Biotehnologii DE Obținere A Etanolului DIN Zer

Universitatea din București

Facultatea de Biologie

Specializarea Biochimie

BIOTEHNOLOGII DE OBȚINERE A ETANOLULUI DIN ZER

Coordonator: Studente:

Conf. Dr. Elena IONICĂ Nicoleta Nica

Rahela Pioarcă

Cuprins

Motivarea alegerii temei

Zerul este un subprodus major rezultat în industria brânzeturilor sau a cazeinei, care reprezintă aproximativ 85 – 90 % din volumul laptelui utilizat pentru transformare în branzeturi fermentate și conține aproximativ 55 % din substanța uscată a laptelui. Astfel, în zer se găsesc uneori într-o proporție mai mare decât în lapte proteine solubile, substanțe minerale și vitamine hidrosolubile.

La nivel mondial s-a constatat că producția mondială de zer dacă este dispersată accidental și necontrolat în mediul înconjurător, acesta devine un poluant excesiv, ce determină eutrofizarea mediilor acvatice sau a solului. În condițiile în care zerul conține circa 5 % lactoză din care poate să rezulte circa 2 % etanol, se consideră că din producția de zer rezultat în timp de 6 luni, la nivel mondial, rezultă un echivalent de circa 2.5 milioane tone de lactoză, ca materie primă potențială din care s-ar putea obține circa 1 milion de tone de etanol. Cantitativ zerul obtinut la fabricarea brânzeturilor este cel mai important.

O mare parte din zer este prelucrat prin uscare pentru a se produce pulberea din zer. Prin urmare, în acest mod se menține calitatea zerului (Kosikowski, 1979; Yang și Silva, 1995). proaspăt pentru o perioadă mai lungă de timp și se facilitează astfel manipularea și transportul acestuia (Siso, 1996). În general, zerul pudră se folosește în nutriția animalelor, deși cantitățile mai mici de zer pudră pot fi, de asemenea, utilizate în produsele alimentare umane, cum ar fi înghețata, produsele de patiserie, prăjituri, sosuri, etc (Siso, 1996).

Compoziția chimică a zerului variază în funcție de caracteristicile laptelui din care provine și în funcție de procesul de coagulare care poate fi coagulare enzimatică sau coagulare acidă. Zerul contine 6 – 6,5% substanta uscata ceea ce reprezinta jumatate din substanța uscată a laptelui, 20 % din totalul proteinelor și aproximativ 90% din lactoza laptelui.

Din procesul de fabricare a brânzeturilor rezultă două tipuri de zer: zerul dulce (aciditate 10- 200T) provenit din coagularea enzimatica a laptelui și zerul acid (aciditate 50 – 700T) rezultat la fabricarea brânzeturilor proaspete sau a cazeinei acide. Compoziția chimică a zerului variază în funcție de materia primă inițială și de procesul tehnologic utilizat la fabricarea branzeturilor (tabelul 1).

În prezent, zerul rezultat în unitățile de procesare a laptelui este considerat un deșeu de origine animală. Cei mai importanți nutrienți din zer sunt lactoza (4,5 – 5 %), proteinele solubile (0,6 – 0,8 %), lipidele (0,4 – 0,5 %) și sărurile minerale (8 – 10 % din substanța uscată totală). Zerul mai conține, de asemenea, cantități apreciabile de alte componente importante, cum ar fi acidul lactic (0.05 %) și acidul citric, compuși cu azot neproteici (uree și acid uric) și vitamine din grupul B (Siso, 1996).

În conformitate cu procedura utilizată pentru precipitarea cazeinei există zerul acid (pH =5,0), care rezultă din producția de brânzeturi proaspete sau moi (cum ar fi smântână și brânză de vaci) și zerul dulce (pH = 6,0 – 7,0), care rezultă din procesul de coagulare a brânzeturilor maturate (Kosikowski, 1979; Siso, 1996; Yang și Silva, 1995; Zall, 1984). Zerul obținut în urma fabricării brânzeturilor reprezintă o problemă importantă de mediu din cauza conținutului mare de materii organice. Se cunoaște faptul că pentru a obține 1 kg de brânză sunt generați aproximativ 9 L zer (Kosikowski, 1979).

Tabelul 1. Compoziția chimică a diferitelor tipuri de zer (Guzun et al., 2001)

Producția mondială de zer este de peste 160 de milioane de tone pe an indicând o rată anuală de creștere de 1 – 2 % (Smithers, 2008). Zerul prezintă un consum biochimic de oxigen (CBO5) de circa 30 – 50 g/L și un consum chimic de oxigen (CCO) de aproximativ 60 – 80 g/L. Responsabilă în mare măsură pentru valorile ridicate ale consumului biochimic de oxigen (CBO5) și consumului chimic de oxigen (CCO) este prezența lactozei din zer. Recuperarea proteinelor din zer reduce consumul chimic de oxigen (CCO) din zer doar cu aproximativ 10 g/L. (Siso, 1996). În trecut zerul era deversat în râuri, lacuri sau chiar în ocean, răspândit peste câmpuri, cât și utilizat în nutriția rumegătoarelor.

O altă opțiune ar fi descărcarea zerului în sistemul de canalizare municipal, dar datorită valorilor ridicate ale consumului biochimic de oxigen (CBO5) și consumului chimic de oxigen (CCO) se produce o supraîncărcare a sistemului de canalizare cu materii organice (Kosikowski, 1979; Smithers, 2008). Prin urmare, trebuie dezvoltate soluții pentru problema zerului din industria fabricării brânzeturilor, acesta trebuie să fie considerat o resursă potențială și nu ca un deșeu.

Posibilități de valorificare a zerului

Siso (1996) a raportat că aproximativ 50 % din totalul mondial de zer obținut în urma fabricării brânzeturilor este tratat și transformat în diferite produse alimentare. Acest procent va crește probabil, datorită faptului că și eforturile cercetătorilor au sporit.

Modalitǎti de valorificare a zerului

O direcție foarte importantă de valorificare a zerului constă în recuperarea fracțiunii proteice. Proteine din zer reprezintă aproximativ 20 % din proteinele din lapte, având o valoare nutritivă ridicată, precum și numeroase beneficii pentru sănătate datorită potențialului lor terapeutic (Smithers, 2008). Separarea proteinelor din zer este de obicei, realizată prin ultrafiltrare sau diafiltrare, operații în urma cărora se obține concentratul proteic din zer. Aceste concentrate proteice din zer au multe aplicații în industria alimentară (Kosikowski, 1979; Siso, 1996; Smithers, 2008; Zall, 1984), precum și în industria produselor cosmetice și farmaceutice (Audic et al, 2003).

În timpul procesării zerului în vederea obținerii concentratului proteic se obține permeatul bogat în lactoză (figura). Permeatul de zer rămâne astfel poluantul major, deoarece în el se regăsește lactoza care reprezintă 70 % din substanța uscată a zerului (Zall, 1984).

Lactoza este zahărul prezent în laptele provenit de la majoritatea mamiferelor. Este un dizaharid format de galactoză și glucoză și este definit chimic ca O-β-D-galactopiranozil-(1-4)-β-D glucoză, C12H22O11 (Yang și Silva, 1995). Solubilitatea și gradul de dulce al lactozei prezintă valori scăzute în comparație cu alte zaharuri.

Soluțiile obținute din hidrolizatele de lactoză prezintă o putere mai mare de îndulcire decât lactoza și au multiple utilizări, în special în obținerea produselor de cofetărie și înghețată unde înlocuiesc adaosul de zaharoză sau siropul de amidon (Siso, 1996). Tehnologia de obținere a siropurilor din hidrolizatele de lactoză este bine cunoscută și se utilizează în primul rând pentru obținerea de produse lactate fără lactoză care se adresează în special persoanelor cu intoleranță la lactoză (Gänzle et al., 2008).

Pentru hidroliza lactozei se pot utiliza două metode:

metodă chimică prin tratarea la pH < 1,5 și la o temperatură mai mare de 150 °C;

metodă enzimatică cu ajutorul enzimelor produse de specii de Aspergillus și Kluyveromyces (Gänzle et al., 2008; Yang și Silva, 1995).

O altă aplicație cu importanță majoră a lactozei din zer sau a permeatului din zer o reprezintă utilizarea ca substrat pentru producerea prin fermentație a unor compuși valoroși. Un exemplu clasic este obținerea de etanol și de biomasă, deși biotehnologii au propus o multitudine de bioproduși alternativi (Audic et al., 2003; Siso, 1996; Yang și Silva, 1995). Dintre aceștia se amintesc biogazul (metanul), acizii organici (acidul propionic, lactic, citric, gluconic), aminoacizii (acidul glutamic, lizina, treonina), vitaminele (B12 și B2), poliglucidele (guma xantan, dextranul, fosfomananul), lipidele, enzimele (β galactozidază, poligalacturonază), cât și alți compuși precum: 2,3 butandiolul, acetatul de calciu și magneziu, lactatul de amoniu, butanolul și glicerolul. În vederea fermentării, lactoza se poate utiliza direct ca substrat fermentescibil în cazul utilizării de microorganisme capabile să o hidrolizeze sau prehidrolizată în prealabil în glucoză și galactoză.

Datorită surplusului mare de cantități de zer, împreună cu necesitatea de substraturi de fermentație ieftine și disponibile și, mai presus de toate, datorită progreselor rapide înregistrate în domeniul biotehnologiei microbiene este necesară exploatarea lactozei din zer ca și intermediar de fermentare pentru obținerea produselor valoroase.

Valorificarea lactozei din zer pentru obținere de bioetanol

Fermentația alcoolică este o alternativă interesantă pentru bioconversia în etanol a permeatului de zer obținut în urma separării proteinelor din zer. Fermentarea lactozei din zer și obținerea etanolului a fost destul de studiată știindu-se faptul că tulpinile de drojdii care asimilează în condiții aerobe lactoza sunt destul de numeroase, iar cele care fermentează lactoza sunt destul de rare precum: Kluyveromyces lactis, Kluyveromyces marxianus și Candida pseudotropicalis (Fukuhara, 2006).

Conversia lactozei din permeatul de zer obținut la fabricarea brânzeturilor în etanol nu este competitivă din punct de vedere economic dacă se compară cu procedeele care utilizează substraturi de fermentație precum: melasele, amidonul de cereale sau biomasa lignocelulozică. Astfel, fiecare companie de prelucrare a laptelui în funcție de specificitatea sa, trebuie să găsească soluții pentru rezolvarea problemelor legate de surplusul de zer.

S-a estimat că de mai bine de 50 de ani, jumătate din producția de zer din lume nu a fost transformată, valorificată, ci a fost deversată ca deșeu în natură (Siso, 1996).

Surplusul de lactoză în SUA în anul 2006 a fost de aproximativ 55 % din producția totală anuală de zer (Ling, 2008). Astfel, se poate obseva că lactoza reprezintă o resursă apreciabilă disponibilă pentru producerea de bioetanol, cu un nivel de producere de aproximativ 4 milioane de tone pe an. Din această cantitate dacă se consideră un randament de obținere de aproximativ 85 % rezultă 2,3 milioane de m3 de etanol pe an, ceea ce reprezintă aproximativ 3,5 % din producția de etanol din lume în anul 2008, care a fost de aproximativ 65 milioane de m3 (RFA, 2009).

Biotransformarea zerului sau a permeatului de zer în etanol nu este un procedeu avantajos din punct de vedere economic, deoarece zerul are un conținut scăzut în lactoză, ceea ce duce la obținerea unei concentrații relativ reduse de etanol de aproximativ 2 – 3 %. Astfel, important pentru productivitatea procesului este concentrarea lactozei care se poate realiza prin concentrarea zerului, prin ultrafiltrare sau prin osmoză inversă.

În ultimii 30 de ani, pe lângă cercetările realizate există totuși puține instalații industriale care produc etanol din zer sau din permeat de zer, majoritatea utilizând ca agenți de fermentație, tulpinile de drojdii din genul Kluyveromyces.

Obținerea de bioetanol prin utilizarea drojdiilor Kluyveromyces

Drojdiile Kluyveromyces sunt cele mai folosite pentru fermentația etanolului din zer. Kluyveromyces marxianus este din ce în ce mai apreciată datorită proprietăților sale dezirabile, incluzând un spectru larg de utilizări ale zaharurilor, capacitate secretorie ridicată și o rată extrem de mare de creștere. În plus, aplicarea unor temperaturi mai ridicate în timpul proceselor SSF poate reduce de mai multe ori costul pentru combustibilul comercial de scară largă- etanol, inclusiv reducerea costului de răcire și a riscului de contaminare, și duc la o mai bună performanță a enzimelor zaharolitice cu reducerea ulterioară a dozajului de enzime.

Aspectul morfologic al celulelor de Kluyveromyces marxianus

Janssens et al. (1983) au raportat o îmbunătățire semnificativă a capacității de fermentație a drojdiei Kluyveromyces fragilis atunci când zerul concentrat (200 g/L lactoză) a fost suplimentat cu 0,5 % peptonă de origine bacteriană, cu ergosterol și acid linoleic. Aceste adaosuri au redus timpul de fermentație de la 90 de ore la 60 de ore, fiind demonstrată încă odată importanța sterolilor și a acizilor grași nesaturați pentru creșterea performanțelor fermentative ale drojdiilor cât și pentru o toleranță mai bună la etanol.

Un alt factor cheie cu efecte directe asupra performanței drojdiei în timpul fermentației alcoolice este disponibilitatea oxigenului. Prezența oxigenului trebuie să fie suficientă pentru biosinteza lipidelor membranare ale celulei de drojdie (steroli și acizi grași nesaturați), dar în același timp să nu cauzeze o multiplicare excesivă care poate duce la un randament scăzut în etanol al fermentației alcoolice.

Majoritatea studiilor legate de fermentarea lactozei/zerului cu drojdii din genul Kluyveromyces spp. au fost realizate în sisteme de fermentare discontinue (Kosikowski, 1979). Însă au existat și sisteme continue de fermentare utilizând diferite tipuri de bioreactoare, în unele cazuri utilizând și drojdii imobilizate pentru fermentare.

În tabel sunt prezentate productivitățile obținute în diferite studii legate de fermentarea lactozei/zerului în prezența drojdiilor din genul Kluyveromyces de diferiți autori. (Guimarães et al., 2010).

Producerea de bioetanol în condiții industriale

În prezent există câteva instalații la nivel industrial unde se obține etanol din zer în țări precum Irlanda, Noua Zeelandă, SUA și Danemarca (Siso, 1996). Carbery Group din Cork, Irlanda și-a început activitatea încă din anul 1978. Inițial s-a prevăzut doar obținerea de bioetanol alimentar, dar din anul 2005 compania produce etanol pentru o companie petrolieră din Irlanda. Procedeul Carbery a fost adoptat mai târziu de companii din Noua Zeelandă și SUA (Ling, 2008).

În prezent instalația Carbery operează cu 11 vase de fermentare cilindroconice, ce utilizează aer comprimat pentru agitare și aerarea sistemului. Permeatul de zer este fermentat în mod discontinuu timp de 12 până la 20 de ore, în funcție de concentrația inițială în lactoză și performanțele fermentative ale drojdiilor utilizate. Drojdia este recuperată la sfârsitul fermentației și reutilizată ulterior. La sfârșitul fermentației concentrația în etanol ajunge la 2,5 – 4,2 % vol. alc.

După fermentare se utilizează o distilare continuă (Ling, 2008) pentru separarea etanolului. Compania Carbery produce 11.000 tone de etanol pe an (Doyle, 2005). Până în anul 2005 scopul era utilizarea etanolului produs pentru obținerea de băuturi alcoolice, produse farmaceutice și cosmetice (Doyle, 2009).

În Noua Zeelandă, Anchor Ethanol Group operează 3 instalații de obținere a etanolului din zer producând 17 milioane de litri de etanol pe an. Anchor Ethanol Group produce etanol la opt concentrații alcoolice diferite de la etanol și etanol anhidru pentru biocombustibili. Din anul 2007, compania produce bioetanol pentru o companie petrolieră (Ling, 2008). Sursa este zerul deproteinizat de la obținerea cazeinei, care este concentrat de la 4% lactoză până la 8% lactoză prin osmoză inversă înainte de fermentare (Gibson, 2006). În continuare, concentratul este fermentat timp de 24 de ore utilizând drojdii din genul Kluyveromyces spp., dupǎ care se obține un mediu fermentat cu o concentrație în etanol de aproximativ 4 %, iar apoi se face distilarea și deshidratarea pentru a obține etanol la diferite concentrații alcoolice (Gibson, 2006).

Concluzii

REFERINȚE BIBLIOGRAFICE

Siso, M.I.G., (1996), The biotechnological utilization of cheese whey: a review. BioresTechnol, 57, 1-11.

Yang, S.T., Silva, E.M., (1995), Novel products and newtechnologies for use of a familiar

carbohydrate, milk lactose. J Dairy Sci, 78, 2541–2562.

Kosikowski, F.V., (1979), Whey utilization and whey products. J Dairy Sci, 62, 1149–1160.

Zall, R.R., (1984), Trends in whey fractionation and utilization, a global perspective. J Dairy Sci, 67, 2621–2629.

Smithers, G.W., (2008), Whey and whey proteins—from ‘gutter-to-gold’. Int Dairy J, 18, 695–704.

Audic, J.L., Chaufer, B., Daufin, G., (2003), Non-food applications of milk components and dairy coproducts: a review. Lait, 83, 417–38.

Gänzle, M.G., Haase, G., Jelen, P., (2008), Lactose: crystallization, hydrolysis and value-added derivatives. Int Dairy J, 18, 685–694.

RFA. Renewable Fuels Association: Statistics. Washington DC, http://www.ethanolrfa.org

/industry/ statistics.

Janssens, J.H., Burris, N., Woodward, A., Bailey, R.B., (1983), Lipid-enhanced ethanol production by Kluyveromyces fragilis. Appl Environ Microbiol, 45, 598–602.

Ling, K.C., (2008), Whey to ethanol: a biofuel role for dairy cooperatives. Rural Development, 18, 35-90.

Doyle, A., (2005), Another step in biofuel supply. Irish Farmers Journal Interactive, 60, 132-140.

Gibson, A., (2006), Ethanol from whey. Sustainable Energy Conference, 26–27 July, Palmerston North, New Zealand.

Guimarães, P.M.R., François, J., Parrou, J.L., Teixeira, J.A., Domingues, L., (2008), Adaptive evolution of a lactose-consuming Saccharomyces cerevisiae recombinant. Appl Environ Microbiol, 74, 1748–1756.

Guzun, V., Musteață, G., Rubțov, S., Banu, C., Vizireanu, C., (2001), Industrializarea Laptelui, Ed.Tehnica Info, Chșinău, Republica Moldova.