الإيثانول , أو الكحول الإيثيلي , أوهيدرات الإيثيل , أوهيدروكسيد الإيثيل
Ethanol , Ethyl Alcohol , Ethyl Hydrate , or Ethel Hydroxide
CH3-CH2-OH , C2H5-OH , or Et-OH .
مدخل :
يتم إنتاج الإيثانول بشكل عام عن طريق تخمير الكربوهيدرات (السكريات ) بواسطة الخمائر .
حيث يستعمل الإيثانول كمطهر ومعقم , وكمذيب وخاصة العطور والدهانات , وفي تصنيع المركبات العضوية وخاصة الإستيرات . كما يعتبر مصدر وقود بديل .
ويضاف إلى إسم الإيثانول أحياناً المصدر الذي صنع منه فنقول : إيثانول المولاس إذا صنع من تخمر المولاس . إيثانول السيليلوز إذا صنع من تخمر السيليلوز . إيثانول الذرة أو الايثانول الحيوي إذا صنع من تخمر الذرة . إيثانول الكربون إذا صنع من الحرق غير الكامل للكربون . إيثانول الـــ ABE إذا صنع من البطاطا . إيثانول المزر (من تخمر منقوع الحنطة أو الشعير ) ــ إيثانول البوزة ( من تخمر منقوع الخبز اليابس ) ـ إيثانول البتع ( من تخمر محلول العسل ) ـ إيثانول المصع ( من تخمر عصير أو مهروس الفواكه ) ـ إيثانول السكر ( من تخمر منقوع الرطب ) ـ إيثانول الفضيح ( من تخمر منقوع التمر ) ـ إيثانول الخمر ( من تقطير نبيذ العنب ) .
سنكتفي في هذا المنشور بالتحدث فقط عن :
1 – إيثانول السيليلوز .
2 – إيثانول الذرة أو الايثانول الحيوي .
3 – إيثانول الكربون أو إثانول التغويز .
4 – إيثانول الـــ ABE
لأن طريقة تحضير الإيثانول من المولاس معروفة لدى الجميع . وبقية المصادر الأخرى غير إقتصادية من جهة وغير متوفرة دوماً من جهة أخرى .
أولاً – الإيثانول السليلوزي
1 – المقدمة
الإيثانول السليلوزي هو وقود حيوي يتم إنتاجه من الخشب أو الأعشاب أو الأجزاء غير الصالحة للأكل من النباتات . إنه نوع من الوقود الحيوي المنتج من مادة اللجنوسليلوز ligno cellulose ، وهي مادة هيكلية تضم الكثير من كتلة النباتات . يتكون Ligno cellulose بشكل أساسي من السليلوز ، السليلوز النصفي واللجنين . يعتبر حطب الذرة ، وأنواع العشب ، والقصب , ورقائق الخشب والمنتجات الثانوية للعشب وصيانة الأشجار من أكثر المواد السليلوزية شيوعًا لإنتاج هذا الإيثانول , فالسيليلوز موجود في كل نبات وشجرة وشجيرة طبيعية حرة النمو في المروج والغابات والحقول في جميع أنحاء العالم دون بذل جهد زراعي أو تكلفة لازمة لنموها.، ولكنه يتطلب قدرًا أكبر من المعالجة لجعل مونومرات السكر متاحة للكائنات الحية الدقيقة المستخدمة عادةً لإنتاج الإيثانول عن طريق التخمير
2 – التاريخ
تم إجراء أول محاولة لإنتاج الإيثانول من الخشب في ألمانيا عام 1898. وتضمنت استخدام حمض مخفف لتحلل السليلوز إلى جلوكوز . سرعان ما وجدت هذه العملية طريقها إلى الولايات المتحدة ، وبلغت ذروتها في مصنعين تجاريين يعملان في الجنوب الشرقي خلال الحرب العالمية الأولى . استخدمت هذه المصانع ما كان يسمى “العملية الأمريكية” – وهي مرحلة التحلل المائي بحمض الكبريت . أدى انخفاض إنتاج الخشب إلى إغلاق المصانع بعد فترة وجيزة من نهاية الحرب العالمية الأولى . في غضون ذلك ، استمرت الأبحاث حول التحلل المائي للحمض المخفف في مختبر منتجات الغابات التابع لـ USFS. خلال الحرب العالمية الثانية ، وتحولت الولايات المتحدة مرة أخرى إلى الإيثانول السليلوزي ،
مع التطور السريع لتقنيات الإنزيم ، تم استبدال عملية التحلل المائي الحمضي بالتحلل المائي الأنزيمي لتحليل الهيمي سليلوز ، بحيث يمكن تحويله بشكل أكثر فعالية إلى سكريات في مختبر منتجات الغابات التابع لـ USFS . بالتعاون مع جامعة ويسكونسن – ماديسون .
3- طرق الإنتاج :
طريقتان لإنتاج الإيثانول من السليلوز هما :
آ – عمليات التحلل الخلوي التي تتكون من التحلل المائي على مواد ligno السليلوزية المعالجة مسبقًا ، باستخدام الإنزيمات لتكسير السليلوز المعقد إلى سكريات بسيطة مثل الجلوكوز ، متبوعًا بالتخمير والتقطير.
ب – التغويز الذي يحول المادة الخام lingo cellulosic إلى غاز أول أكسيد الكربون والهيدروجين . حيث يمكن تحويل هذه الغازات إلى إيثانول عن طريق التحفيز الكيميائي.
3-1 – مراحل إنتاج الإيثانول باستخدام النهج البيولوجي هي :
* مرحلة “معالجة مسبقة” لجعل مادة الــ ligno من الخشب أو القش قابلة للتحلل المائي
* تحلل السليلوز المائي (التحلل الخلوي) ، لتفتيت الجزيئات إلى سكريات
* فصل محلول السكر عن المواد المتبقية ، ولا سيما اللجنين
* التخمير الميكروبي لمحلول السكر
* التقطير لإنتاج كحول نقي تركيز 95 ٪
* رفع تركيز الإيثانول بواسطة المناخل الجزيئية إلى أكثر من 99.5 ٪
3 – 2 – عمليات تحلل النسيج الخلوي
تتكون جزيئات السليلوز من سلاسل طويلة من جزيئات السكر . في عملية التحلل المائي ، يتم تفكيك هذه السلاسل لتحرير السكر قبل تخميره لإنتاج الكحول.
هناك عمليتان رئيسيتان للتحلل المائي للسليلوز : تفاعل كيميائي باستخدام الأحماض ، أو تفاعل إنزيمي .
3 – 2 – 1 – التحلل المائي الكيميائي
في الطرق التقليدية المطورة في القرن التاسع عشر وبداية القرن العشرين ، يتم إجراء التحلل المائي عن طريق معالجة السليلوز بحمض . يمكن استخدام الحمض المخفف تحت حرارة عالية وضغط مرتفع ، أو يمكن استخدام حمض أكثر تركيزًا في درجات حرارة منخفضة وضغط جوي. يتفاعل خليط السليلوز غير المتبلور من الحمض والسكريات في وجود الماء لإكمال جزيئات السكر الفردية (التحلل المائي). يتم بعد ذلك تحييد ( معادلة ) المنتج الناتج عن هذا التحلل المائي واستخدام تخمير الخميرة لإنتاج الإيثانول. كما ذكرنا .
3 – 2 – 2 – التحلل المائي الأنزيمي
يمكن تقسيم سلاسل السليلوز إلى جزيئات الجلوكوز بواسطة إنزيمات السليلوز.
يحدث هذا التفاعل عند درجة حرارة الجسم في معدة المجترات مثل الأبقار والأغنام ، حيث يتم إنتاج الإنزيمات بواسطة الميكروبات. تستخدم هذه العملية عدة إنزيمات في مراحل مختلفة من هذا التحويل. باستخدام نظام إنزيمي مشابه ، يمكن أن تتحلل مواد الليجنو السليلوزية الإنزيمية في حالة معتدلة نسبيًا (50 درجة مئوية ودرجة الحموضة 5) ، مما يتيح تكسير السليلوز الفعال دون تكوين منتجات من شأنها أن تثبط نشاط الإنزيم. تتطلب جميع طرق المعالجة المسبقة الرئيسية ، بما في ذلك الحمض المخفف ، خطوة التحلل المائي الأنزيمي لتحقيق إنتاجية عالية من السكر لتخمير الإيثانول.
كما ساهمت العديد من شركات الإنزيمات في اختراقات تكنولوجية كبيرة في الإيثانول السليلوزي من خلال الإنتاج الضخم للأنزيمات للتحلل المائي بأسعار تنافسية. بحيث يجب معالجة المواد الخام (الخشب أو القش) بإنزيم السليلاز أوالزيلانيز أوالهيمي سلولاز مسبقًا لجعلها قابلة للتحلل المائي. والتخمير وإنتاج الإيثانول السليلوزي فيما بعد , بحيث يمكن من استخدامها تحويل المخلفات الزراعية مثل بقايا الذرة وقش القمح وتفل قصب السكر وتفل النبيذ إلى سكريات قابلة للتخمير والتي يمكن استخدامها لإنتاج الإيثانول السليلوزي.
3 – 3- التخمر الجرثومي
تقليديا ، خميرة الخبز (Saccharomyces cerevisiae) ، تستخدم منذ فترة طويلة في صناعة الجعة لإنتاج الإيثانول من السكريات السداسية ( الجلوكوز ). نظرًا للطبيعة المعقدة للكربوهيدرات الموجودة في الكتلة الحيوية السليلوزية ، فإن كمية كبيرة من الزيلوز والأرابينوز (السكريات المكونة من خمسة كربون مشتقة من جزء هيمي السليلوز من السليلوز اللجنو) موجودة أيضًا في التحلل المائي. على سبيل المثال ، في حالة التحلل المائي لحبوب الذرة ، ما يقرب من 30 ٪ من إجمالي السكريات القابلة للتخمير هي الزيلوز. ونتيجة لذلك ، فإن قدرة الكائنات الحية الدقيقة المخمرة على استخدام مجموعة كاملة من السكريات المتاحة من التحلل المائي أمر حيوي لزيادة القدرة التنافسية الاقتصادية للإيثانول السليلوزي والبروتينات الحيوية المحتملة.
في السنوات الأخيرة ، أظهرت الهندسة الأيضية للكائنات الدقيقة المستخدمة في إنتاج وقود الإيثانول تقدمًا كبيرًا. إلى جانب Saccharomyces cerevisiae ، تم استهداف الكائنات الحية الدقيقة مثل Zymomonas mobilis و Escherichia coli من خلال الهندسة الأيضية لإنتاج الإيثانول السليلوزي.
وفي الآونة الأخيرة ، تم وصف الخمائر المهندسة بكفاءة بتخمير الزيلوز ، والأرابينوز ، وحتى كلاهما معًا. تعتبر خلايا الخميرة جذابة بشكل خاص لعمليات الإيثانول السليلوزي لأنها استخدمت في التكنولوجيا الحيوية لمئات السنين ، وتتحمل تركيزات عالية من الإيثانول والمثبطات ويمكن أن تنمو عند قيم منخفضة من الأس الهيدروجيني لتقليل التلوث البكتيري.
3 – 4 – التحلل المائي المختلط والتخمير
تم العثور على بعض أنواع البكتيريا قادرة على التحويل المباشر للسليلوز إلى إيثانول. أحد الأمثلة على ذلك هو المطثية الحرارية Clostridium thermocellum ، التي تستطيع تفكيك السليلوز وتصنيع الإيثانول . ومع ذلك ، تنتج C. thermocellum أيضًا منتجات أخرى أثناء استقلاب السليلوز ، بما في ذلك الأسيتات واللاكتات ، بالإضافة إلى الإيثانول ، مما يقلل من كفاءة العملية. يتم توجيه بعض الجهود البحثية لتحسين إنتاج الإيثانول بواسطة بكتيريا الهندسة الوراثية التي تركز على مسار إنتاج الإيثانول.
4 – عملية التغويز ( نهج حراري )
لا تعتمد عملية التغويز على التحلل الكيميائي لسلسلة السليلوز . بل بدلاً من تكسير السليلوز إلى جزيئات سكر ، يتم تحويل الكربون الموجود في المادة الخام إلى غاز تخليقي ، باستخدام ما يرقى إلى الاحتراق الجزئي. يمكن بعد ذلك إدخال أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون والهيدروجين في نوع خاص من المخمرات. بدلاً من تخمير السكر بالخميرة ، تستخدم هذه العملية بكتيريا Clostridium ljungdahlii. سوف يبتلع هذا الكائن الدقيق أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون والهيدروجين وينتج الإيثانول والماء. وبالتالي يمكن تقسيم العملية إلى ثلاث خطوات:
آ – التحويل إلى غاز – يتم تفكيك الجزيئات المعقدة القائمة على الكربون للوصول إلى الكربون , كأول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون والهيدروجين
ب – التخمير – تحويل أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون والهيدروجين إلى إيثانول باستخدام بكتريا Clostridium ljungdahlii
ج – التقطير – يفصل الإيثانول عن الماء