Державний Вищий Навчальний Заклад

"Запорізький національний університет"

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Індивідуальна робота

на тему: "Біотехнологія етанолу "

Виконали :

Студент ІV курсу

Групи 4118-1Б

Карпенко Ю.В.

Запоріжжя

2011

ЗМІСТ

ВСТУП 14

ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ 15

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА 16

РОЗПОВСЮДЖЕННЯ 17

Етиловий спирт - природній продукт спиртового шумування органічних продуктів, що містять вуглеводи, що часто утворюється в прокисших ягодах і фруктах без усякої участі людини. Крім того, этанол є природнім метаболітом і втримується в тканинах і крові тварин і людину. 17

Вихідною речовиною для цього способу служать природні продукти, багаті на крохмаль: картопля, зерна пшениці, жита, кукурудзи тощо, а також целюлоза. 17

Картопля і зерно, на переробці яких базується виробництво етилового спирту за попереднім способом, — досить цінні харчові продукти. Тому їх намагаються замінити нехарчовою сировиною. В зв'язку з цим тепер уже знайшов широке застосування спосіб одержання спирту з целюлози, яка за своїм хімічним складом близька до крохмалю. 17

ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ 18

Фізичні властивості 18

Зовнішній вигляд: у звичайних умовах являє собою безбарвну летучу рідину з характерним заходом. Слід уникати популярної помилки: часто змішують властивості 95,57 % спирту й абсолютизованого. Їхні властивості майже однакові, але величини починають різнитися, починаючи з 3 - 4- й значущої цифри. 18

Суміш 95,57 % этанола + 4,43 % води є азеотропної, тобто не розділяється при перегонці. 18

Залежність температури замерзання суміші етилового спирту з водою від концентрації спирту в суміші представлена на наступній таблиці. 18

Зміст спирту мас. % 19

Густина 19

Зміст спирту 19

Температура замерзання 19

2,50 19

0,9936 19

2,52 19

-1,00 19

4,80 19

0,9897 19

4,85 19

-2,00 19

6,80 19

0,9866 19

6,89 19

-3,00 19

11,3 19

0,9801 19

11,53 19

-5,00 19

13,8 19

0,9767 19

14,13 19

-6,10 19

16,4 19

0,9733 19

16,85 19

-7,50 19

17,5 19

0,9719 19

18,01 19

-8,70 19

18,8 19

0,9702 19

19,38 19

-9,40 19

20,3 19

0,9682 19

20,97 19

-10,6 19

22,1 19

0,9658 19

22,88 19

-12,2 19

24,2 19

0,9628 19

25,13 19

-14,0 19

26,7 19

0,9591 19

27,84 19

-16,0 19

29,9 19

0,9540 19

31,34 19

-18,9 19

33,8 19

0,9472 19

35,68 19

-23,6 19

39.0 19

0,9372 19

41,61 19

-28,7 19

46,3 19

0,9219 19

50,22 19

-33,9 19

56,1 19

0,9001 19

62,33 19

-41,0 19

71,9 20

0,8631 20

83,30 20

-51,3 20

Хімічні властивості 20

Взаємодіє з лужними металами з утворенням этилатів (або в загальному випадку - алкоголятів) і водню. 20

2C2H5OH + 2K = 2С2Н5ОК + Н2. 20

Реагує з карбоновими кислотами з утвором складних ефірів: 20

RCOOH + HOCH2CH3 → RCOOCH2CH3 + H2O 20

Вступає в реакцію дегідратації в присутності сірчаної кислоти (при 120 °C) з утвором діетилового ефіру: 20

2 CH3CH2OH → CH3CH2OCH2CH3 + H2O 20

Згоряє на повітрі й у кисні з виділенням тепла: 20

C2H5OH + 3 O2 → 2 CO2 + 3H2O 20

Взаємодіє з гідридами й гидроксидами лужних металів з утвором этилатів: 20

CH3CH2OH + NaH → CH3CH2ONa + H2 20

CH3CH2OH + NaOH → CH3CH2ONa + H2O 20

Вступає в реакцію гідрогалогенування в присутності хлориду цинку: 20

CH3CH2OH + HСl → CH3CH2Cl + H2O 20

МЕТОДИ ВИЯВЛЕННЯ, ВИДІЛЕННЯ І АНАЛІЗУ ЕТАНОЛУ 21

В основі біотехнологічного одержання етилового спирту, кормових і харчових дріжджів, пивоварства й виноробства лежить процес шумування - один з різновидів біологічного окиснення субстрату в гетеротрофних мікроорганізмів. Біотехнологічні бродильні процеси вивчені порівняно давно. Однак деякі процеси шумування реалізовані на практиці тільки зараз. В основі шумування лежить універсальна реакція перетворення джерела вуглецю глюкози в ключовий проміжний продукт- пировиноградную кислоту, з якої синтезуються подальші продукти, включаючи етиловий спирт. Збудниками спиртового шумування можуть бути дріжджі - сахаромицеты, деякі мицелиальные гриби (Aspergіllus oryzae) і бактерії (Erwіnіa amylovora, Sarcіnaventrіcula, Zymomonas mobіlіs, Z. anaerobіa). 22

По витраті сировини виробництво етилового спирту найбільше біотехнологічне виробництво у світі. Однак за вартістю валового продукту этанол посідає третє місце серед великотоннажної продукції. 22

На схемі показані основні шляхи використання этанола. 22

22

З этанола одержують этилен - традиційна сировина для органічного синтезу. З 3,8 кг цукру можна одержати 1,7 кг этанола, з нього - 1 кг этилена. Этанол як рідке паливо поки не може конкурувати з бензином, оскільки, наприклад у США, отриманий із зерна этанол в 2-3 рази дорожче бензину. Існують національні програми заміни частини бензину (до 20%) этанолом як палива для автомобільного транспорту, що дозволить зменшити імпорт нафти. Бразилія ще в 1992 р. планувала одержати із тростинного цукру 3,8 млрд л этанола, щоб скоротити імпорт нафти на 4 млрд доларів. 23

Необхідно відзначити, що виробництво спирту - одна із самих старих галузей біотехнології. Добре вивчені різні продуценти этанола, біохімія процесів спиртового шумування. Матеріальний баланс спиртового шумування має такий вигляд: 23

СnH2nOn + 0,005 NН3 - 0,04 X + 0,49 С2Н5OН + 0,47 CO2. 23

біомаса 23

Енергія субстрату в процесі шумування розподіляється так: 90% переходить в этанол і по 5% - у біомасу й теплоту. 23

У якості продуцента в спиртовому виробництві використовують тільки дріжджі, однак, як видне з таблиці 1, этанол також продукуються багато бактерій. 23

У якості сировини для виробництва этанола в різних країнах використовують національні доступні рослинні джерела: зернові, картопля й бурякова маса - у Росії, Україні, Білорусі; сахарозу й очеретяну мелассу - у США; рис - у Японії і т.д. У недалекому майбутньому будь-яке джерело рослинної сировини може використовуватися для виробництва этанола; целюлоза в деревині, соломі, торфі і т.д. Тому сульфітні лугу - відходи целюлозно-паперової промисловості знаходять усе більш широке застосування в біотехнології етилового спирту. Так, на сульфітних лугах можна одержувати грибну біомасу з використанням ацетат- сапрофітного мікроорганізму, що утилізує, Paecіlomyces varіotі, як це розроблене у Фінляндії. 24

У цей час у нас на виробництво этанола витрачається більш половини ресурсів рослинної мелассы. Вітчизняними биотехнологами розроблена технологія комплексної переробки меласси з одержанням з 1 т мелассы 310-320 л этанола, 100 кг пресованих хлібопекарських дріжджів, 80-85 кг кормових дріжджів (сухих), 10- 13 кг диоксида вуглецю. Крім того, після дріжджову бардові, що містить 6-7 % СВ, можна упаривать до 60 % і використовувати як кормову добавку або як сировина для одержання гранульованого органо-мінерального добрива. При дистиляції спирту одержують ще й сивушні масла в кількості 1 л на 200 кг этанола. Сивушні масла містять спирти з- амиловый (62%), пропиловый (12%) і изобутиловый (15%). 24

25

Рис.1.Aппapатурно- технологічна схема одержання этанола з меласси: 25

1 - рассиротшики, 2-4 --- апарати чистої культури, 5 - стерилізатор, 6 - дрожже- генератор, 7 - насос, 8 -- бродильний апарат, 9 -- головний бродильний апарат. 25

Існує багато технологічних варіантів реалізації процесу спиртового шумування. На мал. 1 представлена схема двухпоточного способу сбраживания мелассы. Дана схема передбачає готування окремих середовищ для одержання дріжджів (концентрація СВ 8-12%) і для сбраживания (32- 36% СВ); співвідношення цих середовищ (1 Ч- Ч- 1,2):1. У дрожжегенераторах застосовують аерацію 3-4 м3/(м 3-ч), підтримують температуру 28-30 ?З і рн 4,2-4,5. Концентрація этанола в дрожжегенераторах досягає 2,8-3,5 % про., дріжджів - 2,5- 6,5 % СВ. Вирощені дріжджі із дрожжегенераторов по верхніх лініях відбору направляють у головний бродильний апарат, куди одночасно надходить середовище з концентрацією СВ 32- 36 %. Після заповнення головного апарата культуральная рідина послідовно проходить бродильні апарати й з останнього надходить на перегонку. Температура шумування 29- 31 ?С. Концентрація СВ у першому бродильному апарату 7,5- 8,5%, у другому - 8,0-9,0%, у третьому - 9,0-9,5% і в останньому - 5,0-6,5 %. Система працює без поновлення дріжджів 7-10 сут і забезпечує одержання 66,5 дав спирту з 1 т умовного крохмалю. 26

Перед перегонкою із бражки виділяють хлібопекарські дріжджі, а на бардові вирощують кормові дріжджі. Важливим питанням у великотоннажному виробництві этанола, є вибір сировини. В увагу ухвалюють головним чином економічні аспекти - частка витрат на сировину в загальній собівартості. Істотне значення має кількість этанола, яке одержують із рослинної сировини, вирощеного на 1 га. Як видне з табл. 2, із цукрового очерету виходить максимальна кількість этанола - 4032 л/га, з мелассы - 878 л/га, з картоплі - 166 л/га. 26

У цей час значний інтерес для виробництва этанола представляють аэротолерантные бактерії Zymomonas mobіlіs. На відміну від дріжджів ці бактерії характеризуються відсутністю катаболитной репресії й низькою чутливістю до этанолу. Крім того, питома швидкість споживання глюкози й утвору этанола в них в 2-3 рази вище (Q глюк= 3,75; Qэт. = 1,87 г/( г-ч). Zymomonas mobіlіs утилізують глюкозу, фруктозу, а деякі штами також сахарозу, причому катаболізм глюкози йде по шляху Энтнер - Дудорова (мал. 2). У сахарозних середовищах ізольований штам продукується також фруктозный полисахарид леван, сорбитол і глюконовую кислоту. 27

Штами, дефіцитні по фруктокиназе, сбраживают глюкозу до еталона, при цьому в середовищі накопичується фруктоза, що дозволяє одержати із сахарози этанол і фруктозу. 27

27

Рис. 2. Схема катаболізму в Zymomonas mobіlіs: 27

1-глюкокиназа, 6- фосфатдегидрогеназа, фосфоглюконатдегидро- геназа, 4- 6- фосфоглюконатальдолаза; 5 - дегидрогеназа фосфо- гліцеринового альдегіду; 6 - фосфоглицераткиназа, 7- фосфоглицеромутаза, 5- енолаза, 9 - пируваткиназа, 10 - фруктокиназа, 11- фосфогексоизомераза, 12 - левансахараза, 13 - глюконокиназа, 14 – глюкозофруктозотрансгидрогеназа 27

Тому що швидкість росту біомаси Zymomonas mobіlіs невелика, у середовищі звичайно накопичується 2-3 г/л біомаси, що негативно впливає на продуктивність системи. У зв'язку із цим практикують або штучну іммобілізацію кліток, або використовують флокулирующие штами, наприклад штамом ZM-4, отриманим П. Роджерсом, Л. Аркури із сотр. Використовуючи іммобілізовані клітки Zymomonas mobіlіs у середовищі, що містить 10 % глюкози, досяглися в противоточном режимі продуктивності системи по этанолу 152 г/( л-ч). Максимальна продуктивність при роботі з Saccharomyces cerevіsіae 80 г/ (л x ч). На жаль, на мелассных середовищах продуктивність Z. mobіlіs нижче. 28

Великі успіхи по одержанню этанола при культивуванні Z. mobіlіs досягнуті в Канаді (Н. Lawford et. al., 1989). У результаті цілеспрямованої селекції флокулирующего штаму й оптимізації процесу ферментації продуктивність системи по этанолу становить до 200 г/( л-ч), що майже на 2 порядку перевищує продуктивність ферментаційного процесу на більшості спиртових заводів. При одержанні этанола хімічним шляхом з этилена продуктивність становить 80 г/( л-ч). 28

Зараз у біотехнології этанола широко застосовують флокулирующие штами, які дозволяють підвищити концентрацію біомаси до 40-60 г/л. Однак виникають проблеми, пов'язані з інтенсивним виділенням диоксида вуглецю, який коалестирует і порушує гомогенность процесу. Щоб запобігти цим небажаним явищам створена багатоступінчаста вертикальна колона. Усередині неї встановлений ряд усічених конусів, звернених більшою підставою до верху. Через нижній отвір конуса нагору піднімається рідка фаза із продуцентом, а газ накопичується в просторі між верхньою зовнішньою частиною конуса й циліндром. Звідти через патрубок виводиться З2 з биореактора в загальний вертикальний колектор. При переробці мелассы тростинного цукру з концентрацією цукру 160 г/л за допомогою флокулирующей культури Saccharomyces uvapum биореактор працює 460 год при D = 0,18 год -1. Зміст этанола 7-8 % об. Зміст кліток в 1 мол сброженного субстрату не більш 10. За допомогою колонного ферментатора в досвідах Кастро досягнута продуктивність по этанолу на глюкозному середовищу 22,5 г/( л-л- ч), на мелассной середовищу - 9,6 г/( л-ч), на крохмальній - 2,2 г/( л-ч). Необхідно відзначити, що при ферментації крохмалю були сполучені процеси оцукрювання за допомогою іммобілізованої амилоглюкозидазы й спиртового шумування за допомогою дріжджів. 29

Цікаві результати при сбраживании висококонцентрованих крохмальних субстратів отримані в умовах сполученого процесу оцукрювання й спиртового шумування за допомогою культур Rhіzopus sp. і Saccharomyces у біореакторі із циркуляцією газу. При концентрації субстрату 265 г/л через 3 сут этанола втримувалося 11 % про. Такий вихід досягається за рахунок того, що при циркуляції этанольные й водяні пари переходять у газ. Этанол з газу можна конденсувати при концентрації субстрату в системі 400 г/л, зміст этанола в конденсаті досягає 35,2 %. 29

У зв'язку з обмеженням ресурсів традиційної сировини для виробництва этанола зараз розробляються процеси на основі нових замінників цукру. До них можна віднести синтетичний газ, одержуваний з вугілля. Як відомо, цей газ складається із CO, Н2 і CO2. Виділені бактерії, здатні конвертувати CO і Н2 до этанола згідно з рівняннями : 30

6CO + ЗН2О - C2Н5OH + 4CO2; 30

6Н2 + 2CO2 - C2Н5OН + ЗН2O. 30

При одержанні этанола із синтетичного газу велике значення має оптимізація массообмена між газової, рідкої й твердої фазами. У колонному апарату можна одержати концентрацію этанола 2-3 %. 30

Важливим досягненням в області раціонального використання рослинної сировини є розкриття біохімічних і генетичних основ биоконверсии ксилозы в этанол. Мікроорганізми, здатні трасформировать D- Ксилозу в этанол, повинні мати два ферменти. Перший фермент - Nadh-Зави- Симая ксилозоредуктаза - катализирует перетворення D- Ксилози в ксиліт, другий -- Nad- Залежна ксилитдегидрогеназа - окиснить ксиліт в D- Ксилулозу. Остання через пентозный шунт і по гликолизному шляхи може конвертуватися в этанол. 30

Однак цей біохімічний механізм важко піддається регуляції, тому методами генетичної інженерії необхідно було ввести в клітки ген, що кодує синтез ксилозоизомеразы - ферменту, що забезпечує пряму конверсію D-Кси- лози в D- Ксилулозу. Такий ген був трансплантований у дріжджі Schіzosaccharomyces pombe за допомогою ксилозоизомеразной плазмиды Е. coll. Ген інтегрувався із хромосомальной ДНК дріжджів і забезпечив експресію ксилозоизомеразы, що дозволило сбраживать ксилозу до этанола. У результаті продуктивність штаму по этанолу збільшилася з 0,063 до 0,177 г/( л-л- ч). У такий спосіб стало можливим за допомогою Schіzosaccharomyces pombe сбраживать в этанол не тільки D- Глюкозу, одержувану після гідролізу целюлози, але й D- Ксилозу, одержувану після гідролізу гемицеллюлозы. 31

Показана також можливість биоконверсии глюкози й ксилозы в этанол при безперервному культивуванні Thermoanaerobacter ethanolіcus. Вихід этанола із ксилозы склав 0,42 г/л. 31

У багатьох лабораторіях у нас і за рубежем інтенсивно вивчається бактеріальний синтез этанола з використанням целлюлозосодержащих видів сировини. Передбачається, що термофільна анаэробная ферментація целлюлозосодержащих субстратів рентабельна при концентрації этанола вище 4,5 %. Однак у цей час випробовують методи інтенсифікації спиртового виробництва, засновані на використанні різних штамів дріжджів. 75 % світового виробництва биоэтанола одержують у періодичному процесі при середній тривалості циклу 36 год і змісті этанола в середовищі 6% (47 г/л). Можна відзначити наступні методи інтенсифікації спиртового шумування: 31

1) безперервна ферментація (замість періодичної), що дозволяє збільшити продуктивність системи этанолу до 5-6 г/л у годину замість 1,8-2,5 г/( л-л- ч). Однак тривала ферментація приводить до виникнення малопродуктивних, але швидкозростаючих мутантів, до того ж швидкість утвору этанола лімітується внаслідок його ингибирующего дії; 31

2) безперервна ферментація із застосуванням флокулирующих продуцентів, що дозволяє підвищити концентрацію біомаси дріжджів до 40-80 г/л і побільшати продуктивність системи до 30-50 г/( л-л- ч); 32

3) безперервна ферментація з рециркуляцією біомаси, що забезпечує продуктивність 30-40 г/( л-л- ч); 32

4) безперервна ферментація з використанням іммобілізованих кліток, що забезпечує продуктивність системи 25-30 г/( л-л- ч); 32

5) вакуумна ферментація при розрідженні 32-35 мм рт. ст. з метою видалення этанола й зменшення його ингибирующего дії. Продуктивність системи досягає 80 г/( л-л- ч). Недоліком цього методу є нагромадження в середовищі нелетучих продуктів, що утрудняє газообмін і викликає небезпека контамінації; 32

6) ферментація з періодичною передачею частини КЖ у вакуумну камеру для видалення этанола. Це так звана флеш-ферментация. Продуктивність збільшується до 80 г/( л-л- ч). 32

Як видно, помітна інтенсифікація досягається при переході від періодичного процесу до безперервного. 33

Продуктивність безперервної системи підвищується значно при використанні іммобілізованих або флокулирующих кліток або при рециркуляції біомаси. Подальшого підвищення продуктивності можна досягтися, виводячи этанол з ферментаційного середовища при флеш-ферментации. Ці приклади наочно показують, що за допомогою технологічних методів можна значно інтенсифікувати процес виробництва спирту. Селекція этанолтолерантных штамів - другий шлях інтенсифікації, але менш результативний. 33

Спиртове шумування лежить також в основі пивоварства. Пиво відносять до так званих солодових слабко алкогольних напоїв, одержуваних у результаті сбраживания дріжджами екстрактів з насінь хлібних злаків (солоду). У подібних екстрактах утримуються сбраживаемые вуглеводи. 33

У різних сортах пива перебувають этанол, вуглеводи (глюкоза, мальтоза, мальтотриаоза, мальтотетраоза, декстрини), азотисті речовини (аміди, амінокислоти, пептони), диоксид вуглецю- продукти ферментативного гідролізу осоложенного зерна; гіркоти, смоли, Танин, ефірні масла - із суцвіть жіночих особин хмелю, сліди неорганічних солей і жиру. Фарбування, аромат і міцність пива залежать від штаму дріжджів (Saccharomyces cerevіsіae, S. carlsbergensіs і ін.). 33

На практиці найчастіше застосовують ячмінний солод. Для його готування зерна ячменя воложать, пророщують при 15 - 25'З доти , поки зародковий листок стає в 3 - 4 рази довше зерна ячмінь, що потім проріс, висушують до кінцевої вологості солоду 5%; У такому виді солод може добре зберігатися, при цьому він має специфічні фарбування й аромат. Солод світлого кольору виходить при більш низькій температурі висушування, більш темного кольору - при підвищеній температурі (світлі сорти пива містять менше вуглеводів, чому темні сорти). Відділений від проростків сухий солод може бути використаний не тільки в пивоварстві, але й у винокурінні (одержанні спирту), у кондитерському виробництві. 34

Якщо пиво виготовляють із солоду, води (без яких-.або "дополнителей"), те наступним етапом є затирання, коли прагнуть перевести в розчин найбільшу частину вмісту солоду. Затирання частіше здійснюють або настоюванням, або виварюванням. По першому методу солод дроблять, розмішують у воді при температурі 38 - 50'З (витримують 1 годину), коли активізуються бактеріальні ферменти протеазы, потім температуру підвищують до 65- 70'С и залишають затор на кілька хвилин для гідролізу крохмалю. Після цього температуру підвищують до 75 - 77'Із для денатурації ферментів і затор фільтрують. 34

По другому методу (виварювання) розмелений солод вносять у теплу (40'З) воду, розмішують і поступово підвищують температуру затору до 75'З; близько 1/3 такого затору відбирають і нетривало кип'ятять, після чого його повертають в основний затор. При цьому ферменти руйнуються, клітинні стінки набухають, крохмаль "розпускається" (розріджується), чим полегшує його гідроліз в основному заторі. Кип'ятіння й повернення частини затору можна повторювати 2 - 3 рази. Пиво, отримане на настоенном заторі, більш ароматне, оскільки в нього переходить менше гірких речовин. 34

Пивні дріжджі відносять до розряду флокулирующих, що осідають при посвітлінні молодого пива й наприкінці дображивания; вони не сбраживают декстрини (ці полімерні вуглеводи вносять певний вклад у створення смаку пива). В останні роки вдалося перенести ген Вас.subtіlіs, що детермінує -глюканазу в пивні дріжджі S.cerevіsіaе. Цей рекомбинантный штам виявився здатним переробляти крохмаль безпосередньо в этанол. 35

Із традиційних алкогольних напоїв можна згадати російський хлібний квас, що містить менш 0,5% этанола, популярний у Японії алкогольний продукт Саку (12 - 24% этанола), таэте - алкогольний напій, що приготовляемый з молока й віддавна застосовуваний у Скандинавських країнах - містить менш 2% этанола, і інші. 35

Спиртове шумування перебуває також в основі виноробства. Вина звичайно одержують із соку спілого незіпсованого винограду, відділеного або невідокремленого від мезги (наприклад, при виготовленні червоних вин). Індукторами шумування є різні раси Saccharomyces cerevіsіae. У винах, крім этанола, утримуються: білки, пігменти, неорганічні солі, летучі й нелетучі органічні кислоти, Танин, у деяких сортах - вуглеводи, гліцерин. 35

Вина класифікують по-різному. Так розрізняють: сортові- по сорту винограду, купажные - із суміші сортів; солодкі й сухі - по змісту цукру; натуральні й кріплені, їдальні й десертні - по змісту спирту; гристі й неігристі - по змісту вуглекислоти; білі й червоні - по кольору; ординарні й марочні - по строках витримки. 35

Як пояснення до класифікації можна відзначити, що в сухому вині цукор фактично повністю сброжен, а якщо він є, то в такій кількості, що не відчувається на смак. У солодких винах цукор вираження відчувається на смак. Натуральні вина містять, як правило, 9-11% этанола, рідше-- 13%. У кріплені сухі вина додають коньяк або винний спирт. Столові вина містять менш 14% спирту, десертні - більш 14% (у середньому близько 20%J і деяка кількість цукру. Гристі вина містять значну кількість диоксида вуглецю, що утворюється при дображивании провина в товстостінних посудинах або, що додається до натуральних вин; до гристих відносять шампанське - продукт вторинного шумування провина, коли до не до вину, що бродило, перед розливом у герметизированные пляшки додають лікер до змісту цукру 2,2%, У Росії розроблена технологія виробництва шампанського безперервним методом. У шампанському втримується не тільки підвищену кількість вуглекислоти, але й ряд коштовних метаболітів, що позначаються на специфічному смаку цього вина. 36

Вина, що випускаються в продаж на першому році після виготовлення, називають ординарними, а витримані не менш 1,5 років високі якості, що й зберігають свої, - марочними. Відомі так звані плодові вина (крім виноградних), одержуваних при спиртовому шумуванні соків зрілих плодів: ягідне, яблучне й ін. 36

На виноградних ягодах поселяються різні мікроорганізми (дріжджі, нитчатые гриби, бактерії), які необхідно придушити, тому що в противному випадку буде важко гарантувати одержання вина високої якості. Як інгібітор мікробів - контаминантов давно й ефективно використовують сірчистий газ або сульфіт, наприклад, у вигляді метабисульфита калію (приблизно від 0,1 до 0,2% SO2), що не пригнічують виробничий штам дріжджів у його активну фазу. Пастеризація тут виявляється менш сприятливою. 36

Концентрація цукру у винограді - важливий фактор для ферментації (концентрація його в суслі вище 28% буде гальмувати шумування). Певну роль відіграють вихідне значення рн і температура. Щоб уникнути підвищеної кислотності готового вина, було запропоновано встановлювати рн сусла нижче 3,6; оптимальна температура для більшості рас дріжджів 27 - 29'З, але є й психрофільні види, сбраживающие виноградне сусло при 10'С. При низькій температурі й повільному шумуванні формується більш яскравий букет вина, чому при короткочасному шумуванні й підвищеній температурі. 37

Аэрирование сусла можливо й доцільно на самому початку процесу, щоб швидше наросла біомаса кліток для ведення наступного анаэробного процесу. Кількість суспензії, що привноситься в сусло, дріжджів звичайно становить 1% за обсягом. 37

У випадку застосування биореакторов більших ємностей для виробництва столових вин, що бродить сік примусово прохолоджують, використовуючи теплообмінники, змійовики або інші обладнання. Мезга (оболонки виноградних ягід, насіння, часточки стебел і т.п. ) привносить певні складності у зв'язку з теплообміном при шумуванні - утвір "шапки". 37

Очищення вин при природньому збіріганні і дозріванні не завжди завершується його повним посвітлінням. У цих випадках використовується очищення шляхом посвітління, старіння й зі зревания до розливу в пляшки. Доповненням до посвітління є фільтрація (у тому числі -, що стерилізує), пастеризація, охолодження - для видалення винного каменю й колоїдів. 37

СТАНДАРТИЗАЦІЯ ВИДІЛЕНОЇ РЕЧОВИНИ 38

Розведення алкогольних напоїв водою можна встановити органолептичним методом (при наявності води понад 30 %). При додаванні меншої кількості води встановити таку фальсифікацію органолептичним методом досить важко. У цьому випадку можна використати простий фізичний метод визначення густини водно-спиртового розчину за допомогою ареометра. У табл. 5.42 наведені дані щодо густини водних розчинів етилового спирту й відповідні цим даним вміст спирту за масою й об'ємом. 38

Заміну високоякісного спирту низькоякісним або технічним можна визначити за масовою часткою ефірів, сивушних олій і вільних кислот. 39

З найбільшою імовірністю й точністю наявність будь- яких домішок у горілці, вині й лікеро- горілчаних виробах можна визначити методами хроматографії, яка дозволяє ідентифікувати понад декілька десятків різних сторонніх домішок в алкогольних напайках. Газорідинні хроматографи й хромато-мас- спектрометри, обладнані комп'ютерними системами й банком мас- спектральних даних, дозволяють за декілька хвилин провести повний якісний і кількісний аналіз наспіваю з метою визначення в ньому різних органічних домішок. Алі проведення такого аналізу можливе лише в спеціалізованих лабораторіях, обладнаних спеціальними дорогоцінними приладами й висококваліфікованим персоналом. Цей метод внесень у діючі стандарти на методи визначення якості алкогольних напоїв. 39

Разом з Тім існує цілий ряд простих методів, які дозволяють визначити в алкогольних напайках сивушні олії, фурфурол, альдегіди, кетони у звичайних хімічних лабораторіях і навіть у домашніх умовах при наявності відповідних хімічних реактивів. 39

Інколи досить провести якісну реакцію на наявність небажаних домішок, щоб захистити споживача від придбання фальсифікованої продукції. 39

Визначити в горілці фурфурол можна таким способом. Налити в склянку 20 мол горілки, додати 3 краплі концентрованої соляної кислоти й перемішати скляною паличкою. Потім у цю суміш додати 10 крапель безбарвного ананіліну. Якщо розчин набуває яскраво- червоного кольору, який за забарвленням нагадує малиновий сироп, значити проба містить фурфурол у великій кількості. 39

Сивушні олії мають специфічний запах, який набуває й напій, якщо в ньому міститься понад 0,1 % про. цих речовин. Визначити ці домішки можна легко - досить декілька крапель горілки розтерти між долонями; поява специфічного заходу говорити про наявність сивушних олій. Чиста горілка, у якій сивушні олії відсутні, такого запаху не має. 40

Метод Готфруа якісного визначення сивушних олій використовується досить часто. 40

У чисту скляну пробірку налити до половини її об'єму досліджуваний безбарвний алкогольний напій, додати 2-3 краплі концентрованої сірчаної кислоти й стільки ж бензолу. Суміш обережно треба нагріти до появи ознак кипіння, потім повільно охолодити. Якщо зразок не містить сивушних олій, те суміш набуває жовтуватого забарвлення. У тому випадку, коли суміш забарвлюється в темно-бурий колір з зелену- вати відтінком, можна робити обґрунтований висновок - напій має у своєму складі сивушні олії. 40

В основі стандартного методу визначення сивушних олій (ДЕРЖСТАНДАРТ 5964-82 "Спирт етиловий. Правила приймання й методи аналізу") лежить реакція, що відбувається між сивушними оліями, розчином саліцилового альдегіду й сірчаною кислотою. Внаслідок цієї реакції утворюються забарвлені речовини. 40

У дві пробірки об'ємом по 45 мол налити по 10 мол особливо чистої сірчаної кислоти й обережно по стінках долити декілька крапель (3-4) 1 % розчину в безсивушному й безальдегідному спирті саліцилового альдегіду. Потім в одну пробірку долити 5 мол досліджуваного спирту, а в другові - 5 мол типового розчину суміші вищих спиртів (амілового, бутилового, пропілового, гексилового). Пробірки закрити пробками, суміш перемішати й залишити при температурі 20°С на 20 хв. Після цього візуально порівняти забарвлення контрольного й дослідного зразків на білому фоні. Забарвлення дослідного зразка при відсутності в ньому сивушних олій винне бути менш інтенсивним, ніж забарвлення контрольного зразка. Порівняти інтенсивність забарвлення розчинів можна за допомогою фото-електро- колориметра в зеленому світлі. При такому порівнянні можна визначити й кількість сивушних олій. 41

Виявлення альдегідів і кетонів у складі горілки базується на їхній здатності забарвлювати обезбарвлений сірчистою кислотою розчин фуксину. Для приготування обезбарвленого розчину фуксину 0,22 г основного фуксину розтирають у ступці з невеликою кількістю (5-6 крапель) дистильованої води, суміш без втрат переносять у мірну колбу й додають 150 див дистильованої води з температурою 95-98°С. Для повного розчинення фуксину колбу ставлять на водяну баню (95-98°С) на 1 рік. Розчин охолоджують до 20°С, переносять у склянку з темного скла, доводять об'єм до відмітки 400 див , долають 20 див розчину сірчистого натру з густиною 1,290 г/см і 3 див концентрованої сірчаної кислоти густиною 1,830 г/см . Цей розчин витримують 12 год. при температурі 8-10°С, а потім використовують для проведення аналізів. 41

При визначенні наявності альдегідів водно-спиртовий розчин винний мати не більше 40 % спирту. Тому, якщо досліджується горілка міцністю 40 %, те її водою не розводять. 41

20 див досліджуваної горілки наливають у пробірку, додають 1 див виготовленого раніше фуксинсірчаного розчину з масовою часткою оцтової кислоти 2%. Пробірку закривають пришліфованою пробкою, перемішують, потім додають ще 2 див фуксинсірчаного реактиву, знову перемішують і ставлять на водяну баню з температурою 20 С на 30 хв. 42

Внаслідок реакції утворюється комплексна сполука, що має червоно- фіолетове забарвлення, інтенсивність якого може бути використана для кількісної оцінки вмісту альдегідів з допомогою спектрофотометра при дожині хвилі 536 нм. 42

Декілька способів встановлення підробки горілки. 42

Перший спосіб: налийте невелику кількість горілки в кришечку від склянки й підпаліть її. Нормальна горілка міцністю 40% про. горить слабким голубуватим полум'ям. Якщо горілка не буде горіти або спалахує як бензин - треба бути уважним до такої горілки. 42

Другий спосіб: перебовтати горілку в склянці. Якщо горілка дуже розбавлена водою, те пухирці в склянці будуть великими, а в натуральній горілці при перебовтуванні утворюється "змійка" з мілких пухирців. 42

Третій спосіб: після відкупорювання пляшки з горілкою треба глибоко вдихнути з неї. Якщо відчувається різкий неприємний "негорілчаний" запах, те вживати такий напій небезпечно. Запах ацетону є ознакою того, що горілка виготовлена із синтетичного спирту, підвищений вміст кротонового альдегіду та сірчаних сполук буває в горілці, що виготовлена з технічного гідролізного спирту. 42

Четвертий спосіб: треба звернути увагу на наявність етикеток на пляшці з горілкою. На пляшці винне бути три етикетки - одна на шийці, а дві - на самій пляшці - одна проти одної. 43

Виноградні провина - це продукт, який дуже часто піддається фальсифікації. Це пов'язано з Тім, що якість провина залежить від багатьох факторів, що дуже важко постійно мати сировину із заданими технологічними властивостями. Тому винороби в усі часи намагалися знайти методи "виправлення" кислих, низькоякісних вин, щоб сховати їхні недоліки й зробити придатними для вживання. Можна виділити такі основні види фальсифікації виноградних вин. 43

Фальсифікація виноградного вина малоцінними продуктами. Це досить розповсюджений спосіб фальсифікації провина як при виробництві, так і під година реалізації. Внаслідок такої фальсифікації змінюється інтенсивність кольору, насиченість букета, міцність провина. У процесі такої фальсифікації намагаються виправити фальсифіковані провина додаванням різних хімічних компонентів (спирту, частіше технічного, цукро- замінників, синтетичних підфарбовувачів). 43

Галізація провина. Це спроба виправити провина низької якості з підвищеною кислотністю. Для цього в надмірно кисле вино додають воду, а потім нормалізують таку суміш по міцності й кислотності відповідно до вимоги стандартів. 43

Шапталізація провина. Кисле сусло обробляють лужними реактивами, а потім додають цукор до або під година бродіння. 43

Петиотизація провина. У процесі виготовлення провина зброджується цукровий сироп, наполягань на вижимках, що залишилися після видалення виноградного соку. Таке вино видають за витримане "старе" вино, оскільки в цих винах немає винного каменю, який у натуральних винах випадає в облог тільки при довготривалій витримці високоякісних марочних вин. 44

Шеелізація провина, або додавання гліцерину. Ця операція використовується для зменшення кислотності, гіркоти, підвищення солодкості провина, а також для того, щоб припинити процес бродіння. 44

Використання консервантів для прискорення технологічного процесу. Частіше за всі використовується саліцилова кислота для консервування дешевих вин, що можуть швидко прокисати, а також вин, які не проходили стадії витримки й зберігання. 44

Підфарбовування вин використовують для приховування інших підробок (розведення водою). Алі відомі випадки, коли малоцінні білі вина перефарбовувалися в червоні. Для цієї мети використовують як природні (ягоди бузини, чорниці, настій Буряка), так і синтетичні (індигокармін, анілінову та антраценову фарби, фуксин) фарбні речовини. 44

БІОСИНТЕЗ 45

У промисловості, поряд з мікробіологичним спобом, використовують гідратацію этилена. Гідратацію можна вести по двом схемам: 45

1)пряма гідратація при температурі 300 °C, тиску 7 Мпа, у якості каталізатора застосовують ортофосфорну кислоту, нанесену на силікагель, активоване вугілля або азбест: 45

CH2=CH2 + H2O → C2H5OH. 45

2)гідратація через стадію проміжного ефіру сірчаної кислоти, з наступним його гідролізом (при температурі 80-90 °С и тиску 3,5 Мпа): 45

CH2=CH2 + H2SO4 → CH3-CH2-OSO2OH (этилсерна кислота). 45

CH3-CH2-OSO2OH + H2O → C2H5OH + H2SO4. 45

Ця реакція ускладнюється утвором діетилового ефіру. 45

БІОЛОГІЧНА ТА ФАРМАКОЛОГІЧНА РОЛЬ 46

Паливо 46

Этанол може використовуватися як паливо, у т.ч. для ракетних двигунів, двигунів внутрішнього згоряння в чистому виді. Обмежене в силу своєї гигроскопичності (відшаровується) використовується в суміші із класичними нафтовими рідкими паливами. Застосовується для вироблення високоякісного палива й компонента бензинів - Этил-Тре- Бутилового ефіру. 46

Хімічна промисловість 46

Служить сировиною для одержання багатьох хімічних речовин, таких, як ацетальдегід, діетиловий ефір, тетраэтилсвинец, оцтова кислота, хлороформ, етилацетат, этилен і ін.; 46

Широко застосовується як розчинник (у лакофарбовій промисловості, у виробництві товарів побутової хімії й багатьох інших областях); 46

Є компонентом антифризів і стеклоомывателей. 46

У побутовій хімії этанол застосовується в мийних засобах, що чистять і, особливо для догляду за склом і сантехнікою. Є розчинником для репелентів. 46

Медицина 46

У медицині етиловий спирт у першу чергу використовується як розчинник, экстрагент і антисептик. 46

по своїй дії етиловий спирт можна віднести до антисептиків; 46

як знезаражуючий засіб, що й підсушує, зовнішньо; 46

дубильні властивості, що підсушують і, 96%-го етилового спирту використовуються для обробки операційного поля або в деяких методиках обробки рук хірурга; 46

розчинник для лікарських засобів, для готування настойок, екстрактів з рослинної сировини й ін.; 46

консервант настойок і екстрактів (мінімальна концентрація 18 %); 46

піногасник при подачі кисню, штучної вентиляції легенів; 46

у зігрівальних компресах; 47

для фізичного охолодження при лихоманці (для розтирання); 47

можливе застосування як компонента парентерального харчування (у вигляді 5 % розчину) в ослаблених хворих з обліком високої енергетичної цінності речовини 47

компонент загальної анестезії в ситуації дефіциту медикаментозних засобів 47

Як піногасник при набряку легенів у вигляді інгаляції 33 % розчину. 47

Этанол є протиотрутою при отруєнні деякими токсичними спиртами, такими як метанол і этиленгликоль. Його дія обумовлена тим, що фермент алкогольдегидрогеназа, при наявності декількох субстратів (наприклад, метанол і этанол) здійснює лише конкурентне окиснення, завдяки чому після своєчасного (майже негайного, слідом за метанолом/этиленгликолем) приймання этанола зменшується поточна концентрація токсичних метаболітів (для метанолу - формальдегіду й мурашиної кислоти, для этиленгликоля - щавлевої кислоти). 47

Парфумерія й косметика 47

Є універсальним розчинником різних речовин і основним компонентом парфумів, одеколонів, аерозолів і т.п. Входить до складу різноманітних засобів, включаючи навіть такі як зубні пасти, шампуні, засоби для душу, і т.д.. 47

Харчова промисловість 47

Поряд з водою, є необхідним компонентом спиртних напоїв (горілка, скроні, джин і ін.). Також у невеликих кількостях утримується в ряді напоїв, одержуваних шумуванням, але, що не зараховуються до алкогольних (кефір, квас, кумис, безалкогольне пиво й ін.). Зміст этанола у свіжому кефірі мізерно (0,12 %), але в, що довго стояв, особливо в теплому місці, може досягтися 1 %. У кумисі втримується 1-3 % этанола (у міцному до 4,5 %), у квасі - від 0,6 до 2,2 %. 47

Розчинник для харчових ароматизаторов. Може бути використаний як консервант для хлібобулочних виробів, а також у кондитерської промисловості. 48

Зареєстрований у якості харчової добавки E1510. Енергетична цінність этанола - 7,1 ккал/г. 48

ВИСНОВКИ 49

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 50

6.Варфоломеев С. Д., Калюжный С. В. Биотехнология. Кинетические основы микробиологических процессов. М., Высшая школа, 1990. 50

7.Воробьева Л. И. Промышленная микробиология. М., МГУ, 1989. 50

8. Блинов Н. П. Химическая микробиология. М., Высшая школа, 1989. 50

9. О.В. Мосин Биотехнология получения этилового спирта – 2006г. 50

10. www.wikipedia.ru/Спирты 50

Контрольні запитання 51

1.Какие вещества называются спиртами? 51

2.Де знаходиться етанол? 51

ВСТУП

Кожний з нас чув слово «спирт» і в принципі знає, що воно означає. А ось хімічне трактування спиртів: «Спирти це органічні сполуки, в молекулах яких міститься одна або декілька гідроксильних груп, сполучених з вуглеводневим радикалом».

Назви спиртів походять від назв радикалів, а також з назв вуглеводів додаванням закінчення -ол (метанол, етанол, пропанол, бутанол і т.д.) Нижчі спирти рідини, вищі з числом вуглецевих атомів більше 12 - тверді речовини. Всі спирти легше за воду.

Найбільш відомі і що часто застосовуються на практиці з граничних одноатомних спиртів - це метанол і етанол.

Археологічні розкопки свідчать, що в епоху стародавніх цивілізацій уміли виготовляти вино і пиво. Схоже, що алкоголь був першою речовиною, синтезованою людиною. Перша літературна згадка про власне етиловий спирт, як «горючу воду», отриману перегонкою вина, відноситься до VIII в. А елементний склад етанолу був визначений на початку XIX в.