تبدیل گندم به اتانول
بازار جدید گندم در صنعت اتانول
تولید اتانول به عنوان سوخت ، در ایالات متحده آمریکا از سال 2000 تا 2006 با رشدی 300 درصدی همراه بوده است. 95 درصد از اتانول تولیدی، توسط ذرت، 4 درصد توسط ذرت خوشه ای1 و کمتر از یک درصد نیز از گندم حاصل می شود. البته بر طبق بررسیهای بیشتر، گیاه گندم تامین کننده 70 درصد از اتانول مورد نیاز اروپا و همچنین 15 درصد از احتیاجات کانادا میباشد (123). هرچند که فرآیند های آسیابانی خشک و مرطوب، قابلیت تولید اتانول از گندم را دارا هستند اما با توجه به نصف بودن هزینههای سرمایه گذاری و تولید در فرآیند آسیابانی خشک، تمایل به استفاده از این روش بیش از پیش نمایان خواهد بود. به طوری که کاربرد این شیوه به منظور تولید اتانول، از 50 درصد در سال 2001 به 82 درصد در سال 2006 رسید.
توجه به یکسان نبودن ویژگیهای فیزیکی، شیمیایی و کاربردی گندم در مقایسه با ذرت، بالطبع کارخانه های تولید اتانول از گندم و ذرت نیز از جنبههای مختلفی با هم متفاوت خواهند بود (126). در فرآیندهای آسیابانی مرطوب به منظور تولید اتانول، اختلافاتی در نحوه جداشدن پروتئین از نشاسته ذرت و گندم وجود دارد. به این صورت که در فرآوری ذرت، ابتدا دانههای آن به مدت 24 تا 48 ساعت در محلول دی اکسید سولفور غوطه ور میگردند. تاکید بیشتر در این روش آسیابانی، بر روی روغن جوانه و نشاسته میباشد، چرا که پروتئین ذرت به مصرف خوراک دام خواهد رسید. لازم به ذکر است که فرآوردههای حاصل از فرآیند آسیابانی مرطوب بر روی ذرت، شامل اتانول، گلوتن مصرفی برای خوراک دام و همچنین فیبر می باشد .
به منظور تولید اتانول از گندم توسط فرآیند آسیابانی مرطوب، از آرد آن به عنوان ماده اولیه استفاده می شود که بیشترین تاکید در فرآیند جداسازی، بر روی گلوتن میباشد. در حقیقت جدا شدن پروتئین و نشاسته از آرد گندم بر مبنای فاکتورهایی نظیر نامحلول بودن آن ها در آب، چگالی و همچنین اندازه ذرات صورت می گیرد. چهار تکنولوژی مارتین2، آلفالاوال/ ریزیو3، هیدروسیکلون4 و روش 5HD به صورت صنعتی در راستای تولید اتانول از آرد گندم توسط فرآیند آسیابانی مرطوب به کار رفتهاند. کاربرد سه تکنولوژی ابتدایی در آمریکای شمالی رایج تر می باشد، این در حالی است که HD به عنوان روشی متداول در اروپا محسوب میگردد (127). بنابراین به طورکلی میتوان چنین نتیجه گرفت که در فرآیند آسیابانی مرطوب، بخش جداسازی پروتئین و نشاسته از گندم و ذرت در تجهیزات صنعتی مربوطه متفاوت خواهند بود. به جز این بخش، باقی مراحل برای تولید اتانول از گندم و ذرت مشابه خواهد بود. در پروسه آسیابانی مرطوب برای گندم، گلوتن فعال به عنوان اصلی ترین محصول فرعی مطرح می شود به طوری که 85-80 درصد از بازیابی پروتئین های گندم، به صورت گلوتن فعال خواهد بود. نتایج حاصل از بررسیها نشان داد که گلوتن فعال به دست آمده از این روش متشکل از 80 درصد پروتئین، 20-3 درصد کربوهیدرات (اغلب به صورت نشاسته)، 8-5 درصد لیپید، 1 درصد پنتوزان و 1/5-5/0درصد خاکستر در پایه وزن خشک می باشد (67).
فرآیند آسیابانی خشک، به منظور تهیه اتانول از گندم و ذرت مشابه میباشد. این پروسه شامل خرد کردن، میعان، ساکاریفیکاسیون و تخمیر به طور همزمان، تقطیر/آبگیری، جداسازی/ تغلیظ می باشد. محصولات فرعی این فرآیند نیز مواد محلول حاصل از تقطیر الکلی (DGS)6 و دی اکسید کربن می باشد. DGS ذرت که متشکل از 30 درصد پروتئین می باشد، به عنوان مکمل در خوراک دام استفاده می شود. بررسی های وو و همکاران در سال 1984 حاکی از آن بالاتر بودن محتوای پروتئینی DGS گندم نسبت به ذرت بوده است (128، 129) .
استفاده از گندم نرم و مومی برای تولید اتانول
میزان تولید اتانول به ویژه در فرآیند آسیابانی خشک، با محتوای نشاسته و یا کربوهیدرات های فعال قابل تخمیر، رابطه مستقیمی دارد. در این خصوص مطالعات چاپ نشده ای برروی گندم نرم، مومی و سخت زمستانه به انجام رسیده است. نتایج بیانگر آن هستند که گندم نرم دارای بازده تولید اتانول بیشتری می باشد چرا که حاوی 7/68 درصد نشاسته در ساختار خود است. گندم مومی و سخت زمستانه نیز به ترتیب دارای 4/60 و 4/62 درصد نشاسته می باشند. با وجود آنکه محتوای نشاسته مومی کمتر از گندم سخت است اما قابلیت تولید اتانول بیشتری را دارا میباشد. از سوی دیگر، نشاسته گندم مومی در مقایسه با نوع نرم و سخت، به طورکارآمدتری به قندهای قابل تخمیر و اتانول تبدیل میگردد.
گندم مومی سوبسترای مناسب تری برای تولید اتانول به شمار میآید (130). این گروه تحقیقاتی در سال 2006 به مقایسه میزان کارایی فرآیند تخمیر گندم مومی و نوع معمولی، ذرت با محتوای آمیلوز متفاوت و ذرت خوشهای مومی و غیر مومی پرداختند. پس از اعمال فرآیند پخت به مدت 95 درجه سانتیگراد به عنوان فرآیند پیش تخمیر، نتیجه به دست آمده نشان دهنده کارایی بالاتر گندم مومی در فرآیند تخمیر بود. از سوی دیگر، آمیلوپکتین نیز میتواند به عنوان سوبسترای مناسبی برای آنزیم آلفا آمیلاز در مرحله میعان عمل نماید. البته نتایج به دست آمده نیازمند بازبینی های دقیق تری میباشد (129). به منظور ژلاتینه کردن گندم مومی نیاز به درجه حرارت های پائین تری است و این اولین گام ضروری در تولید اتانول از نشاسته میباشد (28). وقتی آرد حاصل از گندم مومی توسط Rapid viscoanalyzer مورد ارزیابی قرار گیرد، در 80 درجه سانتی گراد به حداکثر ویسکوزیته میرسد. در حالی که، این میزان برای آرد به دست آمده از گندم معمولی 95 درجه سانتی گراد خواهد بود. پس از اعمال فرآیند پخت در 85 درجه سانتی گراد، نشاسته گندم مومی ساختار خود را از دست میدهد و تبدیل به زنجیرههایی می شود که سهولت عملکرد آنزیمهای گوارشی را فراهم مینماید. بنابراین میزان انرژی کمتری صرف ژلاتینه نمودن نشاسته مومی میشود و این به نوبه خود یکی دیگر از مزایای تولید سوخت زیستی7 را آشکار مینماید.
معیارهای انتخاب ماده اولیه برای تولید اتانول
انتخاب ماده اولیه مناسب به منظور فرآیند آسیابانی مرطوب گندم شامل در نظرگرفتن معیارهای مختلفی میباشد. از آن جا که گلوتن فعال به عنوان محصول فرعی این فرآیند، یکی از باارزش ترین ترکیبات غذایی محسوب میگردد، جداسازی پروتئین و نشاسته بسته به نوع ماده اولیه در واحدهای صنعتی مختلف، متفاوت خواهد بود. کارخانجاتی که توسط فرآیند آسیابانی مرطوب، به تولید اتانول مشغول میباشند نوع ماده اولیه مناسب را براساس عوامل خاصی انتخاب مینمایند. از این عوامل میتوان به محتوای پروتئین و نشاسته و همچنین ارزش اتانول و محصولات فرعی به دست آمده در بازار اشاره نمود. از سوی دیگر، رعایت و پایبندی به اصول استاندارد، برای عملکرد صحیح واحد صنعتی و تضمین کیفیت ضروری محسوب میگردد. حداقل استاندارد های اساسی برای ماده اولیه شامل رعایت محدودیت میزان رطوبت، توجه به محدوده نشاسته و پروتئین و همچنین میزان تحمل در برابر مایکوتوکسینها باشد. در خصوص مایکوتوکسینها، باید توجه بیشتری معطوف گردد، چرا که احتمال وجود آن ها در محصولات فرعی نظیر گلوتن فعال، گلوتن مصرفی برای دام، جوانه و یا روغن آن وDGS چندین برابر خواهد بود.
سازمان غذا و داروی آمریکا8(FDA) محدوده مجاز برای برخی از معمولترین مایکوتوکسینها در خوراک دام را مشخص نموده است. از این مایکوتوکسین ها می توان به آفلاتوکسین9، وومیتوکسین10، فومونیسین11 و زئارالنون12 اشاره کرد. با توجه به آن که گیاه گندم مستعد بیشترین تاثیر پذیری توسط سموم فوزاریوم (وومیتوکسین و زئارالنون) می باشد، بنابراین از ورود مواد اولیه آلوده به واحد صنعتی باید به شدت جلوگیری گردد.
ارزیابی تکنیک ها در تعیین کیفیت ماده اولیه و محصولات فرعی
امروزه به منظور اندازه گیری فوری میزان رطوبت، پروتئین و نشاسته در سوخت اتانول از روش طیف سنجی مادون قرمز13(NIRS) استفاده می شود. این روش، نقش بسیار مهمی در واحد های صنعتی اتانول دارد، به طوری که با بهره گیری از آن میتوان در پذیرش یا عدم پذیرش ماده خام ورودی به کارخانه تصمیم گیری نمود.
منابع مختلف نشاسته دارای قابلیت متفاوتی در تولید اتانول خواهند بود، به طوری که میزان اتانول حاصل شده از غلاتی با محتوای یکسان نشاسته نیز میتواند به طور چشمگیری تفاوت داشته باشد (130). تنها روشهای آزمایشگاهی تخمیر بر روی ماده اولیه که در حدود 5-4 روز به طول میانجامد، قادر خواهند بود که میزان دقیق قابلیت تولید اتانول را تخمین بزند.
اغلب واحدهای صنعتی اتانول توسط سیستم کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا (HPLC)14 نیز تجهیز شدهاند. این دستگاه میتواند میزان ترکیبات مهمی نظیر گلوکز و سایر قندها، اتانول، گلیسرول، اسیداستیک و اسید لاکتیک را در فرآیند تخمیر اندازه گیری نماید. با دسترس بودن چنین اطلاعاتی، کارشناسان به راحتی میتوانند بر عملیات تخمیر نظارت دقیق داشته و در مواقع لزوم اقدامات اصلاح شونده و یا پیشگیرانهای لحاظ نمایند.
پیشرفتهای اخیر در تکنولوژی
رشد و توسعه تکنولوژی در صنعت اتانول، موجب کاهش قیمت تولید آن شده است. از قابل توجه ترین پیشرفتهای تکنولوژیکی میتوان به افزایش کیفیت مواد اولیه، بهبود ویژگی های میکروارگانیسمهای مسئول تخمیر و همچنین کاهش میزان مصرف انرژی و آب اشاره نمود. نوآوری در تولید اتانول تاثیر بسزایی در فرآیند آسیایی خشک ذرت خواهد داشت، چرا که این گیاه، تامین کننده 95 درصد از سوخت اتانول موجود در ایالات متحده میباشد (131). برخی از این ابتکارات میتوانند به طور مستقیم اعمال شوند و یا پس از تغییراتی در فرآیند آسیابانی خشک گندم مورد استفاده قرار گیرند. البته اکثر نوآوری های مطرح شده در ذیل، هنوز در مراحل تحقیقاتی به سر میبرند و به صورت تجاری مورد استفاده واقع نشدهاند.
1 Sorghum bicolor L.
2 Martin
3 Alfa-Laval/Raisio
4 Hydrocyclone
5 High -pressure disintegration
6 Distiller's Grain with Solubles
7 Biofuel
8 Food and Drug Administration
9 Aflatoxine
10 Vomitoxin
11 Fumonisin
12 Zearalenone
13 Near Infrared Spectroscopy
14 High performance Liquid Chromatography
—————
————————————————————
—————
————————————————————
5