Для досягнення поставленої мети потрібно вирішити наступні завдання

1 2 3 4 5 6

Ім'я файлу: ПЗ.docx
Розширення: docx
Розмір: 1235кб.
Дата: 07.06.2021
скачати
Пов'язані файли:
Лекція № 1 Методика навчання інформатики як наука.docx

ВСТУП
Етиловий спирт за обсягом виробництва посідає перше місце серед усіх інших органічних продуктів. Він широко застосовується як розчинник і як вихідна сполуку для різних синтезів. Особливо великі кількості етилового спирту витрачаються у виробництві синтетичного каучуку. Етиловий спирт використовується також як вихідний продукт для виробництва хлораля, етилацетату, діетилового ефіру і багатьох інших продуктів органічного синтезу.

До недавнього часу виробництво етилового спирту грунтувалося на харчовій сировині – зброджування крохмалю з деяких зернових культур і картоплі за допомогою ферментів, що виробляються дріжджовими грибками. Цей спосіб зберігся і до сих тор, але він пов'язаний з великими витратами харчової сировини і в зв'язку зі зростаючим споживанням спирту не може задовольнити промисловість. Тому виробнцтво спирту з нехарчової сировини в наш час є досить актуальною перспективою.

Актуальність роботи – на сьогодні надзвичайно важливим фактором для спиртової промисловості є проблема зниження собівартості кінцевого продукту – харчового етилового спирту, покращення його якісних показників, а отже і покращення економічних та органолептичних показників лікеро-горілчаних напоїв.

Мета – вивчення біотехнологічного процесу отримання етанолу із зернової сировини.

Об’єкт – процес біотехнологічного виробництва етанолу шляхом зброджування зерен амаранту під дією ферментів дріжджів.

Предмет дослідження – технологічний, мікробіологічний та біохімічний аспекти біотехнологічного виготовлення етилового спирту з сировини.

Для досягнення поставленої мети потрібно вирішити наступні завдання:

 розглянути субстрат біотехнологічного процесу (Amaranthus hypochondriacus);

– вивчити біологічні агенти, які використовуються у біотехнологічному процесі отримання етанолу із зернової сировини;

– вивчити властивості, склад, показники якості етанолу;

– ознайомитися з апаратурно-технічним оснащенням процесу виробництва етилового спирту з зернової сировини;

– розглянути процеси і технічні умови біотехнології отримання етанолу;

– провести експериментальне дослідження етапів біотехнології отримання етилового спирту.

Методи досліджень – хімічні, фізико-хімічні, органолептичні, експериментально-статистичні, загальноприйняті та спеціальні, виконані з використанням сучасних приладів та інформаційних технологій.

Практична цінність дипломної роботи полягає в теоретичному обґрунтуванні біотехнології виробництва етилового спирту з харчової сировини. Результати дипломної роботи можуть бути використані при проектуванні біотехнологічного підприємства виробництва етилового спирту, також рекомендовано до розгляду та використання енергетикам, аграріям, екологам, лікарям, фармацевтам та викладачам навчальних закладів.

Новизна роботи. Уперше на Кременчуччині було встановлено доцільне отримування енергетичної речовини із Амаранту сумного (Amaranthushypochondriacus).

РОЗДІЛ 1 ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА СИРОВИНИ
1.1 Амарант як основна сировина

Домен: Еукаріоти (Eukaryota)

Царство: Рослини (Plantae)

Відділ: Покритонасінні (Magnoliophyta)

Клас: Дводо́льні (Dicotyledoneae)

Порядок: Гвоздикоцвіті (Caryophyllales)

Родина: Амарантові (Amaranthaceae)

Рід:Амарант (Amaranthus)

Вид: Амаранат сумний (Amaranthus hypochondriacus)

Рисунок 1.1 – Amaranthus hypochondriacus

Амаранат сумний (лат. Amaranthushypochondriacus) ДСТУ 7213:2011 – чудова рослина, відома з часів Стародавнього Світу, яка володіє унікальними харчовими властивостями, невибаглива в вирощуванні, і, тим не менш, несправедливо віддане забуттю. Ця культура має походження від ацтеків, майя та інків, древніх цивілізацій Північної і Південної Америки, де вона вирощувалася і культивувалася поряд з кукурудзою (маїсом), томатами, перцем та іншими культурами. Але якщо ті ж томати і кукурудза досить швидко прижилися в Старому Світі і стали одними з головних сільськогосподарських культур, то амарант почав завойовувати ринок тільки з другої половини 20 століття.

Його використання в Європі гальмувалося релігійними заборонами (рослина вважалося атрибутом язичницьких обрядів), а також відсталістю сільгоспвиробників, які воліли звичну пшеницю, ячмінь і жито. Щириця заповнювала поля, але тільки як бур'ян, в яку виродилися колись культурні сорти. І все-таки на цю рослину звернули увагу, і тепер його вирощують по всій Південній Америці, в Китаї, Індії, країнах Африки. Не відстають і ближчі країни – Німеччина, Словаччина, Польща, Росія, Казахстан. Час звернути увагу на цю культуру і аграріям України.

Щириця відноситься до рослин, які мають безліч сортів і різновидів - близько шести десятків. При цьому лише деякі є культурними, придатними для використання в сільському господарстві. Решта, на жаль, залишаються марними бур'янами.

Вельми непросто дати загальний опис амаранту. Стебла можуть бути висотою від 0,3 до 3 м, прямі, гіллясті, вигнуті, вкриті щетиною або зовсім голі. Листя, стебла і насіння можуть мати найрізноманітніші кольори: зелений, золотистий, червоний, фіолетовий, рожевий, коричневий. Стебла і листя можуть поєднувати в собі одночасно кілька кольорів.

Амарант дуже невибагливий до ґрунтів, може рости на пісковиках і глинистих, а також кислих ґрунтах, з рівнем рН більше 8,5 і на висоті до 3000 метрів. Не заважає розвитку цієї культури і висока концентрація металів в ґрунті.

Оптимальна температура для розвитку рослини – 26–28 °С, а ось зниження до 7 °С для щириці є критичним. Період вегетації зазвичай становить від 90 до 130 днів, хоча можливо його збільшення до 160 днів.

Догляд за рослиною нескладний. Бажано сіяти в розсипчастий ґрунт, зволожений, теплий – 10–13 °С на глибині 5 см. У амаранту немає природних ворогів-комах, а до хвороб можна віднести плямистість листя, кореневу гниль і білу іржу.

Крім промислових посівів, амарант також садять на дачних ділянках і навіть вдома, з попередніми пророщуванням розсади.

Ця рослина універсально, його можна використовувати в багатьох галузях:

– для корму худобі (зелена маса);

– у виробництві високоякісного борошна із зерна;

– в харчовому виробництві;

– у медицині;

– в косметології;

– для виробництва масла.

Можна виділити такі суперелітні, найбільш часто застосовуються сорти:

– Студентський універсальний: зерновий, лікувальний, кормової;

– Геліос зерновий, ранньостиглий;

– Сем кормової, олійний;

– Харківський-1 кормовий, харчової; лікувальний, зерновий;

– Лера кормової, олійний;

– Ультра – зверх ранній спілий, кормової.
1.2 Хімічні властивості
Харчова цінність, кількість вітамінів, мінералів і калорій амарант (за основу беруться насіння продукту) залежить від його хімічної структури. Стандартні показники відповідають таким цифрам (на 100 г):

– вода – 11,2 г;

– вуглеводи – 58,5 г (20 %);

– клітковина – 6,7 г (34 %);

– ліпіди – 7,02 р (10 %);

– протеїни – 13,5 м (23 %);

– зола – 2,88 г.

Калорійність зерен амаранту становить 371 ккал на 100 р. Це високопоживний продукт, рекомендований при крайньому ступені виснаження організму.

Він має виключно високу кормову цінність. Урожайність зеленої маси становить 500–900 ц/га, а в окремих випадках може досягати 1000–1500 ц/га. Здатний забезпечувати і два укоси. Хімічний склад силосу амаранту вважається цінним завдяки наступному складу: суха речовина – 23,6 %, протеїн – 3,5 %, жир – 0,9 %, клітковина – 5,5 %, зола – 4,2 %.[4]

Вітамінний склад Амаранту:

– вітамін В5 – близько 1,45 мг, що становить 29 % середньої добової норми;

– вітамін В6 – 0.6 мг 29 % від норми;

– вітамін В9 – 80 мкг 20 % від норми в день;

– вітамін В2;

– вітамін В4;

– вітамін C;

– вітамін Е.

Макро- мікроелементи:

– Калій – 508 мг 20 %;

– Кальцій – 160 мг 16 %;

– Магній – 248 мг 62 %;

– Фосфор – 558 мг 19 %;

– Марганець – 3,3 мг 166 %;

– Мідь – 525 мкг 52,5 %;

– Селен – Se 19 мкг 35 %;

Також амарант містить корисні рослинні білки, незамінні і замінні амінокислоти, насіння багаті – ненасиченими і насиченими жирними кислотами (до 77 %), інші необхідні нашому організму речовини: серотонін (гармонія щастя), пектин (вбирає і виводить шкідливі речовини з нашого організму), стероїди , пігменти.
РОЗДІЛ 2 ХАРАКТЕРИСТИКА БІОЛОГІЧНОГО АГЕНТУ
2.1 Морфологія
Для гідролізного виробництва мають значення дріжджі, що входять в наступні роди: Shizosaccharomyces і Saccharomyces – використовуються при спиртовій ферментації целюлозних гідролізатів. В склад кожного роду входять численні види дріжджів, причому в основу видового поділу покладена здатність дріжджів до зброджування і засвоєння різноманітних вуглеводів. В гідролізно-спиртовому виробництві застосовуються промислові штами дріжджів, що відносяться до видів Shizosaccharomyces pombe і Saccharomyces vini. В зв’язку з нестерильністю середовища при спиртовій ферментації в виробничих умовах розвиваються асоціації мікроорганізмів, основу яких складають спиртоутворюючі дріжджі вказаних видів. В склад асоціацій входять представники Saccharomyces cerevisiae, Saccharomycesc asei та інших видів [9]. Shizosaccharomyces мають палочковидні дріжджові клітини довжиною 4 – 18 мкм і діаметром 3 – 5 мкм, розмножуються шляхом поділу клітин навпіл. До Shizosaccharomyces відноситься більшість адаптованих до гідролізних субстратів виробничих штамів дріжджів: КС-1 (Канський завод), ВС-1 (Волгоградського заводу), ХорС-1 (Хорського заводу) та ін. Saccharomyces мають овальні, круглі, рідше видовжені клітини з середніми розмірами 10 – 15 мкм. Клітина оточена товстою клітинною стінкою. Всередині розташовані всі органели типової клітини: ядро, плазмалема, мітохондрії вакуолі і т. д. Розмножуються брунькуванням і їх ріст відбувається під час формування бруньок і брунька до моменту відділення стає по розміру майже рівною материнській. До Saccharomyces відносяться багато виробничих штамів дріжджів: ТС-1 (Тавдинського заводу), АС-1 (Архангельського заводу), ЛобС-1 (Лобвинського заводу) і ін.

S. cerevisiae – це невеликий одноклітинний організм, тісно пов’язаний з клітинами тварин і рослин. Клітинна мембрана відокремлює клітинні компоненти від зовнішнього середовища, в той час як ядерна мембрана захищає спадковий матеріал. Як і в інших еукаріотичних організмах, мітохондріальна мембрана бере участь у виробленні енергії, а ендоплазматична мережа (ER) і апарат Гольджі беруть участь в синтезі ліпідів і модифікації білка.

Вакуолі та пероксисоми містять метаболічні шляхи, пов'язані з травними функціями. Тим часом, складна мережа будівельних лісів виступає в ролі стільникової підтримки і дозволяє клітинам рухатися, таким чином виконуючи функції цитоскелету.

S. cerevisiae має клітинну стінку з хітину, що дає дріжджам клітинну форму, яка характеризує його. Ця стінка запобігає осмотичному пошкодженню, оскільки вона чинить тургорний тиск, забезпечуючи цим мікроорганізмам певну пластичність при шкідливих умовах навколишнього середовища. Клітинна стінка і мембрана пов’язані периплазматичним простором.[1]
2.2 Цитологія
Ядро. У дріжджовий клітці в фазі між поділами завжди є лише одне ядро. У світловому мікроскопі його можна побачити після спеціального фарбування або за допомогою фазово-контрастного пристрою при високій роздільній здатності. На електронно-мікроскопічних знімках ультратонких зрізів дріжджових клітин ядро виглядає як більш-менш округла органела, оточена подвійною мембраною. У ній є пори у вигляді округлих наскрізних отворів, які утворюються в результаті злиття двох ядерних мембран. Однак ядерні пори – не просто отвори, вони заповнені складно організованим структурами, які називають комплексом пір ядра. Вважається, що основна функція ядерних пір – транспорт готових рибосомних субодиниць в цитоплазму. Ядерна оболонка багатофункціональна, але в основному грає роль бар'єра, що відокремлює вміст ядра та регулюючого транспорт макромолекул між ядром і цитоплазмою. Основні функціональні одиниці ядра – молекули ДНК, що несуть основну генетичну інформацію про клітину. ДНК становить основну частину хроматину – основного компонента ядра. Число хромосом у ядрі різних видів дріжджів може бути різним, воно коливається від 2 до 16.

Мітохондрії. У мітохондріях є власна мітохондріальна ДНК (мДНК), а також весь апарат білкового синтезу, включаючи матричну РНК і 70S рибосоми (на відміну від 80S рибосом в цитоплазмі). мДНК у дріжджів становить 5–20 % від всієї ДНК клітини. Число мітохондрій в одній дріжджовий клітині варіює в межах 1–20 в різні періоди зростання і в залежності від умов. Як правило, 1–2 мітохондрії в клітині більш великі, ніж інші і мають розгалужену форму. Реконструкція ультратонких зрізів клітини дозволяє припустити, що в деяких випадках (у підготовчий період брунькування) клітина містить всього одну витягнуту і сильно розгалужену мітохондрії. Мітохондрії здатні до самовідтворення.

Цитоплазаматична мембрана. На поперечному зрізі під електронним мікроскопом мембрана у дріжджів виглядає як тришарова структура. Вона являє собою два шари фосфоліпідів, в які занурені білкові молекули, тобто побудована за загальним для всіх клітинних мембран принципом. Однак, є відмінності, що стосуються хімічного складу. У Saccharomyces cerevisiae основними фосфоліпідами мембран є лецитин, фосфатидилетаноламін і фосфатидилсерин. На їх частку доводиться близько 90% всіх ліпідів мембрани. До складу мембрани дріжджів входять стероїди – ергостерол, зімостерол та ін. Білки представлені в основному ферментами, які беруть участь у трансмембранному перенесення речовин, розщепленні полісахаридів і синтезі позаклітинних структур. Функції цитоплазматичної мембрани різноманітні: регуляція біосинтезу клітинної стінки, активний транспорт транспорт в клітину специфічних молекул органічних речовин, транспорт іонів K⁺ і Na⁺ та ін.

Вакуолі. У фазово-контрастному мікроскопі в клітинах дріжджів добре видно світлі і прозорі структури круглої форми. Це вакуолі. Зазвичай їх 1–3 в клітці. Кожна вакуоль оточена одинарної мембраною і містить різні ферменти, ліпіди, низькомолекулярні продукти метаболізму (амінокислоти), іони металів. У вакуолях зосереджена велика частина іонів калію. Іноді в вакуолі видно «танцюючі» за рахунок броунівського руху щільні гранули. Це так звані метахроматичні гранули, «танцюючі тільця» (dancing bodies), або волютину. Гранули ці складаються з полімеризованих залишків фосфатів, а по периферії вони покриті комплексними сполуками з РНК, білків і ліпідів. Волютину – це резерв поліфосфатів у клітці. Основна функція вакуолів – роз'єднання процесів синтезу і розпаду білків і нуклеїнових кислот. Вони виконують також роль депо для зберігання деяких запасних речовин і ферментів, беруть участь у регуляції тургорного тиску. Також у клітці присутні: клітинна стінка, яка захищає протопласт від осмотичного розриву і надає клітині певну форму; капсула (слизовий полісахаридний чохол навколо клітини), цитоплазма і ліпіди.

Рисунок 2.1 – Компоненти дріжджової клітини
2.3 Фізіолого-біохімічні ознаки
В зв’язку з тим, що дріжджі асимілюють готові органічні сполуки і не засвоюють Н₂СО₃, вони відносяться до гетеротрофних організмів, а по типу дихання – до факультативних анаеробів, вони здатні розвиватися як в анаеробних умовах в відсутності кисню, так і в аеробних [9]. При спиртовому бродінні відбуваються ферментативні перетворення гексозних моносахаридів в анаеробних умовах, що призводять до їх неповного окиснення і супроводжуються виділенням енергії. В цих реакціях акцептором водню є не кисень, а проміжний продукт перетворення вуглеводів – оцтовий альдегід. Біохімічні процеси протікають всередині дріжджової клітини, куди через напівпроникну мембрану надходять моносахариди і необхідні неорганічні поживні речовини. Продукти метаболізму – етанол, діоксид карбону і домішки виділяються з клітини в зброджуване сусло [9].

Shizosaccharomyces володіють високою бродильною активністю і забезпечують підвищений вихід спирту з моносахаридів в порівнянні з Saccharomyces.Але вони гірше переносять зупинки цехів на плановопопереджувальний і капітальний ремонти, а також порушення параметрів технологічного процесу спиртового бродіння. Ці культури забезпечують вихід етанолу 58–59 л з 100 кг зброджуваних моносахаридів. Saccharomyces забезпечують вихід спирту 55–58 л з 100 кг зброджуваних цукрів. Дріжджі живуть і розмножуються в обмеженому температурному діапазоні і для їх нормальної життєдіяльності необхідна температура 29–30 °С. При дуже високій або дуже низькій температурі життєдіяльність дріжджів послаблюється або зовсім припиняється. Максимальна температура для розвитку дріжджів – 38 °С, мінімальна – 5 °С, при температурі 50 °С дріжджі гинуть. Оптимальні температури для розвитку та виявлення максимальної бродильної активності не завжди співпадають. Дріжджі, вирощені при температурі 17–22 °С, мають велику бродильну енергію [17].

Найкращим температурним режимом для розмноження і бродіння дріжджів є температура в межах 30–33 °С [11]. При підвищенні температури дикі дріжджі і бактерії розмножуються значно швидше сахароміцетів. Якщо при 32 °С коефіцієнт розмноження диких дріжджів у 2–3 рази більший ніж коефіцієнт розмноження цукроміцетів, то при 38 °С він вже у 6–8 разів більший. У результаті прискореного розвитку бактерій підвищується кислотність бражки, в результаті зменшується вихід спирту [17]. На життєдіяльність дріжджів значно впливає активна кислотність середовища. Іони водню змінюють електричний заряд колоїдів плазматичної мембрани клітин і в залежності від концентрації можуть збільшувати або зменшувати її проникність для окремих речовин та іонів. Від значення рН залежить швидкість надходження поживних речовин у клітину, активність ферментів, утворення вітамінів. При зміні рН середовища змінюється і напрям самого бродіння. Якщо рН зрушується у лужний бік, то збільшується утворення гліцерину. Життєдіяльність дріжджів зберігається у межах рН середовища від 2 до 8; для їх вирощування оптимальним є рН 4,8–5,0. При рН нижче 4,2 дріжджі продовжують розвиватися, в той час як ріст кислотоутворюючих бактерій припиняється. Цю властивість дріжджів використовують для пригнічення розвитку бактерій у середовищі, де вони присутні, яке підкислюють до рН 2,8–4 і витримують певний час. Про потребу дріжджів у поживних речовинах роблять висновок по їх хімічному складу, який залежить від поживного середовища, умов культивування дріжджів та їх фізіологічних властивостей. Середній елементарний склад дріжджової клітини (%): вуглець 47, водень 6,5, кисень 31, азот 7,5–10, фосфор 1,6–3,5. Вміст інших елементів незначний (%): кальцію 0,3–0,8, калію 1,5–2,5, магнію 0,1–0,4, натрію 0,06–0,2, сірки 0,2. Також у дріжджах присутні і мікроелементи (мкг/кг): залізо 90–350, мідь 20–35, цинк 100–160, молібден 15–65. Для нормального розвитку і спиртового бродіння дріжджі потребують вітамінів, які є кофакторами багатьох ферментів. Цукроміцети частково можуть синтезувати всі вітаміни, окрім біотину. Ненасичені жирні кислоти з 18 атомами карбону, особливо олеїнова, також є важливими ростовими факторами. Стимулююча дія олеїнової кислоти спостерігається тільки при малій її концентрації, до 0,5 мг/мл [9].
2.4 Вуглецеве живлення
Дріжджі використовують вуглець різних органічних сполук: глюкози, фруктози (D-форми), манози, галактози, але вони не асимілюють пентози. При відсутності гексоз джерелом вуглецю можуть бути також гліцерин, маніт, етиловий та інші спирти, органічні кислоти (молочна, оцтова, яблучна, лимонна). При періодичному культивуванні в першу чергу споживаються глюкоза і фруктоза. Послідовність засвоєння жирних кислот залежить від штаму дріжджів та складу цих кислот. Як правило, у першу чергу засвоюється з суміші те джерело вуглецю, яке забезпечує більшу швидкість розмноження дріжджів. При безперервному культивуванні дріжджів зі збільшенням швидкості розбавлення середовища у ньому залишається більше того вуглецевого компонента, який засвоюється останнім. Олігосахариди, з яких спиртові дріжджі використовують мальтозу і сахарозу, попередньо гідролізуються відповідними ферментами дріжджів до моносахаридів. При переході від анаеробних умов до аеробних послаблюється здатність дріжджів зброджувати глюкозу і мальтозу. Дріжджі споживають мальтозу тільки при відсутності у середовищі глюкози і фруктози. Органічні кислоти мають важливе значення у метаболізмі вуглецю, енергетичному обміні мікроорганізмів, у синтетичних та десиміляційних процесах. Використання кислот жирного ряду як джерел вуглецю залежить від виду і раси дріжджів, концентрації кислоти, довжини її вуглецевого ланцюжка та ступеню електролітичної дисоціації [9].
2.5 Азотне живлення
Дріжджі можуть синтезувати всі амінокислоти, які входять у склад білків, безпосередньо з неорганічних азотистих речовин при використанні джерелом вуглецю органічних сполук – проміжних продуктів розпаду вуглеводів, які утворюються при диханні і зброджуванні. Дріжджі засвоюють тільки дві форми азоту: аміачний азот та органічний. Вони ефективно використовують азот сульфату амонію, сечовини, аміачних солей оцтової, молочної, яблучної і янтарної кислот. У присутності зароджуваних цукрів аміачні солі дріжджів є джерелом тільки азоту; але при використанні його звільняються кислоти, які змінюють рН середовища. Аміачний азот споживається дріжджами краще, ніж азот багатьох амінокислот. Амінокислоти – одночасно є джерелом азоту і вуглецю, останній засвоюється з кетокислот, які утворюються в результаті відщеплення аміногруп. Можлива і безпосередня асиміляція амінокислот з поживного середовища, яке містить їх повний набір та зброджуваний цукор. Внаслідок цього знижуються витрати цукрів на живлення дріжджів і дещо збільшується вихід спирту при зброджуванні. Для використання органічного азоту (амінокислот, амідів) більшості дріжджам необхідні вітаміни (біотин, пантотенова кислота, тіамін, піридоксин та ін.). Дріжджі не засвоюють такі азотисті сполуки, як білки, бетаїн, холін, пурини й аміни у вигляді етиламіну, пропіл- і бутиламіну. Пептиди займають середню позицію між амінокислотами і білками. Використання дріжджами пептидів зменшується із підвищенням їх складності. Деяка кількість пептидів у середовищі поряд з іншими формами азоту сприяє засвоєнню амінокислот [9].
2.6 Фосфорне живлення
В анаеробних умовах дріжджі засвоюють фосфор головним чином у початковий період зброджування – 80-90% від максимальної кількості у дріжджах. Молоді дріжджі, які енергійно розмножуються, більш багаті фосфором у порівнянні з дріжджами старими, які не брунькуються [9]. У суслі з крохмалевмісної сировини є достатня кількість фосфоровмісних сполук, а у мелясному суслі їх недостатньо [17].

Для гідролізного виробництва необхідно до гідролізату додавати джерела фосфорного живлення для ефективного бродіння. Культуральні ознаки. Дріжджі в культурах на щільних поживних середовищах ростуть у вигляді колоній різного кольору, форми і консистенції, а в рідких середовищах утворюють муть, плівки і осади. Колонії дріжджів на перший погляд не відрізняються від бактеріальних: для колоній не характерний повітряний міцелій як для актиноміцетів і грибів, а частіше колонії бувають гладкими, щільними і густими. Поряд з основним штамом спиртоутворюючих дріжджів в склад виробничої мікрофлори зазвичай входять дріжджі-супутники («дикі» дріжджі), які, як правило, мають нижчу продуктивність в порівнянні з основною культурою. Якщо основна культура Shizosaccharomyces, то домішками зазвичай є представники Saccharomyces і навпаки. В якості сторонньої мікрофлори в гідролізно-спиртовому виробництві зустрічаються також бактерії, що спричиняють молочно-кисле, оцтово-кисле і масляно-кисле бродіння, а також деякі гриби [9]. Отже, розглянувши основні морфологічні, культуральні, фізіолого-біохімічні ознаки продуценту визначено, що процес зброджування потрібно проводити в анаеробних умовах з визначеними параметрами (при температурі 32 оС і рН середовища близько 4,5), для нормального функціонування дріжджів до гідролізату потрібно додати джерела живлення азоту і фосфору, також по можливості і інших факторів росту, таких як вітаміни; культивування ефективніше проводити безперервним способом в двох апаратах[9].
2.6 Культуральні ознаки
Дріжджі в культурах на щільних поживних середовищах ростуть у вигляді колоній різного кольору, форми і консистенції, а в рідких середовищах утворюють муть, плівки і осади. Колонії дріжджів на перший погляд не відрізняються від бактеріальних: для колоній не характерний повітряний міцелій як для актиноміцетів і грибів, а частіше колонії бувають гладкими, щільними і густими. Поряд з основним штамом спиртоутворюючих дріжджів в склад виробничої мікрофлори зазвичай входять дріжджі-супутники («дикі» дріжджі), які, як правило, мають нижчу продуктивність в порівнянні з основною культурою. Якщо основна культура Shizosaccharomyces, то домішками зазвичай є представники Saccharomyces і навпаки. В якості сторонньої мікрофлори в гідролізно-спиртовому виробництві зустрічаються також бактерії, що спричиняють молочно-кисле, оцтово-кисле і масляно-кисле бродіння, а також деякі гриби [9].

РОЗДІЛ 3 ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОДУКТУ БІОТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА ЕТАНОЛУ З ДОДАВАННЯМ НАСІННЯ АМАРАНТУ
3.1 Загальна характеристика
Етанол (етиловий спирт, винний спирт) – органічна сполука, представник ряду одноатомних спиртів складу С₂Н₅ОН (скорочено EtOH). За звичайних умов є безбарвною, легкозаймистою рідиною. Згідно з Національним стандартом України ДСТУ 4221:2003 етанол – це токсична речовина з наркотичною дією, за ступенем впливу на організм людини належить до четвертого класу небезпечних речовин. Має канцерогенні властивості.

Спирт етиловий ректифікований є безбарвною прозорою рідиною, яка не володіє сторонніми запахами і присмаками. Питома вага даного продукту при 20 °С дорівнює 0,78927 г/см³. Етанол, або етиловий спирт, вперше був синтезований в 1855 р з етилену. Дана речовина є легкозаймистою рідиною. При його горінні утворюється вода і діоксид вуглецю. Пари спирту є шкідливими для здоровʼя. Граничною допустимою нормою його концентрації в повітрі вважається 1 мг/дм³. Температура його замерзання складає -117 °С, а кипіння: +78,2 °С [14].
3.2 Хімія та хімічні властивості
Етанол змішується з водою у всіх співвідношеннях сумішей, виробляючи тепло, що призводить до зменшення загального обсягу. У звичайному процесі дистиляції із суміші вода-етанол можна отримати до 96 % етанол-вода. Якщо вихідна етанолова суміш містила інгредієнти, крім води та етанолу, які неможливо відокремити від етанолу дистиляцією, 96 % етанолу не можна отримати з такої суміші в процесі дистиляції.

96 % дистильована водно-етанолова суміш утворює азеотропну суміш. 96 % чистіший етанол, тобто абсолютний етанол, може бути отриманий шляхом видалення води із суміші вода-етанол ефективніше, ніж звичайна дистиляція, такими методами, як молекулярні сита, завдяки чому із суміші вода-етанол може бути отримано приблизно 99,5 % етанолу. Ще більше води можна видалити, зокрема, шляхом перегонки етанолу з відповідним осушувачем, таким як боргідрид натрію.

Етанол – універсальний розчинник і вихідний матеріал, що використовується для одержання кількох органічних сполук. Етанол є злегка полярною сполукою, тому етанол повністю розчинний у воді, а також інших полярних розчинниках. Вуглеводневий кістяк етанолу, навпаки, дозволяє йому розчинятися в неполярних органічних сполуках. Приклади включають вуглеводні, такі як бензин та дизель.

Суміші етанолу легкозаймисті, а сам етанол горить сажистим, синюватим полум’ям. Отже, етанол є хорошим паливом для двигуна з іскровим запалюванням («бензиновий двигун») і виробляється як біопаливо, серед іншого, з цукрової тростини, залишків їжі, кукурудзи та іншої економічно вигідної вуглеводівмісної сировини. Суміш етанолу понад 60 % також можна використовувати як дезінфікуючий засіб, оскільки він вбиває мікроби, такі як бактерії та віруси.

Етанол є одноатомним первинним спиртом і гідроксильна група зумовлює більшість його хімічних властивостей. Так, етанол може брати участь у реакціях дегідратації – як внутрішньо молекулярної, так і міжмолекулярної:

При взаємодії з іншими спиртами утворюється суміш трьох етерів:

C₂H₅OH + CH₃OH → C₂H₅OC₂H₅+ CH₃OCH₃+ CH₃OC₂H₅

Із карбоновими кислотами етанол у присутності концентрованої сульфатної кислоти утворює естери:

В результаті приєднання етанолу до ацетилену синтезується винілетиловий етер:

Проявляючи свої кислотні властивості, етанол реагує з лужними металами (наприклад, натрієм) та лугами із утворенням етоксидів:

C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂↑

C₂H₅OH + NaOH → C₂H₅Ona + H₂O

Ця реакція проводиться у безводному середовищі, оскільки гідроксид утворюється швидше, ніж етоксид.

Менш активні метали – алюміній та магній – також взаємодіють з етанолом, але тільки в присутності каталізатору ртуті:

6C₂H₅OH + 2Al → 2(C₂H₅O)₃Al + 3H₂↑

2C₂H₅OH + Mg → (C₂H₅O)₂Mg + H₂↑

Наявна у молекулі гідроксильна група може заміщатися галогенідними кислотами із утворенням галогенопохідних етану:

Етанол окиснюється до етаналю, а згодом – до оцтової кислоти; результатом повного окиснення (наприклад, спалювання етанолу) є діоксид вуглецю і вода:

Обробляючи етанол аміаком при 300 C у кислому середовищі, утворюються заміщені аміни: первинні, вторинні, третинні або навіть четвертинні амонієві солі (в залежності від співвідношення реагентів):

C₂H₅OH + NH₃+ HCl → C₂H₅NH₂ · HCl + H₂O

Етанол є сировиною для синтезу бутадієну. Реакція проводиться при температурі 370–390 C та в присутності каталізаторів – MgO-SiO₂ або Al₂O₃-SiO₂ (із селективністю 70 %) [15]:

3.3 Структура та фізичні властивості
Структура етанолу. Обидва атоми Карбону в молекулі етанолу, в тому числі й атом, який зв'язаний з гідроксильною групою, знаходяться у стані sp³-гібридизації. Відстань C–C складає 1,512 ангстрем. В залежності від положення гідроксильної групи відносно іншої частини молекули, розрізняють гош- (фр. gauche) і транс-форми. Транс-форма характеризується положенням зв'язку O—H гідроксильної групи в одній площині зі зв'язком C–C та одним із C–H зв'язків. У гош-формі атом Гідрогену в гідроксильній групі повернутий убік. Дипольний момент для гош-форми складає 1,68 D, а для транс-форми – 1,44 D. На рисунку 4.1 наведена структура етанолу.

3.1 – Структура етанолу.
Фізичні властивості. Етанол – безбарвна рідина зі слабким «алкогольним» запахом. Він є летким і легкозаймистим. Змішується в будь-яких пропорціях з водою, етерами, ацетоном, бензеном. Етиловий спирт є гарним розчинником для багатьох органічних, а також неорганічних речовин. Із водою утворює азеотропну суміш: 95,6 % спирту й 4,4 % води. Безводний етанол незначною мірою гігроскопічний: для досягнення стабільності він здатен поглинути 0,3–0,4 % води. На таблиці 4.1 наведена вʼязкість етанолу , мПа·с.[12].

Таблиця 4.1 – Вʼязкість етанолу, мПа·с.

-25 °C	0 °C	25 °C	50 °C	75 °C
3,262	1,786	1,074	0,694	0,476

1 2 3 4 5 6

скачати