.2.1. Severna i Latinska Amerika U SAD-u, kao najvećem proizvoĊaĉu etanola u svetu predviĊa se izuzetno veliki dalji rast proizvodnje etanola kao goriva. Procenjuje se da će proizvodnja etanola sa sadašnjih 6,5 milijardi galona (oko 25 milijardi litara) porasti do 2015. godine na oko 15 milijardi galona [21, 22]. Ipak, i trenutna proizvodnja koja je velikog obima predstavlja samo 4% od ukupne koliĉine benzina koja se troši u SAD-u. Glavna sirovina za proizvodnju etanola u SAD-u je kukuruz (oko 90% bioetanola se proizvodi iz kukuruza) [20]. Koriste se smeše sa dodatim manjim procentom etanola motornom benzinu (10% vol.), dok Brazilski program (ProAlcohol) promoviše korišćenje smeša sa većom koliĉinom etanola [4]. Naime, nekoliko proizvoĊaĉa motornih vozila, kao što su Ford, Chrysler i GM, prodaju fleksibilna vozila koja mogu koristiti benzin ili razliĉite smeše etanola i benzina (do 85% udela etanola). Trenutno postoji 1.587 stanica koje distribuiraju bioetanol kao gorivo [25]. U oktobru 2008. god. pušten je u rad prvi „biogorivo koridor“ duţ meĊunarodnog autoputa u centralnoj oblasti SAD-a (od severa Indijane do juga Alabame) koji saĉinjava više od 200 stanica koje snadbevaju vlasnike „fleksi“ vozila bioetanolom [26]. Kako bi se promovisala sve veća proizvodnja i upotreba biogoriva (i smanjilo korišćenje i uvoz fosilnih goriva) u SAD-u su razvijene i uvedene razliĉite zakonske regulative i nacionalni planovi. Jedan od najznaĉajnijih koraka je uvoĊenje nacionalnog plana „Energy Policy Act“ u 2005. god. (EPAct 2005) koji sadrţi brojne mere vezane za energetsku efikasnost, modernizaciju energetske infrastrukture i promociju korišćenja obnovljivih izvora energije. TakoĊe, ovaj plan podrazumeva potpunu saradnju izmeĊu Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 15 vlade, industrije i akademskih institucija kako bi se dalje razvijale tehnologije za proizvodnju biogoriva. U ĉlanu XV ovog akta ukljuĉeni su i Standardi za obnovljiva goriva prema kojima se zahteva da se 15 Gl godišnje etanola meša sa benzinom do 2006. god., a do kraja 2012. god. da ova cifra poraste na 28,4 Gl/god. Nekoliko drţava je preduzelo ozbiljne korake u razvijanju tehnologija i povećanju korišćenja biogoriva, meĊu kojima se izdvaja Kalifornija. U zajedniĉkom izveštaju pod nazivom „Smanjenje zavisnosti od nafte u Kaliforniji“ (Reducing California’s Petroleum Dependency) koje su podnele dve agencije (California Energy Commision CEC i California Air Resources Board) u 2003. godini, predlaţe se da do kraja 2020. godine alternativna goriva ĉine 20% od ukupne koliĉine goriva koja se koristi u sektoru transporta, a 30% do kraja 2030. godine. Kako bi se „agresivnije“ nastavilo sa smanjenjem korišćenja fosilnih goriva, 2007. godine donet je Zakon o energetskoj nezavisnosti i sigurnosti (Energy Independency and Security Act) koji predlaţe mnogo stroţije standarde za obnovljiva goriva u poreĊenju sa planom iz 2005. god. MeĊu ovim standardima je i taj da se dostigne proizvodnja od 132,5 Gl godišnje do kraja 2020. god. (od ĉega skoro 50% moraju biti biogoriva dobijena iz nejestivih, lignoceluloznih sirovina) [27]. Brazil je jedan od vodećih svetskih proizvoĊaĉa etanola kao goriva iz šećerne trske, sa proizvodnjom od oko 19 milijardi litara godišnje u 2007. godini (tabela 1.3.). Trenutno postoji 325 fabrika koji preraĊuju 425 miliona tona godišnje šećerne trske, od ĉega jedna polovina se koristi za proizvodnju šećera a druga za proizvodnju etanola. Etanol proizveden u Brazilu zamenjuje oko 1,5% od ukupno korišćenog benzina u svetu. Ukoliko se nastavi sadašnja stopa rasta proizvodnje etanola u Brazilu i ako ostale zemlje delimiĉno prate etanol program usvojen u Brazilu, moguće je da se 10% od ukupno korišćenog benzina u svetu zameni etanolom u sledećih 15-20 godina [28]. Od ukupno proizvedenog etanola u Brazilu oko 20% se izvozi u SAD, EU i na ostala trţista. Od 2006. god. Brazil je jedina zemlja koja ne uvozi bioetanol i koja je potpuno zavisna samo od svojih postojećih kapaciteta proizvedenog bioetanola. U Brazilu proseĉan odnos energije output-a i input-a iznosi 9,2 [24]. Tipiĉni brazilski „fleksi“ modeli automobila razliĉitih proizvoĊaĉa mogu koristiti smešu etanola i benzina od E20-E25 do ĉistog E100 goriva [29, 30]. Ukoliko se uporedi proizvodnja bioetanola u SAD-u i Brazilu, moţe se reći da je brazilska proizvodnja ovog goriva zasnovana na šećernoj trsci mnogo efikasnija nego proizvodnja u SAD-u. Cena proizvodnje bioetanola u Brazilu iznosi 22 centa/l, a u SAD-u Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 16 35 centa/l. Ono što povećava troškove proizvodnje etanola iz kukuruza je neophodan proces konverzije skroba do fermentabilnih šećera. MeĊutim, jedna od prednosti proizvodnje etanola iz kukuruza u SAD-u je mogućnost vraćanja jedne trećine sirovine na trţište u vidu dţibre koja se moţe koristiti kao stoĉna hrana. Ukupna obradiva zemlja u Brazilu je 355 miliona hektara, a u SAD-u 270 miliona hektara; od toga se 1% od ukupne obradive površine koristi za šećernu trsku u Brazilu, a 3,7% se koristi za uzgajanje kukuruza u SAD-u. U Brazilu je ostvarena produktivnost od 6.800-8.000 litara etanola po hektaru, a u SAD-u 3.800-4.000 litara etanola po hektaru. Odnos energije output-a i input-a u Brazilu iznosi od 8,3 do 10,2, a u SAD-u je mnogo manji, od 1,3 do 1,6. Proseĉna redukcija emisije gasova staklene bašte u Brazilu i SAD-u je 86-90% i 10-30%, respektivno [28, 31, 32]. Na slici 1.4. prikazana je proizvodnja etanola kao goriva u SAD-u i Brazilu, kao i ukupna svetska proizvodnja, u periodu od 1982. do 2006. godine [23]. Slika 1.4. Proizvodnja etanola kao goriva u SAD-u, Brazilu i u svetu, u periodu od 1982. do 2006. god. [23] Kanada takodje promoviše primenu i proizvodnju etanola, i to na bazi lignoceluloznih sirovina (razna drvna biomasa). Prema Kanadskom planu do 2010. god. će se ostvariti proboj E10 smeša na 35% trţišta, što podrazumeva proizvodnju etanola od oko 1,33 Gl godišnje. Prema sadašnjem stanju, postrojenja za proizvodnju bioetanola su Ostale zemlje SAD Brazil Godina P ro iz v o d n ja e ta n o la k a o g o ri v a , G l Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 17 locirana uglavnom u oblasti Ontario, mada su u planu investicije u nova postrojenja. Kanadska vlada je 1. aprila 2005. god. donela akt o obaveznom korišćenju etanola kao dodatku goriva u koliĉini od 7,5% na gorivo. Ovo je podstaklo na nove investicije u proizvodnju, pa se planira izgradnja 400 miliona litara novih kapaciteta za proizvodnju bioetanola kao goriva [4]. Peruanska vlada je 2002. godine najavila da zemlja pretenduje da bude jedan od vodećih izvoznika etanola, pa stoga planira izgradnju i do 20 destilerija, a kao sirovina bi se koristila šećerna trska. Da bi podrţala ovaj plan, drţava namerava da zaseje oko 240.000 ha zemljišta (koje je sada pokriveno dţunglom) šećernom trskom [4]. Etanol program u Kolumbiji je zapoĉeo 2002. godine, nakon donetog zakona kojim se planira da se ostvari supstitucija goriva etanolom do 10%, u gradovima većim od 500.000 stanovnika do kraja 2006. god. Da bi to ostvarila Kolumbija bi morala da skoro udvostruĉi proizvodnju bioetanola na šećernoj trsci. Momentalno drţava stimuliše proizvodnju bioetanola na šećernoj trsci smanjenjem taksa [4]. 1.2.2. Evropska Unija Proizvodnja bioetanola kao goriva u Evropskoj Uniji u periodu od 1993. do 2007. god. prikazana je na slici 1.5. [23, 33]. Sa slike 1.5. se moţe videti da poslednjih godina dolazi do velikog porasta u proizvodnji etanola u Evropskoj Uniji, s obzirom da se 1993. god. proizvodilo svega 60 miliona litara, a 2007. god. 2.160 milona litara. Razlozi za ovakav trend povećanja proizvodnje etanola (pored usvojenih Direktiva Evropske Unije) su znatno povećana proizvodnja u Francuskoj usled olakšica koje nudi drţava, povećana upotreba vinskog alkohola kao sirovine i izgradnja novih postrojenja velikih kapaciteta u Nemaĉkoj [33]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 18 Slika 1.5. Proizvodnja etanola kao goriva u Evropskoj Uniji u periodu 1993-2007. god. [23, 33] Najveći proizvoĊaĉi etanola u Evropi su Francuska, Nemaĉka, Španija i Švedska. MeĊu vodećim proizvoĊaĉima poslednje dve godine izdvajaju se i Italija i Poljska. U tabeli 1.4. moţe se videti da se stanje u borbi za prvo mesto u proizvodnji etanola kao goriva veoma brzo menja. Tokom devedesetih godina XX veka vodeća zemlja u proizvodnji je bila Francuska [4], zatim od 2000. do 2005. god. Španija, a u 2006. god. Nemaĉka [33]. U 2007. god. najveći proizvoĊaĉ je Francuska (1.150 Ml), koju slede Nemaĉka, Španija i Italija [23]. Oĉekuje se otvaranje novih postrojenja ukupnog kapaciteta od 4 Gl u 15 zemalja EU; najveća dodatna proizvodnja se oĉekuje u Francuskoj (550 Ml), zatim u Nemaĉkoj (480 Ml), Holandiji (480 Ml), Belgiji (435 Ml), Španiji (420 Ml), Velikoj Britaniji (400 Ml) i Ĉeškoj (339 Ml) [23]. U EU se samo mali deo od ukupno prozvedenog etanola koristi kao gorivo. U 2005. godini ukupna proizvodnja etanola u EU iznosila je 2,7 Gl, a svega oko 38% se koristilo kao gorivo. Vaţno je naglasiti da pored znaĉajne proizvodnje etanola postoji i izuzetno velika potrošnja ovog goriva. Naroĉito, Švedska, Nemaĉka i Velika Britanija imaju veliku potrošnju etanola u odnosu na njegovu proizvodnju, pa se samim tim istiĉu na trţištu i kao veliki uvoznici ovog energenta [23, 33]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 19 Tabela 1.4. Proizvodnja i potrošnja etanola kao goriva u pojedinim zemljama EU od 2005. do 2007. god. [23, 33] Proizvodnja etanola kao goriva, Ml Potrošnja etanola kao goriva, Ml Zemlja 2005 2006 2007 2005 2006 2007 Francuska 144 250 1150 147 290 536 Nemaĉka 165 431 706 283 600 575 Španija 303 402 521 221 224 220 Švedska 153 140 147 283 320 356 Italija 8 128 302 10 0 0 Poljska 64 120 133 55 103 167 Sirovine koje se najĉešće koriste su pšenica, šećerna repa i kukuruz. Poslednjih godina istiĉe se i vinski alkohol (vino) koji se kao sirovina jedino koristi u Evropi, i to u znaĉajnim koliĉinama. Naime, u 2005. god. 26% proizvedenog etanola dobijeno je iz vina [33]. U Francuskoj i Španiji etanol se koristi u vidu ETBE (etil tercijerni butiletar) kao dodatak gorivu, dok npr. u Švedskoj se koriste smeše sa dodatkom bioetanola benzinu u koliĉini od 10% vol. U 2003. godini u Evropskoj Uniji su u cilju promovisanja korišćenja biogoriva i drugih alternativnih goriva za drumski transport usvojene dve direktive [8]: Direktiva 2003/30/EC kojom se zahteva od zemalja ĉlanica da proizvedu ili obezbede na trţištu minimalne koliĉine biogoriva kojim bi se zadovoljili ciljevi da se do kraja 2005. godine obezbedi zamena od 2% fosilnih goriva, a do kraja 2010. od 5,75 % mereno u odnosu na sadrţaj energije. Takodje se zemlje ĉlanice obavezuju da od 2004. godine daju godišnje izveštaje o akcijama na tom planu [8], Direktiva 2003/96/EC koja omogućuje zemljama ĉlanicama EU da primene razliĉite takse na ova goriva u cilju podsticanja razvoja biogoriva. Do 2002. godine devet zemalja EU (Austrija, Ĉeška, Francuska, Nemaĉka, Italija, Poljska, Španija, Švedska i Velika Britanija) kompletno ili delimiĉno su se oslobodili od takse biogoriva [34]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 20 Osnovni ciljevi navedenih evropskih direktiva su: Da se pomogne oslobaĊanju EU od zavisnosti od eksternih izvora goriva. Naime trenutno EU uvozi oko 50% energije, što moţe do 2030. godine dostići 70%. Što se tiĉe nafte, zavisnost EU od uvoza se moţe do 2020. godine povećati na 90% [8] Da se ostvare ciljevi Kjoto sporazuma (potpisanog 1997. god.) i smanji emisija gasova koji doprinose efektu staklene bašte. Od šest gasova koji utiĉu na efekat staklene bašte najveća paţnja se posvećuje CO2. Prema Kjoto sporazumu potrebno je u periodu od 2008-2012. god. smanjiti emisiju CO2 za 5,2% u odnosu na stanje iz 1990. godine. Nasuprot ovome, ukoliko se ništa ne bi preduzimalo i ukoliko bi se zadrţao postojeći trend emisije CO2, predvidja se da bi do 2010. god. emisija CO2 mogla da poraste za 50% [35] Da se ide dalje ka ostvarenju od 20% zamene tradicionalnih goriva u drumskom transportu do 2020. godine [4] Vaţno je naglasiti da se gore navedena direktiva 2003/30/EC najviše odnosi na goriva koja se koriste u drumskom transportu, jer se smatra da ova goriva uĉestvuju sa više od 85% u ukupnom transportu u EU [36]. Ako se posmatraju postojeći kapaciteti u svetlu donesene deklaracije oĉigledno je da je neophodno da EU preduzme energiĉne korake u smislu povećanja kapaciteta za proizvodnju etanola [37]. Naime, cilj da se do kraja 2005. godine obezbedi zamena od 2% fosilnih goriva prema Direktivi 2003/30/EC do sada nije ispunjen. Udeo biogoriva iznosio je samo 0,5%, 0,6%, 1% i 2,36% u 2003., 2004., 2005. i 2007. god., respektivno (slika 1.6.). U periodu od 2003. do 2005. god. deset zemalja ĉak nije koristilo ni biodizel ni bioetanol kao gorivo. Dve zemlje sa najvišim udelom u 2005. god. su Nemaĉka (3,75%) i Švedska (2,23%) [23]. TakoĊe, pomenuta procena da će biogoriva zameniti 20% tradicionalnih goriva do 2020. god. već se sada smatra nerealnom, pa je na osnovu postojećeg trenda rasta proizvodnje i primene bioetanola u EU u „Dokumetu energetske politike“ (Energy Policy Document) donetom u januaru 2007. godine usvojena blaţa procena od 10% zamene tradicionalnih goriva [23]. Ovo se još jasnije moţe videti sa slike 1.6. u kojoj je kvantitativno predstavljena potrebna proizvodnja etanola u EU koja bi zadovoljila ciljeve deklaracije u 2005., 2010. i 2020. godini (prikazana kalkulacija je Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 21 bazirana na pretpostavci da su sve ĉlanice EU-25 u potpunosti posvećene ciljevima deklaracije) i postignuta proizvodnja bioetanola u 2005. i 2007. godini [8, 23, 33]. U svom radu de Miguel procenjuje da ako bi postignuta proizvodnja etanola u 2005. god. (727 kt) porasla na previĊenih 10.700 kt u 2010. god. neophodno je izgraditi 40 novih postrojenja proseĉnog kapaciteta od 250.000 tona i uloţiti oko 6 milijardi evra (s obzirom da cilj ustanovljen deklaracijom u 2005. god. nije postignut) [33]. Slika 1.6. Proizvedene koliĉine bioetanola u EU u 2005. i 2007. god. i potrebne koliĉine bioetanola da bi se ostvarili ciljevi Direktive 2003/30/EC [8, 23, 33] 1.2.3. Azija Većina zemalja Azije je zavisna od uvoza fosilnih goriva, pa samim tim ove zemlje intenzivno rade na promociji biogoriva. Najveći proizvoĊaĉ etanola u Aziji je Kina (na trećem mestu u svetu) – ukupna proizvodnja iznosila je 1,84 Gl u 2007. god. (tabela 1.3.). Od ukupno proizvedenog etanola u 2005. god. svega oko 26% se koristilo kao gorivo. U Kini se nalazi najveće svetsko postrojenje za proizvodnju bioetanola kapaciteta 600.000 t/god. Sirovine koje se koriste su kukuruz, pirinaĉ i ostale ţitarice (više od 80%) i šećerna trska (oko 10%). Kina promoviše program korišćenja bioetanola kao goriva od 2001. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 22 godine. Ona planira da usmeri svoje viškove useva (procenjuju se na 10% od trenutne proizvodnje) u proizvodnju etanola i da se oslobodi zavisnosti od uvoznih goriva [4, 23, 38]. Indija je takoĊe poĉela sa programom alternativnih goriva. Januara 2003. god. drţava je uvela zakonsku obavezu korišćenja E5 smeše sa etanolom u devet drţava i 4 federalne oblasti, a kao odgovor na ovaj zakon planirana je izgradnja 20 postrojenja za proizvodnju i rekonstrukcija 10 postrojenja [4]. Ova zemlja je druga u svetu (posle Brazila) po proizvodnji etanola iz šećerne trske [23]. Tajland je sebi postavio za cilj da postane treći po veliĉini proizvoĊaĉ bioetanola, posle Brazila i SAD-a. U skladu sa tim donet je i plan razvoja alternativnih goriva kojim poziva na supstituciju 970.000 tona nafte sa energetskim ekvivalentom bioetanola do kraja 2010. god. [4]. Povlaĉenjem iz upotrebe MTBE (metil tetra butiletra) proizvodnja etanola je u 2006. godini porasla za oko 20% (u odnosu na prethodnu godinu) i iznosila je 352 Ml (tabela 1.3.) [23]. Japan takodje teţi ka povećanju udela etanola u smešama sa motornim gorivom i planira povećanje proizvodnje biodizela, s obzirom da je jedan od najvećih potrošaĉa benzina u svetu i veoma je zavisan od uvoza nafte. Godine 2005. Japan je bio drugi po redu uvoznik etanola (više od 500 Ml), koji je najviše korišćen kao gorivo [23]. 1.2.4. Australija Australijska vlada podrţava proizvodnju i korišćenje alternativnih goriva sredstvima subvencija i smanjenja taksi. Australijski cilj je da do 2010. godine proizvede 280.000 tona etanola. Proizvodnja etanola u Australiji se uglavnom bazira na šećernoj trsci. Najviše se kao gorivo koristi smeša E10 (sa 10% vol. etanola) [4]. 1.2.5. Srbija Prva postrojenja za proizvodnju etanola (malog kapaciteta od oko 1500 hl /dan) postojala su još u vreme Austro-Ugarske na teritoriji današnje Vojvodine [4]. Znaĉajniji Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 23 razvoj proizvodnje etanola u Srbiji nastao je tek nakon 1960. godine, kada je poĉela izgradnja većih industrijskih kapaciteta sa savremenom opremom i tehnologijom. U 1996. god. postojalo je 11 industrijskih pogona (10 proizvoĊaĉa), ĉiji je zbirni dnevni tehniĉki kapacitet iznosio nešto preko 150.000 hl što odgovara godišnjem kapacitetu od oko 48 miliona hl /god pri radu od 320 dana godišnje (hl°=1 l apsolutnog alkohola) [39]. Proizvodnja etanola u našoj zemlji se danas bazira na melasi (oko 50%) i na ţitaricama (oko 50%). Trenutno u Srbiji postoji 10 postrojenja za proizvodnju etanola, ĉiji su kapaciteti i korišćene sirovine prikazani u tabeli 1.5. [4]. Iz tabele 1.5. se moţe uoĉiti da je današnja proizvodnja etanola nešto manja nego 1996. godine i iznosi 40 miliona hl /god pri radu od 320 dana godišnje. Prema prikazanim proizvodnim kapacitetima moţe se videti da su najveća tri pogona u Beogradu, Crvenki i Kovinu i predstavljaju 84% proizvodnog kapaciteta Srbije. U navedenim postrojenjima proizvodi se 96% vol. alkohol koji je namenjen uglavnom za alkoholna pića i u medicinske i farmaceutske svrhe. Vaţno je naglasiti da nijedno postrojenje ne raspolaţe opremom za dehidrataciju etanola. Tabela 1.5. Postojeći kapaciteti za proizvodnju etanola u Srbiji [4] Postrojenje Sirovina Dnevni kapacitet, 10 3 hl Godišnji kapacitet (320 radnih dana), 10 3 hl Panalko, Beograd melasa 30 9.600 Crvenka, novi pogon melasa 30 9.600 Crvenka, stari pogon melasa i ţitarice 15 4.800 Kadakas, Crvenka ţitarice i melasa 2 640 Kovin melasa 30 9.600 Oseĉina ţitarice 4 1.280 Uţice ţitarice i voće 5 1.600 Lukas, Bajmok ţitarice i melasa 1,2 384 Srbobran ţitarice i melasa 4 1.280 Takovo ţitarice i krompir 4 1.280 UKUPNO 125,2 40.064 Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 24 Slika 1.7. Godišnja proizvodnja etanola u našoj zemlji u periodu od 1985. do 2005. godine [40] Kao što se moţe videti sa slike 1.7. [40], proizvodnja etanola u 2005. godini je skoro na nivou one koja je ostvarena 1985. godine, a znatno niţa nego u 1991. godini. Ako se ovi podaci uporede sa svetskom proizvodnjom bioetanola koja je prikazana na slici 1.3., moţe se videti da je u svetu od 1985. godine do 2004. god. stanje u proizvodnji etanola dosta drugaĉije - proizvodnja je više nego udvostruĉena, sa daljim intenzivnim trendom rasta. Od 1985. godine do 1991. godine proizvodnja etanola u našoj zemlji je imala rastući trend, a zatim je poĉela da opada. Blagi porast proizvodnje koji je ostvaren od 1999. do 2005. god. ne odslikava realnost zbog prethodnog stanja sankcija, i naravno nedovoljan je da bi se pratile rastuće potrebe za ovim proizvodom i da bi se ostvarila njegova primena kao dodatka gorivu. Na ţalost većina od navedenih postojećih kapaciteta danas ne radi efikasno iz razliĉitih razloga. Neki od mnogobrojnih razloga su: ukupno stanje privrede, negativna zbivanja na planu ukupne proizvodnje, neadekvatni zakonski propisi, tranziciona kretanja, svrstavanje etanola pod zakonsku regulativu propisanu za vino i alkoholna pića, što praktiĉno suţava mogućnost njegovog korišćenja za druge svrhe za koje se on u svetu koristi (hemijska industrija, gorivo), zatim loša drţavna politika u vezi strategije razvoja ove industrijske grane generalno, nemogućnost konsolidacije nakon perioda krize i stagnacije, u nekim sluĉajevima zastarelost opreme itd. [4]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 25 Ukoliko bi proizvodnju etanola u našoj zemlji gledali kroz prizmu donešenih Direktiva Evropske Unije (2003/30EC i 2003/96/EC) predviĊeni kapaciteti za 2005. god. su znatno viši od postojećih, a ciljevi za 2010. i 2020. god. praktiĉno neispunjivi. Mojović i saradnici [4] su izvršili kalkulaciju procena potreba za bioetanolom u Srbiji koristeći podatke o potrošnji i potrebama za motornim benzinom, kao i minimalne koliĉine bioetanola potrebne za supstituciju motornog benzina koje su propisane Direktivama. Naime, u 2005. god. potrebno je izvršiti supstituciju od 2% motornog benzina prema evropskoj Direktivi što bi podrazumevalo proizvodnju od 21.900 t etanola za gorivo u Srbiji. Tada bi ukupne potrebe za etanolom (u industriji, za alkoholna pića i kao gorivo) iznosile 73.900 t što je 3,3 puta više nego proizvedena koliĉina etanola u toj godini od 22.000 t. Neophodna supstitucija motornog benzina u 2010. god. iznosi 5,75% pa je potrebno proizvesti 78.200 t etanola kao goriva. Tada bi pri nepromenjenim potrebama etanola za industriju i alkoholna pića ukupne potrebe za etanolom iznosile 130.200 t što je šest puta više od trenutne proizvodnje etanola u našoj zemlji. Na osnovu navedenog, u Srbiji je neophodno uvesti nova postrojenja za proizvodnju etanola – pogone velikog kapaciteta koji bi pored proizvodnje etanola ukljuĉivali i proizvodnju stoĉne hrane i ugljendioksida; ili uvesti mreţu manjih pogona za proizvodnju sirovog etanola (65-70% vol.) koji bi se dalje preraĊivao u većim pogonima za rektifikaciju i obezvodnjavanje u okvirima naftne industrije [41]. Veoma je bitno naglasiti da danas u Srbiji ne postoji organizovana proizvodnja i potrošnja bioetanola kao motornog goriva, iako je naša zemlja uvoznik znaĉajnog dela svoje potrošnje motornih goriva [4]. Na primerima drugih opisanih zemalja moţe se videti da za uvoĊenje ovakvih programa u energetsku politiku odluĉujuća je odluka i pomoć drţave. Prvi nagoveštaj uvoĊenja proizvodnje bioetanola za gorivo je najava izgradnje fabrike za proizvodnju bioetanola u Zrenjaninu (najveća srpska grinfild investicija vredna 380 miliona evra). Oĉekivana proizvodnja je 700.000 tona bioetanola, oko 450.000 tona stoĉne hrane i 100.000 tona Ċubriva sa 250 novih radnih mesta [42]. Na osnovu svega navedenog, naša drţava treba da donese odgovarajuće programe koji bi ukljuĉivali proizvodnju bioetanola za gorivo i supstituciju dela motornog goriva sa bioetanolom. Budući da se nalazimo u Evropi i opredeljeni smo za ulazak u EU verovatno bi mere trebalo da budu sliĉne postojećim u EU na tom planu. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 26 1.3. OSNOVNE KARAKTERISTIKE BIOETANOLA KAO GORIVA Ime alkohol potiĉe od arapske reĉi al-kohl koja je oznaĉavala fini prašak za bojenje trepavica. Od Paracelsusa dalje se taj naziv koristi za svaki fini prašak ili destilovanu teĉnost [43]. Etanol je ĉoveku bio poznat od davnina kada se koristio kao proizvod spontane fermentacije šećera. Vremenom ĉovek je nauĉio da process fermentacije kontroliše i da proizvodi alkoholna pića. Egipćani su poznavali ekstrakciju etanola nakon fermentacije i njihova znanja su preneta Arapima koji su izuĉavali destilaciju etanola u periodu od VII do XII veka. Mada je process usavršavanja postupka destilacije bio veoma spor, ipak je 1808. godine u Francuskoj izgraĊeno prvo kontinualno postrojenje (sagradili su ga Cellier i Blumental). Razvojem organske hemijske tehnologije, u drugoj polovini XIX veka zapoĉinje industrijska proizvodnja etanola koji se koristi kao rastvaraĉ, gorivo, antiseptik i sirovina za proizvodnju velikog broja organskih jedinjenja. Od II svetskog rata zbog velike potraţnje poĉela je komercijalna proizvodnja sintetiĉkog etanola (u SAD-u iz etilena koji se dobijao iz otpadnih gasova od destilacije nafte). Nakon prve naftne krize preovladava sinteza etanola putem fermentacije [39]. Etanol (etil-alkohol ili samo alkohol) je teĉnost bez boje, karakteristiĉnog mirisa, zapaljiv i rastvorljiv u vodi i etiletru [43]. U zavisnosti od kvaliteta postoje: - denaturisani etanol (88% vol.) namenjen je iskljuĉivo za gorenje i osvetljenje - industrijski etanol (96,5% vol.) koji se koristi u industriji i za tehniĉke svrhe kao rastvaraĉ, gorivo i kao sirovina u proizvodnji velikog broja hemijskih proizvoda - fini etanol (96,0-96,5% vol.) koristi se u kozmetiĉkoj i farmaceutskoj industriji i za proizvodnju nekih alkoholnih pića - apsolutni etanol (99,7-99,8% vol.) je termin za etanol koji nema vode i koji se koristi u farmaceutske svrhe i kao gorivo (ili oksigeni dodatak gorivima) [39] Bioetanol se moţe koristiti kao supstituent motornom benzinu ili se moţe konvertovati do ETBE (etil-tercijarni butiletar) i kao takav dodavati benzinu ili dizel gorivu u koncentraciji do 15%. Kao dodatak gorivu koristi se iskljuĉivo visoko preĉišćeni - Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 27 apsolutni etanol. Svaka zemlja ima standarde za kvalitet etanola namenjenog za dodatak benzinu ili dizelu. U ovim standardima limitirani su sadrţaji: vode, metanola, aldehida, sumpora, fosfora, viših alkohola, bakra, hlorida i sredstava za denaturisanje, a takoĊe se zahteva i odreĊena gustina, bistrina i pH vrednost. Bioetanol koji je namenjen za smeše sa fosilnim gorivom mora imati minimalnu ĉistoću od 99,5% do 99,8% vol. u zavisnosti od standarda zemlje gde se proizvodi [4]. Bioetanol se moţe mešati u razliĉitim proporcijama sa motornim benzinom ili dizelom. Naime, bioetanol se lakše meša sa benzinom nego sa dizel gorivom, pa zbog toga ukoliko se ţeli napraviti dizehol (smeša sa više od 3% bioetanola) potrebni su specijalni emulgatori [6]. Najpoznatije smeše su [44]: a) Smeše sa niskim udelom bioetanola u fosilnom gorivu. Ovde spada smeša motornog benzina i bioetanola u udelu od 5 do 22% (ovo gorivo se oznaĉava kao E5-E22G). Pored toga, moguće je mešati od 10 do 15% bioetanola (uz dodatak specijalnih aditiva) sa dizel gorivom. Takvo dizel gorivo naziva se oksi-dizel i oznaĉava kao E10D i E15D. Sve ove smeše se mogu koristiti u konvencionalnim motorima bez modifikacija. b) Smeše sa visokim udelom bioetanola u fosilnom gorivu. U ovim smešama sadrţaj bioetanola se kreće do 85% (E85G), ali su potrebne modifikacije motora. c) Bio-ETBE. Ovo gorivo se moţe koristiti u smešama od 10 do 15% u konvencionalnim motorima bez modifikacija. U tabeli 1.6. prikazane su osnovne fiziĉke i hemijske karakteristike bioetanola i benzina radi njihovog poreĊenja [45, 46]. Bioetanol ima niţi sadrţaj energije nego mnoga teĉna fosilna goriva. Energetski sadrţaj bioetanola iznosi oko 67% energije motornog benzina i oko 58% energije dizel goriva. Prema tome, potrebno oko 1,47 litara ĉistog bioetanola za zamenu 1 litra motornog benzina, i oko 1,7 litara za zamenu 1 litra dizela. MeĊutim, kada se bioetanol koristi u relativno malim koncentracijama u smeši sa fosilnim gorivom ovaj efekat je višestruko smanjen. U takvim sluĉajevima pozitivni efekti dodatka bioetanola (kao što su efikasnije sagorevanje, bolje podmazivanje i dr.) mogu delimiĉno kompenzovati uticaj manjeg sadrţaja energije po jedinici zapremine. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 28 Tabela 1.6. Osnovne karakteristike bioetanola i benzina [45, 46] Bioetanol Benzin Formula C2H5OH C7H16 Molekulska teţina, g/mol 46,07 100,2 Sadrţaj ugljenika, wt % 52,2 83,9 Sadrţaj vodonika, wt % 13,1 16,1 Sadrţaj kiseonika, wt % 34,7 0 Sadrţaj sumpora, ppm 0 ~200 Stehiometrijski odnos vazduh/gorivo, kg/kg 9,0 14,7 Gustina (15ºC), kg/l 0,789 0,737 Napon pare, kPa 16,5 75 Temperatura kljuĉanja, ºC 78,3 38-204 Latentna toplota isparavanja, MJ/kg 26,87 43,47 Temperatura (taĉka) samopaljenja, ºC 365 495 Oktanski broj 107 86-94 Cetanski broj 8 11 Prednosti korišćenja bioetanola kao goriva su: smanjena emisija CO i CO2, potpunije sagorevanje u odnosu na benzin zbog velikog udela kiseonika, manji sadrţaj nesagorelih ugljovodonika i sliĉni sadrţaj azotnih oksida NOx [4]. Performanse vozila (snaga, ubrzanje, putna brzina) koja koriste bioetanol kao gorivo su sliĉne kao i kod pogona na ĉist benzin, ali se zbog manje toplotne moći smanjuje se radijus kretanja (preĊeni put sa jednim litrom goriva) za oko 28%. Rafinerije su nakon izbacivanja olova iz fosilnih goriva poĉele da dodaju oksigenatne aditive u cilju povećanja oktanskog broja goriva. U tu svrhu dodavani su alkoholi i etri (benzen, ksilen i toluen), a pritom su etri vrlo toksiĉni za okolinu. Za razliku od njih, bioetanol predstavlja odliĉan, netoksiĉan dodatak kojim se moţe povećati oktanski broj fosilnih goriva. TakoĊe i ETBE se u niţim koncentracijama (do 15%) moţe koristiti kao oksigenator za povećanje oktanskog broja, a i kao zamena za toksiĉan MTBE (metil-tercijarni butiletar). Pored povećanja oktanskog broja, ova dva oksigenatna aditiva poboljšavaju i termiĉku efikasnost paljenja motora i smanjuju zagaĊenost izduvnih gasova ostvarujući bolje sagorevanje u motoru [4, 45, 46]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 29 S druge strane, bioetanol ima i odreĊene slabije karakteristike u odnosu na fosilna goriva. Naime, svi postojeći konvencionalni motori na fosilna goriva ne mogu se koristiti za voţnju na ĉist bioetanol bez znaĉajnih modifikacija mašine motora. Otuda je uobiĉajeno da se projektuju višegorivna vozila koja mogu koristiti ĉist benzin i mešavine ovih goriva do odnosa 85% etanola i 15% benzina (E85). Smatra se da smeša motornog goriva i bioetanola (sa maksimalnim udelom do 22%) ne zahteva nikakve modifikacije konvencionalnih motora [34]. Modele vozila koja mogu koristiti gorivo E85 u svom proizvodnom programu za 2005. godinu imaju firme: Daimler-Chrysler, Ford Motor Co., General Motors-Chevrolet, Mercedes-Benz i Nissan [45]. Prilikom korišćenja ĉistog bioetanola moţe doći do rastvaranja pojedinih metala iz metalnih legura od kojih je izgraĊen motor (cinka, olova, aluminijuma i dr.), a takoĊe i do nagrizanja gumenih delova. Osim toga, bioetanol ima niţi cetanski broj, niţi napon pare i niţu toplotu isparavanja od motornog benzina (tabela 1.6.), što moţe izazvati probleme prilikom paljenja i startovanja motora u hladnijim klimatskim predelima i povećati nastajanje acetaldehida (aldehidi znaĉajno utiĉu na zagaĊenje ţivotne sredine formirajući fotohemijski smog) [46]. Što se tiĉe distribucije i korišćenja bioetanola vaţno je naglasiti da je transport bioetanola ili smeša bioetanola sa fosilnim gorivom kroz postojeće transportne sisteme, pumpe i cevovode oteţano zbog osobine bioetanola da absorbuje vodu i zbog njegove visoke sposobnosti da rastvara odreĊene primese, tako da bi njegova upotreba zahtevala odreĊenu modifikaciju postojećih pumpi za gorivo. 1.4. EKOLOŠKI ZNAĈAJ PRIMENE BIOETANOLA KAO GORIVA Ulaskom u treći milenijum svet se pribliţio kritiĉnoj taĉki zagaĊenja ţivotne sredine usled neravnomerne raspodele i trošenja raspoloţivih energetskih resursa, rasta svetske populacije, velikog jaza izmeĊu mogućnosti i rasta potreba svetskog stanovništva, nekontrolisanog trošenja i rasipanja neobnovljivih izvora energije i nepovratnog uništenja ţivotne sredine. Stoga je neophodno donošenje odluka ekonomske i energetsko-ekološke politike ĉime bi se odredili naĉini optimizacije svih Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 30 procesa i donele odreĊene mere i aktivnosti u cilju racionalnog korišćenja energije, smanjenja potrošnje energije i zagaĊenja ţivotne sredine. Najznaĉajniji ekološki problemi u svetskim razmerama su globalno zagrevanje atmosfere nastalo sagorevanjem fosilnih goriva i izdvajanjem ugljendioksida (efekat „staklene bašte“), pojava kiselih kiša i sve veće količine sumpordioksida i azotnih oksida u atmosferi (koji se javljaju kao izazivaĉi klimatskih promena) [11]. 1.4.1. Emisija štetnih gasova pri sagorevanju motornih goriva i bioetanola Emisija gasova iz motornih vozila je jedan od najvećih zagaĊivaĉa ţivotne sredine. Sagorevanjem goriva u saobraćaju u atmosferu se emituju: ugljendioksid, ugljenmonoksid, oksidi azota i sumpora, ugljovodonici, olovo, neorganska jedinjenja hlora i broma, aromatiĉna i druga jedinjenja. Veliki broj jedinjenja se razlaţe do neškodljivih molekula, dok se reakcijom izmeĊu oksida azota i isparljivih organskih materija stvara ozon. Neka jedinjenja se razlaţu do sekundarnih zagaĊivaĉa vazduha koje pored ozona ĉine i aldehidi. Saznanje o negativnim uticajima ovih zagaĊivaĉa na ţivotnu sredinu podstaklo je meĊunarodnu zajednicu na donošenje propisa kojima se odreĊuje kvalitet teĉnih naftnih goriva koji će biti prihvatljiv za ţivotnu sredinu i zdravlje ljudi, kao i podsticanje korišćenja alternativnih goriva kojima se navedene štetne emisije znatno smanjuju. Ugljendioksid je neizbeţan proizvod sagorevanja goriva i jedan od najznaĉajnijih zagaĊivaĉa koji doprinosi efektu „staklene bašte” i globalnom zagrevanju. Nivo emisije CO2 iz nekog procesa sagorevanja zavisi od efikasnosti procesa i od sastava goriva. Goriva sa većim udelom vodonika u molekulu oslobaĊaju manje CO2. UtvrĊeno je da je transport kao privredna grana kljuĉni generator emisije CO2 i da je odgovaran za oko 28% od ukupne emisije CO2 u EU [47]. ProizvoĊaĉi vozila u EU ulaţu napore za ispunjenje zahteva za postizanjem emisije CO2 iz putniĉkih vozila od 140 g/km do 2008. godine, odnosno 120 g/km CO2 do 2012. godine [4]. Doprinos sagorevanja nekog goriva nastanku efekta „staklene bašte” mora se sagledati kroz celokupni ţivotni ciklus goriva. Naĉin sagorevanja bioetanola zavisi od vrste kulture koja se preraĊuje i naĉina njegove proizvodnje (u razmatranje se moraju uzeti svi Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 31 meĊuprocesi proizvodnje etanola). Ukupan bilans emisije CO2 pri sagorevanju bioetanola je jednak nuli – u procesu fotosinteze biljke potroše onu koliĉinu CO2 koja nastaje procesom sagorevanja bioetanola (slika 1.8.). Ovo je još jedan podsticajan faktor koji doprinosi stalnom povećanju upotrebe biogoriva [4]. Slika 1.8. Ukupan bilans emisije CO2 u procesu sagorevanja bioetanola Prirodni efekat „staklene bašte“ je podigao temperaturu Zemlje i naĉinio je pogodnom za stanovanje. Srednja vrednost sunĉevog zraĉenja od 343 W/m2 pada na zemlju, od ĉega se jedna trećina reflektujući vraća u kosmos. Ostatak, odnosno dve trećine, utiĉe na zemlju stvarajući infracrvenu radijaciju, a jedan deo se blokira u gasove „staklene bašte“ koji zagrevaju zemljinu spoljašnjost i troposferu. Neki gasovi „staklene bašte“ prirodno su prisutni u atmosferi (vodena para, ugljendioksid, metan, azotdioksid i ozon) dok su drugi rezultat ljudskih aktivnosti. MeĊutim, i prirodno prisutni gasovi u atmosferi premašili su sve dozvoljene granice i doveli su do ekoloških problema [11]. Kao što je već napomenuto, CO2 najviše doprinosi efektu „staklene bašte“ pa samim tim je neophodno regulisati nivo njegove emisije. Naime, globalna temperatura u 2001. god. je bila 0,52 °C iznad proseĉne temperature. Smatra se da će povećanje emisije ugljendioksida za 54% do kraja 2015. god. izazvati povećanje globalne temperature od 1,7 do 4,9 °C u periodu od 1990-2100. god. [48]. Na Samitu Ujedinjenih nacija u Rio de Ţaneiru 1992. god. 152 drţave su prihvatile koncept odrţivog razvoja. Jedan od glavnih ciljeva je i redukcija emisije ugljendioksida i ostalih gasova „staklene bašte“. Podaci o emisiji ugljendioksida iz 1990. god., kao i predviĊene emisije za 2010. i 2030. godinu prikazani su na slici 1.9. [4]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 32 Slika 1.9. Svetska emisija ugljendioksida u 1990. god. i predviĊene emisije u 2010. i 2030. god. za dva sluĉaja - referentni sluĉaj i sluĉaj Kjoto protokola [4] Kao što se moţe videti sa slike 1.9., oĉekuje se znaĉajan porast emisije ugljendioksida u ovom periodu, a povećanje će se uglavnom generisati u zemljama u razvoju. Zemlje potpisnice Aneksa I Kjoto protokola znaĉajno će redukovati svoje emisije ugljendioksida. TakoĊe se procenjuje da će oko 90% od ukupnog projektovanog povećanja emisije CO2 u periodu od 1990. do 2010. godine poticati od sektora transporta [36]. Prednost korišćenja mešavine bioetanola i motornog benzina je u smanjenju emisije odreĊenih štetnih gasova. MeĊutim, s druge strane moţe doći i do povećanja emisije odreĊenih zagaĊivaĉa ili do nepromenjenog stanja u emisiji u zavisnosti od sastava goriva. Naime, korišćenjem etanola kao goriva ili kao dodatka benzinu dolazi do smanjenja ugljenmonoksida. Istraţivanja su pokazala da je korišćenjem bioetanola kao goriva moguće smanjiti emisiju CO ĉak i do 30% u zavisnosti od tipa i starosti vozila, korišćenog sistema kontrole nivoa zagaĊenja i atmosferskih uslova. Ukoliko se koristi gorivo E10 dolazi do smanjenja emisije za oko 25%, usled potpunijeg sagorevanja zbog prisustva kiseonika u gorivu (slika 1.10.) [46]. Ukoliko udeo bioetanola u smeši sa benzinom raste od 0 do 20% vol. dolazi i do smanjivanja emisije ugljovodonika, kao sto je prikazano na slici 1.10. [46]. Zbog visokog oktanskog broja, dodavanje etanola motornom benzinu dovodi do redukcije ili uklanjanja aromatiĉnih ugljovodonika (kao što je benzen) i ostalih toksiĉnih visoko- oktanskih aditiva koji se koriste za zamenu olova u benzinu. S obzirom da se dodatkom Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 33 etanola motornom benzinu znaĉajno smanjuje emisija ugljovodonika i ugljenmonoksida time se i smanjuje stvaranje ozona. MeĊutim, pri velikim udelima bioetanola u smeši sa benzinom zapaţa se povećanje emisije ugljovodonika i smanjenje emisije oksida azota [46]. Korišćenjem smeša bioetanola i motornog benzina raste emisija oksida azota NOx kao što je prikazano na slici 1.10. Zbog toga je regulisanjem koliĉine bioetanola dodatog benzinu vaţno obezbediti što manju emisiju azotnih oksida, ne samo zbog njihove direktne toksiĉnosti, već i zbog smanjenja nastajanja ozona koji je u većim koncentracijama izuzetno toksiĉan (nadraţuje disajne organe i moţe dovesti do plućnog edema i smrti) [49]. Slika 1.10. Promene u emisiji HC, NOx i CO pri sagorevanju smeša motornog benzina i razliĉitog udela bioetanola [46] Dodavanjem manje koliĉine bioetanola (2-5% vol.) u mešavini sa motornim benzinom povećava se isparljivost benzina i dolazi do znaĉajnog povećanja emisije isparljivih organskih materija, dok se dodavanjem većih koliĉina bioetanola (>10% vol.) znaĉajno ne utiĉe na povećanje emisije ovog zagaĊivaĉa. Fotohemijski (beli) smog nastaje kada primarni zagaĊivaĉi nastali sagorevanjem fosilnih goriva (azotni oksidi i isparljiva organska jedinjenja-hidrokarbonati) reaguju pod dejstvom sunĉeve svetlosti, i stvaraju smešu raznovrsnih opasnih hemijskih jedinjenja poznatih kao sekundarni zagaĊivaĉi [50]. Jedan od većih problema pri sagorevanju etanola je emisija aldehida (posebno acetaldehida) koja je dva do ĉetiri puta veća nego pri sagorevanju benzina. Sa povećanjem E m is ij a C O , g /m i HC emisija NOx emisija CO emisija E m is ij a H C i N O x , g /m i Sadrţaj etanola, % vol. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 34 udela bioetanola raste emisija acetaldehida. Dozvoljene koliĉine aldehida u vazduhu nisu regulisane zakonom [4]. Prilikom sagorevanja smeša bioetanola i benzina dolazi do emisije i ostalih toksiĉnih jedinjenja kao što su: formaldehid, propionaldehid, akrolein, benzen, etilbenzen, 1-3 butadien, heksan, toluen, ksilen i fine ĉestice. Korišćenjem smeša bioetanola i motornog benzina emisija benzena se moţe redukovati i do 50%, a emisija 1-3 butadiena od 24 do 82% [46]. Kao proizvod nepotpunog sagorevanja goriva javljaju se i čestice, veoma malih dimenzija, ĉija se emisija moţe smanjiti poboljšanjem kvaliteta goriva i procesa sagorevanja, naknadnim tretmanom izduvnih gasova itd. Prema karakteru ĉestice se mogu podeliti na organski nerastvorljive (ĉaĊ, ĉestice metala nastale u procesu habanja delova i pepeo iz goriva) sa udelom oko 61% i organski rastvorljive sa udelom oko 39% [49]. U tabeli 1.7. prikazan je uticaj dodatka bioetanola motornom benzinu u koliĉini od 10% vol. na promenu emisija pojedinih zagaĊivaĉa [51]. Tabela 1.7. Proseĉne vrednosti emisija odreĊenih zagaĊivaĉa pri voţnji 80.000 km u klasiĉnom putniĉkom vozilu [51] ZagaĊivaĉ Emisija, g/km Benzin E10 CO2 230 214 CO 0,4688 0,2279 HCHO 0,0007 0,0006 Nemetanski organski gasovi 0,0273 0,0273 NOx 0,0621 0,0932 SOx 0,0488 0,0455 Suoĉeni sa sve većim zagaĊenjem ţivotne sredine, kao posledice porasta broja motornih vozila, u Evropi su već sedamdesetih godina XX veka donešene zakonske odredbe o emisiji gasova pri sagorevanju goriva (trenutno je na snazi Pravilnik ECE 83). Prema propisima kontrolišu se sledeći toksiĉni parametri: ugljenmonoksid, azotni oksidi (NO, NO2 i N2O), ozon, sumpordioksid, ĉestice, ugljovodonici i olovo [49]. Evropska Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 35 Unija nastavlja sa daljim poboljšanjem postojećih i uvoĊenjem novih propisa o zagaĊenju i energiji. Oni se baziraju na sve stroţijim zahtevima u pogledu dozvoljenog nivoa kvaliteta emisije i potrošnje goriva, uz uvoĊenje savršenije i skuplje merne opreme. 1.4.2. Odrţivi razvoj u funkciji zaštite ţivotne sredine „Najveći izazov ovog novog veka je prihvatiti ideju koja izgleda apstraktno – održivi razvoj – i pretvoriti je u stvarnost za sve ljude sveta“ Kofi Anan, Generalni sekretar Ujedinjenih Nacija, Mart, 2001.[52] Porast proizvodnje biogoriva rezultat je svesti o neophodnosti poštovanja koncepta odrţivog razvoja. Održivi razvoj („sustainable development“) je sistem tehniĉko- tehnoloških, ekonomskih i društvenih mera za promišljeno korišćenje prirodnih neobnovljivih i obnovljivih resursa, ekonomski razvoj i zaštitu ţivotne sredine. Postoji više desetina definicija odrţivog razvoja meĊu kojima je najprihvaćenija ona koju je dala Svetska komisija za ţivotnu sredinu i razvoj pod voĊstvom gospoĊe Gro Harlem Brundtland 1987.godine: "Odrţivi razvoj je razvoj koji odgovara potrebama i aspiracijama sadašnje generacije bez ugroţavanja mogućnosti zadovoljenja potreba i aspiracija budućih generacija" [53]. Odrţivi razvoj, kao model opšteg socijalnog razvoja, prihvaćen je 1992. godine u Rio de Ţaneiru na Konferenciji Ujedinjenih nacija, a prethodno je definisan, kao što je već napomenuto, u tzv. Brundtland izveštaju 1987. godine. Sedamnaest godina posle zvaniĉne promocije i prihvatanja modela odrţivog razvoja ĉoveĉanstvo i dalje ţivi u uslovima bespoštednog nauĉno-tehniĉkog iskorišćavanja svih raspoloţivih sirovina, zato se ovaj koncept odrţivog razvoja mora prihvatiti kao generalno usmerenje i teţnja ĉoveka da stvori drugaĉiji i bolji svet, balansirajući ekonomski, socijalni, kulturni i razvoj ţivotne sredine. Poĉev od Konferencije Ujedinjenih nacija sve do Samita u Johanesburgu 2002. god. koncept odrţivog razvoja se postepeno razvijao dobijajući vremenom nove dimenzije, a jedna od njih je i primena obnovljivih izvora energije [52, 54]. Ukljuĉivanje obnovljivih izvora energije je prioritet u razvoju koncepta odrţivog razvoja u celom svetu. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 36 2. SIROVINE ZA PROIZVODNJU BIOETANOLA Bioetanol se moţe proizvesti fermentacijom iz svih sirovina koje sadrţe šećere (ili polisaharide koji se mogu razgraditi do šećera) koje kvasac moţe da previre. Šećeri koje kvasac moţe previrati su glukoza, fruktoza, saharoza i maltoza, a primenom specijalnih kvasaca i galaktoza i laktoza. Polisaharidi koji se mogu razgraditi do ovih fermentabilnih šećera (hemijski ili enzimski) su dekstrini, skrob, inulin, hemiceluloze i celuloze [55, 56]. Sirovine za proizvodnju etanola mogu se grupisati na sledeći naĉin: 1. Šećerne sirovine (šećerna repa, šećerna trska, voće) 2. Lignocelulozne sirovine (otpadna biljna masa) 3. Sporedni ili nus proizvodi određenih industrija (melasa, sulfitni lug, surutka, hidrol i dr.) 4. Skrobne sirovine (krtolaste sirovine - krompir, sladak krompir i kasava; i ţitarice - kukuruz, pšenica, jeĉam, raţ, sirak, tritikale). Kada se razmatra mogućnost industrijske proizvodnje bioetanola na odreĊenim sirovinama moraju se uzeti u razmatranje faktori kao što su koncentracija ugljenih hidrata (tj. koliĉina etanola koja se moţe dobiti iz jedinice teţine sirovine), zatim cena i dostupnost sirovine, kao i cena tehnološkog postupka za proizvodnju etanola na odreĊenoj sirovini [34]. Cena i dostupnost razliĉitih sirovina se razlikuje u razliĉitim delovima sveta, pa samim tim svaka zemlja se opredeljuje za korišćenje onih sirovina kojih ima najviše u njenom geografskom i klimatskom podruĉju. Na primer, u Severnoj Americi i Evropi industrijska proizvodnja etanola je zasnovana na skrobnim sirovinama u skladu sa agro- ekološkim uslovima. U Brazilu, kao jednom od najvećih proizvoĊaĉa etanola u svetu, najzastupljenija sirovina je šećerna trska. Znaĉajna karakteristika svake sirovine je i prinos po jedinici obradive površine što znatno varira od klime, osobina zemljišta i primenjenih agrotehniĉkih mera. Pored toga, bitni su i duţina vegetacionog perioda odreĊenih kultura, zahtevi za gajenje na zemljištu odreĊenog kvaliteta, mogućnost skladištenja (kako bi se omogućio kontinualan rad industrijske proizvodnje) itd. [4]. Kako bi se izvršilo poreĊenje Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 37 najvaţnijih predstavnika šećernih, skrobnih i lignoceluloznih sirovina i razmotrile njihove prednosti i mane, u tabeli 2.1. su prikazani njihovi osnovni parametri [4, 18, 24]. Tabela 2.1. Osnovni parametri pojedinih šećernih, skrobnih i lignoceluloznih sirovina za proizvodnju etanola kao goriva [4, 18, 24] Sirovina Prinos, t/ha Specifiĉno iskorišćenje etanola na sirovinu, l/t Godišnje iskorišćenje etanola na površinu, l/ha·god Odnos output/input Cena sirovine, US$/kg Cena proizvodnje anhidrovanog etanola US$/l Šećerna trska (Brazil) 70-122,9 68-70 5.345-9.381 2,5-10,2 0,0100 0,1980 Šećerna repa 66-78 80-100 5.000-6.600 1,9 0,170 0,4910 Kukuruz (SAD) 6-10 350-460,6 6.600 1,34-1,53 0,076 0,2325 Pšenica 1,5-3,0 340-370 1.020-3.214 2,24-2,84 0,188 0,402 Krompir 17-20 100 1.700-2.000 - 0,020 1,330 Sirak 1-6 340 340-2.040 - 0,149 0,386 Sirak šećerac 25-35 68-86 1.700-9.030 - - - Kasava 20 180 3600 - - - Slama 1,93-3,86 170-261 - - - 0,651 Ukoliko se uporedi energetski sadrţaj (odnos energije output-a i input-a) šećerne trske i kukuruza (tabela 2.1.) moţe se videti da šećerna trska ima znaĉajnu prednost. MeĊutim, i ostali parametri se moraju uzeti u obzir. Naime, specifiĉno iskorišćenje etanola na sirovinu (tj. koliĉina etanola koja se moţe dobiti iz jedinice teţine sirovine) je oko pet puta veće kod kukuruza nego kod šećerne trske, s obzirom na veću koliĉinu fermentabilnih šećera koji se mogu osloboditi iz skrobne sirovine tj. kukuruza. S druge strane, godišnje iskorišćenje etanola po jedinici obradive površine (izraţeno u jedinicama l/ha·god) na kojoj se uzgaja kukuruz je manje nego u sluĉaju šećerne trske, što zahteva i zasejavanje većih obradivih površina sa kukuruzom. Šećerna repa ima znatno manje specifiĉno iskorišćenje etanola na sirovinu u odnosu na kukuruz, ali pošto je prinos etanola po jedinici površine mnogo veći nego kod kukuruza onda je i godišnje iskorišćenje etanola na površinu veće. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 38 Ako se razmatraju ukupni troškovi proizvodnje etanola (primenom postojećih komercijalnih tehnologija) više od 40% ĉine troškovi sirovine. Korišćenjem šećernih sirovina, kao što je šećerna trska, mogu se znatno umanjiti troškovi proizvodnje s obzirom na nisku cenu šećerne trske u odnosu na skrobne sirovine (tabela 2.1.). 2.1. ŠEĆERNE SIROVINE Najznaĉajnije šećerne sirovine za proizvodnju bioetanola su: šećerna repa, šećerna trska i topinambur. Šećerna repa i šećerna trska se tradicionalno koriste za proizvodnju šećera. Inaĉe, zbog visokog sadrţaja saharoze one predstavljaju sirovine koje su pogodne za proizvodnju bioetanola. Šećerna repa je vrlo rasprostranjena biljka i prilagodljiva razliĉitim klimatskim i zemljišnjim uslovima. Najznaĉajniji deo biljke je koren u kome je i sadrţan najveći deo šećera saharoze. Sadrţaj saharoze u šećernoj repi je od 12 do 25% u zavisnosti od sorte, sastava zemljišta, uslova vegetacije i dr. Korišćenje šećerne repe za proizvodnju bioetanola zavisi od njene trenutne cene i podobnosti za rast na odreĊenim podnebljima i klimatskim uslovima [4]. Cena proizvedenog etanola na šećernoj repi je još uvek nekonkurentna ceni bioetanola proizvedenog na šećernoj trsci ili kukuruzu (tabela 2.1.). Šećerna trska raste u tropskim krajevima sveta, i najznaĉajnija je sirovina za proizvodnju bioetanola u Brazilu. Kao i kod šećerne repe osnovni sastojak je saharoza (70- 91%), a pored ovog šećera sadrţi i glukozu (2-4%) i fruktozu (2-4%) [4]. Topinambur (Jerusalimska artiĉoka) vodi poreklo iz Severne Amerike, a u XVII veku je prenet u Evropu. Prednosti ove biljke su njena visoka produktivnost i relativno visok sadrţaj ugljenih hidrata (uglavnom inulina) u njenoj krtoli. Inulin je polisaharid koji se sastoji od ostataka fruktoze, i za razliku od skroba lakše se razgradjuje do šećera koje kvasac moţe da previre [4]. Topinambur ima puno dobrih osobina koje je ĉine pogodnom za proizvodnju bioetanola, a to su pre svega rezistencija na biljne štetoĉine i na niske temperature, mali zahtevi u toku kultivacije i mogućnost gajenja na siromašnom tzv. marginalnom zemljištu [55]. U Vojvodini su vršena ispitivanja korišćenja topinambura kao sirovine za proizvodnju etanola (na tri lokaliteta: Baĉki Petrovac, Vladimirovac i Jasenovo) Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 39 i poreĊenjem sa ostalim korišćenim skrobnim i šećernim sirovinama ostvareni su veoma visoki prinosi. MeĊutim, topinambr se neće gajiti na plodnom zemljištu u našoj zemlji i pored ostvarenih visokih prinosa, jer takva zemljišta treba da sluţe za gajenje osnovnih ratarskih kultura. Zbog toga je topinambur veoma zahvalna sirovina koja uspeva i na neplodnom, peskovitom zemljištu [57, 58]. 2.2. LIGNOCELULOZNE SIROVINE Lignocelulozna biomasa ukljuĉuje biljnu i drvnu biomasu, otpadnu poljoprivrednu biomasu, otpatke iz proizvodnje papira i dr. Pod opštim nazivom lignocelulozna biomasa podrazumeva se kompleksna biomasa koja sadrţi celulozu (~45% na suvu materiju), hemicelulozu (~30% na suvu materiju) i lignin (~25% na suvu materiju). Celuloza predstavlja polimer glukoze koja je povezana -1,4 glikozidnim vezama. Stepen polimerizacije celuloze zavisi od sirovine i proseĉno iznosi od 2.000 do 27.000 glukoznih jedinica [59]. Hemiceluloze predstavljaju ugljenohidratne polimere koji pored heksoza sadrţe i pentoze (stepen polimerizacije je oko 200). Hemiceluloze mogu hidrolizovati do sledećih monomernih komponenata: glukoza, manoza, galaktoza, ksiloza, arabinoza i manjih koliĉina ramnoze, glukouronske, metilglukouronske i galaktouronske kiseline [4]. Lignin koji je prateći sastojak lignocelulozne biomase je nerazgradljiv sastojak i ne moţe se fermentisati do etanola, pa samim tim ometa efikasnu hidrolizu do glukoze [60]. Lignin je veoma kompleksan molekul sastavljen iz fenilpropanskih jedinica. Hemijske veze izmeĊu celuloze, hemiceluloze i lignina su estarske, etarske i glikozidne. Etarske veze su stabilnije od estarskih veza izmeĊu lignina i ugljenih hidrata [4]. Lignocelulozne sirovine se mogu podeliti u šest grupa [18]: • otpadna poljoprivredna biomasa (ostaci nakon ţetve kukuruza, šećerne trske i sirka, slama, ostaci pirinĉa, pulpa i koštice maslina i sl.) • tvrdo drvo (jasika, topola i sl.) • meko drvo (bor, omorika i sl.) • celulozni otpaci (novine, stara hartija, karton i sl.) • biomasa razliĉitih trava (lucerna i sl.) Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 40 • komunalni ĉvrsti otpad Ova biomasa predstavlja najveću i svima dostupnu sirovinsku bazu. Smatra se da lignocelulozna biomasa ĉini oko 50% ukupne svetske biomase i njena godišnja proizvodnja se procenjuje na oko 10-50 milijardi tona [61]. Pretpostavlja se da će u bliskoj budućnosti biti najzastupljenija i najperspektivnija u industrijskoj proizvodnji bioetanola (druga generacija biogoriva). Lignocelulozne sirovine se i danas koriste, u nekim zemljama (Severna Evropa, Kanada, USA), mada u manjem obimu. Na današnjem nivou razvoja tehnologije, konverzije ovih sirovina do fermentabilnih šećera su niske i procesi su ekonomski nepovoljni, ali se zbog niske cene i velike dostupnosti polazne sirovine danas veoma ulaţe u razvoj i unapreĊenje ovih tehnologija. Jedna od znaĉajnih prednosti korišćenja ove sirovine je i što nije u direktnoj vezi sa proizvodnjom hrane, kao što su to razne ţitarice i skrobne sirovine. MeĊutim, najveći problem je priprema za fermentaciju zbog kompleksnosti hemijske strukture lignocelulozne biomase. Da bi se navedeni polimeri razloţili neophodan je prethodni predtretman kako bi se omogućila dalja razgradnja polimera do prostih jedinica. Razrada ovog postupka bi omogućila neograniĉenu proizvodnju etanola [4]. Predtreman se moţe vršiti fiziĉkim putem (mlevenje, sitnjenje, piroliza), fiziĉko-hemijskim putem (ozonoliza, hidroliza kiselinama ili bazama na visokim temperaturama, oksidativna delignifikacija i vlaţna oksidacija) ili biološkim putem (predtretman glijvama koje razlaţu lignin) [18]. U svetu su vršena ispitivanja primene razliĉitih interesantnih lignoceluloznih materijala, kao što su slama pirinĉa [62], ostaci stabljika i lišća kukuruza [63, 64], papir [65], mahula cveće (Madhuca latifolia L.) [66], topola, eukaliptus i slama [67], trava lucerna [68], zelena salata i zumbul [69], stabljike suncokreta [70] i dr. MeĊutim, proizvodnja etanola iz lignoceluloznih materijala je ispod nivoa ekonomiĉnosti koja se postiţe na skrobnim sirovinama. U budućnosti (do kraja 2015. god.) se oĉekuje da cena etanola dobijenog iz lignoceluloznih sirovina bude najniţa u odnosu na primenu drugih sirovina (0,140 US$/l) [4]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 41 2.3. NUS PROIZVODI RAZNIH TEHNOLOGIJA Prednosti korišćenja ovih sirovina u proizvodnji bioetanola su niske cene i pozitivan ekološki efekat (smanjenje zagaĊenosti). MeĊutim, nedostaci su niska koncentracija šećera koja je nedovoljna za ekonomiĉno dobijanje bioetanola, neophodnost dodavanja nutrijenata i konkurencija sa uspostavljenim trţištima stoĉne hrane i nusproizvoda [4]. Nusproizvodi koji se koriste za proizvodnju bioetanola su: melasa šećerne repe i šećerne trske, otpadne vode iz industrije skroba, otpadni sulfitni rastvori i surutka. Melasa se dobija kao sporedni proizvod pri proizvodnji šećera iz šećerne repe ili šećerne trske (predstavlja sirup koji nastaje pri poslednjem stepenu kristalizacije u postupku prerade šećernih sirovina). Melasa predstavlja gustu, viskoznu teĉnost, karakteristiĉnog mirisa sa minimalnim sadrţajem suve materije 75% i sadrţajem saharoze iznad 46%. Specifiĉno iskorišćenje etanola na sirovinu je sliĉno i kod melase šećerne repe i melase šećerne trske i u opsegu je od 250 do 330 l/t [4]. Melasa je sirovina koja se tradicionalno i dugo koristila za proizvodnju alkohola, meĊutim danas ona ima relativno visoku cenu i na raspolaganju su ograniĉene koliĉine koje su uslovljene proizvodnjom šećera. TakoĊe, za melasu, kao kompleksnu sirovinu sve više konkuriše i savremena biotehnološka proizvodnja organskih kiselina, aminokiselina, rastvaraĉa, vitamina, antibiotika i proizvodnja pekarskog kvasca. Rešavanje problema visoko zagaĊenih otpadnih voda i drugih ekoloških problema koji se javljaju pri proizvodnji etanola iz melase zahteva znaĉajna ulaganja, što smanjuje rentabilnost takve proizvodnje. Problem je takoĊe i tendencija pada proizvodnje šećeme repe kod nas i u svetu, tako da je usmeravanje proizvodnje etanola ka ovoj sirovini neizvesno [71]. Melasa je prema postojećim procenama u Srbiji deficitarna sirovina i morala bi se uvoziti u cilju veće proizvodnje bioetanola. Sulfitni lug je sporedni proizvod sulfitnog postupka prerade drveta. Njegov sastav zavisi od vrste drveta. Sulfitni lug ĉetinara je pogodniji za proizvodnju bioetanola, jer sadrţi heksoze, za razliku od sulfitnog luga listopadnog drveća koji sadrţi pentoze i Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 42 pogodniji je za proizvodnju biomase [72]. Vrednost specifiĉnog iskorišćenja etanola na sirovinu je veoma niska i iznosi oko 1 l/t [4]. Surutka predstavlja teĉnu frakciju koja zaostaje taloţenjem kazeina pri proizvodnji sira. Razlikuje se surutka (kiselinsko taloţenje) i mleĉni serum (enzimsko taloţenje). Sadrţi 70-80 % na suvu materiju laktoze u kojoj je prisutna β - galaktozidna veza izmeĊu glukoze i galaktoze koju mogu da raskinu kvasci: Candida pseudotropicalis, Candida kefyr, Kluyveromyces lactis, Saccharomyces fragilis [72]. Dobar je izvor biotika, a specifiĉno iskorišćenje etanola na sirovinu iznosi 20 l/t [4]. Hidrol (ţitna melasa) zaostaje nakon proizvodnje kristalne glukoze iz skroba. Hidrol je sa stanovišta mikroorganizama siromašan u hranljivim sastojcima. Sadrţi gotovo 77% šećera u suvoj masi, minimalne koliĉine vitamina i faktora rasta, a ne sadrţi izvore azota. Ostatak ĉine razliĉiti oligosaharidi nastali reverzijom, koje kvasci ne mogu da koriste. Zbog toga se hidrol podvrgava enzimskoj hidrolizi [72]. 2.4. SKROBNE SIROVINE U proizvodnji etanola koriste se sledeće skrobne sirovine: a) krtolaste sirovine (krompir, sladak krompir i kasava) i b) ţitarice (kukuruz, pšenica, jeĉam, raţ, sirak i tritikale). Krompir je kao sirovina za proizvodnju bioetanola pod znakom pitanja zbog relativno visoke cene i sezonskog rada postrojenja. Upotreba krompira za dobijanje etanola je opravdana u sluĉaju postojanja znaĉajnih koliĉina otpadnog materijala pri preradi krompira, kao i u oblastima sa velikim trţišnim viškovima krompira [73]. Najviše se koristi u proizvodnji etanola u Nemaĉkoj i Istoĉnoj Evropi. Krompir pored skroba (12-21%) sadrţi i manje koliĉine šećera (saharoze, glukoze i fruktoze) [4]. Kasava (tapioka ili manioka) je tropska biljka koja ima krtolu sa znaĉajnim sadrţajem skroba od 80-89% i sadrţajem ukupnih šećera od 3,6-6,2% [4]. Glavne oblasti proizvodnje su Istoĉna i Zapadna Afrika, Brazil, Indija, Indonezija, Madagaskar, Malezija, Tajland i Filipini. Pošto je ova biljka nestabilna (ne moţe se dugo skladištiti) preporuĉuje se korišćenje odmah nakon ţetve, ili se suši i melje radi dobijanja suvog skrobnog brašna. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 43 Pošto manioka sadrţi toksiĉne koliĉine cijanogenih glukozida, potrebno je pre proizvodnje bioetanola prethodno izvršiti njenu detoksifikaciju (aeracijom). Prednosti kasave kao sirovine za proizvodnju etanola su: visok prinos etanola po hektaru zemljišta, nizak kvalitet zemljišta potreban za uzgajanje i visoka otpornost na sušu i bolesti [55]. Korišćenje ţitarica, koje se tradicionalno koriste u ishrani, za proizvodnju etanola moţe se opravdati postizanjem znaĉajno niţe cene proizvodnog postupka razgradnje skroba i prevoĊenja u fermentabilne šećere. Kukuruz i pšenica zbog visokih i stabilnih prinosa, ekonomiĉne proizvodnje, viškova na svetskom trţištu (posebno SAD, Brazil i EU) i relativno stabilne cene, postaju najznaĉajnije skrobne sirovine za proizvodnju etanola. Savremene tehnologije omogućavaju da se ţitarice do kraja iskoriste, tako da se pored visokih prinosa etanola, proizvode i stoĉna hraniva koja su po vrednosti identiĉna vrednosti sirovine, generiše se energija koja se koristi u pogonu, a dobija se i CO2 koji se koristi u prehrambenoj industriji. Pšenica sadrţi oko 60% skroba i 11,7% sirovih proteina. Ukoliko sadrţi više od 13% sirovih proteina javljaju se problemi u vidu stvaranja pene prilikom fermentacije. Veoma se ĉesto koristi kao sirovina za proizvodnju etanola u Nemaĉkoj [4]. U našoj zemlji je vršeno ispitivanje moguće upotrebe domaće sorte pšenice Kantata kao sirovine za proizvodnju etanola. Ova sorta nije bila pogodna za korišćenje u pekarskoj industriji pa je usmerena u proizvodnju etanola [74]. Srbija ima razvijenu poljoprivrednu proizvodnju i proizvedene koliĉine ţitarica potpuno zadovoljavaju i prevazilaze domaće potrebe za ljudskom i stoĉnom hranom. U struĉnim krugovima se procenjuje da su trţišni viškovi ţitarica oko 1.000.000 tona [75]. Da bi se proizvelo oko 100.000 tona bioetanola, koliko je procenjeno da je potrebno da bi se u našoj zemlji obezbedio dodatak bioetanola od 10% u goriva, bilo bi potrebno oko 330.000 tona ţitarica. Ovo predstavlja oko 33% trţišnih viškova ţitarica ili svega oko 2- 4% ukupne proizvodnje ţitarica (zavisno od godišnje proizvodnje ţitarica). Od ţitarica se u našoj zemlji najviše proizvode kukuruz i pšenica ĉija je proizvodnja u 2008. godini bila 6,54 i 2,12 miliona tona, respektivno [76]. Ječam i raž su sirovine kojima je obiĉno posvećeno mnogo manje obradive površine od drugih ţitarica. Oni daju manji prinos po zasejanoj površini i obiĉno se koriste za proizvodnju alkoholnih pića, a njihovo korišćenje za proizvodnju bioetanola kao biogoriva se moţe opravdati samo u sluĉaju oštećenih zrnevlja. Proseĉan sadrţaj skroba u jeĉmu iznosi 63%. Nedostatak jeĉma kao sirovine u proizvodnji etanola je visok sadrţaj Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 44 glukana koji povećavaju viskozitet podloge pa neophodno posebno tretiranje za pripremu podloge [4]. Tritikale je hibrid pšenice i raţi. Za razliku od ostalih ţitarica moţe da razgradi sopstveni skrob, jer ima relativno visoku sopstvenu autoamilolitiĉku aktivnost. Neke vrste imaju i proteolitiĉku aktivnost. Prednosti korišćenja ove ţitarice su što dobro podnosi niske temperature, otporan je na biljne bolesti, moţe se uspešno kultivisati u ekstenzivnim uslovima i na marginalnom zemljištu, i po prinosu ne zaostaje za hlebnim sortama pšenice. Proces proizvodnje etanola iz tritikalea je znatno jeftiniji od procesa u kome se kao sirovine koriste pšenica ili raţ [4]. U našoj zemlji su vršena ispitivanja devet sorti tritikalea koji se pokazao kao perspektivna sirovina. Zbog razvijenog autoamilolitiĉkog enzimskog sistema proizvodnja etanola je uspešno izvedena fermentacijom sa Saccharomyces diastaticus bez prethodne saharifikacije [77]. Sirak obuhvata veći broj kulturnih i divljih biljaka. Kulturni sirkovi se gaje na svim kontinentima – najveći proizvoĊaĉi su Indija, Kina i SAD, mada se moţe gajiti i kod nas (naša zemlja spada meĊu poslednje u Evropi) [78]. Osobine koje ga ĉine pogodnim za proizvodnju bioetanola su dobra adaptivnost na razliĉite poljoprivredne regione sveta, otpornost na sušu i mali zahtevi za Ċubrenjem i za ulaganjem u agrotehniku. Ova biljka sadrţi i šećer i skrob. Sadrţaj skroba u sirku od oko 74% je sliĉan kao kod kukuruza, a znatno viši od sadrţaja skroba u pšenici. Sirak ima relativno visoku vrednost specifiĉnog iskorišćenja etanola na sirovinu od 340 l/t (tabela 2.1.), sliĉno kao kod kukuruza, meĊutim prinos etanola po hektaru obradive površine je veoma nizak (1-6 t/ha). Sirak za zrno je najvaţnija ţitarica u tropskoj Africi, ali se gaji i u Arabiji, Indiji i juţnim delovima Evrope. Sirak za zrno sadrţi oko 62-65% skroba, a njegovom konverzijom do fermentabilnih šećera i fermentacijom se moţe ostvariti prinos etanola sliĉan kao kod kukuruza [55]. Batata je veoma sliĉna krompiru, ali ima znatno veće krtole. Gaji se u tropskim oblastima i predstavlja vaţnu ţivotnu namirnicu. Proseĉni prinos po hektaru za batatu iznosi 10-15 t/ha, a specifuĉno iskorišćenje etanola na sirovinu oko 130 l/t [4]. U našoj zemlji kao sirovine za proizvodnju bioetanola za gorivo sagledavaju se prvenstveno skrobne sirovine (kukuruz, viškovi pšenice i krompir), a zatim i namenski proizvedene sirovine uzgojem na marginalnom zemljištu (hibridni sirak, topinambur i tritikale). Da bi se ostvarila ekonomiĉna proizvodnja etanola iz ratarskih kultura, nuţan Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 45 preduslov je kompletno iskorišće nje sporednih proizvoda, u prvom redu dţibre, sa osnovnom njenom primenom za stoĉnu hranu. 2.4.1. Kukuruz kao sirovina za proizvodnju bioetanola Kukuruz (botaniĉko ime Zea mays) je jednogodišnja biljka iz porodice Poaceae koja daje zrnast plod, ţute ili bele boje, proseĉne visine oko 2,5 m (mada neke sorte mogu biti i visine oko 6m). Potiĉe iz Srednje Amerike, a u Evropu je prenet krajem XV i poĉetkom XVI veka. Kukuruzno zrno graĊeno je iz ĉetiri osnovna dela: korena zrna, košuljice, klice, brašnastog i roţnatog endosperma, što je prikazano na slici 2.1. [71, 79]. Slika 2.1. GraĊa kukuruznog zrna [71, 79] Hemijski sastav kukuruznog zrna moţe biti veoma razliĉit i zavisi od sorte kukuruza, klimatskih uslova, primenjenih agrotehniĉkih mera, sastava zemljišta itd. U tabeli 2.2. prikazane su srednje vrednosti sastava sušenog i skladištenog zrna kukuruza [4]. Košuljica je tanka opna koja obavija celo zrno i ima zaštitnu funkciju. Teţinski ĉini 5,5- 6,3% zrna i po hemijskom sastavu je uglavnom celuloza. Klica se nalazi u donjem delu zrna iznad korena i prostire se do 2/3 visine zrna. Hemijski je uglavnom sastavljena od masti, proteina i ugljenih hidrata i ĉini 10-14% teţine zrna. Klica sadrţi i vaţne enzime, vitamine i minerale neophodne za rast biljke. Endosperm ĉini oko 82% suve materije zrna i predstavlja izvor skroba, proteina i masti. Postoji brašnasti endosperm koji se nalazi u gornjem delu zrna u predelu klice, i staklasti endosperm koji se nalazi ispod košuljice, obavija celo zrno i daje mu ĉvrstinu. Koren zrna je deo kojim je zrno vezano za klip i preko koga prima hranu. Po hemijskom sastavu je uglavnom celuloza i ĉini 1-2% teţine zrna. Koren štiti klicu, ali nije ĉvrsto vezan za ostale delove zrna pa moţe ostati i na klipu. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 46 Tabela 2.2. Proseĉan hemijski sastav sušenog i skladištenog kukuruza [4] Komponenta Sadrţaj, % Voda 15,1 Skrob 62,6 Sirovi proteini 8,4 Sirova vlakna 2,0 Masti 3,7 Pepeo 1,5 Uzimajući u obzir tri osnovne sorte kukuruza, brašnaste sorte su bogatije skrobom i mastima od staklastih koji imaju više proteina. Zuban kukuruz je u sredini po sadrţaju skroba, ali ima manje masti od druge dve sorte kukuruza. U kukuruznom zrnu se nalaze tri osnovne vrste proteina: zein (4,21%), globulin (1,99%) i glutelin (3,25%), koji svojim osobinama i ponašanjem pri preradi utiĉu na kvalitet skroba i tehnološki tretman. Zrno sadrţi sledeće minerale: Ca, P, K, Fe, Mg, Na, Cl, S; i vitamine: karotin, vitamin A, tiamin, niacin, riboflavin, pantotensku kiselinu, vitamin E [71]. Proseĉni hemijski sastav osnovnih delova zrna staklastog kukuruza (izraţen u % na suvu materiju) prikazan je u tabeli 2.3. [71, 79]. Tabela 2.3. Raspored hranljivih materija po osnovnim komponentama zrna kukuruza [79] Sastavni deo Endosperm Klica Košuljica Skrob 98,0 1,4 0,6 Proteini 74,8 22,4 2,8 Masti 14,5 83,7 1,8 Rastvorni ugljeni hidrati 28,1 70,2 1,7 Celuloza, hemiceluloza lignin 27,0 21,9 51,1 Soli 16,5 79,7 3,8 Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 47 Kao što varira hemijski sastav zrna u celini, tako varira i hemijski sastav glavnih delova zrna – endosperma, klice i košuljice, što se moţe videti iz tabele 2.3. Glavni deo skroba i proteina nalazi se u endospermu zrna, dok su masti, šećeri i soli preteţno koncentrisani u klici. U košuljici se nalazi preteţan deo celuloza, hemiceluloza i lignina. Kukuruz zbog visokih i stabilnih prinosa, ekonomiĉne proizvodnje, viškova na svetskom trţištu i relativno stabilne cene, predstavlja jednu od najĉešće korišćenih skrobnih sirovina za proizvodnju etanola. Najveća proizvodnja kukuruza je u SAD-u (42%), zatim u Aziji (26%), Evropi (12%) i Juţnoj Americi (9%). U svetu se proseĉno proizvodi 520 Mt kukuruza godišnje [80]. Kukuruz predstavlja osnovnu sirovinu za proizvodnju bioetanola u SAD [19]. U Srbiji je proizvodnja kukuruza u 2008. godini iznosila 6,54 miliona tona, dok su domaće potrebe od 4-4,5 miliona tona [76]. Prema tome, u našoj zemlji postoji mogućnost proizvodnje znatnih viškova kukuruza pa je ovo znaĉajna potencijalna sirovina za proizvodnju bioetanola, što bi oslobodilo našu zemlju uvoza od oko 2,5 miliona tona nafte [71, 81]. TakoĊe, u našoj zemlji klimatski uslovi pogoduju gajenju kukuruza, pa ova kultura ima znaĉajan udeo u setvi ţitarica. U Srbiji je oko 67% ukupne obradive zemlje zasejano ţitaricama, od ĉega je 1,28 miliona hektara zasejano kukuruzom a svega 488 hiljada hektara pšenicom u 2008. god. [76]. U poreĊenju sa drugim ţitaricama i godišnjom proizvodnjom drugih poljoprivrednih kultura koje predstavljaju potencijalnu biomasu za proizvodnju etanola kukuruz predstavlja najviše zastupljenu sirovinu. Danas u svetu postoji veliko interesovanje za uzgajanje hibrida kukuruza ĉijom bi se primenom kao sirovine poboljšala proizvodnja etanola. Razvijeni su hibridi sa većim sadrţajem fermentabilnih šećera. U Americi, dve velike kompanije „Pioneer“ i „Monsanto“, ulaţu napore da identifikuju i razviju nove hibride kukuruza, ispitaju uticaj sredine na njihov rast, kao i uticaj sorte kukuruza na sastav korisnih sporednih proizvoda. Obe kompanije imaju komercijalne sorte kukuruza specijalno namenjene samo za proizvodnju bioetanola ĉijim korišćenjem je moguće ostvariti prinos etanola do 4% više nego kod klasiĉnih sorti kukuruza (što bi za proizvodnju etanola od 150 Ml godišnje znaĉilo povećanje profita od 1-2 miliona dolara). Dalja istraţivanja bi trebalo da podrazumevaju modifikaciju osobina skroba i drugih kompleksnih ugljenih hidrata u genetski modifikovanom kukuruzu [82]. Kod nas, u Institutu za kukuruz u Zemun Polju, ispitivani su i razvijeni hibridi kukuruza (sa oznakom ZP, NS i PKB) koji nam, pored Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 48 klasiĉnih sorti, pruţaju mogućnost ispitivanja njihove primene radi poboljšanja ekonomiĉnosti proizvodnje etanola. 2.4.2. Skrob Skrob je prirodni polimer monosaharida α-D-glukoze velikog stepena polimerizacije (osnovni gradivni elementi su ostaci α-D-glukoze povezani glikozidnim vezama). Njegova bruto formula je (C6H10O5)n [83]. Skrob spada u grupu osnovnih biljnih rezervnih ugljenih hidrata. U biljkama se javlja u obliku karakteristiĉnih zrnaca. Zrna skroba razliĉitih biljaka razlikuju se po obliku, veliĉini i drugim fiziĉkim karakteristikama. Skrob krompira je najkrupniji, a najsitniji je kod pirinĉa i prosa. Kukuruzni skrob poseduje zrna u dva oblika u zavisnosti od porekla. Brašnaste sorte kukuruza imaju uglavnom okrugla zrna, dok su kod staklastih sorti poliedarskog oblika. U zavisnosti od vrste biljke veliĉina zrna skroba varira od 3 do 50 μm. Kod kukuruza veliĉina zrna skroba je od 5 do 25 μm [71, 84]. Na slici 2.2. je prikazana mikroskopska slika zrna skroba u kestenu, kukuruzu i kasavi [85]. Slika 2.2. Zrna skroba u: a) kestenu, b) kukuruzu i c) kasavi Frakcionisanjem prirodnog skroba utvrĊeno je da je on visokopolimerno jedinjenje koje se sastoji iz dva molekula - amiloze i amilopektina. Sadrţaj amiloze u skrobu zavisi od vrste biljke i varira u širokim granicama, od 14-27% (w/w) [84]. Iako su i amiloza i amilopektin izgraĊeni samo od α-D-glukoze kao monosaharidne komponente, meĊusobno se znatno razlikuju (tabela 2.4.) [83]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 49 Tabela 2.4. Razlike u ponašanju amiloze i amilopektina [83] Amiloza Amilopektin Razlaganje β-amilazom ~100% ~50% Stepen polimerizacije 600-1.600 >10.000 Reakcija sa jodom tamno plavo obojenje purpurno ili crveno obojenje Kompleks sa n-butanolom gradi ne gradi Adsorpcija na celulozi dobra slaba Odnos neredukujućih i redukujućih krajnjih grupa 1:1 100 n :1 Amiloza je dug savitljiv lanĉast makromolekul sa 600-1.600 glukozidnih jedinica, u piranoznom obliku, vezanih samo α-1,4-glikozidnim vezama. Odnos redukujućih i neredukujućih krajnjih grupa je 1:1. Razlaganje sa β-amilazom je skoro potpuno, što ukazuje da je amiloza nerazgranat molekul. Amiloza sa jodom daje plavo obojenje, a intenzitet obojenja varira u zavisnosti od duţine niza amiloze. Kompleksi sa n-butanolom, masnim kiselinama, nitrobenzolom i timolom odlikuju se slabom rastvorljivošću i dobrom kristalizacijom, što je tehniĉki iskorišćeno za izdvajanje amiloze iz skroba. Polisaharidni niz amiloze je u vidu zavojnice, ĉiji je preĉnik dovoljno velik da moţe da primi molekule joda i n-butanola [83]. Amilopektin je druga frakcija skroba i predstavlja razgranati polimer α-D-glukoze povezanih α-1,4-glikozidnim vezama, ali i α-1,6-glikozidnim vezama koje izazivaju grananje molekula. Stepen polimerizacije je preko 10.000. Dejstvom β-amilaze razlaţe se pribliţno oko 50% od ukupne mase molekula, što ukazuje na to da se radi o veoma razgranatom sistemu. Amilopektin ne gradi komplekse sa organskim rastvaraĉima, a sa jodom gradi komplekse crvene boje [83]. Na slici 2.3. prikazane su strukture amiloze i amilopektina [86]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 50 Slika 2.3. Strukture amiloze i amilopektina [86] Amiloza Amilopektin α-1,4 α-1,6 Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 51 1. Prethodna obrada 2. Fermentacija 3. Izdvajanje proizvoda 3. TEHNOLOGIJA PROZVODNJE BIOETANOLA 3.1 OSNOVNE FAZE PROIZVODNJE BIOETANOLA Bioetanol se proizvodi fermentacijom šećera prisutnih u biomasi ili šećera dobijenih prethodnom enzimskom konverzijom sastojaka biomase. Fermentacija šećera se vrši pomoću mikroorganizama, i to tradicionalno pomoću kvasaca, a u novijim tehnologijama i pomoću odreĊenih bakterija. Tehnologija za proizvodnju etanola se razlikuje u zavisnosti od vrste primenjene sirovine (supstrata) i globalno se moţe podeliti u tri faze (slika 3.1.): 1. Prethodna obrada supstrata (priprema sirovine) 2. Fermentacija supstrata 3. Izdvajanje proizvoda (destilacija, rektifikacija, preĉišćavanje i obezvodnjavanje) Amilaze Kvasac C Celulaze Bakterije Slika 3.1. Uprošćena blok-šema dobijanja etanola iz biomase [4] Kukuruz: Skrob Šećeri Glukoza Etanol Biomasa: Celuloza Hemiceluloza Lignin Heksoze (C6): Glukoza Galaktoza Manoza Pentoze(C5): Ksiloza Arabinoza Etanol Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 52 Faza prethodne obrade supstrata ima za cilj da se skrobne ili celulozne komponente iz biomase prevedu u fermentabilne šećere i vrši se pomoću enzima ili kiselina. Fermentabilni šećeri su oni šećeri koje mikroorganizmi mogu metabolisati, odnosno fermentisati do etanola, i to su uglavnom monosaharidi sa šest (glukoza, fruktoza, galaktoza, manoza) ili pet ugljenikovih jedinica (ksiloza, arabinoza), ili disaharidi (saharoza, maltoza, laktoza) [87]. Supstrati na bazi biomase koja je bogata šećerima, kao na primer šećerna repa, ne zahtevaju prethodnu enzimsku hidrolizu, već se priprema vrši usitnjavanjem radi ekstrakcije, razblaţivanjem i usklaĊivanjem sa potrebama kvasca kako bi se direktno izvodila fermentacija do etanola [4]. 3.2. PRIPREMA SKROBNIH SIROVINA ZA ALKOHOLNU FERMENTACIJU 3.2.1. Hidroliza kukuruznog skroba Razvijene su dve osnovne tehnološke šeme prerade skrobnih sirovina do skroba: postupak mokrog mlevenja i postupak suvog mlevenja. Oba ova postupka se mogu kombinovati ili primeniti za polaznu mehaniĉku pripremu kukuruza u proizvodnji bioetanola. Osnovne razlike su u koliĉini i vrsti nastalih sporednih proizvoda. Postupak mokrog mlevenja je novijeg datuma, razvijen je krajem sedamdesetih i poĉetkom osamdesetih godina XX veka. U ovom postupku se polazna sirovina (zrnevlje kukuruza ili drugih ţitarica) prvo moĉi radi bolje ekstrakcije sporednih proizvoda i dobijanja ĉistijeg skroba, a zatim sledi mokro mlevenje, nakon ĉega se izdvajaju vaţni sporedni proizvodi - klica i gluten. Skrobno mleko nastalo mlevenjem (sitnija zrna skroba) se preraĊuje u visoko fruktozni sirup kao sledeći znaĉajan sporedni proizvod. Skrobno mleko (sa krupnijim zrncima skroba), izdrobljeni kukuruzni lom i mekinje podvrgavaju se ošećerenju (saharifikaciji), nakon ĉega slede fermentacija, destilacija i rektifikacija radi dobijanja etanola. Izdvojeni ĉvrsti (neošećereni) deo zrna se spaja sa dţibrom, a zatim se uparavanjem i sušenjem prevodi u stoĉnu hranu. U postupku mokrog mlevenja nema otpadnih tokova, tako da je ukupno iskorišćenje postupka 99%. Tehnološka šema postupka Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 53 Moĉenje Mlevenje Mokro mlevenje Sušenje Sušenje mokrog mlevenja i dobijanja etanola sa materijalnim bilansom i prikazom sporednih proizvoda prikazana je na slici 3.2. [39]. KUKURUZNI KUKURUZ LOM 408 t/l 24 t/d 400 t/l 8 t/l 23,8 t/d SM 340 t/d SM Slika 3.2. Tehnološka šema postupka mokrog mlevenja i dobijanja etanola iz kukuruza sa materijalnim bilansom i prikazom sporednih proizvoda [39] Ukoliko se proizvodnja bioetanola vrši na kukuruzu pripremljenom suvim mlevenjem znaĉajan sporedni proizvod je visoko kvalitetna dţibra (koja se koristi kao stoĉna hrana) i ugljendioksid. Danas je u svetu zastupljeniji postupak suvog mlevenja (oko 67%) s obzirom da su ukupni troškovi po litri proizvedenog etanola dva do ĉetiri puta manji nego kod primene postupka mokrog mlevenja (koji je zastupljen svega oko 33%), a i Gluten 19,1 t/d SM Skrobno mleko „A“ 144,3 t/d SM Klica 26,2 t/d SM Mekinje 48,6 t/d SM Skrobno Mleko „B“ 78 t/d SM 48,6 t/d SM Kukuruzna suspenzija 51,6 t/d SM 48,6 t/d SM Enzimska konverzija Ošećerenje Uparavanje Fermentacija Destilacija Sušenje Krmivo 92,7 t/d Etanol I klase 599,8 hl/d 96,2% vol. Klica 27,9 t/d Gluten 20,7 t/d Visoko fruktozni sirup 208,3 t/d Etanol II klase 124 hl/d 95% vol. Patoĉna ulja 400l/d Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 54 sam tehnološki postupak je jednostavniji [81]. Tehnološka šema postupka suvog mlevenja i dobijanja etanola sa materijalnim bilansom i prikazom sporednih proizvoda prikazana je na slici 3.3. [4]. Kukuruz, 1000 kg (65-70% skroba na SM) Enzim Enzim Slika 3.3. Tehnološka šema postupka suvog mlevenja i dobijanja etanola iz kukuruza sa materijalnim bilansom i prikazom sporednih proizvoda [4] Kukuruz sadrţi preko 70% ugljenih hidrata, od ĉega najviše skroba, dok celuloza i hemiceluloza ĉine oko 2%. Prva i veoma znaĉajna faza u tehnološkom postupku proizvodnje bioetanola je hidroliza kukuruznog skroba. Osnovni cilj hidrolize je da se izvrši efikasna konverzija dve polimerne komponente skroba, amiloze i amilopektina, do fermentabilnih šećera koji se zatim mogu fermentisati do etanola pomoću odreĊenih vrsta kvasaca ili bakterija. U procesu hidrolize razlikuju se tri postupka: kiselinski, kiselinsko-enzimski i dvojno-enzimski. Ranijih godina je uglavnom korišćena hidroliza skroba kiselinama, ali je to zahtevalo velike utroške energije, postojanje sporednih proizvoda, tešku kontro lu procesa itd. Kiselinska hidroliza se izvodi pomoću sumporne ili hlorovodoniĉene kiseline i zagrevanjem skrobne suspenzije (sa sadrţajem suve materije od 30-40%) na temperaturu od 100 do 148 °C pri pH vrednosti od 1,5-2. Dejstvom kiselina moţe se izvršiti parcijalna ili potpuna hidroliza. Proizvodi parcijalne hidrolize su sirupi i hidrolizati skroba, a totalnom hidrolizom se dobija glukoza. Dobijeni hidrolizati pokazuju dobre filtracione osobine, ali dobijaju se i polimeri (koji boje rastvor) i visok Mlevenje Likvefakcija Saharifikacija Fermentacija CO2 283 kg Destilacija Dehidratacija Etanol 293 kg Dţibra 229 kg, 90% SM Uparavanje Sirup 493 kg, 30% SM Centrifugiranje Sušenje Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 55 sadrţaj pepela, pa postupci preĉišćavanja dodatno poskupljuju proces. Osim toga, nespecifiĉnost dejstva kiselina rezultira u nastajanju sporednih proizvoda kao što je oksimetilfurfurol koji je nepostojan i dalje se razlaţe na mravlju i levulinsku kiselinu. Ovi sporedni proizvodi smanjuje prinos ţeljenog proizvoda, a zbog dodatne faze preĉišćavanja proizvoda i velikih troškova usled izvoĊenja hidrolize na visokoj temperaturi i pritisku prešlo se na primenu enzimskog postupka hidrolize [71]. Kod kiselinsko-enzimske hidrolize skrob se prevodi u rastvor pomoću kiseline kao katalizatora i upotrebom povišene temperature i pritiska. Kod ovog postupka skrobna suspenzija (30-40% suve materije) se zagreva 5 min na temperaturi od 140 ºC i podesi pH vrednost u intervalu od 2 do 5 dodatkom kiseline, pri ĉemu se vrši mehaniĉko i kiselinsko uteĉnjavanje. U sluĉaju suviše niske pH vrednosti dolazi do promene obojenosti i formiranja sporednih proizvoda, a pri suviše visokoj pH uteĉnjavanje skroba je nepotpuno. Nakon uteĉnjavanja smeša se hladi do temperature od 95 ºC, pH podesi na 6-6,5 i dodaju enzimi, ĉime nastupa faza saharifikacije. Saharifikacija se odvija u fermentorima u kojima se vrši višeĉasovna hidroliza oligosaharida dobijenih u fazi likvefakcije, na odgovarajućoj temperaturi. Osnovna prednost kombinovanog postupka je u tome što se dobijaju proizvodi koji se lako filtriraju i smanjuje se koliĉina korišćenja enzima, ali znog upotrebe kiseline takoĊe se formiraju i sporedni proizvodi koji smanjuju kvalitet i prinos glukoze [71]. Razvoj i usavršavanje tehnologije proizvodnje amilolitiĉkih enzima od strane kompanije Novozymes (Danska) doprinelo je razvoju ekonomski znatno povoljnijeg industrijskog postupka u odnosu na prethodne postupke, koji su da bi razorili kristalnu strukturu skroba koristili termiĉki tretman na visokim temperaturama. Razvijen je takozvani "dvostepeni hladni enzimski postupak" koji se sastoji iz dve faze: likvefakcije i saharifikacije [88]. 3.2.1.1. Dvojno-enzimski postupak hidrolize skroba Dvojno-enzimski postupak hidrolize skroba je savremeno rešenje u kojem se koriste termostabilne amilaze koje omogućavaju hidrolizu na niţoj temperaturi i pritisku. Prema tome, osnovne prednosti ovakvog postupka su manja potrošnja energije i niţi sadrţaj neglukozidnih neĉistoća. Potrošnja energije u toplom postupku razgradnje skroba iz kukuruza iznosi 2.449 MJ/t (6-8 MJ/l etanola), dok u hladnom iznosi svega 566 MJ/t (1- Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 56 3 MJ/l etanola) [2]. Dalje usavršavanje postupka razgradnje skroba podrazumeva uvoĊenje postupka kontinualne degradacije skroba [4]. Likvefakcija je prva faza dvojno-enzimske hidrolize skroba u kojoj dolazi do delimiĉne hidrolize skroba uz smanjenje viskoznosti suspenzije. U ovoj fazi se koristi enzim termostabilna -amilaza koji vrši uteĉnjavanje skroba tako što hidrolizuje unutrašnje -D-(1-4)-glikozidne veze. Faza likvefakcije obuhvata: intenzivno mešanje polazne skrobne suspenzije, podešavanje pH vrednosti koja je odgovarajuća za dati enzim i zagrevanje smeše na temperaturu neophodnu za likvefakciju (85-110 ºC) u toku 1-1,5 h. Sa povećanjem temperature skrob se ţelatinizira formirajući gustu kašu koja dejstvom enzima, po završetku likvefakcije, prelazi u teĉnu smešu izgraĊenu od dekstrina (kompleksnih šećera). Cilj likvefakcije je da se smanji viskoznost suspenzije, kao i dovoĊenje dekstroznog ekvivalenta do vrednosti izmeĊu 10 i 20 u zavisnosti od koliĉine dodatog enzima (dekstrozni ekvivalent DE predstavlja odnos redukujućih šećera izraţenih kao glukoza i ukupnih ugljenih hidrata, raĉunato na suvu materiju). Na brzinu likvefakcije utiĉe više faktora, kao što su: temperatura, brzina mešanja, pH vrednost, vreme trajanja likvefakcije, koncentracija supstrata, koncentracija enzima, dodatak Ca 2+ jona itd. [88, 89]. Druga faza hidrolize skroba je saharifikacija. U ovoj fazi se koristi enzim glukoamilaza koji vrši dalju razgradnju skroba tako što hidrolizuje -D-(1-4) i -D-(1-6)– glikozidne veze poĉevši od neredukujućeg kraja makromolekula što dovodi do stvaranja glukoze kao krajnjeg proizvoda [90]. Saharifikacija skroba obuhvata: hlaĊenje smeše do optimalne temperature za glukoamilazu, podešavanje optimalne pH vrednosti, dodavanje odgovarajuće koliĉine enzima uz konstantno mešanje i odrţavanje pH vrednosti sve dok se saharifikacija ne završi, što se utvrĊuje merenjem sadrţaja redukujućih šećera odnosno odreĊivanjem DE vrednosti (na kraju hidrolize DE vrednost iznosi 97-98). Faktori koji utiĉu na efikasno odigravanje faze likvekcije utiĉu takoĊe i na fazu saharifikacije. Ukoliko je pri kraju hidrolize koncentracija redukujućih šećera veoma visoka glukoamilaza moţe izvršiti polimerizaciju glukoze. Pritom najĉešće nastaju izo-oblici, di- i tri- saharidi, i to izomaltoza i izomaltotrioza, zbog ĉega se smanjuje kvalitet i prinos ţeljenog proizvoda [91]. Uprošćena šema hidrolize skroba pomoću α-amilaze i glukoamilaze prikazana je na slici 3.4. [92]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 57 Skrob -amilaza iz B. licheniformis T=85-95 °C, pH =5,5-7,0; DE=10-20 Glukoamilaza iz Aspergillus ili Rhizopus T=55-60 °C, pH=4,5-5,0; DE=95-98 Glukoza Slika 3.4. Šema dvojno-enzimske hidrolize skroba [92] 3.2.1.2. Enzimi koji katalizuju hidrolizu skroba Amilaze (amilolitiĉki enzimi) predstavljaju najvaţnije hidrolitiĉke enzime koji katalizuju hidrolizu skroba. Rasprostranjeni su u biljnom i ţivotinjskom svetu, i kod mikoorganizama. Klasifikuju se u tri grupe u zavisnosti na koji tip veze deluju: α-amilaze, β-amilaze i glukoamilaze [90]. α-amilaze (endoamilaze) raskidaju α-D-(1-4)-glikozidne veze u unutrašnjosti skroba nasumice usled ĉega naglo opada viskozitet rastvora skroba i smanjuje se intezitet boje kompleksa sa jodom. Kada naiĊu na taĉku grananja, tj. na α-D-(1,6)-glikozidnu vezu, hidroliza se prekida. Rezultat dejstva α-amilaza su dekstrini sa α-konformacijom na prvom C-atomu, pa otuda i nose naziv α-amilaze. Njihovo sistematsko ime je α-1,4-glukan-4- glukanohidrolaza sa enzimskim brojem E.C: 3.2.1.1. [90]. Producenti α-amilaza su plesni, kvasci, bakterije i aktinomicete, mada se uglavnom u njihovom industrijskom dobijanju koriste plesni (Aspergillus oryzae) i bakterije (Bacillus subtilis, B. licheniformis, B. amyloliquefaciens). Prva korišćena α-amilaza je amilaza iz B. amyloliquefaciens. Dalje usavršavanje tehnologije enzima u kompaniji „Novozymes“ dovelo je do primene termostabilne α-amilaze dobijene iz B. licheniformis pod komercijalnim nazivom Likvefakcija Saharifikacija a Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 58 Termamyl 120L ili Termamyl SC. Amilaze iz većine bakterija i plesni imaju pH optimum u kiselom i neutralnom opsegu (od 5 do 7). Optimalna radna temperatura je 65-70 ºC, dok su α-amilaze iz sojeva Bacillus licheniformis stabilne i na 90 ºC. α -amilaze su metaloenzimi, koji sadrţe najmanje jedan Ca2+ jon. Prisustvo Ca2+ jona povećava termostabilnost α-amilaze, a preporuĉene koliĉine ovih jona su 40-60 ppm. S druge strane, odreĊeni metalni joni (posebno teški metali), reagensi sa sulfhidrilnom grupom i EDTA (etilendiamintetraacetat) mogu da izvrše inhibiciju enzima [88, 93]. β-amilaze (egzoamilaze) hidrolizuju α-D-(1-4)-glikozidnu vezu poĉevši od neredukujućeg kraja makromolekula pa se zbog toga nazivaju egzoamilaze. Ovi enzimi otkidaju po jedan molekul maltoze i usled inverzije na prvom C-atomu dobija se maltoza β-konformacije (zbog ĉega se nazivaju β-amilaze). Kao i α-amilaze, ni β-amilaze ne raskidaju α-D-(1-6)- glikozidnu vezu i nemaju mogućnost da je zaobiĊu. Kada se pribliţe mestu grananja, hidroliza se prekida i dobijaju se graniĉni dekstrini. Njihovo sistematsko ime je α-1,4- glukan-4-maltohidrolaza sa enzimskim brojem E.C: 3.2.1.2. [90]. MeĊutim, prilikom dvojno-enzimske hidrolize skroba kako bi se kao krajnji proizvod dobila glukoza koristi se, kao što je već napomenuto, samo α-amilaza (pod komercijalnim nazivom Termamyl 120L ili Termamyl SC firme „Novozymes“). Glukoamilaze otkidaju po jedan molekul glukoze poĉevši od neredukujućeg kraja skrobnog polimera. Pored α-D-(l,4)-glikozidne veze, ove amilaze raskidaju i α-D-(1,6) i α-D-(l,3)-glikozidne veze. Ipak, glukoamilaza nije u stanju da u potpunosti hidrolizuje skrob, ali ako je pored glukoamilaze prisutna i α-amilaza, skrob se u potpunosti razgraĊuje. Sistematsko ime ovog enzima je α-1,4-glukan-4-glukohidrolaza sa enzimskim brojem E.C: 3.2.1.3. [90]. Temperaturni optimum je 50-60 °C, dok sa povišenjem temperature drastiĉno smanjuje aktivnost, a već na 85 °C se u roku od 5 min inaktiviše. Optimalna pH vrednost je izmeĊu 4 i 5. Mnoge vrste plesni sposobne su da proizvedu glukoamilazu pod razliĉitim uslovima, pri ĉemu se industrijska proizvodnja fokusira na proizvodnju iz Aspergillus niger i Rhizopus oryzae. Najpoznatiji komercijalni nazivi su (proizvoĊaĉ „Novozymes“, Danska): SAN Extra L (iz Aspergillus niger), Spirizyme Plus FG i AMG 300L [94]. Na slici 3.5. šematski je prikazan naĉin delovanja α-amilaze i glukoamilaze na α-D-(l,4) i α- D-(1,6)-glikozidne veze u molekulu skroba kao polimeru monosaharida α-D-glukoze. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 59 Slika 3.5. Naĉin delovanja α-amilaze i glukoamilaze na α-D-(l,4) i α-D-(1,6)- glikozidne veze u molekulu skroba Uprkos mnogobrojnim prednostima u odnosu na klasiĉne hemijske katalizatore, šira industrijska primena enzima je onemogućena zbog visoke cene većine enzimskih postupaka. Naime, iako specifiĉnost katalitiĉkog dejstva enzima znatno pojednostavljuje i pojeftinjuje fazu preĉišćavanja krajnjeg proizvoda, visoka cena samog enzima je ĉesto faktor koji odreĊuje rentabilnost kompletnog procesa. Ukoliko se koriste nativni enzimi ne postoji mogućnost ponovljenog korišćenja, što znaĉajno povećava cenu postupka. U cilju ostvarivanja bolje ekonomiĉnosti i višestrukog korišćenja razvijene su i patentirane razliĉite tehnike imobilizacije enzima. Po definiciji, imobilisani enzimi su enzimi koji su lokalizovani u prostornoj oblasti ograniĉenoj imaginarnom ili fiziĉkom barijerom propustljivom za supstrate i proizvode reakcije, koji se mogu izdvojiti iz reakcione smeše. Postoje i druge definicije imobilisanog enzima. Tako se pod imobilizacijom podrazumeva prevoĊenje enzima rastvornog u vodi u enzim nerastvoran u vodi ili ograniĉavanje slobode kretanja molekula enzima u prostoru Metode imobilizacije enzima mogu se svrati u ĉetiri grupe: adsorpcija, kovalentno vezivanje za ĉvrst nosaĉ, zarobljavanje u polimerne supstance i inkapsulacija [95]. Najĉešće korišćena i ispitivana imobilizacija enzima je na aktivnom uglju, jonoizmenjivaĉkim smolama, zarobljavanje enzima u gelove i kovalentno vezivanje za nosaĉ (kao nosaĉ najviše se koriste silikagel i DEAE celuloza). Za ove nosaĉe moguće je imobilisati amilazu i glukoamilazu, pojedinaĉno ili zajedno. Imobilizacija povećava ĉistoću finalnog proizvoda i smanjuje potrošnju samog enzima, kao i ukupne troškove proizvodnje bioetanola [4, 96]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 60 3.2.2. Primena ultrazvuka i mikrotalasa kao predtretmana za dobijanje hidrolizata kukuruza 3.2.2.1. Predtretman ulltrazvukom Ultrazvuk ĉine zvuĉni talasi ĉija je frekvencija iznad praga ĉujnosti ljudi (>15–20 kHz) [97]. Glavni efekat ultrazvuka je u tome što vrši akustiĉni pritisak na fluid, pored postojećeg hidrostatiĉkog pritiska. Akustiĉni pritisak je sinusoidni talas koji zavisi od vremena, frekvencije i amplitude talasa maksimalnog pritiska [98]. Postoje tri opsega frekvencije ultrazvuka: - ultrazvuk niskih frekvencija (16-100 kHz) - ultrazvuk visokih frekvencija (100 kHz-1 MHz) - dijagnostiĉki ultrazvuk (1-10 MHz) [98]. Primena ultrazvuka, koji obuhvata ovako širok opseg frekvencija, moţe se podeliti u dve oblasti. Prva obuhvata korišćenje ultrazvuka visoke frekvencije od 1-10 MHz (odnosno male snage) u medicini i dijagnostiĉkoj analizi hrane (kao analitiĉka tehnika za proveru kvaliteta, kontrolu procesa i nedestruktivnu inspekciju hrane). Druga oblast podrazumeva primenu ultrazvuka niske frekvencije od 16-100 kHz (odnosno velike snage) u postojećim procesima koji su poboljšani ovom tehnologijom i u razvijanju procesa koji do sada nisu bili mogući sa konvencionalnim izvorima energije. Ova kategorija ultrazvuka se koristi u procesima homogenizacije, emulzifikacije, kristalizacije, sušenja, mlevenja, ekstrakcije, filtracije, pasterizacije, separacije ĉvrste i teĉne faze i fermentacije. Tek nedavno postao je efikasno sredstvo za komercijalnu upotrebu u procesima degaziranja, aktivacije i inaktivacije enzima, redukcije veliĉina ĉestica i promene viskoziteta. Ultrazvuk ima veliku primenu u nauci, medicini i industriji. Iako je dugo korišćen u istraţivanjima i dijagnostici, glavni napredak je ostvaren poslednjih deset godina [98-101]. Ultrazvuk visokog intenziteta prouzrokuje razne promene tokom prolaska kroz medijum. Ove promene mogu da se objasne sa nekoliko mehanizama [102]: Kavitacija: Akustiĉna kavitacija je formiranje, rast i implozija (unutrašnja eksplozija) mehurića kao rezultat fluktuacije pritiska. Naime, talasi ultrazvuka nastaju delovanjem mehaniĉkih vibracija koje imaju frekvenciju veću od 15-20 kHz. Širenjem ovih talasa Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 61 kroz teĉni medijum dolazi do naizmeniĉnog pojavljivanja ciklusa komprimovanja (sabijanja) i ekspanzije (širenja). Pri manjem intezitetu (i visokoj frekvenciji) ultrazvuka dolazi do mešanja fluida i strujanja u akustičnom polju. Pri visokom intezitetu (i niskoj frekevnciji) lokalni pritisak pada ispod pritiska pare teĉnosti prouzrokujući stvaranje mehurića. Dalje povećanje inteziteta izaziva negativni dinamiĉki pritisak u fluidu pospešujući rast mehurića. Kada mehurići dostignu onu zapreminu pri kojoj ne mogu više absorbovati dovoljno energije dolazi do snaţne implozije mehurića. Stvaranje velikih kavitacionih mehurića prouzrokuje povećanje temperature (oko 5.000 K) i pritiska (oko 50.000 kPa) fluida. Pri većim frekvencijama (>1 MHz) prestaje kavitacija i glavni mehanizam koji se javlja je akustiĉno strujanje. Kavitacija u teĉnostima moţe da izazove brzu i potpunu degazaciju; inicira razne hemijske reakcije tako što generiše slobodne radikale; ubrazava hemijske reakcije omogućavajući lakše mešanje reaktanata; pospešuje reakciju polimerizacije ili depolimerizacije (trajno raskidajući hemijske veze u lancu polimera); povećava brzinu difuzije; stvara visoko koncentrovane emulzije ili ujednaĉeno dispergovane ĉestice; pomaţe ekstrakciju supstancija (npr. enzima iz biljnih ili ţivotinjskih ćelija ili mikroorganizama); vrši sterilizaciju (mikrobicidnim delovanjem na nepoţeljne mikroorganizme); uklanja viruse iz inficiranog tkiva itd. [97, 98, 102, 103]. Zagrevanje: usled akustiĉnog strujanja i kavitacije dolazi do poboljšanja prenosa toplote, ĉime se znatno moţe ubrzati postupak zagrevanja proizvoda u industrijskoj praksi [102]. Strukturalni efekti: Ukoliko se fluid izloţi dejstvu ultrazvuka visokog inteziteta moţe se uticati na njihove strukturne karakteristike, kao što je promena viskoziteta [102]. Kompresija i širenje: Kada akustiĉna energija visokog intenziteta prolazi kroz ĉvrstu materiju zvuĉni talasi izazivaju niz brzih i uzastopnih sabijanja i širenja, brzinom koja zavisi od frekvencije. Ovaj mehanizam je poznat kao „rektifikacinona difuzija” i znaĉajan je za akustiĉno sušenje i uklanjanje vlage iz materijala. Materijali velike ĉvrstoće se dejstvom ultrazvuka „razbijaju” tako što se usled akustiĉnog stresa stvaraju mikrokanali za prolazak i uklanjanje vode. Isti mehanizam uzrokuje smanjenje ili povećanje pritiska na granici faza teĉno-gasovito ĉime se ubrzava proces isparavanja [102]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 62 Turbulencija: Ultrazvuk visokog intenziteta uzrokuje intezivno mešanje u teĉnostima i gasovima, omogućavajući time bolju disperziju ĉestica. Na granici faza teĉno-ĉvrsto i gasovito-ĉvrsto akustiĉni talasi izazivaju ekstremne turbulencije poznate kao akustiĉno strujanje ili mikrostrujanje. Na ovaj naĉin se povećava prenos mase i znaĉajno ubrzava proces difuzije u sistemina gde to nije moguće obiĉnim mešanjem [102]. Drugi mehanizmi: Postoji izvestan broj drugih mehanizama i efekata. Ultrazvuk niske frekvencije moţe poboljšati prenos supstrata tokom fermentacije i stimulisati rast i razvoj ćelija. TakoĊe, zbog jakih kavitacija i mogućeg zagrevanja moţe se uticati na inaktivaciju enzima [98, 102]. Primena ultrazvuka kao predtretmana za dobijanje hidrolizata kukuruza moţe dovesti do sledećih efekata. Ultrazvuk visoke snage ima potencijal da smanji veliĉinu zrna skroba u kukuruzu i da oslobodi skrob vezan za lipide (amiloza-lipidni kompleks) usled akustiĉne kavitacije. Smanjenje veliĉine zrna skroba direktno zavisi od primenjene snage ultrazvuka i vremena soniciranja. Smatra se da ultrazvuk ubrzava proces depolimerizacije skroba. Ultrasoniĉna depolimerizacija se primenjuje na mnoge homo i heteropolisaharide, kao što su dekstrani, pululan, hitozan, ksiloglukan i skrob [97, 101, 103, 104]. Khanal i saradnici [97] su ispitivali uticaj ultrazvuka kao predtretmana u proizvodnji etanola iz kukuruza. U svom radu su utvrdili da delovanjem ultrazvuka dolazi do dezintegracije ćelija, razbijanja ćelijskog zida, stvaranja mikrospora i dobijanja fragmetisanog ćelijskog materijala, kao i do smanjenja veliĉine zrna skroba i do 20 puta, što je prikazano na slici 3.6. Usled poboljšane razgradnje i hidrolize kukuruznog skroba dolazi i do većeg izdvajanja redukujućih šećera iz kukuruza upotrebom ultrazvuka pre faze likvefakcije i saharifikacije, što dovodi i do povećanja prinosa etanola [97]. Produţavanjem vremena soniciranja, pri konstantnom intezitetu ultrazvuka, povećava se sadrţaj redukujućih šećera nakon završene hidrolize. MeĊutim, kako predtretman ultrazvukom zahteva i veliku potrošnju energije potrebno je da se pri što kraćem vremenu soniciranja postigne zadovoljavajući stepen razgradnje molekula skroba [104]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 63 Slika 3.6. SEM slika kukuruzne suspenzije: a) sirov kukuruz (kontrola), b) sirovi sonicirani kukuruz, c) kuvani kukuruz (kontrola), d) kuvani sonicirani kukuruz. Uslovi soniciranja: τ=40 s, ν=20 kHz [97] Prednost upotrebe ultrazvuka je i u tome što obezbeĊuje efikasnije mešanje (usled akustiĉnog strujanja) koje omogućava bolji prenos toplote unutar suspenzije. Tokom predtretmana ultrazvukom redukcija veliĉine kukuruznog skroba i izloţenost enzima većoj kontaktnoj površini utiĉu na povećanje aktivnosti enzima. Ultrazvuk takoĊe potpomaţe bolji prenos mase enzima zahvaljujući intenzivnom mešanju. Ovo nam pruţa mogućnost smanjenja koliĉine upotrebljenog enzima u procesu hidrolize. Samim tim, smatra se da enzimi dodati tokom sonifikacije dovode do većeg oslobaĊanja glukoze nego dodatak enzima posle sonifikacije. S druge strane, ultrazvuĉni predtretman moţe i da degradira i denaturiše enzime zbog lokalnog zagrevanja, sonohemijskih reakcija i intenzivnih sila smicanja ukoliko su enzimi dodati pre sonikacije [97, 98]. S obzirom da se primenom ultrazvuka poboljšava razgradnja skroba i kompletna konverzija skroba do glukoze ujedno se dobija i hidrolizat koji pokazuje dobre filtracione osobine, odnosno znaĉajno se smanjuje viskozitet suspenzije. Promena viskoziteta moţe biti trajna ili privremena u zavisnosti od inteziteta upotrebljenog ultrazvuka [97, 98]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 64 3.2.2.2. Predtretman mikrotalasima Mikrotalasi su elektromagnetni talasi frekvencije od 0,3 do 300 GHz, i predstavljaju alternativni metod konvencionalnog naĉina zagrevanja. Njihova praktiĉna primena zapoĉeta je u XX veku (1931. god.). Najviše se koriste u domaćinstvima (za pripremu hrane u mikrotalasnim pećima), a tek se poslednjih godina poĉelo sa intezivnom upotrebom mikrotalasa u industriji [105]. Zagrevanje mikrotalasima pruţa odreĊene prednosti u odnosu na konvencionalne naĉine zagrevanja, kao što su smanjeno poĉetno vreme zagrevanja (postizanje ţeljene temperature je znatno brţe), smanjenje ukupnog vremena zagrevanja, veća energetska efikasnost, bolja kontrola procesa i selektivno zagrevanje. Razlika u odnosu na konvencionalan naĉin zagrevanja je uticaj mikrotalasa na kvalitet proizvoda. Razlike u kvalitetu su posledica nedovoljno ispitanih i potpuno razliĉitih mehanizama prenosa toplote i mase, kao i interakcije izmeĊu mikrotalasa i individualnih polarnih molekula [106]. Mehanizam delovanja mikrotalasa je potpuno razliĉit u odnosu na konvencionalni naĉin zagrevanja, a i pored intezivnog izuĉavanja nije u potpunosti poznat. Jedan od naĉina da se objasni uticaj i mehanizam dejstva mikrotalasa jeste upravo preko toplote koja se produkuje tokom zagrevanja (postiţe se znatno veća temperatura nego kod konvencionalnog zagrevanja), a koja je posledica trenja nastalog usled rotacionih sila koje se javljaju u samom molekulu. Ova pojava je posledica apsorpcije energije mikrotalasa od strane polarnih molekula i njihove potrebe da se orijentišu u pravcu oscilovanja elektriĉnog polja mikrotalasa. Veoma brza promena orijentacije molekula stvara toplotu jer dolazi do cepanja molekula i raskidanja slabih vodoniĉnih veza [105, 106]. Danas se intezivno vrše ispitivanja vezana za primenu mikrotalasa u proizvodnji etanola u cilju optimizacije procesa proizvodnje i dobijanja što većeg prinosa etanola. Istraţivanja se baziraju na uticaju mikrotalasa na hidrolizu skroba, linearizaciju molekula skroba kako bi postao dostupniji dejstvu enzima, i dobijanju hidrolizata sa što većom koncentracijom glukoze [62, 105-108]. Mikrotalasi utiĉu na bubrenje zrna skroba i njegovu ţelatinizaciju, i samim tim mogu biti veoma efikasni u razaranju kristalne strukture skroba [107]. Ţelatinizacija skroba predstavlja nepovratne kumulativne promene koje se javljaju kod zrna skroba u prisustvu Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 65 vlage i toplote. Ove promene obuhvataju bubrenje zrna skroba (amorfni delovi zrna abosrbuju vlagu), razlaganje molekula polimera i izdvajanje amiloze, gubitak kristalne strukture, izdvajanje krupnijih fragmenta skroba kao što je amilopektin, i na kraju potpuno rastvaranje skroba [105]. Upravo zbog razliĉitog mehanizma mikrotalasnog zagrevanja javljaju se i razlike u procesu ţelatinizacije skroba tokom predtretmana mikrotalasima. U svom radu Palav i Seetharaman [105] su eksperimentalno dokazali da kod uzoraka tretiranih mikrotalasima gubitak kristalne strukture se javlja na niţoj temperaturi u odnosu konvencionalni naĉin kondukcionog zagrevanja. Oni smatraju da mikrotalasi izazivaju vibraciona kretanja molekula vode prisutnih u okolini kristalne strukture skroba i da se kao posledica tog dejstva razara struktura zrna i pre dostizanja temperature ţelatinizacije. Kod kondukcionog zagrevanja zrna skroba zadrţavaju svoju strukturu ĉak i na temperaturi od 90 °C. MeĊutim, pri ovako visokim temperaturama izostaje faza bubrenja zrna skroba kod mikrotalsnog zagrevanja i odmah nastupa razaranje molekula skroba. Palav i Seetharaman [106] su u svom radu prikazali mikroskopske slike sirovog skroba (kontrole) i skroba tretiranog mikrotalsima. Na slici 3.7. moţe se videti uticaj mikrotalasa na razaranje strukture zrna skroba i u kom stepenu se vrši deformacija zrna kao posledica razliĉitog vremena dejstva mikrotalasa. Na slici 3.7.C moţe se uoĉiti da nije došlo do bubrenja i znaĉajnih promena dimenzija skrobnih zrna, a sa produţenjem vremena mikrotalasnog zagrevanja razara se struktura zrna skroba koji na svojoj površini imaju formiran film razloţenih polimera. Implementacija predtretmana mikrotalasima na industrijskom nivou podrazumeva sagledavanje i pozitivnih i negativnih strana primene ove tehnologije. Naime, potrebno je usaglasiti postignute visoke prinose etanola i uspostavljene optimalne uslove procesa sa visokom ukupnom potrošnjem energije tokom mikrotalasnog zagrevanja. Neophodno je izvršiti analizu prednosti korišćenja ove tehnologije i procenu ukupnih troškova s obzirom na to da su poĉetna kapitalna ulaganja i troškovi samog predtretmana mikrotalasnim zagrevanjem veoma visoki [108]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 66 Slika 3.7. SEM slika zrna skroba: A) sirovi skrob (kontrola), B) skrob tretiran konvencionalnim naĉinom zagrevanja, C) suspenzija skroba nakon 10 s zagrevanja mikrotalasima (94,8 °C), D) suspenzija skroba nakon 30 s zagrevanja mikrotalasima (98,6 °C). Uslovi rada: snaga mikrotalasa 1.140 W, koncentracija suspenzije 33% [106] 3.3. ALKOHOLNA FERMENTACIJA Fermentacija šećera je faza koja sledi nakon pripreme supstrata, i u klasiĉnim postupcima se izvodi najĉešće pomoću kvasca Saccharomyces cerevisiae na temperaturi od oko 30 °C. Pored ove vrste kvasca u industrijskoj praksi se koriste i kvasci Saccharomyces carlsbergensis (pastorianus), Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus, Schizosaccharomycs pombe i Kluyveromyces vrste. Osim kvasaca koriste se i odreĊene bakterije koje mogu proizvoditi etanol (Zymomonas mobilis, Clostridium sporogenes, Klebsiella oxytoca, Escherichia coli i Thermoanaerobacter ethanolicus) ali se one manje primenjuju u industriji osim u posebnim sluĉajevima [55, 56, 109-111]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 67 Reakcija alkoholne fermentacije se odvija u specijalno konstruisanim sudovima – fermentorima, uglavnom pod anaerobnim uslovima, iako su kvasci fakultativni anaerobi (mogu fermentisati šećere i pod aerobnim i anaerobnim uslovima). Alkoholna fermentacija podrazumeva biohemijsku transformaciju ugljenih hidrata, pre svega monosaharida glukoze, u etanol i ugljendioksid, pod anaerobnim uslovima, uz oslobaĊanje odreĊene koliĉine energije koju je potrebno odvoditi iz sistema, prema Gay-Lussac-ovoj jednaĉini: C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 +117 kJ (1) 1 kg 0,511 kg 0,489 kg Prema navedenoj jednaĉini moţe se videti da se po jedinici (kilogramu) fermentisane glukoze moţe ostvariti teorijski prinos od 0,51 kg etanola. MeĊutim, stvarni prinos koji se moţe ostvariti u toku fermentacije supstrata zavisi od vrste šećera koji se fermentiše, vrste mikroorganizama i primenjenih procesnih uslova (pH, temperatura, mešanje, koncentracija šećera u hranjivoj podlozi, koncentracija drugih izvora supstrata neophodnih za metabolizam proizvodnog mikroorganizma, efikasna eliminacija infekcije, stroga usmerenost metabolizma mikroorganizma u pravcu stvaranja etanola, eventualno prisustvo inhibitora u hranjivoj podlozi itd.). U dobro koncipiranim postupcima stvarni prinos se kreće oko 90-95% od teorijskog prinosa [4]. 3.3.1. Faktori koji utiĉu na tok i efikasnost alkoholne fermentacije Od mnogobrojnih faktora koji utiĉu na tok i efikasnost alkoholne fermentacije detaljnije će biti opisani sledeći: aeracija, temperatura, pH, sastav supstrata, mikrobiološka kontaminacija bakterijama mleĉne i sirćetne kiseline, prisustvo inhibitora u hranljivoj podlozi i karakteristike proizvodnog mikroorganizma [112]. Iako je proizvodnja etanola anaeroban proces kvascu je neophodno obezbediti kiseonik da bi se omogućio razvoj i umnoţavanje kvasca. To se postiţe aeracijom podloge vazduhom tokom prva 2-3 h. Naime, kiseonik je neophodan za sintezu sterola i nezasićenih masnih kiselina koji su znaĉajni za strukturu i funkcionisanje citoplazmatiĉne membrane. Kiseonik je takoĊe bitan za ciklizaciju skvalena do lanosterola, oksidativno demetilovanje i Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 68 za desaturaciju zasićenih masnih acetil-CoA jedinjenja. Koliĉina kiseonika koja je potrebna za dovoljnu sintezu sterola i zadovoljavajuću fermentaciju razlikuje se za razliĉite sojeve kvasaca. Kada se sav kiseonik iz podloge potroši, sadrţaj sterola u ćelijama i brzina apsorpcije nutrijenata poĉinje da opada i kvasac menja svoju metaboliĉku aktivnost. S obzirom na direktnu vezu izmeĊu sinteze sterola i rasta kvasca, koliĉina sterola koja se nalazi unutar populacije kvasca odreĊuje brzinu i stepen fermentacije [112-114]. Temperatura na kojoj se izvodi alkoholna fermentacija utiĉe na respiracionu i fermentacionu aktivnost kvasca. Optimalna temperatura zavisi od velikog broja faktora i nije potpuno definisana, ali se moţe reći da se nalazi u opsegu od 25-30 °C. To je temperatura koja istovremeno obezbeĊuje brzu fermentaciju, a pri tome ne ometa razmnoţavanje kvasaca, uz postizanje što potpunije transformacije šećera u etanol i ugljendioksid. Na višim temperaturama fermentacija je brţa i intezivnija, ali nastaje veća koliĉina sporednih metabolita što oteţava kasniju izolaciju etanola. Na niţim temperaturama potpunija je fermentacija šećera i veća je koncentracija etanola. Kvasci su osetljivi na etanol na višim temperaturama (sa povećanjem temperature za svakih 10 °C povećava se smrtnost ćelija kvasca od etanola 10 puta). Temperature na kojima kvasac gubi moć fermentacije su kritiĉne temperature i kreću se iznad 34 °C [4, 112, 113]. pH vrednost supstrata znaĉajno utiĉe na tok alkoholne fermentacije. Optimalne pH vrednosti se kreću u opsegu od 4 do 6. Vrednosti pH niţe od 2,6 znaĉajno ometaju fermentaciju, dok se na većim pH vrednostima formiraju veće koncentracije glicerina i organskih kiselina na raĉun etanola [112, 113]. Sastav supstrata direktno utiĉe na na fiziološka svojstva kvasca od kojih zavisi dinamika procesa fermentacije i kvalitet gotovog proizvoda. Esencijalna funkcija supstrata je da obezbedi najpogodnije hranljive materije za rast i fermentacionu aktivnost izabranog proizvodnog mikroorganizma. Supstrat mora da sadrţi propisanu koncentraciju fermentabilnih šećera, odnosno izvore ugljenika i asimilativnog azota, faktore rasta i potrebne mineralne materije. Alkoholna fermentacija se najbolje odvija pri koncentraciji šećera od 15-18%, a sve do 25% se odvija nesmetano. Radi racionalnije proizvodnje etanola, potrebno je da u komini od kukuruznog skroba bude što veća koncentracija fermentabilnih šećera. MeĊutim, to je praćeno nizom problema i sa fiziološkog i sa biotehnološkog aspekta. Koncentrovane komine sporije fermentišu zbog delovanja nepovoljnih faktora: povećana gustina, slabiji prenos mase i toplote, povećana Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 69 koncentracija alkohola koja deluje inhibitorno, veći pritisak i veća koncentracija ugljendioksida. Da bi se navedeni problemi ublaţili povećava se koliĉina starter kulture, revitalizuje se kvasac pre zasejavanja, dodaju se protektori osmoze itd. Zbog opadanja vitalnosti kvasca preporuĉuje se da se kvasac recirkuliše ili da se pre zasejavanja revitalizuje. Da bi se umanjilo nepovoljno delovanje visokog osmotskog pritiska i povećane koncentracije alkohola vršena su ispitivanja mogućnosti zaštite kvasca dodatkom pojedinih protektornih supstanci. UtvrĊeno je da glicin, prolin i glicin-betain znaĉajno umanjuju osmotski šok kod kvasca i ubrzavaju asimilaciju glukoze. U toku alkoholne fermentacije zahtevi za azotnim nutrijentima se obezbeĊuju preko amino kiselina i peptida male molekulske mase. Od amino kiselina, kvasci uglavnom koriste samo L-oblik. Izuzetak ĉine glutaminska kiselina, asparaginska kiselina i asparagin, koji i u L-obliku i u D-obliku predstavljaju dobar izvor azota [112-114]. Dodatak mineralnih soli i vitamina pozitivno utiĉe na rast i viabilnost ćelija kvasca i povećava efikasnost alkoholne fermentacije [115]. Koliĉine ovih mikronutrijenata koje je potrebno dodati supstratu zavise od sirovine koja se koristi za proizvodnju etanola. Mineralne soli i vitamini su neophodni za odvijanje biohemijskih reakcija u ćeliji, odnosno uĉestvuju u metabolizmu kvasca kao aktivatori enzima ili ulaze u sastav pojedinih delova ćelije [116]. Ćelije kvasca zahtevaju vitamine za svoj rast, kao što su mezoinozitol, pantotenska kiselina, biotin, tiamin, nikotinska kiselina i piridoksin [115]. Pantotenska kiselina je deo acetil-CoA koji uĉestvuje u metabolizmu ugljenih hidrata, masti i proteina. Ovaj vitamin povećava tolerantnost kvaca na etanol jer stimuliše sintezu lipida [116]. Biotin predstavlja kofaktor mnogih enzima koji uĉestvuju u reakcijama karboksilacije, a uĉestvuje i u sintezi nukleinskih kiselina, proteina i masnih kiselina [115,117]. Mezoinozitol takoĊe predstavlja esencijalni faktor rasta kvasca i doprinosi povećanju viabilnosti ćelije i tolerantnosti kvasca na etanol [118]. Zahteve za piridoksinom i tiaminom imaju samo kvasci gornjeg vrenja (tiamin je ukljuĉen u reakcije dekarboksilacije) [112]. Nikotinska kiselina se koristi za sintezu NAD + i NADP + [114]. Alfenore i saradnici [115] su u svom radu prikazali da se dupliranjem koliĉine dodatih vitamina na poĉetku fermentacije povećava koncentracija viabilnih ćelija i brzina nastajanja etanola. Eksponencijalnim dodavanjem vitamina tokom fermentacije još više se povećava rast i viabilnost ćelija. Kao rezultat, kombinacija obe Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 70 strategije, odnosno i dupliranje koliĉina vitamina i njihovo eksponencijano dodavanje, vodi ka većoj produktivnosti i prinosu etanola. Za aktivnost kvasca su takoĊe neophodni izvori Zn, Mn, Mg, Ca, Cu, K, Fe, S i P. Mineralne soli uĉestvuju u metabolizmu kvasca kao aktivatori enzima ili kao delovi aktivnog centra enzima [119]. Joni metala (K + , Mg 2+ , Ca 2+ i Zn 2+) utiĉu na promenu brzine glikolize i konverzije piruvata do etanola, i samim tim utiĉu i na efikasnost alkoholne fermentacije [112]. Magnezijum je ukljuĉen u mnoge fiziološke funkcije – rast i razmnoţavanje kvasca i enzimsku aktivnost, i ima znaĉajnu ulogu u zaštiti kvasca od toksiĉnih koliĉina etanola i visokih temperatura. Ukoliko supstrat ne sadrţi dovoljne koliĉine magnezijuma moţe doći do spore ili nekompletne fermentacije [120]. Cink utiĉe na aktivnost enzima kao što su alkoholdehidrogenaza, aldolaze, alkalna fosfataza, DNK i RNK polimeraza [121]. Fermentacija se znaĉajno usporava padom koncentracije cinka ispod 0,1 mg/l. Koncentracija cinka iznad 0,6 mg/l usporava rast kvasca pod uslovom da koncentracija jona Mg 2+ nije isto toliko visoka [112]. Bakar utiĉe na aktivnost enzima α- amilaze i povećava efikasnost enzimske hidrolize [122]. MeĊutim, posebna paţnja se obraća na koliĉine dodatog bakra – pri koncentracijama oko 1 mg/l bakar poboljšava prinos etanola, a pri visokim koncentracijama toksiĉno deluje na viabilnost kvasca. Joni kalcijuma takoĊe utiĉu na povećanje efikanosti konverzije skrobnih sirovina do etanola [123]. U ćeliji kvasca kalijum utiĉe na permeabilnost ćelijskog zida, a gvoţĊe ima posebnu ulogu u citohromima. UtvrĊeno je da prisustvo pojedinih jona u odreĊenim koncentracijama moţe negativno uticati na rast i aktivnost kvasca. Tako npr., srebro, kadmijum, ţiva i paladijum inhibiraju rast kvasca u koncentracijama od 1-10 mg/l, a litijum, berilijum, nikl, arsen, telur, bor i bakar u koncentracijama preko 50 mg/l i selen u koncentraciji od 500-600 mg/l [112]. Jedan od većih problema koji se moţe javiti tokom proizvodnje etanola je i mikrobiološka kontaminacija izazvana bakterijama mlečne i sirćetne kiseline, koja dovodi do smanjenog prinosa etanola tokom fermentacije. Većina kontaminanata meĊu bakterijama mleĉne kiseline pripada rodu Lactobacillus, a to su najĉešće vrste L. brevis, L. buchneri, L. plantarum i L. paracasei. Pored bakterija mleĉne kiseline, nepovoljne su i sirćetne bakterije, kao što su Acetobacter aceti, A. xylinum i A. pasteurianus koje vrše oksidaciju alkohola. Mogu se javiti i buterne bakterije Clostridium acetobutilicum [124, 125]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 71 Postoje dva naĉina pomoću kojih kontaminanti (bakterije) negativno utiĉu na kvasce. Prvi naĉin je taj što su mleĉna i sirćetna kiselina (u svom nedisosovanom obliku) kao krajnji proizvodi metabolizma ovih bakterija u stanju da inhibiraju rast kvasca, tako što difunduju u ćeliju kvasca kroz citoplazmatiĉnu membranu jer su rastvorne u njenim fosfolipidima. Zatim, ove kiseline disosuju ako je pH vrednost unutar ćelije veća od pH vrednosti van ćelije, što rezultira acidifikacijom citoplazme. Sam mehanizam dejstva mleĉne kiseline na ćeliju kvasca još uvek nije objašnjen. Drugi naĉin negativnog uticaja ovih bakterija je da predstavljaju konkurenciju kvascima u pogledu nutrijenata. Gram- pozitivne bakterije mleĉne kiseline mogu tolerisati visoke temperature i niske pH vrednosti, i mogu da preţive i rastu veoma brzo (brţe se razmnoţavaju od kvasaca) pod uslovima u kojima se proizvodi etanol [125]. Jedan od naĉina kontrole bakterijske kontaminacije u industriji etanola je korišćenje antibiotika kao što su penicilin G, streptomicin, tetraciklin, virgniamicin i monenzin. MeĊutim, neodgovarajuće korišćenje antibiotika moţe dovesti do obrazovanja sojeva pojedinih bakterija koje pokazuju rezistentnost na odreĊene antibiotike. Drugi naĉin kontrole bakterijske kontaminacije je korišćenje povećanog inokuluma kvasca ĉime se postiţe inhibicija bakterija, što rezultira u smanjenoj produkciji mleĉne kiseline i povećanoj krajnjoj koncentraciji etanola. Standardna preporuka za koliĉinu korišćenog inokuluma kvasca u industriji etanola je 1×106 CFU/ml po % suve materije kukuruznog brašna. Narendranath i saradnici [126] smatraju da se kontaminacija bakterija ne moţe izbeći. Pritom, koliĉina inokuluma od 1×107 CFU/ml u hidrolizatu kukuruznog brašna moţe rezultovati u smanjenju oko 1% vol. etanola dobijenog dejstvom kvasaca, u zavisnosti od vrste bakterije. Pored navedene dve mogućnosti kontrole kontaminacije neophodno je stalno mikrobiološki kontrolisati proizvodnju etanola. Neophodna je kontrola kvasca, proizvodnog procesa, kontrola ĉišćenja ureĊaja, sudova, ventila i kontrola efikasnosti dejstva dezinfekcionih sredstava [112]. Jedan od znaĉajnih faktora koji utiĉu na sam tok fermentacije je i mogućnost pojave inhibicije. Jedan od inhibitora rasta kvasaca i fermentacije je i sam etanol koji vrši nekompetativnu inhibiciju. Fosfolipidi u citoplazmatiĉnoj membrani znaĉajno utiĉu na tolerantnost kvasaca na etanol [127]. Naime, etanol menja stepen polarnosti ćelijske membrane i citoplazme i na taj naĉin negativno utiĉe na rast ćelije pri visokim koncentracijama etanola. Ovaj negativan uticaj se ogleda u povećanoj fluidnosti Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 72 membrane. Na povećanje tolerantnosti na etanol utiĉu povećana koncentracija vitamina, proteina i nezasićenih masnih kiselina u membrani [128]. TakoĊe povećanju tolerantnosti na etanol mogu doprineti drugi fiziološki faktori kao što su: sastav hranljive podloge, akumulacija etanola unutar ćelije, temperatura i osmotski pritisak [109]. Trehaloza predstavlja i stabilizator membrane i ima zaštitinu ulogu u kvašĉevim ćelijama pri stanjima stresa, tako da se smatra da njena koncentracija unutar ćelije ima vaţnu ulogu u sposobnosti kvasca da toleriše visoke koncentracije etanola. Naime, toksiĉan uticaj etanola raste sa porastom temperature. Kvasac S. uvarum obiĉno je manje tolerantan na etanol u odnosu na S. cerevisiae. Ispitivanja faktora koji utiĉu na toleranciju kvasca na etanol pokazala su da se mnogi problemi mogu prevazići primenom odreĊenih azotnih jedinjenja, sterola i nezasićenih masnih kiselina. Smatra se da tolerancija na etanol nije svojstvena soju već je odreĊena uslovima fermentacije [112]. Pored tolerantnosti na etanol, tolerantnost na visoke temperature se smatra znaĉajnom karakteristikom komercijanih sojeva kvasaca. Smatra se da visoke temperature uzrokuju povećanu fluidnost membrane, a kvasci podleţu ovoj fiziĉkoj promeni menjajući sastav svojih masnih kiselina. Povećanje temperature vodi ka stvaranju zasićenih esterifikovanih masnih kiselina kao što je palmitinska kiselina i palmitoleinska kiselina u ćelijskoj membrani kvasca o trošku nezasićenih masnih kiselina (oleinska i linoleinska kiselina). Ovo je najĉešće povezano sa smanjenjem koliĉine fosfolipida u membrani koji odrţavaju optimalnu fluidnost membrane radi ćelijskih aktivnosti. Povećanje temperature pored promena u membrani uzrokuje i sintezu proteina kao odgovor na toplotni šok, koji imaju vaţnu ulogu kod tolerantnosti kvasca na etanol i temperaturu kod razliĉitih mikroorganizama. Izazivaĉ njihove indukcije je akumulacija delimiĉno denaturisanih proteina. Akumulacija trehaloze je takoĊe povezana sa toplotnim stresom ćelije, jer koncentracija trehaloze u ćeliji moţe uticati na otpornost kvasca na toplotu. I toplota i etanol izazivaju promene u ćelijskoj membrani i denaturaciju proteina, kao i inhibiciju glikolize i uĉestale mutacije. TakoĊe, povećavaju permeabilnost citoplazmatiĉne membrane, što rezultira u povećanom ulasku protona koji menja elektrohemijski potencijal citoplazmatiĉne membrane, što utiĉe na korišćenje nutrijenata i regulaciju pH vrednosti u ćeliji [109]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 73 3.3.2. Karakteristike proizvodnih mikroorganizama 3.3.2.1. Kvasci 3.3.2.1.1. Istorija, rasprostranjenost i morfološke karakteristike kvasaca Svi termini koji se koriste za kvasac: u engleskom jeziku yeast, u holandskom jeziku guist, u nemaĉkom jeziku hefe, proistekli su iz zapadno-nemaĉkog izraza haf-jon što znaĉi prouzrokovati vrenje. Grĉka reĉ zymi (ζυμι) se koristi i za kvasce i za testo, i javlja se kao koren reĉi kod mnogih termina vezanih za pivo ili fermentaciju. Naime, moderan izraz za enzim potiĉe od reĉi en zymi što znaĉu „u kvascu“ [129]. Smatra se da su kvasci najstariji mikroorganizmi koji su se koristili u domaćinstvu. U periodu od 6000-2000. god. pre nove ere kvasci su se koristili u pravljenju piva u Vaviloniji, u pravljenju testa u Egiptu itd. Upravo zbog svojih jedinstvenih karakteristika i ogromnog sakrivenog potencijala koji se koristio hiljadama godina, kvasci su postali predmet mnogih istraţivanja. Godine 1680. kvasac je prvi put posmatran pod mikroskopom (Antonie van Leeuwenhoek). Luj Paster je 1866. god. bio prvi koji je dokazao da su ćelije kvasca zasluţne za konveziju groţĊanog šećera u etanol, i da je fermentacija fiziološki a ne ĉisto hemijski proces kako je tvrdio Libig. Upravo sredinom 1800-tih godina, sa radom Pastera u Francuskoj i Hansena u Danskoj, koji su prouĉavali mikrobiološki aspekt fermentacije piva i vina, otpoĉelo je nauĉno i tehnološko razumevanje uloge kvasaca u proizvodnji hrane i pića. Kvasac Saccharomyces cerevisiae je prvi opisani kvasac (J. Meyen, 1838. god.), a već decenijama predstavlja najbolje genetiĉki i fiziološki okarakterisan eukariotski organizam. Naziv ovog kvasca oznaĉava šećernu plesan („saccharomyces“) i pivo („cerevisiae“) na galskom jeziku kerevigia ili starom francuskom jeziku cervoise. Dalje, znaĉajna je primena kvasca u proizvodnji glicerola (od 1915. god.), predstavljanje fiziologije kvasca (1920. god.) i prve genetiĉke mape (1949. god., Lindegren), ustanovljenje strukture tRNK iz kvasca (1966. god.) i proizvodnja prvih komercijalnih farmaceutskih proizvoda iz rekombinantnih kvasaca (1990.-1994. god., hepatitis B vakcina). Poslednjih godina, u proizvodnji bioetanola pored Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 74 klasiĉnih metoda za dobijanje efikasnijeg proizvodnog mikroorganizma, koriste se i metode genetiĉkog inţenjerstva [129]. Kvasci su veoma rasprostranjeni u prirodi. Nalaze se u zemljištu, voću, lišću biljaka, u medu i voćnim sokovima, na površini delova biljaka, u prašini, u vodi, u prehrambenim proizvodima, na koţi ljudi i ţivotinja, u mleku, u traktu insekata itd. Industrijski znaĉaj kvasaca je veoma veliki, naroĉito u fermentacionoj i prehrambenoj industriji (proizvodnja etanola, piva, vina, pekarskog kvasca, stoĉne hrane i dr.) [113]. Po strukturnim i funkcionalnim karakteristikama kvasci pripadaju eukariotima. Ćelije kvasca pokazuju veliku raznolikost po pitanju veliĉine, oblika i boje. Najĉešće su u obliku elipse i veliĉine oko 6 × 3 μm. Oblik i veliĉina ćelije zavise od vrste kvasca, kao i od sredine u kojoj rastu. U teĉnoj sredini ćelije kvasca teţe da zauzmu okrugli oblik, a na ĉvrstoj podlozi ćelije se izduţuju, ĉesto formirajući pseudomiceliju. Ćelije kvasca sadrţe sledeća makromolekulska jedinjenja: proteine, glukoproteine, polisaharide, polifosfate, lipide i nukleinske kiseline. Osnovni delovi ćelije i organele su: ćelijski zid, periplazma, citoplazmatiĉna membrana, citoplazma, jedro i jedarce, mitohodrije, endoplazmatiĉni retikulum, Goldţijev aparat, vakuola, peroksizomi i sekretorne vezikule, što se moţe videti na slici 3.8. [113, 129]. Slika 3.8. Šema organela i delova ćelije kvasca [129] Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 75 3.3.2.1.2. Klasifikacija kvasaca Veoma je rasprostranjena podela pravih gljiva Eumycota na tri empirijske grupe: plesni, kvasci i peĉurke. Naziv kvasci ne predstavlja sistematsku kategoriju ni u botanici ni u mikologiji. Kvasci, i kvascima sliĉni organizmi, ĉine razliĉite sistematske grupe (klase i porodice) izmeĊu kojih je teško postaviti granicu na osnovu ispitivanja samo morfoloških i fizioloških karakteristika. Stoga, prava filogenetska klasifikacija kvasaca predstavlja dosta teţak zadatak. Prva klasifikacija izvršena je na osnovu odreĊenih morfoloških i fizioloških osobina, i ima izrazito veštaĉki karakter. Naime, prema svojim biohemijskim odnosno fiziološkim osobinama, kvasci se mogu podeliti na sledeće tri grupe: a) oksidativni kvasci (rodovi: Cryptococcus, Candida i Rhodotorula) koji ne vrše fermentaciju šećera i preteţno se vrši aerobna disimilacija; b) oksidativno-fermentativni kvasci (rodovi: Hansenula, Pichia i Torulopsis) koji vrše aerobnu i anaerobnu disimilaciju, i ako vrše fermentaciju kao glavni proizvod su estri, a ne etanol; i c) fermentativni kvasci (rodovi: Saccharomyces, Schizosaccharomyces i Kloeckera) koji vrše anaerobnu disimilaciju i fermentišu šećere do etanola i ugljendioksida [113]. Kvasci pogodni za alkoholnu fermentaciju, odnosno fermentativni kvasci koji se koriste u proizvodnji etanola, su askosporogeni iz klase Ascomycetes, odnosno vrste kvasaca iz roda Saccharomyces i Schizosaccharomyces [113]. Prvobitna klasifikacija ovih kvasaca po Loder-u je sledeća [130]: Kraljevstvo: Fungi Razdeo: Eumycota Klasa: Ascomycetes (formiraju askuse) Podklasa: Gymnoascomycetidae (sa otkrivenim askusima) Red: Endomycetales (sa razbacanim askusima) Porodica: Saccharomycetaceae (askosporogeni kvasci) Podporodica: Saccharomycetoideae Podporodica: Schizosaccharomycetoideae (multipolarno pupljenje) (deljenje) Rod: Saccharomyces Rod: Schizosaccharomyces Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 76 Ovde je prikazan taksonomski put do najvaţnijih rodova Saccharomyces i Schizosaccharomyces. Vaţno je naglasiti da prema Loderovoj klasifikaciji ovi kvasci se dele na tri porodice: Saccharomycetaceae (askosporogeni kvasci), Cryptococcaceae (anaskosporeni kvasci) i Sporobolomyceatceae (stvaraju spore sliĉne bazidiosporama). Porodica Saccharomycetaceae obuhvata ĉetiri podporodice: Saccharomycetideae, Schizosaccharomycetoideae, Nadsonioideae i Lipomycetoideae [113, 130]. Morfološke i fiziološke karakteristike su tradicionalno pruţale bogatstvo informacija koje su korišćene za ustanovljenje niza sistema za klasifikaciju kvasaca, i osnova su tzv. „konvencionalne taksonomije“. Danas je identifikacija i klasifikacija kvasaca pod znaĉajnim uticajem napretka u molekularnoj biologiji i genetici. Iako se morfološki i fiziološki testovi i dalje primenjuju, ograniĉenja u korišćenju konvencionalne taksonomije dovela su do primene metoda molekularne i genetiĉke taksonomije. Moderne metode klasifikacije se baziraju na genetiĉkoj analizi mikroorganizama i omogućavaju što prirodniju klasifikaciju (ne zavise od starosti ćelije, spoljašnjih ĉinilaca za razliku od fenotipskih koje podleţu varijaciji). Prve molekularne metode koje su korišćene za klasifikaciju kvasaca su: a) odreĊivanje frekvencije G+C parova (ukoliko je razlika u sadrţaju G+C izmedu 2-3% posmatrani mikroorganizmi pripadaju razliĉitim vrstama) i b) DNK homologija (hibridizacija nukleinskih kiselina). Sliĉan G+C sastav ne znaĉi i blisku srodnost organizama jer sekvence gena mogu biti razliĉite bez obzira što je procenat G+C baznih parova isti. Ostale molekularne metode koje su se pokazale korisne za klasifikaciju kvasaca su DNK restrikcija, DNK sekvenciranje 26S rRNK, PCR i dr. [131, 132]. Stoga, tokom godina podela ovih kvasaca je doţivela razliĉite promene, pa je savremena klasifikacija kvasaca sledeća [133-135]: Kraljevstvo: Fungi (C. Linnaeus, 1753. ex R.T. Moore, 1980.) Podkraljevstvo: Dikarya (D. S. Hibbett, T.Y. James i Vigalys, 2007.) Razdeo: Ascomycota (Berkely, 1857. ex T. Cavalier-Smith, 1998.) Podrazdeo: Saccharomycotina (O.E. Eriksson i K. Winka, 1997.) Klasa: Saccharomycetes (G. Winter, 1881. ex O.E. Eriksson i K. Winka, 1997.) Red: Saccharomycetales (Kudrjanzev, 1960.) Porodica: Saccharomycetaceae (G. Winter, 1881.) Podporodica: Saccharomycetoideae (Kurtzman, 1982.) Rod: Saccharomyces (J. Meyen ex E.C. Hansen, 1838.) Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 77 Rod Schizosaccharomyces (Linder, 1893.) pripada porodici Shizosaccharomycetaceae (Beijerinck ex Kloecker, 1905.), redu Shizosaccharomycetales (O.E. Eriksson, Svedskog i Landvik, 1993.), klasi Shizosaccharomycetes (O.E. Eriksson i K. Winka, 1997.), podrazdelu Taphrinomycotina (O.E. Eriksson i K. Winka, 1997.) i razdelu Ascomycota (Berkely, 1857. ex T. Cavalier-Smith, 1998.) [133-135]. MeĊutim, klasifikacija kvasaca koji pripadaju rodu Saccharomyces predstavlja teţak zadatak, a poslednje promene u taksonomiji ovih kavsaca izvršene su 2005. godine. Naime, prvobitna ispitivanja kvasaca iz roda Saccharomyces datiraju još iz 1838. god. (J. Meyen) kada je i opisan prvi kvasac Saccharomyces cerevisiae. M. Reess je 1870. god. definisao kvasce koji pripadaju ovom rodu, i u svojoj knjizi predstavio sve gljive koje uĉestvuju u alkoholnoj fermentaciji. E. C. Hansen je prvi koristio izabrane sojeve kvasaca kao starter kulture u pivarstvu („Carlsberg“ pivara u Danskoj) i uveo razliku izmeĊu sojeva kvasaca gornjeg vrenja koje je nazvao S. cerevisiae, i sojeva kvasaca donjeg vrenja koje je objedinio pod nazivom S. pastorianus. A. Guilliermond je 1912. god. uveo prvi sistem za klasifikaciju kvasaca koji se bazirao na morfologiji ćelije i na nekoliko fizoloških testova (tabela 3.1.). U njegovoj monografiji „Le levures“ opisano je 20 vrsta kvasaca koji pripadaju rodu Saccharomyces. Nakon toga, sistem za klasifikaciju kvasaca progresivno raste (povećan je broj fizioloških i biohemijskih testova). U zavisnosti od primenjenih testova, kvasci su tokom godina grupisani na razliĉite naĉine, a broj i imena vrsta su se takoĊe promenila. U tabeli 3.1. prikazane su promene u nazivima i grupisanju vrsta kvasaca u okviru kompleksa Saccharomyces sensu stricto prema najznaĉajnijim taksonomskim monografijama u periodu od 1912. do 1998. godine. Naime, kvasci koji pripadaju rodu Saccharomyces podeljeni su u dve grupe, u uţem (stricto) i širem (lato) smislu, i to: Saccharomyces sensu stricto kompleks (imenovan od strane van der Walt-a 1970. godine) koga ĉine vrste kvasaca koje su striktno povezane sa fermentacionom industrijom, odnosno ĉine ga S. cerevisiae i kvasci bliski ovoj vrsti; i Saccharomyces sensu lato kompleks (obuhvata oko 100 vrsti kvasaca) [131]. Kao što se moţe videti iz tabele 3.1., od 2000. god., kompleks Saccharomyces sensu stricto obuhvata 6 vrsti: S. cerevisiae (Meyen ex Hansen, 1838.), S. bayanus (Saccardo, 1985.), S. paradoxus (Batchinskaju, 1914.), S. cariocanus (Naumov, 2000.), S. kurdiavzevii (Naumov, 2000.), S. mikatae (Naumov, 2000.), i jedan hibrid: S. pastorianus, sinonim za S. carlsbergensis (Hansen, 1904.) [136, 137]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 78 Tabela 3.1. Promene u nazivima i grupisanju vrsta kvasaca u okviru kompleksa Saccharomyces sensu stricto prema najznaĉajnijim taksonomskim monografijama u periodu od 1912. do 1998. godine [131] Guilliermond, 1912. Lodder i Kreger van Rij, 1952. Lodder, 1970. Barnett, Payne i Yarrow, 1984. Kurtzman i Fell,1998. * S. cerevisiae S. ellipsoideus S. turbidans S. ilicis S. vordermanni S. sake S. cartilaginosus S. batatae S. tokyo S. yeddo S. cerevisiae S. cerevisiae S. cerevisiae S. cerevisiae S. bayanus S. pastorianus S. paradoxus S. willianus S. intermedius S.validus S. willianus S. coreanus S. coreanus S. coreanus S. carlsbergensis S. monacensis S. carlsbergensis S. uvarum S. logos S. uvarum S. uvarum S. logos S. bayanus S. pastorianus S. bayanus S. pastorianus S. oviformis S. beticus S. bayanus S. heterogenicus S. heterogenicus S. chevalieri S. fructuum S. chevalieri S. italicus S. steineri S. italicus S. globosus S. globosus S. aceti S. prostoserdovi S. oleaginosus S. olaceus S. capensis S. diastaticus S. hispaniensis S. inusitatus S. norbensis S. abuliensis S. cordubensis S. gaditensis S. hispalensis *Tri nove vrste Saccharomyces sensu stricto kvasaca su ukljuĉene u ovu grupu 2000. godine, a to su: S. cariocanus, S. kurdiavzevii i S. mikatae [136] Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 79 Iako se ulaţu znaĉajni napori za razjašnjenje taksonomije kvasaca koji pripadaju kompleksu Saccharomyces sensu stricto, diferencijacija ovih vrsta kvasaca je i dalje nedovoljno razjašnjena i još uvek se ne smatra taĉnom, a brojna ispitivanja u skorije vreme pokazuju neadekvatnost ovakvog grupisanja posebno u vezi sa kvascima S. bayanus i S. pastorianus. Kvasac S. bayanus ukljuĉuje sve sojeve koji se koriste u proizvodnji vina, dok S. pastorianus obuhvata sve sojeve donjeg vrenja u pivarstvu. Specifiĉni problemi potiĉu iz sklonosti ovih vrsta ka hibridizaciji i od fiziološke i genetiĉke heterogenosti kvasca S. bayanus [131, 138]. Vaughan-Martini i Kurtzman (1985. godine) su prvi ustanovili da je S. pastorianus (sinonimi: S. carlsbergensis, S. monacensis), predstavnik kvasaca donjeg vrenja, rezultat hibridizacije izmeĊu S. cerevisiae i S. bayanus. Mitohodrijalna i ribozomalna DNK kvasca S. pastorianus potiĉe od S. bayanus (ostale sliĉnosti kvasaca S. pastorianus i S. bayanus su mogućnost rasta na niţim temperaturama i sposobnost previranja melibioze) [139, 140]. Raniji napori da se pojednostavi klasifikacija Saccharomyces kvasaca stopili su S. uvarum u S. cerevisiae (Yarrow, 1984.) kao što je prikazano u tabeli 3.1. MeĊutim, 1998. god. S. uvarum se smatra kao sinonim za kvasac S. bayanus (Vaughan-Martini). Nguyen i Gaillardin su 2005. god. predloţili ponovno ustanovljenje kvasca S. uvarum kao posebne vrste i ukinuli njen trenutni status kao sinonim za S. bayanus. Naziv S. bayanus sada opisuje hibrid S. uvarum i S. cerevisiae (slika 3.9.). Kompleks Saccharomyces sensu stricto je sada ponovo definisan i sadrţi tri vrste: S. cerevisiae, S. paradoxus i S. uvarum i hibride izmeĊu S. cerevisiae i S. uvarum koji su klasifikovani ili kao S. bayanus ili kao S. pastorianus [139]. Na slici 3.9. su prikazane vrste kvasaca Saccharomyces sensu stricto kompleksa koje su trenutno potvrĊene i doprinos nehibridnih vrsta genetiĉkoj kompoziciji hibridnih grupa [131]. Najrazumljivije bi bilo da se usvoji pretpostavka da se vrste koje pripadaju kompleksu Saccharomyces sensu stricto znaĉajno preklapaju kao što je predloţio Petersen i saradnici [141], i da predstavljaju kontinuitet genomskih struktura koje nisu jasno razdvojene primenom metoda koje se trenutno koriste za odreĊivanje vrsta [131]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 80 S. cerevisiae S. cariocanus S. paradoxus S. kurdiavzevii S. bayanus S. uvarum S. bayanus CBS 380 S. mikatae S. pastorianus CBS 1538 S. carlsbergensis CBS 1513 Slika 3.9. Šematski prikaz Saccharomyces sensu stricto vrsta i hibrida [131] 3.3.2.1.3. Metabolizam kvasaca Neophodno je poznavati osnovne metaboliĉke procese kako bi u potpunosti iskoristili prednosti, odnosno mogućnosti nekog mikroorganizma da prevede supstrat u ţeljeni proizvod. Metabolizam podrazumeva biohemijsku asimilaciju (kod anaboliĉkih puteva) i disimilaciju (kod kataboliĉkih puteva) nutrijenata od strane ćelije. Svi metaboliĉki putevi odvijaju se dejstvom enzima, i koriste NADP+ i NAD+ kao kofaktore. Anaboliĉki putevi ukljuĉuju redukcione procese koji vode ka proizvodnji novog ćelijskog materijala, dok su kataboliĉki putevi procesi oksidacije putem kojih se uklanjaju elektroni iz supstrata ili intermedijera koji se koriste za dobijanje energije [114]. Većina kvasaca koristi šećere kao glavne izvora ugljenika i energije, ali postoje i odreĊeni kvasci koji mogu koristiti nekonvencionalne izvore ugljenika. Katabolizam ugljenih hidrata se moţe odvijati u aerobnim i anaerobnim uslovima. Ove procese katališu specifiĉni enzimski sistemi uz uĉešće i obrazovanje makroergiĉnih jedinjenja (ATP, ADP, GTP, UDP i dr.). Razlaganjem (katabolizmom) ugljenih hidrata ćelija se obezbeĊuje ne samo korisnom energijom, već i znaĉajnim intermedijarima koji se koriste za sintezu drugih sloţenih jedinjenja [114]. U anaerobnim uslovima ugljeni hidrati se razlaţu preko osnovne gradivne jedinice D-glukoze do piruvata putem procesa glikolize (slika 3.10.). Glikoliza je stupnjevit proces Zajedniĉko poreklo Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 81 koji je katalizovan od polienzimskog sistema koga ĉine 13 glavnih i nekoliko sporednih enzima. Ovaj proces razlaganja glukoze naziva se još i EMP put razlaganja (po nauĉnicima Embden, Mayerhof i Parnas). PirogroţĊana kiselina (tj. njen aktivni oblik piruvat jon), kao krajnji proizvod glikolize podleţe daljem procesu degradacije: respiraciji (u aerobnim uslovima) i fermentaciji (u anaerobnim uslovima) [114]. Slika 3.10. Šematski prikaz glikolitiĉkog razlaganja ugljenih hidrata [114] U prisustvu kiseonika piruvat se prevodi u acetil-CoA putem oksidativne dekarboksilacije (u mitohondrijalnom matriksu) pomoću piruvat-dehidrogenaze. Ova reakcija povezuje glikolizu sa Krebsovim ciklusom (ciklusom limunske kiseline). U ovom ciklusu acetil-CoA potpuno oksidiše dajući dva molekula CO2 i reduktivne ekvivalente NADH+H + i FAD·H2 [114, 129]. U toku alkoholne fermentacije, transformacija pirogroţĊane kiseline u etanol i ugljendioksid se vrši u dve faze. U prvoj fazi se, pod uticajem enzima piruvat- dekarboksilaze i u prisustvu tiaminpirofosfata TPP, katalizuje dekarboksilacija piruvata i nastaje acetaldehid. U drugoj fazi se acetaldehid redukuje u etanol pomoću NADH+H+ i alkoholdehidrogenaze. U ovoj reakciji nastaju dva molekula etanola i dva molekula CO2. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 82 Centralni proizvod je ATP koji ćelije kvasca koriste u endergonskim reakcijama, dok su etanol i CO2 metaboliĉki otpadni proizvodi [114]. Na slici 3.11. predstavljena je uprošćena šema sinteze etanola [142]. Slika 3.11. Šematski prikaz razgradnje glukoze do etanola [142] Alternativni naĉin oksidacije glukoze je heksoza-fosfatni ili pentoza-fosfatni put. Ovim putem se omogućuje proces konverzije heksoza u pentoze, koje su znaĉajne za biosintezu nukleinskih kiselina. Pored toga, kao rezultat ovog metaboliĉkog puta nastaje veći broj molekula NADPH+H+ koji se koriste za sintezu masnih kiselina, amino kiselina i dr. Pored heksoza kvasci koriste i nekonvencionalne izvore ugljenika kao što su biopolimeri, pentoze, alkoholi, polioli, ugljovodonici, masne kiseline i organske kiseline. Disaharidi, kao što su maltoza, saharoza, melibioza, laktoza i celibioza, mogu se koristiti kao nutrijenti u prisustvu hidrolaza koje hidrolizuju pomenute disaharide do monosaharida. Ostali biopolimeri kao što su skrob, inulin, celuloza, hemiceluloza i pektin, mogu se direktno koristiti kod nekih kvasaca (npr. Saccharomyces diastaticus koji se razvija na skrobnim sirovinama jer sintetiše enzim amilazu), dok je kod ostalih kvasaca potrebno izvršiti prethodnu hidrolizu polimera sa enzimima (koji nisu prisutni u ćeliji, amilolitiĉkim enzimima) da bi se mogli koristiti kao nutrijenti. Pomenuta hidroliza polimera se koristi upravo kod dobijanja bioetanola iz skrobnih sirovina. Pentozni šećeri mogu da fermentišu do etanola samo kod odreĊenih vrsta kvasaca. Neki kvasci mogu koristiti i etanol i metanol. Ukoliko kvasci rastu na supstratima koji nisu ugljeni hidrati kao izvorima ugljenika, neophodna je sinteza šećera za biosintezu makromolekula, naroĉito polisaharida. Biosinteza ugljenih hidrata vrši se procesom glukoneogeneze. Biosintetski put prevoĊenja Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 83 piruvata u glukozu odigrava se u mitohondrijama i citoplazmi procesom obrnutim glikolizi. Glikogen kao rezervni ugljeni hidrat dobija se iz glukoza-6-fosfata koji se prevodi u glukoza-1-fosfat, koji se dalje aktivira uz UTP dajući UDP-glukozu kao vrstu startera na koga se mogu nadovezati ostale monosaharidne jedinice. Katabolizam masti zapoĉinje hidrolizom pod dejstvom lipaza i nastaju glicerol i masne kiseline. Glicerol se dalje fosforiluje i zatim se kao glicerol-fosfat ukljuĉuje u procese biosinteze masti, ili se dehidrogenuje pri ĉemu nastaje dihidroksiacetonfosfat koji se ukljuĉuje u glikolizu. Katabolizam masnih kiselina se vrši procesom β-oksidacije u peroksizomima, koji se razlikuje od sistema u mitohondrijama po uĉešću katalaza u oksidaciji FADH2 i po mehanizmu oksidacije NADH+H + . Biosinteza masti je u uskoj vezi sa metabolizmom ugljenih hidrata jer se prekursori za biosintezu masti dobijaju oksidativnom dekraboksilacijom piruvata, pošto je osnovna gradivna jedinica masti acetil- CoA. Sinteza se vrši dejstvom multienzimskog kompleksa koga ĉine enzimi iz grupe transacilaza i ligaza. Katabolizam proteina se odigrava ili opštim putevima karakteristiĉnim za većinu amino kiselina: dezaminacija, transaminacija i dekarboksilacija, ili specifiĉnim putevima karakteristiĉnim za svaku amino kiselinu. Slobodne amino kiseline se jednim delom koriste za izgradnju proteina, a drugim delom se koriste za potpunu razgradnju do uree, CO2 i vode odnosno do meĊuproizvoda ciklusa uree. Za funkcionisanje kvasca neophodni su izvori azota koji uĉestvuju u izgradnji kvašĉeve ćelijske mase, DNK, RNK, ATP, ADP i enzima. Azot je neophodan i zbog zaštite kvasca od toksiĉnog dejstva etanola u poslednjim fazama fermentacije. U sluĉaju nedovoljne koliĉine azota u toku alkoholne fermentacije, smanjen je rast kvasca i u tom sluĉaju samo 70% glukoze se prevodi u etanol i CO2, a ostatak se transformiše u glikogen [114, 129]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 84 3.3.2.1.4. Rast i razmnožavanje kod kvasaca Za uspešno voĊenje i regulaciju mikrobnog procesa neophodno je poznavati kinetiku mikrobnog rasta, koja se grafiĉki moţe predstaviti pomoću krive rasta. Prema brzini rasta i razmnoţavanja mikroorganizama, odnosno kvasaca, na krivoj se mogu razlikovati sledeće faze: - lag faza (faza prilagoĊavanja) - log faza (eksponencijalna ili logaritamska faza) - stacionarna faza - faza izumiranja mikroorganizama U lag fazi mikroorganizmi se prilagoĊavaju na uslove sredine, aktiviraju se postojeći i sintetizuju adaptivni enzimi, raste sadrţaj nukleinskih kiselina tj. ćelija se priprema za intezivne procese biosinteze i rasta. Trajanje ove faze zavisi od uslova sredine i fizioloških karakteristika mikroorganizama. Ova faza traje kraće što su uslovi sredine optimalniji i ako su mikroorganizmi na njih adaptirani. Ova faza se sastoji iz dva dela. U prvom delu broj ćelija ne raste, dok se zapremina ćelija, ukupna protoplazma i sadrţaj ribonukleinskih kiselina povećava tj. sintetizuju se ćelijski konstituenti. U drugom delu brzina razmnoţavanja raste do maksimalnog broja koji se ostvaruje do kraja log faze, a takoĊe raste i protoplazma i zapremina ćelije. Log faza je faza u kojoj dolazi do intezivnog razmnoţavanja mikroorganizama. Broj mikroorganizama raste po geometrijskoj progresiji. U ovoj fazi se vrši intezivna razmena materije i energije izmeĊu mikroorganizama i spoljne sredine, usled ĉega se sastav sredine stalno menja. Sadrţaj hranljivih materija se postepeno smanjuje, a raste broj ćelija i koncentracija metabolita. Ova faza je od posebnog znaĉaja za industrijsku proizvodnju jer se u njoj sintetizuje najveći broj proizvoda metabolizma tzv. primarni metaboliti: alkoholi, organske kiseline, ketoni, amino kiseline, nukleotidi, polisaharidi i vitamini. Mnogi od proizvoda metabolizma deluju inhibitorno na rast i razmnoţavanje ćelija, tako da kumulativnim delovanjem sa smanjivanjem i iscrpljivanjem hranljivih materija, rast ćelija se postepeno usporava i na taj naĉin mikroorganizmi ulaze u sledeću fazu rasta. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 85 U stacionarnoj fazi rasta isti broj mikroorganizama nastaje i nestaje. Naime, postoji i dalje razmena materija sa okolinom, ćelije i dalje rastu i razmnoţavaju se, ali istovremeno ekvivalentan broj ćelija odumire usled delovanja nepovoljnih faktora. I u ovoj fazi dolazi do stvaranja vrlo znaĉajnih proizvoda metabolizma tzv. sekundarnih metabolita: antibiotika, giberelina, bioloških pesticida i alkaloida. Nepovoljni faktori usled kojih dolazi do stacionarne faze su: iscrpljivanje nekog esencijalnog hranljivog sastojka, utrošak rastvorenog kiseonika, promene pH, nagomilavanje toksiĉnih materija itd. U fazi izumiranja veći broj mikroorganizama nestaje nego što nastaje. Naime, u ovoj fazi hranljive materije iz sredine su utrošene, nagomilana je velika koliĉina metabolita, i pošto ne postoje uslovi za rast, mikroorganizmi postepeno odumiru, pa se sadţaj mikrobne biomase u sistemu stalno smanjuje [113]. Na slici 3.12. grafiĉki je prikazana zavisnost broja ćelija od vremena (kriva rasta), kao i sinteza primarnih i sekundarnih metabolita. Slika 3.12. Kriva rasta mikroorganizama i sinteze metabolita Razmnoţavanje kod kvasaca moţe biti bespolno i polno. Jedan od naĉina vegetativnog (bespolnog) razmnoţavanja je pupljenje. U poĉetku se na površini ćelije formira mali izraštaj u vidu pupoljka koji se povećava sve dok ne dostigne karakteristiĉnu veliĉinu za datu vrstu, nakon ĉega se odvaja od majke ćelije. Pupljenje zapoĉinje kada majka ćelija dostigne kritiĉnu veliĉinu, i kada ujedno poĉinje i sinteza DNK. Ovo je praćeno slabljenjem ćelijskog zida, povećanjem pritiska u ćeliji i izlaskom citoplazme u B ro j će li ja Vreme, h S in te za m et a b o li ta Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 86 oblast ograniĉenu ćelijskim zidom nove ćelije. Kljuĉno u pojavljivanju pupoljka je regulacija enzima neophodnih za sintezu ćelijskog zida, kao i transport receptora citoplazmatiĉne membrane pupoljka. Hitin formira prsten izmeĊu majke ćelija i pupoljka, i nakon separacije hitin ostaje na majki ćeliji u vidu oţiljka (na osnovu oţiljka moţe se odrediti starost ćelije). Nastao pupoljak dobija oblik ćelije majke i podudaran je sa njom u pogledu citoplazme i jedarnog aparata koji obuhvata mehanizam genetske kontrole i narednog pupljenja. Karakteristiĉno za svaku vrstu je raspored i broj pupoljaka, njihovo odvajanje i povezanost novonastale ćelije sa majkom ćelijom. Novonastale ćelije mogu da nastave i same da pupe, usled ĉega se stvaraju razgranаti nizovi i grozdovi ćelija kvasca. Vegetativno se kvasci mogu razmnoţavati i deljenjem ili kombinovano (pupljenjem i deljenjem). Kvasci iz roda Saccharomyces razmnoţavaju se pupljenjem, dok je za kvasce iz roda Schizosaccharomyces karakteristiĉno razmnoţavanje deljenjem [113, 129]. Istraţivanja su pokazala da ćelije dok pupe imaju sposobnost da proizvode etanol više od 30 puta brţe nego ćelije koje su u miru. Kada sadrţaj etanola dostigne vrednost oko 11-12% smanjuje se broj ćelija koje pupe i stres (usled povećanog sadrţaja etanola) na ćelije se povećava. Kao što je već napomenuto nivo trehaloze u membranama utiĉe na tolerantnost kvasca na etanol. Kompanija Alltech je pronašla da kada je sadrţaj trehaloze u kvascu visok istovremeno se mogu postići dva cilja – brz poĉetak i brz kraj fermentacije, što predstavlja prednost s obzirom da se u tehnologiji etanola fermentacija izvodi tako da ćelije kvasca zapoĉnu fermentaciju brzo. U Alltech-u su patentirali Super Twin sojTM tj. postupak pomoću dva soja kvasca. Dva soja se upotrebljavaju da se potpomogne brzi start, visoka viabilnost i pupljenje u kasnoj fermentaciji, odnosno pupljenje zapoĉinje ranije i nastavlja se duţe i tako daje veće mogućnosti za alkoholnu fermentaciju. Prvi soj je soj 1230 suvog kvasca koji prvi poĉinje pupljenje, a drugi je soj 1226 suvog kvasca koji brţe zapoĉinje sintezu etanola u toku fermentacije (on podstiĉe pupljenje pri kraju fermentacije) [4]. Polno razmnoţavanje ogleda se u formiranju askospora koje nastaju u kesiĉastim organima askusima. Broj askospora u askusu varira od 1-16. Kvasci iz roda Saccharomyces imaju 4 askospore u askusima. Postoje haploidni i diploidni kvasci tj. sa polovinom i punim brojem hromozoma. Većina kvasaca koji se koriste u industriji su diploidni. Pre nastajanja askospora dolazi do spajanja kompletnog genetiĉkog materijala Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 87 izmeĊu dve jedinke razliĉitog pola uz spajanje jedara. Spojena jedra se nakon toga redukciono dele. Do spajanja moţe doći i posle formiranja spora. [113]. 3.3.2.1.5. Kvasci kao producenti bioetanola Efikasnost iskorišćavanja supstrata i ekonomiĉnost procesa alkoholne fermentacije znaĉajno zavisi od fizioloških karakteristika korišćenih mikroorganizama. Primenom kvasaca prinos etanola moţe biti veći i od 90% od teorijskog prinosa, a koncentracija etanola u komini oko 10-12% vol. Na bazi uglavnom laboratorijskih ispitivanja, objavljeni su rezultati selekcije mikroorganizama koji mogu fermentisati šećere do 15% vol. etanola [143], pa ĉak i 23% vol. [144]. Kvasci su u odnosu na kiseonik fakultativno anaerobni mikroorganizmi. U odnosu na temperaturu pripadaju mezofilnim mikroorganizmima sa optimalnom temperaturom rasta i razvića od 25-45 °C. Da li će kvasac fermentisati neki šećer zavisi od toga da li postoji transportni mehanizam za taj šećer, enzimi potrebni za njegovu razgradnju i kakva je prostorna struktura šećera. Kvasci mogu da fermentišu supstrate sa razliĉitim koncentracijama šećera, obiĉno od 4-16%. Postoje i osmofilni kvasci koji se razvijaju u koncentrovanijim sredinama, a to su predstavnici iz roda Zygosaccharomyces: Z. rouxii i Z. melis. U odnosu na etanol kvasci se normalno razvijaju u sredinama do 10% vol. etanola [113]. Selekcija soja kvasca se vrši prema sledećim osobinama: - brzini fermentacije - visokom prinosu etanola po jedinici utrošenog supstrata - visokoj tolerantnosti na etanol - malim zahtevima u pogledu nutrijenata - otpornosti prema višim koncentracijama šećera - niskom sadrţaju isparljivih kiselina [39]. Kao što je već ranije napomenuto, za proizvodnju etanola najznaĉajniji su kvasci iz porodice Saccharomycetaceae, odnosno vrste iz roda Saccharomyces i Schizosaccharomyces. Vrsta Saccharomyces cerevisiae, ĉiji se sojevi primenjuju u razliĉitim fermentacijama, je poznata kao pivski kvasac „gornjeg vrenja“. Upotrebljava se takoĊe u Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 88 pekarstvu (pekarski kvasac), u proizvodnji vina, rakije itd. Razmnoţava se bespolno pupljenjem ili polno pomoću askospora (ima 4 spore u askusu) [113]. Drugi predstavnik je Saccharomyces carlsbergensis koji se upotrebljava u pivarstvu kao kvasac „donjeg vrenja“. Ovaj kvasac je dobio ime po pivnici Carlsberg u Kopenhagenu, gde je prvi put izolovan kao ĉista kultura 1883. godine od strane Dr Emila Christian Hansen-a [113]. MeĊutim, danas sinonim za ovaj kvasac je Saccharomyces pastorianus, koji predstavlja hibrid kvasaca S. cerevisiae i S. bayanus. [113, 139, 140]. S. cerevisiae i S. pastorianus su morfološki vrlo sliĉni, ali se razlikuju po fiziološkim karakeristikama. Oba kvasca podjednako brzo previru glukozu i fruktozu, manozu sporije, a za previranje galaktoze je neophodna prethodna indukcija enzima. Od disaharida brzo previru saharozu i maltozu, a od trisaharida maltotriozu, ali znatno sporije. Ne koriste dekstrine, inulin i laktozu. S. cerevisiae delimiĉno previre rafinozu i ne koristi melibiozu, za razliku od S. pastorianus koji ih potpuno previre. Kada je u podlozi prisutno više vrsta šećera, kvasci ih fermentišu po odreĊenom redosledu. Prvo se koristi saharoza, koja se ekstracelularnim enzimima razgradi do fruktoze i glukoze, zatim se previre maltoza pa maltotrioza. U smeši glukoze i fruktoze znatno brţe se razgraĊuje glukoza [112]. U tabeli 3.2. je prikazana sposobnost previranja razliĉitih šećera kod kvasaca S. cerevisiae, S. pastorianus i Schizosaccharomyces pombe [130]. Optimalna temperatura za fermentaciju etanola za S. cerevisiae je 28 °C, a za S. pastorianus je 25 °C. Optimalna pH vrednost za ova dva kvasca je 4-5, a koncentracija šećera u podlozi od 15-20% [112, 113]. Tabela 3.2. Prikaz šećera koje mogu previrati kvasci S. cerevisiae, S. pastorianus i Sch. pombe [130] Glu Ga Sah Mal La Me Ra Treh Cel Inu Skrob S. cerevisiae + + + + - - +,slabo +/- - - - S. pastorianus + + + + - + +,potpuno +/- - - - Sch. pombe + - + + - - + - - - - Glu=glukoza, Ga=galaktoza, Sah=saharoza, Mal=maltoza, La=laktoza, Me=melibioza, Ra=rafinoza, Treh=trehaloza, Cel=celobioza, Inu=inulin Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 89 Kvasac Saccharomyces uvarum danas se smatra kao sinonim za kvasac S. bayanus. Prvi ga izolovao Martin Williem Beijerinck (1898. god.). TakoĊe predstavlja kvasac „donjeg vrenja“, toleriše i do 18 vol% etanola i morfološki je sliĉnog izgleda kao S. cerevisiae [113, 139, 140]. Od vinskih kvasaca poznata vrsta koja se koristi za dobijanje etanola je i S. ellipsoideus koji ulazi u sastav epifitne mikroflore groţĊa. M. Reess je prvi identifikovao i dao ime kvascu S. ellipsoideus kao kvasac koji previre voćne sokove. Enolozi, 1975. godine, definišu ovaj kvasac kao striktni vinski kvasac, ĉiji je sinonim S. vini [136]. Danas se smatra kao varijetet kvasca S. cerevisiae (odnosno S. cerevisiae var. ellipsodeus) [138, 140]. Ovaj kvasac ima ćelije ovalnog, elipsoidnog obilka, i podnosi visoke koncentracije etanola (do 14% vol.) [113]. U prirodi je veoma raširena vrsta Kloeckera apiculata koja je deo epifitne mikroflore voća i ĉini 70% svih kvasaca u prirodi. Ćelije su kruškastog i limunastog oblika. Veoma se brzo razmnoţava i zbog toga na poĉetku spontane fermentacije ima glavnu ulogu, stvara 3-4% vol. etanola i onemogućuje razvoj bakterija i plesni. MeĊutim, ovaj kvasac je slabo otporan na etanol, relativno brzo zaustavlja aktivnost i ustupa mesto kvascima otpornijim na etanol (S. ellipsoideus). Maksimalno proizvodi 5-6% vol. etanola [113]. Za proizvodnju etanola mogu se koristiti i kvasci iz roda Schizosaccharomyces, naroĉito u toplijim krajevima. Njihova optimalna temperatura rasta je 37 °C, a ćelije su cilindriĉnog ili sferiĉnog oblika. Vrsta Schizosaccharomyces pombe je izdvojena iz afriĉkog piva koje se proizvodi iz prosa. Njegovi sojevi se koriste u Meksiku i Argentini za dobijanje špiritusa na temperaturama od 32 do 42 °C. U našim krajevima se koristi za dobijanje ţestokih alkoholnih pića (jabukovaĉe) [113]. Primena mezofilnih kvasaca u regionima sa visokim proseĉnim temperaturama u toku godine je nerentabilna zbog visokih spoljnih temperatura i ulaganja velike koliĉine energije da bi se odrţala temperatura izmeĊu 25 i 30 °C. U takvom podneblju primenu su našli termotolerantni kvasci iz roda Kluyveromyces. Vrsta Kluyveromyces marxianus produkuje etanol na temperaturi iznad 40 °C, a maksimalna temperatura rasta je u opsegu od 49-52 °C [109, 145]. Prinos etanola, tolerantnost na pH i osmotski pritisak su sliĉni kao kod S. cerevisiae, a tolerantnost na etanol niţa [146]. Termotolerantni kvasci se uspešno mogu primeniti u postupku simultane saharifikacija i fermentacije jer viša temperatura Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 90 dozvoljava brţu i efikasniju enzimsku hidrolizu supstrata [109]. Prednosti korišćenja termofilnih mikroorganizama u proizvodnji etanola su sledeće: - na visokim temperaturama koje su optimalne za njihov rast skraćuje se vreme trajanja fermentacije, i ostvaruje se veća efikasnost fermentacije - viskozitet fermentacionih podloga se smanjuje sa povećanjem temperature, pa je potrebno uloţiti manje energije za mešanje - smanjena je potreba za ulaganjem energije da bi se odrţao proces na ţeljenoj temperaturi - nisu neophodni sterilni uslovi procesa - rastvorljivost kiseonika i drugih gasova u fermentacionoj teĉnosti se smanjuje sa povećanjem temperature što omogućava dugotrajno odrţavanje anaerobnih uslova [4]. Pod anaerobnim uslovima neke vrste niţih i viših plesni mogu da izazovu alkoholnu fermentaciju kao što su: Mucor rouxii, Mucor orysae i Rhizopus sp., kao i vrste iz roda Aspergillus. Ovi mikroorganizmi u anaerobnim uslovima podsećaju na prave kvasce. Mogu da fermentišu šećere dajući do 5% vol. etanola. Njihovi predstavnici su se ranije koristili za saharifikaciju polisaharida pre upotrebe pravih kvasaca. U Kini i Japanu se koriste za spremanje slabih alkoholnih pića [113]. 3.3.2.2. Bakterije U proizvodnji etanola pored kvasaca mogu se koristiti i odreĊene vrste bakterija koje imaju primenu u proizvodnji slabih alkoholnih pića u tropskim krajevima i pripadaju tzv. šećernim bakterijama – Saccharomonas. U slatkom soku agavinog lista i u palminom soku otkrivena je bakterija Pseudomonas lindneri [113]. U proizvodnji etanola iz lignoceluloznih sirovina veoma se uspešno primenjuje gram (-) bakterija Zymomonas mobilis, koja moţe tolerisati sadrţaj etanola do 120 g/l. U odnosu na vrste iz roda Saccharomyces daje veći prinos etanola (za 5-10% više etanola po jedinici glukoze) i do 2,5 puta veću specifiĉnu produktivnost etanola. To je posledica fiziologije bakterije, jer ona metaboliše glukozu putem Entner-Doudoroff-ovog puta (ED puta) u anaerobnim uslovima, u odnosu na EMP put (glikolizu) kod kvasaca. Bakterija Zymomonas produkuje manje biomase i sporednih proizvoda (kao što su glicerol, ćilibarna Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 91 kiselina, acetoin, butandiol i sirćetna kiselina) nego kvasac. Ova bakterija takoĊe ima male zahteve za nutrijentima. MeĊutim, i pored navednih prednosti, nedostaci Z. mobilis su što fermentiše samo glukozu, fruktozu i saharozu (ali ne i ksilozu i arabinozu koje nastaju pri razgradnji pentoza) i potrebna je sterilizacija podloge što povećava troškove proizvodnje [110]. Iako ova bakterija daje visoke prinose u proizvodnji etanola i iz skrobnih sirovina, svi komercijalni proizvoĊaĉi vrše fermentaciju pomoću kvasaca. Dalji razvoj upotrebe ove bakterije bi se odnosio na povećanje tolerantnosti na inhibitore (Z. mobilis je manje tolerantan na sirćetnu kiselinu), redukciju upotrebe faktora rasta, poboljšanje produktivnosti etanola, mogućnosti bakterija da proizvode etanol u većim bioreaktorima, i dobijanje takvih sojeva bakterija koji imaju kvalitativne prednosti u poreĊenju sa kvascima (kao što je redukovana potreba za celulazama) [110]. Još jedna gram (-) bakterija pogodna za prevoĊenje celuloze u etanol je Klebsiella oxytoca. Ova bakterija raste na pH≈5 i temperaturi od 35 °C, a od šećera koristi i heksoze i pentoze (kao i celobioze i celotrioze). Fermentiše glukozu do raznih organskih kiselina i drugih neutralnih proizvoda. U poreĊenju sa Z. mobilis moţe fermentisati veći broj supstrata. Etanol se formira preko PFL (piruvat formiat-liaze) puta, u anerobnim uslovima, pri ĉemu se pored etanola formiraju formiati i acetati. Prvi enzim u ovom procesu prevodi piruvat u formiat i acetil-CoA koji se kasnije metaboliše do acetata ili etanola. PFL put je neaktivan u prisisutvu kiseonika i pri niskim pH vrednostima [110]. Primenom termofilnih bakterija u proizvodnji etanola dobijeni su dobri rezultati sa Thermoanaerobacter ethanolicus. Optimalna temperatura rasta ove bakterije je 69 °C. Prednosti u odnosu na druge proizvodne mikroorganizme su: širok pH optimum (5,5 do 8,5) i sposobnost da koristi veliki broj supstrata ukljuĉujući skrob, celobiozu, laktozu i razne pentoze [4]. Pored klasiĉnih metoda koje se primenjuju za dobijanje efikasnijeg proizvodnog mikroorganizma danas se koriste metode genetiĉkog inţenjerstva. Vezano za proizvodnju bioetanola na skrobnim hidrolizatima znaĉajni su pravci dobijanja mikroorganizama koji istovremeno imaju i ošećeravajuću i fermentativnu aktivnost [147], ili ĉak kombinovanu likvefakcionu, ošećeravajuću i fermentativnu [148]. MeĊutim, jedan od osnovnih nedostataka primene genetiĉki modifikovanih mikroorganizama je njihova nedovoljna stabilnost. Naime, tokom vremena u procesu moţe doći do njihove reverzije (gubitka Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 92 ubaĉenih gena), gubitka ţeljenih osobina, genetiĉki manipulisani mikroorganizmi sporije rastu, a i sam proces zahteva veće mere bezbednosti da ne bi došlo do oslobaĊanja ovih mikroorganizama u okolinu [4]. Formiranje soja Escherichia coli, gram (-) bakterije, koja selektivno proizvodi etanol iz celuloznih sirovina, je prva uspešna primena metaboliĉkog inţenjerstva. Escherichia coli ima nekoliko prednosti: sposobnost da fermentiše širok spektar šećera, ne zahteva kompleksne faktore rasta i ima primarnu industrijsku primenu (npr. za proizvodnju rekombinantnih proteina). Nedostaci su neutralna pH vrednost na kojoj raste (pH=6-8) i manja izdrţljivost kulture u poreĊenju sa kvascem. Escherichia coli fermentiše šećere do etanola i organskih kiselina. Etanol se dobija iz piruvata preko PFL puta [110]. 3.3.3. Alkoholna fermentacija sa imobilisanim mikroorganizmima Alkoholna fermentacija se moţe izvršiti pomoću slobodnih ili imobilisanih ćelija mikroorganizama. Poslednjih godina veliku paţnju su upravo privukli imobilisani ćelijski sistemi zbog brojnih prednosti koje poseduju. Imobilizacija predstavlja postupak kojim ćelije mikroorganizama, fiziĉkim ili hemijskim putem, bivaju priĉvršćene za površinu ili smeštene unutar strukture odreĊenog nosaĉa, pri ĉemu ne dolazi do gubitka njihove viabilnosti i katalitiĉke aktivnosti [96]. Primenom ovog postupka moguće je ostvariti visoku koncentraciju katalitiĉki aktivne biomase u odreĊenom delu prostora što dovodi do visoke produktivnosti reaktora, poboljšanja stabilnosti procesa i dobijanja krajnjeg proizvoda uniformnog kvaliteta. Osnovne prednosti primene imobilisanih ćelijskih sistema u proizvodnji etanola su: - mogućnost postizanja visoke koncentracije aktivnih ćelija unutar bioreaktora, što vodi ka povećanju volumetrijske produktivnosti, skraćenju vremena fermentacije i eliminaciji neproduktivnih faza ćelijskog rasta - povećanje stabilnosti i viabilnosti ćelija mikroorganizama, - povećanje iskorišćenja supstrata i prinosa etanola - mogućnost izvoĊenja kontinualnih fermentacija sa velikim brzinama razreĊenja bez rizika da doĊe do ispiranja ćelija, Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 93 - povećanje tolerantnosti imobilisanih ćelija prema visokim koncentracijama supstrata, i smanjenje inhibicije proizvodom ili supstratom - nosaĉi koji se koriste u postupku imobilizacije imaju zaštitnu ulogu pri fiziĉko- hemijskim uticajima pH, temperature, rastvaraĉa i teških metala na ćelije mikroorganizama - mogućnost regeneracije i ponovnog korišćenja imobilisanih ćelija mikroorganizama - mogućnost izvoĊenja istovremene saharifikacije i fermentacije primenom koimobilisanih ćelijskih sistema [7, 149, 150]. Razvijene i primenjene metode imobilizacije ćelija su sliĉne kao kod imobilizacije enzima i prikazane su na slici 3.13. [4]. Praktiĉnu primenu u fermentacionim procesima u najvećoj meri imaju metod smeštanja ćelija unutar matrice gela i adsorpcija ćelija. Imobilizacija postupkom smeštanja ćelija u matricu gela se izvodi mešanjem suspenzije ćelija sa rastvorom polimera i njihovim dispergovanjem (ukapavanjem/ekstruzijom ili emulgovanjem) u vidu kapljica u odgovarajući medijum gde se podvrgavaju procesu oĉvršćavanja. Na ovaj naĉin se dobijaju gel-ĉestice sfernog oblika u se ĉijoj matrici nalaze imobilisane ćelije. Ovaj postupak imobilizacije je danas najšire rasprostranjen kako zbog same jednostavnosti izvoĊenja imobilizacije u blagim uslovima (za same ćelije), tako i zbog toga što je moguće postići visoku koncentraciju aktivnih ćelija po jedinici mase nosaĉa [149]. Najĉešće korišćeni nosaĉi pri ovom postupku imobilizacije su nosaĉi polisaharidne prirode, kao što su Ca-alginat, karagenan, agar, pektin, zatim nosaĉi proteinske prirode (kolagen, ţelatin), epoksi smole i neki sintetski polimeri (polivinilalkohol). U poslednje vreme dobri rezultati se dobijaju primenom strugotine drveta, mineralnih materija vulkanskog porekla (kisiris), narandţine kore i epoksi smola kao nosaĉa za imobilizaciju. Ca-alginat je najĉešće korišćeni nosaĉ za imobilizaciju ćelija. Ovaj nosaĉ je ispoljava zadovoljavajuću stabilnost pri duţem korišćenju u toku kontinualnih fermentacija, a kvasac imobilisan u alginatu obezbeĊuje visoke prinose etanola [109, 149-155]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 94 Slika 3.13. Šematski prikaz razliĉitih metoda imobilizacije: A) imobilizacija na površini ĉvrstih nosaĉa, B) obuhvatanje unutar poroznog matriksa-gela, C) flokulacija (agregacija) ćelija, D) mikroinkapsulacja [4] Imobilizacija moţe uticati na rast, fiziologiju i metaboliĉku aktivnost ćelija mikroorganizama. Za ove promene u imobilisanim ćelijama odgovorni su sledeći parametri: ograniĉenje prenosa mase difuzijom, promene u morfologiji ćelije, uticaj osmotskog pritiska, uticaj na permeabilnost ćelijske membrane i dostupnost osnovnih hranljivih materija [150]. Prasad [156] je pored već poznatih prednosti imobilizacije, ukazao i na odreĊene nedostatke. U nekim sluĉajevima efikasnost imobilisanih ćelija moţe biti znatno smanjena u odnosu na sisteme sa suspendovanim slobodnim ćelijama mikroorganizama usled ograniĉenja koja postoje kod difuzije substrata u gel-ĉesticu, pa ćelije koje se nalaze duboko u matriksu postaju neaktivne. S druge strane, zbog difuzionih Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 95 ograniĉenja moţe doći i do akumulacije proizvoda (etanola) u matriksu i do pojave inhibicije proizvodom. TakoĊe, alginat i polisaharidni hidrogelovi nisu se pokazali kao odgovarajući nosaĉi u proizvodnji alkohola na industrijskom nivou zbog njihove visoke cene i niske hemijske i mehaniĉke stabilnosti [150]. 3.3.4. Metode izvoĊenja fermentacije u proizvodnji bioetanola Alkoholna fermentacija u proizvodnji etanola se moţe izvoditi na ĉetiri naĉina: diskontinualno, kontinualno, dolivno i semikontinualno. Najĉešće se primenjuju diskontinualne i kontinualne metode fermentacije. Prilikom razmatranja primene odreĊenog sistema uzimaju se u obzir osobine sirovine koja će se koristiti, troškovi ulaganja, kao i cene opreme i sirovina. Proces koji se zahteva u industriji je onaj koji zahteva minimum ulaganja za opremu uz maksimalne koliĉine proizvoda [4]. Diskontinualni postupak je veoma poznat postupak i podrazumeva prevoĊenje supstrata tokom 36-48 h u etanol sa prinosom od 90 do 95% od teorijskog prinosa etanola, i sa krajnjom koncentracijom etanola od 10 do 16% vol. Nakon završene fermentacije fermentisana podloga se pumpom prebacuje u prihvatni sud iz koga se napajaju destilacione kolone. Nakon praţenjenja sledi pranje i sterilizacija fermentora, i priprema za novu fermentaciju. Ovaj postupak ima sledeće prednosti: niske investicije; ne zahteva mnogo kontrole; mali zahtevi za kompletnu sterilizaciju; ne zahteva naporan rad; mali rizik od finansijskih gubitaka; lako voĊenje procesa; velika fleksibilnost se postiţe upotrebom fermentora za razne specifiĉnosti proizvoda; dobro definisano vreme trajanja fermentacije, tako da se mogu ostvariti visoki nivoi konverzije; nizak rizik od infekcije i mutacije ćelija, kad se koristi relativno kratko vreme fermentacije. MeĊutim, postoje i nedostaci ovih sistema kao što su: neproduktivno vreme za praţnjenje, pranje, sterilizaciju, hlaĊenje, zagrevanje i ponovno postavljanje fermentora (fermentor je iskorišćen samo 80%); ĉeste sterilizacije mogu da dovedu do oscilovanja u mernim instrumentima; ĉešće pripremanje inokuluma i kontrola ovog nestacionarnog procesa zahteva više tokova; veći rizik za osoblje od mogućeg kontakta sa patogenim mikroorganizmima ili toksiĉnim produktima; inicijalna lag faza smanjuje produktivnost fermentora. Pored ovih nedostataka diskontinualni naĉin voĊenja fermentacije preporuĉuje se u fabrikama malog kapaciteta; Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 96 jedan fermentor je dovoljan da se proizvede veći broj proizvoda. Efikasnost diskontinualne fermentacije moţe se povećati uvoĊenjem recirkulacije ćelija kvasca ( Melle Boinot postupak ). Dolivni postupak (fed-batch) moţe se smatrati kao kombinacija diskontinualnog i kontinualnog postupka i veoma je popularan u proizvodnji etanola. Hranljiva podloga se dozira tako da se koncentracija izvora ugljenika odrţava konstantnom, i na taj naĉin se inhibicija substratom odrţava na minimumu. Substrat se dodaje onom brzinom kojom se troši, a proces traje dok se ne dostignu limitirajuće koncentracije etanola ili se ne utroši neki esencijalni nutrijent. Prednosti ove fermentacije su: postizanje visokih prinosa u dobro definisanom vremenu kultivacije (tokom fermentacije ne dodaju se niti odvode ćelije proizvodnog mikroorganizma); visok nivo fleksibilnosti; smanjene su mogućnosti za mutaciju proizvodnog mikroorganizma, i rizik od infekcije; moguća je optimizacija uslova rasta, produkcione faze kao i starosti ćelija. Nedostaci dolivnog postupka fermentacije su sledeće: neproduktivno vreme punjenja, zagrevanja, sterilizacije, hlaĊenja, praţnjenja i pranja fermentora; viši zahtevi za radnu snagu, ili skupi instrumenti kao što je kompjutersko voĊenje (na primer, odrţavanje koncentracije sustrata zahteva skupe instrumente); veće mogućnosti rizika za radnike od kontakta sa patogenim mikroorganizmima ili toksiĉnim produktima; i više habanja i trošenja instrumenata od ĉeste sterilizacije. Semikontinualni postupak obuhvata takozvane ulazno-izlazne, protoĉne procese i varijacije cikliĉnih fermentacija. U ovom procesu se jedan deo sadrţaja fermentora, sa proizvodnim mikroorganizmom izvodi iz fermentora i dodaje ista zapremina sveţe podloge. Ovaj tip fermentacije se moţe izvoditi sa nekoliko fermentora. Prednosti ovog postupka fermentacije su: nije potreban sud za inokulum, sem na poĉetku rada; ne gubi se vreme za neproduktivne operacije pranje i ponovnu sterilizaciju; visoka fleksibilnost, malo habanja i oštećenja instrumenata od sterilizacije; ne treba mnogo kontrole. Primenom ovog sistema, vreme fermentacije se smanjuje zbog visoke koncentracije i aktivnosti ćelija kvasca. MeĊutim, ima i nekoliko nedostataka: povećanje investicija zbog veće zapremine fermentora; visok rizik od kontaminacije i mutacija zbog dugog procesa kultivacije i na kraju procesa se dobija zajedno biomasa i produkt. I pored navedenih nedostataka semikontinualan proces se ĉesto primenjuje u industrijskoj proizvodnji etanola. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 97 Kontinualni postupak je tehnološki najinteresatniji zbog toga što se proizvodni mikroorganizam nalazi u eksponencijalnoj fazi rasta tako da sve vreme produktivnost etanola raste. Prednosti ovog postupka su sledeće: mehanizacija i automatizacija su maksimalno omogućene; zahteva malo radne snage; zahteva manje zapremine fermentora zbog toga što nema neproduktivnog vremena; konstantni kvalitet produkta; male su mogućnosti kontakta sa patogenim mikroorganizmima i toksiĉnim materijalima zbog toga što je poboljšana mehanizacija; manje se troše i oštećuju instrumenti procesom sterilizacije [4]. Pored izabranog postupka fermentacije, od izuzetnog znaĉaja za efikasnost fermentacije i produktivnost proizvodnje etanola mogu biti odreĊena konstrukciona poboljšanja fermentora radi boljeg prenosa mase i toplote u sistemu, kao i bolje kontrole procesa [157]. Da bi se izbegla inhibicija mikroorganizama visokom koncentracijom etanola ispituje se spajanje procesa fermentacije i separacionih tehnika (fermentori zdruţeni sa membranskim postupkom izdvajanja; uvodjenje tehnika uklanjanja etanola vakuumom) [2]. Iako je ekonomiĉnost ovih poslednje navedenih tehnika diskutabilna ona se mora potvrditi na svakoj pojedinaĉnoj procesnoj koncepciji. Zdruţivanje faze saharifikacije i fermentacije skrobnih sirovina, odnosno SSF proces (simultana saharifikacija i fermentacija) vodi ka poboljšanju ukupne ekonomike procesa, i sa aspekta potrošnje energije, i sa aspekta ukupne duţine trajanja procesa. Naime, SSF proces nam pruţa mogućnost smanjenja potrošnje energije jer se uspešno moţe izvoditi na 30 °C, što je znatno manja temperatura od temperature saharifikacije (50 °C). Zbog spajanja faza saharifikacije i fermentacije moguće je smanjenje ukupne duţine trajanja procesa za oko 4 h, odnosno za vreme potrebno za saharifikaciju. Primenom ovog procesa smanjuju se ukupni troškovi procesa, postiţe veća efikasnost proizvodnje i veći prinos etanola. Pored navednih prednosti, primena SSF postupka nam omogućava sledeće pogodnosti: proces se odvija u jednom biorekatoru, mikroorganizmi odmah koriste dobijene šećere, zajedniĉko prisustvo mikroorganizama i šećera smanjuju akumulaciju šećera i ograniĉeni troškovi investiranja. MeĊutim, nedostaci korišćenja ovog procesa su: razliĉiti temperaturni optimumi reakcije saharifikacije i fermentacije, upotreba termotolerantnih mikroorganizama, neophodne genetiĉke manipulacije nad mikroorganizama koje omogućavaju direktnu fermentaciju šećera u etanol i teškoće u recirkulaciji i ponovnoj Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 98 upotrebi mikroorganizama. Na slici 3.14. prikazan je temperaturni profil SSF procesa [158, 159]. -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 30 40 50 60 70 80 90 SSF postupak stand. postupak saharifikacija+fermentacija T em pe ra tu ra , 0 C Vreme, min B likvefakcija saharifikacija fermentacija Slika 3.14. Temperaturni profil SSF procesa Kod pogona za proizvodnju bioetanola većih razmera potrebna je i veća koliĉina kvasca, odnosno proizvodnog mikroorganizma da bi se izvela energiĉna fermentacija. U takvom postupku se moţe uvesti i aerobna faza propagacije kvasca koja prethodi fermentaciji. Racionalizacijom postupka, radi bolje efikasnosti moguće je istovremeno odvijati fazu ošećerenja, umnoţavanja kvasca i fermentacije – SSPF proces (simultana saharifikacija, propagacija i fermentacija) [4]. 3.4. IZDVAJANJE PROIZVODA Osnovni proces kojim se etanol izdvaja iz podloge nakon završene fermentacije je destilacija i rektifikacija. Klasiĉnim postupcima destilacije i rektifikacije postiţe se koncentracija etanola od oko 96% vol., što je neprihvatljiv kvalitet etanola ukoliko bi se Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 99 koristio kao gorivo. Za dobijanje bioetanola koji se sam ili u smeši sa benzinom koristi kao motorno gorivo potrebno je izdvojiti vodu i odreĊen sadrţaj neĉistoća [2, 4]. U ameriĉkoj i evropskoj literaturi opisane su dve kategorije motornog goriva na bazi bioetanola: anhidrovan i neanhidrovan. Neanhidrovani etanol sadrţi 85-95% vol. etanola i namenjen je za pogon motora koji koriste ĉist bioetanol (a ne smeše sa benzinom). Ova kategorija se, pored anhidrovanog etanola, koristi u Brazilu. Anhidrovan etanol je namenjen za namešavanje sa benzinom i ima minimalno 99,5% ĉistoću. Prema današnjim standardima, preovladava mišljenje da se za gorivo moţe koristiti samo anhidrovani etanol sa najmanjom ĉistoćom od 99%. Propisi koji vaţe u Srbiji vezano za kvalitet etanola za namešavanje sa benzinom su relativno strogi i pretpostavljaju minimalan sadrţaj od 99,6% vol. etanola [4,37]. Postoje dva osnovna tipa tehnoloških postupaka za dobijanje anhidrovanog bioetanola: 1. Azeotropska destilacija i rektifikacija 2. Nedestilacione metode: - dehidratacija adsorpcijom - dehidratacija korišćenjem membranske tehnologije (pervaporacija) Azeotropska destilacija je prvobitno namenjena za dobijanje ĉistog, apsolutnog etanola (99,98% vol), sa sadrţajem vode od 200 mg/kg i 20 mg/kg ukupnih neĉistoća. Šema postrojenja za azeotropsku destilaciju je prikazana na slici 3.15. [4]. Rafinisani etanol (95-96% vol) koji sadrţi etanol i vodu se meša sa trećom komponentom tzv. „entreinerom“ (benzen, heptan ili cikloheksan) i tako stvara azeotropsku smešu kojom se napaja dehidrataciona kolona. Frakcija anhidrovanog etanola se sakuplja na dnu dehidratacione kolone i hladi pre skladištenja. Tercijarni azeotrop napušta kolonu na vrhu, kondenzuje se i zatim razdvaja na organsku fazu i vodu u dekanteru. Efikasan sistem za dehidrataciju etanola ima potrošnju od 1-1,5 kg pare po litri anhidrovanog etanola. Postrojenje za dobijanje anhidrovanog etanola je ĉesto u savremenim sistemima sastavni deo sistema za destilaciju i rektifikaciju. U tom sluĉaju nije potrebno ugraĊivati posebnu kolonu za koncentrovanje etanola jer tu funkciju moţe da vrši rektifikaciona kolona [4]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 100 Slika 3.15. Postupak dobijanja anhidrovanog etanola azeotropskom destilacijom: a) dehidrataciona kolona, b) dekanter, c) kondenzator, d) hladnjak, e) kolona za ispiranje ugljovodonika, f) treća komponenta [4] Procesi destilacije i rektifikacije i daljeg preĉišćavanja etanola su ekonomski najnepovoljnije faze u proizvodnji etanola. Zbog toga je znaĉajno da profermentisana podloga koja odlazi na destilaciju ima što je moguće veću koncentraciju etanola. U industrijskoj praksi najĉešće se destilacija i rektifikacija izvode u zajedniĉkom postrojenju kontinualnim tokom. Razvoj destilaciono-rektifikacionih sistema koji je baziran na savremenoj konstrukciji i povezivanju destilacionih kolona, racionalizaciji energije rekuperacijom, kondenzacijom i kompresijom nastalih para, uvoĊenju termo-pumpi i savršenijeg kontrolnog sistema omogućava i do 40% energetskih ušteda u odnosu na potrošnju energije koja u konvencionalnim destilaciono-rektifikacionim postrojenjima iznosi 10-12 MJ/l anhidrovanog etanola [160]. U proizvodnji etanola iz ţitarica, znaĉajna ušteda energije (za oko 10%) se postiţe recirkulacijom toplote iz sistema za zagrevanje skrobne sirovine iz faze pripreme supstrata u fazu destilacije i rektifikacije [157]. Dehidratacija adsorpcijom se zasniva na korišćenju dehidratacionih sredstava za izdvajanje vode iz rafinisanog etanola (95-96% vol). Najĉešće se za ove svrhe koriste molekulska sita ĉije su pore permeabilne za vodu, ali ne i za etanol [75, 161]. Uspešno se koriste molekulska sita sa veliĉinom pora od 3 Å (angstrem; 1 Å=10-10 m), kroz ĉije pore difunduju molekuli vode preĉnika 2,8 Å, dok molekuli etanola preĉnika 4,4 Å ne mogu da Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 101 difunduju [161]. Molekulska sita mogu biti sintetiĉki ili prirodni zeoliti, kalijum- aluminosilikatnog sastava ili odreĊeni polimerni materijali [162]. Prvi put su uvedena u industriju etanola 1970-tih godina. Šema jednog tipiĉnog postrojenja za dehidrataciju pomoću molekulskih sita prikazana je na slici 3.16. [75]. U prvim projektima korišćena je separacija u teĉnoj fazi, ĉija je prednost eliminacija opasnih rastvaraĉa i smanjena kompleksnost destilacije. Medjutim, krajem 80-tih godina XX veka uveden je postupak sa molekulskim sitima u parnoj fazi, eliminišući tako ograniĉenja u kapacitetu koja postoje kod sistema u teĉnoj fazi. Kod jednog tipiĉnog dehidratora na bazi molekulskih sita etanol na ulazu sadrţi oko 5-20% vode, a na izlazu oko 0,25-20 ppm vode, sa vremenom zadrţavanja 3-10 min [4]. Sistem za dehidrataciju etanola na bazi molekulskih sita primenjuje se i u našoj zemlji od 1997. god. u Fabrici lekova Zorka-Pharma u Šapcu, i sliĉan je postupku prikazanom na slici 3.16. Izvodi se u ureĊaju sa dve adsorpcione kolone napunjene molekulskim sitima tipa 3A, koje su naizmeniĉno u ciklusu adsorpcije/desorpcije, ĉime je obezbeĊena kontinualnost rada. Ovim postupkom dobija se tzv. "apsolutni etanol", pre svega za farmaceutske namene. Kapacitet linije za proizvodnju je 50.000 lit/god. Postupak je zaštićen patentom YU 49264 BS/Glasnik intelektualne svojine 2004/6 C [161]. Pored molekulskih sita i drugi ĉvrsti adsorbenti se mogu primenjivati za adsorbciju vode iz 96% vol. etanola. Od adsorbenata pogodni su celuloza i skrob zbog malog toplotnog efekta adsorpcije [163]. Separaciju smeše etanol-voda prevoĊenjem pare preko celuloznih ili skrobnih adsorbenata prvu put su izveli Ladisch i Dyck 1979. godine. Od tada, brojne studije su pokazale da se u ove svrhe mogu koristiti razni materijali kao što su npr. kukurzno brašno, pšeniĉna zrna itd., ĉije su prednosti mala cena, mogućnost ponovnog korišćenja za fermentaciju ili za stoĉnu ishranu, netoksiĉnost i biorazgradljivost. Pokazalo se da se kukuruzno brašno moţe 20 puta reciklirati pre nego što se koristi kao stoĉna hrana [162, 163]. Dehidratacija pervaporacijom predstavlja tehnologiju za anhidrovanje etanola koja je novijeg datuma i šematski je prikazana na slici 3.17. [162]. Pervaporator se sastoji od više modula semipermeabilnih membrana na bazi polimera poliviniletanola. Etanol (95% vol.) koji je potrebno anhidrovati se prvo zagreje do 60 °C, a zatim uvodi u membranski modul pervaporatora. Izdvajanje vode u pervaporatoru se vrši pomoću vakuuma manjeg od 1 kPa. Ukupna energija koja se potroši u procesu predstavlja sumu entalpija isparavanja i Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 102 kondenzacije. U izdvojenoj vodi zaostaje oko 23% etanola koji se moţe reciklirati do faze destilacije i rektifikacije i na taj naĉin izdvojiti. Da bi se proizvelo 1.000 l anhidrovanog etanola potrebno je utrošiti oko 135 kg pare (200 kPa), 10 m3 vode za hlaĊenje (20 °C) i 15 kWh elektriĉne energije. Za separaciju teĉnih smeša pervaporacijom veliki znaĉaj imaju zeolitske membrane, koje se nanose na neorganske nosaĉe ĉija priroda i struktura utiĉu na membrane. Najĉešće se kao nosaĉ koristi sinterovani Al2O3 [4]. Slika 3.16. Sistem sa molekulskim sitima za dehidrataciju etanola [75] Slika 3.17. Dobijanje anhidrovanog etanola pervaporacijom: a) pumpa; b) grejaĉ; c) pervaporator; d) kondenzator; c) vakuum pumpa [162] Anhidrovani etanol (99,9 vol %) a b b a d e a b Hladnjak Etanol 95% vol. c Permeat (23 vol %) Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 103 3.5. SPOREDNI PROIZVODI U PROIZVODNJI BIOETANOLA Da bi proces proizvodnje etanola bio ekonomiĉan i zadovoljio zahteve vezane za zaštitu ţivotne sredine, nuţan preduslov je kompletno iskorišćavanje sporednih proizvoda. Prilikom razmatranja ekonomiĉnosti proizvodnje etanola na skrobnim sirovinama vaţno je uzeti u obzir koliĉinu nastalih sporednih proizvoda i njihovu trţišnu valorizaciju. Vrsta i kvalitet sporednih i otpadnih proizvoda iz industrije etanola zavise od vrste sirovine i naĉina njene pripreme, tehnološkog postupka proizvodnje i naknadne obrade otpadnih proizvoda. Osnovni sporedni proizvodi u proizvodnji etanola iz ugljenohidratnih sirovina su dţibra i ugljendioksid. U klasiĉnom postupku proizvodnje etanola, džibra (sa 15% suve materije) sa dna destilacione kolone se odvodi u taloţnik u kome se vrši njena prerada. Oko 83% vode iz taloga se ukloni centrifugiranjem, i dobija se vlaţni talog sa oko 37% suve materije. Teĉni deo dţibre koji je odvojen centrifugiranjem se prihvata i ponovo vraća u proces ukomljavanja sirovine. Talog se odvodi u uparivaĉ u kome se dalje koncentriše. Koncetrisani talog (sa oko 35% suve materije) se meša sa viškom teĉne dţibre i odvodi na rotacionu tunelsku sušilicu. Masa se suši sve dok sadrţaj vlage ne bude ispod 10%. Dobijeni proizvod je suva dţibra. Pare koje izlaze iz evaporatora se skupljaju i hlade, i zatim koriste za namakanje zrna u poĉetnoj fazi prerade sirovine. Tokom proizvodnje etanola iz kukuruza u postupku suvog mlevenja, na 1.000 kg utrošenog kukuruza sa 12% vlage i 65% skroba (raĉunatog na suvu materiju) nastaje 229 kg džibre sa 90% suve materije i 293 kg etanola (slika 3.3.). Ako se kukuruz melje mokrim postupkom kao sporedni proizvodi dobijaju se: glutensko brašno, gluten za stoĉnu hranu i kukuruzno ulje iz klice (slika 3.2.) [4]. U sastavu dţibre nalaze se sve komponente sirovine osim ugljeni hidrati, kvasac i novonastali meĊuproizvodi faze razvarivanja, ošećerenja i fermentacije, koje kvasac ne moţe da metaboliše do etanola [4]. Prema ispitivanjima Belyea i saradnika [164] proseĉan hemijski sastav suve kukuruzne dţibre je sledeći (g/100 g suve materije): masti 11,9; proteini 31,3; sirova vlakna 10,2; vlakna rastvorljiva u kiselini 17,2; pepeo 4,6 i skrob 5,1. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 104 Primena dţibre je raznovrsna, moţe se koristiti za ishranu stoke, kao Ċubrivo, kao mikrobiološka podloga, ili kao zamena dela tehnološke vode u procesu ukomljavanja sirovina [165]. Na trţištu se mogu naći sveţa i suva dţibra. Sveţa dţibra (sa oko 7-10% suve materije) se moţe koristiti za stoĉnu hranu na farmama u neposrednoj blizini fabrike etanola jer je podloţna kvarenju, dok se osušena dţibra moţe koristiti tokom cele godine. Na Tehnološkom fakultetu u Novom Sadu ispitivana je mogućnost vraćanja bistre dţibre u proces ukomljavanja tokom proizvodnje etanola iz kukuruza ĉime se znaĉajno povećao prinos etanola (sa dodatkom 30% dţibre dostigao se prinos ĉak od 100%, dok je u kontrolnom uzorku postignut prinos od 97,96% u odnosu na teorijski prinos). Naime, dodatkom dţibre dodaju se i amino kiseline i proizvodi razgradnje ćelija kvasca što omogućava ovako visok prinos etanola [4]. Smatra se da je danas svetska potrošnja suve dţibre dobijene iz kukuruza i jeĉma oko 800.000 tona [166]. Tokom fermentacije pored etanola nastaje i ugljendioksid kao drugi znaĉajan sporedni proizvod. Na temperaturi od 30 °C i pri atmosferskom pritisku, 1 kg CO2 ima zapreminu od 0,564 m 3. Kritiĉna temperatura za komprimovanje CO2 je 1 °C, a pri temperaturi 12-15 °C potrebno je obezbediti nadpritisak od 60-65 bar da bi se ugljendioksid preveo u teĉno stanje. U hermetiĉki zatvorenim fermentorima dobija se ugljendioksid ĉistoće 99,0-99,5% sa sledećim primesama: etanol (0,4-0,8% teţinskih na CO2), estri (0,03-0,4% na CO2), organske kiseline (0,08-0,09% na CO2) i tragovi aldehida. Sastav ugljendioksida zavisi od temperature fermentacije i sadrţaja ugljenih hidrata u supstratu. Uklanjanje organskih primesa moţe se izvršiti adsorpcijom na aktivnom uglju, silikagelu ili zeolitu tipa NaA. Za sušenje ugljendioksida primenjuje se vodeni rastvor sumporne kiseline, CaCl2 ili adsorpcija sa silikagelom. Preĉišćen, osušen i komprimovani ugljendioksid se koristi u prehrambenoj industriji u procesima gaziranja bezalkoholnih napitaka, penušavih vina, šampanjca i mineralnih voda. TakoĊe se poslednjih godina proširila upotreba ugljendioksida u obradi metala rezanjem, u zavarivanju i livenju [4]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 105 3.6. TEHNO-EKONOMSKI ASPEKTI PROIZVODNJE BIOETANOLA I pored brojnih prednosti upotrebe bioetanola, troškovi proizvodnje ovog goriva su i dalje veći od troškova konkurenata na trţištu i najviše zavise od troškova sirovine, procesnih i kapitalnih troškova ukljuĉujući i cenu radne snage. Pored toga, na ukupnu cenu bioetanola utiĉu i mnogi drugi faktori kao što su: godišnji kapacitet proizvodnje, porezi, koliĉina i vrsta utrošenih energenata, troškovi transporta, lokacija postrojenja itd. [4, 80]. Da bi bioetanol bio konkurentan motornom gorivu, troškovi proizvodnje i cena bioetanola se moraju smanjiti. Mnoge ekonomske analize su pokazale da je to moguće smanjenjem udela troškova sirovina, korišćenjem sirovina koje su nus proizvodi razliĉitih tehnologija, iskorišćavanjem sporednih proizvoda i smanjenjem potrošnje energije [4]. Na ekonomiĉnost procesa proizvodnje bioetanola utiĉe i primenjena tehnologija procesa, kao i vrsta, razvoj i adaptiranost mikroorganizama na procesne uslove. U tom smislu favorizuju se savremeni postupci koji su daleko efikasniji i energetski povoljniji u fazama pripreme supstrata, fermentaciji i posebno destilaciji etanola. Povezanost procesnih i transportnih troškova je takva da ako se proizvodni troškovi smanje tehniĉkim usavršavanjem, transportni troškovi se poslediĉno smanjuju na optimalnu vrednost. Ovo ukazuje na ĉinjenicu da su manji proizvodni kapaciteti ekonomski atraktivniji [167]. Na cenu bioetanola znaĉajno utiĉe cena sirovine, koja moţe iznositi oko 40% od cene bioetanola [168]. Cena sirovina koje se koriste za proizvodnju bioetanola veoma variraju na trţištu, što zavisi i od njihove potraţnje za druge namene. Cena sirovine znaĉajno zavisi i od valorizacije sporednih proiozvoda. Cena ţitarica u EU u periodu od 1999. do 2002. god. je iznosila oko 120 €/t. Ukoliko se usvoji da je prinos bioetanola po toni ţitarici oko 360 l, moţe se izraĉunati da je cena ţitarica (kao i kukuruza) za proizvodnju bioetanola oko 0,343 €/l bioetanola. U SAD-u kao najvećem proizvoĊaĉu bioetanola iz kukuruza, cena kukuruza (za period 2003-2005. god.) je 0,106 $/l bioetanola (kod postupka mokrog mlevenja), odnosno 0,140 $/l bioetanola (kod postupka suvog mlevenja) [4]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 106 Prema izveštaju ECN („Energy Research Centre, Holandija), sadašnji troškovi proizvodnje bioetanola iz skrobnih odnosno šećernih sirovina su 20 €/GJ (kukuruz, SAD- 0,42 €/l, ili 834 €/ten) i 15-25 €/GJ (šećerna repa, severozapadna Evropa). Ovo predstavlja proseĉne troškove proizvodnje od oko 0,32-0,53 €/l bioetanola, ili 625-1040 €/ten [169]. U tabeli 3.3. prikazane su proseĉne vrednosti troškova proizvodnje bioetanola iz pšenice i šećerne repe u Evropi (EU-25) u 2004. godini [169]. Tabela 3.3. Proseĉni troškovi proizvodnje bioetanola iz pšenice i šećerne repe u Evropi (EU-25) u 2004. godini [169] Pšenica Šećerna repa €/l €/GJ €/ten €/l €/GJ €/ten Troškovi sirovine - cena sirovine 0,40 18,9 790 0,26 12,3 513 - prihod od sporednih proizvoda 0,15 7,1 296 0,03 1,4 59 Ukupni troškovi sirovine 0,25 11,8 493 0,23 10,9 454 Troškovi konverzije 0,28 13,3 553 0,22 10,4 434 Troškovi mešanja sa benzinom 0,05 2,4 99 0,05 2,4 99 Troškovi distribucije 0,01 0,5 20 0,1 4,7 197 Ukupni troškovi 0,59 27,9 1.165 0,6 28,4 1.184 U ameriĉkoj literaturi, tehno-ekonomske analize se najviše baziraju na proizvodnji bioetanola iz kukuruza. S obzirom na to da su prinosi bioetanola razliĉiti u postupku suvog i mokrog mlevenja (slike 3.2. i 3.3.), samim tim se i razlikuju i ukupni troškovi proizvodnje, što je prikazano u tabeli 3.4. [170]. Cena bioetanola se u periodu 1998-2000. god. kretala u opsegu 1,05-1,50 $/gal. Na slici 3.18. prikazana je cena bioetanola i njeno poreĊenje sa cenom benzina u 2004. godini prema izveštaju DOE („Department of Energy“, SAD) [171]. Sa slike 3.18. se moţe videti da je cena bioetanola viša od cene benzina. Pored već navedenih mera koje je potrebno preduzeti kako bi se smanjili troškovi proizvodnje bioetanola, takoĊe je potrebno da drţava odobri smanjenje poreza i taksi na bioetanol da bi se podstakla njegova proizvodnja i tako postigla cena koja bi bila konkurentna na trţištu. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 107 Tabela 3.4. Troškovi sirovine i troškovi proizvodnje bioetanola iz kukuruza (za postupak suvog i mokrog mlevenja) u 2005. godini ($/galon) [170] Postupak suvog mlevenja Postupak mokrog mlevenja Troškovi sirovine Cena sirovine Prihod od sporednih proizvoda Ugljendioksid Neto cena sirovine 0,0774 0,2166 0,0068 0,4840 0,7122 0,4108 0 0,3014 Operacioni troškovi Elektriĉna energija Goriva Upravljanje otpadom Voda Enzimi Kvasac Hemikalije Denaturant Odrţavanje Rad Administrativni troškovi Ostalo Ukupni operacioni troškovi 0,0581 0,2107 0,0067 0,0034 0,0416 0,0049 0,0356 0,0541 0,0616 0,0578 0,0422 0,0044 0,5811 0,0613 0,1449 0,0305 0,0151 0,0674 0,0312 0,0546 0,0594 0,0882 0,0929 0,0553 0 0,7008 Ukupni troškovi 1,0651 1,0022 0 50 100 150 200 250 subvencije na etanol (0,54 $/galon) 0,70-0,90 $/galon 0,80-1,40 $/galon C e n a g o ri v a , c e n t/ g a lo n benzin bioetanol (iz kukuruza) Slika 3.18. Cene benzina i bioetanola (iz kukuruza) u SAD-u u 2004. godini [171] Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 108 EKSPERIMENTALNI DEO Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 109 4. MATERIJALI I METODE 4.1. MATERIJALI 1. Kukuruzno brašno i kukuruzna krupica (Fabrika za preradu kukuruza “RJ CORN PRODUCT”, Sremska Mitrovica) 2. Kvasci iz kolekcije laboratorije za mikrobiologiju Tehnološko-metalurškog fakulteta u Beogradu: Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus, Saccharomyces carlsbergensis, Schizosaccharomyces pombe. 3. Imobilisane ćelije kvasca Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus u Ca-alginatu, Poljoprivredni fakultet, Beograd 4. Za pravljenje mikrobioloških podloga korišćeni su: • sladni bujon (Torlak, Beograd) • agar (Torlak, Beograd) 5. Enzimski preparati: • Termamyl SC (Novozymes, Danska), aktivnost A=133 KNU/g • SAN Extra L (Novozymes, Danska), aktivnost A=437 AGU/g 6. Ostale korišćene hemikalije p.a. ĉistoće su: • kalcijum-hlorid-dihidrat CaCl2·2H2O (Zdravlje, Leskovac) • sumporna kiselina H2SO4 (Gramma Libero, Italija) • natrijum-hidroksid NaOH (Lachema, Ĉeška) • magnezijum-sulfat-heptahidrat MgSO4·7H2O (Kemika, Zagreb) • amonijum-sulfat (NH4)2SO4 (Alkaloid, Skoplje) • kalijum-dihidrogen-fosfat KH2PO4 (Lachema, Neratovce) • cink-sulfat-heptahidrat ZnSO4·7H2O (Kemika, Zagreb) • 3,5-dinitrosalicilna kiselina C7H4N2O7 (Acros Organics, New Jersey, SAD) Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 110 • D (+)-glukoza monohidrat C6H12O6·H2O (Kemika, Zagreb) • natrijum-sulfit Na2SO3 (Zorka, Šabac) • kalijum-natrijum-tartarat C4H4O6KNa·4H2O (Lachema, Ĉeška) • antron C14H10O (Acros Organics, New Jersey, SAD) • natrijum-hlorid NaCl (Zorka, Šabac) • natrijum-citrat C6H5O7Na3·2H2O (Sigma, St. Louis, SAD) • metilensko plavo (Hemos, Beograd) • D-pantotenska kiselina, hemikalcijumova so C9H16NO5·0,5Ca (Sigma-Aldrich Chemie GmbH, Nemaĉka) • biotin C10H16N2O3S (Sigma-Aldrich Chemie GmbH, Nemaĉka) • mio-inozitol C6H12O6 (Sigma-Aldrich Chemie, Nemaĉka) • tiamin dihlorid (vitamin B1-hidrohlorid) C12H18Cl2N4OS·H2O (Merck, Nemaĉka) • piridoksin (vitamin B6-hidrohlorid) C8H11NO3·HCl (Sigma-Aldrich Chemie, Nemaĉka) Korišćeni ureĊaji i instrumenti su: • vodeno kupatilo sa mešanjem, model WB/OB 7-45 (Memmert, Nemaĉka) • analitiĉka vaga (Mettler AJl00, Švajcarska) • tehniĉka vaga (Chyo Balance Corp., MP-3000) • mikropipeta (ISO 9001 CERTIFIED, Nemaĉka) • pH metar (inoLab pH 720, Nemaĉka) • termostat za uzgajanje mikroorganizama na 30 ºC (Sutjeska, Beograd) • autoklav (Sutjeska, Beograd) • magnetna mešalica, MR 3001 (Heidolph, Schwabach, Nemaĉka) • vorteks, REAX 7000 (Heidolph, Schwabach, Nemaĉka) • mikroskop, Axio Imager A1 (Carl Zeiss MicroImaging GmbH., Nemaĉka) • skenirajući elektronski mikroskop SEM, model JSM 5800 (Joel, Japan) • elektriĉni rešo, Bauer GH-525 (JTD Ltd., Severna Koreja) • UV/vidljivi spektrofotometar, Ultrospec 3300 pro (Biochrom Ltd., Cambridge, Engleska) Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 111 • mikrotalasna peć, model R-677 (Sharp Electronics, UK) • ultrazvuĉno kupatilo, tip USK 28, radna frekvencija 40 kHz (EI Niš, Niš) • centrifuga, model 2-16 (Sigma, Nemaĉka) • polarimetar, 21304 (Schmidt Haensch, Nemaĉka) • sušnica (Sutjeska, Beograd) 4.2. METODE 4.2.1. IzvoĊenje dvojno-enzimske hidrolize Hidrolizati kukuruznog brašna (ili kukuruzne krupice) su dobijani dvojno- enzimskom hidrolizom skrobne suspenzije sa komercijalnim enzimskim preparatima: Temamyl SC, aktivnosti 133 KNU/g (KNU odnosno Kilo Novo Jedinica α-amilaze je koliĉina enzima koja razgraĊuje 5,26 g skroba u toku jednog sata) i SAN Extra L deklarisane aktivnosti od 437 AGU/g (AGU je koliĉina enzima koja hidrolizuje 1 μmol maltoze po minuti pod specificiranim uslovima). Skrobna suspenzija je pripremljena mešanjem kukuruznog brašna (ili kukuruzne krupice) i vode u odnosu (pri hidromodulu) 1:2,5, 1:3 i 1:4. Suspenziji je dodato 60 ppm Ca 2+ jona, u vidu CaCl2·2H2O, radi stabilizacije enzima i nekoliko kapi 1M NaOH za podešavanje pH vrednosti na 6,0. Faza likvefakcije je izvoĊena sa razliĉitim koncentracijama enzima Termamyl SC na temperaturi od 85 °C u trajanju od 1 h. Nakon završetka faze likvefakcije smeša je ohlaĊena, i podešena je pH vrednost na 5,0 sa 1M rastvorom sumporne kiseline. Faza saharifikacije je izvoĊena sa razliĉitim koncentracijama enzima SAN Extra L na temperaturi od 55 °C u trajanju od 4 h. Obe faze hidrolize izvoĊene su u balonima u vodenom kupatilu sa konstantnim mešanjem (150 rpm). Radi ispitivanja kinetike enzimske hidrolize uzorci za odreĊivanje koncentracije glukoze analizirani su na svakih sat vremena. Pri optimizaciji faze likvefakcije i saharifikacije pored promene koncentracije glukoze praćena je i promena prinosa glukoze, dekstroznog ekvivalenta i procenta od Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 112 teorijske koncentracije glukoze tokom enzimske hidrolize. Dekstrozni ekvivalent je indikator stepena hidrolize skroba do šećera, odnosno predstavlja sadrţaj redukujućih šećera izraţen kao glukoza (dekstroza) na suvu materiju (grama glukoze/100 g suve materije). Jednaĉine za izraĉunavanje prinosa glukoze, dekstroznog ekvivalenta [172] i procenta od teorijske koncentracije glukoze [173] su sledeće: cglu Y ’ P/S (g/g) = (2) cs • Y’P/S – prinos glukoze (g/g) • cglu – eksperimentalna koncentracija glukoze (g/l) • cs – poĉetna koncentracija skroba u suspenziji (g/l) cglu DE = · 100 (3) SM • DE – dekstrozni ekvivalent (%) • cglu – eksperimentalna koncentracija glukoze (%) • SM - sadrţaj suve materije kukuruznog brašna koji iznosi 82,66% cglu % od cglu, teor = · 100 (4) cglu, teor • % od cglu, teor – procenat od teorijske koncentracije glukoze (%) • cglu, exp – eksperimentalna koncentracija glukoze (g/l) • cglu, teor – teorijska koncentracija glukoze (g/l) cglu, teor = cs · 1,111 (5) • cs – poĉetna koncentracija skroba u suspenziji (g/l) (hidromodulu 1:3 odgovara teorijska konc. glukoze od 213,17 g/l) • faktor 1,111 je izveden na osnovu ĉinjenice da je potreban 1 molekul vode za hidrolizu svake glikozidne veze u skrobu. Na osnovu stehiometrijske jednaĉine hidrolize skroba do glukoze, ovaj faktor je jednak odnosu 180n/(162n + 18), gde je n broj ostataka glukoze u polimeru skroba. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 113 U eksperimentima u kojima se ispitivao uticaj poĉetne koncentracije glukoze na tok alkoholne fermentacije i prinos etanola, koncentracija glukoze u hidrolizatu koja je odreĊivana nakon završene enzimske hidrolize podešavana je na ţeljenu vrednost na osnovu proraĉuna razblaţenja. Ovaj proraĉun razblaţenja se zasniva na zakonu odrţanja mase: m1=m2=const. Ako je koncentracija glukoze u hidrolizatu nakon završene enzimske hidrolize c1, zapremina hidrolizata V1, i je potrebno da koncentracija glukoze u hidrolizatu bude c2, sledi: m1 = m2 (6) c = m/V c1·V1 = c2·V2 V2 = (c1·V1)/c2 (7) Prema tome, zapremina vode koja se dodaje u hidrolizat je: VH2O = V2 - V1 (8) 4.2.2. Predtretman suspenzije kukuruznog brašna ultrazvukom Suspenzije kukuruznog brašna i vode pripremljene su na prethodno opisan naĉin (uz dodavanje Ca 2+ jona i regulisanje pH) u balonima od 100 ml, pri hidromodulu 1:3. Predtretman pripremljenih suspenzija ultrazvukom je vršen u ultrazvuĉnom kupatilu, pri frekvenciji ultrazvuĉnih talasa od 40 kHz. Varirano je vreme dejstva ultrazvuka i trenutak dodavanja enzima Termamyl SC, kao i temperatura soniciranja kako bi se optimizovao predtretman ultrazvukom radi bolje razgradnje skroba i dobijanja više koncentracije glukoze nakon zavšene enzimske hidrolize. Korišćena je optimalna koncentracija enzima Termamyl SC i SAN Extra L koja je odreĊena u prethodnim eksperimentima optimizacije dvojno-enzimske hidrolize. 4.2.3. Predtretman suspenzije kukuruznog brašna mikrotalasima Suspenzije kukuruznog brašna i vode pripremljene su na prethodno opisan naĉin u balonima od 100 ml, pri hidromodulu 1:3. Predtretman pripremljenih suspenzija mikrotalasima je izvoĊen u mikrotalasnoj peći, u toku razliĉitog vremenskog perioda i pri Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 114 razliĉitoj snazi mikrotalasa kako bi se postigla što bolja razgradnja kukuruznog skroba. Korišćena je optimalna koncentracija enzima Termamyl SC i SAN Extra L koja je odreĊena u prethodnim eksperimentima optimizacije dvojno-enzimske hidrolize. 4.2.4. Priprema laboratorijske kulture Kultura kvasca je ĉuvana na kosom sladnom agaru na +4 ºC, a za potrebe eksperimenta aktivirana je u sladnom bujonu korišćenjem tehnike pasaţiranja (3 puta). 24 h pre poĉetka alkoholne fermentacije vršeno je zasejavanje 50 ml sladnog bujona korišćenjem 1% inokuluma. Inkubacija je vršena 24 h u termostatu na temperaturi od 30 ºC. Nakon inkubacije podloga je zamućena, bez promene boje, nema površinskog rasta, a formiran talog je sitnozrn i beo. Ovako dobijena sveţa kultura je korišćena za inokulaciju hidrolizata kukuruznog brašna. TakoĊe, nakon inkubacije pravljeni su nativni preparati kako bi se posmatrale izrasle kolonije. Preparati su posmatrani pod mikroskopom sa uveliĉanjem 40×10, a izgled ćelija ispitivanih kvasaca je prikazan na slici 4.1. 1 l podloge sladni agar sadrţi 20 g sladnog bujona (sastavljenog od 17 g sladnog ekstrakta i 3 g peptona) i 18 g agara koji se dodaje za oĉvršćavanje mikrobioloških podloga. Podloga se steriliše u autoklavu na temperaturi od 120 ºC i pritisku od 1,5 bar u toku 30 min. (a) (b) Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 115 (c) (d) Slika 4.1. Mikroskopska slika ispitivanih vrsta kvasaca: a) Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus, b) S. cerevisiae, c) S. carlsbergensis i d) Schizosaccharomyces pombe 4.2.5. Testovi karakterizacije kvasca S. cerevisiae var. ellipsoideus Pripremljene su epruvete sa sladnim bujonom u kojima je dodat etanol ili glukoza, a u pojedinim epruvetama je i regulisana pH vrednost. U pet epruveta je dodat razliĉit sadrţaj glukoze (5, 10, 15, 20 i 25%), dok je u drugih pet epruveta regulisan pH do sledećih vrednosti: 2,00; 2,50; 3,00; 3,79; 4,77 i 5,25 pomoću 1M H2SO4. U devet epruveta je dodat razliĉit sadrţaj 96% etanola kako bi se postigle koncentracije od 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20 i 25% etanola u sladnom bujonu. U ovako pripremljene podloge zasejana je kultura kvasca i epruvete su termostatirane na 30 °C. Nakon 24 h, pojava zamućenja u ispitivanim epruvetama ukazuje na sposobnost kvasca da raste pri datim uslovima. Epruvete u kojima se nije pojavilo zamućenje ukazivale su na izostanak rasta. Radi potvrde rasta, kultura je presejana na novi pasaţ i nakon 48 h praćena je pojava zamućenja. Uzorci u kojima nije bilo zamućenja i nakon 48 h striklovani su na Petri šolje sa sladnim agarom. Prisustvo manjeg ili većeg broja kolonija kvasca izraslih na Petri šolji nakon inkubacije (24-48 h na 30 °C) ukazuje da tu koncentraciju etanola ili pH vrednost podloge kvasac moţe da toleriše, ali da pri njoj ne dolazi do rasta ćelija. Ukoliko na sladnom agaru nisu izrasle kolonije, data koncentracija moţe se smatrati inhibitornom za dalji rast ispitivanog kvasca. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 116 4.2.6. IzvoĊenje alkoholne fermentacije Alkoholna fermentacija hidrolizata kukuruznog brašna je izvoĊena u anaerobnim uslovima, u šarţnom postupku sa izabranim kulturama kvasaca na temperaturi od 30 ºC, u vodenom kupatilu bez mešanja. Pre poĉetka fermentacije hidrolizat je obogaćen faktorima rasta: 0,4 g/l MgSO4, 2,0 g/l (NH4)2SO4 i 4,0 g/l KH2PO4. U toku fermentacije vršeno je korigovanje pH vrednosti na 5. U cilju ispitivanja fermentativne sposobnosti razliĉitih vrsta, fermentacija je izvoĊena sa slobodnim ćelijama sledećih vrsta kvasaca: Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus, S. cerevisiae, S. carlsbergensis i Schizosaccharomyces pombe, pri koncentraciji inokuluma od 2% (v/v) u toku 48 h. U daljim eksperimentima korišćene su slobodne i imobilisane ćelije kvasca S. cerevisiae var. ellipsoideus u Ca-alginatu, pri razliĉitim koncentracijama inokuluma (2, 5 i 10% v/v). Radi optimizacije procesa takoĊe je varirana i polazna koncentracija glukoze u cilju dobijanja većeg prinosa etanola. Vršeni su i eksperimenti sa dodatkom aktivatora: mineralnih soli (ZnSO4·7H2O 0,3 g/l, MgSO4·7H2O 2,0 g/l) i vitamina (Ca-pantotenat 2,0 g/l, biotin 64,0·103 mg/l, inozitol 1 g/l, tiamin 5,0 mg/l, piridoksin 5,0 mg/l), pojedinaĉno ili u smeši, koji pozitivno utiĉu na rast i viabilnost ćelija kvasca i povećavaju efikasnost alkoholne fermentacije. Paralelno je raĊen i kontrolni uzorak bez dodatka pomenutih aktivatora. Tok fermentacije praćen je odreĊivanjem promene sadrţaja etanola, koncentracije glukoze i broja ćelija kvasca. Kinetika fermentacije je praćena u toku razliĉitih vremenskih perioda: 38, 48 i 72 h radi odreĊivanja optimalne duţine trajanja alkoholne fermentacije, pri razliĉitim uslovima eksperimenta. Tokom fermentacije praćena je i promena sledećih parametara: prinos etanola, procenat od teorijskog sadrţaja etanola, volumetrijska produktivnost i potrošnja glukoze. Ovi procesni parametri se raĉunaju prema sledećim jednaĉinama [174]: Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 117 cet YP/S = (9) cs • YP/S – prinos etanola (g/g) • cet – eksperimentalni sadrţaj etanola (%) • cs – poĉetna koncentracija skroba u suspenziji (g/l) (cs =191,87 g/l pri hidromodulu 1:3) cet % od cet, teor = · 100 (10) cet, teor • % od cet, teor – procenat od teorijskog sadrţaja etanola • cet – eksperimentalni sadrţaj etanola (%) • cet, teor – teorijski sadrţaj etanola (%) cet, teor = cglu, teor · 0,51 = 21,32% · 0,51 = 10,87% (11) • cglu, teor – teorijska koncentracija glukoze, za hidromodul 1:3 iznosi 21,32% (na osnovu stehiometrijske jednaĉine (1) iz 1 g glukoze dobija se 0,51 g etanola) cet P = (12) • P – volumetrijska produktivnost (g/l·h) • cet – eksperimentalni sadrţaj etanola (g/l) • - vreme fermentacije (h) cglu, kr – cglu, poĉ. Potrošnja glukoze (%) = · 100 (13) cglu, poĉ. • cglu,poĉ. – poĉetna koncentracija glukoze u hidrolizatu (g/l) • cglu,kr. – krajnja koncentracija glukoze (g/l) U eksperimentima sa recirkulacijom kvasca S. cerevisiae var. ellipsoideus imobilisanog u Ca-alginatu, nakon završenog prvog ciklusa šarţne fermentacije u trajanju od 38 h, vršeno je razdvajanje imobilisanih ćelija i profermentisane teĉnosti Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 118 centrifugiranjem (10 min, 4000 rpm) i dekantovanjem. Izdvojene imobilisane ćelije su ispirane fiziološkim rastvorom kako bi se uklonili ostaci fermentacione teĉnosti, a zatim su ĉuvane u fiziološkom rastvoru do ponovnog dodavanja u sveţe pripremljen hidrolizat kukuruznog brašna. Pre svake recirkulacije vršeno je odreĊivanje i korigovanje poĉetnog broja ćelija kvasca. Postupak recirkulacije imobilisanih ćelija vršen je do prestanka sinteze etanola ili stagnacije i pada broja ćelija kvasca. 4.2.7. IzvoĊenje postupka simultane saharifikacije i fermentacije (SSF) U eksperimentima u kojima se izvodi postupak simultane saharifikacije i fermentacije (SSF proces), nakon završene likvefakcije suspenzija se ohladi i koriguje se pH vrednost na 5,0 pomoću 1 M rastvora sumporne kiseline. Istovremeno se dodaju: enzim SAN Extra L (u optimalnoj koncentraciji koja je odreĊena u prethodnim eksperimentima enzimske hidrolize) i slobodne ili imobilisane ćelije kvasca S. cerevisiae var. ellipsoideus (pri koncentraciji inokuluma od 2% v/v). Simultana saharifikacija i fermentacija izvoĊena je u balonima u vodenom kupatilu sa brzinom mešanja 100 rpm. Kinetika SSF procesa je ispitivana u toku 48 h, na temperaturama 30, 37 i 42 °C. Radi povećanja prinosa etanola i efikasnosti samog procesa vršeno je dodavanje mineralnih soli (0,3 g/l ZnSO4·7H2O i 2,0 g/l MgSO4·7H2O,) i vitamina (30,0 mg/l Ca-pantotenata, 64,0·10 3 mg/l biotina i 350,0 mg/l inozitola), pojedinaĉno ili u smeši. Paralelno je raĊen i kontrolni uzorak bez dodatka pomenutih aktivatora. TakoĊe je ispitivan i SSF proces suspenzije kukuruznog brašna koja je podvrgnuta predtretmanu ultrazvukom i mikrotalasima (pri optimalnim parametrima delovanja ultrazvuka i mikrotalasa koji su odreĊeni u prethodnim eksperimentima). 4.2.8. Postupak imobilizacije ćelija kvasca S. cerevisiae var. ellipsoideus u Ca-alginatu Imobilizacija ćelija kvasca S. cerevisiae var. ellipsoideus je izvršena obuhvatanjem u gel Ca-alginata. Za imobilizaciju ćelija korišćen je 2% (w/w) rastvor Na-alginata dobijenog ratvaranjem 4,8 g Na-alginata u prahu u 240 ml destilovane vode. Kvasac je zasejan u sterilnu podlogu na 30 ºC. Podloga je sledećeg sastava: u 1 l destilovane vode rastvoreno je Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 119 100 g glukoze, 2 g ekstrakta kvasca, 2,5 g NH4Cl, 50 g K2HPO4, 25 g MgSO4·7H2O, 1,0 g NaCl, 0,01 g KCl i 3 g limunske kiseline. Medijum je sterilisan 30 minuta na 120 ºC. Suspenzija polimer-ćelija je formirana mešanjem 240 ml rastvora Na-alginata sa 60 ml koncentrovane suspenzije kvasca na sobnoj temperaturi. Sa vrha igle pri konstantnom protoku od 0,25 ml/min izvršena je ekstruzija prethodno pripremljene suspenzije polimer- ćelija, i pri tome se pod dejstvom elektrostatiĉkih i gravitacionih sila formiraju kapljice. Elektrostatiĉki potencijal se formira povezivanjem pozitivne elektrode visokog napona u posudu sa 2,65% rastvorenim CaCl2 pri ĉemu je igla uzemljena. Na ovaj naĉin će ćelije kvasca biti obuhvaćene u gel Ca-alginata. Ovako imobilisane ćelije se ĉuvaju u fiziološkom rastvoru na 8 ºC. Imobilisane ćelije, kvasca S. cerevisiae var. ellipsoideus u Ca-alginatu, sa relativno ujednaĉenim proseĉnim preĉnikom od 0,8 mm, prikazane su na slici 4.2. Slika 4.2. Mikroskopska slika imobilisanih ćelija kvasca S. cerevisiae var. ellipsoideus u Ca- alginatu Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 120 4.2.9. OdreĊivanje sadrţaja redukujućih šećera u hidrolizatu [175] Sadrţaj glukoze je odreĊivan spektrofotometrijskom metodom sa 3,5- dinitrosalicilnom kiselinom (DNS). Ovom metodom se odreĊuje prisustvo slobodne karbonilne grupe (C=O) kod redukujućih šećera. To podrazumeva oksidaciju aldehidne funkcionalne grupe (kod glukoze), odnosno keto funkcionalne grupe (kod fruktoze) do karboksilne grupe. Oksidacija se odvija u prisustvu 3,5-dinitrosalicilne kiseline koja se redukuje do 3-amino,5-nitrosalicilne kiseline u alkalnoj sredini sa karakteristiĉnim crveno- braon obojenjem. Ova reakcija je prikazana na slici 4.3. 3,5-dinitrosanicilna 3- amino-5-nitrosanicilna kiselina kiselina Slika 4.3. Reakcija 3,5-dinitrosalicilne kiseline sa redukujućim šećerima Reagensi: • 1% rastvor 3,5-dinitrosalicilne kiseline: - 10 g dinitrosalicilne kiseline - 0,5 g natrijum-sulfita Na2SO3 - l0 g natrijum-hidroksida NaOH - dodati vodu do 1 l. • 40% rastvor kalijum-natrijum tartarata Postupak: 1 ml filtrata hidrolizata se pipetom prenese u normalni sud od 100 ili 250 ml u zavisnosti od oĉekivane koncentracije glukoze, koji se zatim postepeno dopuni destilovanom vodom. Iz normalnog suda se uzme 3 ml razblaţenog rastvora šećera i prenese u epruvetu, a zatim doda 3 ml rastvora dinitrosalicilne kiseline. TakoĊe, pravi + Oksidovani šećer + Redukujući šećer Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 121 se kontrolni uzorak za kalibrisanje spektrofotometra kod koga se umesto 3 ml razblaţenog rastvora šećera doda 3 ml destilovane vode, dalji postupak je identiĉan. Epruvete se zatvore i kuvaju u vodenom kupatilu na 90 °C u trajanju od 5-15 minuta do nastanka crveno-braon obojenja. Kontrolni uzorak zadrţava ţutu boju. Zatim se u topao rastvor dodaje 1 ml rastvora kalijum-natrijum-tartarata kako bi se stabilizovala boja. Sadrţaj u epruvetama se ohladi do sobne temperature i zatim se meri absorbanca na spektrofotometru na 570 nm. Koncentracija redukujućih šećera, izraţenih kao glukoza, se odreĊuje iz standardne krive koja je dobijena merenjem absorbance rastvora glukoze poznatih koncentracija na 570 nm. U tabeli 4.1. su prikazane dobijene vrednosti absorbance za standardne koncentracije rastvora glukoze, a na slici 4.4. je prikazana standardna kriva zavisnosti koncentracije glukoze od absorbance na 570 nm. Tabela 4.1. Zavisnost apsorbance na 570 nm od koncentracije standardnog rastvora glukoze Koncentracija glukoze, g/l Absorbanca na 570 nm 0,50 0,29 1,00 0,60 1,25 0,748 1,50 0,913 2,50 1,52 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 K o n c e n tr a c ija g lu k o z e , g /l Absorbanca na 570 nm Slika 4.4. Kriva zavisnosti koncentracije rastvora glukoze od absorbance na 570 nm Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 122 Jednaĉina krive prikazana na slici 4.4. je: y = 1,6251 · x + 0,02684, pa se koncentracija redukujućih šećera, izraţenih kao glukoza, izraĉunava prema sledećoj jednaĉini: (14) • cglu - koncentracija glukoze (g/l) • A - absorbanca na 570 nm • R - razblaţenje rastvora šećera (100 ili 250) 4.2.10. OdreĊivanje sadrţaja etanola [176] Metoda se zasniva na zavisnosti gustine destilata etanola od sadrţaja etanola. Pošto je etanol specifiĉno lakši od vode, sa porastom njegovog sadrţaja u vodi opada gustina destilata. Rauscher i Voidt su dali tabelu zavisnosti gustine od sadrţaja etanola u vodi na temperaturi od 20 °C (tabela I data je u prilogu). Pored etanola destilišu i druge isparljive materije koje nastaju u toku fermentacije. U većini sluĉajeva sadrţaj isparljivih komponenti je veoma nizak pa se njihov uticaj na gustinu moţe zanemariti. Za destilaciju se koristi aparatura prikazana na slici 4.5. Slika 4.5. Šema aparature za destilaciju cglu (g/l) = (1,6251 · A + 0,02684) · R Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 123 Postupak: Pre poĉetka destilacije potrebno je na analitiĉkoj vagi izmeriti masu praznog piknometra (zapremine 50 cm 3 ), kao i masu piknometra napunjenog sa destilovanom vodom. U izmerenu tikvicu (1) od 300-500 cm 3 odmeri se n grama (oko 40 g) fermentisane suspenzije. Zatim se sud spoji pomoću gumenog zatvaraĉa sa Liebig-ovim kondenzatorom (2). Destilat se prihvata u praznom piknometru (4), koji moţe da bude uronjen u posudu sa ledom, kao što je prikazano na slici 4.6. Sud se mora zagrevati tako da se destilacija završi u toku 30-45 min. Nakon završene destilacije piknometar se dopuni destilovanom vodom i suv odmeri na analitiĉkoj vagi. Deflegmator (3) i cev (5) su prilikom izvoĊenja eksperimenta izostavljeni. Sadrţaj etanola u destilatu se odreĊuje merenjem gustine 20 prema sledećoj jednaĉini: ( C - A ) 20 = (15) (B -A ) • A - masa praznog piknometra (g) • B - masa piknometra sa destilovanom vodom (g) • C - masa piknometra sa destilatom (g) Na osnovu izraĉunate vrednosti 20 iz tabele I (u prilogu) oĉitava se sadrţaj etanola u destilatu (u masenim %), a potom se sadrţaj etanola u fermentisanoj suspenziji izraĉunava prema sledećoj jednaĉini: (16) • cet - sadrţaj etanola (% w/w) • a - masa destilata, odnosno izraz (C-A) iz jednaĉine (15) • c - sadrţaj etanola u destilatu u mas.% (iz tabele I) • n - masa uzetog uzorka (g) cet (% w/w) = (a · c) / n Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 124 4.2.11. OdreĊivanje ukupnog broja ćelija kvasca 4.2.11.1. Kohova metoda agarne ploče [177] Ukoliko je alkoholna fermentacija vršena sa slobodnim ćelijama kvasca, 1 ml hidrolizata se rastvori u 9 ml fiziološkog rastvora, i na taj naĉin se dobija razblaţenje 10-1. Zatim se vrši serija razblaţenja, gde je svako sledeće razblaţenje deset puta veće od prethodnog. 1ml iz epruveta sa razblaţenjima 10-4, 10-6 i 10-8 prenet je pipetom u Petri šolje, koje su prelivane hranljivom podlogom sladni agar. Inkubacija Petri šolja vršena je u termostatu na 30ºC u trajanju od 48 h. Broj izraslih kolonija je odreĊivan Kohovom metodom. Ukupan broj ţivih ćelija u 1 ml hidrolizata dobija se mnoţenjem ukupnog broja kolonija izbrojanih na Petri šolji sa odgovarajućim razblaţenjem. U sluĉaju da postoje prisutne ćelije kod sva tri razblaţenja traţi se srednja vrednost broja ćelija. Ukoliko se odreĊuje ukupan broj ćelija u imobilizatu, imobilisane ćelije kvasca su prethodne filtrirane radi odvajanja od fermentisane suspenzije. Zatim se 1 g imobilizata rastvori u 9 ml 2% Na-citrata, ĉime se dobija razblaţenje 10-1. Nakon toga se vrši postepeno razblaţivanje u fiziološkom rastvoru do razblaţenja 10-8. Dalji postupak odreĊivanja ukupnog broja ţivih ćelija je identiĉan kao u sluĉaju sa slobodnim ćelijama kvasca. 4.2.11.2. Direktno brojanje pomoću komore za brojanje po Rosenthal-u [177] U sluĉaju kada je vršena recirkulacija imobilisanog kvasca, nakon završenog prvog i drugog ciklusa šarţne fermentacije vrši se razdvajanje imobilisanih ćelija od fermentisane suspenzije dekantovanjem, centrifugiranjem i ispiranjem fiziološkim rastvorom kako bi se uklonili ostaci fermentacione teĉnosti. Pre svake recirkulacije odreĊivan je poĉetan broj ćelija kvasca pomoću komore za brojanje po Rosenthal-u. Ova metoda se zasniva na direktnom brojanju ćelija u nativnom preparatu pod mikroskopom. Komora za brojanje ima oblik predmetnice od debljeg stakla na ĉijem središnjem delu se nalazi ugravirana specijalna mreţica sa taĉno odreĊenim dimenzijama. Brojanjem ćelija u pojedinim Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 125 kvadratima mreţice moţe se odrediti njihov broj pomoću odgovarajuće formule. Komora po Rosenthal-u je podeljena na 16 većih kvadrata, a svaki od njih na 16 manjih kvadrata. Površina velikog kvadrata je 1 mm2, a zapremina 0,2 mm3. Površina malog kvadrata je 0,0625 mm 2 , a zapremina 0,0125 mm 3 . Brojanje ćelija je vršeno iz razblaţenja 10-2. Razblaţenje 10-1 se dobija rastvaranjem 1 g imobilizata u 9 ml 2% Na-citrata, a razblaţenje 10-2 daljim razblaţivanjem u fiziološkom rastvoru. Zatim se 1 ml razblaţenja 10-2 pomeša sa 1 ml boje metilensko plavo u epruveti, odakle se pipetom uzima jedna kap koja se nanosi na deo komore za brojanje gde se nalazi mreţica. Nanešena kap se prekrije ljuspicom. Ovako pripremljeni obojeni nativni preparat se posmatra pod mikroskopom kroz objektiv uveliĉanja 40×, sa podignutim kondenzatorom. Ţive ćelije kvasca ostaju neobojene jer sadrţe enzim dehidrogenazu koji redukuje boju metilensko plavo u njen bezbojan oblik, dok mrtve ćelije ostaju obojene u plavo. Ovo pruţa mogućnost da se brojanjem ćelija u pojedinim kvadratima mreţice utvrdi pribliţan broj ţivih ćelija kvasca. Brojanje ćelija se vrši prema sledećoj formuli: (17) • N – broj ţivih ćelija kvasca (CFU/g imobilizata) • m/K – srednja vrednost broja ćelija u jednom malom kvadratu • n – razblaţenje (102) • 16 – broj malih kvadrata u velikom kvadratu • 5 – zapremina u mm3 (1/5 mm3) • 103 – pomnoţeno sa 1000 da bi se dobio broj ćelija u 1 ml 4.2.12. Polarimetrijska metoda za odreĊivanje sadrţaja kukuruznog skroba [178] Ova metoda obuhvata dva merenja. Prvo se uzorak tretira sa razblaţenom hlorovodoniĉnom kiselinom, i nakon bistrenja i filtracije, odreĊuje se optiĉka rotacija na polarimetru. U drugom merenju uzorak se tretira sa 40% etanolom. Dobijeni ekstrakt se filtrira, tretira sa kiselinom i ponavlja isti postupak kao kod prvog merenja. Ova metoda se zasniva na tome da se tretiranjem materijala koji sadrţi skrob hlorovodiniĉnom kiselinom, N (CFU/g) = (m/K) · n · 16 · 5 · 103 Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 126 vrši hidroliza skroba. Nastali šećeri su optiĉki aktivni i skreću ravan polarizovane svetlosti. Iz veliĉine ugla optiĉkog skretanja ravni linearno polarizovane svetlosti odreĊuje se sadrţaj skroba. Za odreĊivanje sadrţaja skroba u kukuruznoj krupici (ili kukuruznom brašnu) nakon hidrolize, neophodno je izvršiti korekciju veliĉine ugla skretanja ravni linearno polarizovane svetlosti, koja potiĉe od supstanci koje nisu skrob. Naime, tako zaostali kukuruzni hidrolizat sadrţi ĉitav spektar redukujućih šećera. Šećeri prisutni u hidrolizatu takoĊe skreću ravan polarizovane svetlosti, pa je sadrţaj nehidrolizovanog skroba odreĊen standardnom metodom mnogo veći. Reagensi: • 25% (w/w) hlorovodoniĉna kiselina • 1,128% (w/v) hlorovodoniĉna kiselina Koncentracija se mora proveriti titracijom sa 0,1M NaOH u prisustvu 0,1% (w/v) rastvora metil-crvenog u 94% (v/v) etanolu. 10 ml = 30,94 ml NaOH 0,1 mol/l • Rastvor Carrez I: rastvoriti 21,9 g cink-acetata Zn(CH3COO)2·2H2O i 3 g glacijalne sirćetne kiseline u vodi. Dopuniti vodom do 100 ml. • Rastvor Carrez II: rastvoriti 10,6 g kalijum-fero-cijanida [K4(Fe(CN)6]·3H2O u vodi. Dopuniti vodom do 100 ml. • 40% (v/v) etanol Postupak: OdreĊivanje ukupne optiĉke rotacije Odmeri se 2,5 g usitnjenog uzorka i prenese u normalni sud od 100 ml. Doda se 25 ml 1,128% HCl, promeša, pa ponovo doda još 25 ml. Normalni sud se uroni u kljuĉalu vodu vodenog kupatila, mešajući energiĉno i neprestano prva tri minuta, da ne bi došlo do stvaranja aglomerata. Koliĉina vode u vodenom kupatilu mora biti dovoljna da ostane na taĉki kljuĉanja dok je normalni sud uronjen u njemu. Normalni sud se pri mešanju ne sme vaditi iz vode. Posle taĉno 15 minuta, izvadi se iz kupatila, doda 30 ml hladne vode i ohladi odmah do 20 °C. Doda se 5 ml rastvora Carrez I i meša 1 minut. Zatim se doda 5 ml rastvora Carrez II i meša ponovo 1 minut. Dopuni se vodom do 100 ml, promeša i filtrira. Izmeri se optiĉka rotacija rastvora na polarimetru. OdreĊivanje optiĉke rotacije supstanci rastvorljivih u 40 %-tnom etanolu Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 127 Odmeri se 5 g uzorka, prenese u normalni sud od 100 ml i doda 80 ml 40% etanola. Ostavi se da stoji 1 h na sobnoj temperaturi i za to vreme povremeno energiĉno promeša. Nakon 1 h dopuni se do 100 ml sa etanolom, promeša i filtrira. Pipetira se 50 ml filtrata u erlenmajer od 250 ml, doda 2,1 ml 25% HCl i promeša energiĉno. Postavi se povratni kondenzator na erlenmajer koji je uronjen u kljuĉalo vodeno kupatilo. Posle taĉno 15 minuta erlenmajer se izvadi iz vodenog kupatila, prespe sadrţaj u normalni sud od 100 ml, ispirajući sa malo hladne vode i ohladi do 20 °C. Ponovi se postupak sa rastvorima Carrez I i Carrez II, dopuni vodom do 100 ml, promeša, filtrira i izmeri optiĉka rotacija. Izračunavanje: Pri korišćenju polarimetra potrebno je izmerenu vrednost ugla skretanja ravni polarizovane svetlosti u stepenima po Wentzke-u pomnoţiti sa 0,3469 da bi se preveli u uglovne stepene. Sadrţaj skroba se raĉuna prema sledećoj jednaĉini: (18) • cs – sadrţaj skroba (%) • α – izmereni ugao skretanja ravni linearno polarizovane svetlosti • α’ – izmereni ugao skretanja ravni linearno polarizovane svetlosti kod rastvora dobijenog alkoholnom ekstrakcijom vlaţnog materijala • [α]20D – specifiĉni ugao skretanja ravni polarizovane svetlosti na 20 °C kada se koristi Na-D-linija (za kukuruz iznosi 182,6°) • l – duţina polarimetrijske cevi u dm (l = 2 dm) 4.2.13. Metoda za odreĊivanje sadrţaja suve materije [176] Postupak: Prazan vegeglas se suši najmanje 1 h u sušnici na temperaturi od 105 °C. Nakon toga, vegeglas se ohladi u eksikatoru (sa zatvorenim poklopcem) do sobne temperature i izmeri se njegova masa na analitiĉkoj vagi sa taĉnošću ±0,001 g. Zatim se u vegeglas dodaje oko 2 g uzorka i izmeri masa. Vegeglas se suši sa uzorkom tokom noći (najmanje 16 h) u sušnici na 105 °C, sa koso postavljenim cs (%) = [(α – α ’) · 0,3469 · 100 · 40] / (l · [α]20D) Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 128 poklopcem. Nakon sušenja vegeglas se pokrije poklopcem i hladi u eksikatoru oko 1 h. Merenje se vrši odmah nakon vaĊenja vegeglasa iz eksikatora. Izvrši se ponovno sušenje, 30-60 min, dok se ne postigne konstantna masa. Izračunavanje: (19) • m0 – masa praznog vegeglasa (g) • m1 – masa vegeglasa sa uzorkom pre sušenja (g) • m2 – masa vegeglasa sa uzorkom posle sušenja (g) SM (%) = (m2 – m0) / (m1 – m0) Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 129 5. REZULTATI I DISKUSIJA 5.1. DVOJNO-ENZIMSKA HIDROLIZA KUKURUZNOG SKROBA 5.1.1. Hemijski sastav kukuruzne krupice i kukuruznog brašna Hemijski sastav kukuruzne krupice i kukuruznog brašna dat je u tabeli 5.1. Tabela 5.1. Hemijski sastav kukuruzne krupice i kukuruznog b rašna Komponenta Kukuruzna krupica Kukuruzno brašno Voda, % 13,10 17,34 Skrob, % 76,00 76,75 Proteini, % 6,54 6,35 Celuloza, % 1,09 1,28 Pepeo, % 0,39 0,70 Fosfor, % 0,0887 0,149 Cu, ppm 1,64 1,15 Zn, ppm 5,31 5,11 Mn, ppm 1,78 2,46 Fe, ppm 18,30 22,00 Ca, ppm 50,90 60,80 Na, ppm 41,70 33,40 Sadrţaj skroba (polarimetrijska metoda) i vode (metoda sušenjem) odreĊivani su na Tehnološko-metalurškom fakultetu, dok su sadrţaji celuloze, proteina, pepela, fosfora, bakra, cinka, mangana, gvoţĊa, kalcijuma i natrijuma odreĊivani standardnim metodama u Institutu za higijenu i tehnologiju mesa, Beograd. Sadrţaj proteina je odreĊivan kao sadrţaj Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 130 azota metodom po Kjeldahl-u, pomnoţen sa faktorom 6,25. Sadrţaj celuloze je odreĊivan metodom po Scharrer-Kürschner-u, a sadrţaj pepela je odreĊivan ţarenjem na 550 °C. Sadrţaj fosfora je odreĊivan spektrofotometrijskom metodom, dok su sadrţaji Cu, Zn, Mn, Fe, Ca i Na odreĊivani atomskom apsorpcionom spektrometrijskom metodom (AAS). 5.1.2. Uticaj koncentracije enzima Termamyl SC na promenu koncentracije i prinosa glukoze nakon likvefakcije skroba kukuruzne krupice pri razliĉitim hidromodulima Ovaj set eksperimenata izvoĊen je u cilju odreĊivanja uticaja koncentracije enzima Termamyl SC na promenu koncentracije i prinosa glukoze nakon likvefakcije skroba kukuruzne krupice, pri razliĉitim hidromodulima: 1:2,5, 1:3 i 1:4. Kukuruzna krupica sadrţi 76,00% skroba (tabela 5.1.), pa hidromodulima 1:2,5, 1:3 i 1:4 odgovaraju poĉetne koncentracije skroba od 217,14, 190,00 i 152,00 g/l, rerspektivno. Koncentracija enzima je izraţena u % (ml enzima/100 g krupice). Nakon završene faze likvefakcije merena je koncentracija nastale glukoze, a rezultati ispitivanja su prikazani u tabeli 5.2. i na slici 5.1. Tabela 5.2. Uticaj koncentracije enzima Termamyl SC na promenu koncentracije i prinosa glukoze nakon likvefakcije skroba kukuruzne krupice pri hidromoduluima 1:2,5, 1:3 i 1:4 Konc. enzima Termamyl SC, % (v/w) Konc. glukoze, g/l Prinos glukoze, g/g a 1:2,5 1:3 1:4 1:2,5 1:3 1:4 0,02 88,12 72,62 62,86 0,40 0,38 0,41 0,06 112,45 107,22 76,20 0,52 0,56 0,50 0,10 118,76 111,00 86,08 0,55 0,58 0,57 0,20 122,56 117,18 86,78 0,56 0,62 0,57 0,30 121,45 115,66 85,55 0,56 0,61 0,56 Uslovi procesa su kao na slici 5.1. a Prinos glukoze je izraĉunavan na osnovu jednaĉine (2) Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 131 0,00 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24 0,28 0,32 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 P ri n o s g lu k o z e , g /g Koncentracija enzima Termamyl SC, % (v/w) 1:2,5 1:3 1:4 Slika 5.1. Uticaj koncentracije enzima Termamyl SC na promenu prinosa glukoze nakon likvefakcije skroba kukuruzne krupice pri hidromodulima 1:2,5, 1:3 i 1:4. Uslovi procesa: t=85°C, pH=6, =1 h, brzina mešanja ν=150 rpm. Iz tabele 5.2. i sa slike 5.1. moţe se videti da pri svakom hidromodulu sa povećanjem koncentracije enzima Termamyl SC dolazi do povećanja stepena hidrolize skroba, odnosno do povećanja koncentracije i prinosa nastale glukoze. TakoĊe se moţe uoĉiti da kod sva tri hidromodula primenom koncentracija enzima Termamyl SC viših od 0,10% (v/w) dobijaju se vrednosti koncentracije i prinosa glukoze relativno bliske, tako da dalje povećanje koncentracije enzima, van prikazanog opsega, ne bi znaĉajno uticalo na promenu stepena hidrolize. Sa slike 5.1. moţe se videti da pri hidromodulu od 1:3 postiţu se najviše vrednosti prinosa glukoze, dok se veoma bliske vrednosti ovog parametra postiţu kod hidromodula 1:2,5 i 1:4. Zbog najviše poĉetne koncentracije skroba u suspenziji kod hidromodula 1:2,5, oĉekivao bi se i najviši prinos glukoze, meĊutim veliki viskozitet suspenzije, problemi prilikom mešanja i inhibicija enzima visokom koncentracijom supstrata znaĉajno utiĉu na smanjenje prinosa glukoze pri ovom hidromodulu. Moţe se takoĊe videti da je pri ovako visokim poĉetnim koncentracijama skroba kao supstrata došlo i do inhibicije enzima proizvodom odnosno nastalom glukozom. U svom radu Kolusheva i Marinova [179] takoĊe uoĉavaju inhibiciju amilaze supstratom Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 132 (skrobom) pri njegovim visokim koncentracijama (iznad 250 g/l), kao i inhibiciju amilaze glukozom nastalom tokom hidrolize. Kako bi dokazali hipotezu o inhibitornom delovanju glukoze na hidrolizu skroba, istraţivali su uticaj dodatka glukoze (do 0,1 mol/l) na tok hidrolize, i zakljuĉili su da se sa povećanjem koncentracija dodate glukoze smanjuje brzina hidrolize skroba. Pojava inhibicije visokim koncentracijama supstrata i proizvoda takoĊe je uoĉena i u radu Yankov-a i saradnika [180]. 5.1.3. Uticaj koncentracije enzima Termamyl SC na promenu koncentracije i prinosa glukoze nakon likvefakcije skroba kukuruznog brašna pri razliĉitim hidromodulima Ovaj set eksperimenata izvoĊen je radi odreĊivanja uticaja koncentracije enzima Termamyl SC na promenu koncentracije i prinosa glukoze nakon likvefakcije skroba kukuruznog brašna, pri razliĉitim hidromodulima: 1:2,5, 1:3 i 1:4. Kukuruzno brašno sadrţi 76,75% skroba (tabela 5.1.), pa hidromodulima 1:2,5, 1:3 i 1:4 odgovaraju poĉetne koncentracije skroba od 219,29, 191,87 i 153,50 g/l, respektivno. Koncentracija enzima je izraţena u % (ml enzima/100 g brašna). Nakon završene faze likvefakcije merena je koncentracija nastale glukoze, a rezultati ispitivanja su prikazani u tabeli 5.3. i na slici 5.2. Tabela 5.3. Uticaj koncentracije enzima Termamyl SC na promenu koncentracije i prinosa glukoze nakon likvefakcije skroba kukuruznog brašna pri hidromoduluima 1:2,5, 1:3 i 1:4 Konc. enzima Termamyl SC, % (v/w) Konc. glukoze, g/l Prinos glukoze, g/g 1:2,5 1:3 1:4 1:2,5 1:3 1:4 0,02 118,94 107,22 83,39 0,54 0,56 0,54 0,06 136,66 117,54 87,29 0,62 0,61 0,57 0,10 136,90 120,74 94,16 0,62 0,63 0,61 0,20 143,76 132,26 100,75 0,65 0,69 0,66 0,30 141,78 135,12 98,78 0,64 0,70 0,64 Uslovi procesa su kao na slici 5.1. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 133 0,00 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24 0,28 0,32 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 P ri n o s g lu k o z e , g /g Koncentracija enzima Termamyl SC, % (v/w) 1:2,5 1:3 1:4 Slika 5.2. Uticaj koncentracije enzima Termamyl SC na promenu prinosa glukoze nakon likvefakcije skroba kukuruznog brašna pri hidromodulima 1:2,5, 1:3 i 1:4. Uslovi procesa su kao na slici 5.1. Na osnovu tabele 5.3. i slike 5.2. moţe se videti da pri svakom hidromodulu sa povećanjem koncentracije enzima Termamyl SC dolazi do povećanja koncentracije i prinosa glukoze. TakoĊe se moţe uoĉiti da kod sva tri hidromodula pri koncentracijama enzima višim od 0,10% (v/w) ne dolazi do velikih promena u koncentraciji i prinosu nastale glukoze. Sa slike 5.2. moţe se uoĉiti da se pri hidromodulu od 1:3 postiţu najviše vrednosti prinosa glukoze. Veoma bliske vrednosti ovog parametra postiţu kod hidromodula 1:2,5 i 1:4, pri koncentracijama enzima višim od 0,10% (v/w). Zbog najviše poĉetne koncentracije skroba u suspenziji kod hidromodula 1:2,5, oĉekivao bi se i najviši prinos glukoze, meĊutim veliki viskozitet suspenzije, problemi prilikom mešanja i inhibicija enzima visokom koncentracijom supstrata i nastalom glukozom znaĉajno utiĉu na smanjenje prinosa glukoze pri ovom hidromodulu. Poredeći vrednosti koncentracije i prinosa glukoze dobijenih likvefakcijom skroba iz dve razliĉlite sirovine, prikazanih u tabelama 5.2. i 5.3. i na slikama 5.1. i 5.2., moţe se uoĉiti da se znatno više vrednosti ovih parametara dobijaju kod kukuruznog brašna pri istom hidromodulu i istoj koncentraciji enzima Termayml SC. Kao što je već napomenuto, najviše vrednosti koncentracije glukoze i prinosa glukoze kod obe sirovine postignute su Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 134 pri hidromodulu 1:3. PoreĊenje postignutih vrednosti prinosa glukoze nakon likvefakcije skroba kukuruzne krupice i kukuruznog brašna pri istom hidromodulu od 1:3 i sa razliĉitim koncentracijama enzima Termamyl SC prikazano je na slici 5.3. 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 P ri n o s g lu k o z e , g /g Koncentracija enzima Termamyl SC, % (v/w) kuk. krupica kuk.brašno Slika 5.3. Uticaj koncentracije enzima Termamyl SC na promenu prinosa glukoze nakon likvefakcije skroba kukuruzne krupice i kukuruznog brašna pri hidromodulu 1:3. Uslovi procesa su kao na slici 5.1. 5.1.4. Uticaj koncentracije enzima SAN Extra L na promenu koncentracije i prinosa glukoze nakon dvojno-enzimske hidrolize skroba kukuruzne krupice i kukuruznog brašna pri konstantnoj koncentraciji enzima Termamyl SC i razliĉitim hidromodulima U ovim eksperimentima je ispitivan uticaj koncentracije enzima SAN Extra L na promenu koncentracije i prinosa nastale glukoze nakon završene dvojno-enzimske hidrolize (likvefakcije i saharifikacije) kukuruzne krupice i kukuruznog brašna, pri hidromodulima: 1:2,5, 1:3 i 1:4. Korišćena je konstantna vrednost koncentracije enzima Termamyl SC od 0,02% (v/w). Dobijeni rezultati ispitivanja prikazani su u tabelama 5.4. i 5.5. i na slici 5.4. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 135 Tabela 5.4. Uticaj koncentracije enzima SAN Extra L na promenu koncentracije glukoze nakon dvojno-enzimske hidrolize skroba kukuruzne krupice i kukuruznog brašna pri hidromodulima 1:2,5, 1:3 i 1:4 Konc. enzima SAN Extra L, % (v/w) Koncentracija glukoze, g/l Kukuruzna krupica Kukuruzno brašno 1:2,5 1:3 1:4 1:2,5 1:3 1:4 0,08 156,27 145,65 117,68 172,56 159,37 127,68 0,12 158,75 152,78 120,66 177,05 174,81 136,66 0,16 158,75 166,07 121,35 179,29 168,07 136,66 Uslovi procesa su kao na slici 5.4. Tabela 5.5. Uticaj koncentracije enzima SAN Extra L na promenu prinosa glukoze nakon dvojno-enzimske hidrolize skroba kukuruzne krupice i kukuruznog brašna pri hidromodulima 1:2,5, 1:3 i 1:4 Konc. enzima SAN Extra L, % (v/w) Prinos glukoze, g/g Kukuruzna krupica Kukuruzno brašno 1:2,5 1:3 1:4 1:2,5 1:3 1:4 0,08 0,72 0,77 0,77 0,79 0,83 0,83 0,12 0,73 0,80 0,79 0,81 0,91 0,89 0,16 0,73 0,87 0,80 0,82 0,88 0,89 Uslovi procesa su kao na slici 5.4. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 136 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 0,08% 0,12% 0,16% Hidromodul 0,08% 0,12% 0,16% 0,08% 0,12% 0,16% P ri n o s g lu k o z e , g /g 1:2,5 1:3 1:4 kuk. krupica kuk. brasno Slika 5.4. Uticaj koncentracije enzima SAN Extra L na promenu prinosa glukoze nakon dvojno-enzimske hidrolize skroba kukuruzne krupice i kukuruznog brašna pri hidromodulima 1:2,5, 1:3 i 1:4 i konstantnoj vrednosti koncentracije enzima Termamyl SC. Uslovi procesa: likvefakcija - t=85 °C, pH=6, =1 h, c (Termamyl SC)=0,02% (v/w); saharifikacija - t=55 °C, pH=5, =4 h, brzina mešanja ν=150 rpm ( - 0,08%, - 0,12%, - - 0,16% (v/w) SAN Extra L) Iz rezultata prikazanih u tabelama 5.4. i 5.5. i na slici 5.4., moţe se videti da ukoliko se kao sirovine porede kukuruzno brašno i krupica, znatno više koncentracije i prinosi glukoze nakon završene enzimske hidrolize se postiţu kod kukuruznog brašna pri istoj koncentraciji enzima Termamyl SC i SAN Extra L i istom hidromodulu. Isti sluĉaj je bio i u fazi likvefakcije, kao što je prikazano u tabelama 5.2. i 5.3. i na slikama 5.1.,5.2. i 5.3. Naime, znaĉajan uticaj pri hidrolizi skroba imaju dimenzije ĉestica korišćenih sirovina. Veće dimenzije ĉestica kukuruzne krupice znatno smanjuju stepen hidrolize skroba, jer su povećana difuziona ograniĉenja i smanjena je kontaktna površina izmeĊu ĉestica supstrata i rastvora enzima. Uticaj dimenzija ĉestica sirovine prikazan je i u radu Lazića i saradnika [73] koji su ispitivali hidrolizu skroba krompira primenom enzima Termamyl 120L i Supersan 240L, u cilju dobijanja etanola. U svojim rezultatima su pokazali da se pri konstantnoj koncentraciji enzima Termamyl 120L, sa povećanjem dimenzija ĉestica, stepen hidrolize skroba i dekstrozni ekvivalent smanjuju. TakoĊe, u ovoj Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 137 disertaciji nepovoljan aspekt primene kukuruzne krupice je i nešto niţi sadrţaj skroba nego u brašnu (tabela 5.1.), što podrazumeva i niţi sadrţaj krajnjeg proizvoda etanola. Iz navedenih razloga, i na osnovu prikazanih rezultata (tabele 5.2.-5.5. i slike 5.1.-5.4.) u narednim eksperimentima kao sirovina korišćeno je kukuruzno brašno. Dalje je neophodno izabrati optimalan hidromodul kod enzimske hidrolize kukuruznog brašna. Na osnovu tabela 5.4. i 5.5. i slike 5.4. moţe se videti da kao i kod faze likvefakcije, najviše koncentracije i prinosi glukoze nakon saharifikacije se dobijaju pri hidromodulu 1:3, a najniţe koncentracije glukoze pri hidromodulu 1:2,5. Naime, pri hiromodulu 1:2,5 je najviša poĉetna koncentracija supstrata, ali usled velikog viskoziteta, problema prilikom mešanja (stvaranja grudvica) i inhibicije enzima supstratom i proizvodom dobijaju se znaĉajno niţe vrednosti koncentracije i prinosa glukoze od oĉekivanih. Pri hidromodulu 1:4 nije došlo do pojave inhibicije enzima supstratom, a mešanje je znatno olakšano usled smanjenog viskoziteta suspenzije. MeĊutim, zbog niske poĉetne koncentracije skroba postignute su i niske vrednosti koncentracije i prinosa glukoze (niţe nego kod hidrolize pri hidromodulu 1:3). Poĉetna koncentracija supstrata ima znaĉajan uticaj na efekte i hidrolize i fermentacije. Sa aspekta ekonomike procesa poţeljno je da se ostvari što je moguće veća konverzija skroba putem enzimske hidrolize, kao i da se koristi viša poĉetna koncentracija supstrata jer se time smanjuje reaktorska zapremina i povećava se zapreminska produktivnost reaktora [92]. MeĊutim, s druge strane smatra se da je hidroliza skroba efikasnija pri niţim koncentracijama skroba (enzimi potpunije razgraĊuju skrob u rastvorima sa manjom koncentracijom) i spreĉava se mogućnost pojave inhibicije enzima supstratom [73]. Lazić i saradnici [73] su utvrdili da ukoliko se hidromodul poveća sa 1:1,05 na samo 1:1, maksimalni dekstrozni ekvivalent se uveća sa 40,9% na 51,2%. Arasaratnam i saradnici 181 su u svom radu postigli slabiju hidrolizu skroba kukuruznog brašna sa visokim poĉetnim koncentracijama skroba. Tako npr. hidrolizom 16% suspenzije kukuruznog brašna postigli su prinos glukoze od 76%, a hidrolizom 40% suspenzije ostvarili su svega 50,2% glukoze. Koncentrovanije suspenzije kukuruznog brašna pokazuju i lošije filtracione karakteristike, a usled povećanog viskoziteta javljaju se i problemi sa mešanjem. TakoĊe je utvrĊeno da se sa povećanjem sadrţaja suve materije u suspenziji kukuruznog brašna povećava i formiranje sporednih prozvoda hidrolize (uglavnom izomaltoze i izomaltotrioze) [92]. Na osnovu ostvarenih koncentracija i prinosa glukoze Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 138 nakon hidrolize kukuruznog brašna pri ispitivanim hidromodulima (tabele 5.3.-5.5. i slike 5.2. i 5.4.) i izloţenih ekonomskih razmatranja, izabran je optimalni hidromodul od 1:3 kojem odgovara poĉetna koncentracija skroba od 191,87 g/l. 5.1.5. OdreĊivanje optimalne koncentracije enzima Termamyl SC u fazi likvefakcije skroba kukuruznog brašna pri hidromodulu 1:3 U cilju odreĊivanja optimalne koncentracije enzima Termamyl SC (odnosno optimalnog stepena likvefakcije skroba kukuruznog brašna koji je potreban da bi se ostvarili dobri efekti u sledećem stepenu hidrolize – saharifikaciji) izvoĊena je dvojno- enzimska hidroliza pri ĉemu su korišćene razliĉite koncentracije enzima Termamyl SC i konstantna koncentracija enzima SAN Extra L od 0,08% (v/w), pri hidromodulu 1:3 koji je izabran kao optimalan u prethodnim eksperimentima. Nakon završene dvojno-enzimske hidrolize odreĊivani su sledeći parametri: koncentracija nastale glukoze, dekstrozni ekvivalent, prinos glukoze i procenat od teorijske koncentracije glukoze. Rezultati ispitivanja su prikazani u tabeli 5.6. i na slici 5.5. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 139 Tabela 5.6. Uticaj koncentracije enzima Termamyl SC na promenu koncentracije glukoze, dekstroznog ekvivalenta, prinosa glukoze i procenta od teorijske koncentracije glukoze nakon dvojno-enzimske hidrolize skroba kukuruznog brašna pri konstantnim vrednostima koncentracije enzima SAN Extra L i hidromodula. Konc. enzima Termamyl SC, % (v/w) Koncentracija glukoze, g/l Dekstrozni ekvivalent DE, % b Prinos glukoze, g/g Procenat od teor. konc. glukoze, % c 0,004 128,27 15,52 0,67 60,17 0,008 139,19 16,84 0,72 65,29 0,010 141,89 17,17 0,74 66,56 0,020 159,37 19,28 0,83 74,76 0,040 158,05 19,12 0,82 74,14 0,060 155,51 18,81 0,81 72,95 0,080 156,39 18,92 0,81 73,36 0,120 148,22 17,93 0,77 69,53 0,160 147,30 17,82 0,77 69,10 0,200 145,07 17,55 0,76 68,05 Uslovi procesa su isti kao na slici 5.5. b DE je izraĉunavan na osnovu jednaĉine (3) c % od teor. konc. glukoze je izraĉunavan na osnovu jednaĉina (4) i (5) Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 140 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 D e k s tr o z n i e k v iv a le n t D E , % Koncentracija enzima Termamyl SC, % (v/w) Slika 5.5. Uticaj koncentracije enzima Termamyl SC na promenu dekstroznog ekvivalenta nakon dvojno-enzimske hidrolize skroba kukuruznog brašna pri konstantnim vrednostima koncentracije enzima SAN Extra L i hidromodula. Uslovi procesa: hidromodul 1:3, brzina mešanja ν=150 rpm, likvefakcija - t=85 °C, pH=6, =1 h; saharifikacija - t=55 °C, pH=5, =4 h, c (SAN Extra L) = 0,08% (v/w). Na osnovu tabele 5.6. i slike 5.5. moţe se uoĉiti da pri koncentraciji enzima Termamyl SC od 0,02% (v/w) dolazi do naglog povećanja svih prikazanih procesnih parametara nakon završene dvojno-enzimske hidrolize, a ujedno i dostizanja njihovih maksimalnih vrednosti. Ukoliko se koriste koncentracije enzima Termamyl SC izmeĊu 0,02 i 0,08% (v/w) postiţu se vrednosti svih parametara veoma bliske, a pri koncentracijama enzima višim od 0,08% (v/w) dolazi i do odreĊenog pada vrednosti ovih procesnih parametara nakon završene dvojno-enzimske hidrolize. Sliĉne rezultate postigli su Apar i Özbek 182 prilikom izvoĊenja likvefakcije kukuruznog skroba pomoću α- amilaze iz Bacillus sp. Ispitivajući uticaj koncentracije amilaze na stepen hidrolize, utvrdili su da se najveća brzina hidrolize postiţe pri koncentraciji amilaze od 1,6 g/l. TakoĊe, koristeći koncentracije enzima u opsegu 1,6-2,0 g/l utvrdili su da ne dolazi do promene u brzini hidrolize, što objašnjavaju saturacijom granula skroba sa aktivnim molekulima enzima. Apar i Özbek 182 i Textor i saradnici 183 ovu pojavu objašnjavaju jednom Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 141 vrstom tzv. enzim-enzim inhibicije koja dovodi do smanjene mogućnosti aktivnih centara enzima da se efikasno veţu za ĉestice skroba. U cilju utvrĊivanja optimalne koncentracije enzima Termamyl SC neophodno je i ispitati kako dekstrozni ekvivalent postignut nakon faze likvefakcije (1 h hidrolize) utiĉe na dekstrozni ekvivalent nakon završene obe faze hidrolize (5 h hidrolize) skroba kukuruznog brašna. Rezultati su prikazani u tabeli 5.7. i na slici 5.6. Tabela 5.7. Uticaj dekstroznog ekvivalenta hidrolizata iz faze likvefakcije na dekstrozni ekvivalent hidrolizata nakon faze saharifikacije pri konstantnim vrednostima koncentracije enzima SAN Extra L i hidromodula, a razliĉitim koncentracijima enzima Termamyl SC Konc. enzima Termamyl SC, % (v/w) DE (1h), % DE (5h), % 0,004 7,53 15,52 0,008 9,27 16,84 0,010 10,37 17,17 0,020 12,97 19,28 0,040 13,76 19,12 0,060 14,22 18,81 0,080 14,54 18,92 0,120 15,13 17,93 0,160 15,87 17,82 0,200 16,00 17,55 Uslovi procesa su isti kao na slici 5.5. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 142 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 D E n a k o n 5 h , % DE nakon 1h, % Slika 5.6. Uticaj dekstroznog ekvivalenta hidrolizata iz faze likvefakcije na dekstrozni ekvivalent hidrolizata nakon faze saharifikacije pri konstantnom hidromodulu i koncentraciji enzima SAN Extra L i razliĉitim koncentracijima enzima Termamyl SC. Uslovi procesa su isti kao na slici 5.5. U tabeli 5.7. i na slici 5.6. moţe se videti da se maksimalna vrednost dekstroznog ekvivalenta od 19,28 nakon faze saharifikacije postiţe ukoliko se koristi koncentracija enzima Termamyl SC od 0,02% (v/w) u fazi likvefakcije. TakoĊe se moţe uoĉiti da sa povećanjem dekstroznog ekvivalenta u fazi likvefakcije iznad DE~13, dolazi do smanjenja dekstroznog ekvivalenta nakon faze saharifikacije. Sliĉne rezultate su postigli Bebić i saradnici [184] koji su izvodili hidrolizu kukuruznog skroba pomoću enzima Termamyl 120L i AMG 150L. U njihovim ispitivanjima optimalna vrednost DE nakon likvefakcije se kretala u opsegu 15-18 u zavisnosti od procesnih uslova. TakoĊe, u svom radu Aiyer [185] preporuĉuje da optimalna vrednost DE na kraju likvefakcije bude u intervalu od 10-20. Na osnovu rezultata prikazanih u tabelama 5.6. i 5.7. i na slikama 5.5. i 5.6., moţe se usvojiti da je optimalna koncentracija enzima Termamyl SC za fazu likvefakcije 0,02% (v/w), pri kojoj se postiţu i najbolji efekti u sledećoj fazi hidrolize (saharifikaciji). Pri optimizaciji koncentracije enzima mora se voditi raĉuna i o ĉinjenici da je cena enzima bitan deo ukupnih troškova procesa, te u znaĉajnoj meri utiĉe na rentabilnost procesa. U literaturi se mogu naći relativno sliĉne vrednosti za optimalnu koncentraciju enzima Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 143 Termamyl u fazi likvekacije kukuruznog skroba. Montesinos i Navarro [186] su u cilju proizvodnje etanola iz pšeniĉnog brašna izvodili hidrolizu koristeći 0,02% (v/w skroba) enzima Termamyl 120L. MeĊutim, Xu i saradnici [187] u fazi likvefakcije skroba kukuruznog brašna koriste koncentraciju α-amilaze od 0,05% (v/w brašna), što je duplo viša vrednost od optimalne vrednosti koncentracije amilaze dobijene u ovoj disertaciji. Naime, potrebno je naglasiti da se u većini nauĉno-istraţivaĉkih radova u fazi likvefakcije skroba koristi amilaza Termamyl 120L, koja je znatno manje aktivnosti od amilaze Termamyl SC. Firma „Novozymes“ (Danska) je u skorije vreme plasirala na trţištu enzim Termamyl SC upravo radi korišćenja u sintezi bioetanola, i koji zbog svoje veće aktivnosti obezbeĊuje efikasniju enzimsku hidrolizu. 5.1.6. OdreĊivanje optimalne koncentracije enzima SAN Extra L u fazi saharifikacije skroba kukuruznog brašna pri hidromodulu 1:3 Sledeći set eksperimenata vršen je u cilju odreĊivanja optimalne koncentracije enzima SAN Extra L u fazi saharifikacije skroba kukuruznog brašna. Dvojno-enzimska hidroliza je izvoĊena pri optimalnim vrednostima koncentracije enzima Termamyl SC od 0,02% (v/w) i hidromodula od 1:3, a koji su odreĊeni u prethodnim eksperimentima, dok su varirane koncentracije enzima SAN Extra L. Nakon zavšene dvojno-enzimske hidrolize odreĊivani su sledeći parametri: koncentracija nastale glukoze, dekstrozni ekvivalent, prinos glukoze i procenat od teorijske koncentracije glukoze. Rezultati ispitivanja su prikazani u tabeli 5.8. i na slici 5.7. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 144 Tabela 5.8. Uticaj koncentracije enzima SAN Extra L na promenu koncentracije glukoze, dekstroznog ekvivalenta, prinosa glukoze i procenta od teorijske koncentracije glukoze nakon dvojno-enzimske hidrolize skroba kukuruznog brašna pri konstantnoj vrednosti koncentracije enzima Termamyl SC i hidromodula Konc. enzima SAN Extra L, % (v/w) Koncentracija glukoze, g/l Dekstrozni ekvivalent DE, % Prinos glukoze, g/g Procenat od teor. konc. glukoze, % 0,04 158,65 19,19 0,83 74,42 0,08 159,37 19,28 0,83 74,76 0,10 164,03 19,84 0,85 76,95 0,12 174,81 21,15 0,91 82,00 0,16 168,07 20,33 0,88 78,84 0,20 164,48 19,90 0,86 77,16 0,24 168,07 20,33 0,88 78,84 Uslovi procesa su kao na slici 5.7. 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 0,24 0,26 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 D e k s tr o z n i e k v iv a le n t D E , % Koncentracija enzima SAN Extra L, % (v/w) Slika 5.7. Uticaj koncentracije enzima SAN Extra L na promenu dekstroznog ekvivalenta nakon dvojno-enzimske hidrolize skroba kukuruznog brašna pri konstantnoj vrednosti koncentracije enzima Termamyl SC i hidromodula. Uslovi procesa: hidromodul 1:3, brzina mešanja ν=150 rpm; likvefakcija - t=85 °C, pH=6, =1 h, c (Termamyl SC)=0,02% (v/w); saharifikacija - t=55 °C, pH=5, =4 h. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 145 Iz tabele 5.8. i sa slike 5.7. moţe se videti da se najviša vrednost procesnih parametara nakon dvojno-enzimske hidrolize postiţe pri koncentraciji enzima SAN Extra L od 0,12% (v/w), i to: koncentracija glukoze od 174,81 g/l, dekstrozni ekvivalent od 21,15, prinos glukoze od 0,91 g/g i procenat od teorijske koncentracije glukoze od 82,00%. Ova koncentracija enzima SAN Extra L usvaja se kao optimalna vrednost za fazu saharifikacije skroba kukuruznog brašna pri hidromodulu 1:3. U svom radu Xu i saradnici [187] postigli su vrlo blisku optimalnu vrednost za koncentraciju glukoamilaze koja je iznosila 0,15% (v/w). Iz tabele 5.8. moţe se takoĊe videti da se korišćenjem optimalnih koncentracija enzima Termamyl SC i SAN Extra L postiţe visok stepen konverzije skroba nakon završene hidrolize, odnosno visok prinos glukoze od 0,91 g/g, što se moţe porediti i sa objavljenim rezultatima drugih istraţivaĉa. Arasaratnam i saradnici [181] su na kraju hidrolize kukuruznog brašna postigli niţi prinos glukoze od 0,76 koristeći sliĉne koncentracije amilaze i glukoamilaze. OdreĊene razlike u rezultatima postoje usled razliĉitog hemijskog sastava i poĉetne koncentracije supstrata. Dettori-Campus i saradnici [188] su ispitivali hidrolizu granula skroba iz razliĉitih ţitarica koristeći amilazu iz Bacillus stearothermophilus, i postigli su stepen konverzije do 80% u zavisnosti od korišćene sirovine, što je blisko rezultatima u ovoj disertaciji (tabela 5.7.). Veoma efikasnu konverziju kukuruznog skroba (preko 96%) postigli su i Karakastsanis i Liakopoulu- Kyriakides [189] simultanim dejstvom amilaze i glukoamilaze ali tek nakon 24 h hidrolize. 5.1.7. Kinetika dvojno-enzimske hidrolize skroba kukuruznog brašna Na osnovu prethodnih rezultata usvojeni su sledeći optimalni parametri za dvojno- enzimsku hidrolizu skroba kukuruznog brašna: hidromodul 1:3, koncentracija enzima Termamyl SC od 0,02% (v/w) i koncentracija enzima SAN Extra L od 0,12% (v/w). Ove vrednosti hidromodula i koncentracija enzima korišćene su u narednim eksperimentima prilikom ispitivanja alkoholne fermentacije. U ovom eksperimentu su praćene promene koncentracije glukoze, dekstroznog ekvivalenta, prinosa glukoze i procenta od teorijske koncentracije glukoze tokom dvojno- enzimske hidrolize skroba kukuruznog brašna, koja je izvoĊena pri optimalnim Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 146 vrednostima koncentracija enzima i hidromodula. Koncentracija glukoze merena je na svakih sat vremena u toku 5 h dvojno-enzimske hidrolize, a rezultati ispitivanja prikazani su u tabeli 5.9. i na slici 5.8. Tabela 5.9. Promena koncentracije glukoze, dekstroznog ekvivalenta, prinosa glukoze i procenta od teorijske koncentracije glukoze tokom dvojno-enzimske hidrolize skroba kukuruznog brašna. Vreme, h Koncentracija glukoze, g/l Dekstrozni ekvivalent DE, % Prinos glukoze, g/g Procenat od teor. konc. glukoze, % 1 107,22 12,97 0,56 50,30 2 147,03 17,79 0,77 68,97 3 164,78 19,93 0,86 77,30 4 171,06 20,69 0,89 80,26 5 174,81 21,15 0,91 82,00 Uslovi procesa kao na slici 5.8. 0 1 2 3 4 5 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 K o n c e n tr a c ija g lu k o z e , g /l Vreme hidrolize, h glukoza Slika 5.8. Tok dvojno-enzimske hidrolize skroba kukuruznog brašna pri optimalnim vrednostima procesnih parametara. Uslovi procesa: hidromodul 1:3, brzina mešanja ν=150 rpm, likvefakcija - t=85 °C, pH=6, =1 h, c (Termamyl SC)=0,02% (v/w); saharifikacija - t=55 °C, pH=5, =4 h, c (SAN Extra L)=0,12% (v/w). Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 147 5.2. ALKOHOLNA FERMENTACIJA HIDROLIZATA KUKURUZNOG BRAŠNA 5.2.1. Ispitivanje fermentativne sposobnosti razliĉitih vrsta kvasaca na hidrolizatu kukuruznog brašna U toku 48 h alkoholne fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna ispitivana je fermentativna sposobnost sledećih vrsta kvasaca: Saccharomyces cerevisiae, S. cerevisiae var. ellipsoideus, S. carlsbergensis i Schizosaccharomyces pombe. Poĉetna koncentracija glukoze u hidrolizatu iznosila je 114,71 g/l i dobijena je razblaţivanjem hidrolizata koncentracije 174,81 g/l. Proraĉun razblaţenja izvršen je prema jednaĉinama (6)-(8). Koliĉina inokuluma je iznosila 2% (v/v). Fermentativna aktivnost praćena je odreĊivanjem sadrţaja etanola i koncentracije glukoze nakon 24 i 48 h alkoholne fermentacije. Rezultati ispitivanja prikazani su u tabeli 5.10. i na slici 5.9. Tabela 5.10. Rezultati ispitivanja fermentativne sposobnosti razliĉitih vrsta kvasaca na hidrolizatu kukuruznog brašna Parametar S. cerevisiae S. ellipsoideus S.carlsbergensis Schiz. pombe 24 h Koncentracija glukoze,g/l 37,92 19,97 39,31 123,69 Sadrţaj etanola, % (w/w) 3,86 3,94 4,13 0,34 Prinos etanola YP/S, g/g d 0,20 0,20 0,21 0,018 Procenat od teor. sadrţ. etanola, % e 35,51 36,25 37,99 3,13 Vol. produktivnost , g/l·hf 1,62 1,64 1,72 0,14 48 h Koncentracija glukoze,g/l 6,50 5,61 6,10 134,17 Sadrţaj etanola, % (w/w) 5,76 6,19 5,91 0,18 Prinos etanola YP/S, g/g 0,30 0,32 0,31 0,009 Procenat od teor. sadrţ. etanola, % 52,99 56,95 54,37 1,65 Vol. produktivnost , g/l·h 1,20 1,29 1,23 0,04 Uslovi procesa kao na slici 5.9. d Prinos etanola YP/S je izraĉunavan prema jednaĉini (9) e % od teor. sadrţ. etanola je izraĉunavan prema jednaĉinama (10) i (11) f Volumetrijska produktivnost je izraĉunavan prema jednaĉini (12) Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 148 1 2 3 4 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Kvasac 1 - S. cerevisiae 2 - S. cerevisiae var. ellipsoideus 3 - S. carlsbergensis 4 - Schiz. pombe P ri n o s e ta n o la , g /g Slika 5.9. Prinos etanola nakon alkoholne fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna sa razliĉitim vrstama kvasaca. Uslovi procesa: likvefakcija - hidromodul 1:3, t=85 °C, pH=6, =1 h, c (Termamyl SC)=0,02% (v/w); saharifikacija - t=55 °C, pH=5, =4 h, c (SAN Extra L)=0,12% (v/w), brzina mešanja ν=150 rpm; fermentacija - t=30 °C, pH=5, =48 h 2% (v/v) inokuluma, poĉetna koncentracija glukoze u hidrolizatu 114,71 g/l. Na osnovu tabele 5.10. i slike 5.9 moţe se videti da su najviše vrednosti sadrţaja etanola, prinosa etanola, procenta od teorijskog sadrţaja etanola i volumetrijske produktivnosti nakon 48 h fermentacije postignute kod kvasca S. cerevisiae var. ellipsoideus. Kod kvasaca S. cerevisiae i S. carlsbergensis ostvarene su veoma visoke vrednosti ovih parametara, dok je Schizosaccharomyces pombe pokazao dosta loše fermentativne karakteristike dajući veoma niske vrednosti procesnih parametara nakon 24 i 48 h sati fermentacije. Okunowo and Osuntoki [190] su takoĊe postigli najveću proizvodnju etanola koristeći kvasac S. cerevisiae var. ellipsoideus u fermentaciji vina, u poreĊenju sa proizvodnjom etanola postignutom sa S. cerevisiae i S. carlsbergensis. MeĊu testiranim vrstama kvasaca, S. cerevisiae var. ellipsoideus je pokazao najbolje fermentativne karakteristike, pa je korišćen u svim daljim ispitivanjima kao proizvodni mikroorganizam. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 149 5.2.2. Karakterizacija proizvodnog mikroorganizma Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus U cilju ispitivanja optimalnih uslova voĊenja procesa alkoholne fermentacije neophodno je izvršiti karakterizaciju kvasca. Ispitana je sposobnost preţivljavanja kvasca na razliĉitim pH vrednostima podloge, kao i uticaj razliĉitih koncentracija glukoze i etanola na rast kvasca. Rezultati ispitivanja prikazani su u tabeli 5.11. Tabela 5.11. Uticaj razliĉitih pH vrednosti i koncentracija glukoze i etanola na rast kvasca pH Glukoza, % Etanol, % 5,25 + 5 + 5 + 4,77 + 10 + 6 + 3,79 + 15 + 7 + 3,00 + 20 + 8 + 2,50 + 25 + 9 + 2,00 - 10 - 15 - 20 - 25 - Kultura kvasca je zasejavana u dva pasaţa u sladnom bujonu, gde je sa (+) oznaĉen rast nakon drugog pasaţa, a sa (-) izostanak rasta. Iz tabele 5.11. moţe se videti da ćelije kvasca pokazuju rast u opsegu pH vrednosti 2,50-5,25, dok pri pH vrednosti 2,00 u drugom pasaţu nije uoĉen rast. Striklovanjem kulture registrovano je preţivljavanje ćelija, ali ne i njihov rast. Rast ćelija je dokazan na podlogama koje su sadrţale glukozu od 5-25% i etanol od 5-9%. Pri vrednostima etanola većim od 10% dolazi do zaustavljanja rasta ćelija kvasca. Iako pri ovom sadrţaju etanola nema rasta, ćelije kvasca su i dalje ţive, ali neaktivne, što ukazuje na to da se maksimalni sadrţaj etanola koji se moţe postići tokom fermentacije sa ovom vrstom kvasca kreće izmeĊu 9 i 10%. Koncentracije od 15, 20 i 25% etanola u podlozi dovode do brzog odumiranja ćelija kvasca. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 150 5.2.3. Alkoholna fermentacija sa slobodnim ćelijama kvasca S. cerevisiae var. ellipsoideus 5.2.3.1. Uticaj početne koncentracije glukoze na tok alkoholne fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna pri konstantnoj količini inokuluma Alkoholna fermentacija zavisi od razliĉitih faktora, kao što su poĉetna koncentracija glukoze, koliĉina inokuluma, vreme neophodno da se postigne efikasna fermentacija itd. Prvi set eksperimenata je voĊen u cilju odreĊivanja optimalne poĉetne koncentracije glukoze za proces alkoholne fermentacije. Izvršeno je ispitivanje promene sadrţaja etanola, koncentracije glukoze i broja ćelija tokom fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna pri razliĉitim poĉetnim koncentracijama glukoze: 100, 125, 150 i 175 g/l. Hidrolizati sa poĉetnim koncentracijama glukoze od 100, 125 i 150 g/l dobijeni su razblaţivanjem hidrolizata koncentracije od 175 g/l (koji je dobijen primenom optimalnih koncentracija enzima Termamyl SC i SAN Extra L) preko proraĉuna razblaţenja (jednaĉine (6)-(8)). Fermentacija je praćena tokom 74 h, a uzorci su analizirani nakon 2, 14, 26, 38, 50, 62 i 74 h. Koliĉina inokuluma iznosila je 2% (v/v), što odgovara poĉetnom broju ćelija kvasca od ~2·105 CFU/ml. Dvojno-enzimska hidroliza je izvoĊena pri optimalnim koncentracijama enzima Termamyl SC (0,02% v/w) i San Extra L (0,12% v/w) i optimalnom hidromodulu od 1:3 koji su odreĊeni u prethodnim eksperimentima. Rezultati ispitivanja prikazani su u tabeli 5.12. i na slikama 5.10. i 5.11. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 151 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 S a d rž a j e ta n o la , % ( w /w ) Vreme, h 100 g/l 125 g/l 150 g/l 175 g/l K o n c e n tr a c ija g lu k o z e , g /l Slika 5.10. Promena sadrţaja etanola i koncentracije glukoze tokom fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna pri razliĉitim poĉetnim koncentracijama glukoze. Uslovi procesa: likvefakcija - hidromodul 1:3, t=85 °C, pH=6, =1 h, c (Termamyl SC)=0,02% (v/w); saharifikacija - t=55 °C, pH=5, =4 h, c (SAN Extra L)=0,12% (v/w), brzina mešanja ν=150 rpm; fermentacija - t=30 °C, pH=5, koliĉina inokuluma 2% (v/v). Puna linija – sadrţaj etanola, isprekidana linija – koncentracija glukoze. Sa slike 5.10. moţe se videti da je maksimalan sadrţaj etanola, preko 9% (w/w), postignut pri poĉetnoj koncentraciji glukoze od 175 g/l u 50 h fermentacije. MeĊutim, pri ovoj poĉetnoj koncentraciji glukoze zapaţena je inhibicija supstratom na poĉetku alkoholne fermentacije. Poznato je da visoke koncentracije supstrata mogu izazvati osmotski šok kod ćelija kvasca i na taj naĉin usporiti prenos mase i toplote. Dalje tokom fermentacije, taĉnije nakon 50 h, došlo je i do inhibicije kvasca proizvodom usled akumulacije etanola, s obzirom da je maksimalni sadrţaj etanola od 9,22% (w/w) postignut nakon 50 h, a zatim je smanjen na 7,44% (w/w) nakon 74 h fermentacije. Maksimalna koncentracija etanola na kraju fermentacije postignuta je pri poĉetnoj koncentraciji glukoze od 150 g/l (bez pojave inhibicije supstratom i proizvodom) i iznosila je 8,71% (w/w), dok su znatno niţe vrednosti sadrţaja etanola dobijene pri poĉetnim koncentracijama glukoze od 100 i 125 g/l. Na slici 5.10. moţe se videti da je iskorišćenje šećera od strane kvasca skoro završeno već posle 38 h fermentacije. MeĊutim, kod poĉetne koncentracije glukoze od 175 g/l potrošnja glukoze tokom fermentacije je najsporija, usled inhibicije supstratom i Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 152 proizvodom. Rezultati potrošnje glukoze su u skladu sa rezultatima proizvodnje etanola tokom fermentacije, s obzirom na to da kvasac koristi glukozu kao izvor ugljenika. Thatipamala i saradnici [191] su objavili da je inhibicija supstratom i proizvodom znaĉajno uticala na prinos etanola i biomase tokom alkoholne fermentacije. Oni su zakljuĉili da prinos biomase kvasca S. cerevisiae opada od 0,156 do 0,026 kada koncentracija etanola raste od 0 do 107 g/l. Njihovi rezultati koji se odnose na inhibiciju supstratom su u skladu sa rezultatima prikazanim na slici 5.10., s obzirom da se inhibicija supstratom javila pri poĉetnoj koncentraciji glukoze višoj od 150 g/l. Sliĉno, u eksperimentima istraţivaĉa Ozmihci and Kargi [192] ispitivana je proizvodnja etanola iz surutke pri razliĉitim koncentracijama supstrata i biomase. U njihovom radu, koncentracija nastalog etanola je rasla pri porastu koncentracije supstrata do 156 g/l. Dalje povećanje koncentracije supstrata iznad 156 g/l rezultovalo je u postepenom opadanju sadrţaja etanola ukazujući na pojavu inhibicije supstratom. Siqueira i saradnici [193] su takoĊe objavili da visoke koncentracije supstrata inhibiraju rast kvasca tokom šarţne proizvodnje etanola iz sojine melase. Bebić i saradnici [184] su tokom fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna pomoću S. cerevisiae postigli manje prinose etanola nakon 48 h u poreĊenju sa rezulatima u ovoj disertaciji (prinos etanola se kretao od 0,32 do 0,41 g/g sa poĉetnim koncentracijama etanola od 85 do 250 g/l). 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 lo g ( b r. c e lij a , C F U /m l) Vreme, h 100 g/l 125 g/l 150 g/l 175 g/l Slika 5.11. Promena broja ćelija kvasca u toku fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna pri razliĉitim poĉetnim koncentracijama glukoze. Uslovi procesa kao na slici 5.10. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 153 Sa slike 5.11. se moţe videti da ćelije kvasca najranije ulaze u stacionarnu fazu rasta, a potom i najbrţe odumiru, pri poĉetnoj koncentraciji glukoze od 175 g/l (usled inhibicije supstratom i proizvodom). Pri najniţoj poĉetnoj koncentraciji glukoze od 100 g/l ćelije najkasnije ulaze u stacionarnu fazu, oko 50 h fermentacije. Najsporije odumiru ćelije kvasca u hidrolizatu sa poĉetnom koncentracijom glukoze od 150 g/l što ukazuje na to da bi pri kraju fermentacije upravo ove ćelije postigle najviši prinos etanola. Trend rasta broja ćelija je u skladu i sa porastom sadrţaja etanola prikazanim na slici 5.10. Na kraju fermentacije, nakon 74 h, maksimalan broj ćelija od 1·108 CFU/ml postiţe se pri poĉetnoj koncentraciji glukoze od 150 g/l, što predstavlja promenu broja ćelija od 2,7 logaritamskih jedinica u odnosu na poĉetan broj. Uzimajući u obzir ekonomiku samog procesa, poţeljno je da se postigne što viši sadrţaj etanola tokom fermentacije kako bi se smanjili troškovi destilacije etanola, a time i ukupni troškovi proizvodnje etanola [19]. Troškovi proizvodnje mogu se znaĉajno smanjiti i smanjenjem duţine trajanja alkoholne fermentacije. U cilju odreĊivanja optimalne duţine trajanja fermentacije izvršena je procena osnovnih parametara, kao što su sadrţaj etanola, prinos etanola, procenat od teorijskog sadrţaja etanola, volumetrijska produktivnost i potrošnja glukoze, nakon 26, 38 i 74 h fermentacije pri poĉetnoj koncentraciji glukoze od 150 g/l (tabela 5.12.). Maksimalne vrednosti ovih procesnih parametara postignute su kada je poĉetna koncentracija glukoze iznosila 150 g/l (slika 5.10. i tabela 5.12.). TakoĊe, na osnovu slike 5.10. moţe se videti da se sa povećanjem poĉetne koncentracije glukoze smanjuje duţina trajanja fermentacije. Uzimajući u obzir sve napomenute ĉinjenice, predlaţe se smanjenje vremena fermentacije na 38 h i izbor poĉetne koncentracija glukoze od 150 g/l kao optimalne vrednosti. U ovom sluĉaju postiţu se sledeće vrednosti najvaţnijih parametara alkoholne fermentacije: sadrţaj etanola od 8,42% (w/w), prinos etanola od 0,44 g/g, procenat od teorijskog sadrţaja etanola od 77,46%, volumetrijska produktivnost od 2,21 g/l·h i potrošnja glukoze od 99,09% (tabela 5.12.), kao i maksimalan broj ćelija od 2,09·108 CFU/ml. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 154 5.2.3.2. Uticaj količine inokuluma na tok alkoholne fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna pri optimalnoj početnoj koncentraciji glukoze Ovaj set eksperimenata voĊen je u cilju ispitivanja uticaja poĉetne koliĉine inokuluma na tok alkoholne fermentacije. Praćena je promena sadrţaja etanola, koncentracije glukoze i broja ćelija kvasca tokom 74 h fermentacije sa 5% (v/v) inokuluma pri optimalnoj poĉetnoj koncentraciji glukoze od 150 g/l. Rezultati ispitivanja su poreĊeni sa rezultatima dobijenim tokom fermentacije sa 2% (v/v) inokuluma i prikazani su u tabeli 5.12 i na slikama 5.12. i 5.13. Tabela 5.12. Vrednosti znaĉajnih procesnih parametara postignutih tokom alkoholne fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna sa razliĉitom poĉetnom koliĉinom inokuluma. Vreme fermentacije, h 26 38 74 Poĉetna konc. inokuluma, % (v/v) 2 5 2 5 2 5 Sadrţaj etanola, % (w/w) 5,28 5,50 8,42 8,58 8,71 8,80 Prinos etanola YP/S , g/g 0,28 0,29 0,44 0,45 0,45 0,46 Procenat od teorijskog sadrţ. etanola, % 48,57 50,60 77,46 78,93 80,13 80,96 Volumetrijska produktivnost P, g/l·h 2,03 2,11 2,21 2,26 1,18 1,19 Konc. glukoze, g/l 20,00 12,80 1,36 1,13 0,90 0,78 Potrošnja glukoze, % g 86,67 91,47 99,09 99,25 99,40 99,48 Uslovi procesa: pH=5, t=30 ºC, poĉetna konc. glukoze 150 g/l, 2 i 5% (v/v) inokuluma g Potrošnja glukoze je izraĉunavana prema jednaĉini (13) Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 155 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 20 40 60 80 100 120 140 160 K o n c e n tr a c ija g lu k o z e , g /l S a d rž a j e ta n o la , % ( w /w ) Vreme, h 2% inokuluma 5% inokuluma Slika 5.12. Promena sadrţaja etanola i koncentracije glukoze u toku alkoholne fermentacije sa razliĉitim koliĉinama inokuluma. Poĉetna koncentracija glukoze je 150 g/l. Uslovi procesa hidrolize kao na slici 5.10., a procesa fermentacije kao u tabeli 5.12. Puna linija – sadrţaj etanola, isprekidana linija – koncentracija glukoze. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 lo g ( b r. c e lij a , C F U /m l) Vreme fermentacije, h 2% inokuluma 5% inokuluma Slika 5.13. Promena broja ćelija kvasca u toku alkoholne fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna sa razliĉitim koliĉinama inokuluma. Poĉetna koncentracija glukoze 150 g/l. Uslovi procesa hidrolize kao na slici 5.10., a procesa fermentacije kao u tabeli 5.12. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 156 Iz tabele 5.12. i sa slike 5.12. moţe se videti da se sa povećanjem koliĉine inokuluma sadrţaj etanola znaĉajno ne povećava tokom fermentacije. U toku prvih 26 h potrošnja glukoze je veća pri koliĉini inokuluma od 5% (v/v), a nakon 26 h fermentacije postignut je isti trend opadanja koncentracije glukoze kod obe poĉetne koliĉine inokuluma. Na slici 5.13. moţe se uoĉiti da se do 26 h fermentacije sa koliĉinom inokuluma od 2% (v/v) postiţe veći porast broja ćelija nego sa koliĉinom inokuluma od 5% (v/v), dok je izmeĊu 26 i 50 h ta razlika zanemarljiva. Nakon 50 h brţe odumiru ćelije kvasca kod fermentacije sa 2% (v/v) inokuluma. Iz prikazanih rezultata još jednom je potvrĊeno da je moguće skratiti vreme trajanja fermentacije na 38 h kada se dobijaju veoma visoke vrednosti svih znaĉajnih parametara fermentacije pri koliĉini inokuluma i od 2 i 5% (v/v). Ukoliko se koristi 5% (v/v) inokuluma nakon 38 h fermentacije postiţe se sadrţaj etanola od 8,58% (w/w), prinos etanola od 0,45 g/g, procenat od teorijskog sadrţaja etanola od 78,93%, volumetrijska produktivnost od 2,26 g/l·h i potrošnja glukoze od 99,25%. Kada se uporede procesni parametri postignuti tokom fermentacije sa 2 i 5% inokuluma (tabela 5.12.), moţe se videti da nije došlo do znaĉajnog povećanja njihovih vrednosti, pa samim tim nije potrebno povećavati koliĉinu inokuluma. Stoga, koliĉina inokuluma od 2% (v/v) izabrana je kao optimalna vrednost i korišćena je u narednim eksperimentima. Narendranath i Power [126] u svom radu nisu postigli znaĉajne razlike u sadrţaju etanola tokom fermentacije kukuruznog brašna sa S. cerevisiae pri razliĉitim koliĉinama inokuluma (1·106, 1·107, 2·107, 3·107 i 4·107 CFU/ml). Fermentacija je izvoĊena na 30 °C tokom 72 h, u šarţnom postupku. Sharma i saradnici [70] su izvodili konverziju lignoceluloznih ljuski suncokreta do etanola pomoću S. cerevisiae var. ellipsoideus. Oni su zakljuĉili da sa povećanjem koliĉine inokuluma sa 3 na 6% (v/v) dolazi ĉak do smanjenja prinosa etanola i efikasnosti fermentacije. U njihovom radu maksimalni prinos etanola od 0,453 g/g je ostvaren nakon 24 h fermentacije sa koliĉinom inokuluma od 3% (v/v), što je sliĉno maksimalnom prinosu etanola dobijenom u ovom radu od 0,46 g/g (tabela 5.12.). MeĊutim, neophodno je naglasiti da su Sharma i saradnici [70] koristili drugaĉiju sirovinu nego u ovoj disertaciji, odnosno lignoceluloznu sirovinu. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 157 5.2.3.3. Uticaj dodatka različitih aktivatora (mineralnih soli i vitamina) na tok alkoholne fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna pri optimalnim vrednostima početne koncentracije glukoze i količine inokuluma Mineralne soli i vitamini su neophodni za odvijanje biohemijskih reakcija u ćeliji, odnosno uĉestvuju u metabolizmu kvasca kao aktivatori enzima ili ulaze u sastav pojedinih strukturnih delova ćelije. Dodatak mineralnih soli i vitamina pozitivno utiĉe na rast i viabilnost ćelija kvasca, kao i na povećanje efikasnosti alkoholne fermentacije. Ovaj set eksperimenata voĊen je u cilju ispitivanja poboljšanja proizvodnje etanola i rasta kvasca dodatkom razliĉitih aktivatora kvasca (mineralnih soli i vitamina) u hidrolizat kukuruznog brašna. Fermentacija je izvoĊena pri optimalnim vrednostima poĉetne koncentracije glukoze od 150 g/l i koliĉine inokuluma od 2% (v/v) (poĉetan broj ćelija ~2·105 CFU/ml). Korišćeni su sledeći aktivatori kvasca: inozitol (1 g/l), tiamin (5 mg/l), piridoksin (5 mg/l), Ca-pantotenat (2 g/l), MgSO4·7H2O (2 g/l što odgovara koncentraciji Mg 2+ jona od 10 mM), ZnSO4·7H2O (0,3 g/l što odgovara koncentraciji Zn 2+ jona od 1 mM), odvojeno ili u smeši. Istovremeno je izvoĊena fermentacija hidrolizata bez dodatka aktivatora (kontrolni uzorak) pod istim eksperimentalnim uslovima kako bi moglo da se izvrši poreĊenje rezultata. S obzirom da se prilikom svakog izvoĊenja alkoholne fermentacije obavezno dodaju soli: 0,4 g/l MgSO4·7H2O, 2 g/l (NH4)SO4 i 4 g/l KH2PO4 (poglavlje 4.2.6.), neophodno je naglasiti da je koncentracija jona Mg 2+ pre dodatnog obogaćivanja hidrolizata iznosila 1,5 mM. Ispitivanje obogaćivanja hidrolizata razliĉitim aktivatorima vršeno je prema sledećim kombinacijama vrsta i koncentracija dodatih aktivatora prikazanim u tabeli 5.13. Tabela 5.13. Kombinacije vrsta i koncentracija dodatih aktivatora kvasca Kombinacija Vrsta i koncentracija aktivatora I inozitol (1 g/l) II tiamin (5 mg/l) + piridoksin (5 mg/l) III Ca-pantotenat (2 g/l) IV MgSO4·7H2O (2 g/l) + ZnSO4·7H2O (0,3 g/l) V Ca-pantotenat (2 g/l)+MgSO4·7H2O (2 g/l)+ZnSO4·7H2O (0,3 g/l) Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 158 Sadrţaj etanola i broj ćelija kvasca postignuti nakon 48 h alkoholne fermentacije hidrolizata sa dodatkom razliĉitih aktivatora, uporeĊeni su sa kontrolnim uzorkom (bez aktivatora), i prikazani su na slikama 5.14. i 5.15. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12,27% 4,25%5,50%2,23% 7,30% S a d rž a j e ta n o la , % ( w /w ) kontrola I II III IV V Slika 5.14. Uticaj razliĉitih aktivatora na sadrţaj etanola nakon 48 h fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna. Uslovi procesa: parametri dvojno-enzimske hidrolize kao na slici 5.10.; fermentacija - t=30 °C, pH=5, poĉetna koncentracija glukoze 150 g/l, koliĉina inokuluma 2% (v/v). Vrsta i koncentracija primenjenih aktivatora odgovara kombinacijama prikazanim u tabeli 5.13. Brojevi iznad stubova predstavljaju procenat uvećanja sadrţaja etanola u odnosu na kontrolni uzorak. Na slici 5.14. se moţe videti da se maksimalni porast sadrţaja etanola od 12,27% u odnosu na kontrolni uzorak postiţe pri dodatku sledećih aktivatora: Ca-pantotenat, MgSO4·7H2O i ZnSO4·7H2O (kombinacija V). U ovom sluĉaju postiţe se sadrţaj etanola od 9,54% (w/w). Sadrţaj etanola u kontrolnom uzorku iznosio je 8,50% (w/w). Znaĉajni porast sadrţaja etanola (7,30% u odnosu na kontrolni uzorak) postiţe se i pri dodatku inozitola (kombinacija I) kada je dostignut sadrţaj etanola od 9,12% (w/w). Najmanji porast sadrţaja etanola (2,23% u odnosu na kontrolni uzorak) postiţe se korišćenjem tiamina i piridoksina (kombinacija II) kao aktivatora. U tom sluĉaju sadrţaj etanola nakon završene fermentacije iznosio je 8,69% (w/w). Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 159 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 lo g ( b r. c e lij a , C F U /m l) kontrola I II III IV V Slika 5.15. Uticaj razliĉitih aktivatora na broj ćelija kvasca nakon 48 h alkoholne fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna. Uslovi procesa su kao na slici 5.14. Vrsta i koncentracija primenjenih aktivatora odgovara kombinacijama prikazanim u tabeli 5.13. Ispitivanjem uticaja dodatih aktivatora na rast kvasca (slika 5.15.) moţe se uoĉiti da je u uzorcima sa dodatkom inozitola (kombinacija I) i smeše Ca-pantotenata, MgSO4·7H2O i ZnSO4·7H2O (kombinacija V) došlo do veoma malog porasta broja ćelija kvasca u odnosu na kontrolu, i to za 0,1 i 0,12 logaritamskih jedinica, respektivno. Maksimalni porast broja ćelija kvasca (za 0,37 logaritamskih jedinica u odnosu na kontrolni uzorak) postignut je pri dodatku tiamina i piridoksina (kombinacija II) kao aktivatora. U ovom sluĉaju, broj ćelija kvasca nakon 48 h fermentacije je iznosio 5,89·108 CFU/ml, dok je u kontrolnom uzorku broj ćelija 2,51·108 CFU/ml. Prema rezultatima prikazanim na slikama 5.14. i 5.15., dodatak kombinacije mineralnih soli i vitamina (Ca-pantotenat, MgSO4·7H2O i ZnSO4·7H2O) doprineo je postizanju maksimalnog porasta sadrţaja etanola i veoma malom porastu broja ćelija kvasca, jer je potrošnja supstrata usmerena više ka produkciji etanola nego ka stvaranju biomase. Nasuprot tome, dodatkom tiamina i piridoksina kao aktivatora postignut je maksimalni porast broja ćelija i najmanji porast sadrţaja etanola. Prema tome, kao najpogodniji aktivatori izabrani su Ca-pantotenat, MgSO4·7H2O i ZnSO4·7H2O Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 160 (kombinacija V), odnosno smeša mineralnih soli i vitamina, s obzirom da je u tom sluĉaju dostignut najveći porast sadrţaja etanola u odnosu na kontrolni uzorak. Naime, u toku proizvodnje etanola neophodno je da se postigne što viši sadrţaj etanola tokom fermentacije kako bi se smanjili troškovi destilacije etanola, a samim tim i ukupni troškovi proizvodnje etanola. Joni metala koji su prisutni u fermentacionom medijumu imaju znaĉajan uticaj na proizvodnju etanola i fiziologiju ćelija kvasca. Joni magnezijuma direktno utiĉu na brzinu rasta kvasca, potrošnju šećera i proizvodnju etanola [194]. Uticaj magnezijuma na proizvodnju etanola pomoću S. cerevisiae je ispitivan od strane nekoliko autora. Dombek i Ingram [195] su objavili da je dodavanje 0,5 mM magnezijuma produţilo eksponencijalnu fazu rasta kvasca, povećalo stvaranje biomase i smanjilo opadanje brzine alkoholne fermentacije. Birch i Walker [120] su u svom radu pokazali da visoke koncentracije magnezijuma u medijumu (iznad 50 mM) doprinose poboljšanju preţivljavanja ćelija kvasca u uslovima visokih koncentracija etanola, odnosno generalno imaju zaštitnu ulogu kod ćelija kvasca izloţenih stresu. Cink je takoĊe veoma vaţan metal za fermentativni metabolizam kvasca. Ovaj metal utiĉe na povećanje brzine fermentacije, s obzirom da je neophodan za aktivnost enzima alkoholdehidrogenaze i stimuliše potrošnju maltoze i maltotrioze u ćelijama kvasca [196]. Fermentacija se znaĉajno usporava padom koncentracije cinka ispod 0,1 mg/l [112]. Alfenore i saradnici [115] su izvodili alkoholnu fermentaciju dolivnim postupkom, na sintetiĉkom medijumu pomoću kvasca S. cerevisiae. Koristeći razliĉite koliĉine vitamina (biotin, pantotensku kiselinu, nikotinsku kiselinu, inozitol, tiamin, piridoksin, para-aminobenzoevu kiselinu) i eksponencijalnu strategiju dodavanja aktivatora postigli su znaĉajno povećanje prinosa etanola. Kao i kod rezultata prikazanih na slikama 5.14. i 5.15., i u njihovom radu je zapaţen isti odnos izmeĊu rasta kvasca i proizvodnje etanola, odnosno sposobnost ćelija kvasca kod kojih nije zapaţen znaĉajan rast da odrţe povećanu proizvodnju etanola (ovaj fenomen je zapaţen pri visokim koncentracijama etanola). Kotarska i saradnici [116] su ispitivali uticaj dodatka razliĉitih aktivatora na alkoholnu fermentaciju pirinĉane kaše. Dodatkom MgSO4·7H2O (2 g/l), biotina (0,001 g/l) i biotina sa tiaminom (0,1 g/l) nije postignuto znaĉajno poboljšanje alkoholne fermentacije. Najbolje rezultate postigli su primenom sledećih aktivatora: mineralnih soli ((NH4)2SO4 1 g/l, KH2PO4 1 g/l, MgSO4·7H2O 2 g/l), sojinog brašna (2 g/l) i sojinog ulja (3,4 ml/l). Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 161 Vrednosti znaĉajnih procesnih parametara postignutih nakon 48 h alkoholne fermentacije hidrolizata sa dodatkom Ca-pantotenata, MgSO4·7H2O i ZnSO4·7H2O (kombinacija V) kao najpogodnijih aktivatora, uporeĊeni su sa kontrolnim uzorkom i prikazani su u tabeli 5.14. Tabela 5.14. Uticaj dodatka mineralnih soli i vitamina na vrednosti znaĉajnih procesnih parametara postignutim nakon 48 h alkoholne fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna Parametar Kontrola (bez aktivatora) Ca-pantotenat (2 g/l) + MgSO4·7H2O (2 g/l) + ZnSO4·7H2O (0,3 g/l) Sadrţaj etanola, % (w/w) 8,50 9,54 Prinos etanola YP/S, g/g 0,44 0,50 Procenat od teorijskog sadrţ. etanola, % 78,20 87,76 Vol. produktivnost P, g/l·h 1,77 1,99 Koncentracija glukoze, g/l 1,20 0,10 Potrošnja glukoze, % 99,20 99,93 Uslovi procesa su kao na slici 5.14. Vrsta i koncentracija primenjenih aktivatora odgovara kombinaciji V prikazanoj u tabeli 5.13. U tabeli 5.14. moţe se uoĉiti da je dodatak Ca-pantotenata, MgSO4·7H2O i ZnSO4·7H2O, pored porasta sadrţaja etanola, doprineo i znaĉajnom porastu vrednosti ostalih procesnih parametara u odnosu na kontrolni uzorak. Nakon utvrĊivanja da je smeša Ca-pantotenata, MgSO4·7H2O i ZnSO4·7H2O najpogodnija kombinacija primenjenih aktivatora, praćena je kinetika alkoholne fermentacije hidrolizata obogaćenog sa dodatkom istih. Sadrţaj etanola i koncentracija glukoze odreĊivani su nakon 2, 14, 20, 26, 38 i 48 h fermentacije, a broj ćelija kvasca je odreĊivan nakon 20 i 48 h fermentacije. Proizvodnja etanola i potrošnja glukoze tokom 48 h alkoholne fermentacije hidrolizata sa i bez dodatka aktivatora (kombinacije aktivatora V) prikazani su na slici 5.16. Broj ćelija kvasca nakon 20 i 48 h fermentacije sa i bez dodatka aktivatora (kombinacije aktivatora V) prikazan je u tabeli 5.15. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 162 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 S a d rž a j e ta n o la , % ( w /w ) Vreme, h etanol glukoza K o n c e n tr a c ija g lu k o z e , g /l Slika 5.16. Kinetika proizvodnje etanola i potrošnje glukoze tokom alkoholne fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna sa i bez dodatka aktivatora. Uslovi procesa i korišćeni aktivatori su kao u tabeli 5.14. Puna linija - sa dodatkom aktivatora, isprekidna linija – kontrola (bez dodatka aktivatora) Tabela 5.15. Promena broja ćelija kvasca tokom alkoholne fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna sa i bez dodatka aktivatora Vreme fermentacije, h Broj ćelija, CFU·106/ml log (br. ćelija, CFU/ml) Kontrola Uzorak Kontrola Uzorak 0 0,2 0,2 5,3 5,3 20 79,4 85,1 7,90 7,93 48 251 331 8,40 8,52 Uslovi procesa i korišćeni aktivatori su kao u tabeli 5.14. PoreĊenjem kinetike prozvodnje etanola tokom fermentacije hidrolizata obogaćenog aktivatorima i kontrolnog uzorka (slika 5.16.) moţe se videti da je dodatak smeše vitamina i mineralnih soli znaĉajno doprineo povećanju proizvodnje etanola, i to već nakon 4 h fermentacije. U uzorku sa dodatim aktivatorima moţe se uoĉiti nagli porast Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 163 sadrţaja etanola u periodu izmeĊu 14 i 26 h fermentacije, a u skladu sa tim došlo je i do naglog pada koncentracije glukoze u istom periodu. U 26 h fermentacije postiţe veoma visoka vrednost sadrţaja etanola od 9,23% (w/w), a zatim blagi porast u 38 h fermentacije kada se dostiţe maksimalni sadrţaj etanola od 9,67% (w/w). Nakon toga se dolazi do pada sadrţaja etanola (krajnji sadrţaj etanola iznosi 9,54% w/w) usled neznatne inhibicije kvasca proizvodom. U kontrolnom uzorku se nije javila inhibicija proizvodom. Na slici 5.16. se takoĊe moţe videti da je glukoza skoro potpuno iskorišćena već nakon 38 h fermentacije kada se i dostiţe maksimalni sadrţaj etanola. Kao što je ranije prikazano (poglavlje 5.2.3.1.), u kontrolnom uzorku uspešno se moţe skratiti vreme fermentacije na 38 h (kada je dostignut sadrţaj etanola od 8,42% w/w). TakoĊe, i u sluĉaju obogaćivanja hidrolizata smešom mineralnih soli i vitamina ekonomika fermentacije hidrolizata se moţe poboljšati skraćenjem vremena fermentacije na 38 h kada se postiţu vrlo visoke vrednosti svih procesnih parametara: sadrţaj etanola od 9,67% (w/w), prinos etanola od 0,50 g/g, procenat od teorijskog sadrţaja etanola od 88,96%, volumetrijska produktivnost od 2,54 g/l·h i potrošnja glukoze od 93,69%. U tabeli 5.15. se moţe videti da se dodatkom ove kombinacije aktivatora ne postiţe znaĉajna razlika u broju ćelija u poreĊenju sa kontrolnim uzorkom (kao što se moţe videti i na slici 5.15.) i u 20 i 48 h fermentacije. Iako se dodatkom mineralnih soli i vitamina postiţu znaĉajna poboljšanja proizvodnje etanola, znaĉajan faktor upotrebe ovih aktivatora je i njihova visoka cena. Zbog toga se ĉesto u industrijskoj praksi pribegava jeftinijim rešenjima, kao što je upotreba nus proizvoda raznih tehnologija. U tu svrhu moţe se koristiti npr. CSL (corn steep liquor), voda zaostala nakon moĉenja kukuruza, koji se zbog svoje dostupnosti i niske cene moţe uspešno koristiti u našoj zemlji, kao što su svom radu prikazali Bebić i saradnici [184]. Kao aktivatori takoĊe se mogu koristiti i sojino brašno, sojino ulje, autolizat kvasca, ekstrakt kvasca i sl. [116]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 164 5.2.3.4. Proizvodnja etanola u postupku simultane saharifikacije i fermentacije (SSF) kukuruznog brašna U ovim eksperimentima je ispitana mogućnost poboljšanja produktivnosti proizvodnje etanola koristeći postupak simultane saharifikacije i fermentacije (SSF proces). Primenom ovog procesa smanjuju se ukupni troškovi procesa, postiţe se veća efikasnost proizvodnje i veći prinos etanola [159]. U narednim eksperimentima ispitivana je optimalna temperatura izvoĊenja SSF procesa i njen uticaj na rast kvasca i proizvodnju etanola. TakoĊe je i ispitivano dodavanje vitamina i mineralnih soli kao aktivatora kvasca radi povećanja prinosa etanola u SSF procesu. 5.2.3.4.1. Uticaj temperature na tok SSF procesa Temperatura rasta i razmnoţavanja kvasaca iz roda Saccharomyces koji se koriste u proizvodnji etanola je u opsegu 30-35 ºC, što se razlikuje od temperature na kojoj se izvodi faza saharifikacije pomoću glukoamilaza (55-60 ºC). Zdruţivanjem faze saharifikacije i fermentacije potrebno je obezbediti uslove koji bi bili optimalni i za enzim i za kvasac. Ovaj set eksperimenata voĊen je u cilju odreĊivanja optimalne temperature za izvoĊenje SSF procesa. U tu svrhu ispitivane su tri radne temperature: 30, 37 i 42 ºC. Sadrţaj etanola, koncentracija glukoze i broj ćelija mereni su nakon 4, 8, 20, 26, 32, 44 i 48 h SSF procesa. Korišćene su optimalne koncentracije enzima Termamyl SC (0,02% v/w) i SAN Extra L (0,12% v/w), kao i optimalna koliĉina inokuluma od 2% (v/v), odreĊeni u prethodnim eksperimentima. Koncentracija glukoze na poĉetku SSF procesa (nakon likvefakcije) iznosila je ~100 g/l. Poĉetan broj ćelija kvasca je iznosio ~2·105 CFU/ml. Promena sadrţaja etanola i koncentracije glukoze u toku 48 h SSF procesa prikazana je na slici 5.17. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 165 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 S a d rž a j e ta n o la , % ( w /w ) Vreme, h 30°C 37°C 42°C K o n c e n tr a c ija g lu k o z e , g /l Slika 5.17. Promena sadrţaja etanola i koncentracije glukoze tokom SSF procesa kukuruznog brašna pri razliĉitim temperaturama. Uslovi procesa: likvefakcija - hidromodul 1:3, t=85 °C, pH=6, =1 h, c (Termamyl SC)=0,02% (v/w), brz. mešanja ν=150 rpm; SSF proces - pH=5, =48 h, brz. mešanja ν=100 rpm, c (SAN Extra L)=0,12% (v/w), koliĉina inokuluma 2% (v/v). Puna linija – sadrţaj etanola, isprekidana linija – koncentracija glukoze. Na slici 5.17. se moţe videti da se maksimalni sadrţaj etanola od 8,83% (w/w) postiţe na temperaturi od 30 ºC nakon 48 h SSF procesa. Trend porasta sadrţaja etanola je bio sliĉan do 20 h SSF procesa na temperaturama 30 i 37 ºC. MeĊutim, nakon 20 h znatno više vrednosti sadrţaja etanola u SSF procesu su dostignute na 30 ºC. Na temperaturi od 37 ºC maksimalni sadrţaj etanola je iznosio 7,92% (w/w) posle 48 h. TakoĊe je i ispitivano izvoĊenje SSF procesa na 42 ºC, s obzirom da je optimalna temperatura dejstva glukoamilaze u opsegu 55-60 ºC. MeĊutim, kao što je prikazano na slici 5.17., na ovoj temperaturi postignute su veoma niske vrednosti sadrţaja etanola (0,098-0,99% w/w). Prema tome, za izvoĊenje SSF procesa poţeljne su niţe temperature kako bi se povećala metaboliĉka aktivnost kvasca što rezultuje u efikasnijoj fermentaciji. Sree i saradnici [197] su predloţili upotrebu termotolerantnih kvasaca kako bi se uspešno izvodila fermentacija i na 42 ºC sa povećanim prinosom etanola. Kádár i saradnici [198] su ispitivali SSF proces sa S. cerevisiae, ali na razliĉitim lignoceluloznim Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 166 materijalima (papir, karton i ĉisti celulozni prašak). Prema dobijenim vrednostima sadrţaja etanola, prinosa etanola i konverzije celuloze nakon 72 h, oni su utvrdili da se S. cerevisiae moţe koristiti ĉak i na 40 ºC u SSF procesu. Nasuprot tome, Phisalaphong i saradnici [199] su u svom radu prikazali da koncentracija i prinos etanola opadaju sa porastom temperature. Oni su koristili melasu šećerne trske kao izvor ugljenika za S. cerevisiae i izvodili eksperimente u šarţnom postupku na temperaturama od 30 do 42 ºC. Zakljuĉili su da koncentracija etanola neznatno raste sa porastom temperature od 30 do 33 ºC, ali veoma brzo opada na temperaturama iznad 35 ºC, što je sliĉno sa rezultatima prikazanim na slici 5.17. McMeckin i saradnici [200] su objavili da su negativni efekti visokih temperatura upravo denaturacija ribozoma i enzima, kao i problemi vezani za fluidnost ćelijske membrane. Negativni uticaji visokih temperatura su takoĊe ispitivani u radu Banat-a i saradnika [109]. Oni su pokazali da visoke temperature izazivaju povećanje fluidnosti membrane i da kvasci odgovaraju na ovu fiziĉku promenu tako što se menja sastav masnih kiselina. TakoĊe su utvrdili da toplota i visoke koncentracije etanola mogu izazvati promene u membrani, denaturaciju proteina, inhibiciju glukoze i pojavu mutacija kod kvasca. Kao što je prikazano na slici 5.17., vrednosti koncentracije glukoze su bile najviše na temperaturi od 42 ºC a najniţe na 30 ºC. Ovi rezultati su u skladu sa prikazanom promenom sadrţaja etanola tokom SSF procesa s obzirom da kvasci koriste glukozu kao izvor ugljenika u proizvodnji etanola. TakoĊe je zapaţeno povećanje koncentracija glukoze na poĉetku SSF procesa (u prvih 8 h) na 30 i 37 ºC, ukazujući na to da je brzina hidrolize skroba bila veća od brzine potrošnje glukoze od strane ćelija kvasca. U skladu sa ovim, nije uoĉena ni znaĉajna proizvodnja etanola na poĉetku SSF procesa. Nakon 8 h procesa na 30 i 37 ºC, vrednosti koncentracije glukoze su opadale i dostigle krajnje vrednosti od 1,22 i 30,32 g/l, respektivno. Na temperaturi od 30 ºC glukoza je skoro potpuno utrošena što ukazuje na kraj fermentacije. MeĊutim, za izvoĊenje SSF procesa na višoj temperaturi od 37 ºC potrebno je duţe vreme kako bi se utrošio sav dostupan šećer. Tokom izvoĊenja procesa na 42 ºC koncentracija glukoze je rasla tokom SSF procesa, bez pojave potrošnje glukoze s obzirom da je visoka temperatura negativno uticala na kvasac. U ovom sluĉaju, nakon 8 h koncentracija glukoze je bila skoro konstantna (~177 g/l). U radu Montesinos-a i Navarro-a [186] takoĊe je uoĉen porast koncentracije glukoze na poĉetku SSF procesa pšeniĉnog brašna sa S. cerevisiae na 35 ºC. Ovaj fenomen Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 167 je zapaţen i u radu Zhu i saradnika [62] tokom prvih 12 h SSF procesa pirinĉane slame koja je izloţena predtretmanu mikrotalasima i alkalijama. Proces je izvoĊen sa S. cerevisiae, ali na priliĉno visokoj temperaturi od 40 ºC. Öhgren i saradnici [64] su postigli povećanje koncentracije glukoze tokom prvih 10 h SSF procesa kukuruza na 30 ºC pomoću S. cerevisiae. Ovu pojavu su objasnili kao rezultat velikog viskoziteta i neefikasnog mešanja. Promena broja ćelija kvasca tokom SSF procesa kukuruznog brašna pri razliĉitim temperaturama prikazana je na slici 5.18. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 lo g ( b r. c e lij a , C F U /m l) Vreme, h 30 o C 37 o C 42 o C Slika 5.18. Promena broja ćelija kvasca u toku SSF procesa kukuruznog brašna pri razliĉitim temperaturama. Uslovi procesa su isti kao na slici 5.17. Na slici 5.18. se moţe videti da je maksimalan broj ćelija od 5,13·107 CFU/ml, kao i visok sadrţaj etanola, postignut na temperaturi od 30 ºC nakon 32 h SSF procesa (slike 5.17. i 5.18.), kada je ostvaren porast broja ćelija za 2,31 logaritamsku jedinicu u odnosu na poĉetan broj. Na radnim temperaturama od 30 i 37 ºC nije uoĉena faza odumiranja ćelija kvasca, zbog toga što je simultanom saharifikacijom i fermentacijom obezbeĊeno dovoljno šećera za ishranu ćelija kvasca tokom 48 h. Poredeći ove rezultate sa rezultatima na slici 5.11., moţe se videti da je faza odumiranja ćelija kod procesa odvojene saharifikacije i fermentacije (SHF) poĉela ranije, nakon 38 h procesa (na 30 °C). Na slici Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 168 5.18. takoĊe se moţe videti da je na temperaturi od 42 ºC postignut veoma mali broj ćelija kvasca, što ukazuje na inhibitorno dejstvo visoke temperature i visoke koncentracije glukoze na ćelijski rast. U ovom sluĉaju zapaţena je veoma kratka eksponencijalna faza, a odumiranje ćelija je otpoĉelo već nakon 8 h SSF procesa. Phisalaphong i saradnici [199] tvrde da visoke temperature utiĉu na promenu aktivnog transporta rastvornih jedinjenja i rastvaraĉa u ćeliji kvasca, i na taj naĉin uzrokuju akumulaciju toksiĉnih materija unutar ćelije ukljuĉujući i etanol. Oni su objavili da rast ćelija kvasca znaĉajno opada na temperaturama iznad 35 ºC. Smanjenje viabilnosti ćelija kvasca, ispitivano u radu Torija i saradnika [201], takoĊe se smatra da je uzrokovano povećanom akumulacijom intracelularnog etanola na visokim temperaturama. Lucero i saradnici [202] su objavili da toksiĉne koncentracije intracelularnog etanola utiĉu na strukturu ćelijske membrane uzrokujući opadanje njene funkcionalnosti. Kako bi se izvršila procena optimalne duţine trajanja SSF procesa izraĉunate su vrednosti procesnih parametara dobijenih nakon 32 i 48 h SSF procesa na temperaturama od 30 i 37 ºC, i prikazane su u tabeli 5.16. Veoma niske vrednosti ovih procesnih parametara dobijene tokom SSF procesa na temperaturi od 42 ºC nisu prikazane u tabeli 5.16. s obzirom da se smatraju zanemarljivim. U tabeli 5.16. se moţe videti da su znatno više vrednosti procesnih parametara postignute u SSF procesu na 30 ºC, nego na 37 ºC. Vrednosti sadrţaja etanola i procenta od teorijskog sadrţaja etanola nakon 32 i 48 h SSF procesa na 30 ºC su bile veoma bliske, a prinosi etanola skoro isti (0,45 i 0,46, respektivno). MeĊutim, vrednost volumetrijske produktivnosti na 30 ºC nakon 32 h procesa (2,72 g/l·h) je bila znatno viša nego nakon 48 h (1,84 g/l·h). Kao što je prikazano na slici 5.17., duţina trajanja SSF procesa opada na niţim temperaturama. Na osnovu svega navedenog, uspešno se moţe skratiti vreme trajanja SSF procesa na 32 h, što bi znaĉajno umanjilo ukupne troškove proizvodnje etanola. TakoĊe, na osnovu rezultata prikazanih na slikama 5.17. i 5.18. i u tabeli 5.16. izabrana je optimalna temperatura SSF procesa od 30 ºC. U ovom sluĉaju, postignute su sledeće vrednosti procesnih parametara: sadrţaj etanola od 8,70% (w/w), procenat od teorijskog sadrţaja etanola od 80,04%, prinos etanola od 0,45 g/g, volumetrijska produktivnost od 2,72 g/l·h i potrošnja glukoze od 78,75% (tabela 5.16.). Potrebno je naglasiti, da izvoĊenjem SSF procesa na optimalnoj temperaturi od 30 ºC postiţu se znaĉajne uštede energije u poreĊenju sa procesom odvojene saharifikacije i fermentacije (SHF). Naime, temperatura Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 169 od 30 ºC je znatno niţa od optimalne temperature za dejstvo glukoamilaze (55 ºC) u fazi saharifikacije, a pritom se postiţu zadovoljavajuće vrednosti svih procesnih parametara. TakoĊe, zdruţivanjem faza saharifikacije i fermentacije skraćuje se ukupno vreme procesa za 4 h, koliko iznosi vreme potrebno za izvoĊenje saharifikacije. Tabela 5.16. Vrednosti znaĉajnih procesnih parametara postignutih tokom SSF procesa kukuruznog brašna Temperatura, °C 30 37 Vreme SSF procesa, h 32 48 32 48 Sadrţaj etanola, % (w/w) 8,70 8,83 7,26 7,92 Procenat od teorijskog sadrţ. etanola, % 80,04 81,23 66,79 72,86 Prinos etanola YP/S, g/g 0,45 0,46 0,38 0,41 Vol. produktivnost P, g/l·h 2,72 1,84 2,27 1,65 Potrošnja glukoze, % 78,75 98,84 51,54 73,46 Uslovi procesa su isti kao na slici 5.17. Phisalaphong i saradnici [199] ispitivali su uticaj razliĉitih temperatura na tok SSF procesa melase šećerne trske, i postigli su prinose etanola od 0,22 do 0,51 u zavisnosti od temperature i poĉetne koncentracije šećera. Maksimalan sadrţaj etanola u njihovoj studiji ostvaren je posle 35 h na 30 ºC, dok je najniţa vrednost prinosa etanola dobijena na temperaturi od 42 ºC, što je sliĉno rezultatima prikazanim na slici 5.17. i u tabeli 5.15. Zhu i saradnici [62] su ispitivali SSF proces pirinĉane slame (tretirane mikrotalasima i alkalijama) tokom 72 h koristeći kvasac S. cerevisiae. Oni su postigli koncentraciju etanola od 25,8 g/l i prinos etanola od 0,575 pri optimalnoj temperaturi od 40 ºC, što je znatno viša temperatura od optimalne temperature izabrane u ovom radu. Suprotno od pomenutih autora, Montesinos and Navaro [186] su koristili skrobnu sirovinu (pšeniĉno brašno) u SSF procesu pomoću S. cerevisiae. Pri optimalnim vrednostima parametara: koncentracija enzima od 270 AGU/kg skroba, vreme trajanja SSF procesa od 36 h i temperatura od 35 ºC, dobijena je koncentracija etanola od 69 g/l i sliĉan prinos etanola kao u ovom radu od 0,46 g/g. Vrednost optimalne temperature (35 ºC) u njihovoj studiji bila je nešto viša nego Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 170 u ovom radu, verovatno jer su koristili vrste kvasca koje su tolerantnije na visoke temperature. 5.2.3.4.2. Uticaj dodatka različitih aktivatora (mineralnih soli i vitamina) na tok SSF procesa Ovaj set eksperimenata je voĊen u cilju ispitivanja poboljšanja proizvodnje etanola i rasta kvasca tokom SSF procesa dodatkom razliĉitih aktivatora (mineralnih soli i vitamina). Korišćene su optimalne koncentracije enzima Termamyl SC (0,02% v/w) i SAN Extra L (0,12% v/w), optimalna koliĉina inokuluma od 2% (v/v) i optimalna temperatura procesa od 30 °C, odreĊeni u prethodnim eksperimentima. Koncentracija glukoze na poĉetku SSF procesa (nakon likvefakcije) iznosila je ~100 g/l. Poĉetan broj ćelija kvasca je iznosio ~2·105 CFU/ml. Dodavani su sledeći aktivatori kvasca: MgSO4·7H2O (2 g/l što odgovara koncentraciji Mg 2+ jona od 10 mM), ZnSO4·7H2O (0,3 g/l što odgovara koncentraciji Zn 2+ jona od 1 mM), Ca-pantotenat (30 mg/l), inozitol (350 mg/l) i biotin (64 μg/l), i to na sledeći naĉin – samo mineralne soli, samo vitamini i smeša mineralnih soli i vitamina. Tiamin i piridoksin nisu korišćeni s obzirom da njihovim dodatkom u hidrolizat nije postignut znaĉajni porast sadrţaja etanola u prethodnom eksperimentu (slika 5.14.). Istovremeno je izvoĊen SSF proces bez dodatka aktivatora (kontrolni uzorak) pod istim eksperimentalnim uslovima kako bi moglo da se izvrši poreĊenje rezultata. S obzirom da se prilikom svakog izvoĊenja alkoholne fermentacije obavezno dodaju soli: 0,4 g/l MgSO4·7H2O, 2 g/l (NH4)SO4 i 4 g/l KH2PO4 (poglavlje 4.2.6.), neophodno je naglasiti da je koncentracija jona Mg 2+ pre dodatnog obogaćivanja hidrolizata iznosila 1,5 mM. Sadrţaj etanola i broj ćelija kvasca postignuti nakon 48 h SSF procesa sa dodatkom samo mineralnih soli, samo vitamina i smeše mineralnih soli i vitamina, uporeĊeni su sa kontrolnim uzorkom (bez aktivatora), i prikazani su na slikama 5.19. i 5.20. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 171 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 3,35% 1,40% 1,35% S a d rž a j e ta n o la , % (w /w ) kontrola mineralne soli vitamini min.+vit. Slika 5.19. Uticaj dodatka mineralnih soli, vitamina i smeše mineralnih soli i vitamina na sadrţaj etanola nakon 48 h SSF procesa kukuruznog brašna. Uslovi procesa: isti kao na slici 5.17. osim što je SSF proces izvoĊen na 30 ºC. Aktivatori: ZnSO4·7H2O (0,3 g/l), MgSO4·7H2O (2 g/l), Ca-pantotenat (30 mg/l), biotin (64 μg/l), inozitol (350 mg/l). Brojevi iznad stubova predstavljaju procenat uvećanja sadrţaja etanola u odnosu na kontrolni uzorak. Na slici 5.19. se moţe videti da se maksimalni porast sadrţaja etanola (3,35% u odnosu na kontrolni uzorak) nakon 48 h SSF procesa postiţe pri dodatku samo mineralnih soli. U ovom sluĉaju postiţe se sadrţaj etanola od 9,13% (w/w). Sadrţaj etanola u kontrolnom uzorku iznosio je 8,83% (w/w). Veoma mali porast sadrţaja etanola u odnosu na kontrolni uzorak postignut je pri dodatku samo vitamina i smeše vitamina i mineralnih soli i iznosio je 1,40 i 1,35%, respektivno. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 172 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 lo g ( b r. c e lij a , C F U /m l) kontrola min. soli vitamini min.+vit. Slika 5.20. Uticaj dodatka mineralnih soli, vitamina i smeše mineralnih soli i vitamina na broj ćelija kvasca nakon 48 h SSF procesa kukuruznog brašna. Uslovi procesa: isti kao na slici 5.17. osim što je SSF proces izvoĊen na 30 ºC. Aktivatori su isti kao na slici 5.19. Na slici 5.20. se moţe videti da je na rast kvasca najviše uticao dodatak vitamina, s obzirom da je u tom sluĉaju broj ćelija povećan u odnosu na kontrolni uzorak za 0,72 logaritamske jedinice nakon 48 h SSF procesa. U ovom sluĉaju, broj ćelija kvasca iznosio je 2,34·108 CFU/ml. Dodatak mineralnih soli i smeše mineralnih soli i vitamina promenio broj ćelija kvasca veoma malo, za 0,01 i 0,03 logaritamske jedinice u odnosu na kontrolni uzorak, respektivno, što se smatra zanemarljivim. Prema rezultatima prikazanim na slikama 5.19. i 5.20., dodatak samo mineralnih soli doprineo je postizanju maksimalnog porasta sadrţaja etanola i veoma malom porastu broja ćelija kvasca u odnosu na kontrolni uzorak. Ovaj fenomen, da odreĊeni aktivatori usmeravaju metabolizam kvasca ka većoj proizvodnji etanola, a ne ka stvaranju biomase zapaţen je i kod procesa odvojene saharifikacije i fermentacije (slike 5.14. i 5.15.). Nasuprot tome, maksimalni porast broja ćelija i veoma mali porast sadrţaja etanola postignut je dodatkom samo vitamina kao aktivatora. Prema tome, predlaţe se upotreba samo mineralnih soli kao aktivatora kvasca u SSF procesu, s obzirom da je u tom sluĉaju Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 173 dostignut najveći porast sadrţaja etanola u odnosu na kontrolu. TakoĊe, sa aspekta smanjenja troškova proizvodnje, ekonomiĉnije je koristiti samo mineralne soli u poreĊenju sa smešom mineralnih soli i vitamina kao aktivatora. Jedan od problema sa kojim se suoĉavaju proizvoĊaĉi etanola u praksi je kako obezbediti dovoljno nutrijenata za kvasac da bi se efikasno izvršila alkoholna fermentacija a pritom smanjio rast kvasca, s obzirom da veća biomasa kvasca podrazumeva gubitak etanola. S druge strane, ćelije kvasca koje rastu proizvode alkohol 33 puta brţe nego ćelije kod kojih nije zapaţen rast. Prema tome, u industrijskoj praksi znaĉajni napori su ulagani kako bi se odrţali uslovi koji ne vode ka vrlo malom rastu kvasca ili ka njegovom odumiranju. Rešenja koja nude Walker i saradnici [203] kako bi se umanjio rast kvasca a pritom obezbedila efikasna fermentacija su: visoke poĉetne koliĉine inokuluma, recirkulacija kvasca, izvoĊenje fermentacije kontinualnim postupkom ili korišćenje imobilisanih ćelija kvasca. Alfenore i saradnici [115] su u dolivnom postupku fermentacije sa S. cerevisiae i koristeći strategiju eksponencijalnog dodavanja razliĉitih koliĉina smeše vitamina (biotin, pantotenska kiselina, nikotinska kiselina, inozitol itd) postigli povećanje produktivnosti etanola za 18% i povećanje maksimalne specifiĉne brzine fermentacije za 34%. Bohlscheid i saradnici [204] su u svom radu objavili da je dodatak biotina veoma uticao na rast kvasca S. cerevisiae tokom alkoholne fermentacije soka groţĊa. Oni smatraju da minimalna koncentracija biotina neophodna za izvoĊenje fermentacije iznosi 1 μg/l. Chi i saradnici [205] su objavili da je dodatak inozitola (100 mg/l) uticao na brţi rast kvasca i povećanje njegove tolerantnosti na inhibitorno dejstvo visokih koncentracija etanola u medijumu. Vrednosti znaĉajnih procesnih parametara postignutih nakon 48 h SSF procesa sa dodatkom mineralnih soli (MgSO4·7H2O i ZnSO4·7H2O) kao najpogodnijih aktivatora, uporeĊeni su sa kontrolnim uzorkom i prikazani u tabeli 5.17. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 174 Tabela 5.17. Uticaj dodatka mineralnih soli na vrednosti znaĉajnih procesnih parametara nakon 48 h SSF procesa kukuruznog brašna Parametar Kontrola (bez aktivatora) MgSO4·7H2O (2 g/l) + ZnSO4·7H2O (0,3 g/l) Sadrţaj etanola, % (w/w) 8,83 9,13 Prinos etanola YP/S, g/g 0,46 0,48 Procenat od teorijskog sadrţ. etanola, % 81,23 83,99 Vol. produktivnost P,g/l·h 1,84 1,90 Potrošnja glukoze, % 98,84 99,19 Uslovi procesa su kao na slici 5.19. U tabeli 5.17. moţe se uoĉiti da je dodatak mineralnih soli (MgSO4·7H2O i ZnSO4·7H2O) pored povećanja sadrţaja etanola, doprineo i povećanju vrednosti ostalih procesnih parametara. Nakon utvrĊivanja da su mineralne soli (MgSO4·7H2O i ZnSO4·7H2O) najpogodniji aktivatori, praćena je kinetika SSF procesa sa dodatkom istih. Sadrţaj etanola, koncentracija glukoze i broj ćelija kvasca odreĊivani su nakon 4, 8, 20, 26, 32, 44 i 48 h SSF procesa. Proizvodnja etanola, potrošnja glukoze i promena broja ćelija kvasca u toku 48 h SSF procesa sa i bez dodatka aktivatora prikazani su na slikama 5.21. i 5.22. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 175 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 S a d rž a j e ta n o la , % ( w /w ) Vreme, h etanol K o n c e n tr a c ija g lu k o z e , g /l glukoza Slika 5.21. Kinetika proizvodnje etanola i potrošnje glukoze tokom SSF procesa kukuruznog brašna sa i bez dodatka mineralnih soli. Uslovi procesa: isti kao na slici 5.17. osim što je SSF proces izvoĊen na 30 ºC. Aktivatori: ZnSO4·7H2O (0,3 g/l) i MgSO4·7H2O (2 g/l). Puna linija- sa dodatkom aktivatora, isprekidna linija – kontrola (bez dodatka aktivatora). 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 lo g ( b r. c e lij a , C F U /m l) Vreme, h kontrola uzorak Slika 5.22. Promena broja ćelija kvasca u toku SSF procesa kukuruznog brašna sa i bez dodatka mineralnih soli. Uslovi procesa: isti kao na slici 5.17. osim što je SSF proces izvoĊen na 30 ºC. Aktivatori: ZnSO4·7H2O (0,3 g/l) i MgSO4·7H2O (2 g/l). Puna linija- sa dodatkom aktivatora, isprekidna linija – kontrola (bez dodatka aktivatora). Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 176 Na slici 5.21. se moţe videti da je trend rasta sadrţaja etanola tokom SSF procesa drugaĉiji prilikom obogaćivanja hidrolizata mineralnim solima u poreĊenju sa kontrolnim uzorkom. Dodatkom aktivatora sadrţaj etanola do 44 h SSF procesa je bio niţi u poreĊenju sa kontrolom, ali nakon toga je usledio porast, i postignuto je povećanje sadrţaja etanola od 3,35% (u odnosu na kontrolu) nakon 48 h SSF procesa. U skladu sa prikazanim trendom rasta sadrţaja etanola, ako bi se produţio SSF proces verovatno bi se postigao i veći porast etanola u odnosu na kontrolu. MeĊutim, produţenje procesa bi podrazumevalo i povećanje troškova i smanjenje produktivnosti proizvodnje pa je neophodno uskladiti vreme trajanja procesa i moguće povećanje sadrţaja etanola. Naime, kao što je već napomenuto, kod kontrolnog uzorka bez dodatka aktivatora SSF proces se moţe skratiti na 32 h, kada se dobijaju visoke vrednosti procesnih parametara: sadrţaj etanola od 8,70% i volumetrijska produktivnost od 2,72 g/l·h (tabela 5.16.). Dodatkom mineralnih soli najveće vrednosti procesnih parametara se dobijaju tek nakon 48 h i iznose: sadrţaj etanola od 9,13% i volumetrijska produktivnost od 1,90 g/l·h (tabela 5.17.). Na osnovu kinetike prikazane na slici 5.21. produţenjem vremena trajanja SSF procesa postigle bi se više vrednosti sadrţaja etanola ali bi se smanjila produktivnost procesa. Na osnovu ovog, predlaţe se izvoĊenje SSF procesa bez dodatka aktivatora, jer obogaĊivanje hidrolizata aktivatorima podrazumeva povećanje troškova i neophodno produţavanje vremena trajanja SSF procesa. Porast sadrţaja etanola (od 3,35% u odnosu na kontrolu) i produktivnosti (od 3,26% u odnosu na kontrolu) nakon 48 h SSF procesa sa dodatkom mineralnih soli nije zadovoljavajući. Na slici 5.22. se uoĉava povećanje broja ćelija u toku eksponencijalne faze rasta kvasca kod uzorka sa dodatkom mineralnih soli u poreĊenju sa kontrolom, ali i ranije poĉinje faza odumiranja ćelija kvasca. Faza odumiranja ćelija kod kontrolnog uzorka poĉinje tek nakon 44 h SSF procesa. Na kraju fermentacije broj ćelija je u oba sluĉaja (sa i bez dodatka aktivatora) sliĉan ~4,5·107 CFU/ml, jer kao što je prikazano na slici 5.20., dodatak mineralnih soli nije znaĉajno uticao na povećanje broja ćelija. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 177 5.2.3.5. Poređenje SHF (odvojena saharifikacija i fermentacija) i SSF (simultana saharifikacija i fermentacija) procesa kukuruznog brašna, sa i bez dodatka aktivatora kvasca U ovom poglavlju sumirani su rezultati dobijeni u prethodnim eksperimentima tokom SHF (odvojene saharifikacije i fermentacije) i SSF (simultane saharifikacije i fermentacije) procesa, sa i bez dodatka aktivatora kvasca, u cilju izbora najoptimalnijeg postupka proizvodnje etanola sa slobodnim ćelijama kvasca. Na slici 5.23. prikazana je promena sadrţaja etanola pri optimalnim vrednostima parametara za svaki proces. U tabeli 5.18. prikazane su vrednosti svih znaĉajnih procesnih parametara postignutih tokom SHF i SSF procesa sa i bez dodatka aktivatora pri istim procesnim uslovima (kako bi moglo da se izvrši poreĊenje rezultata) i nakon optimalnog vremena trajanja svakog procesa koji je odreĊen u prethodnim eksperimentima. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 S a d rž a j e ta n o la , % ( w /w ) Vreme, h SHF bez akt. SHF sa akt. SSF bez akt. SSF sa akt. Slika 5.23. Kinetika proizvodnje etanola tokom SHF i SSF procesa kukuruznog brašna, sa i bez dodatka najoptimalnije kombinacije aktivatora za svaki proces. Uslovi procesa: likvefakcija - hidromodul 1:3, t=85 °C, pH=6, =1 h, c (Termamyl SC)=0,02% (v/w), brzina mešanja ν=150 rpm; SHF proces - saharifikacija - t=55 °C, pH=5, =4 h, c (SAN Extra L)=0,12% (v/w), fermentacija - t=30 °C, pH=5, koliĉina inokuluma 2% (v/v), aktivatori - Ca-pantotenat (2 g/l), MgSO4·7H2O (2 g/l) i ZnSO4·7H2O (0,3 g/l); SSF proces - t=30 °C, pH=5, c(SAN Extra L)=0,12% (v/w), koliĉina inokuluma 2% (v/v), brz. mešanja ν=100 rpm, aktivatori - MgSO4·7H2O (2 g/l) i ZnSO4·7H2O (0,3 g/l). Strelice pokazuju izabrano optimalno vreme trajanja svakog procesa. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 178 Tabela 5.18. Vrednosti znaĉajnih procesnih parametara postignutih tokom SHF i SSF procesa kukuruznog brašna, sa i bez dodatka aktivatora, pri optimalnom vremenu trajanja svakog procesa. Parametar Proces SHF bez akt. SHF sa akt. SSF bez akt. SSF sa akt. Optimalno vreme trajanja procesa, h 38 38 32 48 Sadrţaj etanola, % (w/w) 8,42 9,67 8,70 9,13 Prinos etanola YP/S, g/g 0,44 0,50 0,45 0,48 Procenat od teor. sadrţ. etanola, % 77,46 88,96 80,04 83,99 Vol. produktivnost P, g/l·h h 2,21 2,54 2,72 1,90 Potrošnja glukoze, % 99,09 93,69 78,75 99,19 Uslovi svakog procesa su kao na slici 5.23. h Vol. produktivnost je izraĉunavana nakon optimalnog vremena trajanja svakog procesa prikazanog u datoj tabeli Na osnovu slike 5.23. i tabele 5.18. moţe se videti da se najviši sadrţaj etanola i procenat od teorijskog sadrţaja etanola postiţu kod SHF procesa sa dodatkom aktivatora (mineralnih soli i vitamina). MeĊutim, nedostaci ovog procesa su povećanje troškova proizvodnje zbog visoke cene korišćenih aktivatora i vremena trajanja procesa od 38 h. Nasuprot tome, tokom SSF procesa bez dodatka aktivatora postiţe se najviša volumetrijska produktivnost, kao i vrlo visoke vrednosti ostalih procesnih parametara, a optimalno vreme trajanja procesa iznosi 32 h. I pored toga što se ne dobija maksimalna vrednost sadrţaja etanola u ovom procesu, mora se uzeti u obzir i ĉinjenica da je zdruţivanjem faza saharifikacije i fermentacije već na poĉetku postignuto skraćenje vremena procesa za 4 h koliko traje faza saharifkacije, i da je optimalna temperatura SSF procesa 30 °C (što je niţa temperatura od one potrebne za saharifikaciju, 55°C), pa se samim tim postiţu velike uštede energije tokom ovog procesa i povećava efikasnost proizvodnje etanola. Prema tome, SSF proces zajedno sa fazom likvefakcije traje 33 h, dok SHF proces sa fazama likvefakcije i saharifikacije traje 43 h. TakoĊe, kod SSF procesa se smanjuje mogućnost Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 179 pojave inhibicije enzima proizvodom, odnosno glukozom, s obzirom da kvasac odmah koristi nastalu glukozu kao hranu. Optimizacijom ovih procesa ustanovljeno je da je u proizvodnji etanola iz kukuruznog brašna pomoću slobodnih ćelija kvasca ekonomski najpovoljniji i najefikasniji SSF proces bez dodatka aktivatora sa sledećim postignutim procesnim parametrima: vreme trajanja od 32 h, sadrţaj etanola od 8,70% (w/w), prinos etanola od 0,45 g/g, procenat od teorijskog sadrţaja etanola od 80,04%, volumetrijska produktivnost od 2,72 g/l·h i potrošnja glukoze od 78,75%. U radu Montesinos-a i Navarro-a [186] SSF proces iz pšeniĉnog brašna se takoĊe pokazao kao superiorniji u poreĊenju sa SHF procesom (pri istim procesnim uslovima) s obzirom da je postignut viši prinos etanola i znaĉajno skraćenje vremena trajanja procesa. Optimalno vreme trajanja SSF procesa u njihovom radu je iznosilo 30 h. SSF proces se pokazao kao ekonomski povoljniji proces u smislu uštede energije i povećanja efikasnosti proizvodnje etanola i u radovima mnogih drugih autora [65, 68, 69, 159, 206-208]. 5.2.3.6. Uticaj ultrazvuka kao predtretmana na poboljšanje kvaliteta hidrolizata kukuruznog brašna i proizvodnju etanola tokom SSF procesa 5.2.3.6.1. Uticaj vremena dejstva ultrazvuka na koncentraciju glukoze nakon dvojno- enzimske hidrolize kukuruznog brašna Ovaj set eksperimenata izvoĊen je radi odreĊivanja uticaja vremena dejstva ultrazvuka na koncentraciju glukoze nakon završene dvojno-enzimske hidrolize koja je izvoĊena pri optimalnim vrednostima parametara odreĊenim u prethodnim eksperimentima (hidromodul 1:3, koncentracija enzima Termamyl SC od 0,02% (v/w) i koncentracija enzima SAN Extra L od 0,12% (v/w)). Nakon pripreme, suspenzije kukuruznog brašna su izlagane dejstvu ultrazvuka u toku razliĉitog vremena i na sobnoj temperaturi, zatim je dodat enzim Termamyl SC i nastavljen je proces enzimske hidrolize (likvefakcija i saharifikacija). Ispitivana vremena dejstva ultrazvuka su: 0,5, 1, 3, 5, 10, 20 i 30 min. Predtretman pripremljenih suspenzija ultrazvukom je vršen u ultrazvuĉnom kupatilu, pri frekvenciji ultrazvuĉnih talasa od 40 kHz. Istovremeno je uraĊen i kontrolni uzorak koji Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 180 nije izlagan dejstvu ultrazvuka, pod istim eksperimentalnim uslovima kako bi moglo da se izvrši poreĊenje rezultata. Dobijeni rezultati su prikazani na slici 5.24. 160 165 170 175 180 185 190 0,36% 2,92% 2,22% 2,59%3,03% 2,14% 0,71% K o n c e n tr a c ija g lu k o z e , g /l kontrola 0,5 1 3 5 10 20 30 Vreme dejstva ultrazvuka, min Slika 5.24. Uticaj vremena dejstva ultrazvuka na promenu koncentracije glukoze nakon dvojno-enzimske hidrolize kukuruznog brašna. Uslovi procesa: soniciranje – ν=40 kHz, t=tsob; hidromodul 1:3, brzina mešanja ν=150 rpm, likvefakcija - t=85 °C, pH=6, =1 h, c (Termamyl SC)=0,02% (v/w); saharifikacija - t=55 °C, pH=5, =4 h, c (SAN Extra L)= 0,12% (v/w). Brojevi iznad stubova predstavljaju procenat uvećanja koncentracije glukoze u odnosu na kontrolni uzorak. Na osnovu slike 5.24. moţe se uoĉiti da je u svim uzorcima došlo do povećanja koncentracije glukoze nakon enzimske hidrolize u odnosu na kontrolni uzorak. Najveći porast koncentracije glukoze (3,03% u odnosu na kontrolni uzorak) je ostvaren prilikom izlaganja suspenzije kukuruznog brašna dejstvu ultrazvuka u toku 5 min, kada je koncentracija glukoze nakon enzimske hidrolize iznosila 187,70 g/l. TakoĊe se moţe videti da sa povećanjem vremena dejstva ultrazvuka raste i koncentracija nastale glukoze, meĊutim prilikom duţeg izlaganja dejstvu ultrazvuka (10, 20 i 30 min) uoĉava se blagi pad u koncentraciji glukoze. To se moţe objasniti time što je produţenje vremena dejstva ultrazvuka dovelo do povećanja koncentracije glukoze na poĉetku enzimske hidrolize, ali Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 181 je na kraju enzimske hidrolize moguća pojava inhibicije enzima visokom koncentracijom glukoze kao proizvoda. Na osnovu prikazanih rezultata izabrano je optimalno vreme dejstva ultrazvuka od 5 min. MeĊutim, potrebno je ispitati kada je najoptimalnije izlagati uzorak delovanju ultrazvuka u odnosu na dodatak enzima Termamyl SC, odnosno ispitati da li ultrazvuk deluje i na aktivnost ovog enzima. Prema tome, u daljim eksperimentima uzorci su izlagani dejstvu ultrazvuka u toku 5 min, i to: nakon dodatka enzima Termamyl SC (uzorak 3.), i 2,5 min pre i 2,5 min posle dodatka enzima Termamyl SC (uzorak 4.). Dobijeni rezultati su uporeĊeni sa uzorkom 2. koji je tretiran 5 min pre dodatka enzima Termamyl SC u prethodnom eksperimentu (slika 5.24.), i prikazani su u tabeli 5.19. Istovremeno je uraĊen i kontrolni uzorak (uzorak 1.) koji nije izlagan dejstvu ultrazvuka, pod istim eksperimentalnim uslovima kako bi moglo da se izvrši poreĊenje rezultata. Tabela 5.19. Uticaj vremena dejstva ultrazvuka na koncentraciju glukoze nakon dvojno- enzimske hidrolize kukuruznog brašna Broj uzorka Vreme dejstva ultrazvuka, min Koncentracija glukoze, g/l Uvećanje koncentracije glukoze u odnosu na kontrolu, % 1 0 182,18 - 2 5 187,70 3,03 3 5 185,23 1,67 4 2,5 + 2,5 190,30 4,46 Uslovi procesa su isti kao na slici 5.24. Na osnovu rezultata prikazanih u tabeli 5.19. moţe se videti da je optimalno vreme delovanja ultrazvuka 2,5 min pre i 2,5 min posle dodatka enzima Termamyl SC, kada se postiţe maksimalni porast koncentracije glukoze od 4,46% u odnosu na kontrolni uzorak. Najmanja koncentracija glukoze postignuta je dejstvom ultrazvuka od 5 min nakon dodatka enzima Termamyl SC (uzorak 3.), što se moţe objasniti time da je ultrazvuk delovao i na delimiĉnu inaktivaciju enzima. U literaturi je zableţeno da ultrazvuĉni predtretman moţe i da degradira i denaturiše enzime zbog lokalnog zagrevanja, sonohemijskih reakcija i intenzivnih sila smicanja ukoliko su enzimi dodati pre sonikacije Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 182 [102]. Samim tim, smatra se da enzimi dodati tokom sonifikacije dovode do manjeg oslobaĊanja glukoze nego dodatak enzima posle sonifikacije [97, 98]. U radu Khanal-a i saradnika [97] ispitivana je primena ultrazvuka kao predtretmana u poboljšanju otpuštanja glukoze tokom enzimske hidrolize kukuruznog brašna. Pri radnoj frekvenciji od 20 kHz, sobnoj temperaturi i vremenu soniciranja od 20 i 40 s postignuto je povećanje koncentracije glukoze tokom enzimske hidrolize u poreĊenju sa kontrolnim uzorkom. Ovo je objašnjeno pozitivnim uticajem ultrazvuka na smanjenje dimenzija ĉestica skroba, bolje mešanje usled akustiĉnih kavitacija i mikrostrujanja i na otpuštanje dodatnog skroba koji je vezan za lipide. Maksimalno povećanje koncentracije glukoze u odnosu na kontrolni uzorak iznosilo je 32%, što je znatno veći porast koncentracije glukoze u odnosu na kontrolu nego u ovom radu (tabela 5.19.), najverovatnije zbog toga jer su u toku soniciranja korišćeni i ultrazvuĉni talasi visoke, srednje i niske snage. Kao i u ovom radu, u pojedinim uzorcima (koji su izlagani ultrazvuĉnim talasima visoke snage) došlo je do smanjenja krajnje koncentracije glukoze u odnosu na kontrolni uzorak (smanjenje od 11-22%) što su objasnili degradacijom i denaturacijom enzima tokom predtretmana ultrazvuĉnim talasima visoke snage. I u radu Shewale-a i Pandit-a [104] primena ultrazvuka je pozitivno uticala na povećanje dekstroznog ekvivalenta nakon završene enzimske hidrolize brašna sirka, od 10-25% u zavisnosti od vremena delovanja i inteziteta ultrazvuka. Ovo su objasnili oslobaĊanjem dodatnih granula skroba iz matriksa proteina pod dejstvom akustiĉnih kavitacija izazvanih ultrazvukom. Ove dodatne osloboĊene granule skroba se geliraju i bivaju dostupne za dalju likvefakciju i saharifikaciju. Oni su takoĊe utvrdili da je predtretman ultrazvukom uticao na poboljšanje filtracionih osobina hidrolizata i bolju razgradnju zrna skroba usled akustiĉnih kavitacija. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 183 5.2.3.6.2. Uticaj dejstva ultrazvuka na kinetiku enzimske hidrolize kukuruznog brašna pri optimalnom vremenu i različitoj temperaturi soniciranja Ovaj set eksperimenata voĊen je u cilju ispitivanja uticaja temperature soniciranja na kinetiku dvojno-enzimske hidrolize kukuruznog brašna pri optimalnom vremenu dejstva ultrazvuka odreĊenom u prethodnim eksperimentima. U tu svrhu ispitivane su tri radne temperature: sobna temperatura, 60 i 70 ºC. Koncentracija glukoze je merena na svakih sat vremena u toku 5 h dvojno-enzimske hidrolize. Dobijeni rezultati su uporeĊeni sa kontrolnim uzorkom koji nije izlagan dejstvu ultrazvuka, i prikazani su na slici 5.25. 0 1 2 3 4 5 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 K o n c e n tr a c ija g lu k o z e , g /l Vreme, h kontrola t sob 60 ºC 70 ºC Slika 5.25. Uticaj temperature soniciranja na kinetiku dvojno-enzimske hidrolize kukuruznog brašna pri optimalnom vremenu dejstva ultrazvuka. Uslovi procesa: soniciranje – ν=40 kHz, =2,5+2,5 min, hidromodul 1:3; parametri dvojno-enzimske hidrolize su kao na slici 5.24. Na osnovu rezultata prikazanih na slici 5.25. uoĉava se porast koncentracije glukoze u svim uzorcima koji su izlagani dejstvu ultrazvuka u poreĊenju sa kontrolnim uzorkom. TakoĊe, moţe se videti da se sa povećanjem temperature soniciranja povećava koncentracija nastale glukoze tokom dvojno-enzimske hidrolize. Trend porasta koncentracije glukoze je bio sliĉan do 3 h dvojno-enzimske hidrolize pri temperaturama Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 184 soniciranja od 60 i 70 ºC. MeĊutim, nakon 3 h više vrednosti koncentracije glukoze su dostignute kada je temperatura soniciranja bila 60 ºC. Potrebno je istaći da pri temperaturama 60 i 70 ºC nakon 4 h enzimske hidrolize dolazi ĉak do pada koncentracije glukoze usled pojave inhibicije enzima visokom koncentracijom glukoze (proizvodom). Ta inhibicija je izraţenija na temperaturi soniciranja od 70 ºC jer se postiţu niţe koncentracije glukoze posle 3 h enzimske hidrolize nego na temperaturi soniciranja od 60 ºC. TakoĊe, posmatrajući tok enzimske hidrolize pri ovim radnim temperaturama moţe se videti da je moguće i skratiti vreme hidrolize na 3 h. Na osnovu ovih rezultata smatra se da je optimalna temperatura soniciranja od 60 ºC s obzirom da su u tom sluĉaju dobijene najviše vrednosti koncentracije glukoze tokom enzimske hidrolize. U ovom sluĉaju koncentracija glukoze nakon 5 h enzimske hidrolize je iznosila 210,19 g/l, što predstavlja povećanje koncentracije glukoze u odnosu na kontrolni uzorak od 15,37%. Khanal i saradnici [97] su ispitivali primenu ultrazvuka kao predtretmana pri razliĉitim temperaturama soniciranja i utvrdili da se pri dejstvu ultrazvuka male snage i vremena dejstva od 40 s sa povećanjem temperature soniciranja do 5 °C povećava otpuštanje glukoze za 27%. Kako bi se potpunije ispitao uticaj dejstva ultrazvuka na zrna skroba u kukuruznom brašnu i samim tim na povećanje prinosa glukoze tokom dvojno-enzimske hidrolize, na slici 5.26. su prikazane SEM slike: a) suspenzije kukuruznog brašna i vode pre poĉetka hidrolize i bez dejstva ultrazvuka (uvećanje 2000×), b) kontrolnog uzorka (bez dejstva ultrazvuka) nakon likvefakcije (uvećanje 500×), c) kontrolnog uzorka nakon saharifikacije (uvećanje 100×), d) uzorka tretiranog ultrazvukom (na 60 ºC) 2,5 min pre dodatka enzima Termamyl SC (uvećanje 2000×), e) uzorka tretiranog ultrazvukom (na 60 ºC) nakon likvefakcije (uvećanje 100×) i f) uzorka tretiranog ultrazvukom (na 60 ºC) nakon saharifikacije (uvećanje 100×). Radni napon je iznosio 20 kV. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 185 (a) (d) (b) (e) (c) (f) Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 186 Slika 5.26. SEM slike kukuruzne suspenzije: a) suspenzija kukuruznog brašna i vode pre poĉetka hidrolize i bez dejstva ultrazvuka, b) kontrolni uzorak (bez dejstva ultrazvuka) nakon likvefakcije, c) kontrolni uzorak (bez dejstva ultrazvuka) nakon saharifikacije, d) uzorak tretiran ultrazvukom 2,5 min pre dodatka enzima Termamyl SC, e) uzorak tretiran ultrazvukom nakon likvefakcije i f) uzorak tretiran ultrazvukom nakon saharifikacije. Uslovi soniciranja: t=60 ºC , τ=2,5+2,5 min, ν=40 kHz. Uslovi izvoĊenja dvojno-enzimske hidroliza su kao na slici 5.24. PoreĊenjem slika 5.26. a) i d) moţe se videti da je ultrazvuk i pre dodatka enzima Termamyl SC uticao na razgradnju zrna skroba. Na slici 5.26. a) zrna skroba su ovalnog oblika veliĉine oko 25 μm, dok se na slici 5.26 d) moţe videti da je dejstvom ultrazvuka došlo do razaranja strukture zrna skroba što znaĉajno utiĉe i na brţe oslobaĊanje skroba tokom hidrolize, skraćenje vremena potrebnog za formiranje gela i samim tim na povećanje prinosa glukoze. Ukoliko se uporede slike 5.26. b) i e) moţe se uoĉiti da je u uzorku tretiranom ultrazvukom došlo do brţeg uteĉnjavanja kukuruzne suspenzije u odnosu na kontrolni uzorak s obzirom da je postignuta bolja razgradnja zrna skroba i pre poĉetka enzimske hidrolize. Na slikama 5.26. c) i f) moţe se videti da je nakon završene saharifikacije na površini nerazgraĊenih skrobnih zrnaca formiran tanak film (najverovatnije osloboĊenih šećera i drugih jedinjenja u rastvoru). S obzirom da je dejstvo ultrazvuka imalo pozitivan efekat na razgradnju skroba, na slici 5.26. f) se moţe uoĉiti da je veliĉina skrobnih zrnaca znatno manja nego u kontrolnom uzorku prikazanom na slici 5.26. c). 5.2.3.6.3. Uticaj dejstva ultrazvuka kao predtretmana na kinetiku SSF procesa pri optimalnom vremenu i temperaturi dejstva ultrazvuka Nakon utvrĊivanja optimalnih parametara za dejstvo ultrazvuka kao predtretmana (vreme od 2,5+2,5 min, temperatura od 60 °C) ispitivana je proizvodnja etanola tokom SSF procesa bez dodatka aktivatora. U prethodnim eksperimentima (odeljak 5.2.3.5.) ovaj proces je izabran kao ekonomski najpovoljniji i najefikasniji u proizvodnji etanola iz kukuruznog brašna pomoću slobodnih ćelija kvasca. SSF proces je voĊen pri optimalnim parametrima procesa odreĊenim u prethodnim eksperimentima (odeljak 5.2.3.4.). Sadrţaj etanola, koncentracija glukoze i broj ćelija kvasca odreĊivani su nakon 4, 8, 20, 26, 32, 44 i 48 h SSF procesa. Proizvodnja etanola, potrošnja glukoze i promena broja ćelija kvasca u Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 187 toku 48 h SSF procesa bez dodatka aktivatora i uz predtretman ultrazvukom uporeĊeni su sa kontrolnim uzorkom (bez dejstva ultrazvuka), i prikazani su na slikama 5.27. i 5.28. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 K o n c e n tr a c ija g lu k o z e , g /l S a d rž a j e ta n o la , % ( w /w ) Vreme, h etanol glukoza Slika 5.27. Kinetika proizvodnje etanola i potrošnje glukoze tokom SSF procesa kukuruznog brašna bez dodatka aktivatora uz predtretman ultrazvukom pri optimalnim parametrima soniciranja. Uslovi procesa: soniciranje – ν=40 kHz, =2,5+2,5 min, t=60 °C; likvefakcija - hidromodul 1:3, t=85 °C, pH=6, =1 h, c (Termamyl SC)=0,02% (v/w), brz. mešanja ν=150 rpm; SSF proces - t=30 °C pH=5, =48 h, brz. mešanja ν=100 rpm, c (SAN Extra L)=0,12% (v/w), koliĉina inokuluma 2% (v/v). Puna linija – uzorak tretiran ultrazvukom, isprekidana linija – kontrolni uzorak (bez dejstva ultrazvuka). Na slici 5.27. se moţe videti da je trend porasta sadrţaja etanola tokom SSF procesa sliĉan i kod uzorka tretiranog ultrazvukom i kod kontrolnom uzorka. Viši sadrţaj etanola tokom SSF procesa postignut je kod uzorka tretiranog ultrazvukom s obzirom da je poĉetna koncentracija glukoze u tom sluĉaju bila veća (120 g/l) nego u kontrolnom uzorku, a i dejstvo ultrazvuka je pogodovalo brţoj razgradnji granula skroba u kukuruznom brašnu. Maksimalan sadrţaj etanola postignut je nakon 32 h i iznosio je 9,51% (w/w), što predstavlja porast sadrţaja etanola u odnosu na kontrolni uzorak od 9,31%. TakoĊe, na slici 5.27. zapaţeno je povećanje koncentracija glukoze na poĉetku SSF procesa (u prvih 8 h) kod uzoraka i sa i bez predtretmana ultrazvukom, ukazujući na to da je brzina hidrolize skroba dejstvom glukoamilaze bila veća od brzine potrošnje glukoze od strane ćelija Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 188 kvasca. U skladu sa ovim, nije uoĉena ni znaĉajna proizvodnja etanola na poĉetku SSF procesa. Nakon 8 h procesa vrednosti koncentracije glukoze su opadale tokom SSF procesa. Kod uzorka tretiranog ultrazvukom postignuta je niţa krajnja koncentracija glukoze u odnosu na kontrolni uzorak i iznosila je 0,98 g/l (što odgovara potrošnji glukoze tokom SSF procesa od 99,18%). Potrebno je naglasiti da je prednost upotrebe ultrazvuka i u tome što obezbeĊuje efikasnije mešanje (usled akustiĉnog strujanja) koje omogućava bolji prenos toplote unutar suspenzije [97, 98, 102]. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 lo g ( b r. c e lij a , C F U /m l) Vreme, h kontrola ultrazvuk Slika 5.28. Promena broja ćelija kvasca u toku SSF procesa kukuruznog brašna bez dodatka aktivatora uz predtretman ultrazvukom pri optimalnim parametrima soniciranja. Uslovi procesa su kao na slici 5.27. Puna linija – uzorak tretiran ultrazvukom, isprekidana linija – kontrolni uzorak (bez dejstva ultrazvuka). Na slici 5.28. se moţe se da se kod uzorka tretiranog ultrazvukom postiţe veći broj ćelija u eksponencijalnoj fazi rasta kvasca u poreĊenju sa kontrolom, ali i ranije zapoĉinje faza odumiranja ćelija kvasca (nakon 32 h). Faza odumiranja ćelija kod kontrolnog uzorka poĉinje tek nakon 44 h SSF procesa. Ovo se moţe objasniti inhibicijom ćelija kvasca proizvodom, odnosno visokom koncentracijom etanola koja dostiţe svoju maksimalnu vrednost upravo u 32 h SSF procesa. Maksimalan broj ćelija od 1,18·108 CFU/ml u uzorku tretiranom ultrazvukom dostignut je nakon 32 h SSF procesa. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 189 Na osnovu slika 5.27. i 5.28. moţe se videti da se uspešno moţe skratiti vreme SSF procesa uz predtretman ultrazvukom na 32 h, kao što je to sluĉaj kod SSF procesa kontrolnog uzorka (odeljak 5.2.3.4.1.). U ovom sluĉaju, postiţe se maksimalan sadrţaj etanola od 9,51% (w/w), maksimalan broj ćelija od 1,18·108 CFU/ml, i veoma niska vrednost koncentracije glukoze od 15,56 g/l. U tabeli 5.20. prikazane su vrednosti ostalih procesnih parametara dobijenih prilikom izvoĊenja SSF procesa sa i bez predtretmana ultrazvukom nakon 32 h. Tabela 5.20. Vrednosti znaĉajnih procesnih parametara postignutih nakon 32 h SSF procesa kukuruznog brašna sa i bez predtretmana ultrazvukom Parametar Kontrola (bez dejstva ultrazvuka) SSF proces uz predtretman ultrazvukom Sadrţaj etanola, % (w/w) 8,70 9,51 Prinos etanola YP/S, g/g 0,45 0,50 Procenat od teorijskog sadrţ. etanola, % 80,04 87,48 Vol. produktivnost P,g/l·h 2,72 2,97 Potrošnja glukoze, % 78,75 87,03 Uslovi procesa su kao na slici 5.27. Na osnovu rezultata prikazanih u tabeli 5.20. moţe se videti da se SSF proces uz predtretman ultrazvukom pokazao kao superiorniji u odnosu na SSF proces bez primene predtretmana ultrazvukom u smislu postizanja viših vrednosti svih procesnih parametara i uštede energije usled skraćenja vremena izvoĊenja procesa na 32 h. TakoĊe se moţe videti da je primenom predtretmana ultrazvukom povećan maksimalan sadrţaj etanola koji se postiţe nakon 32 h SSF procesa za 9,31% u odnosu na kontrolni uzorak. MeĊutim, s druge strane implementacija predtretmana ultrazvukom podrazumeva sagledavanje i pozitivnih i negativnih strana primene ove tehnologije. Naime, potrebno je usaglasiti postignute visoke vrednosti procesnih parametra i uspostavljene optimalne uslove procesa sa visokom potrošnjem energije tokom soniciranja. Sam postupak soniciranja zahteva veliki utrošak Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 190 energije, a u ovom radu postoji dodatna potrošnja energije s obzirom da je optimalna temperatura soniciranja 60 °C. 5.2.3.7. Uticaj mikrotalasa kao predtretmana na poboljšanje kvaliteta hidrolizata kukuruznog brašna i proizvodnju etanola tokom SSF procesa 5.2.3.7.1. Uticaj snage mikrotalasa na koncentraciju glukoze nakon dvojno-enzimske hidrolize kukuruznog brašna Ovaj set eksperimenata vršen je radi ispitivanja uticaja mikrotalasa razliĉite snage na koncentraciju glukoze nakon dvojno-enzimske hidrolize kukuruznog brašna koja je izvoĊena pri optimalnim vrednostima parametara odreĊenim u prethodnim eksperimentima (hidromodul 1:3, koncentracija enzima Termamyl SC od 0,02% (v/w) i koncentracija enzima SAN Extra L od 0,12% (v/w)). Suspenzijama kukuruznog brašna prvo je dodat enzim Termamyl SC, a zatim su izlagane dejstvu mikrotalasa razliĉite snage u toku 4 min, i nastavljen je proces enzimske hidrolize (likvefakcija i saharifikacija). Ispitivane vrednosti snage mikrotalasa su: 20, 80, 160 i 240 W. Temperature u uzorcima na kraju predtretmana mikrotalasima iznosile su 68 (20 W), 96 (80 W), 105 (160 W) i 122 °C (240 W). Predtretman pripremljenih suspenzija mikrotalasima je vršen u mikrotalasnoj peći. Istovremeno je uraĊen i kontrolni uzorak koji nije izlagan dejstvu mikrotalasa, pod istim eksperimentalnim uslovima kako bi moglo da se izvrši poreĊenje rezultata. Dobijeni rezultati su prikazani na slici 5.29. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 191 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 6,56%6,86%6,36% 1,11% K o n c e n tr a c ija g lu k o z e , g /l kontrola 20 80 160 240 Snaga mikrotalasa, W Slika 5.29. Uticaj snage mikrotalasa na koncentraciju glukoze nakon dvojno-enzimske hidrolize kukuruznog brašna. Uslovi procesa: predtretman mikrotalasima vršen je u toku 4 min nakon dodatka enzima Termamyl SC, temperature u uzorcima na kraju tretiranja mikrotalasima iznosile su 68 (20 W), 96 (80 W), 105 (160 W) i 122 °C (240 W); likvefakcija - hidromodul 1:3, brzina mešanja ν=150 rpm, t=85 °C, pH=6, =1 h, c (Termamyl SC)=0,02% (v/w); saharifikacija - t=55 °C, pH=5, =4 h, c (SAN Extra L)= 0,12% (v/w). Brojevi iznad stubova predstavljaju procenat uvećanja koncentracije glukoze u odnosu na kontrolni uzorak. Kao što se moţe videti na slici 5.29. povećanje snage mikrotalasa iznad 80 W nije znaĉajno uticalo na dalje povećanje koncentracije glukoze nakon dvojno-enzimske hidrolize. Prema tome, ova vrednost snage mikrotalasa je izabrana kao optimalna, kada je postignuta koncentracija glukoze od 193,26 g/l (što predstavlja povećanje koncentracije glukoze u odnosu na kontrolni uzorak od 6,36%). Hu i Wen [108] su u svom radu ispitivali enzimsku hidrolizu lignocelulozne sirovine (trave) uz predtretman mikrotalasima ĉija je promena snage pratila promenu temperature u mikrotalasnoj peći u opsegu od 70 do 190 °C. Oni su utvrdili da je dejstvo mikrotalasa pozitivno uticalo na povećanje koncentracije glukoze nakon enzimske hidrolize u odnosu na kontrolni uzorak. Koncentracija glukoze nakon enzimske hidrolize je rasla u celom temperaturnom opsegu: od 19,5 g/100g biomase pri 70 °C do 31,5 g/100 Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 192 biomase pri temperaturi predtretmana mikrotalasima od 190 °C. Razlike koje postoje u odnosu na rezultate u ovom radu su usled razliĉite korišćene sirovine (za razgradnju lignoceluloznih materijala potrebna je viša temperatura). Palav i Seetharaman [106] su takoĊe ispitivali dejstvo mikrotalasa na skrobnu suspenziju pri razliĉitim temperaturama predtretmana u mikrotalsnoj peći koje su se kretale u opsegu od 60 do 95 °C. Sa povećanjem temperature rasla je i koncentracija glukoze nakon završene enzimske hidrolize. 5.2.3.7.2. Uticaj vremena dejstva mikrotalasa na koncentraciju glukoze nakon dvojno- enzimske hidrolize kukuruznog brašna Ovaj set eksperimenata izvoĊen je u cilju odreĊivanja uticaja vremena dejstva mikrotalasa na koncentraciju glukoze nakon završene dvojno-enzimske hidrolize koja je izvoĊena pri optimalnim vrednostima parametara odreĊenim u prethodnim eksperimentima (hidromodul 1:3, koncentracija enzima Termamyl SC od 0,02% (v/w) i koncentracija enzima SAN Extra L od 0,12% (v/w)). Suspenzijama kukuruznog brašna prvo je dodat enzim Termamyl SC, a zatim su izlagane dejstvu mikrotalasa snage 80 W u toku razliĉitog vremenskog perioda, i nastavljen je proces enzimske hidrolize (likvefakcija i saharifikacija). Ispitivana vremena dejstva mikrotalasa su: 1, 3, 5 i 7 min. Predtretman pripremljenih suspenzija mikrotalasima je izvoĊen u mikrotalasnoj peći. Istovremeno je uraĊen i kontrolni uzorak koji nije izlagan dejstvu mikrotalasa, pod istim eksperimentalnim uslovima kako bi moglo da se izvrši poreĊenje rezultata. Dobijeni rezultati su prikazani na slici 5.30. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 193 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 8,81% 15,96% 5,85% 1,21% K o n c e n tr a c ija g lu k o z e , g /l kontrola 1 3 5 7 Vreme dejstva mikrotalasa, min Slika 5.30. Uticaj vremena dejstva mikrotalasa na promenu koncentracije glukoze nakon dvojno-enzimske hidrolize kukuruznog brašna. Uslovi procesa: predtretman mikrotalasima snage 80 W vršen je nakon dodatka enzima Termamyl SC; ostali eksperimentalni uslovi su isti kao na slici 5.29. Brojevi iznad stubova predstavljaju procenat uvećanja koncentracije glukoze u odnosu na kontrolni uzorak. Na slici 5.30. moţe se videti da sa porastom vremena dejstva, od 1 do 5 min, raste i koncentracija glukoze nakon završene enzimske hidrolize, meĊutim dejstvom mikrotalasa od 7 min dolazi do pada koncentracije glukoze usled pojave inhibicije enzima visokom koncentracijom glukoze ili delimiĉnom inaktivacijom enzima zbog dugog izlaganja visokoj temperaturi tokom predtretmana mikrotalasima. Vreme dejstva mikrotalasa od 5 min je izabrano kao optimalno, s obzirom da je u tom sluĉaju postignuta maksimalna koncentracija glukoze nakon enzimske hidrolize od 197,11 g/l (što odgovara povećanju koncentracije glukoze od 8,48% u odnosu na kontrolni uzorak). Sliĉno ovim rezultatima, relativno kratko trajanje predtretmana mikrotalasima izabrano je i od strane drugih istraţivaĉa, kao vreme dovoljno da se postigne bubrenje i geliranje granula skroba a i razaranje kristalne strukture skroba [105, 106, 209]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 194 MeĊutim, potrebno je ispitati i kada je optimalno izlagati uzorak delovanju mikrotalasa u odnosu na dodatak enzima Termamyl SC, odnosno ispitati da li mikrotalasi deluju i na aktivnost ovog enzima. Prema tome, u daljim eksperimentima uzorci su izlagani dejstvu mikrotalasa u toku 5 min, i to: pre dodatka enzima Termamyl SC (uzorak 3.), i 2,5 min pre i 2,5 min posle dodatka enzima Termamyl SC (uzorak 4.). Dobijeni rezultati su uporeĊeni sa uzorkom 2. koji je tretiran 5 min nakon dodatka enzima Termamyl SC u prethodnom eksperimentu (slika 5.30.), i prikazani su u tabeli 5.21. Istovremeno je uraĊen i kontrolni uzorak (uzorak 1.) koji nije izlagan dejstvu mikrotalasa, pod istim eksperimentalnim uslovima. Tabela 5.21. Uticaj vremena dejstva mikrotalasa optimalne snage na koncentraciju glukoze nakon dvojno-enzimske hidrolize kukuruznog brašna Broj uzorka Vreme dejstva ultrazvuka, min Koncentracija glukoze, g/l Uvećanje koncentracije glukoze u odnosu na kontrolu, % 1 0 181,70 - 2 5 210,70 15,96 3 5 208,76 14,89 4 2,5 + 2,5 212,53 16,96 Uslovi procesa su isti kao na slici 5.30. Na osnovu rezultata prikazanih u tabeli 5.21. moţe se videti da je optimalno vreme delovanja mikrotalasa 2,5 min pre i 2,5 min posle dodatka enzima Termamyl SC, kada se postiţe maksimalni porast koncentracije glukoze od 16,95% u odnosu na kontrolni uzorak. PoreĊenjem rezultata dobijenih primenom predtretmana ultrazvukom i mikrotalasima, koji su izvoĊeni pri optimalnim vrednostima parametara za dejstvo ultrazvuka i mikrotalasa, (slika 5.25. i tabela 5.21.), moţe se videti da se znatno veći porast koncentracije glukoze u odnosu na kontrolni uzorak dobija primenom mikrotalasa kao predtretmana. Primenom predtretmana ultrazvukom i mikrotalasima pri optimalnim parametrima postignut je porast koncentracije glukoze nakon enzimske hidrolize u odnosu na kontrolni uzorak u iznosu od 15,37 i 16,96%, respektivno. Ovo se moţe objasniti primenom znatno više temperature (96 °C) koja se postiţe primenom snage mikrotalasa od Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 195 80 W u odnosu na predtretman ultrazvukom koji se izvodi pri optimalnoj temperaturi od 60 °C. Viša temperatura pogoduje boljoj razgradnji strukture zrna skroba, većem otpuštanju skroba i povećanju prinosa glukoze tokom enzimske hidrolize. Pri optimalnim vrednostima parametara za predtretman mikrotasima praćena je kinetika dvojno-enzimske hidrolize u toku 5 h. Dobijeni rezultati su uporeĊeni sa kontrolnim uzorkom (koji nije izlagan dejstvu ni ultrazvuka ni mikrotalasa) i sa uzorkom tretiranim ultrazvukom pri optimalnim parametrima (slika 5.25.), i prikazani su na slici 5.31. 0 1 2 3 4 5 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 K o n c e n tr a c ija g lu k o z e , g /l Vreme, h kontrola ultrazvuk mikrotalasi Slika 5.31. Uticaj primene predtretmana ultrazvukom i mikrotalasima pri optimalnim vrednostima parametara na kinetiku dvojno-enzimske hidrolize kukuruznog brašna. Uslovi procesa: predtretman ultrazvukom – t=60 °C, =2,5+2,5 min, ν=40 kHz, predtretman mikrotalasima – snaga 80 W na 96 °C, =2,5+2,5 min, hidromodul 1:3, parametri likvefakcije i saharifikacije kao na slici 5.29. Na slici 5.31. se moţe videti da je predtretman mikrotalasima pokazao bolje rezultate u smislu viših koncentracija glukoze koje se postiţu tokom enzimske hidrolize, u odnosu na predtretman ultrazvukom. Već nakon 1 h enzimske hidrolize, primenom predtretmana mikrotalasima i ultrazvukom postiţu se visoke koncentracije glukoze od 145,09 g/l i 120,02 g/l, respektivno. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 196 Kako bi se ispitao uticaj dejstva mikrotalasa na strukturu zrna skroba kukuruznog brašna i na efekte dvojno-enzimske hidrolize, na slici 5.32. su prikazane SEM slike: a) uzorka tretiranog mikrotalasima snage od 80 W 2,5 min pre dodatka enzima Termamyl SC (uvećanje 2000×), b) uzorka tretiranog mikrotalasima snage od 80 W nakon likvefakcije (uvećanje 500×) i c) uzorka tretiranog mikrotalasima snage od 80 W nakon saharifikacije (uvećanje 500×). Radni napon je iznosio 20 kV. Ove SEM slike su uporeĊene sa slikama 5.26. a), b) i c) na kojima su prikazani: suspenzija kukuruznog brašna i vode pre poĉetka hidrolize i bez dejstva mikrotalasa, kontrolni uzorak (bez dejstva mikrotalasa) nakon likvefakcije i kontrolni uzorak nakon saharifikacije, respektivno. (a) (b) Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 197 (c) Slika 5.32. SEM slike kukuruzne suspenzije: a) uzorak tretiran mikrotalasima 2,5 min pre dodatka enzima Termamyl SC, b) uzorak tretiran mikrotalasima nakon likvefakcije i c) uzorak tretiran mikrotalasima nakon saharifikacije. Predtretman mikrotalasima – snaga 80 W na 96 °C, =2,5+2,5 min. Dvojno-enzimska hidroliza je vršena pri optimalnim uslovima kao što je prikazano na slici 5.29. PoreĊenjem slika 5.26. a) i 5.32 a) moţe se videti da su mikrotalasi znaĉajno uticali na razgradnju i razaranje strukture granula skroba, što pogoduje boljem otpuštanju skroba koji postaje dostupan za dalju hidrolizu, pa samim tim dolazi i do povećanja prinosa glukoze tokom dvojno-enzimske hidrolize. U skladu sa tim su i rezultati prikazani na slici 5.31. gde se moţe videti da se u uzorku tretiranom mikrotalasima već posle 1 h enzimske hidrolize postiţe koncentracija glukoze za 34% veća nego u kontrolnom uzorku. PoreĊenjem slika 5.26. b) i 5.32 b) uoĉava se da ja faza uteĉnjavanja ranije nastupila kod uzorka tretiranog mikrotalasima (s obzirom da je razgradnja strukture skroba zapoĉela i pre dodatka enzima Termamyl SC). Potpunija hidroliza skroba se postiţe i nakon saharifikacije u uzorku tretiranom mikrotalasima (u odnosu na kontrolni uzorak), kao što je prikazano na slikama 5.26. c) i 5.32 c). Palav i Seetharaman smatraju da mikrotalasi izazivaju vibraciona kretanja molekula vode prisutnih u okolini kristalne strukture skroba i da se kao posledica tog dejstva razara struktura zrna i pre dostizanja temperature ţelatinizacije. Oni su pokazali da pri visokim Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 198 temperaturama na kojima se izvodi predtretman mikrotalasima izostaje faza bubrenja i odmah nastupa razaranje granula skroba [105, 106]. 5.2.3.7.3. Uticaj dejstva mikrotalasa kao predtretmana na kinetiku SSF procesa pri optimalnom vremenu i snazi dejstva mikrotalasa U ovom eksperimentu ispitivana je proizvodnja etanola tokom SSF procesa (bez dodatka aktivatiora) uz predtretman uzorka mikrotalasima. Predtretman mikrotalasima izvoĊen je pri optimalnim parametrima: vreme od 2,5 pre i 2,5 min posle dodatka enzima Termamyl SC, snaga 80 W pri temperaturi od 96 °C. U prethodnim eksperimentima (odeljak 5.2.3.5.) SSF proces bez dodatka aktivatora je izbaran kao ekonomski najpovoljniji i najefikasniji u proizvodnji etanola iz kukuruznog brašna pomoću slobodnih ćelija kvasca. SSF proces je voĊen pri optimalnim parametrima odreĊenim u prethodnim eksperimentima (odeljak 5.2.3.4.). Sadrţaj etanola, koncentracija glukoze i broj ćelija kvasca odreĊivani su nakon 4, 8, 20, 26, 32, 44 i 48 h SSF procesa. Proizvodnja etanola, potrošnja glukoze i promena broja ćelija kvasca u toku 48 h SSF procesa bez dodatka aktivatora i uz predtretman mikrotalasima uporeĊeni su kontrolnim uzorkom (bez dejstva mikrotalasa), i prikazani su na slikama 5.33. i 5.34. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 S a d rž a j e ta n o la , % ( w /w ) Vreme, h etanol glukoza K o n c e n tr a c ija g lu k o z e , g /l Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 199 Slika 5.33. Kinetika proizvodnje etanola i potrošnje glukoze tokom SSF procesa kukuruznog brašna bez dodatka aktivatora pri optimalnim parametrima predtretmana mikrotalasima. Uslovi procesa: predtretman mikrotalasima – snaga 80 W na 96 °C, =2,5+2,5 min; likvefakcija - hidromodul 1:3, t=85 °C, pH=6, =1 h, c (Termamyl SC)=0,02% (v/w), brz. mešanja ν=150 rpm; SSF proces - t=30 °C pH=5, =48 h, brz. mešanja ν=100 rpm, c (SAN Extra L)=0,12% (v/w), koliĉina inokuluma 2% (v/v). Puna linija – uzorak tretiran mikrotalasima, isprekidana linija – kontrolni uzorak (bez dejstva mikrotalasa). Na slici 5.33. se moţe videti da su više vrednosti sadrţaja etanola tokom 48 h SSF procesa postignute kod uzorka tretiranog mikrotalasima u odnosu na kontrolu. Ovo se moţe objasniti time što je predtretman mikrotalasima uticao na brţu razgradnju granula skroba (slika 5.32), pa je i poĉetna koncentracija glukoze u tom sluĉaju bila viša (145 g/l) nego u kontrolnom uzorku. Maksimalan sadrţaj etanola postignut je nakon 32 h i iznosio je 9,87% (w/w), što predstavlja uvećanje sadrţaja etanola u odnosu na kontrolni uzorak od 13,45%. MeĊutim, kod uzorka tretiranog mikrotalasima, nakon 32 h SSF procesa dolazi do opadanja sadrţaja etanola usled pojave inhibicije kvasca visokim sadrţajem etanola, što je u skladu i sa opadanjem broja ćelija kvasca kao što je prikazano na slici 5.34. TakoĊe, na slici 5.33. je zapaţeno povećanje koncentracija glukoze na poĉetku SSF procesa (u prvih 8 h) kod uzoraka i sa i bez predtretmana mikrotalasima, ukazujući na to da je brzina hidrolize skroba bila veća od brzine potrošnje glukoze od strane ćelija kvasca. Ova promena koncentracije glukoze je u skladu sa niskim sadrţajem etanola na poĉetku SSF procesa. Nakon 8 h procesa vrednosti koncentracije glukoze su opadale tokom SSF procesa. Ovakav trend promene koncentracije glukoze tokom SSF procesa zabeleţen je i od strane drugih autora [62, 64, 186]. Kod uzorka tretiranog mikrotalasima, veća je potrošnja glukoze tokom SSF procesa u odnosu na kontrolni uzorak, a nakon 48 h postignuta je niţa koncentracija glukoze u odnosu na kontrolni uzorak i iznosila je 0,67 g/l (što odgovara potrošnji glukoze tokom SSF procesa od 99,54%). Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 200 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 lo g ( b r. c e lij a , C F U /m l) Vreme, h kontrola mikrotalasi Slika 5.34. Promena broja ćelija kvasca u toku SSF procesa kukuruznog brašna bez dodatka aktivatora pri optimalnim parametrima predtretmana mikrotalasima. Uslovi procesa su kao na slici 5.33. Puna linija – uzorak tretiran mikrotalasima, isprekidana linija – kontrolni uzorak (bez dejstva mikrotalasa). Na slici 5.34. se moţe videti da se kod uzorka tretiranog mikrotalasima postiţe veći broj ćelija tokom SSF procesa u poreĊenju sa kontrolom, ali i ranije zapoĉinje faza odumiranja ćelija kvasca (nakon 26 h) usled inhibicije kvasca proizvodom, odnosno visokom koncentracijom etanola. Faza odumiranja ćelija kod kontrolnog uzorka poĉinje tek nakon 44 h SSF procesa. Maksimalan broj ćelija od 1,26·108 CFU/ml u uzorku tretiranom mikrotalasima postignut je nakon 26 h SSF procesa. Na osnovu slika 5.33. i 5.34. moţe se videti da se vreme SSF procesa uz predtretman mikrotalasima moţe skratiti na 32 h, kao što je to sluĉaj kod SSF procesa kontrolnog uzorka (odeljak 5.2.3.4.1.) i uzorka tretiranog ultrazvukom (odeljak 5.2.3.6.3.). U tabeli 5.22. prikazane su vrednosti procesnih parametara dobijenih prilikom izvoĊenja SSF procesa sa i bez predtretmana mikrotalasima nakon 32 h. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 201 Tabela 5.22. Vrednosti znaĉajnih procesnih parametara postignutih nakon 32 h SSF procesa kukuruznog brašna sa i bez predtretmana mikrotalasima Parametar Kontrola (bez dejstva mikrotalasa) SSF proces uz predtretman mikrotalasima Sadrţaj etanola, % (w/w) 8,70 9,87 Prinos etanola YP/S, g/g 0,45 0,51 Procenat od teorijskog sadrţ. etanola, % 80,04 90,80 Vol. produktivnost P,g/l·h 2,72 3,08 Potrošnja glukoze, % 78,75 99,54 Uslovi procesa su kao na slici 5.33. Na osnovu rezultata prikazanih u tabeli 5.22. moţe se videti da se SSF proces uz predtretman mikrotalasima pokazao kao superiorniji u odnosu na kontrolni uzorak u smislu postizanja viših vrednosti svih procesnih parametara, uštede energije i povećanja energetske efikasnosti procesa. Primenom predtretmana mikrotalasima povećan je maksimalan sadrţaj etanola postignut nakon 32 h SSF procesa (13,45% u odnosu na kontrolni uzorak), pa se time povećava vrednost i ostalih procesnih parametara. U sluĉaju primene predtretmana ultrazvukom povećanje sadrţaja etanola u odnosu na kontrolni uzorak nakon 32 h SSF procesa je bilo manje i iznosilo je 9,31% (tabela 5.20.). Stoga, primena predtretmana mikrotalasima doprinosi efikasnijoj dvojno-enzimskoj hidrolizi u poreĊenju sa predtretmanom ultrazvukom (slika 5.31.), kao i većem porastu sadrţaja etanola i drugih procesnih parametara u odnosu na kontrolni uzorak tokom SSF procesa (slike 5.27. i 5.33., tabele 5.20. i 5.22.). Zhu i saradnici [62] su ispitivali SSF proces pirinĉane slame sa i bez primene predtretmana mikrotalasima. TakoĊe su utvrdili da se više vrednosti sadrţaja i prinosa etanola postiţu ukoliko je uzorak tretiran mikrotalasima, s obzirom da je tada hidrolizat sa višim sadrţajem fermentabilnih šećera pogodniji za izvoĊenje fermentacije. Pod optimalnim uslovima izvoĊenja SSF procesa sa dejstvom mikrotalasa postigli su maksimalne vrednosti sadrţaja i prinosa etanola od 25,8 g/l i 57,5%, respektivno, koje su znatno niţe nego u ovom radu jer je u pitanju lignocelulozna sirovina. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 202 Iako je primena predtretmana mikrotalasima uticala na povećanje produktivnosti etanola tokom SSF procesa, neophodno je prilikom procene ukupnih troškova proizvodnje uzeti u obzir i visoku potrošnju energije tokom mikrotalasnog zagrevanja. 5.2.4. Alkoholna fermentacija sa imobilisanim ćelijama kvasca S. cerevisiae var. ellipsoideus 5.2.4.1. Uticaj početne koncentracije glukoze na tok alkoholne fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna pri konstantnoj količini inokuluma imobilisanog kvasca Ovaj set eksperimenata je voĊen u cilju odreĊivanja optimalne poĉetne koncentracije glukoze za fermentaciju sa imobilisanim ćelijama kvasca, s obzirom da je poĉetna koncentracija glukoze jedan od bitnih faktora koji utiĉu na efikasnost alkoholne fermentacije. Izvršeno je ispitivanje promene sadrţaja etanola, koncentracije glukoze i broja ćelija tokom fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna pri razliĉitim poĉetnim koncentracijama glukoze: 150, 175 i 200 g/l. Fermentacija je praćena tokom 74 h, a uzorci su analizirani nakon 2, 14, 26, 38, 50, 62 i 74 h. Koliĉina inokuluma iznosila je 2% (w/v), što odgovara poĉetnom broju ćelija kvasca od ~5·107 CFU/g ĉestica. Rezultati ispitivanja prikazani su na slikama 5.35. i 5.36. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 203 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 S a d rž a j e ta n o la , % ( w /w ) Vreme, h 150 g/l 175 g/l 200 g/l K o n c e n tr a c ija g lu k o z e , g /l Slika 5.35. Promena sadrţaja etanola i koncentracije glukoze u toku alkoholne fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna pomoću imobilisanog kvasca pri razliĉitim poĉetnim koncentracijama glukoze. Koliĉina inokuluma je 2% (w/v). Uslovi procesa: hidromodul 1:3, likvefakcija - t=85 °C, pH=6, =1 h, c (Termamyl SC)=0,02% (v/w), brzina mešanja ν=150 rpm; saharifikacija - t=55 °C, pH=5, =4 h, c (SAN Extra L)=0,12% (v/w); fermentacija - t=30 °C, pH=5, =74 h, ν=100 rpm. Puna linija – sadrţaj etanola, isprekidana linija – koncentracija glukoze. Kao što je prikazano na slici 5.35., sadrţaj etanola je postepeno rastao tokom fermentacije pri poĉetnim koncentracijama glukoze od 150 i 175 g/l. Najviše vrednosti sadrţaja etanola tokom 74 h fermentacije postignute su pri poĉetnoj koncentraciji glukoze od 175 g/l. MeĊutim, pri poĉetnoj koncentraciji glukoze od 200 g/l, postignute su niţe vrednosti sadrţaja etanola zbog pojave inhibicije kvasca supstratom i proizvodom. Na kraju fermentacije, nakon 74 h, maksimalan sadrţaj etanola je dostignut pri poĉetnoj koncentraciji od 175 g/l i iznosio je 9,22% (w/w). TakoĊe, na slici 5.35. se moţe videti da se najniţe vrednosti glukoze nakon 14 h fermentacije postiţu ukoliko je poĉetna koncentracija glukoze 175 g/l, što je u skladu sa prikazanim rezultatima o promeni sadrţaja etanola. U ovom sluĉaju, fermentacija je skoro potpuno završena nakon 50 h fermentacije kada je koncentracija glukoze iznosila 1,36 g/l, što odgovara potrošnji glukoze od 99,23%. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 204 Wendhausen i saradnici [210] su objavili da je prinos etanola tokom šarţne fermentacije šećerne trske pomoću imobilisanog kvasca S. cerevisiae strogo zavisio od poĉetne koncentracije glukoze. MeĊutim, u njihovom radu inhibicija supstratom je zapaţena pri veoma visokim poĉetnim koncentracijama glukoze (iznad 30%). Roukas [211] je istraţivao proizvodnju etanola dolivnim postupkom iz melase šećerne repe pomoću kvasca S. cerevisiae imobilisanog u Ca-alginatu. Najvišu vrednost sadrţaja etanola postigao je pri poĉetnoj koncentraciji glukoze od 250 g/l. Ova poĉetna koncentracija glukoze je mnogo viša od optimalne poĉetne koncentracije u ovom radu, jer je korišćen dolivni postupak proizvodnje kao i razliĉita sirovina. Roukas [211] i Ozmihci i Kargi [192] su predloţili korišćenje dolivnog postupka proizvodnje etanola kao naĉin da se prevaziĊe inhibicija supstratom koja se javlja pri visokim koncentracijama šećera u sistemu i sa slobodnim i imobilisanim ćelijama kvasca. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 10,5 lo g ( b r. c e lij a , C F U /g ) Vreme, h 150 g/l 175 g/l 200 g/l Slika 5.36. Promena broja ćelija imobilisanog kvasca u toku alkoholne fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna pri razliĉitim poĉetnim koncentracijama glukoze. Koliĉina inokuluma je 2% (w/v). Uslovi procesa kao na slici 5.35. Kao što je prikazano na slici 5.36., tokom fermentacije najmanji broj ćelija kvasca je zapaţen kada je poĉetna koncentracija glukoze iznosila 200 g/l. Do ovoga je došlo usled inhibicije rasta kvasca supstratom, a na kraju fermentacije i proizvodom. TakoĊe, pri ovoj Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 205 poĉetnoj koncentraciji glukoze ćelije kvasca najranije ulaze u fazu odumiranja. Pri poĉetnoj koncentraciji glukoze od 150 g/l imobilisane ćelije kvasca brţe ulaze u stacionarnu fazu rasta (s obzirom da je glukoza iz fermentacione podloge mnogo brţe iskorišćena od strane kvasaca pri niţoj poĉetnoj koncentraciji glukoze) nego pri višoj koncentraciji od 175 g/l. Na kraju fermentacije najveći broj ćelija od 1,51·109 CFU/g postiţe se pri poĉetnoj koncentraciji glukoze od 175 g/l, što predstavlja promenu broja ćelija u odnosu na poĉetni broj za 1,48 logaritamskih jedinica. Troškovi proizvodnje etanola mogu se znaĉajno smanjiti postizanjem što većeg sadrţaja etanola tokom fermentacije kako bi se smanjili troškovi destilacije etanola, kao i smanjenjem vremena trajanja alkoholne fermentacije. Na slici 5.35. se moţe videti da su maksimalne vrednosti etanola postignute pri poĉetnoj koncentraciji glukoze od 175 g/l. Pri ovoj poĉetnoj koncentraciji glukoze izvršena je procena osnovnih procesnih parametara nakon 26, 38 i 74 h fermentacije radi odreĊivanja optimalne duţine trajanja fermentacije (tabela 5.23). Veoma visoke vrednosti sadrţaja etanola od 8,90% (w/w), prinosa etanola od 0,46 g/g, procenta od teorijskog sadrţaja etanola od 81,88%, volumetrijske produktivnosti od 2,34 g/l·h i potrošnje glukoze od 94,14% postignute su nakon 38 h fermentacije pri poĉetnoj koncentraciji glukoze od 175 g/l. Daljim produţavanjem vremena fermentacije ne dolazi do znaĉajnijeg porasta vrednosti procesnih parametara, a dolazi i do smanjenja volumetrijske produktivnosti. Na osnovu prikazanih rezulatata (slika 5.35., tabela 5.23.) predlaţe se smanjenje vremena fermentacije na 38 h i izbor poĉetne koncentracija glukoze od 175 g/l kao optimalne vrednosti. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 206 5.2.4.2. Uticaj količine inokuluma imobilisanog kvasca na tok alkoholne fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna pri optimalnoj početnoj koncentraciji glukoze Kako bi se ispitao uticaj poĉetne koliĉine inokuluma na tok alkoholne fermentacije praćena je promena sadrţaja etanola, koncentracije glukoze i broja ćelija kvasca tokom 74 h fermentacije sa 10 i 20% (w/v) inokuluma pri optimalnoj poĉetnoj koncentraciji glukoze od 175 g/l. Rezultati ispitivanja su uporeĊeni sa rezultatima dobijenim tokom fermentacije sa 2% (w/v) inokuluma i prikazani su na slikama 5.37. i 5.38. U tabeli 5.23. prikazani su znaĉajni procesni parametri postignuti tokom fermentacije sa razliĉitim koliĉinama inokuluma imobilisanog kvasca i konstantnoj poĉetnoj koncentraciji glukoze od 175 g/l. Tabela 5.23. Vrednosti znaĉajnih procesnih parametara postignutih tokom alkoholne fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna sa razliĉitim poĉetnim koliĉinama inokuluma imobilisanog kvasca Vreme, h Poĉetna koliĉina inokuluma, % (w/v) Sadrţaj etanola, % (w/w) Prinos etanola YP/S , g/g Procenat od teorijskog sadrţ. etanola, % Vol. produktivn ost P, g/l·h Potrošnja glukoze, % 26 2 6,71 0,35 61,73 2,58 84,94 10 8,01 0,42 73,69 3,08 92,16 20 7,15 0,37 65,78 2,75 85,10 38 2 8,90 0,46 81,88 2,34 94,14 10 8,20 0,43 75,44 2,16 91,00 20 7,25 0,38 66,70 1,91 94,91 74 2 9,22 0,48 84,82 1,25 99,93 10 8,00 0,42 73,60 1,08 99,52 20 7,50 0,39 69,00 1,01 99,45 Uslovi procesa kao na slici 5.35. Poĉetna koncentracija glukoze je 175 g/l. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 207 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 K o n c e n tr a c ija g lu k o z e , g /l S a d rž a j e ta n o la , % ( w /w ) Vreme, h 2% inokuluma 10% inokuluma 20% inokuluma Slika 5.37. Promena sadrţaja etanola i koncentracije glukoze u toku alkoholne fermentacije sa razliĉitim poĉetnim koliĉinama inokuluma imobilisanog kvasca. Poĉetna koncentracija glukoze je 175 g/l. Uslovi procesa su kao na slici 5.35. Puna linija – sadrţaj etanola, isprekidana linija – koncentracija glukoze. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 lo g ( b r. c e lij a , C F U /g ) Vreme, h 2% inokuluma 10% inokuluma 20% inokuluma Slika 5.38. Promena broja ćelija imobilisanog kvasca u toku alkoholne fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna sa razliĉitim koliĉinama inokuluma. Poĉetna koncentracija glukoze je 175 g/l. Uslovi procesa kao na slici 5.35. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 208 Maksimalan krajnji sadrţaj etanola (slika 5.37., tabela 5.23.), kao i maksimalan prinos etanola, procenat od teorijskog sadrţaja etanola i volumetrijska produktivnost, postignuti su pri poĉetnoj koliĉini inokuluma od 2% (w/v). Nakon 26 h fermentacije vrednosti ovih procesnih parametara pri većim koliĉinama inokuluma od 10 i 20% (w/v) bile su mnogo niţe od vrednosti parametara postignutih pri koliĉini inokuluma od 2% (w/v). Ovo pokazuje da nije potrebno koristiti veće koliĉine inokuluma jer to nije doprinelo povećanju sadrţaja etanola a time i drugih procesnih parametara. Tokom fermentacije, pri svakoj koliĉini inokuluma, dolazi do opadanja koncentracije glukoze što je u skladu sa porastom sadrţaja etanola. Na kraju fermentacije najveća potrošnja glukoze od 99,93% postignuta je pri koliĉini inokuluma od 2% (w/v). Na slici 5.38. moţe se uoĉiti da pri koliĉini inokuluma od 2% (w/v) ćelije brţe ulaze u stacionarnu fazu rasta, a nakon 50 h fermentacije brţe i odumiru. Trend promene broja ćelija tokom fermentacije sa 10 i 20% (w/v) inokuluma je veoma sliĉan. Maksimalan broj ćelija je postignut nakon 50 h pri koliĉini inokuluma od 2% (w/v) i iznosio je 5,25·109 CFU/g, što predstavlja promenu broja ćelija u odnosu na poĉetni broj za 2,02 logaritamske jedinice. Razlog zbog ĉega povećanje koliĉine inokuluma iznad odreĊene vrednosti nije rezultovao u povećanju prinosa etanola je verovatno ĉinjenica da je pri višim koncentracijama inokuluma više supstrata utrošeno za rast ćelija kvasca. Optimalna koliĉina inokuluma i za slobodne i za imobilisane ćelija kvasca je iznosila 2% (w/v), što ukazuje na to da ne postoje ograniĉenja difuzije supstrata kod imobilisanih ćelija i da je primenjeni metod imobilizacije ćelija odgovarajući. 5.2.4.3. Poređenje proizvodnje bioetanola pomoću slobodnih i imobilisanih ćelija kvasca tokom SHF procesa (odvojene saharifikacije i fermentacije) Tokom fermentacije sa slobodnim ćelijama kvasca, maksimalne vrednosti sadrţaja etanola, prinosa etanola, procenta od teorijskog sadrţaja etanola, volumetrijske produktivnosti i potrošnje glukoze postignute su pri poĉetnoj koncentraciji glukoze od 150 g/l (slika 5.10., tabela 5.12.). Pri ovoj koncentraciji supstrata slobodne ćelija kvasca predstavljaju produktivniji sistem od imobilisanih ćelija. S druge strane, kod fermentacije Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 209 sa imobilisanim kvascem maksimalne vrednosti svih znaĉajnih procesnih parametara postignute su pri višoj poĉetnoj koncentraciji glukoze od 175 g/l (slika 5.35., tabela 5.23). Singh i saradnici [145] su u svom radu zakljuĉili da je koncentracija proizvedenog etanola relativno sliĉna kod šarţne fermentacije sa slobodnim i imobilisanim ćelijama kvasca u Ca-alginatu. MeĊutim, u ovom radu imobilisane ćelije su pokazale povećanu tolerantnost prema višim koncentracijama supstrata i proizvoda u odnosu na slobodne ćelije kvasca. Tokom fermentacije sa imobilisanim kvascem, do inhibicije supstratom je došlo pri poĉetnoj koncentraciji glukoze od 200 g/l (slika 5.35.), dok su slobodne ćelije kvasca inhibirane pri niţoj poĉetnoj koncentraciji glukoze od 175 g/l (slika 5.10.). Smatra se da su ćelije imobilisane u Ca-alginatu tolerantnije na etanol s obzirom da matriks ima zaštitnu ulogu pri toksiĉnom delovanju visokih koncentracija etanola, kao što su objavili Ciesarová i saradnici [212] and Verbelen i saradnici [213]. Wendhausen i saradnici [210] su ispitivali šarţnu fermentaciju sirupa šećerne trske pomoću imobilisanih i slobodnih ćelija kvasca S. cerevisiae pri razliĉitih poĉetnim koncentracijama glukoze. Oni su objavili da je pri poĉetnoj koncentraciji glukoze od 10% postignut prinos etanola od 87% od teorijskog prinosa u imobilisanom sistemu, i viši prinos etanola od 90% u sistemu sa slobodnim ćelijama. Kada je poĉetna koncentracija glukoze povećana na 20%, viši prinos etanola (92%) je postignut sa imobilisanim nego sa slobodnim kvascem (88,6%). U ovoj disertaciji, pri poĉetnoj koncentraciji glukoze od 150 g/l, prinos etanola je bio dva puta veći u sistemu sa slobodnim ćelijama nakon 38 h fermentacije, ali pri poĉetnoj koncentraciji glukoze od 175 g/l sistem sa imobilisanim kvascem se pokazao kao superiorniji (slike 5.10. i 5.35., tabele 5.12. i 5.23.). PoreĊenjem znaĉajnih procesnih parametara postignutih tokom fermentacije sa slobodnim i imobilisanim kvascem (tabele 5.12. i 5.23.), viši sadrţaj etanola, volumetrijska produktivnost i procenat od teorijskog sadrţaja etanola su postignuti u imobilisanom sistemu pod optimalnim procesnim parametrima (poĉetna koliĉina inokuluma od 2% za oba sistema; poĉetne koncentracije glukoze od 150 i 175 g/l za slobodni i imobilisani kvasac, respektivno). Porast vrednosti procesnih parametara nije toliko velik u šarţnom sistemu, ali moţe biti od velikog znaĉaja u kontinualnom fermentacionom sistemu sa imobilisanim ćelijama. Prednost imobilisanog sistema moţe biti potvrĊena detaljnom ekonomskom analizom kompletnog procesa ukljuĉujući i fazu imobilizacije ćelija. Prema Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 210 tome, primena imobilisanog sistema u kontinualnom postupku proizvodnje etanola je deo budućih istraţivanja. 5.2.4.4. Kinetika alkoholne fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna sa recirkulacijom imobilisanih ćelija kvasca U ovom eksperimentu su izvoĊena dva uzastopna ciklusa šarţne fermentacije pri istim procesnim uslovima. Svaki ciklus je izvoĊen pri optimalnim parametrima fermentacije koji su odreĊeni u prethodnim eksperimentima: vreme trajanja od 38 h, poĉetna koliĉina inokuluma od 2% (w/v) i poĉetna koncentracija glukoze od 175 g/l. U svakoj narednoj šarţi vršena je korekcija poĉetnog broja ćelija, pa je poĉetan broj ćelija kvasca na poĉetku svakog ciklusa bio isti (~5·107 CFU/g ĉestica). Rezultati ispitivanja su prikazani na slici 5.39. i u tabeli 5.24. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 40 60 80 100 120 140 160 180 II ciklusI ciklus K o n c e n tr a c ija g lu k o z e , g /l S a d rž a j e ta n o la , % ( w /w ) Vreme, h etanol glukoza Slika 5.39. Promena sadrţaja etanola i koncentracije glukoze u toku prvog i drugog ciklusa šarţne fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna pomoću imobilisanog kvasca. Uslovi procesa: parametri likvefakcije i saharifikacije kao na slici 5.35.; fermentacija - t=30 °C, pH=5, =38 h, ν=100 rpm, poĉetna koncentracija glukoze 175 g/l, koliĉina inokuluma 2% (w/v). Puna linija – sadrţaj etanola, isprekidana linija – koncentracija glukoze. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 211 Tabela 5.24. Vrednosti znaĉajnih procesnih parametara i broja ćelija u prvom i drugom ciklusu šarţne fermentacije hidrolizata kukuruznog brašna pomoću imobilisanog kvasca Parametar Fermentacioni ciklus I ciklus, 38 h II ciklus, 38 h Sadrţaj etanola, % (w/w) 8,90 8,67 Prinos etanola YP/S , g/g 0,46 0,45 Procenat od teor. sadrţ. etanola, % 81,88 79,76 Vol. produktivnost P, g/l·h 2,34 2,28 Potrošnja glukoze, % 81,76 77,70 Broj ćelija, CFU/g 2,50·10 9 3,35·1010 Uslovi procesa kao na slici 5.39. Na osnovu rezultata prikazanih na slici 5.39. i u tabeli 5.24. moţe se videti da su postignute vrednosti sadrţaja etanola u toku prvog ciklusa neznatno više nego u drugom ciklusu. IzmeĊu 12 i 36 h fermentacije uoĉava se intezivna produkcija etanola u oba ciklusa. U skladu sa promenom sadrţaja etanola tokom fermentacije, brzina iskorišćenja glukoze u prvom ciklusu neznatno je veća nego u drugom ciklusu. U tabeli 5.24. se moţe videti da je broj ćelija kvasca unutar ĉestica Ca-alginata intezivno rastao od prvog do drugog fermentacionog ciklusa. TakoĊe, na kraju svakog ciklusa sadrţaj etanola i ostali procesni parametri se neznatno razlikuju, što pokazuje da su ćelije kvasca imobilisane u Ca-alginatu oĉuvale svoju aktivnost u proizvodnji etanola tokom 3 dana. Nakon drugog ciklusa dobijeni sadrţaj etanola od 8,67% (w/w) je manji od sadrţaja etanola na kraju prvog ciklusa od 8,90% (w/w) za samo 2,58% (tabela 5.24.). U drugom ciklusu šarţne fermentacije sa recirkulisanim ćelijama, nakon 24, 36 i 38 h, primećeno je da dolazi do topljenja alginatnih ĉestica u izvestnoj meri. Nakon izdvajanja imobilisanih ćelija iz fermentacione komine i njihove pripreme za ponovnu recirkulaciju dolazi do potpunog degradiranja strukture alginatnih ĉestica, pa je bilo moguće izvesti samo dva ciklusa fermentacije. Do razaranja alginatnih ĉestica dolazi nakon 3 dana fermentacije, zbog intezivnog rasta broja ćelija unutar Ca-alginata (koji je dostigao vrednost od 3,35·1010 CFU/g) i izdvajanja gasa CO2 tokom fermentacije. Naime, intezivno razmnoţavanje ćelija kvasca unutar matriksa izazvalo je nestabilnost Ca-alginata u Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 212 uslovima niske pH vrednosti tokom fermentacije. Ovaj rezultat je u skladu sa rezultatima istraţivanja Bekers-a i saradnika [214] koji su ispitivali šarţnu fermentaciju saharoze pomoću ćelija Zymomonas mobilis imobilisanih u Ca-alginatu. Oni su objavili da dolazi do povećanja zapremine alginatnih ĉestica, a zatim i do njihove degradacije nakon 4-5 dana. Ĉestice Ca-alginata sa imobilisanim ćelijama kvasca su imale priliĉno ujednaĉen, proseĉan preĉnik od 0,8 mm (slika 4.2.). Smatra se da su ĉestice malog preĉnika pogodnije za izvoĊenje fermentacije s obzirom da obezbeĊuju bolji prenos mase. Kurosawa i saradnici [215] su u svom radu pokazali da je optimalan preĉnik alginatnih ĉestica sa ćelijama kvasca S. cerevisiae 0,5 mm. Znaĉaj ove metode imobilizacije je u tome da matriks uspešno zadrţava ćelije, a ujedno je i dovoljno porozan da obezbedi slobodan prenos supstrata i proizvoda [216]. Alginat je veoma pogodan za ovu metodu imobilizacije (obuhvatanje unutar poroznog matriksa-gela) s obzirom da ima dobre mehaniĉke osobine, nisku cenu i nije toksiĉan [217]. MeĊutim, nedostatak primene Ca-alginata kao imobilizacionog matriksa je taj što fosfati, EDTA i katjoni Mg 2+ i K + mogu razoriti strukturu gela rastvaranjem Ca 2+ jona. To dovodi do raskidanja veza izmeĊu Ca i alginata, odnosno do gubitka mehaniĉke stabilnosti gela i potpunog razaranja njegove strukture [216]. U ovom radu alginatne ĉestice (sa koncentracijom alginata od 2% w/w) su pokazale dobru fiziĉku i hemijsku stabilnost u toku dva ciklusa fermentacije (ukupno 3 dana) i nisu zapaţena ograniĉenja difuzije supstrata i proizvoda. Najafpour i saradnici [7] su takoĊe objavili da je koncentracija alginata od 2% (w/w) u alginatnim ĉesticama bila odgovarajuća za odrţavanje aktivnosti ĉestica u proizvodnji etanola u imobilisanom reaktoru tokom 10 dana. U njihovom radu korišćenjem viših koncentracija alginata (3-6% w/w) dobijene su ĉestice koje su stabilnije i ĉvršće ali sa difuzionim ograniĉenjima. Sree i saradnici [218] su ispitivali šarţnu fermentaciju sa recirkulacijom ćelija osmotoleratnog kvasca S. cerevisiae imobilisanog u Ca-alginatu pri poĉetnim koncentracijama glukoze od 150, 200 i 250 g/l i razliĉitim koliĉinama inokuluma (125 i 250 alginatnih ĉestica, odnosno 0,3125 i 0,625 g ćelija kvasca). Koncentracija alginata je bila 3% (w/w). Pri ovim eksperimentalnim uslovima uspešno je izvedeno 6 ciklusa fermentacije (svaki u trajanju od 48 h), i u svakom narednom ciklusu došlo je povećanja krajnjeg sadrţaja etanola. Alginatne ĉestice su odrţale svoju stabilnost u toku 12 dana, što je mnogo duţe nego u ovom radu, usled drugaĉije vrste Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 213 kvasca i više koncentracije alginata u alginatnim ĉesticama koje su bile dovoljno ĉvrste i stabilne, a i porozne za transport supstrata i proizvoda. 5.2.4.5. Proizvodnja etanola u postupku simultane saharifikacije i fermentacije (SSF) kukuruznog brašna pomoću imobilisanog kvasca U prethodnim eksperimentima koji su izvoĊeni sa slobodnim ćelijama kvasca, SSF proces se pokazao kao ekonomski povoljniji proces u odnosu na odvojenu saharifikaciju i fermentaciju (SHF) usled znaĉajne uštede energije, skraćenja vremena trajanja, povećanja prinosa etanola i poboljšanja produktivnosti proizvodnje etanola. Stoga, potrebno je ispitati i SSF proces sa imobilisanim ćelijama kvasca (pri razliĉitim radnim temperaturama i pri dodatku aktivatora) i uporediti dobijene rezultate sa SSF procesom sa slobodnim ćelijama kvasca. 5.2.4.5.1. Uticaj temperature na tok SSF procesa Ovaj set eksperimenata voĊen je u cilju odreĊivanja optimalne temperature za izvoĊenje SSF procesa. U tu svrhu ispitivane su tri radne temperature: 30, 37 i 42 ºC. Sadrţaj etanola, koncentracija glukoze i broj ćelija mereni su nakon 4, 8, 20, 26, 32, 44 i 48 h SSF procesa. Korišćene su optimalne koncentracije enzima Termamyl SC (0,02% v/w) i SAN Extra L (0,12% v/w), kao i optimalna koliĉina inokuluma od 2% (w/v), odreĊeni u prethodnim eksperimentima. Poĉetan broj ćelija kvasca je iznosio ~5·107 CFU/g ĉestica. Koncentracija glukoze na poĉetku SSF procesa (nakon likvefakcije) iznosila je ~100 g/l. Promena sadrţaja etanola i koncentracije glukoze u toku 48 h SSF procesa kukuruznog brašna sa imobilisanim ćelijama kvasca pri razliĉitim radnim temperaturama prikazana je na slici 5.40. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 214 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 K o n c e n tr a c ija g lu k o ze , g /l S a d rž a j e ta n o la , % ( w /w ) Vreme, h 30°C 37°C 42°C Slika 5.40. Promena sadrţaja etanola i koncentracije glukoze tokom SSF procesa kukuruznog brašna sa imobilisanim ćelijama kvasca i pri razliĉitim temperaturama. Uslovi procesa: likvefakcija - hidromodul 1:3, t=85 °C, pH=6, =1 h, c (Termamyl SC)=0,02% (v/w), brz. mešanja ν=150 rpm; SSF proces - pH=5, =48 h, brz. mešanja ν=100 rpm, c (SAN Extra L)=0,12% (v/w), koliĉina inokuluma 2% (w/v), poĉetan br. ćelija ~5·107 CFU/g. Puna linija – sadrţaj etanola, isprekidana linija – koncentracija glukoze. Kao što je prikazano na slici 5.40., sadrţaj etanola postepeno raste sve vreme trajanja SSF procesa pri svakoj radnoj temperaturi. MeĊutim, na temperaturi od 42 ºC postignute su veoma niske vrednosti sadrţaja etanola. Ove vrednosti sadrţaja etanola su bile više od onih postignutih tokom SSF procesa sa slobodnim ćelijama kvasca pri istoj temperaturi od 42 ºC (slika 5.17.), ali još uvek nezadovoljavajuće. Maksimalan sadrţaj etanola od 9,42% (w/w), prinos etanola od 0,49 g/g, procenat od teorijskog sadrţaja etanola od 86,66%, volumetrijska produktivnost od 1,96 g/l·h i potrošnja glukoze od 97,72% nakon 48 h SSF procesa postignuti su na temperaturi od 30 ºC. Vrednosti procesnih parametara postignutih na temperaturi od 37 ºC bile su niţe nego na temperaturi od 30 ºC (slika 5.40., tabela 5.25.) Na slici 5.40. se moţe videti da su vrednosti koncentracije glukoze bile najviše na temperaturi od 42 ºC, a najniţe na temperaturi od 30 ºC. Ovi rezultati su u skladu sa promenom sadrţaja etanola s obzirom da se glukoza koristi od strane ćelija kvasca kao Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 215 izvor ugljenika. Veoma visoka temperatura od 42 ºC je imala inhibitorni efekat na rast kvasca i produkciju etanola. Kao i tokom SSF procesa sa slobodnim ćelijama, i u sluĉaju imobilisanog kvasca zapaţen je porast koncentracije glukoze na poĉetku SSF procesa pri svakoj radnoj temperaturi. To ukazuje da je tada brzina hidrolize bila veća od brzine fermentacije, a produkcija etanola neznatna. Na kraju SSF procesa na 30, 37 i 42 ºC koncentracija glukoze je opala do vrednosti 2,19 g/l, 20,55 g/l i 30,32 g/l, respektivno. Veoma niska vrednost krajnje koncentracije glukoze na 30 ºC ukazuje na završetak fermentacije s obzirom da je glukoza skoro potpuno utrošena. U tabeli 5.25. prikazane su vrednosti procesnih parametara dobijenih nakon 48 h SSF procesa na temperaturama od 30 i 37 ºC. Veoma niske vrednosti ovih procesnih parametara dobijene tokom SSF procesa na temperaturi od 42 ºC nisu prikazane s obzirom da se smatraju zanemarljivim. Tabela 5.25. Vrednosti znaĉajnih procesnih parametara postignutih nakon 48 h SSF procesa kukuruznog brašna sa imobilisanim ćelijama kvasca na razliĉitim radnim temperaturama Temperatura, °C 30 37 Sadrţaj etanola, % (w/w) 9,42 8,50 Procenat od teorijskog sadrţ. etanola, % 86,66 78,20 Prinos etanola YP/S, g/g 0,49 0,44 Vol. produktivnost P, g/l·h 1,96 1,77 Potrošnja glukoze, % 97,72 77,61 Uslovi procesa su isti kao na slici 5.40. Sree et al. [218] su ispitivali šarţnu fermentaciju sa termotoleratnim kvascem S. cerevisiae VS3 imobilisanim u Ca-alginatu. Optimalna radna temperatura je iznosila 30 °C, a na temperaturi od 42 ºC postignuti su veoma niski prinosi etanola, sliĉno rezultatima u ovom radu. Nasuprot ovome, Liu i saradnici [219] su objavili da je za šarţnu proizvodnju etanola iz sirka pomoću kvasca S. cerevisiae (CICC 1308) imobilisanog u Ca-alginatu, optimalna temperatura nešto viša nego u ovoj disertaciji i iznosi 37 ºC. Çaylak and Sukan Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 216 [174] su ispitivali šarţnu alkoholnu fermentaciju iz sintetiĉkog medijuma sa S. cerevisiae ali koji je imobilisan u 2% gelu agara. Optimalna temperatura je u njihovom radu je nešto niţa i iznosi 28 ºC (s obzirom da se kao nosaĉ za imobilizaciju koristi agar umesto Ca- alginata), a postignute vrednosti sadrţaja etanola i volumetrijske produktivnosti u toku 96 h fermentacije su niţe nego u ovom radu. Promena broja ćelija imobilisanog kvasca tokom SSF procesa kukuruznog brašna pri razliĉitim temperaturama prikazana je na slici 5.41. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 lo g ( b r. c e lij a , C F U /g ) Vreme, h 30 o C 37 o C 42 o C Slika 5.41. Promena broja ćelija imobilisanog kvasca u toku SSF procesa kukuruznog brašna pri razliĉitim temperaturama. Uslovi procesa su isti kao na slici 5.40. Kao što je prikazano na slici 5.41., na temperaturama 30 i 37 ºC nije uoĉena lag faza, broj ćelija je postepeno rastao tokom svih 48 h SSF procesa, i nije uoĉeno smanjenje broja ćelija odnosno faza odumiranja. Maksimalni broj ćelija imobilisanog kvasca je postignut na 30 ºC i iznosio je 1,05·109 CFU/g ĉestica. Ovi rezultati odgovaraju ĉinjenici da ne postoji faza opadanja ni u produkciji etanola tokom SSF procesa na 30 i 37 ºC (slika 5.40.). Tokom SSF procesa na temperaturi od 42 ºC broj ćelija polako opada ukazujući na to visoka temperatura negativno utiĉe na rast ćelija kao i da je došlo do inhibicije kvasca supstratom. Profil promene broja ćelija imobilisanog kvasca tokom SHF procesa (na 30 °C i pri poĉetnoj koncentraciji glukoze od 176 g/l) prikazan na slici 5.36. je drugaĉiji nego Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 217 tokom SSF procesa pri istim procesnim uslovima (slika 5.41). Naime, u 50 h SHF procesa postignut je maksimalan broj ćelija od 5,25·109 CFU/g nakon ĉega nastupa faza odumiranja. Faza odumiranja ćelija nije uoĉena kod SSF procesa. Tokom 48 h SHF i SSF procesa (pri istim procesnim uslovima) došlo je do promene broja ćelija u odnosu na poĉetan broj od 2,02 i 1,32 logaritamskih jedinica, respektivno. Roukas [211] je ispitivao proizvodnju etanola dolivnim postupkom iz melase šećerne repe pomoću kvasca S. cerevisiae, slobodnog i imobilisanog u Ca-alginatu. Maksimalan broj ćelija imobilisanog kvasca od 2,4·109 CFU/g postignut je pri poĉetnoj koncentraciji glukoze od 200 g/l i radnoj temperaturi od 30 ºC, što je sliĉno rezultatima u ovom radu. Ukoliko se uporedi promena sadrţaja etanola tokom SHF i SSF procesa sa imobilisanim ćelijama kvasca pri istim eksperimentalnim uslovima (slike 5.35. i 5.40., tabele 5.23. i 5.25.) moţe se videti da sadrţaj etanola raste sve vreme trajanja SSF procesa, dok se kod SHF procesa uoĉava nagli porast sadrţaja etanola do 26 h a nakon toga se dobijaju relativno bliske vrednosti sadrţaja etanola. Bez obzira na razliĉiti profil produkcije etanola kod SHF i SSF procesa, krajnji sadrţaj etanola, nakon 48 h procesa, je veoma sliĉan za ova dva procesa i iznosi 9,22 i 9,42% (w/w), respektivno. Postepen porast sadrţaja etanola tokom SSF procesa je i oĉekivan s obzirom da se uporedo sa fermentacijom vrši i saharifikacija, pa je i postepeno opadanje koncentracije glukoze, dok se kod SHF procesa uoĉava nagli pad koncentracije glukoze (slike 5.35. i 5.40.). Sliĉna kinetika SHF i SSF procesa bez dodatka aktivatora je i u sluĉaju slobodnih ćelija kvasca, što se moţe videti na slici 5.23. TakoĊe, kod SHF procesa (pri optimalnim parametrima procesa) uspešno se moţe skratiti vreme trajanja procesa na 38 h, dok se SSF proces izvodi 48 h. Ukoliko bi se zbirno posmatralo vreme trajanja dvojno-enzimske hidrolize i SHF procesa, odnosno likvefakcije i SSF procesa, to bi iznosilo 43 i 49 h, respektivno. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 218 5.2.4.5.2. Uticaj dodatka različitih aktivatora (mineralnih soli i vitamina) na tok SSF procesa Ovaj set eksperimenata je voĊen u cilju ispitivanja poboljšanja proizvodnje etanola i rasta kvasca tokom SSF procesa dodatkom razliĉitih aktivatora (mineralnih soli i vitamina). Korišćene su optimalne koncentracije enzima Termamyl SC (0,02% v/w) i SAN Extra L (0,12% v/w), optimalna koliĉina inokuluma od 2% (w/v) i optimalna temperatura procesa od 30 °C, odreĊeni u prethodnim eksperimentima. Koncentracija glukoze na poĉetku SSF procesa (nakon likvefakcije) iznosila je ~100 g/l. Poĉetan broj ćelija kvasca je iznosio ~5·107 CFU/g ĉestica. Korišćeni su sledeći aktivatori kvasca: MgSO4·7H2O (2 g/l što odgovara koncentraciji Mg2+ jona od 10 mM), ZnSO4·7H2O (0,3 g/l što odgovara koncentraciji Zn 2+ jona od 1 mM), Ca-pantotenat (30 mg/l), inozitol (350 mg/l) i biotin (64 μg/l), i to na sledeći naĉin – samo mineralne soli, samo vitamini i smeša mineralnih soli i vitamina. Istovremeno je izvoĊen SSF proces bez dodatka aktivatora (kontrolni uzorak) pod istim eksperimentalnim uslovima kako bi moglo da se izvrši poreĊenje rezultata. S obzirom da se prilikom svakog izvoĊenja alkoholne fermentacije obavezno dodaju soli: 0,4 g/l MgSO4·7H2O, 2 g/l (NH4)SO4 i 4 g/l KH2PO4 (poglavlje 4.2.6.), neophodno je naglasiti da je koncentracija jona Mg 2+ pre dodatnog obogaćivanja hidrolizata iznosila 1,5 mM. Sadrţaj etanola i broj ćelija imobilisanog kvasca postignuti nakon 48 h SSF procesa sa dodatkom samo mineralnih soli, samo vitamina i smeše mineralnih soli i vitamina, uporeĊeni su sa kontrolnim uzorkom (bez aktivatora), i prikazani su na slikama 5.42. i 5.43. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 219 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1,40% 8,60% 5,80% S a d rž a j e ta n o la , % ( w /w ) kontrola mineralne soli vitamini min.+vit. Slika 5.42. Uticaj dodatka mineralnih soli, vitamina i smeše mineralnih soli i vitamina na sadrţaj etanola nakon 48 h SSF procesa kukuruznog brašna sa imobilisanim kvascem. Uslovi procesa: isti kao na slici 5.40. osim što je SSF proces izvoĊen na 30 ºC. Aktivatori: ZnSO4·7H2O (0,3 g/l), MgSO4·7H2O (2 g/l), Ca-pantotenat (30 mg/l), biotin (64 μg/l), inozitol (350 mg/l). Brojevi iznad stubova predstavljaju procenat uvećanja sadrţaja etanola u odnosu na kontrolni uzorak. Na slici 5.42. se moţe videti da je maksimalni porast sadrţaja etanola od 8,60% u odnosu na kontrolni uzorak postignut dodatkom samo mineralnih soli. U ovom sluĉaju, sadrţaj etanola je iznosio 10,23% (w/w). Visoka vrednost sadrţaja etanola od 9,97% (w/w) postignuta je i u uzorku sa dodatkom smeše mineralnih soli i vitamina (povećanje sadrţaja etanola od 5,80% u odnosu na kontrolni uzorak). Veoma malo poboljšanje proizvodnje etanola uoĉeno je u uzorku sa dodatkom samo vitamina kao aktivatora (povećanje sadrţaja etanola od 1,40% u odnosu na kontrolni uzorak). Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 220 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 lo g ( b r. c e lij a , C F U /g ) kontrola mineralne soli vitamini min.+vit. Slika 5.43. Uticaj dodatka mineralnih soli, vitamina i smeše mineralnih soli i vitamina na broj ćelija imobilisanog kvasca nakon 48 h SSF procesa kukuruznog brašna. Uslovi procesa: isti kao na slici 5.40. osim što je SSF proces izvoĊen na 30 ºC. Aktivatori su isti kao na slici 5.42. Ispitivajući uticaj dodatih aktivatora na rast kvasca (slika 5.43.), porast broja ćelija imobilisanog kvasca u uzorcima sa dodatkom mineralnih soli i smeše mineralnih soli i vitamina je bio priliĉno mali, za 0,05 i 0,10 logaritamskih jedinica u odnosu na kontrolni uzorak, respektivno. Dodatak samo vitamina kao aktivatora najviše je uticao na porast broj ćelija, i to za 0,25 logaritamskih jedinica u odnosu na kontrolni uzorak. U ovom sluĉaju postignut je broj ćelija od 1,86·109 CFU/g. Na osnovu rezultata prikazanih na slikama 5.42. i 5.43., dodatak mineralnih soli doprineo je maksimalnom porastu sadrţaja etanola i najmanjem porastu broja ćelija u odnosu na kontrolne uzorke, jer je potrošnja supstrata bila više usmerena ka proizvodnji etanola nego ka proizvodnji biomase. Nasuprot tome, dodatak vitamina doprineo je maksimalnom porastu broja ćelija i najmanjem porastu sadrţaja etanola u odnosu na kontrolne uzorke. Na osnovu ovog, mineralne soli su izabrane kao najpogodniji aktivatori za SSF proces sa imobilisanim ćelijama kvasca s obzirom da je na taj naĉin postignuto maksimalno povećanje sadrţaja etanola. TakoĊe, dodatak samo mineralnih soli je ekonomski povoljniji nego dodatak smeše mineralnih soli i vitamina. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 221 Znaĉaj dodatka mineralnih soli i vitamina i njihov uticaj na proizvodnju etanola i fiziologiju ćelija kvasca detaljnije je obraĊen u odeljku 5.2.3.3., a i ispitivan je u radovima mnogih autora [115, 116, 120, 194-196]. Kao što je ranije napomenuto, Ca-alginat gel moţe pokazati nestabilnost u prisustvu odreĊenih jedinjenja koja imaju veliki afinitet prema jonima Ca2+, kao što su fosfati, soli mleĉne i limunske kiseline i joni K+ i Mg2+. S druge strane, nemoguće je izbeći prusustvo magnezijuma, fosfata i drugih nutrijenata u fermentacionom medijumu s obzirom da su oni neophodni za metabolizam i odrţavanje viabilnosti ćelija kvasca. U ovom radu postignuta je visoka produktivnost tokom SSF procesa, a ujedno je i dodatkom mineralnih soli u odgovarajućoj koliĉini saĉuvana fiziĉka i hemijska stabilnost alginatnih ĉestica. Vrednosti znaĉajnih procesnih parametara postignutih nakon 48 h SSF procesa sa dodatkom mineralnih soli (MgSO4·7H2O i ZnSO4·7H2O) kao najpogodnijih aktivatora, uporeĊeni su sa kontrolnim uzorkom i prikazani su u tabeli 5.26. Tabela 5.26. Uticaj dodatka mineralnih soli na vrednosti znaĉajnih procesnih parametara postignutim nakon 48 h SSF procesa kukuruznog brašna Parametar Kontrola (bez aktivatora) MgSO4·7H2O (2 g/l) + ZnSO4·7H2O (0,3 g/l) Sadrţaj etanola, % (w/w) 9,42 10,23 Prinos etanola YP/S, g/g 0,49 0,53 Procenat od teorijskog sadrţ. etanola, % 86,66 94,11 Vol. produktivnost P,g/l·h 1,96 2,13 Potrošnja glukoze, % 97,72 98,32 Uslovi procesa su kao na slici 5.42. U tabeli 5.26. moţe se videti da je dodatak mineralnih soli (MgSO4·7H2O i ZnSO4·7H2O) pored povećanja sadrţaja etanola, doprineo i povećanju vrednosti ostalih procesnih parametara. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 222 Nakon utvrĊivanja da su mineralne soli (MgSO4·7H2O i ZnSO4·7H2O) najpogodniji aktivatori, praćena je kinetika SSF procesa sa dodatkom istih. Sadrţaj etanola, koncentracija glukoze i broj ćelija kvasca odreĊivani su nakon 4, 8, 20, 26, 32, 44 i 48 h SSF procesa. Proizvodnja etanola, potrošnja glukoze i promena broja ćelija kvasca u toku 48 h SSF procesa sa i bez dodatka aktivatora prikazani su na slikama 5.44. i 5.45. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 20 40 60 80 100 120 140 160 S a d rž a j e ta n o la , % ( w /w ) Vreme, h etanol K o n c e n tr a c ija g lu k o z e , g /l glukoza Slika 5.44. Kinetika proizvodnje etanola i potrošnje glukoze tokom SSF procesa kukuruznog brašna pomoću imobilisanog kvasca, sa i bez dodatka mineralnih soli. Uslovi procesa: isti kao na slici 5.40. osim što je SSF proces izvoĊen na 30 ºC. Aktivatori: ZnSO4·7H2O (0,3 g/l) i MgSO4·7H2O (2 g/l). Puna linija- sa dodatkom aktivatora, isprekidna linija – kontrola (bez dodatka aktivatora). Na slici 5.44. moţe se videti da je trend rasta sadrţaja etanola je sliĉan tokom SSF procesa sa i bez dodatka aktivatora. Tokom 48 h procesa, ali i na kraju SSF procesa, sadrţaj etanola je bio viši u uzorku sa dodatim aktivatorima, što je u skladu sa rezultatima prikazanim na slici 5.42. i u tabeli 5.26. TakoĊe se moţe videti da se kao i u kontrolnom uzorku bez dodatka aktivatora, vreme trajanja procesa ne moţe skratiti već je iznosilo 48 h. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 223 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 7,50 7,75 8,00 8,25 8,50 8,75 9,00 9,25 lo g ( b r. c e lij a , C F U /m l) Vreme, h kontrola uzorak Slika 5.45. Promena broja ćelija imobilisanog kvasca u toku SSF procesa kukuruznog brašna sa i bez dodatka mineralnih soli. Uslovi procesa: isti kao na slici 5.40. osim što je SSF proces izvoĊen na 30 ºC. Aktivatori: ZnSO4·7H2O (0,3 g/l) i MgSO4·7H2O (2 g/l). Puna linija- sa dodatkom aktivatora, isprekidna linija – kontrola (bez dodatka aktivatora). S obzirom da dodatak mineralnih soli nije znaĉajno uticao na povećanje broja ćelija (slika 5.43.), to je još jednom potvrĊeno rezultatima prikazanim na slici 5.45. Porast broja ćelija u odnosu na poĉetan broj, na kraju SSF procesa bez i sa dodatkom aktivatora je bio sliĉan i iznosio je 1,32 i 1,4 logaritamskih jedinica, respektivno. 5.2.4.6. Poređenje proizvodnje bioetanola pomoću slobodnih i imobilisanih ćelija kvasca tokom SSF procesa kukuruznog brašna sa i bez dodatka aktivatora U ovom poglavlju sumirani su rezultati dobijeni u prethodnim eksperimentima tokom SSF procesa pomoću slobodnih i imobilisanih ćelija kvasca, sa i bez dodatka aktivatora. PoreĊenje je izvršeno samo u sluĉaju SSF procesa s obzirom da se ovaj proces pokazao kod oba ćelijska sistema kao superiorniji i ekonomski povoljniji u odnosu na SHF proces sa aspekta povećanja produktivnosti i znaĉajne uštede energije. Na slici 5.46. prikazana je promena sadrţaja etanola tokom SSF procesa pri optimalnim vrednostima parametara koji su isti za oba ćelijska sistema: optimalna temperatura od 30 ºC i Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 224 MgSO4·7H2O (2 g/l) i ZnSO4·7H2O (0,3 g/l) kao optimalna vrsta i koncentracija aktivatora. U tabeli 5.27. prikazane su vrednosti svih znaĉajnih procesnih parametara postignutih nakon 48 h SSF procesa sa i bez dodatka aktivatora pri optimalnim procesnim uslovima. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 S a d rž a j e ta n o la , % ( w /w ) Vreme, h slob. cel bez aktivatora slob. cel. sa aktivatorima imob. cel bez aktivatora imob. cel. sa aktivatorima Slika 5.46. Kinetika proizvodnje etanola tokom SSF procesa kukuruznog brašna sa slobodnim i imobilisanim kvascem, sa i bez dodatka aktivatora kvasca. Uslovi procesa: isti kao na slici 5.40. osim što je SSF proces izvoĊen na 30 ºC. Optimalna vrsta i koncentracija aktivatora je ista za slobodan i imobilisan kvasac: MgSO4·7H2O (2 g/l) i ZnSO4·7H2O (0,3 g/l). Tabela 5.27. Vrednosti znaĉajnih procesnih parametara postignutih nakon 48 h SSF procesa kukuruznog brašna sa slobodnim i imobilisanim ćelijama kvasca na temperaturi od 30 °C, sa i bez dodatka aktivatora. Vrsta i koncentracija aktivatora kao na slici 5.46. Parametar Slobodni kvasac Imobilisani kvasac bez aktivatora sa aktivatorima bez aktivatora sa aktivatorima Sadrţaj etanola, % (w/w) 8,83 9,13 9,42 10,23 Prinos etanola YP/S, g/g 0,46 0,48 0,49 0,53 Procenat od teor. sadrţ. etanola, % 81,23 83,99 86,66 94,11 Vol. produktivnost P, g/l·h 1,84 1,90 1,97 2,13 Potrošnja glukoze, % 98,84 99,19 97,72 98,32 Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 225 Kao što je prikazano na slici 5.46., trend rasta sadrţaja etanola tokom SSF procesa sa imobilisanim i slobodnim ćelijama kvasca se razlikuje. Naime, sadrţaj etanola se postepeno povećavao u toku SSF procesa sa imobilisanim kvascem, bez faze opadanja, usled toga što se imobilizacijom povećala tolerantnost ćelija kvasca na etanol. U ovom sluĉaju, vreme trajanja procesa od 48 h nije potrebno smanjiti s obzirom da se veoma visoke vrednosti svih procesnih parametara postiţu na kraju SSF procesa (tabela 5.27.). S druge strane, zbog drugaĉijeg trenda rasta sadrţaja etanola, u prethodnim eksperimentima ustanovljeno je da je moguće skratiti vreme trajanje SSF procesa sa slobodnim ćelijama kvasca na 32 h jer nakon toga ne dolazi do znaĉajnog porasta sadrţaja etanola i drugih procesnih parametara. Sadrţaj etanola nakon 48 h SSF procesa (bez dodatka aktivatora) pomoću slobodnih i imobilisanih ćelija kvasca je iznosio 8,83 i 9,42% (w/w), respektivno (slika 5.46, tabela 5.27.). TakoĊe, maksimalne vrednosti prinosa etanola, procenta od teorijskog sadrţaja etanola i volumetrijske produktivnosti postignute u imobilisanom sistemu su bile više nego u sistemu sa slobodnim ćelijama kvasca. Uzimajući u obzir sve ove ĉinjenice, imobilisani sistem se smatra superiornijim u odnosu na sistem sa slobodnim kvascem pri izvoĊenju SSF procesa bez dodatka aktivatora. Vaţno je napomenuti da je u ovoj disertaciji takoĊe ispitivan i SSF proces bez dodatka aktivatora pomoću slobodnog kvasca i sa predtretmanom ultrazvukom i mirotalasima kada su nakon 48 h procesa postignute vrednosti sadrţaja etanola iznosile 9,28 i 8,44% (w/w), respektivno, uz veoma izraţenu inhibiciju proizvodom u sluĉaju primene mikrotalasa (slike 5.27. i 5.33.). Ove vrednosti sadrţaja etanola su visoke, meĊutim primena ovih predtretmana zahteva veliki utrošak energije pa se sa energetskog i ekonomskog aspekta smatraju nepovoljnim. Roukas [211] je objavio da je u sistemu sa imobilisanim kvascem postignut isti sadrţaj etanola, ali i viši prinos etanola u poreĊenju sa sistemom sa slobodnim kvascem pod istim uslovima fermentacije, sliĉno rezultatima u ovom radu. Ramakrishna i Prakasham [220] su objavili da je produktivnost proizvodnje etanola sa imobilisanim ćelijama kvasca mnogo viša nego sa slobodnim ćelijama kvasca, usled postizanja visoke koncentracije aktivnih ćelija unutar bioreaktora i odreĊenih ćelijskih ili genetskih modifikacija indukovanih imobilizacijom. Imobilisane ćelije kvasca se takoĊe smatraju tolerantnijim na etanol s obzirom da ih matriks štiti od toksiĉnih koncentracija etanola [212, 213]. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 226 Ukoliko se uporedi promena koncentracije glukoze ostvarena tokom SSF procesa bez aktivatora sa slobodnim i imobilisanim kvascem na temperaturi od 42 ºC moţe se uoĉiti razlika u trendu opadanja koncentracije (slike 5.17. i 5.40.). Tokom SSF procesa sa slobodnim kvascem nije došlo do potrošnje glukoze već se koncentracija glukoze postepeno povećavala (slika 5.17.). S druge strane, tokom SSF procesa sa imobilisanim kvascem trend opadanja koncentracije glukoze je bio sliĉan kao na niţim temperaturama procesa od 30 i 37 ºC (slika 5.40.). Ovakvo ponašanje ukazuje na to da je kod slobodnih ćelija kvasca izraţenija inhibicija visokom koncentracijom supstrata nego kod imobilisanih ćelija kvasca, a i takoĊe ukazuje na zaštitni efekat imobilizacije prema visokim temperaturama. Objavljen je veliki broj kontradiktornih rezultata koji pokazuju smanjenu, nepromenjenu ili povećanu brzinu ćelijskog rasta u sistemu sa imobilisanim u odnosu na sistem sa slobodnim ćelijama kvasca [221]. Prema rezultatima u ovoj disertaciji (slike 5.18. i 5.41.), nakon 48 h SSF procesa bez aktivatora na 30 ºC broj ćelija kvasca postignut u imobilisanom ćelijskom sistemu (1,05·109 CFU/g) je bio viši nego u slobodnom ćelijskom sistemu (4,47·107 CFU/ml). Interesantna je ĉinjenica da je maksimalni porast sadrţaja etanola tokom SSF procesa i u slobodnom i u imobilisanom ćelijskom sistemu postignut dodatkom mineralnih soli kao aktivatora (slike 5.19. i 5.42., tabela 5.27.). U ovim uzorcima sadrţaj etanola u imobilisanom sistemu (10,23% w/w) je bio viši nego u slobodnom ćelijskom sistemu (9,13% w/w) nakon 48 h procesa. MeĊutim, dodatak mineralnih soli doprineo je najmanjem porastu broja ćelija kvasca kod oba sistema (slike 5.20. i 5.43.). Vreme trajanja SSF procesa sa dodatkom aktivatora kod oba ćelijska sistema nije skraćivano i iznosilo je 48 h. Analizom prikazanih rezultata kao ekonomski i energetski najpovoljniji postupak proizvodnje bioetanola usvojen je SSF proces sa dodatkom aktivatora pomoću imobilisanih ćelija kvasca. Prednosti ovog postupka su: veoma visok sadrţaj etanola od 10,23% (w/w) nakon 48 h procesa što predstavlja 94,11% od teorijskog sadrţaja etanola, povećana tolerantnost ćelija kvasca na visoke koncentracije etanola i visoke temperature usled zaštitne uloge matriksa, eliminacija inhibicije proizvodom i mogućnost ponovnog korišćenja (recirkulacije) kvasca. TakoĊe, imobilisane ćelije pruţaju mogućnost primene i dodatnog povećanja produktivnosti u kontinualnom postupku proizvodnje bioetanola. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 227 ZAKLJUĈAK Na osnovu prikazanih rezultata eksperimentalnog rada mogu se izvesti sledeći zakljuĉci: 1. Ispitivanjem faza likvefakcije i saharifikacije dvojno-enzimske hidrolize kukuruzne krupice i kukuruznog brašna ostvarena je efikasnija hidroliza skroba, odnosno viša koncentracija i prinosi glukoze korišćenjem kukuruznog brašna kao sirovine, pri istim koncentracijama enzima Termamyl SC i SAN Extra L i istom hidromodulu. Manje dimenzije ĉestica i nešto viši sadrţaj skroba kukuruznоg brašna u odnosu na kukuruznu krupicu znatno povećavaju stepen hidrolize skroba. Kukuruzno brašno je izabrano kao sirovina za proces dobijanja bioetanola. 2. Optimizacijom faza likvefakcije i saharifikacije dvojno-enzimske hidrolize kukuruznog brašna usvojeni su sledeći optimalni parametri procesa: hidromodul 1:3, koncentracija enzima Termamyl SC od 0,02% (v/w) i koncentracija enzima SAN Extra L od 0,12% (v/w). 3. Ispitivanjem fermentativnih sposobnosti ĉetiri razliĉite vrste kvasca (Saccharomyces cerevisiae, S. cerevisiae var. ellipsoideus, S. carlsbergensis i Schizosaccharomyces pombe) na hidrolizatu kukuruznog brašna, S. cerevisiae var. ellipsoideus je pokazao najbolje fermentativne karakteristike dajući najviše vrednosti sadrţaja etanola i ostalih procesnih parametara. Ovaj kvasac je korišćen u svim daljim eksperimentima kao proizvodni mikroorganizam. 4. Za izvoĊenje alkoholne fermentacije sa slobodnim ćelijama kvasca S. cerevisiae var. ellipsoideus usvojeni su sledeći optimalni parametri: poĉetna koncentracija glukoze od 150 g/l, koliĉina inokuluma od 2% (v/v) i vreme trajanja fermentacije od 38 h. U ovom sluĉaju postiţu se sledeće vrednosti najvaţnijih parametara alkoholne fermentacije: sadrţaj etanola od 8,42% (w/w), prinos etanola od 0,44 g/g, procenat od teorijskog sadrţaja etanola od 77,46%, volumetrijska produktivnost od 2,21 g/l·h i potrošnja glukoze od 99,09%, kao i maksimalan broj ćelija od 2,09·108 CFU/ml. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 228 5. Ispitivanjem postupka odvojene saharifikacije i fermentacije (SHF) pomoću slobodnog kvasca i sa dodatkom razliĉitih aktivatora kvasca u hidrolizat kukuruznog brašna, utvrĊeno je da su najpogodniji aktivatori sledeća smeša mineralnih soli i vitamina: Ca- pantotenat (2 g/l), MgSO4·7H2O (2 g/l) i ZnSO4·7H2O (0,3 g/l). Izborom ovih aktivatora postignut je maksimalni porast sadrţaja etanola i neznatni porast broja ćelija kvasca u odnosu na kontrolni uzorak, jer je potrošnja supstrata usmerena više ka produkciji etanola nego ka stvaranju biomase. Dodatkom ovih aktivatora postignuto je povećanje vrednosti i ostalih procesnih parametara u odnosu na kontrolu. Kao kod izvoĊenja fermentacije bez dodatka aktivatora, tako i u ovom sluĉaju ekonomika proizvodnje etanola se moţe poboljšati skraćenjem vremena fermentacije na 38 h kada se postiţu sledeće vrednosti procesnih parametara: sadrţaj etanola od 9,67% (w/w), prinos etanola od 0,50 g/g, procenat od teorijskog sadrţaja etanola od 88,96%, volumetrijska produktivnost od 2,54 g/l·h i potrošnja glukoze od 93,69%. 6. Ispitivanjem procesa simultane saharifikacije i fermentacije (SSF) kukuruznog brašna pomoću slobodnog kvasca usvojena je optimalna temperatura od 30 ºC i vreme trajanja procesa od 32 h. Pri ovim uslovima procesa postignute su visoke vrednosti svih procesnih parametara: sadrţaj etanola od 8,70% (w/w), procenat od teorijskog sadrţaja etanola od 80,04%, prinos etanola od 0,45 g/g, volumetrijska produktivnost od 2,72 g/l·h i potrošnja glukoze od 78,75%. Na ovaj naĉin znaĉajno se smanjuju troškovi proizvodnje etanola i postiţu velike uštede energije, s obzirom da je optimalna temperatura od 30 ºC znatno niţa od optimalne temperature za dejstvo glukoamilaze (55 ºC) u fazi saharifikacije, a takoĊe skraćuje se ukupno vreme procesa za 4 h tj za vreme potrebno za izvoĊenje saharifikacije. 7. Kao najpogodniji aktivatori kvasca pri izvoĊenju SSF procesa usvojene su mineralne soli: MgSO4·7H2O (2 g/l) i ZnSO4·7H2O(0,3 g/l) koji su doprineli povećanju sadrţaja etanola i ostalih procesnih parametara. MeĊutim, ispitivanjem kinetike SSF procesa sa dodatkom ovih aktivatora utvrĊeno je da su povećanja procesnih parametara nezadovoljavajuća i da nije moguće skratiti vreme trajanja procesa. 8. PoreĊenjem postupka proizvodnje etanola u SHF i SSF procesu sa slobodnim ćelijama kvasca, sa i bez dodatka aktivatora, izvoĊenim pri optimalnim procesnim uslovima i nakon optimalnog vremena trajanja svakog procesa, kao i analizom vrednosti svih postignutih procesnih parametara ustanovljeno je da je u proizvodnji etanola iz Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 229 kukuruznog brašna pomoću slobodnih ćelija kvasca ekonomski najpovoljniji i najefikasniji SSF proces bez dodatka aktivatora. 9. Primenom ultrazvuka kao predtretmana povećana je efikasnost dvojno-enzimske hidrolize, kao i proizvodnje etanola tokom SSF procesa pomoću slobodnog kvasca (bez dodatka aktivatora) pri utvrĊenim optimalnim parametrima soniciranja: vreme soniciranja 2,5 min pre i 2,5 min posle dodatka enzima Termamyl SC i temperatura soniciranja od 60 °C. Predtretman ultrazvukom je uticao na bolju razgradnju granula skroba, intezivnije mešanje usled akustiĉnih kavitacija i mikrostrujanja, otpuštanje dodatnog skroba koji je vezan za lipide i poboljšanje filtracionih osobina hidrolizata. SSF proces uz primenu predtretmana ultrazvukom se moţe skratiti na 32 h sa postignutim sadrţajem etanola od 9,51% (w/w). MeĊutim, s druge strane implementacija predtretmana ultrazvukom povećava ukupne troškove proizvodnje s obzirom da soniciranje zahteva veliku potrošnju energije. 10. Optimizacijom predtretmana mikrotalasima usvojeni su sledeći optimalni parametri: snaga mikrotalasa od 80 W i vreme dejstva 2,5 min pre i 2,5 min posle dodatka enzima Termamyl SC. Primenom ovog predtretmana maksimalni porast sadrţaja etanola od 13,45% u odnosu na kontrolni uzorak postignut je nakon 32 h SSF procesa. U tom sluĉaju sadrţaj etanola je iznosio 9,87% (w/w), a povećane su i vrednosti ostalih procesnih parametara. Predtretman mikrotalasima doprinosi efikasnijoj dvojno- enzimskoj hidrolizi, kao i većem porastu sadrţaja etanola i drugih procesnih parametara tokom SSF procesa, u poreĊenju sa predtretmanom ultrazvukom. Iako je primena predtretmana mikrotalasima uticala na povećanje produktivnosti proizvodnje etanola, neophodno je prilikom procene ukupnih troškova proizvodnje uzeti u obzir i visoku potrošnju energije tokom mikrotalasnog zagrevanja. Stoga se primena predtretmana ultrazvukom i mikrotalasima sa energetskog i ekonomskog aspekta smatra nepovoljnom. 11. Optimizacijom alkoholne fermentacije sa imobilisanim ćelijama kvasca usvojeni su sledeći optimalni parametri: poĉetna koncentracija glukoze od 175 g/l, koliĉina inokuluma od 2% (w/v) i vreme trajanja fermentacije od 38 h. U ovom sluĉaju postiţu se sledeće vrednosti najvaţnijih procesnih parametara: sadrţaj etanola od 8,90% (w/w), prinos etanola od 0,46 g/g, procenat od teorijskog sadrţaja etanola od 81,88%, volumetrijska produktivnost od 2,34 g/l·h i potrošnja glukoze od 94,14%. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 230 12. PoreĊenjem proizvodnje bioetanola pomoću slobodnih i imobilisanih ćelija kvasca tokom SHF procesa, imobilisane ćelije su pokazale veću tolerantnost prema višim koncentracijama supstrata i proizvoda u odnosu na slobodne ćelije kvasca, s obzirom da je tokom fermentacije sa imobilisanim kvascem do inhibicije supstratom došlo pri poĉetnoj koncentraciji glukoze od 200 g/l, dok su slobodne ćelije kvasca inhibirane pri poĉetnoj koncentraciji glukoze od 175 g/l. Ćelije kvasca imobilisane u Ca-alginatu su tolerantnije na etanol s obzirom da matriks ima zaštitnu ulogu pri toksiĉnom delovanju visokih koncentracija etanola. Pri optimalnim parametrima usvojenim za fermentaciju sa slobodnim i imobilisanim kvascem, više vrednosti sadrţaja etanola i drugih procesnih parametara postignute su sa imobilisanim ćelijama kvasca. Ovaj porast procesnih parametara nije toliko velik u šarţnom sistemu, ali mogao bi biti od velikog znaĉaja u kontinualnom fermentacionom sistemu sa imobilisanim ćelijama, što je deo budućih istraţivanja. 13. U toku alkoholne fermentacije sa recirkulacijom imobilisanih ćelija kvasca uspešno su izvedena dva ciklusa šarţne fermentacije u trajanju od po 38 h. Postignute vrednosti sadrţaja etanola i drugih procesnih parametara u toku prvog ciklusa neznatno su više nego u drugom ciklusu. Ćelije kvasca imobilisane u Ca-alginatu su oĉuvale svoju aktivnost odnosno fiziĉku i hemijsku stabilnost u proizvodnji etanola tokom 3 dana, i nisu zapaţena ograniĉenja difuzije supstrata i proizvoda. Nakon toga, na kraju drugog ciklusa, dolazi do razaranja alginatnih ĉestica zbog intezivnog rasta broja ćelija unutar Ca-alginata i izdvajanja gasa CO2 tokom fermentacije. 14. Za proces simultane saharifikacije i fermentacije (SSF) kukuruznog brašna sa imobilisanim ćelijama kvasca usvojena je optimalna temperatura od 30 ºC i vreme trajanja procesa od 48 h. Pri ovim uslovima procesa postignute su visoke vrednosti svih procesnih parametara: sadrţaj etanola od 9,42% (w/w), prinos etanola od 0,49 g/g, procenat od teorijskog sadrţaja etanola od 86,66%, volumetrijska produktivnost od 1,96 g/l·h i potrošnja glukoze od 97,72%. Na ovaj naĉin znaĉajno se smanjuju troškovi proizvodnje etanola i postiţu velike uštede energije u poreĊenju sa SHF procesom. Bez obzira na razliĉiti profil promene sadrţaja etanola tokom SHF i SSF procesa sa imobilisanim kvascem, krajnji sadrţaj etanola nakon 48 h procesa je veoma sliĉan za ova dva procesa, i iznosio je 9,22 i 9,42% (w/w), respektivno. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 231 15. Za SSF proces kukuruznog brašna sa imobilisanim ćelijama kvasca sa dodatkom aktivatora, izabrane su mineralne soli: ZnSO4·7H2O (0,3 g/l) i MgSO4·7H2O (2 g/l) kao aktivatori koji doprinose maksimalnom porastu sadrţaja etanola i drugih procesnih parametara. Ispitivanjem kinetike ovog procesa, optimalno vreme trajanja procesa je iznosilo 48 h nakon ĉega se postiţu sledeće vrednosti procesnih parametara: sadrţaj etanola od 10,23% (w/w), prinos etanola od 0,53 g/g, procenat od teorijskog sadrţaja etanola od 94,11%, volumetrijska produktivnost od 2,13 g/l·h i potrošnja glukoze od 98,92%. 16. PoreĊenjem proizvodnje bioetanola pomoću slobodnih i imobilisanih ćelija kvasca tokom SSF procesa kukuruznog brašna sa i bez dodatka aktivatora, imobilisani ćelijski sistem se pokazao kao superiorniji. 17. Sa aspekta smanjenja ukupnih troškova proizvodnje i uštede energije, kao optimalni postupak proizvodnje bioetanola iz kukuruznog brašna usvojen je SSF proces (simultana saharifikacija i fermentacija) pomoću imobilisanih ćelija kvasca i sa dodatkom mineralnih soli kao aktivatora. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 232 LITERATURA [1] A. Demirbas, Progress and recent trends in biofuels, Progress in Energy and Combustion Science 33 (2007) 1-18. [2] J. Baras, S. Gaćeša, D. Pejin, Ethanol is a strategic raw material, Chem. Ind. 56 (2002) 89-105. [3] "Changing the Climate: Ethanol Industry Outlook 2008", Renewable Fuels Association (http://www.ethanolrfa.org/objects/pdf/outlook/RFA_Outlook_2008.pdf) [4] L. Mojović i saradnici, Bioetanol kao gorivo - stanje i perspektive, Monografija, Tehnološki fakultet, Leskovac, 2007. [5] S. Dixson-Decleve, T. Klein, L. Kiuru, C. Vona, R. Jones. The growing role of biofuels in global transport: From myth to reality. Energy and Climate (2005) 43-45 (www.susdev.org,) [6] European Commision, Towards a European strategy for the security of energy supply- Green Paper, COM (2000) 769, (http://europa.eu.int/comm/energy_transport/doc- principal/pubfinal) [7] G. Najafpour, H. Younesi, K. Syahidah, K. Ismail. Ethanol fermentation in an immobilized cell reactor using Saccharomyces cerevisiae. Bioresource Technology 92(2004) 251-260. [8] European Parliament & Council, Directive 2003/30EC of the European Parliament and of the Council on the promotion of the use of biofuels or other renewable fuels for transport, May 2003 [9] L. Mojović, Utilization of renewable feedstocks in Serbia, Workshop on Sustainable Plastics, EDP's and the Use of Renewable Feedstocks, organized by ICS-UNIDO and Serbian Chemical Society, Belgrade, 28-30 June 2006, Serbia and Montenegro, CD Edition [10] B. Pavlović, Fizika – prvi deo, Tehnološko – metalurški fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd, 1998. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 233 [11] M. Nikolić, Z. Mihajlović Milanović, Š. Mandal, Ekonomika energetike, Ekonomski fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd, 2003. [12] B. Nikolić i saradnici, Hemijsko - tehnološko - metalurški priruĉnik, Jugoslovenska inţenjerska akademija, Beograd, 2008. [13] „Key World Energy Statistics 2007“, International Energy Agency, 2007. (http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2007/key_stats_2001.pdf) [14] B. Grubor, M. Studović, D. Đurović, A. Solujić, M. Ilić, M. Paprika, Procena mogućeg nivoa proizvodnje elektriĉne energije korišćenjem OIE u Srbiji, Elaborat za Projekat br. 451-01-03059/2005-01/EE – 273019B, NIV-ITE-356, 2007. [15] Strategija privrednog razvoja Srbije do 2010. Knjiga I i II, izdanje MNTR Vlade Republike Srbije, Beograd, 2002., ISBN 86-7282-0526. [16] "World Consumption of Primary Energy by Energy Type and Selected Country Groups", Energy Information Administration, International Energy Annual 2006 (http://www.eia.doe.gov/emeu/iea) [17] B. ĐorĊević, V. Valent, S. Šerbanović, Termodinamika sa termotehnikom, Tehnološko-metalurški fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd, 2000. [18] O. J. Sánchez, C. A. Cardona, Trends in biotechnological production of fuel ethanol from different feedstocks, Bioresource Technology 99 (2008) 5270-5295. [19] S. Kim, B. E. Dale, Environmental aspects of ethanol derived from no-tilled corn grain: nonrenewable energy consumption and greenhouse gas emissions. Biomass and Bioenergy 28 (2005) 475-489. [20] "The Ethanol Fact Book", A Compilation of Information about Fuel Ethanol, Clean Fuels Development Coalition CFDC, 2007. (http://www.cleanfuelsdc.org) [21] "Industry Statistics: Annual World Ethanol Production by Country", Renewable Fuels Association, 2008. (http://www.ethanolrfa.org) [22] F. O. Licht, World Etahnol Production 2007 to Hit New Record, World Ethanol and Biofuels Report 5 (17) (2007) (http://www.agra-net.com/portal) [23] A. Walter, F. Rosillo-Calle, P. Dolzan, E. Piacente, K. Borges da Cunha, Perspectives on fuel ethanol consumption and trade, Biomass and Bioenergy 32 (2008) 730-748. [24] G. Grassi, Microdistillery for decentralised bioethanol production (Technological instrument for rural development), European Biomass Conference & Exhibition From Research to Market Deployment, Berlin, Germany, 7-11 May 2007. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 234 [25] „American energy: The renewable path to energy security“, Worldwatch Institute, Center for American progress (http://www.nh.gov/oep/programs/energy/documents /American Energy.pdf) [26] OED: I-65: America’s Biofuel Corridor (http://www.in.gov/oed/2396.htm) [27] S. Kent Hoekman, Biofuels in the U.S. – Challenges and Opportunities, Renewable Energy 34 (2009) 14-22. [28] J. Goldemberg, The Brazilian biofuels industry, Biotechnology for Biofuels 1(6) (2008) 4096-4117. [29] 2007 Brazilian Energy Balance: Executive Summary, Ministério de Minas e Energia do Brasil, 2007. (http://www.brazil.org.cn/energia/BENSumarioExec2007.htm/ downloads/ Executive%20Summary%20BEB%202007.pdf [30] D. Budny, P. Sotero, Brazil Institute Special Report: The Global Dynamics of Biofuels, Brazil Insitute of the Woodrow Wilson Center, 2007. (http://www.wilsoncenter.org/ topics/pubs/Brazil_SR_e3.pdf) [31] „America and Brazil Intersect on Ethanol“, Renewable Energy Access, 2006. (http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/reinsider/story?id=44896) [32] „Biofuels: The Promise and the Risks“, World Developmenr Report, The World Bank, 2008. (http://www.econ.worldbank.org/WBSITE/EXTERNAL) [33] R. de Miguel, Outlook for Bioethanol in Europe (Boosting Consumption), European Bioethanol Fuel Association (eBIO), World Biofuels, 2006. (http://www.ebio.org) [34] M. Enguidonas, A. Soria, B. Kavalov, P. Jensen, Techno-economic analysis of bio- alcohol production in the EU: a short summary for decision-makers, EU Comission JRC, 2002. [35] N. Zevgolis, European Framework for Biofuels Production and Use, Bucharest, 2004 (http://www.enero.ro/documente_ENERO/European_exp.pdf) [36] European Commision, DG Energy and transport, European Energy and Transport Trends to 2030 , January 2003 (http://europa.eu.int/comm/dgs/energy_transport/ figures/trends2030/index_en.htm) [37] C. Berg, World fuel ethanol analysis and outlook. The online distillery network for distilleries & fuel ethanol plants worldwide, 2004. (http://www.distill.-com/World- Fuel-Ethanol-A&O-2004.html) Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 235 [38] Q. Yang, B. Chen, X. Ji, Y. F. He, G. Q. Chen, Exergetic evaluation of corn-ethanol production in China, Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation 14 (2009) 2450-2461. [39] J. Baras, S. Gaćeša, J. Jakovljević, N. Marjanović, R. Paunović, D. Pejin, R. Razmovski, Stanje i mogućnosti razvoja proizvodnje i primene etanola u Jugoslaviji, Tehnološki fakultet, Univerzitet u Novom Sadu, Novi Sad, 1996. [40] Republiĉki zavod za statistiku Srbije, Odeljenje statistike, industrije i energetike (http://www.statserb.sr.gov.yu) [41] D. Pejin, R. Glavardanov, S. Gaćeša, S. Popov, Alkohol za gorivo – Pogled u budućnost, V Savetovanje industrije alkoholnih i bezalkoholnih pića i sićeta, Vrnjaĉka Banja, 2000., str. 29-38. [42] Glas javnosti, septembar 2006. [43] P. Fudera-Luetić, Alkoholi, Tehniĉka enciklopedija, Jugoslavenski leksikografski zavod, Zagreb, 1963., Knjiga 1., str. 213-216. [44] Tehniĉka studija tehnologije goriva: Program automobilskog goriva. EU Final Report, decembar 2000. [45] D. Radonjić, Stanje i perspektive primene alternativnih goriva za pogon motornih vozila, Simpozijum istraţivanja i projektovanja za privredu, Beograd, oktobar 2005., Zbornik radova, 265-275. str. [46] A. K. Agarwal, Biofuels (alcohols and biodiesel) applications as fuels for internal combustion engines, Progress in Energy and Combustion Science 33 (2007) 233-271. [47] L. Ryan, F. Convery, S. Ferreira, Stimulating the use of biofuels in the European Union: Implications for climate change policy, Energy Policy 34 (2006) 3184-3194. [48] A. M. Omer, Energy, environment and sustainable development, Renewable and Sustainable Energy Reviews 12 (2008) 2265-2300. [49] P. Petrović, Trendovi kontrole emisije izduvnih gasova dizel motora sa aspekta globalnog zagaĊenja ţivotne sredine, Konferencija "Ţivotna sredina i odrţivi razvoj", sa meĊunarodnim uĉešćem, Beograd, 23-25. april 2007. god., rad publikovan u posebnom tematskom izdanju Ecologica 13 (2007) 169-175. [50] T. Grozdić, I. Grozdić, Uticaj zagaĊenja vazduha na bolesti respiratornih organa u Beogradu u periodu 2001-2006. godine, Konferencija "Ţivotna sredina i odrţivi Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 236 razvoj", sa meĊunarodnim uĉešćem, Beograd, 23-25. april 2007. god., rad publikovan u posebnom tematskom izdanju Ecologica 13 (2007) 165-168. [51] S. Kim, B. E. Dale, Life cycle assessment of various cropping systems utilized for producing biofuels: Bioethanol and biodiesel, Biomass and Bioenergy 29 (2005) 426- 439. [52] A. Seke, D. Milovanović, L. Seke, Obrazovanje za odrţivi razvoj u mineralno- sirovinskom sektoru, Konferencija "Ţivotna sredina i odrţivi razvoj", sa meĊunarodnim uĉešćem, Beograd, 23-25. april 2007. god., rad publikovan u posebnom tematskom izdanju Ecologica 14 (2007) 89-96. [53] The World Commision on Environment and Development: Our Common Future, Oxford New York, 1987. [54] V. Miltojević, I. Ilić, Culture of peace, sustainable development and realisation of millenium goals, Konferencija "Ţivotna sredina i odrţivi razvoj", sa meĊunarodnim uĉešćem, Beograd, 23-25. april 2007. godine, rad publikovan u posebnom tematskom izdanju Ecologica 14 (2007) 69-74. [55] M. Roher, The Biotechnology of Ethanol, Wiley-VCH Verlag, 2001. [56] C. E. Wyman, Handbook on Bioethanol, Taylor and Francis, 1996. [57] B. Pekić, J. Kišgeci, S. Gaćeša, V. Kovaĉ, D. Pejin, Lj. Vrbaški, Prouĉavanje mogućnosti proizvodnje alkohola iz topinambura kao dodatka u benzin, Studija, Bilten za hmelj, sirak i lekovito bilje, Novi Sad, 16 (1984) 13-69. [58] D. Pejin, J. Jakovljević, R. Razmovski, J. Berenji, Experiences in cultivation processing and application of Jerusalim artichoke (Helianthus tumerosus L.) In Yugoslavia Studies in Plant Science, 3, Inulin and Inulin-containing Crops, Editor Fusch A., Elsevier, Amsterdam-London-New York-Tokyo, 1993., str. 51-57. [59] R. Katzen, D. A. Monceaux, Development of biocinversion of cellulosic wastes, Applied Biochemistry and Biotechnology 51/52 (1995) 585-592. [60] L. C. Wheals Basso, D. M. G. Alves and H. V. Amorim, Fuel ethanol after 25 years, Tibtech 17 (1999) 482-487. [61] P. A. M. Claassen, J. B. van Lier, A. M. Lo´pez Contreras, E. W. J. van Niel, L. Sijtsma, A. J. M. Stams, S. S. de Vries, R. A. Weusthuis, Utilisation of biomass for the supply of energy carriers, Applied Microbiology and Biotechnology 52 (1999) 741– 755. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 237 [62] S. Zhu, Y. Wu, Z. Yu, X. Zhang, C. Wang, F. Yu, S. Jin, Y. Zhao, S. Tu, Y. Xue, Simultaneous saccharification and fermentation od microwave/alkali pre-treated rice straw to ethanol, Biosystems Engineering 92 (2005) 229-235. [63] K. Öhgren, J. Vehmaanperä, M. Siika-Aho, M. Galbe, L. Viikari, G. Zacchi, High temperature enzymatic prehydrolysis prior to simultaneous saccharification and fermentation of steam pretreated corn stover for ethanol production, Enzyme and Microbial Technology 40 (2007) 607-613. [64] K. Öhgren, A. Rudolf, M. Galbe, G. Zacchi, Fuel ethanol production from steam- pretreated corn stover using SSF at higher dry matter content, Biomass and Bioenergy 30 (2006) 863-869. [65] S. Marques, L. Alves, J. C. Roseiro, F. M. Gírio, Conversion of recycled paper sludge to ethanol by SHF and SSF using Pichia stipitis, Biomass and Bioenergy 32 (2008) 400-406. [66] M. R. Swain, S. Kar, A. K. Sahoo, R. C. Ray, Ethanol fermentation of mahula (Madhuca latifolia L.) flowers using free and immobilized yeast Saccharomyces cerevisiae, Microbiological Research 162 (2007) 93-98. [67] M. Ballesteros, J. M. Oliva, M. J. Negro, P. Manzanares, I. Ballesteros, Ethanol from lignocellulosic materials by simultaneous saccharification and fermentation proces (SFS) with Kluyveromyces marxianus CECT 10875, Process Biochemistry 39 (2004) 1843-1848. [68] H. K. Sreenath, R. G. Koegel, A. B. Moldes, T. W. Jeffries, R. J. Straub, Ethanol production from alfalfa fiber fractions by saccharification and fermentation, Process Biochemistry 36 (2001) 1199-1204. [69] D. Mishima, M. Kuniki, K. Sei, S. Soda, M. Ike, M. Fujita, Ethanol production from candidate energy crops: water hyacinth (Eichhornia crassipes) and water lettuce (Pistia stratiotes L.), Bioresource Technology 99 (2008) 2495-2500. [70] S. K. Sharma, K. L. Kalra, G. S. Kocher, Fermentation of enzymatic hydrolysate of sunflower hulls for ethanol production and its scale-up, Biomass and Bioenergy 27 (2004) 399-402. [71] J. Baras, S. Šušić, Prehrambena tehnologija, Zavod za udţbenike i nastavna sredstva, Beograd, 1982. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 238 [72] S. Šiler-Marinković, Mikrobna biomasa, Tehnološko-metalurški fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd, 2006. [73] M. L. Lazić, S. Rašković, M. Z. Stanković, V. B. Veljković, Enzimska hidroliza krompira i dobijanje etanola, Hemijska industrija 58 (2004) 322-326. [74] D. Pejin, V. Vuĉurović, S. Popov, J. Dodić, S. Dodić, Production of ethanol from wheat variety Kantata, Acta Periodica Technologica 37 (2006) 155-161. [75] D. Pejin, S. Gaćeša, S. Popov, J. Baras, R. Glavardanov, J. Rac, Nova saznanja u proizvodnji etanola, VI Savetovanje industrije alkoholnih i bezalkoholnih pića i sićeta, sa meĊunarodnim uĉešćem, Poslovna zajednica Vrenje, Vrnjaĉka Banja, Zbornik radova, str. 7-15, 2002. [76] Republiĉki zavod za statistiku Srbije, Statistika poljoprivrede, Saopštenje, ISSN 0353- 9555, No 232, 2008. (http://www.statserb.sr.gov.yu) [77] D. Pejin, V. Vasić, S. Denĉić, Ispitivanje mogućnosti primene hibrida raţi i pšenice (tritikale) kao nove sirovine za proizvodnju etanola, Zbornik izvoda radova, VI simpozijum „Savremene tehnologije i privredni razvoj“ sa meĊunarodnim uĉešćem, Leskovac, 2005., str. 117. [78] D. Pejin, S. Gaćeša, S. Popov, V. Vasić, J. Dodić, S. Dodić, V. Zdravić-Nešković, Investigation of bioethanol production from Helianthus tuberosus, grain sorghum and sweet sorghum, Book of Abstracts of 1st South East European Congress of Chemical Engineering, Tehnološko-metalurški fakultet, Beograd, str.196. (http://147.91.212.197/ SEECChE1/knjga.pdf) [79] M. Gulati, K. Kohlmann, M. R. Ladisch, R. Hespell, R. J. Bothast, Assessment of ethanol production options for corn products, Bioresource Technology 58 (1996) 253- 264. [80] S. Kim, B. E. Dale, Global potential bioethanol production from wasted crops and crop residues, Biomass and Bioenergy 26 (2004) 361-375. [81] M. Rakin, S. Nikolić, Lj. Mojović, M. Vukašinović, S. Marinković-Šiler, V. Nedović, Dobijanje bioetanola iz kukuruza primenom razliĉitih kultura kvasaca, Racionalno korišćenje energije u metalurgiji i procesnoj industriji. Monografija, Jugoslovenska inţenjerska akademija, 2006., 139-146. [82] R. J. Bothast, New technologies in biofuel production, Conference paper No. 32873, United States Department of Agriculture, Agricultural Outlook Forum, februar 2005. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 239 [83] O. Stojanović, N. Stojanović, Hemija ugljenih hidrata, Univerzitetska štampa, Beograd, 2000. [84] K. Jeremić, Ţ. Stojanović, S. Jovanović, Modification of starch properties, Hemijska industrija 54 (2000) 438-446. [85] I. M. Demiate, M. Oetterer, G. Wosiacki, Characterization of chestnut (Castanea sativa, Mill) starch for industrial utilization, Brazilian Archives of Biology and Technology 44 (2001) 69-78. [86] J. W. Beishuizen, Sugar syrups from maize, (http://www.nzic.org.nz/ChemProcesses/ food/6F.pdf) [87] L. Mojović, Renewable feedstocks and available technologies for their exploitation in Serbia and Montenegro, UNIDO (ICS-UNIDO) Expert Group Meeting on "Technologies for Exploitation of Renewable Feedstocks and Waste Valorization", Trieste, 29-31 May 2006, CD Edition. [88] L. Mojović, S. Nikolić, M. Rakin, M. Vukašinović, Production of bioethanol from corn meal hydrolyzates, Fuel 85 (2006) 1750-1755. [89] V. Komolprasert, R. Y. Ofoli, Starch hydrolysis kinetics of Bacillus licheniformis α- amylase, Journal of Chemical Technology and Biotechnology 51 (1991) 20-223. [90] S. Kendereški, Osnovi enzimologije, Tehnološko-metalurški fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd, 1986. [91] M. Milijanović, Optimizacija procesa hidrolize kukuruznog brašna u cilju dobijanja bioetanola, Diplomski rad, Tehnološko-metalurški fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd, 2005. [92] M. E. van der Veen, S. Veelaert, A. J. Van der Goot, R. M. Boom, Starch hydrolysis under low water conditions: A conceptual process design, Journal of Food Engineering 75 (2006) 178-186. [93] R. Gupta, P. Gigras, H. Mohapatra, V. K. Goswami, B. Chauhan, Microbial α- amylases: a biotechnological perspective, Process Biochemistry 38 (2003) 1599-1616. [94] D. Norouzian, A. Akbarzadeh, J. M. Scharer, M. M. Young, Fungal glucoamylases, Biotechnology Advances 24 (2006) 80-85. [95] D. Bezbradica, Sinteza estara katalizovana slobodnom lipazom i lipazom imobilisanom na polimernim nosaĉima, Doktorska disertacija, Tehnološko-metalurški fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd, 2007. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 240 [96] L. Mojović, Biohemijsko inţenjerstvo, Tehnološko-metalurški fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd, 2006. [97] S. K. Khanal, M. Montalbo, J. van Leeuwen, G. Srinivasan, D. Grewell, Ultrasound enhanced glucose release from corn in ethanol plants, Biotechnology and Bioengineering 98 (2007) 978-985. [98] A. Patist, D. Bates, Ultrasonic innovations in the food industry: from the laboratory to commercial production, Innovative Food Science and Emerging Technologies 9 (2008) 147-154. [99] A. R. Jambrak, V. Lelas, T. J. Mason, G. Krešić, M. Badanjak, Physical properties of ultrasound treated soy proteins, Journal of Food Engineering 93 (2009) 386-393. [100] A. R. Jambrak, T. J. Mason, V. Lelas, Z. Herceg, I. Ljubić Herceg, Effect of ultrasound treatment on solubility and foaming properties of whey protein suspensions, Journal of Food Engineering 86 (2008) 281-287. [101] T. J. Mason, L. Paniwnyk, J. P. Lorimer, The uses of ultrasound in food technology, Ultrasonics Sonochemistry 3 (1996) 253-260. [102] J. Kuldiloke, Effect of ultrasound, temperature and pressure treatments on enzyme activity and quality indicators of fruit and vegetable juices, Doktorska disertacija, Tehniĉki fakultet, Univerzitet u Berlinu, 2002. [103] Z. Zhanga, Y. Niub, S. R. Eckhoffb, H. Fenga, Sonication enhanced cornstarch separation, Starch 57 (2005) 240-245. [104] S. D. Shewale, A. B. Pandit, Enzymatic production of glucose from different qualities of grain sorghum and application of ultrasound to enhance the yield, Carbohydrate Research 344 (2009) 52-60. [105] T. Palav, K. Seetharaman, Mechanism of starch gelatinization and polymer leaching during microwave heating, Carbohydrate Polymers 65 (2006) 364-370. [106] T. Palav, K. Seetharaman, Impact of microwave heating on the physico-chemical properties of a starch-water model system, Carbohydrate Polymers 67 (2007) 596-604. [107] S. Nikolić, L. Mojović, M. Rakin, D. Pejin, D. Savić, A microwave-assisted liquefaction as a pretreatment for the bioethanol production by simultaneous saccharification and fermentation of corn meal, CI&CEQ 14 (2008) 231-234. [108] Z. Hu, Z. Wen, Enhancing enzymatic digestibility of switchgrass by microwave- assisted alkali pretreatment, Biochemical Engineering Journal 38 (2008) 369-378. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 241 [109] I. M. Banat, P. Nigam, D. Singh, R. Marchant, A. P. McHale, Review: Ethanol production at elevated temperatures and alcohol concentrations: Part I-Yeasts in general, World Journal of Microbiology and Biotechnology 14 (1998) 809-821. [110] B. S. Dien, M. A. Cotta, T. W. Jeffries, Bacteria engineered for fuel ethanol production: current status, Applied Microbiology and Biotechnology 63 (2003) 258- 266. [111] T. Karsch, U. Stahl, K. Esser, Ethanol production by Zymomonas and Saccharomyces, advantages and disadvantages, Applied Microbiology and Biotechnology 18 (1983) 387-391. [112] S. Stojaković, Optimizacija uslova alkoholnog vrenja hidrolizata kukuruznog skroba, Magistarski rad, Tehnološko-metalurški fakultet, Univerzitet u Beogradu, 2001. [113] M. Stojanović, M. Nikšić, Tehnološka mikrobiologija biljnih proizvoda, Poljoprivredni fakultet, Univerzitet u Beogradu, 2000. [114] D. Veliĉković, Osnovi biohemije, Univerzitetska štampa, Beograd, 2000. [115] S. Alfenore, C. Molina-Jouve, S. E. Guillonet, J. L. Uribelarrea, G. Goma, L. Benbadis, Improving ethanol production and viability of Saccharomyces cerevisiae by a vitamin feeding strategy during fed-batch process, Applied Microbiology and Biotechnology 60 (2002) 67-72. [116] K. Kotarska, B. Czupryński, G. Kłosowski, Effect of various activators on the course of alcoholic fermentation, Journal of Food Engineering 77 (2006) 965-971. [117] H. Wu, K. Ito, H. Shimoi, Identification and characterization of a novel biotin biosynthesis gene in Saccharomyces cerevisiae, Applied Environmental Microbiology 71 (2005) 6845-5685. [118] K. Furukawa, H. Kitano, H. Mizoguchi, S. Hara, Effect of cellular inositol content on ethanol tolerance of Saccharomyces cerevisiae in sake brewing, Journal of Bioscience and Bioengineering 38 (2004) 107-113. [119] S. Nikolić, L. Mojović, D. Pejin, M. Rakin, V. Vuĉurović, Improvement of ethanol fermentation of corn semolina hydrolyzates with immobilized yeast by medium supplementation, Food Technology and Biotechnology 47 (2009) 83-89. [120] R. M. Birch, G. M. Walker, Influence of magnesium ions on heat shock and ethanol stress responses of Saccharomyces cerevisiae, Enzyme and Microbial Technology 26 (2000) 678-687. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 242 [121] S. Mayalagu, M. Patturajan, D. Chatterji, The presence of two tightly bound Zn 2+ ions is essential for the structural and functional integrity of yeast RNA polymerase II, Gene 190 (1997) 77-85. [122] K. H. Sodhi, K. Sharma, J. K. Gupta, S. K. Sony, Production of a thermostable amylase from Bacillus sp. PS-7 by solid state fermentation and its synergistic use in the hydrolysis of malt starch for alcohol production, Process Biochemistry 40 (2005) 525-534. [123] D. Pejin, R. Razmovski, Investigation of the influence of copper and calcium ions on fermentation by Saccharomyces cerevisiae immobilized cells in the ethanol manufacturing process, Chemical Industry 46 (1992) 133-137. [124] T. Graves, N. V. Narendranath, K. Dawson, R. Power, Effect of pH and lactic or acetic acid on ethanol productivity by Saccharomyces cerevisiae in corn mash, Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology 33 (2006) 469-474. [125] D. P. Bayrock, W. M. Ingledew, Inhibition of yeast by lactic acid bacteria in continuos culture: nutrient depletion and/or acid toxicity?, Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology 31 (2004) 362-368. [126] N. V. Narendranath, R. Power, Effect of yeast inoculation rate on the metabolism of contamining lactobacilli during fermentation of corn mash, Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology 31 (2004) 581-584. [127] L. O. Ingram, Microbial tolerance to alcohols: role of the cell membrane, Trends in Biotechnology 4 (1984) 40-44. [128] T. D'Amore, G. G. Stewart, Ethanol tolerance of yeast, Enzyme and Microbial Technology 9 (1987) 322-330. [129] H. Feldmann, Yeast Molecular Biology, A short compendium on basic features and novel aspects, Adolf-Butenandt Institute, University of Munich, 2005. (http://biochemie.web.med.uni-muenchen.de/Yeast-Biol) [130] J. Loder, The Yeasts, North-Holland Publishing Company, Amsterdam, the Netherlands, 1970. [131] S. Rainieri, C. Zambonelli, Y. Kaneko, Review, Saccharomyces sensu stricto: systematics, genetic diversity and evolution, Journal of Bioscience and Bioengineering 96 (2003) 1-9. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 243 [132] J. M. Guillamon, E. Barrio, T. Huerta, A. Querol, Rapid characterization of four species of the Saccharomyces sensu stricto complex according to mitochondrial DNA patterns, International Journal of Systematic Bacteriology 44 (1994) 708-714. [133] S. J. Brands, Systema Naturae 2000 Classification, The Taxonomicon, Amsterdam, The Netherlands (http://sn2000.taxonomy.nl/Taxonomicon/TaxonTree) [134] T. Cavalier-Smith, A revised six-kingdom system of life, Biological Reviews of the Cambridge Philosophical Society 73 (1998) 203-266. [135] O. E. Eriksson, K. Winka, Supraordinal taxa of Ascomycota, Myconet 1 (1997) 1-16. [136] G. I. Naumov, S. A. James, E. S. Naumova, E. J. Luis, I. N. Roberts, Three new species in the Saccharomyces sensu stricto complex: Saccharomyces cariocanus, Saccharomyces kudriavzevii and Saccharomyces mikatae, International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 50 (2000) 1931-1942. [137] G. I. Naumov, H.-V. Nguyen, E. S. Naumova, A. Michel, M. Aigle, C. Gaillardin, Genetic identification of Saccharomyces bayanus var. uvarum, a cider-fermenting yeast, International Journal of Food Microbiology 65 (2001) 163-171. [138] Z. Antunovics, L. Irinyi, M. Sipiczki, Combined application of methods to taxonomic identification of Saccharomyces strains in fermenting botrytized grape must, Journal of Applied Microbiology 98 (2005) 971-979. [139] H.-V. Nguyen, C. Gaillardin, Evolutionary relationships between the former species Saccharomyces uvarum and the hybrids Saccharomyces bayanus and Saccharomyces pastorianus; reinstatement of Saccharomyces uvarum (Beijerinck) as a distinct species, FEMS Yeast Research 5 (2005) 471-483. [140] K. C. Fugelsang, C. G. Edwards, Wine Microbiology, Practical Applications and Procedures, Chapter I: Yeasts, Springer Science & Business Media LLC, New York, SAD, 2007. [141] R. F. Petersen, G. Marinoni, M. L. Nielsen, J. Piškur, Molecular approaches for analyzing diversity and phylogeny among yeast species, Contributions to Microbiology 5 (2000) 15-35. [142] http://www.anselm.edu/homepage/jpitocch/genbio/energynot.html [143] E. Velkov. Enciklopedija na alkoholne napitki, SD Vest K&C, Sofija, 1996. [144] K. Dawson, The 20 th Annual Alcohol School: Alcohol Production by Fermentation in the New Millennium, October 23-27, 2000., Lexington, Kentucky, USA. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 244 [145] D. Singh, P. Nigam, I. M. Banat, R. Marchant, A. P. McHale, Review: Ethanol production at elevated temperatures and alcohol concentrations: Part II-Use of Kluyveromyces marxianus IMB3, World Journal of Microbiology and Biotechnology 14 (1998) 823-834. [146] C. J. Hack, R. Marchant. Characterisation of a novel thermotolerant yeast, Kluyveromyces marxianus var marxianus: development of an ethanol fermentation process, Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology 20 (1998) 323-327. [147] A. Kondo, H. Shigechi, M. Abe, K. Uyama, T. Matsumoto, S. Takahashi, M. Ueda, A. Tanaka, M. Kishimoto, H. Fukuda, Highlevel ethanol production from starch by a flocculent Saccharomyces cerevisiae strain displaying cell-surface glucoamylase, Applied Microbiology and Biotechnology 58 (2002) 291–296. [148] H. Shigechi, Y. Fujita, J. Koh, M. Ueda, H. Fukuda, A. Kondo, Energy-saving direct ethanol production from low-temperature-cooked corn starch using a cell-surface engineered yeast strain co-displaying glucoamylase and -amylase, Biochemical Engineering Journal 18 (2004) 149–153. [149] V. Nedović, Imobilisani ćelijski sistemi u fermentaciji piva, Monografija, Zaduţbina Andrejević, Beograd, 1999. [150] Y. Kourkoutas, A. Bekatorou, I. M. Banat, R. Marchant, A. A. Koutinas, Immobilization technologies and support materials suitable in alcohol beverages production: a reviw, Food Microbiology 21 (2004) 377-397. [151] H. N. Öztop, A.Y. Öztop, E. Karadağ, Y. Işikver, D. Saraydin, Immobilization of Saccharomyces cerevisiae on to acrylamide–sodium acrylate hydrogels for production of ethyl alcohol, Enzyme and Microbial Technology 32 (2003) 114–119. [152] R. Razmovski, D. Pejin, Immobilization of Saccharomyces diastaticus on wood chips for ethanol production, Folia Microbiologica 41 (1996) 201-207. [153] D. Bezbradica, B. Obradović, I. Leskošek-Ĉukalović, B. Bugarski, V. Nedović, Immobilization of yeast cells in PVA particles for beer fermentation, Process Biochemistry 42 (2007) 1338-1351. [154] S. Plessas, A. Bekatorou, A. A. Koutinas, M. Soupioni, I. M. Banat, R. Marchant, Use of Saccharomyces cerevisiae cells immobilized on orange peel as biocatalyst for alcoholic fermentation, Bioresource Technol 98 (2007) 860-865. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 245 [155] A. Groboillot, D.K. Boadi, D. Poncelet, R.J. Neufeld, Immobilization of cells for application in the food industry, Crit Rev Biotechnol 14 (1994) 75–107. [156] B. Prasad, On the kinetics and effectiveness of immobilized whole-cell batch cultures, Bioresource Technology 53 (1995) 269-275. [157] R. Thatipamala, G. Hill, S. Rohani, On-line state estimation and adaptive optimization using state equations for continuous production of bioethanol, Journal of Biotechnology 48 (1996) 179-190. [158] S. Nikolić, L. Mojović, M. Rakin, D. Pejin, Bioethanol production from corn meal by simultaneous enzymatic saccharification and fermentation with immobilized cells of Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus, Fuel 88 (2009) 1602-1607. [159] K. Öhgren, R. Bura, G. Lesnicki, J. Saddler, G. Zacchi, A comparison between simultaneous saccharification and fermentation and separate hydrolysis and fermentation using steam-pretreatment corn stover, Process Biochemistry 42 (2007) 834-839. [160] F. O. Licht, World Ethanol Production, Alcohol Journal, Altech, 1 (1999) 6. [161] S. Mijović, Alternativna goriva - etanol i njegove smeše sa benzinom (drugi deo), Balkan Energy Solutions Team, (http://www.BestEnergy.com) [162] Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Sixth completely revised edition, Vol 12, Wiley-VCH Verlag, 2003. [163] P. J. Westgata, M. R. Ladisch, Sorption of organics and water on starch, Industrial and Engineering Chemistry research 32 (1993) 1676-1680. [164] R. L. Belyea, K. D. Rausch, M. E. Tumbleson, Composition of corn and distillers dried grains with solubles from dry grind ethanol processing, Bioresource technology 94 (2004) 293-298. [165] J. Kim, B. Kim, Ch. Lee, S. Kim, H. Jee, J. Koh, A. Fane, Development of clean technology in alcohol fermentation industry, Journal of Cleaner Production 5 (1997) 263-267. [166] http://www.abengoabioenergy.com/coproducts/ [167] M. Tasić, I. Banković-Ilić, M. Lazić, V. Veljković, L. Mojović, Bioetanol - stanje i perspektive, Hemijska industrija 60 (1-2) (2006) 1-9. [168] A. K. Chandel, E. S. Chan, R. Ravinder, P. N. Lakshmi, L. R. Venkateswar, P. Ravindra, Economics and environmental impact of bioethanol production Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 246 technologies: an appraisal, Biotechnology and Molecular Biology Review 2 (2007) 14- 32. [169] European Biomass Industry Association (EUBIA), Economics (http://www.eubia.org/ 189.0.html) [170] H. Shapouri, M. Salassi, N. Fairbanks, The economic feasibility of ethanol production from sugar in the United States, Office of Energy Policy and New Uses, Office of the Chief Econimist U. S. Department of Agriculture and Luisiana State University, 2006. [171] NCEP Staff Perspective on Bioenergy, National Commisison on Energy Policy, Washington DC, SAD, 2004. (http://www.engineering.dartmouth.edu/rbaef/meeting/ kodjak_ppt.pdf) [172] J. Baras, G. Kukić, S. Šiler-Marinković, Prehrambena tehnologija sa praktikumom, Zavod za udţbenike i nastavna sredstva, Beograd, 1992. [173] K. C. Thomas, S. H. Hynes, W. M. Ingledew, Practical and theoretical considerations in the production of high concentrations of alcohol by fermentation, Review, Process Biochemistry 31 (1996) 321-331. [174] B. Çaylak, F. V. Sukan, Comparison of different production processes for bioethanol, Turkish Journal of Chemistry 22 (1998) 351-359. [175] G. L. Miller, Use of dinitrosalicillic acid for determining reducing sugars, Anal Chem. 31 (1959) 426-428. [176] J. Rajković, M. Mirić, J. Baras, Analiza ţivotnih namirnica, Tehnološko-metalurški fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd, 1983. [177] M. Govedarica, M. Jarak, Praktikum iz mikrobiologije, Univerzitet u Novom Sadu, Poljoprivredni fakultet, Institut za ratarstvo i povrtarstvo, Novi Sad, 1999. [178] Determination of starch, Polarimetric method, Annex I, Commision Directive 1999/79/EC, Official Journal of the European Communities, 1999. [179] T. Kolusheva, A. Marinova, A study of the optimal conditions for starch hydrolysis through thermostable α-amylase, Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy 42 (2007) 93-96. [180] D. Yankov, E. Dobreva, V. Beschkov, E. Emanuilova, Study of optimum conditions and kinetics of starch hydrolysis by means of thermostable α-amylase, Enzyme and Microbial Technology 8 (1986) 665-667. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 247 [181] V. Arasaratnam, K. Balasubramaniam, Synergistic action of alpha-amylase and glycoamylase on raw corn, Starch/Starke 45 (1993) 231-233. [182] D. K. Apar, B. Özbek, α-amylase inactivation during corn starch hydrolysis process, Process Biochemistry 39 (2004) 1877-1892. [183] S. D. Textor, G. A. Hill, D. G. Macdonald, E. S. Denis, Cold enzyme hydrolysis of wheat starch granules, Canadian Journal of Chemical Engineering 76 (1998) 87-93. [184] Z. Bebić, J. Jakovljević, J. Baras, Hidrolizati kukuruznog skroba kao fermentacioni supstrati za proizvodnju etanola, Hemijska industrija 54 (2000) 5-9. [185] P. V. Aiyer, Amylases and their applications, Review, African Journal of Biotechnology 4 (2005) 1525-1529. [186] T. Montesinos, J-M. Navarro, Production of alcohol from raw wheat flour by amyloglucosidase and Saccharomyces cerevisiae, Enzyme and Microbial Technology 27 (2000) 362-370. [187] T. J. Xu, X. Q. Zhao, F. W. Bai, Continuous ethanol production using self- flocculating yeast in a cascade of fermentors, Enzyme and Microbial Technology 37 (2005) 634-640. [188] B. G. Dettori-Camus, F. G. Priest, J. R. Stark, Hydrolysis of starch granules by the amylase from Bacillus stearothermophilus NCA 26, Process Biochemistry 27 (1992) 17–21. [189] M. Karakatsanis, M. Liakopoulou-Kyriakides, Comparative study of hydrolysis of various starches by alpha amylase and glucoamylase in PEG-dextran and PEG- substrate aqueous two phase systems, Starch/Starke 50 (1998) 194–199. [190] W. O. Okunowo, A. A. Osuntoki, Quantitation of alcohols in orange wine fermented by four strains of yeast, African Journal of Biochemical Research 1 (2007) 95-100. [191] R. Thatipamala, S. Rohani, G. A. Hill, Effects of high product and substrate inhibitions on the kinetics and biomass and product yields during ethanol batch fermentation, Biotechnology and Bioengineering 40 (1992) 289-297. [192] S. Ozmihci, F. Kargi, Kinetics of batch ethanol fermentation of cheese-whey powder (CWP) solution as function of substrate and yeast concentrations, Bioresource Technology 98 (2007) 2978-2984. [193] P. F. Siqueira, S. G. Karp, J. C. Carvalho, W. Sturm, J. A. Rodríguez-León, J-L. Tholozan, R. R. Singhania, A. Pandey, C. R. Soccol, Production of bio-ethanol from Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 248 soybean molasses by Saccharomyces cerevisiae at laboratory, pilot and industrial scales, Bioresource Technol, 99 (2008) 8156-8163. [194] E. M. R Rees, G. G. Stewart, The effects of increased magnesium and calcium concentrations on yeast fermentation performance in high gravity worts, Journal of the Institute of Brewing 103 (1999) 287-291. [195] K. M. Dombek, L. O. Ingram, Magnesium limitation and its role in apparent toxicity of ethanol during yeast fermentation, Applied and Evironmental Microbiology 52 (1986) 975–981. [196] E. Magonet, P. Hayen, D. Delforge, E. Delaive, J. Remacle, Importance of the structural zinc atom for the stability of yeast alcohol dehydrogenase. Journal of Biochemistry 287 (1992) 361-365. [197] N. K. Sree, M. Sridhar, K. Suresh, L.V. Rao, High ethanol production by solid substrate fermentation from starchy substrates using thermotolerant Saccharomyces cerevisiae, Bioprocess Engineering 20 (1999) 561-563. [198] Zs. Kádár, Zs. Szengyel, K. Réczey, Simultaneous saccharification and fermentation (SSF) of industrial wastes for the production of ethanol, Ind. Crop. Prod. 20 (2004) 103-110. [199] M. Phisalaphong, N. Srirattana, W. Tanthapanichakoon, Mathematical modeling to investigate temperature effect on kinetic parameters of ethanol fermentation, Biochemical Engineering Journal 28 (2006) 36-43. [200] T. A. McMeckin, J. Olley, D. A. Ratkwsky, T. Ross, Predictive microbiology: towards the interface and beyond, International Journal of Food Microbiology 73 (2002) 395-407. [201] M. J. Torija, N. Rozès, M. Poblet, J. M. Guillamón, A. Mas, Effects of fermentation temperature on the strain population of Saccharomyces cerevisiae, International Journal of Food Microbiology 80 (2003) 47-53. [202] P. Lucero, E. Peňalver, E. Moreno, R. Lagunas, Internal trehalose protects endocytosis from inhibition by ethanol in Saccharomyces cerevisiae, Applied and Evironmental Microbiology 66 (2000) 4456-4461. [203] G. M. Walker, R. De Nicola, S. Anthony, R. Learmonth, Yeast-metal interactions: impact on brewing and distilling fermentations, Institute of Brewing and Distilling Asia Pacific Section 2006 Convention, 19-24. mart 2006., Hobart, Tasmania Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 249 [204] J. C. Bohlscheid, J. K. Fellman, X. D.Wang, D. Ansen, C.G. Edwards, The influence of nitrogen and biotin interactions on the performance of Saccharomyces in alcoholic fermentations, Journal of Applied Microbiology 102 (2006) 390-400. [205] Z. Chi, S. D. Kohlwein, F. Paltauf, Role of phosphatidylunositol (PI) in ethanol production and ethanol tolerance by a high ethanol producing yeast, Journal of Industrial Microbiologyand Biotechnology 22 (1999) 58-63. [206] J. Zhao, L. Xia, Simultaneous saccharification and fermentation of alkaline- pretreated corn stover to ethanol using a recombinant yeast strain, Fuel Processing Technology 90 (2009) 1193-1197. [207] J. K. Ko, J. S. Bak, M. W. Jung, H. J. Lee, I. Choi, T. H. Kim, K. H. Kim, Ethanol production from rice straw using optimized aqueous-ammonia soaking pretreatment and simultaneous saccharification and fermentation processes, Bioresource Technology 100 (2009) 4374-4380. [208] S. Srichuwong, M. Fujiwara, X. Wang, T. Seyama, R. Shiroma, M. Arakane, N. Mukojima, K. Tokuyasu, Simultaneous saccharification and fermentation (SSF) of very high gravity (VHG) potato mash for the production of ethanol, Biomass and Bioenergy 33 (2009) 890-898. [209] L. C. Dickey, P. H. Cooke, M. J. Kurantz, A. McAloon, N. Parris, R. A. Moreau, Using microwave heating and microscopy to estiamte optimal corn germ oil yield with a bench-scale press, Journal of the American Oil Chemists' Society 84 (2007) 489-495. [210] R. Wendhausen, A. Fregonesi, P. J. S. Moran, I. Joekes, J. Augusto, R. Rodrigues, E. Tonella, K. Althoff, Continuous fermentation of sugar cane syrup using immobilized yeast cells, Journal of Bioscience and Bioengineering 91 (2001) 48-52. [211] T. Roukas, Ethanol production from non-sterilized beet molasses by free and immobilized Saccharomyces cerevisiae cells using fed-batch culture, Journal of Food Engineering 27 (1996) 87-96. [212] Z. Ciesarová, Z. Dömény, D. Šmogroviĉová, J. Pátková, E. ŠturdíkE, Comparison of ethanol tolerance of free and immobilized Saccharomyces uvarum yeasts, Folia Microbiologica 43 (1998) 55-58. [213] P. J. Verbelen, D. P. De Schutter, F. Delvaux, K. J. Verstrepen, F. R. Delvaux, Immobilized yeast cell systems for continuous fermentation applications, Biotechnology Letters 28 (2006) 1515-1525. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 250 [214] M. Bekers, J. Laukevics, A. Karsakevich, E. Ventina, E. Kaminska, D. Upite, I. Vina, R. Linde, R. Scherbaka, Levan-ethanol biosynthesis using Zymomonas mobilis cells immobilized by attachment and entrapment, Process Biochemistry 36 (2001) 979- 986. [215] H. Kurosawa, M. Matsumura H. Tanaka, Oxygen diffusivity in gel beads containing viable cells, Biotechnology and Bioengineering 34 (1989) 926-932. [216] A. Margaritis, P. M. Kilonzo, Production of ethanol using immobilised cell bioreactor systems. U: Nedović V, Willaert R, editors. Applications of Cell Immobilisation Biotechnology, Netherlands: Springer; 2005, str. 375-405. [217] C. Vogelsang, R. H. Wijffels, K. Østgaard, Rheological properties and mechanical stability of new gel-entrapment system applied in bioreactors, Biotechnology and Bioengineering 70 (2000) 247-253. [218] N. K. Sree, M. Sridhar, K. Suresh, I. M. Banat, L. Venkateswar Rao, High alcohol production by repeated batch fermentation using an immobilized osmotolerant Saccharomyces cerevisiae, Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology 24 (2000) 222-226. [219] R. Liu, F. Shen, Impacts of main factors on bioethanol fermentation from stalk juice of sweet sorghum by immobilized Saccharomyces cerevisiae (CICC 1308), Bioresource Technology 99 (2008) 847-854. [220] S. V. Ramakrishna, R. S. Prakasham, Microbial fermentation with immobilized cells, Current Science 77 (1999) 87-100. [221] G.-A. Junter, L. Coquet, S. Vilain, T. Jouenne, Immobilized-cell physiology: current data and the potentialities of proteomics, Enzyme and Microbial Technology 31 (2002) 201-212. Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 251 PRILOG Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 252 Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 253 Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 254 Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 255 Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 256 Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 257 Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 258 Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 259 Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 260 Doktorska disertacija Svetlana Nikolić 261 Page 1/1 Page 1/1