stulecie nagrody nobla dla eduarda buchnera jako temat projektu

CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2007, R. 12, NR 1-2
51
Katarzyna Dobrosz-Teperek i Beata Dasiewicz
Katedra Chemii
Wydział Technologii śywności
Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego
ul. Nowoursynowska 159c, 02-776 Warszawa
tel. 022 593 76 17 (25)
email: [email protected]
STULECIE NAGRODY NOBLA DLA EDUARDA BUCHNERA
JAKO TEMAT PROJEKTU DLA STUDENTÓW SGGW
100 ANNIVERSARY OF NOBEL PRIZE FOR EDUARD BUCHNER
AS THE TOPIC OF PROJECT DESIGNED FOR STUDENTS OF WULS-SGGW
Streszczenie: Przedstawiona praca została zrealizowana w ramach projektu dydaktycznego przez studentów I roku ochrony
środowiska SGGW. Eduard Buchner, niemiecki chemik organik, w 1907 roku otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za
pracę nad fermentacją. To bardzo waŜne odkrycie naukowe pozwoliło na wyjaśnienie procesu fermentacji alkoholowej,
znanego juŜ w staroŜytności (wino, piwo). Współcześnie fermentacja alkoholowa wykorzystywana jest do produkcji
bioetanolu celulozowego oraz w technologii oczyszczania ścieków przemysłowych.
Słowa kluczowe: Eduard Buchner, fermentacja alkoholowa, ochrona środowiska, historia chemii, projekt dydaktyczny
Summary: This work was realized a didactic project by the students of the Environment Protection of SGGW, Warsaw.
Eduard Buchner, German organic chemist, won the Nobel Prize for chemistry in 1907 for his work on fermentation. This was
very important scientific discovery, it allowed to explain a fermentation process, known as early as in the antiquity (wine,
beer). Nowadays, alcoholic fermentation is used in production of cellulosic bioethanol and in technology of sewage-treatment
industrial plant.
Keywords: Eduard Buchner, alcoholic fermentation, environment protection, history of chemistry, didactic project
„Najkrótszy sposób poznania najlepiej udziela mi wiedzy,
ale najdłuŜsza droga czyni mnie rozumniejszym”
S.T. Coleridge [1772-1834] - Aforyzmy
Wstęp
W naszych poprzednich pracach [1, 2] zbadano wpływ
metod aktywizujących w nauczaniu elementów historii
chemii na procesy psychiczne młodego człowieka, takie jak
rozwój wyobraŜeń i myślenie twórcze oraz zainteresowanie
przedmiotem. Na podstawie uzyskanych wyników
z przeprowadzonych badań dydaktycznych stwierdzono, Ŝe
stosowanie metod aktywizujących znacznie wpłynęło na
stopień opanowania oraz na trwałość zdobytej wiedzy
z historii chemii.
W niniejszej pracy [3] podjęto próbę opracowania
i zastosowania metod heurystycznych na zajęciach
audytoryjnych z chemii w szkole wyŜszej. Metody
heurystyczne zaczynają być coraz szerzej stosowane
w procesie nauczania studentów. Są to metody silnie
aktywizujące, dzięki którym zdobywanie wiedzy następuje
nie w formie biernego wysłuchania informacji, lecz dzięki
samodzielnemu rozwiązywaniu problemów zawartych
w zadaniach odpowiednio przystosowanych do celów
dydaktycznych. Zapewniają one rozwijanie myślenia
twórczego, które ułatwia przygotowanie i podejmowanie
optymalnych decyzji w przypadku złoŜonych problemów
oraz kształtowanie umiejętności stosowania wiedzy
teoretycznej w praktyce.
W tym celu studenci I roku Międzywydziałowego
Studium Ochrony Środowiska SGGW (studia zaoczne)
opracowali projekt z wykorzystaniem róŜnych technik
aktywizujących (m.in. obserwacji, analizy przypadku,
metody eksperymentu i gier dydaktycznych) [4]. PoniŜej
podano szczegółowe etapy projektu pt. „Stulecie Nagrody
Nobla dla Eduarda Buchnera”.
1. Wybór obszaru poczynań studentów:
a) historia chemii:
Eduard Buchner [1860-1917], niemiecki chemik, był
profesorem chemii ogólnej m.in. w WyŜszej Szkole
52 CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2007, R. 12, NR 1-2
Gospodarstwa Wiejskiego w Berlinie [1898-1909] oraz
chemii fizjologicznej we Wrocławiu [1909-1911]. Prowadził
badania nad rozkładem racematów niektórych kwasów,
syntezą związków szeregu cykloheptanu oraz z dziedziny
związków cyklicznych (w 1899 r. odkrył pirazol).
NajwaŜniejszym jego osiągnięciem naukowym było odkrycie
w 1897 r. enzymu - zymazy, co pozwoliło na wyjaśnienie
fermentacji alkoholowej i obalenie teorii, Ŝe wywołują ją
Ŝywe organizmy. Za odkrycie zymazy Buchner otrzymał sto
lat temu Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii;
b) chemia organiczna: fermentacja alkoholowa, jej
charakterystyka i zastosowania praktyczne;
c) technologia chemiczna w ochronie środowiska: rodzaje
zanieczyszczeń środowiska przyrodniczego przez
zakłady
przemysłowe
wykorzystujące
procesy
fermentacyjne
2. Wspólne opracowanie planu projektu.
3. Wykonanie projektu.
4. Prezentacja projektu.
5. Podsumowanie - przeprowadzenie wśród studentów
testu sprawdzającego.
Po przedstawieniu pięciu projektów przez 3-osobowe
zespoły studenckie dokonano oceny zajęć za pomocą ankiet.
Zamieszczony poniŜej opis dotyczy omówienia spostrzeŜeń
i wniosków wybranych projektów.
Zarys historii fermentacji alkoholowej
Fermentacja alkoholowa znana była juŜ w staroŜytności,
ale jej mechanizm został dopiero dokładnie wyjaśniony
w latach 30. XX wieku. Przede wszystkim naleŜało
odpowiedzieć na dwa zasadnicze pytania: „Jaka jest
przyczyna fermentacji i jakie zachodzą przy tym reakcje
chemiczne?”. Po raz pierwszy teorią fermentacji alkoholowej
zainteresował się uczony francuski A.L. Lavoisier, ale
dopiero w 1815 roku jego rodak J.L. Gay-Lussac przedstawił
ją w postaci równania chemicznego: C6H12O6 = 2C2H5OH +
+ 2CO2 (+28 kcal) [5]. Przeprowadzone (1857 r.) przez
L. Pasteura badania nad fermentacją alkoholową wykazały,
Ŝe jest ona zawsze związana z obecnością grzybków
fermentacyjnych, których zarodniki przenoszone są przez
powietrze oraz uprzednie przygotowanie płynu (sterylizacja)
i filtrowanie powietrza przez watę zapobiega temu procesowi
[6]. Badania nad fermentacją alkoholową posłuŜyły mu do
opracowania skutecznych sposobów walki z psuciem się
wina i piwa. Dowiódł on, Ŝe pogorszenie jakości piwa i wina
powodują najczęściej obce, niepoŜądane drobnoustroje
rozwijające się w kadziach fermentacyjnych [7]. Pierwszą
szczegółową teorię fermentacji alkoholowej podali na
przełomie XIX i XX wieku Neuberg i Lebiediew. Jednak
rozstrzygające wytłumaczenie fermentacji alkoholowej
wniosły doświadczenia Eduarda Buchnera. W 1897 roku
Buchner wykazał, Ŝe działanie wywołujące fermentację nie
jest bezpośrednio związane z komórkami Ŝyjącymi. Przez
roztarcie droŜdŜy z piaskiem kwarcowym i krzemionką
moŜna częściowo zniszczyć ścianki komórek droŜdŜowych.
Z tak przygotowanej masy przez wytłoczenie pod duŜym
ciśnieniem sporządza się sok całkowicie pozbawiony
komórek, który w roztworze cukru wywołuje silną
fermentację. Buchner udowodnił takŜe, Ŝe fermentacja nie
jest wywołana resztkami Ŝyjącej jeszcze protoplazmy, gdyŜ
komórki droŜdŜowe zabite acetonem dostarczały równieŜ
soku zdolnego do wywołania fermentacji. Zatem fermentacja
wywołana jest obecnością zawartego w droŜdŜach enzymu,
dającego się od nich oddzielić. Buchner ten enzym nazwał
zymazą (gr. zýmē - zakwas). Później okazało się, Ŝe zymaza
jest mieszaniną kilku enzymów [8]. Wyjaśnienie procesu
zachodzącego podczas fermentacji kosztowało nie mniej
trudu niŜ ustalenie jej przyczyny. JednakŜe opłaciło się,
Eduard Buchner w 1907 roku za to odkrycie otrzymał
Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii [9].
Charakterystyka fermentacji alkoholowej
Fermentacja alkoholowa okazała się niezwykle
złoŜonym procesem, ale, ogólnie rzecz biorąc, jej istota
polega na przemianie pod wpływem droŜdŜy, cukru
(heksozy) na alkohol i ditlenek węgla. Otrzymuje się równieŜ
niewielkie ilości oleju fuzlowego (0,2÷0,8% surowego
destylatu zawierającego głównie alkohole: 3-metylo-1butanol
(izoamylowy)
i
D-(+)-2-metylo-1-butanol
(D-amylowy), kwasu bursztynowego i gliceryny. Zarodniki
grzybków droŜdŜowych znajdują się zawsze w powietrzu
(w cząstkach pyłu) i dlatego proces fermentacji alkoholowej
jest zjawiskiem bardzo rozpowszechnionym, często
spotykanym w Ŝyciu codziennym. ToteŜ otrzymywanie
napojów alkoholowych (wino, piwo, miód pitny) było znane
od najdawniejszych czasów. W przyrodzie fermentacja
alkoholowa zachodzi tak często, Ŝe alkohol etylowy, chociaŜ
w minimalnych ilościach, zawsze wchodzi w skład wód
gruntowych, a jego pary - w skład powietrza [10].
Zastosowania praktyczne fermentacji alkoholowej
Fermentacja alkoholowa cukrów w obecności droŜdŜy
naleŜy do szybko rozwijającej się gałęzi przemysłu i jest
wykorzystywana
w
piwowarstwie,
winiarstwie,
gorzelnictwie, kandyzowaniu owoców, produkcji droŜdŜy,
pieczywa, a takŜe w ochronie środowiska. Proces ten polega
na utlenianiu węglowodanów przez odpowiednie szczepy
droŜdŜy, w wyniku czego powstaje alkohol etylowy,
wykorzystywany
do
celów
spoŜywczych
oraz
przemysłowych. Surowce stosowane w przemyśle
fermentacyjnym dzielą się na trzy grupy. Do pierwszej
zalicza się produkty cukrowe: melasę, soki owocowe, trzcinę
cukrową, do drugiej - materiały zawierające skrobię (Ŝyto,
jęczmień i pszenicę), do trzeciej - produkty pocelulozowe
(drewno i ługi posiarczynowe). DroŜdŜe zawierają enzymy,
które hydrolizują disacharydy na cukry proste. Jedynie cztery
heksozy ulegają fermentacji pod wpływem droŜdŜy:
D-glukoza, D-mannoza, D-fruktoza i D-galaktoza. Ostatnia
ulega fermentacji z trudnością i nie pod wpływem
wszystkich gatunków droŜdŜy. Końcowy produkt
fermentacji, alkohol, wydziela się przez destylację.
Wydajność obliczona w stosunku fermentujących cukrów
wynosi około 90% [8].
CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2007, R. 12, NR 1-2
W wyniku hydrolizy celulozy zawartej w trocinach
drzewnych powstaje glukoza. Tą właśnie metodą
w niektórych państwach, jak np. Szwecja, Finlandia, Kanada,
czy Brazylia, z odpadów drewna produkuje się glukozę,
a z niej i droŜdŜe, etanol (fermentacja alkoholowa). W 1819
roku udało się francuskiemu chemikowi H. Braconnot
zhydrolizować po raz pierwszy celulozę za pomocą
stęŜonego kwasu siarkowego, ale metoda ta nie znalazła
praktycznego zastosowania z uwagi na bardzo duŜe zuŜycie
kwasu. Dlatego próby zmierzające do opłacalnej przeróbki
drewna na cukier były kontynuowane. Dalsze prace nad
hydrolizą celulozy prowadzili: Fogel (1822 r., Rosja),
Melsen (1854 r., Francja) i Dangeville (1880 r., Francja),
Simonsen (1894 r., Szwecja). Pierwsze urządzenie do
produkcji alkoholu etylowego z celulozy zostało zbudowane
w 1910 r. w USA (w Karolinie Południowej) i produkowało
około 75 dm3 alkoholu z 1 Mg trocin.
Hydrolizę celulozy przeprowadzano za pomocą kwasu
siarkowego pod ciśnieniem. Z tej samej zasady korzystała
w latach 1918-1919 niemiecka metoda produkcji alkoholu
w Szczecinie. Przyczyną małej wydajności był rozpad
cukrów zachodzący podczas ich hydrolizy. W 1926 roku
patent H. Schollera w Niemczech skierował hydrolizę
celulozy na nowe tory. W Tornesch powstała w 1934 r.
pierwsza doświadczalna fabryka, korzystająca z metody
Schollera. W latach 1933-1945 powstały pierwsze fabryki
scukrzające drewno w Niemczech, Japonii, Szwajcarii, Korei
i we Włoszech. W jednej z metod niemieckich, opracowanej
w latach 50. ubiegłego stulecia przez F. Bergiusa, celulozę
hydrolizowało się 40% roztworem kwasu solnego
w temperaturze pokojowej (metoda Willstättera). Około 80%
surowego cukru ulegało fermentacji; pozostałe 20%
odzyskiwano i wykorzystywano jako paszę. Wydajność tego
procesu wynosiła 300÷320 dm3 alkoholu na 1 Mg drewna
[11].
Obecnie
technologia
produkcji
bioetanolu
celulozowego jest stale unowocześniana. KaŜdy surowiec,
jak np. drewno, słoma, rdzenie kolb kukurydzy, śmieci
organiczne, składa się z około 60% celulozy, którą moŜna
rozłoŜyć do glukozy, zdolnej do fermentacji i produkcji
etanolu.
Bioetanol
celulozowy
znajduje
zastosowanie
w motoryzacji jako paliwo samodzielne E100 (100% EtOH)
lub jako komponent w paliwie (E5 - 5% obj. etanolu
w benzynie oraz odpowiednio E10, E22, E85 i E95). Czysty
etanol oraz paliwa E95 i E85 mogą być wykorzystywane
w specjalnych lub przystosowanych silnikach spalinowych.
Paliwo E5 stosuje się do wszystkich samochodów
z silnikami na benzynę w niektórych krajach Europy (np.
w Szwecji), E10 wykorzystuje się do silników benzynowych
w USA, natomiast E22 do silników niskopręŜnych
w Brazylii. Mieszając benzynę z bioetanolem celulozowym,
otrzymuje się mieszaninę wzbogaconą w tlen, co powoduje
polepszenie spalania, a tym samym redukcję tlenku węgla
w atmosferze [12].
Głównym problemem jest duŜy koszt technologii
przerobu celulozy, co powoduje, Ŝe koszt produkcji etanolu
celulozowego jest większy o 50% niŜ w przypadku
tradycyjnych surowców. Jednak postęp w technologii
53
przerobu etanolu jest tak szybki, Ŝe w ciągu najbliŜszych
kilku lat naleŜy oczekiwać znaczącego obniŜenia kosztów
produkcji etanolu z celulozy [13]. Paliwo wytwarza się teŜ
z cukru, drewna, a nawet słomy. Wszędzie wyrastają fabryki
etanolu, a producenci aut przerabiają silniki. W Brazylii na
etanolu latają taksówki lotnicze, benzyna na brazylijskich
stacjach zawiera co najmniej 26% bioetanolu, a 1/3
samochodów jeździ juŜ na czystym alkoholu (cena
bioetanolu w Brazylii wynosi 0,20÷0,25 USD/dm3, czyli
taniej niŜ benzyna bez podatku [14]). Według Shella, za
50 lat będziemy zuŜywać trzy razy więcej energii niŜ dziś,
dlatego do łask wróci węgiel, ale 2/3 potrzeb będą musiały
pokryć źródła odnawialne [15].
Technologia oczyszczania ścieków z przemysłu
spirytusowo-droŜdŜowego w połączeniu
z rolniczym ich wykorzystaniem
Melasa powstająca jako produkt uboczny przy produkcji
cukru z buraków jest przerabiana przez przemysł
fermentacyjny na spirytus i droŜdŜe. W zakładach
spirytusowych ścieki technologiczne stanowią wywar oraz
wodę z mycia urządzeń, natomiast w droŜdŜowniach ścieki
stanowi przede wszystkim woda pochodząca z wirowania
i odwadniania droŜdŜy oraz z mycia urządzeń
i aparatury. Przy produkcji droŜdŜy paszowych z wywaru
odpływa dwukrotnie więcej ścieków niŜ przy produkcji
droŜdŜy piekarniczych z melasy. Wody ściekowe z zakładów
spirytusowo-droŜdŜowych charakteryzują się duŜą ilością
substancji organicznych, azotu i potasu oraz siarczanów,
a ścieki z droŜdŜowni zawierają ponadto nadmierne ilości
tłuszczów. Wody ściekowe z tych przemysłów są kwaśne,
szybko zagniwają i są trudne do oczyszczania.
Charakterystyczną dodatnią cechą wód ściekowych
z zakładów spirytusowo-droŜdŜowych jest ich bardzo duŜa
zasobność w związki nawozowe - azot i potas. Natomiast
niekorzystny jest duŜy niedobór fosforu. Zawartość
pozostałych makroskładników i waŜniejszych mikroskładników w tych wodach ściekowych jest wystarczająco
duŜa, aby moŜna je było uznać za pełnowartościowe
pod względem nawozowym. Dlatego teŜ ścieki
z przemysłu spirytusowo-droŜdŜowego mogą być w pełni
wykorzystywane przede wszystkim przez rośliny pastewne
(kukurydzę na kiszonkę, buraki pastewne, ziemniaki na
paszę), a takŜe przez warzywa (szczególnie kapustne) oraz
rośliny przemysłowe (buraki cukrowe, rzepak). Nie zaleca
się jednak bezpośrednich nawodnień tymi ściekami upraw
zboŜowych. Ścieki z przemysłu spirytusowo-droŜdŜowego
nie zawierają metali cięŜkich i innych pierwiastków
w stęŜeniach uznawanych za szkodliwe dla środowiska
wodnego, glebowego, roślin, a pośrednio dla zwierząt i ludzi
oraz nie budzą zastrzeŜeń sanitarnych [16].
Dydaktyczna metoda eksperymentu
PoniŜej
podajemy
studenckie
propozycje
eksperymentów
chemicznych,
które
są
związane
z zagadnieniem fermentacji alkoholowej.
54 CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2007, R. 12, NR 1-2
Wykrywanie glukozy
w pracowni chemicznej
w
trocinach
drzewnych
METODA PIERWSZA [17]: Do 10 g suchych trocin
drzewnych umieszczonych w zlewce 250 cm3 naleŜy wlać
15 cm3 stęŜonego kwasu solnego, nakryć zlewkę krąŜkiem
bibuły filtracyjnej i odstawić na 1÷2 godziny. Następnie
zlewkę umieścić w łaźni wodnej i całość ogrzewać przez
20 minut. Roztwór ochłodzić do temperatury pokojowej,
odsączyć od resztek ciał stałych i zobojętnić roztworem
Na2CO3, dodając małymi porcjami z pipety tak długo, aŜ
papierek wskaźnikowy z koloru czerwonego zacznie
zabarwiać się na bladoniebieski. Ceglastoczerwony osad
w próbówce po przeprowadzeniu reakcji z odczynnikiem
Fehlinga wskazuje na obecność cukru prostego - glukozy.
METODA DRUGA [18]: NaleŜy wlać do zlewki 2 cm3
wody i 4 cm3 stęŜonego kwasu siarkowego. Do gorącej
mieszaniny wrzucić, przy mieszaniu bagietką, trociny
drzewne lub małe zwitki waty lub bibuły. Po rozpuszczeniu
się celulozy mieszać jeszcze roztwór przez 1÷2 min, a potem
wylać do zlewki zawierającej około 50 cm3 wody. Całość
mieszaniny zobojętnić stałym NaOH i wykonać próbę
Fehlinga.
(Hydroliza
celulozy
zachodzi
szybciej
w podwyŜszonej temperaturze, z drugiej jednak strony
nieostroŜne ogrzewanie, zwłaszcza przy duŜych stęŜeniach
kwasu siarkowego, powoduje zwęglenie celulozy).
Produkcja octu sposobem domowym [19]
Skórki od jabłek naleŜy zalać przegotowaną i ostudzoną
wodą z cukrem. W pierwszej fazie cukier (sacharoza) pod
wpływem drobnoustrojów ze skórek przechodzi w alkohol
etylowy (fermentacja alkoholowa), zaś w drugiej fazie
alkohol etylowy pod wpływem bakterii octowych ze skórek
przechodzi w kwas octowy (fermentacja octowa).
dziach ankietowych podkreślano, Ŝe metody te aktywizują
wszystkich studentów, zmuszają do samodzielnej pracy,
czynią przedmiot interesującym dla studenta, rozwijają
wyobraźnię, zachęcają do pogłębienia wiadomości,
samodzielnego gromadzenia wiedzy itp.
Od nauczyciela zaleŜy, czy wiedza młodych ludzi będzie
spójnym systemem o logicznej strukturze, stanowiącym
poŜywkę dla twórczego myślenia.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
Podsumowanie
Zajęcia przeprowadzone metodami heurystycznymi
spotkały się z pozytywną oceną studentów. W wypowie-
Dobrosz-Teperek K. i Dasiewicz B.: Materiały 50 Jubileuszowego
Zjazdu PTChem i SITPChem, S10-PS2-2, Toruń 2007.
Dobrosz-Teperek K. i Dasiewicz B.: Materiały Zjazdowe XLIX PTCh
i SITPChem, S11-K16, Gdańsk 2006.
Dobrosz-Teperek K. i Dasiewicz B.: Chem. Szk., 2006, 6, 32-36.
Aktywne metody nauczania w szkole wyŜszej. Podręcznik nauczyciela
akademickiego, Jaroszewska M. i Ekiert-Oldroyd D. (red.). Wyd.
NAKOM, Poznań 2002.
Jarosz K. i Jarociński J.: Technologia gorzelnictwa. Wyd. Przemysłu
Lekkiego i SpoŜywczego, Warszawa 1964.
Wacławek W. i M.: 110 Europejskich Twórców Chemii. Wyd. Tow.
Chem. InŜ. Ekol., Opole 2002.
Drewniak T. i Drewniak E.: Mikrobiologia. PWSZ, Warszawa 1967.
Fieser L.F. i Fieser M.: Chemia organiczna. PWN, Warszawa 1958.
Sadownik A.: Orbital, 2007, (3-4), 143-146.
Cziczibabin A.E.: Podstawy chemii organicznej. PWN, Warszawa
1957.
Krach H.: Wykorzystanie odpadów drzewnych na drodze hydrolizy
oraz przerób hydrolizatu na droŜdŜe. PWRiL, Warszawa 1951.
Warowny W. i Kwiecień K.: Przem. Chem., 2006, 12, 1598-1610.
Internet: www.stc.pl/dhttp.php?co=podlaski2_2007_02_23.doc.
Gmyrek R.: Przem. Chem., 2006, 12, 1560-1567.
Internet:
www.egie.pl/konwersatorium/agroenergetyka/zapanujabiopaliwa
Kutera J.: Wykorzystanie ścieków przemysłu spirytusowo-droŜdŜowego w rolnictwie. Wyd. IMUZ, Falenty 1986.
Sękowski S.: Z tworzywami sztucznymi na Ty. WSiP, Warszawa
1979.
Matysikowa Z., Lenarcik B. i Bujewski A.: Zbiór doświadczeń
z chemii organicznej. WSiP, Warszawa 1975.
Internet: www.pl.wikipedia.org/wiki/Fermentacja_octowa