الخميرة لإنتاج الإيثانول كوقود (2): المواد الخام

المواد الخام

إن صلاحية أي مادة لإنتاج الإيثانول تعتمد على توفرها بسعر اقتصادي، ونوع وتركيز المواد الكربوهيدراتية بها، ومدى سهولة مهاجمتها بواسطة الميكروبات، ونوع المواد الوسطية التي يمكن أن تنتج مع الإيثانول. وينتج الإيثانول المستعمل وقوداً لوسائل النقل حالياً بصورة تجارية من سكر القصب (والـدولة الرائدة في هذا ذلك البرازيـل) أو من الـذرة (في الولايات المتحدة الأمريكية) . ولذلك فإن صناعة الإيثانول تشكل فرع أساسي من أفرع التصنيع الزراعي.  وهنـاك اختـلاف كبيـر بين المواد الأولية وذلك بالنسبـة لاحتوائهـا على السكريــات القابلـة للتخمر كما يتضـح من الجدول رقم (1).

جدول (1): إنتاج العالم من المحاصيل التي يمكن أن تكون مواد خام لإنتاج الإيثانول

المصدر: بيانات سنة 2004 م لمنظمة الأغذية والزراعة (الفاو)

أولاً:  السكريات  Sugars

للخمائر قدرة عالية على استخدام سكريات مختلفة لإنتاج الإيثانول نتناولها فيما يلي :

1- قصب السكر Sugar cane

قصب السكر محصول استوائي هام، يتطلب درجة رطوبة عالية ودرجة حرارة عالية نسبياً (35 °م) ، ولذلك فإن نجاح زراعته يكون قاصراً على جهات محدودة في العالم. يبلغ الإنتاج العالمي من قصب السكرحوالي 60 مليون طن سنوياً، ويزيد إنتاج الهكتار عن 200 طن سنوياً، ويمكن أن يصل محصول الإيثانول إلى 70-90 لتر/طن. يحتوي عصير القصب على 12-16% سكر، ولذلك فإن كل طن من القصب يحتوي على حوالي 125 كجم سكر. أما المخلفات الصلبة، بعد استخلاص العصير والتي تعرف بالمصاصة Bagasse، فإنها تنتج بمعدل حوالي 2 كجم من المصاصة لكل كجم سكر يتم إنتاجه وتستخدم في صناعة الورق أو قد تستخدم كوقود للغلايات داخل مصانع السكر.

ورغم أن قصب السكر يزرع أساساً لإنتاج السكر والمولاس، إلا أنه أيضاً مفضل جداً كمادة أولية لإنتاج الإيثانول، حيث ينتج عنه عصير يحتوي على مكونات مرغوبة جداً لإنتاج الكحول، كما أن محصول القصب يمكن أن يستمر حصاده على مدار فترة طويلة من السنة، وذلك بسبب طول موسم النمو.

يمكن أن يستخدم عصير القصب مباشرة أو المولاس المتخلف عن صناعة السكر في إنتاج الكحول. ويتم تحضير عصير القصب عن طريق الاستخلاص بواسطة العصر الميكانيكي، ثم غسيل المواد الصلبة بالماء الساخن، ثم العصر مرة أخرى، ويتم تكرار ذلك حوالي خمس مرات. بعد ذلك يتم الترويق باستخدام هيدروكسيد الكالسيوم وحامض الكبريتيك لترسيب المكونات غير العضوية فينتج عن ذلك سائل لزج لونه أخضر يحتوي على حوالي 13% سكروز. ويمكن عن طريق التبخير زيادة تركيز السكر في العصير واستخدامه مباشرة في إنتاج الكحول. والعيب الرئيسي في استخدام العصير كمادة أولية لإنتاج الكحول هو عدم ثبات خواصه عند تخزينه لفترة طويلة.

أما المولاس فهو عبارة عن المخلفات غير المتبلورة المتبقية بعد بلورة السكروز من عصير القصب. ويتكون المولاس من  سكروز وجلوكوز وفركتوز لتعطي كربوهيدرات بتركيز كلي من 50 إلى 60% (وزن|حجم). ويمكن بسهولة تخزين المولاس لفترات طويلة، وقبل استخدامه يخفف إلى التركيز المطلوب. وعالمياً يعتبر المولاس أكثر المواد السكرية استخداماً لإنتاج الإيثانول وخصوصاً في البلاد التي لا يوجد فيها أسواق منظمة لعلائق الحيوانات (حيث أنه أحد مكونات العلائق الهامة) ولكنه لا يستخدم بدرجة كبيرة في البلاد الناميـة. ولا توجد مصانع لإنتاج الإيثانول من المـولاس في الولايات المتحدة الأمريكيـة وذلك لأن كمية المولاس المنتجة سنويا تكفي فقط لإنتاج 120 ألف متر مكعب من الإيثانول ولذلك فإن سعره لا يناسب استخدامه كمادة خام لإنتاج الإيثانول في الولايات المتحدة الأمريكية.

وعلى الرغم من أن المولاس يحتـوي على كثير من المواد الضروريـة لنمو الخمـيرة ، كـما يحتـوي على حوالي 3-6% بروتين إلا أنه غالباً ما يكون به نقص في المواد النيتروجينية القابلة للتمثيل بواسطة الخميرة، ولذلك تضاف أيونات الأمونيوم، أو اليوريا، أو بعض الأحماض الأمينية أثناء عملية الإنتاج. كما يضاف الفوسفور والكبريت عادة كجزء من الإضافات النيتروجينية أو في صورة أحماض لضبط الـ pH إلى رقم 5 وذلك لتقليل نمو الميكروبات الملوثة لبيئة التخمر.

وهناك اختلاف كبير في تركيب المولاس من مكان إلى آخر. ويحتوي المولاس أحياناً على مواد مختزلة غير قابلة للتخمر بواسطة الخميرة، حيث وجد العلماء أن بعض أنواع المولاس تحتوي على 17% سكريات غير قابلة للتخمر نتيجة درجة الحرارة العالية أثناء عمليات التبخير في صناعة السكر ونتيجة استمرار تفاعل ميلارد Maillard reaction (وهو تفاعل السكريات مع الأحماض الأمينية) أثناء التخزين.

2- بنجر السكر وبنجر العلف  Sugar beets and fodder beets

تنمو محاصيل بنجر السكر وبنجر العلف في كل من المناطق ذات المناخ الاستوائي، والمناخ المعتدل. وإنتاج الهكتار من بنجر السكر وبنجر العلف، حوالي 40-50 طن، و 50-105 طن، على الترتيب. وينتج عن كل طن من بنجر السكر 140-190 كجم سكر، و 70-100 كجم من المواد السليولوزية الجافة، التي تستخدم في تغذية الأبقار والأغنام، وحيوانات أخرى. محتوى بنجر العلف من السكر أقل بالمقارنة مع بنجر السكر، ولكن ارتفاع كمية المحصول لكل هكتار من بنجر العلف بالمقارنة بمحصول بنجر السكر، تعوض انخفاض نسبة السكر في بنجر العلف. عصير كل من بنجر السكر وبنجر العلف، غني بالعناصر الغذائية، وليس من الضروري التدعيم بأية عناصر غذائية للحصول على تخمير ذو كفاءة عالية. ويمكن أن يكون إنتاج الإيثانول من كل هكتار منزرع بأي من بنجر السكر أو بنجر العلف يفوق إنتاج هكتار الذرة بنحو خمسة أضعاف. وهذا يبين مدى أهمية التركيز على زراعة هذه المحاصيل، بغرض إنتاج الإيثانول، خصوصاً بنجر العلف الذي يكاد ألا يكون معروفاً بالنسبة لمزارعي البلاد العربية. وقد استخدم عصير بنجر العلف المنتج في أيرلندا كمادة خام لإنتاج الإيثانول ووجد أنه يحتوي على حوالي 15% سكريات سهلة التخمر جداً بواسطة الخميرة Saccharomyces cerevisiae  التي أمكنها أن تخمر كل السكريات إلى إيثانول في خلال 36 ساعة فقط (Zayed and Foley, 1987) .

               ينتشر بنجر السكر بدرجة أكبر من قصب السكر حيث تناسبه ظروف بيئية متباينة وأنواع كثيرة من الأراضي مما ساعد على نجاح زراعته تقريباً في نصف الولايات المتحدة الأمريكية، وأوروبا وأفريقيا واستراليا ونيوزيلندا . وكما هو الحال في قصب السكر ينتج عن بنجر السكر كميات كبيرة من المولاس الذي يحتوي على سكريات كلية بتركيز 48- 52 % ويحتوي على كميات كافية من النيتروجين ومن باقي العناصر الغذائية العضوية وغير العضوية حتى أنه قد لا يلزم إضافة أي عناصر غذائية قبل التخمير. وفي نيوزيلندا استخدمت الهندسة الوراثية في إنتاج صنف جديد من بنجر العلف، إنتاجية وحدة المساحة منه بالنسبة للكربوهيدرات القابلة للتخمر تفوق نظيرتها في بنجر السكر كما أن السكر في هذا النوع من البنجر له مقاومة عالية ضد التحلل عندما يتم تخزينه لفترات طويلة.