مهندسی شیمی

بیو تکنولوژی شاخه ای از مهندسی شیمی است که به خواص میکروارگانیسم ها و کاربرد های آنها پرداخته می شود.

میکرو ارگانیسم ها به دو دسته یو کاریوتها و پروکاریوتها تقسیم می شوند که یوکاریوتها تک سلولی و پروکاریوتها نیز حداقل شامل دو سلول هستند. باکتری ها از دسته یوکاریوتها و قارچ ، جلبک و کپک ها از خانواده پروکاریوتها می باشند.

یوکاریوتها دارای ساختمان ساده و پروکاریوتها نیز ساختمان پیچیده ای دارند.

بیشترین کاربرد های بیو تکنولوژی مربوط به تولید اتانول است که بیو اتانول نامیده می شود.

معروفترین میکروارگانیسم هایی که برای تولید اتانول استفاده می شوند شامل باکتری زیگوموناس موبیلیس ، مخمر ساكارومايسيس سرويسيه ، قارچ موكور اينديكوس و قارچ موكور هميليس مي باشند.

 روش هاي توليد بيو اتانول در بيو راكتور شامل روش ناپيوسته ، پيوسته و خوراكدهي ناپيوسته مي باشد. تحقيقات نشان داده كه استفاده از روش خوراكدهي ناپيوسته داراي بيشترين راندمان توليد اتانول است.

در بين تمام ميكروارگانيسم ها قارچ موكور اينديكوس و موكور هميليس داراي بيشترين راندمان مي باشند و راندمان توليد اتانول توسط اين دو قارچ ۴۴ درصد است.

دسته بندي ديگر ميكروارگانيسم ها شامل روش هوازي و بي هوازي مي باشد كه در روش بي هوازي گلوكز با اكسيژن واكنش داده و توليد اتانول مي كند كه به همراه اتانول مقداري آب نيز توليد مي شود.

 مواد اولیه برای تولید اتانول

۱- مواد قندی: شامل میوه جات ، ضايعات نيشكر، شيره چغندر قند و ...

۲- مواد نشاسته اي : شامل  گندم ،  جو، سيب زميني و ...

۳- مواد ليگنوسلولزي: سبوس گندم ، سبوس جو ، خرده چوب و ...

اتانول (اتيل الكل) عضو دوم سري الكل اليفاتيك مي باشد كه داراي بوي مطبوع و بي رنگ مي باشد.براي مصارف صنعتي تقريبا همه اتانولي كه در صنعت مورد استفاده قرار مي گيرد داراي 95 % اتانول و 5% آب مي باشد كه بطور ساده الكل 95% ناميده مي شود.

اگر چه الكل خالص نيز موجود مي باشد و به آن الكل مطلق گفته مي شود.

آماده سازي الكل

اتانول 95%( 95% اتانول موجود در آب) با استفاده از تقطير محلول حاصل از تخمير قند ها به دست مي آيد.

واكنش اتن با بخار

اغلب اتانول مورد استفاده در صنعت با استفاده از واكنش مابين اتن و بخار به دست مي آيد.

C2H4     +      H2O   ==>       C2H5OH  

  Ethene          Steam             Ethanol 

تخمير الكل

يك محلول ساكاروز كه مخمر به آن اضافه مي شود ، گرم مي شود. يك آنزيم كه در مخمر وجود دارد به صورت معكوس اضافه مي شود.و به صورت يك كاتاليست براي تبديل ساكاروز به گلوكز و فروكتوز عمل ميكند.

        Invertase       

C12H22O11  +  H2O  ==>     C6H12O6 +      C6H12O6       

Sucrose                                                     Glucose     Fructose   

گلوكز  و فروكتوز به وسيله آنزيم زيماز كه در مخمر وجود دارد به اتانول و دي اكسيد كربن تبديل مي شوند.

·                                    zymase

·         C6H12O6              ==>     2C2H5OH + 2CO2  

·                             Ethanol 

فرآيند تخمير در سه روز و در دماي بين 25 تا 30 درجه سلسيوس انجام مي شود . اتانول سپس به وسيله تقطير جزئي بدست مي آيد.

اتانول كامل

اتانول ابتدا با مخلوط آب حاصل مي شود سپس از اين محلول به وسيله تقطير جزئي به دست مي آيد .

اگر چه نقطه جوش اتانول (78.3) كمتر از نقطه جوش آب (100) است ، ماده كاملا به وسيله تقطير جدا نمي شود . در عوض يك مخلوط آزئوتروپ (مخلوطي از 95% اتانول و 5% درصد آب حاصل مي شود.) و نقطه جوش آزئو تروپ 78.15 درجه سلسيوس مي باشد.

ماده فرار ماده اي است كه داراي كمترين نقطه جوش است و در ظرف تقطير زودتر زودتر تقطير مي شود. اين ماده آزئوتروپ اتانول 95% است كه داراي كمترين نقطه جوش مي باشد.

جداسازي مخلوط به وسيله تقطير جزئي انجام مي شود زيرا بخار داراي تركيب متفاوتي از مايع مي باشد.

خواص فيزيكي اتانول

اتانول يك مايع بي رنگ با بوي آشكار مي باشد كه كاملا محلول در آب و حلال هاي آلي است و خيلي هيدروسكوپيك مي باشد.

Melting Point          درجه سلسیوس       -115  

Boiling Point                ۷۸ درجه سلسیوس 

Specific Gravity               0.79. 

خواص شيميائي اتانول

احتراق اتانول

C2H5OH + 3O2    ==>         2CO2 + 3H2O 

  Ethanol 

اكسيداسيون اتانول

اتانول اكسيد مي شود با :

دي كرومات پتاسيوم اسيدي شده،

دي كرومات سديم اسيدي شده ،

پرمنگنات سديم اسيدي شده،

  [O]      

  C2H5OH  ==>     CH3CHO + H2O    

  Ethanol              Ethanal

اتانول پيشتر به اتانوئيك اسيد اكسيد مي شود (يعني استيك اسيد) اگر عامل اكسيد دار كردن به مقدار اضافي وجود داشته باشد.

  [O]     

  CH3CHO  ==>     CH3COOH 

  Ethanal         Ethanoic Acid  

عامل اكسيد شدن براي اين واكنش يك مخلوطي از دي كرومات سديم يا دي كرومات پتاسيم و اسيد سولفوريك مورد استفاده قرار مي گيرد كه واكنش مي دهد و اتم هاي اكسيژن توليد مي شود.

Na2Cr2O7    +    4 H2SO4 ==>     Na2SO4 + Cr2(SO4)3 + 4H2O + 3[O]          

دي هيدراسيون اتانول

هنگامي كه اتانول با اسيد سولفوريك غليظ شده با اسيد اضافي مخلوط شده و تا 170 درجه سلسيوس گرم مي شود.(دو مول اتانول يك مول آب را از دست مي دهد.)

  H2SO4           

                  C2H5OH        ==>             C2H4 + H2O      

         170 degC                                                                                        

   هنگامی كه اتانول با اسيد سولفوريك غليظ شده و با مقدار اضافي الكل مخلوط 

شده و تا دماي 140 درجه سلسيوس گرم مي شود . دي اتيل اتر تقطير مي شود .(دو 

مول اتانول يك مول آب از دست مي دهد.)

                                 H2SO4   

  2 C2H5OH        ==>     C2H5OC2H5    +    H2O   

                                      140 deg 

استفاده هاي اتانول

- در صنعت نوشيدني هاي الكلي مثل وودكا و...

- به صورت گسترده به عنوان حلال براي نقاشي ، لاك الكل و داروها

- در صنعت اتانول (مثل استالدئيك )و اسيد اتانوئيك ( اسيد استيك )

-  بصورت يك سوخت (مثل الكل بنزين)

-  بصورت سيال در ترمومتر ها

- در نگه داشتن نمونه هاي بيولوژيكي

- بنزين همراه با الكل كه در آن الكل را به بنزين اضافه مي كنند و باعث بهسوزي و آلودگي كمتر هوا مي شود.در اين تركيب درصد الكل در بنزين بين ۵ تا ۳۰ درصد مي باشد.

- ديزل همراه با الكل كه در آن سوخت ديزل را با الكل مخلوط مي كنند و باعث بهسوزي و همچنين كمتر آلوده شدن هوا مي شود. در اين تركيب مقدار الكل موجود درديزل بين ۰ تا ۱۵ درصد مي باشد. 

تركيبات سلولزي نيز شامل محصولات خراب كشاورزي ، اضافات جنگل، اجناس بنجل شهري جامد و كاغذ قابل برگشت است.