Биоэтанол и продукты ферментации из кэроба
Мясистая часть рожкового плода содержит до половины сухого веса сахара. Это высокое и легко извлекаемое содержание сахара делает рожковый рожковый дерево интересным сырьём не только для пищевых продуктов, но и для промышленной ферментации. За последние три десятилетия было проведено множество исследований по получению различных продуктов ферментации из рожкового дерева, особенно биоэтанола, лимонной кислоты, молочной кислоты и маннитола.
В этой статье мы обсуждаем сахарный профиль рожкового дерева, методы, используемые в производстве биоэтанола, и полученные результаты, оценку отходов рожкового отхода для биоэтанола второго поколения, других продуктов ферментации, а также экономические и технические ограничения в этой области.
Сахарный профиль рожкового дерева: основа ферментации
Большинство продуктов, производимых ферментацией, зависят от микроорганизмов, превращающих сахара. Поэтому ценность сырья в ферментации во многом зависит от содержания сахара и лёгкости доступности этих сахаров.
В исследовании 2007 года Бинера и др., изучавшем рожковый дерево, выращиваемый в бассейнах Средиземноморья и Эгейского морей Турции, было сообщено, что наиболее распространённым сахаром в бессемянных стручках была сахароза, а глюкоза и фруктоза — в меньших количествах. Общий сахар был измерен как 531 ± 93 г/кг в сухом массе и 437 ± 77 г/кг в диких видах культивируемых сортов.
Похожая картина наблюдается и в промышленных побочных продуктах. Лима-Коста и др. заявили, что небольшие осколки из индустрии переработки рожковых деревьев содержат 45-50 процентов растворимого сахара; Родригес и др. утверждают, что примерно 50 процентов сухого веса отходов рожкового дерева составляют сахарозу, глюкозу и фруктозу.
Важной особенностью, отличающей рожковый дерево от многих лигноцеллюлозных сырьев, является то, что его сахара в основном свободны. В то время как сырьевые материалы, такие как древесина и солома, требуют предварительной обработки и ферментативного гидролиза для выделения сахаров, сахара можно извлекать с помощью воды в кэробе.
Ключевые этапы производства биоэтанола
Производство биоэтанола из рожкового дерева обычно состоит из следующих этапов:
| Приготовление | Ломая кэроб, разделяя семена |
| Добыча сахара | Удаление сахаров в жидкую фазу с помощью горячей воды |
| Ферментация | Превращение сахара в этанол дрожжами или бактериями |
| Дистилляция и очистка | Отделение этанола от ферментирующей среды |
Дизайн процесса Санчес-Сегадо и соавторов для гипотетического биоэтанолового завода следует этой логике: водная экстракция сахара из стручков, затем ферментация и дистилляция.
Одно из важных исследований условий экстракции принадлежит Турхану и соавторам. Исследователи определили оптимальные условия экстракции рожковых плодов с помощью метода поверхностной реакции; Они получили экстракт, содержащий 115,3 г/л сахара при температуре 80 °C, 2 часа и соотношении фрукт/вода 1:4.
Ферментация с помощью дрожжей: результаты исследований
Наиболее изученным микроорганизмом в производстве этанола из экстракта рожкового дерева является Saccharomyces cerevisiae, также известный как хлебные и пивоварные дрожжи. В следующей таблице приведены некоторые результаты, представленные в различных исследованиях:
| Эксплуатация | Метод | Основной отчетный результат |
|---|---|---|
| Турхан и др. (2010) | Свободные S. cerevisiae, контролируемый pH (5,5) | 42,6 г/л этанола; Скорость производства 3,37 г/л/ч |
| Ятмаз, Турхан и Кархан (2013) | Ка-альгинат иммобилизировал S. cerevisiae, биореактор с перемешиваемым резервуаром | 40,10 г/л этанола; 3,19 г/л/ч; потребление сахара 90,66%; продолжительность 24 часа |
| Roukas (1994) | Обездвиженный S. cerevisiae, взволнованная культура | Максимальный выход этанола — 65 г/л; 0,44 г/г |
| Лима-Коста и др. (2012) | Средняя среда с высоким содержанием сахара, партии и корм | 90–95% потребляемого сахара; выход 0,47–0,50 г/г; 100–110 г/л этанола; |
| Родригес и др. (2015) | Отходы рожкового кростка, разные начальные концентрации сахара | Выход 0,42 г/г при 250 г/л стартерного сахара |
Значения, указанные в таблице, не следует напрямую сравнивать друг с другом, так как они были получены при разных условиях, на разных масштабах и с разными методами измерения. Тем не менее, общая картина показывает, что рожковые сахара сильно потребляются дрожжами, и возможно превращение этанола, близкое к теоретическому выходу.
Некоторые технические уроки этих исследований следующие:
| Контроль pH | Турхан и соавт. достигли более высокой концентрации этанола и скорости образования, чем неконтролируемый pH, поддерживая pH на уровне 5,5. |
| Источник азота | В том же исследовании изучались экономические источники азота; Рапосо и др. также открыли различные органические и неорганические источники азота в производстве этанола из отходов кэроба. |
| Иммобилизация | В исследовании Ятмаза и др. было показано, что обездвиженные клетки можно повторно использовать в течение пяти циклов. |
| Концентрация сахара | Родригес и др. сообщили, что начальная концентрация сахара значительно изменяет метаболизм дрожжей; при высоких концентрациях сахар почти полностью направляется к этанолу. |
Бактериальная ферментация и твердотельные подходы
Помимо дрожжей, бактерия Zymomonas mobilis также была протестирована в производстве этанола из рожкового кэроба. Вахид и соавт. оптимизировали производство этанола из экстракта рожкового дерева с помощью Z. mobilis по статистическим экспериментам. Сахархиз и др., напротив, отметили, что извлечение сахара — это дорогостоящий этап, и изучили «твёрдую погружённую» ферментацию, не требующую экстракции, получив 0,42 г этанола на грамм стартового сахара с Z. mobilis при условиях 30 °C и pH 5,3.
Идея сокращения этапа экстракции также выходит на первый план при оценке отходов рожкового дерева. Bahry и др. описали процесс производства этанола второго поколения из твёрдых отходов, оставшихся после приготовления рожкового сиропа в ливанской пищевой промышленности; сравнивая подводную ферментацию с твердотельной ферментацией. В исследовании было отмечено, что операция твердотельной ферментации проще и экономичнее, с выходом 0,458 г этанола на грамм потребленного сахара.
Рожковые отходы и биоэтанол второго поколения
«Биоэтанол первого поколения» производится непосредственно из сахарного или крахмалистого сырья, которое также может использоваться в пищу, тогда как биоэтанол второго поколения производится из сельскохозяйственных и промышленных отходов. Рожковый кэроб занимает интересное место в этом различии.
Основная экономическая ценность рожкового дерева в значительной степени связана с каменью, получаемой из зерна; целплюлоза перерабатывается в такие продукты, как мука, патока и корм. Мелкие трещины, образующиеся при обработке и целлюлозы из производства патоки или сиропа, всё равно могут содержать значительные количества сахара. Лима-Коста и др. определяют отходы отрасли перерабатывающего рожкового роба как потенциальный источник биоэтанола второго поколения.
Такой подход также имеет смысл для циркулярной экономики в индустрии рожкового дерева: преобразование сахарных побочных продуктов, оставшихся после производства пищевых продуктов, в энергетические или химические сырьевые материалы позволяет извлечь больше ценности из того же сырья.
Продукты ферментации, отличные от биоэтанола
Рожковые сахара использовались как питательная среда не только для этанола, но и для различных биотехнологических продуктов.
Лимонная кислота: В исследовании Рукаса 1998 года изучалось производство лимонной кислоты путём поверхностного брожения из экстракта рожкового дерева с использованием плесени Aspergillus niger; при pH 6,5 и 30 °C были получены начальные концентрации сахара и лимонной кислоты до 85,5 г/л.
Молочная кислота: Азаизе и др. исследовали производство молочной кислоты из биомассы рожкового дерева, банана и сахарного тростника; сообщили, что добавление экстракта дрожжей в рожковый рожковый дерево повышает продуктивность. Бахри и др. также оптимизировали производство молочной кислоты из отходов рожковых отходов ливанской пищевой промышленности, используя Lactobacillus rhamnosus, запечатлённый в альгинатных бусинах.
Маннитол: В исследовании Карвальейро и др. восемь молочнокислых бактерий, производящих маннитол, были получены в обогащённом рожковом сиропе; все штаммы сообщали о выработке маннитола с выходом более 0,70 г на грамм фруктозы.
| Продукт | Микроорганизм (пример) | Возможный сценарий использования |
|---|---|---|
| Этанол | Saccharomyces cerevisiae, Zymomonas mobilis | Топливная, растворительная и химическая промышленность |
| Лимонная кислота | Aspergillus niger | Пищевые кислотники, фармацевтические средства и чистящие средства |
| Молочная кислота | Bacillus coagulans, Lactobacillus rhamnosus | Пищевые добавки, биопластик (PLA) сырьё |
| Маннитол | Молочнокислые бактерии (Leuconostoc и др.) | Низкокалорийный подсластитель, фармацевтическая промышленность |
Экономические и технические ограничения
Многообещающие результаты, полученные в лабораторном и пилотном масштабах, не означают, что рожковый мужик может использоваться как биоэтаноловое сырье в промышленном масштабе. Существует несколько причин для этого:
| Стоимость сырья | Экономический анализ Санчес-Сегадо и др. для гипотетического завода показал, что рентабельность завода сильно зависит от цены на стручок саранчи, и что завод может быть прибыльным только ниже определённой цены на сырьё. Также сообщается, что увеличение мощностей влияет на издержки. |
| Конкурирующие применения | Кэроб используется в пищевой промышленности (мука, патока, сироп) и кормовой промышленности; эти применения обычно обеспечивают более высокую добавленную стоимость, чем производство энергии. |
| Сезонность и снабжение | Рожковый кэроб собирают раз в год; для постоянно работающего растения необходимо хранить сырьё. |
| Стоимость добычи | Как подчеркивают Сахархиз и др., извлечение сахара — это дорогостоящий этап; поэтому рассматриваются альтернативы, такие как твёрдое и твёрдое подводное брожение. |
По этим причинам производство биоэтанола из рожкового дерева приобретает смысл в рамках подхода биорафинирования, при котором сахарные побочные продукты, появляющиеся после переработки пищи, оцениваются, а не как первичный продукт.
Часто задаваемые вопросы
Почему рожковый дерево считается подходящим сырьём для биоэтанола? Рожковая мякть содержит до примерно половины сухого массы сахаров, которые легко извлечь с помощью воды, так как они в основном свободны.
Производится ли биоэтанол из рожкового масла в коммерческих масштабах? Источники, рассматриваемые в этой статье, в основном являются лабораторными, пилотными и гипотетическими исследованиями растений. Экономические анализы показывают, что прибыльность сильно зависит от цены на сырьё.
Что означает биоэтанол второго поколения? Это биоэтанол, производимый из сельскохозяйственных и промышленных отходов, а не из сырья, используемого напрямую в пищевых продуктах. В этом контексте оцениваются отходы переработки рожковой подушки и производства сиропа.
Что можно произвести из рожкового дерева, кроме этанола? В исследованиях такие продукты, как лимонная кислота, молочная кислота и маннитол, получались из рожковых сахаров путём ферментации.
Сырье рожкового кэроба с Carob Türkiye
В ферментационных приложениях, как и в пищевых продуктах, чистота, влажность и консистенция сахара в сырье напрямую влияют на результат. Использование стандартного сырья в научно-исследовательских и опытно-конструкторских проектах также важно для воспроизводимости результатов.
В Carob Türkiye мы поставляем рожковые фрукты, крошки, муку/порошок, зерно и экстракт. Для сопутствующих продуктов Перелом рожкового колеса (зернистый) и Экстракт кэроба страницы для всей нашей продуктовой коллекции Наши продукты Вы можете ознакомиться с нашей страницей. Для ваших оптовых и экспортных запросов Связаться сейчас Вы можете связаться с нами на нашей странице.
Зарубежные источники
Турхан, И., Бялка, К. Л., Демирчи, А., Кархан, М., «Производство этанола из экстракта рожкового дерева с использованием Saccharomyces cerevisiae», Bioresource Technology, 2010, 101(14), 5290–5296. DOI.
org/ 10. 1016/ j. Biortech. 2010. 01. 146 Ятмаз, Э., Турхан, И., Кархан, М., «Оптимизация производства этанола из экстракта рожковых стручков с использованием иммобилизованных клеток Saccharomyces cerevisiae в биореакторе перемешиваемого резервуара», Bioresource Technology, 2013, 135, 365–371. DOI.
org/ 10. 1016/ j. Biortech. 2012. 09. 006 Lima-Costa, M. E., Tavares, C., Raposo, S., Rodrigues, B., Peinado, J. M., «Кинетика потребления сахаров и ингибиция этанола при ферментации рожковой целклозы Saccharomyces cerevisiae в пакетных и партных культурах», Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology, 2012, 39(5), 789–797. DOI.
org/ 10. 1007/ S10295- 011- 1079- 4 Rodrigues, B., Peinado, J. M., Raposo, S., Constantino, A., Quintas, C., Lima-Costa, M. E., «Кинетические и энергетические параметры брожения рожковых отходов Saccharomyces cerevisiae: эффект крабтри, токсичность этанола и репрессия инвертазы», Journal of Microbiology and Biotechnology, 2015, 25(6), 837–844. DOI.
org/ 10. 4014/ JMB. 1408. 08015 Roukas, T., «Кинетика производства этанола из экстракта кэробовых стручков иммобилизованными клетками Saccharomyces cerevisiae», Applied Biochemistry and Biotechnology, 1994, 44(1), 49–64. DOI.
org/ 10. 1007/ BF02921851 Bahry, H., Pons, A., Abdallah, R., Pierre, G., Delattre, C., Fayad, N., Taha, S., Vial, C., «Valorization carob waste: Определение процесса производства биоэтанола второго поколения», Bioresource Technology, 2017, 235, 25–34. DOI.
org/ 10. 1016/ j. Biortech. 2017. 03. 056 Санчес-Сегадо, С., Лозано, Л. Дж., де лос Риос, А. П., Эрнандес-Фернандес, Ф. Дж., Годинес, К., Хуан, Д., «Проектирование процессов и экономический анализ гипотетического завода по производству биоэтанола с использованием рожковых стручков в качестве сырья», Bioresource Technology, 2012, 104, 324–328. DOI.
org/ 10. 1016/ j. Biortech. 2011. 10. 046 Сахархиз, С., Мазахери, Д., Шоджаосадати, С. А., «Оценка производства биоэтанола из рожковых стручков с помощью Zymomonas mobilis и Saccharomyces cerevisiae при твёрдой подводной ферментации», Preparative Biochemistry and Biotechnology, 2013, 43(5), 415–430. DOI.
org/ 10. 1080/ 10826068. 2012. 741642 Вахид, Х., Шоджаосадати, С. А., Галип, Х., «Оценка и оптимизация производства этанола из экстракта рожковых стручков с помощью Zymomonas mobilis с использованием методологии поверхности ответа», Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology, 2011, 38(1), 101–111. DOI.
org/ 10. 1007/ S10295- 010- 0835- 1 Рапосо, С., Константино, А., Родригес, Ф., Родригес, Б., Лима-Коста, М. Е., «Скрининг источников азота для производства этанола с использованием промышленных отходов рожкового дерева», Applied Biochemistry and Biotechnology, 2017, 181(2), 827–843. DOI.
org/ 10. 1007/ S12010- 016- 2252- z Roukas, T., «Стручок рожкового дерева: новый субстрат для производства лимонной кислоты Aspergillus niger», Applied Biochemistry and Biotechnology, 1998, 74(1), 43–53. DOI.
org/ 10. 1007/ BF02786885 Azaizeh, H., Abu Tayeh, H. N., Schneider, R., Klongklaew, A., Venus, J., «Производство молочной кислоты из биомассы лигноцеллюлозы рожкового дерева, банана и сахарного тростника», Molecules, 2020, 25(13), 2956. DOI.
org/ 10. 3390/ molecules25132956 Bahry, H., Abdalla, R., Pons, A., Taha, S., Vial, C., «Оптимизация производства молочной кислоты с использованием обездвиженных отходов Lactobacillus rhamnosus и отходов рожковых стручков ливанской пищевой промышленности», Journal of Biotechnology, 2019, 306, 81–88. DOI.
org/ 10. 1016/ j. JBIOTEC. 2019. 09. 017 Carvalheiro, F., Moniz, P., Duarte, L. C., Esteves, M. P., Gírio, F. M., «Производство маннитола молочнокислыми бактериями, выращиваемыми в дополненном сиропе рожкового дерева», Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology, 2011, 38(1), 221–227. DOI.
org/ 10. 1007/ S10295- 010- 0823- 5 Бинер, Б., Губбук, Х., Кархан, М., Аксу, М., Пекмеджи, М., «Сахарные профили стручков культивируемых и диких видов рожкового бобового (Ceratonia siliqua L.) в Турции», Food Chemistry, 2007, 100(4), 1453–1455. DOI.
Научные ресурсыorg/ 10. 1016/ j. Фудхим. 2005. 11. 037
