C 6 H 12 O 6 2 C 2 O 5 OH + 2 CO 2 H = -84 kj/mol

Transkrypt

1 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 Gay- Lussaca: C 6 H 12 O 6 2 C 2 O 5 OH + 2 CO 2 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

2 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

3 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 (V FRAKCJI = 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 12-15% 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. Oksydaza glukozowa Glukoza + O 2 + H 2 O kwas glukonowy +H 2 O 2 Peroksydaza H 2 O 2 + HBA + AAP chinonoimina + 4 H 2 O Odczynnik I (składniki aktywne: oksydaza glukozowa, peroksydaza, AAP, HBA, bufor fosforanowy), stabilizowany standard glukozy. 3

4 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 C ETANOL = f (nr frakcji) i T= f (nr frakcji). Nr frakcji T DEST. [ ºC] d DEST. [g/cm 3 ] C ETANOL [% 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: m ETANOL [g] masa etanolu wyliczona na podstawie uśrednionych frakcji destylatów; m S,0 [g] początkowe stężenie substratu (glukozy) w chwili zaszczepiania fermentacji m S,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

5 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 Bednarski W., Fiedurek J., Podstawy biotechnologii przemysłowej, WNT, Warszawa Szewczyk K.W., Technologia biochemiczna, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa R. Koch, Noworyta A., Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej, WNT, Warszawa