الإيثانول الحيوي ومنتجات التخمير من الخروب
الجزء اللحمي من ثمرة الخروب يحتوي على ما يصل إلى نصف وزنها الجاف من السكر. هذا المحتوى العالي والسهل للسكر يجعل من الخروب مادة خام مثيرة للاهتمام ليس فقط للغذاء، بل أيضا للتخمير الصناعي. في العقود الثلاثة الماضية، أجريت العديد من الدراسات للحصول على منتجات تخمير مختلفة من الخروب، خاصة الإيثانول الحيوي، حمض الستريك، حمض اللاكتيك والمانيتول.
في هذا المقال، نناقش ملف السكر في الخروب، والأساليب المستخدمة في إنتاج الإيثانول الحيوي والنتائج الحاصلة عليها، وتقييم نفايات الخروب للجيل الثاني من الإيثانول الحيوي، ومنتجات التخمير الأخرى، والقيود الاقتصادية والتقنية في هذا المجال.
ملف السكر في الخروب: أساس التخمير
تعتمد معظم المنتجات الناتجة عن التخمير على الكائنات الدقيقة التي تحول السكريات. لذلك، تعتمد قيمة المادة الخام في عملية التخمير بشكل كبير على محتواها من السكر ومدى سهولة الوصول إلى هذه السكريات.
في دراسة عام 2007 أجريت بينر وآخرين، والتي درست الخروب المزروع في حوضي البحر الأبيض المتوسط وبحر إيجة في تركيا، تم الإبلاغ أن السكروز هو السكروز الأكثر وفرة في القرون الخالية من البذور، بينما تم العثور على الجلوكوز والفركتوز بكميات أقل. تم قياس إجمالي السكر بوزن جاف 531 ± 93 جرام/كجم و437 ± 77 جرام/كغ في الأنواع البرية في الأصناف المزروعة.
تظهر صورة مشابهة في المنتجات الثانوية الصناعية. ذكر ليما-كوستا وآخرون أن الشظايا الصغيرة من صناعة معالجة الخروب تحتوي على 45-50 بالمئة سكر قابل للذوبان؛ ويذكر رودريغيز وآخرون أن حوالي 50 بالمئة من الوزن الجاف لمخلفات الخروب يتكون من السكروز، والجلوكوز، والفركتوز.
ميزة مهمة تميز الخروب عن العديد من المواد الخام اللجنوسيلوزية هي أن سكرياته حرة إلى حد كبير. بينما تتطلب المواد الخام مثل الخشب والقش معالجة مسبقة وتحلل إنزيمي لإطلاق السكريات، يمكن استخراج السكريات باستخدام الماء في الخروب.
الخطوات الرئيسية لإنتاج الإيثانول الحيوي
يتكون إنتاج الإيثانول الحيوي من الخروب عادة من الخطوات التالية:
| التحضير | كسر الخروب، وفصل البذور |
| استخراج السكر | إزالة السكريات إلى الطور السائل باستخدام الماء الساخن |
| التخمير | تحويل السكر إلى الإيثانول بواسطة الخمائر أو البكتيريا |
| التقطير والتنقية | فصل الإيثانول عن وسط التخمير |
تصميم عملية سانشيز-سيغادو وآخرون لمصنع افتراضي للبيوإيثانول يتبع هذا المنطق: استخراج السكر المائي من القرون، يليه التخمير والتقطير.
واحدة من الدراسات المهمة حول ظروف الاستخراج تعود إلى تورهان وآخرون. حدد الباحثون أفضل ظروف استخراج لثمرة الخروب بطريقة سطح الاستجابة؛ حصلوا على مستخلص يحتوي على 115.3 جرام/لتر من السكر عند درجة حرارة 80 درجة مئوية وساعتين ونسبة فاكهة إلى ماء 1:4.
التخمير باستخدام الخميرة: نتائج البحث
أكثر الكائنات الدقيقة دراسة في إنتاج الإيثانول من مستخلص الخروب هي Saccharomyces cerevisiae، المعروفة أيضا بخميرة الخبز والبيرة. يلخص الجدول التالي بعض النتائج التي تم الإبلاغ عنها في دراسات مختلفة:
| التشغيل | الطريقة | النتيجة الرئيسية المبلغ عنها |
|---|---|---|
| تورهان وآخرون (2010) | S. cerevisiae الحر، محكومة بدرجة حموضة (5,5) | 42.6 جرام/لتر إيثانول؛ معدل إنتاج 3.37 جرام/لتر/ساعة |
| ياتماز، تورهان وكرهان (2013) | كاسي-ألجينات ثلج S. cerevisiae، مفاعل حيوي متحرك في خزان | 40.10 جرام/لتر الإيثانول؛ 3.19 جرام/لتر/ساعة؛ استخدام السكر 90.66٪؛ مدة 24 ساعة |
| روكا (1994) | S. cerevisiae المشلول، الثقافة المضطربة | أعلى 65 جرام/لتر إيثانول؛ 0.44 جرام/غرام من العائد |
| ليما-كوستا وآخرون (2012) | متوسط عالي السكر، دفعة ودفعة علف | 90–95٪ من السكر المستهلك؛ العائد 0.47–0.50 جرام/غرام؛ 100–110 جرام/لتر الإيثانول |
| رودريغيز وآخرون (2015) | نفايات الخروب، تركيزات السكر الأولية المختلفة | العائد 0.42 جرام/جم عند 250 جم/لتر سكر البداية |
يجب ألا تتم مقارنة القيم في الجدول مباشرة مع بعضها البعض، لأنها تم الحصول عليها تحت ظروف مختلفة، وعلى مقاييس مختلفة، وبطرق قياس مختلفة. ومع ذلك، تظهر الصورة العامة أن سكريات الخروب تستهلك بشكل كبير من قبل الخمائر وأن تحويل الإيثانول قريب من الإنتاج النظري ممكن.
بعض الدروس التقنية من هذه الدراسات هي كما يلي:
| التحكم في الرقم الهيدروجيني | حقق تورهان وآخرون تركيزا ومعدل إنتاج أعلى من الإيثانول مقارنة بدرجة الحموضة غير المسيطر عليها من خلال الحفاظ على درجة الحموضة عند 5.5. |
| مصدر النيتروجين | وفي نفس الدراسة، تم دراسة مصادر النيتروجين الاقتصادية؛ كما قام رابوسو وآخرون بفحص مصادر مختلفة من النيتروجين العضوي وغير العضوي في إنتاج الإيثانول من نفايات الخروب. |
| التثبيت | في دراسة ياتماز وآخرين، أظهر أن الخلايا الثابتة يمكن إعادة استخدامها لخمس دورات. |
| تركيز السكر | أفاد رودريغيز وآخرون أن تركيز السكر الأولي يغير بشكل كبير عملية استقلاب الخميرة؛ عند التركيزات العالية، يوجه السكر تقريبا بالكامل إلى الإيثانول. |
التخمير البكتيري وطرق الحالة الصلبة
بالإضافة إلى الخمایر، تم اختبار بكتيريا زيموموناس موبوليس أيضا في إنتاج الإيثانول من الخروب. قام فهيد وآخرون بتحسين إنتاج الإيثانول من مستخلص الخروب باستخدام Z. mobilis من خلال التصميم التجريبي الإحصائي. أما سحرخيز وآخرون، فقد أشار إلى أن استخراج السكر خطوة مكلفة، ودرسوا التخمير "المغمور في الصلب" الذي لا يتطلب استخراجا، وحصلوا على 0.42 جرام من الإيثانول لكل جرام من السكر الابتدائي مع Z. mobilis تحت ظروف 30 درجة مئوية ودرجة حموضة 5.3.
تبرز فكرة تقليل خطوة الاستخراج أيضا في تقييم نفايات الخروب. وصف بحري وآخرون عملية لإنتاج الإيثانول من الجيل الثاني من النفايات الصلبة المتبقية من تحضير شراب الخروب في صناعة الأغذية اللبنانية؛ قارن التخمير المغمور بالتخمير في الحالة الصلبة. في الدراسة، أبلغ أن عملية التخمير بالحالة الصلبة أبسط وأكثر فعالية من حيث التكلفة، حيث تنتج 0.458 جرام من الإيثانول لكل جرام من السكر المستهلك.
نفايات الخروب والإيثانول الحيوي من الجيل الثاني
يتم إنتاج "الإيثانول الحيوي من الجيل الأول" مباشرة من المواد الخام السكرية أو النشوية، والتي يمكن استخدامها أيضا كغذاء، بينما يتم إنتاج "الإيثانول الحيوي من الجيل الثاني" من النفايات الزراعية والصناعية. يحتل الخروب مكانة مثيرة للاهتمام في هذا التمييز.
تأتي القيمة الاقتصادية الرئيسية للخروب بشكل رئيسي من الصمغ المستخرج من النواة؛ يتم معالجة اللب إلى منتجات مثل الدقيق ودبس السكر والأعلاف. لا تزال الكسور الصغيرة الناتجة عن المعالجة واللب الناتج عن دبس السكر أو الشراب تحتوي على كميات كبيرة من السكر. يحدد ليما-كوستا وآخرون المواد النفايات في صناعة معالجة الخروب كمصدر محتمل للبيوإيثانول من الجيل الثاني.
هذا النهج منطقي أيضا للاقتصاد الدائري في صناعة الخروب: حيث يسمح تحويل المنتجات الثانوية السكرية المتبقية بعد إنتاج المنتجات الغذائية إلى مواد خام للطاقة أو المواد الكيميائية باستخراج قيمة أكبر من نفس المادة الخام.
منتجات التخمير غير الإيثانول الحيوي
تم تجربة سكريات الخروب كوسيط غذائي ليس فقط للإيثانول بل أيضا لمنتجات التكنولوجيا الحيوية المختلفة.
حمض الستريك: في دراسة روكاس عام 1998، تم دراسة إنتاج حمض الستريك عن طريق التخمير السطحي من مستخلص الخروب مع عفن أسبيرجيلوس نيجر؛ تم الحصول على تركيز أولي للسكر وحمض الستريك 200 جرام/لتر يصل إلى 85.5 جم/لتر تحت ظروف pH 6.5 و30 °C.
حمض اللاكتيك: درس عزيزيه وآخرون إنتاج حمض اللاكتيك من الكتل الحيوية للخروب، والموز وقصب السكر؛ وأبلغوا أن إضافة مستخلص الخميرة إلى الخروب زادت من الإنتاجية. كما قام بحري وآخرون بتحسين إنتاج حمض اللاكتيك من نفايات الخروب في صناعة الأغذية اللبنانية باستخدام لاكتوباسيلوس رامنوسوس المحبوس في خرز الألجينات.
مانيتول: في دراسة كارفالهيرو وآخرين، تم إنتاج ثماني بكتيريا حمض اللاكتيك تنتج المانيتول في شراب الخروب المدعم؛ أبلغ عن إنتاج جميع السلالات مانيتول بإنتاجية تزيد عن 0.70 جرام لكل جرام من الفركتوز.
| المنتج | الكائنات الدقيقة (مثال) | حالة استخدام محتملة |
|---|---|---|
| الإيثانول | Saccharomyces cerevisiae، Zymomonas mobilis | الصناعات الكيميائية للوقود، المذيبات، |
| حمض الستريك | أسبيرجيلوس نيجر | حامض الطعام، الأدوية ومنتجات التنظيف |
| حمض اللاكتيك | عصية التخثن، Lactobacillus rhamnosus | المواد الخام المضافة للغذاء والبلاستيك الحيوي (PLA) |
| مانيتول | بكتيريا حمض اللاكتيك (مثل ليوكونوستوك، وغيرها) | محلي منخفض السعرات الحرارية، صناعة الأدوية |
القيود الاقتصادية والتقنية
النتائج الواعدة التي تم الحصول عليها على مقياس المختبر والطيار لا تعني أن الخروب يمكن استخدامه كمادة خام للبيوإيثانول على نطاق صناعي. هناك عدة أسباب لذلك:
| تكلفة المواد الخام | أظهر التحليل الاقتصادي لسانشيز-سيغادو وآخرون للمصنع الافتراضي أن ربحية المصنع تعتمد بشكل كبير على سعر قرون الفاصوليا الجرادية، وأن المصنع لا يمكن أن يحقق أرباحا إلا تحت سعر معين للمادة الخام. كما أبلغ أن زيادة القدرة الإنتاجية تؤثر على التكاليف. |
| الاستخدامات المتنافسة | يستخدم لب الخروب في قطاعات الغذاء (الدقيق، دبس السكر، الشراب) والأعلاف؛ هذه الاستخدامات تقدم عادة قيمة مضافة أعلى من إنتاج الطاقة. |
| الموسمية والإمداد | يتم حصاد الخروب مرة واحدة في السنة؛ ولكي يكون النبات يعمل باستمرار، من الضروري تخزين المواد الخام. |
| تكلفة الاستخراج | كما يؤكد سحرخيز وآخرون، فإن استخراج السكر خطوة مكلفة؛ لذلك، يتم استكشاف بدائل مثل التخمير الصلبة والمغمور بالماء. |
لهذه الأسباب، يكتسب إنتاج الإيثانول الحيوي من الخروب معنى ضمن نهج المصفاة الحيوية حيث يتم تقييم المنتجات الثانوية السكرية التي تظهر بعد معالجة الغذاء، وليس كمنتج أولي.
الأسئلة الشائعة
لماذا يعتبر الخروب مادة خام مناسبة للبيوإيثانول؟ يحتوي لب الخروب على ما يصل إلى نصف وزنه الجاف من السكريات، والتي يمكن استخراجها بسهولة بالماء لأنها حرة إلى حد كبير.
هل يتم إنتاج الإيثانول الحيوي من الخروب على نطاق تجاري؟ المصادر التي تم فحصها في هذا المقال هي في الغالب دراسات مخبرية، ودراسات مكثفة وافتراضية للنباتات. تظهر التحليلات الاقتصادية أن الربحية تعتمد بشكل كبير على سعر المواد الخام.
ماذا يعني الإيثانول الحيوي من الجيل الثاني؟ هو إيثانول حيوي ينتج من النفايات الزراعية والصناعية بدلا من المواد الخام المستخدمة مباشرة كغذاء. يتم تقييم نفايات معالجة الخروب ولبائن إنتاج الشراب في هذا السياق.
ما الذي يمكن إنتاجه من الخروب غير الإيثانول؟ في الأبحاث، تم الحصول على منتجات مثل حمض الستريك وحمض اللاكتيك والمانيتول من سكريات الخروب عن طريق التخمير.
مادة خام الخروب مع Carob Türkiye
في التطبيقات القائمة على التخمير، كما في تطبيقات الطعام، تؤثر نظافة ورطوبة وقوام محتوى السكر في المادة الخام بشكل مباشر على النتيجة. كما أن استخدام المواد الخام القياسية في مشاريع البحث والتطوير مهم أيضا لقابلية تكرار النتائج.
في Carob Türkiye، نوفر فاكهة الخروب والفتات والدقيق/المسحوق والنواة والمستخلصات. للمنتجات ذات الصلة كسر الخروب (حبيبي) و مستخلص الخروب صفحات لمجموعة منتجاتنا بالكامل منتجاتنا يمكنك مراجعة صفحتنا. لطلباتك بالجملة والتصدير تواصل الآن يمكنك التواصل معنا عبر صفحتنا.
المصادر الأجنبية
تورهان، إ.، بيالكا، ك. ل.، ديميرجي، أ.، كارهان، م.، "إنتاج الإيثانول من مستخلص الخروب باستخدام ساكاروميسس سيريفيسيا"، Bioresource Technology، 2010، 101(14)، 5290–5296. دوي.
org/ 10. 1016/ j. تقنية البيورتيك. 2010. 01. 146 ياتماز، إ.، تورهان، إي.، كرهان، م.، "تحسين إنتاج الإيثانول من مستخلص قرون الخروب باستخدام خلايا ساكارومايسيس سيريفيسيا الثابتة في مفاعل حيوي بخزان متحريك"، Bioresource Technology، 2013، 135، 365–371. دوي.
org/ 10. 1016/ j. تقنية البيورتيك. 2012. 09. 006 ليما-كوستا، م. إ.، تافاريس، سي.، رابوسو، س.، رودريغيز، ب.، بينادو، ج. م.، "حركية استهلاك السكريات وتثبيط الإيثانول في تخمير لب الخروب بواسطة ساكارومايسيس سيريفيسيا في الزراعة الدفعية والدفعية المغذية"، مجلة علم الأحياء الدقيقة الصناعية والتقنية الحيوية، 2012، 39(5)، 789–797. دوي.
org/ 10. 1007/ S10295- 011- 1079- 4 رودريغيز، ب.، بينادو، ج. م.، رابوسو، س.، كونستانتينو، أ.، كوينتاس، ك.، ليما-كوستا، م. إ.، "المعايير الحركية والطاقة لتخمير نفايات الخروب بواسطة ساكاروميسس سيريفيسيا: تأثير سرطان السرطان، سمية الإيثانول، وقمع اللافقاريات"، مجلة علم الأحياء الدقيقة والتقنية الحيوية، 2015، 25(6)، 837–844. دوي.
org/ 10. 4014/ JMB. 1408. 08015 روكاس، ت.، "حركيات إنتاج الإيثانول من قرون الخروب المستخلصة بواسطة خلايا ساكارومايسيس سيريفيسيا الثابتة"، الكيمياء الحيوية التطبيقية والتقنية الحيوية، 1994، 44(1)، 49–64. دوي.
org/ 10. 1007/ BF02921851 بحري، ح.، بونس، أ.، عبد الله، ر.، بيير، ج.، ديلاتر، ك.، فياد، ن.، طه، س.، فيال، ك.، "تثمين نفايات الخروب: تعريف عملية إنتاج الإيثانول الحيوي من الجيل الثاني"، تكنولوجيا الموارد الحيوية، 2017، 235، 25–34. دوي.
org/ 10. 1016/ j. تقنية البيورتيك. 2017. 03. 056 سانشيز-سيغادو، س.، لوزانو، إل. جي.، دي لوس ريوس، أ. ب.، هيرنانديز-فرنانديز، ف. ج.، جودينيز، سي.، خوان، د.، "تصميم العمليات والتحليل الاقتصادي لمصنع افتراضي لإنتاج الإيثانول الحيوي يستخدم قرون الخروب كمادة مخام"، بيوسورس تكنولوجي، 2012، 104، 324–328. دوي.
org/ 10. 1016/ j. تقنية البيورتيك. 2011. 10. 046 سحرخيز، س.، مزاهيري، د.، شوجاوساداتي، س. أ.، "تقييم إنتاج الإيثانول الحيوي من قرون الخروب بواسطة زيموموناس موبوليس وساكارومايسيس سيريفيسيا في التخمير المغمور بالصلب"، الكيمياء الحيوية التحضيرية والتكنولوجيا الحيوية، 2013، 43(5)، 415–430. دوي.
org/ 10. 1080/ 10826068. 2012. 741642 وهيد، ه.، شوجاوسادتي، س. أ.، جاليب، ه.، "تقييم وتحسين إنتاج الإيثانول من مستخلص قرون الخروب بواسطة زيموموناس موبوليس باستخدام منهجية سطح الاستجابة"، مجلة علم الأحياء الدقيقة الصناعية والتكنولوجيا الحيوية، 2011، 38(1)، 101–111. دوي.
org/ 10. 1007/ S10295- 010- 0835- 1 رابوسو، س.، كونستانتينو، أ.، رودريغيز، ف.، رودريغيز، ب.، ليما-كوستا، م. إي.، "فحص مصادر النيتروجين لإنتاج الإيثانول باستخدام نفايات الخروب الصناعية"، الكيمياء الحيوية التطبيقية والتقنية الحيوية، 2017، 181(2)، 827–843. دوي.
org/ 10. 1007/ S12010- 016- 2252- z روكاس، ت.، "قرون الخروب: ركيزة جديدة لإنتاج حمض الستريك بواسطة أسبيرجيلوس نيجر"، الكيمياء الحيوية التطبيقية والتكنولوجيا الحيوية، 1998، 74(1)، 43–53. دوي.
org/ 10. 1007/ BF02786885 عزيزة، ح.، أبو طيه، ه. ن.، شنايدر، ر.، كلونغكلايو، أ.، فينوس، ج.، "إنتاج حمض اللاكتيك من الكتلة الحيوية للخروب، الموز وقصب السكر الليغنوسليلوز"، جزيئات، 2020، 25(13)، 2956. دوي.
org/ 10. 3390/ الجزيئات25132956 بحري، ح.، عبد الله، ر.، بونس، أ.، طه، س.، فيال، ك.، "تحسين إنتاج حمض اللاكتيك باستخدام لاكتوباسيلوس رامنوسوس الثابتة ونفايات قرون الخروب من صناعة الأغذية اللبنانية"، مجلة التكنولوجيا الحيوية، 2019، 306، 81–88. دوي.
org/ 10. 1016/ j. جي بيوتيك. 2019. 09. 017 كارفالهيرو، ف.، مونيز، ب.، دوارتي، إل. سي.، إستيفيس، إم. بي.، جيريو، إف. إم.، "إنتاج المانيتول بواسطة بكتيريا حمض اللاكتيك المزروعة في شراب الخروب المكمل"، مجلة علم الأحياء الدقيقة الصناعية والتقنية الحيوية، 2011، 38(1)، 221–227. دوي.
org/ 10. 1007/ S10295- 010- 0823- 5 بينر، ب.، جوبوك، ه.، كارهان، م.، أكسو، م.، بيكميجسي، م.، "ملفات السكر لقرون أنواع حبوب الخروب المزروعة والبرية (Ceratonia siliqua L.) في تركيا"، كيمياء الغذاء، 2007، 100(4)، 1453–1455. دوي.
الموارد العلميةorg/ 10. 1016/ j. فودكيم. 2005. 11. 037
