Etanoljäsning

(1) En glukosmolekyl bryts ned via glykolys, vilket ger två pyruvatmolekyler. Energin som frigörs av dessa exoterma reaktioner används för att fosforylera två ADP-molekyler, vilket ger två ATP-molekyler, och för att reducera två molekyler av NAD+ till NADH. (2) De två pyruvatmolekylerna bryts ner, vilket ger två acetaldehydmolekyler och avger två molekyler koldioxid. (3) De två molekylerna av NADH reducerar de två acetaldehydmolekylerna till två etanolmolekyler; detta omvandlar NADH tillbaka till NAD+.

Etanoljäsning , även kallad alkoholjäsning , är en biologisk process som omvandlar sockerarter som glukos , fruktos och sackaros till cellulär energi och producerar etanol och koldioxid som biprodukter. Eftersom jäst gör denna omvandling i frånvaro av syre , anses alkoholjäsning vara en anaerob process . Det sker också hos vissa fiskarter (inklusive guldfisk och karp ) där det (tillsammans med mjölksyrajäsning) ger energi när syre är ont om.

Etanoljäsning är grunden för att alkoholhaltiga drycker , etanolbränsle och bröddeg jäser.

Biokemisk process för fermentering av sackaros

Ett laboratoriekärl som används för jäsning av halm
Fermentering av sackaros med jäst

De kemiska ekvationerna nedan sammanfattar fermenteringen av sackaros ( C12H22O11 ) till etanol ( C2H5OH ) . Alkoholfermentering omvandlar en mol glukos till två mol etanol och två mol koldioxid, vilket ger två mol ATP i processen.

C 6 H 12 O 6 → 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2

Sackaros är ett socker som består av en glukos kopplad till en fruktos. I det första steget av alkoholjäsning klyver enzymet invertas glykosidkopplingen mellan glukos- och fruktosmolekylerna.

C 12 H 22 O 11 + H 2 O + invertas → 2 C 6 H 12 O 6

Därefter bryts varje glukosmolekyl ner till två pyruvatmolekyler i en process som kallas glykolys . Glykolys sammanfattas med ekvationen:

C 6 H 12 O 6 + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD + → 2 CH 3 COCOO − + 2 ATP + 2 NADH + 2 H 2 O + 2 H +

CH 3 COCOO − är pyruvat och Pi är oorganiskt fosfat . Slutligen omvandlas pyruvat till etanol och CO 2 i två steg, vilket regenererar oxiderad NAD+ som behövs för glykolys:

1. CH 3 COCOO − + H + → CH 3 CHO + CO 2

katalyserad av pyruvatdekarboxylas

2. CH3CHO + NADH + H + → C2H5OH + NAD +

Denna reaktion katalyseras av alkoholdehydrogenas (ADH1 i bagerijäst).

Som visas av reaktionsekvationen orsakar glykolys reduktionen av två molekyler av NAD + till NADH . Två ADP- molekyler omvandlas också till två ATP- och två vattenmolekyler via fosforylering på substratnivå .

Relaterade processer

Huvudartikel: Fermentation (biokemi)

Jäsning av socker till etanol och CO 2 kan också göras av Zymomonas mobilis , men vägen är något annorlunda eftersom bildning av pyruvat inte sker genom glykolys utan istället genom Entner –Doudoroff-vägen . Andra mikroorganismer kan producera etanol från sockerarter genom jäsning men ofta bara som en biprodukt. Exempel är

Galleri

  • Grapes fermenting during wine production.

    Druvor som jäser under vinproduktion.

Effekt av syre

Jäsning kräver inte syre. Om syre är närvarande, kommer vissa arter av jäst (t.ex. Kluyveromyces lactis eller Kluyveromyces lipolytica ) att oxidera pyruvat fullständigt till koldioxid och vatten i en process som kallas cellandning , därför kommer dessa arter av jäst endast att producera etanol i en anaerob miljö (inte cellulär). andning). Detta fenomen är känt som Pasteureffekten .

Men många jästsvampar, såsom den vanligen använda bagerijästen Saccharomyces cerevisiae eller fissionsjäst Schizosaccharomyces pombe , under vissa förhållanden jäser snarare än att andas även i närvaro av syre. Inom vinframställning är detta känt som mot-pasteureffekten. Dessa jästsvampar kommer att producera etanol även under aeroba förhållanden, om de förses med rätt sorts näring. Under satsjäsning är hastigheten för etanolproduktion per milligram cellprotein maximal under en kort period tidigt i denna process och avtar gradvis när etanol ackumuleras i den omgivande buljongen. Studier visar att avlägsnandet av denna ackumulerade etanol inte omedelbart återställer fermentativ aktivitet, och de ger bevis för att nedgången i ämnesomsättningen beror på fysiologiska förändringar (inklusive möjlig etanolskada) snarare än på närvaron av etanol. Flera potentiella orsaker till nedgången i fermentativ aktivitet har undersökts. Viabiliteten förblev vid eller över 90 %, det interna pH-värdet förblev nära neutralitet och de specifika aktiviteterna för de glykolytiska och alkohologena enzymerna (mätt in vitro) förblev höga under satsvis fermentering. Ingen av dessa faktorer tycks vara orsaksrelaterade till minskningen av fermentativ aktivitet under satsvis fermentering.

Brödbakning

Bildandet av koldioxid – en biprodukt av etanoljäsning – får brödet att jäsa.

Etanoljäsning gör att bröddegen jäser. Jästorganismer konsumerar sockerarter i degen och producerar etanol och koldioxid som restprodukter. Koldioxiden bildar bubblor i degen som expanderar till ett skum. Mindre än 2 % etanol återstår efter gräddning.

Alkoholhaltiga drycker

Primär jäsningskällare, Budweiser Brewery, Fort Collins, Colorado

Etanol som finns i alkoholhaltiga drycker framställs genom jäsning inducerad av jäst.

I samtliga fall måste jäsning ske i ett kärl som låter koldioxid rinna ut men förhindrar att utomhusluft kommer in. Detta för att minska risken för kontaminering av brygden av oönskade bakterier eller mögel och eftersom en ansamling av koldioxid skapar en risk kärlet kommer att spricka eller gå sönder, vilket kan orsaka person- eller egendomsskada. [ citat behövs ]

Råmaterial för bränsleproduktion

Jästjäsning av olika kolhydratprodukter används också för att framställa den etanol som tillsätts bensin .

Den dominerande etanolråvaran i varmare regioner är sockerrör . I tempererade områden används majs eller sockerbetor .

I USA är den huvudsakliga råvaran för framställning av etanol för närvarande majs. Ungefär 2,8 liter etanol produceras från en skäppa majs (0,42 liter per kilogram). Medan mycket av majsen förvandlas till etanol, ger en del av majsen också biprodukter som DDGS (destillatörs torkade spannmål med lösliga ämnen) som kan användas som foder för boskap. En skäppa majs producerar cirka 18 pund DDGS (320 kg DDGS per ton majs). Även om de flesta av jäsningsanläggningarna har byggts i majsproducerande regioner, sorghum också ett viktigt råmaterial för etanolproduktion i slätterna. Pärlhirs visar sig lovande som etanolråvara för sydöstra USA och potentialen för andmat studeras.

I vissa delar av Europa, särskilt Frankrike och Italien, har druvor blivit en de facto råvara för bränsleetanol genom destillering av överskottsvin . Överskott av sockerhaltiga drycker kan också användas. I Japan har det föreslagits att använda ris som normalt görs till sake som en etanolkälla.

Cassava som etanolråvara

Etanol kan tillverkas av mineralolja eller av socker eller stärkelse. Stärkelse är billigast. Den stärkelsehaltiga grödan med högsta energiinnehåll per hektar är kassava , som växer i tropiska länder.

Thailand hade redan på 1990-talet en stor kassavaindustri, för användning som boskapsfoder och som en billig blandning till vetemjöl. Nigeria och Ghana etablerar redan kassava-till-etanolfabriker. Produktion av etanol från kassava är för närvarande ekonomiskt genomförbar när råoljepriserna är över 120 USD per fat.

Nya varianter av kassava utvecklas, så den framtida situationen är fortfarande osäker. För närvarande kan kassava ge mellan 25 och 40 ton per hektar (med bevattning och gödning), och från ett ton kassavarötter kan cirka 200 liter etanol produceras (om man antar kassava med 22 % stärkelseinnehåll). En liter etanol innehåller cirka 21,46 MJ energi. Den totala energieffektiviteten för omvandling av kassava-rot till etanol är cirka 32 %.

Jästen som används för att bearbeta kassava är Endomycopsis fibuligera , ibland används tillsammans med bakterien Zymomonas mobilis .

Biprodukter av jäsning

Etanoljäsning ger oskördade biprodukter som värme, koldioxid, mat till boskap, vatten, metanol, bränslen, gödningsmedel och alkoholer. De ojästa fasta resterna av spannmål från fermenteringsprocessen, som kan användas som djurfoder eller vid produktion av biogas , kallas Distillers grains och säljs som WDG, Wet Distiller's grains respektive DDGS, Dried Distiller's Grains with Solubles .

Mikrober som används vid etanoljäsning

Se även

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ethanol_fermentation&oldid=1122272582 "