C6H12O6 → 2 C2O5OH + 2 CO2 ∆H =

OTRZYMYWANIE BIOETANOLU – ETAP II (filtracja) i III (destylacja)
CEL ĆWICZENIA: Celem ćwiczenia jest przeprowadzenie procesu filtracji brzeczki
fermentacyjnej oraz uzyskanie produktu końcowego (bioetanolu) w procesie destylacji.
FERMENTACJA ETANOLOWA
Do produkcji alkoholu etylowego stosowane są różnorodne mikroorganizmy. W tym
celu najczęściej stosowane są drożdże Saccharomyces cerevisiae, lub S. sake. W procesach
fermentacji etanolowej wykorzystywane są również szczepy bakterii np. mezofilny szczep
bakterii gram-ujemnych Zymomonas mobilis, czy Thermoaerobacter ethanolicus należący do
organizmów termofilnych.
Mechanizm fermentacji etanolowej po raz pierwszy został ujęty ilościowo przez GayLussaca:
C6H12O6  2 C2O5OH + 2 CO2
H = -84 kJ/mol
Zgodnie z tym równaniem ze 100 kg glukozy pwostaje 51,1 kg etanolu. Ta wydajność
teoretyczna nazywana jest współczynnikiem Gay-Lussaca i określa maksymalny stopień
konwersji.
FILTRACJA
Filtracja zawiesiny to jedna z metod oddzielenia cieczy od substancji stałych
znajdujących się w mieszaninie. Operacja ta polega na mechanicznym zatrzymaniu na/w
przegrodzie filtracyjnej cząstek ciała stałego, z równoczesnym przepuszczeniem cieczy
zwanej przesączem lub filtratem. Siłą napędową tego procesu jest różnica ciśnienia przed i za
przegrodą filtracyjną i ze względu na sposób wytwarzania tej różnicy proces filtracji można
podzielić na: grawitacyjny, ciśnieniowy, próżniowy, wirówkowy.
Z kolei biorąc pod uwagę sposób wykonywania filtracji można wyróżnić trzy zasadnicze
metody: (1) przy stałej różnicy ciśnienia, (2) przy stałej wydajności filtratu oraz (3) filtrację
dwustopniową.
DESTYLACJA
Destylacja to proces rozdziału mieszaniny ciekłej (surówki) na poszczególne
składniki, oparty na różnicy ich lotności w stanie wrzenia. Opary znad powierzchni wrzącej
mieszaniny, odprowadzone i skroplone stanowią destylat – produkt rozdziału bogaty w
1
składniki bardziej lotne (wrzące w niższej temperaturze), natomiast pozostała faza ciekła
stanowi ciecz wyczerpaną – bogatą w składniki mniej lotne (wrzące w wyższej temperaturze).
Zatem na proces destylacji składają się dwa procesy: z jednej strony częściowe odparowanie
cieczy, z drugiej – skroplenie wytworzonej pary. Do momentu rozdzielenia obie fazy znajdują
się w stanie równowagi termodynamicznej lub bardzo bliskim równowagi.
Sposoby prowadzenia procesu destylacji:
 destylacja prosta
 destylacja prosta z deflegmacją
 destylacja z parą wodną
 destylacja pod zmniejszonym ciśnieniem
 destylacja molekularna
MATERIAŁY i APARATURA
Brzeczka fermentacyjna
Zestaw do filtracji pod zmniejszonym ciśnieniem
Kolumna destylacyjna
Odczynniki do testu DNS i testu enzymatycznego
Gęstościomierz
Wirówka laboratoryjna
WYKONANIE DOŚWIADCZENIA
1. Do odfiltrowania brzeczki fermentacyjnej należy użyć zestawu do filtracji pod
zmniejszonym ciśnieniem.
2. Przed rozpoczęciem procesu filtracji należy określić stężenie zawiesiny przy pomocy
spektrofotometru (pomiar względem wody jako próby zerowej przy 550 nm).
3. Następnie na odpowiednio wycięty filtr bibułowy nanieść dodatkowo warstwę
pomocy filtracyjnej (kreda), która wytworzy dodatkowy szkielet placka filtracyjnego
wewnątrz którego osadzają się drobne cząstki ciała stałego.
4. Wykonać filtrację brzeczki fermentacyjnej i po zakończeniu tego procesu zmierzyć
stężenie ciała stałego w filtracie oraz jego objętość całkowitą.
5. Wyznaczyć krotność oczyszczenia zawiesiny w przeprowadzonym procesie.
2
6. Na kolumnę destylacyjną podać odfiltrowaną mieszaninę pofermentacyjną (wodaalkohol) o znanej objętości (V  3 L).
7. W trakcie pracy kolumny monitorować zmianę temperatury na szczycie kolumny oraz
skład destylatu w poszczególnych frakcjach (VFRAKCJI = 40 mL). Dla każdej z frakcji,
po ochłodzeniu wykonać pomiar gęstości i z tablic odczytać stężenie alkoholu
(wyrażone w % w/v). Pierwsze 10 ml zostaje odrzucone z uwagi na obecność
w destylacie innych substancji lotniejszych od etanolu.
8. Frakcje zbierane są do momentu spadku stężenia alkoholu w destylacie poniżej 1215% w/v. Następnie wszystkie frakcje zawierające powyżej 15% alkoholu należy
połączyć, zmierzyć ich całkowitą objętość oraz na podstawie gęstości tego roztworu
wyznaczyć średnie stężenie alkoholu uzyskanego w procesie fermentacji oraz ich
całkowitą objętość.
9. W próbkach pobranych w dniu zaszczepienia fermentacji oraz tych zbieranych do
momentu
filtracji
oznaczyć
zawartość
glukozy testem
DNS
oraz
testem
enzymatycznym.
TEST DNS (analiza na obecność glukozy i innych cukrów redukujących)
Do 0,5 mL roztworu zawierającego glukozę o stężeniu 0,1 – 2,0 g/L dodać 1,5 mL
odczynnika DNS i próby wstawić na 5 min do 100 °C. Następnie próby ochłodzić, dodać
8 mL wody destylowanej i po 25 min od wyciągnięcia z łaźni zmierzyć absorbancję przy
550 nm względem próby kontrolnej. Do kontroli zamiast roztworu cukru dodaje się 0,5
mL wody, a następnie próbkę tą traktuje się jak wszystkie pozostałe.
ENZYMATYCZNY TEST OZNACZANIA STĘŻENIA GLUKOZY
Glukoza pod wpływem oksydazy glukozowej utlenia się do kwasu glukonowego z
wytworzeniem nadtlenku wodoru. Ten ostatni reaguje w obecności peroksydazy z kwasem
hydrobenzoesowym (HBA) i 4-aminoantypiryną (AAP) tworząc czerwony barwnik
chinonoiminę, którego intensywność zabarwienia mierzona przy długości fali 500 nm jest
wprost proporcjonalna do stężenia glukozy w próbce.
Glukoza + O2 + H2O Oksydaza glukozowa
H2O2 + HBA + AAP
Peroksydaza
kwas glukonowy +H2O2
chinonoimina + 4 H2O
Odczynnik I (składniki aktywne: oksydaza glukozowa, peroksydaza, AAP, HBA,
bufor fosforanowy), stabilizowany standard glukozy.
3
WYKONANIE TESTU
Z odpowiednio rozcieńczonej próbki pobrać 10 μl do 1 ml odczynnika zawierającego
oksydazę glukozową (Glukoza OXY DST, Alpha Diagnostics), inkubować przez 5 min w
37C, a następnie mierzyć absorbancję przy długości fali 550 nm.
OPRACOWANIE WYNIKÓW
1. Wyznaczyć krotność oczyszczenia brzeczki fermentacyjnej w procesie filtracji
2. Na podstawie uzyskanych wyników przedstawić przebieg procesu destylacji
mieszaniny fermentacyjnej na wykresach CETANOL= f (nr frakcji) i T= f (nr frakcji).
Nr frakcji
dDEST. [g/cm3]
TDEST. [ ºC]
CETANOL [% w/v]
3. Obliczyć wydajność fermentacji i uzyskany wynik porównać z wydajnością
wynikającą z równania Gay-Lussaca
4. Wyznaczyć współczynnik wydajności produktu na podstawie wzoru:
[
]
Gdzie: mETANOL [g] – masa etanolu wyliczona na podstawie uśrednionych frakcji destylatów;
mS,0 [g] – początkowe stężenie substratu (glukozy) w chwili zaszczepiania
fermentacji
mS,K [g] – końcowe stężenie substratu (glukozy) przed odfiltrowaniem
biomasy z mieszaniny fermentacyjnej
5. Na podstawie wyników uzyskanych w teście DNS i enzymatycznym przedstawić
przebieg fermentacji etanolowej w czasie (szybkość konsumpcji glukozy przez
drożdże oraz profil zmian ilości komórek drożdży w czasie trwania fermentacji).
ZAGADNIENIA DO KARTKÓWKI
1. Biokonwersja surowców ligninocelulozowych do alkoholu etylowego (etapy i
przebieg całego procesu).
2. Metody odzyskiwania bioetanolu z cieczy pofermentacyjnej.
3. Podstawowe pojęcia i definicje dotyczące procesu filtracji i destylacji.
4
4. Sposoby prowadzenia filtracji i destylacji oraz aparatura stosowana w tych procesach
na skalę przemysłową.
LITERATURA:
1. Warych J., Aparatura chemiczna i procesowa, Oficyna Wydawnicza Politechniki
Warszawskiej, Warszawa 1998.
2. Bednarski W., Fiedurek J., Podstawy biotechnologii przemysłowej, WNT, Warszawa
2007.
3. Szewczyk K.W., Technologia biochemiczna, Oficyna Wydawnicza Politechniki
Warszawskiej, Warszawa 2003.
4. R. Koch, Noworyta A., Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej, WNT,
Warszawa 1995.
5