इथेनॉल किण्वन

(1) ग्लाइकोलाइसिस के माध्यम से एक ग्लूकोज अणु टूट जाता है, जिससे दो पाइरूवेट अणु निकलते हैं। इस एक्ज़ोथिर्मिक प्रतिक्रियाओं द्वारा जारी ऊर्जा का उपयोग दो एडीपी अणुओं को फॉस्फोराइलेट करने के लिए किया जाता है, जिससे दो एटीपी अणु निकलते हैं, और एनएडी + के दो अणुओं को एनएडीएच में कम करने के लिए उपयोग किया जाता है। (2) दो पाइरूवेट अणु टूट जाते हैं, दो एसीटैल्डिहाइड अणु उत्पन्न करते हैं और कार्बन डाइऑक्साइड के दो अणु छोड़ते हैं। (3) एनएडीएच के दो अणु दो एसीटैल्डिहाइड अणुओं को इथेनॉल के दो अणुओं तक कम करते हैं; यह एनएडीएच को वापस एनएडी+ में बदल देता है।

इथेनॉल किण्वन, जिसे अल्कोहल किण्वन भी कहा जाता है, जैविक प्रक्रिया है जो शर्करा जैसे ग्लूकोज, फ्रुक्टोज और सुक्रोज को एडेनोसाइन ट्रायफ़ोस्फेट में परिवर्तित करती है, इथेनॉल और कार्बन डाइऑक्साइड को उप-उत्पादों के रूप में उत्पादित करती है। क्योंकि यीस्ट ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में इस रूपांतरण को करते हैं, अल्कोहलिक किण्वन को अवायवीय जीव या चयापचय प्रक्रिया माना जाता है। यह मछली की कुछ प्रजातियों (सुनहरी मछली और काप सहित) में भी होता है जहां (लैक्टिक एसिड किण्वन के साथ) यह ऑक्सीजन की कमी होने पर ऊर्जा प्रदान करता है। ^[1]

इथेनॉल किण्वन मादक पेय, इथेनॉल ईंधन और रोटी के आटे के बढ़ने का आधार है।

सुक्रोज के किण्वन की जैव रासायनिक प्रक्रिया

पुआल के किण्वन के लिए उपयोग किया जा रहा एक प्रयोगशाला बर्तन

खमीर द्वारा सुक्रोज का किण्वन

नीचे दिए गए रासायनिक समीकरण सुक्रोज (C₁₂H₂₂O₁₁) इथेनॉल में (C₂H₅OH)। अल्कोहल किण्वन प्रक्रिया में ग्लूकोज के एक मोल (यूनिट) को इथेनॉल के दो मोल और कार्बन डाइऑक्साइड के दो मोल में परिवर्तित करता है, जिससे दो मोल एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट का उत्पादन होता है।

C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂

सुक्रोज फ्रुक्टोज से जुड़े ग्लूकोज से बनी चीनी है। मादक किण्वन के पहले चरण में, एंजाइम इंवेतेस ग्लूकोज और फ्रुक्टोज अणुओं के बीच ग्लाइकोसिडिक बंधन को तोड़ता है।

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O + इन्वर्टेस → 2 C₆H₁₂O₆

इसके बाद, प्रत्येक ग्लूकोज अणु ग्लाइकोलाइसिस नामक प्रक्रिया में दो पाइरूवेट अणुओं में टूट जाता है। ^[2] ग्लाइकोलाइसिस को समीकरण द्वारा संक्षेपित किया गया है:

C₆H₁₂O₆ + 2 ADP + 2 P_i + 2 NAD⁺ → 2 CH₃COCOO⁻ + 2 ATP + 2 NADH + 2 H₂O + 2 H⁺

CH₃COCOO⁻ पाइरूवेट है, और P_i अकार्बनिक फास्फेट है। अंत में, पाइरूवेट को इथेनॉल और CO₂ में बदल दिया जाता है। दो चरणों में, ग्लाइकोलाइसिस के लिए आवश्यक ऑक्सीकृत एनएडी+ को पुन: उत्पन्न करता है:

1. CH₃COCOO⁻ + H⁺ → CH₃CHO + CO₂

पाइरूवेट डिकारबॉक्साइलेज़ द्वारा उत्प्रेरित

2. CH₃CHO + NADH + H⁺ → C₂H₅OH + NAD⁺

यह प्रतिक्रिया शराब डिहाइड्रोजनेज (बेकर के खमीर में एडीएच1) द्वारा उत्प्रेरित होती है। ^[3]

जैसा कि प्रतिक्रिया समीकरण द्वारा दिखाया गया है, ग्लाइकोलाइसिस निकोटिनामाइड एडेनिन डाइन्यूक्लियोटाइड|एनएडी के दो अणुओं की कमी का कारण बनता है। दो एडेनोसाइन डाइफॉस्फेट अणु भी सब्सट्रेट-स्तर फास्फारिलीकरण के माध्यम से दो एटीपी और दो पानी के अणुओं में परिवर्तित हो जाते हैं।

गैलरी

अंगूर वाइन उत्पादन के दौरान किण्वन।

ग्लूकोज हॉवर्थ प्रोजेक्शन में दर्शाया गया है
पाइरूवेट
एसीटैल्डिहाइड
इथेनॉल

ऑक्सीजन का प्रभाव

किण्वन के लिए ऑक्सीजन की आवश्यकता नहीं होती है। यदि ऑक्सीजन उपस्थित है, तो यीस्ट की कुछ प्रजातियाँ (जैसे, क्लुवेरोमाइसेस लैक्टिस या क्लुवेरोमाइसिस लिपोलिटिका) कोशिकीय श्वसन नामक प्रक्रिया में पाइरुविक तेजाब को पूरी तरह से कार्बन डाइऑक्साइड और पानी में ऑक्सीकृत कर देंगी, इसलिए यीस्ट की ये प्रजातियाँ केवल अवायवीय वातावरण में इथेनॉल का उत्पादन करेंगी (नहीं कोशिकीय श्वसन)। इस घटना को पाश्चर प्रभाव के रूप में जाना जाता है।

यद्यपि, कई यीस्ट जैसे सामान्यतः उपयोग किए जाने वाले बेकर्स यीस्ट सच्चारोमाइसेस सेरेवीसीआई या फिशन यीस्ट स्चीजों सच्चारोमाइसेस पोम्बे कुछ शर्तों के अनुसार, ऑक्सीजन की उपस्थिति में भी श्वसन अधिकांशतः किण्वन करते हैं। शराब बनाने में इसे काउंटर-पाश्चर प्रभाव के रूप में जाना जाता है। ये यीस्ट एरोबिक श्वसन स्थितियों के अनुसार भी इथेनॉल का उत्पादन करेंगे, यदि उन्हें सही प्रकार का पोषण प्रदान किया जाए। बैच किण्वन के दौरान, सेल प्रोटीन के प्रति मिलीग्राम इथेनॉल उत्पादन की दर इस प्रक्रिया की शुरुआत में संक्षिप्त अवधि के लिए अधिकतम होती है और उत्तरोत्तर गिरावट आती है क्योंकि इथेनॉल आसपास के शोरबा में जमा हो जाता है। अध्ययनों से पता चलता है कि इस संचित इथेनॉल को हटाने से किण्वन गतिविधि तुरंत बहाल नहीं होती है, और वे सबूत प्रदान करते हैं कि चयापचय दर में गिरावट इथेनॉल की उपस्थिति अधिकांशतः शारीरिक परिवर्तन (संभावित इथेनॉल क्षति सहित) के कारण होती है। किण्वन गतिविधि में गिरावट के कई संभावित कारणों की जांच की गई है। व्यवहार्यता 90% या उससे ऊपर बनी रही, आंतरिक पीएच तटस्थता के करीब रहा, और ग्लाइकोलाइटिक और अल्कोहलोजेनिक एंजाइमों (विट्रो में मापा गया) की विशिष्ट गतिविधियां बैच किण्वन के समयउच्च बनी रहीं। इनमें से कोई भी कारक बैच किण्वन के समय किण्वन गतिविधि में गिरावट से संबंधित प्रतीत नहीं होता है।

रोटी पकाना

कार्बन डाइऑक्साइड का निर्माण - इथेनॉल किण्वन का एक उपोत्पाद - रोटी को फूलने का कारण बनता है।

इथेनॉल किण्वन के कारण ब्रेड का आटा फूल जाता है। यीस्ट जीव आटे में शर्करा का उपभोग करते हैं और अपशिष्ट उत्पादों के रूप में इथेनॉल और कार्बन डाइऑक्साइड का उत्पादन करते हैं। कार्बन डाइऑक्साइड आटे में बुलबुले बनाता है, इसे फोम में फैलाता है। बेकिंग के बाद 2% से कम इथेनॉल बचता है। ^[5] ^[6]

मादक पेय

प्राथमिक किण्वन तहखाना, बडवाइज़र ब्रेवरी, फोर्ट कॉलिन्स, कोलोराडो

मादक पेय पदार्थों में निहित इथेनॉल खमीर द्वारा प्रेरित किण्वन के माध्यम से निर्मित होता है।

अंगूर में उपस्थित प्राकृतिक शर्करा के किण्वन द्वारा शराब का उत्पादन होता है; सेब और नाशपाती में क्रमशः प्राकृतिक चीनी के समान किण्वन द्वारा साइडर और नाशपाती की मदिरा का उत्पादन किया जाता है; और अन्य फलों की वाइन किसी भी अन्य प्रकार के फलों में शर्करा के किण्वन से उत्पन्न होती हैं। इन फल-किण्वित पेय पदार्थों के आसवन द्वारा ब्रांडी और ओउ डे वी (जैसे स्लिवोविट्ज) का उत्पादन किया जाता है।
शहद में उपस्थित प्राकृतिक शर्करा के किण्वन से घास का मैदान का निर्माण होता है।
बीयर, व्हिस्की, और कभी-कभी वोडका अनाज के स्टार्च के किण्वन द्वारा उत्पादित किया जाता है जिसे एंजाइम एमिलेज द्वारा चीनी में परिवर्तित कर दिया जाता है, जो अनाज की गुठली में उपस्थित होता है जो माल्टिंग (अर्थात अंकुरण) होता है। स्टार्च के अन्य स्रोत (जैसे आलू और अनमाल्टेड अनाज) को मिश्रण में जोड़ा जा सकता है, क्योंकि एमाइलेज उन स्टार्च पर भी कार्य करेगा। यह कुछ देशों में लार के साथ किण्वित एमाइलेज प्रेरित किण्वन की सूची भी हो सकती है। व्हिस्की और वोदका भी डिस्टिल्ड होते हैं; आसवन के समयवोदका जैसे कच्चे माल में फ्लेवरिंग एजेंटों को मिलाकर जिन और संबंधित पेय पदार्थों का उत्पादन किया जाता है।
राइस वाइन (खातिर सहित) मोल्ड एस्परगिलस ओरेजा द्वारा चीनी में परिवर्तित अनाज स्टार्च के किण्वन द्वारा उत्पादित की जाती है। इस तरह के किण्वन के उत्पाद से बैजू, सोजू और शोचू आसवित होते हैं।
गन्ने के किण्वन और आसवन द्वारा रम और कुछ अन्य पेय पदार्थों का उत्पादन किया जाता है। रम का उत्पादन सामान्यतः गन्ना उत्पाद शीरे से किया जाता है।

सभी स्थितियोंमें, किण्वन बर्तन में होना चाहिए जो कार्बन डाइऑक्साइड को बाहर निकलने देता है किन्तु बाहर की हवा को अंदर आने से रोकता है। यह अवांछित बैक्टीरिया या मोल्ड द्वारा ब्रू के संदूषण के जोखिम को कम करने के लिए है और क्योंकि कार्बन डाइऑक्साइड का निर्माण जोखिम उत्पन्न करता है। पोत फट जाएगा या विफल हो जाएगा, संभवतः चोट या संपत्ति की क्षति हो सकती है।

ईंधन उत्पादन के लिए कच्चे माल

विभिन्न कार्बोहाइड्रेट उत्पादों के खमीर किण्वन का उपयोग पेट्रोल में जोड़े जाने वाले इथेनॉल का उत्पादन करने के लिए भी किया जाता है।

गर्म क्षेत्रों में प्रमुख इथेनॉल कच्चे माल गन्ना है। ^[7] समशीतोष्ण क्षेत्रों में, मकई इथेनॉल या चुकंदर का उपयोग किया जाता है। ^[7] ^[8]

संयुक्त राज्य अमेरिका में, इथेनॉल के उत्पादन के लिए मुख्य कच्चे माल वर्तमान में मक्का है। ^[7] मकई के एक बुशल (0.42 लीटर प्रति किलोग्राम) से लगभग 2.8 गैलन इथेनॉल का उत्पादन होता है। जबकि मकई का अधिकांश हिस्सा इथेनॉल में बदल जाता है, मकई के कुछ उप-उत्पाद भी उत्पन्न करते हैं जैसे कि डिस्टिलर अनाज (डिस्टिलर सूखे अनाज घुलनशील होते हैं) जिनका उपयोग पशुओं के लिए फ़ीड के रूप में किया जा सकता है। मकई का एक बुशेल लगभग 18 पाउंड डीडीजीएस (320 किलोग्राम डीडीजीएस प्रति मीट्रिक टन मक्का) का उत्पादन करता है। ^[9] यद्यपि अधिकांश किण्वन संयंत्र मकई उत्पादक क्षेत्रों में बनाए गए हैं, मैदानी राज्यों में इथेनॉल उत्पादन के लिए ज्वार भी महत्वपूर्ण कच्चे माल है। पर्ल बाजरा दक्षिणपूर्वी अमेरिका के लिए इथेनॉल कच्चे माल के रूप में वादा दिखा रहा है और डकवीड की क्षमता का अध्ययन किया जा रहा है। ^[10]

यूरोप के कुछ हिस्सों में, विशेष रूप से फ्रांस और इटली में, अंगूर अधिशेष शराब के आसवन द्वारा ईंधन इथेनॉल के लिए वास्तविक कच्चे माल बन गए हैं। ^[11] आधिक्य मीठा पेय भी उपयोग किया जा सकता है। ^[12] जापान में, इथेनॉल स्रोत के रूप में साक में सामान्य रूप से बने चावल का उपयोग करने का प्रस्ताव दिया गया है। ^[13]

कसावा इथेनॉल कच्चे माल के रूप में

इथेनॉल खनिज तेल से या शर्करा या स्टार्च से बनाया जा सकता है। स्टार्च सबसे सस्ते होते हैं। प्रति एकड़ उच्चतम ऊर्जा सामग्री वाली स्टार्च वाली फसल कसावा है, जो उष्णकटिबंधीय देशों में उगती है।

1990 के दशक में थाईलैंड में पहले से ही बड़ा कसावा उद्योग था, जिसका उपयोग मवेशियों के चारे के रूप में और गेहूं के आटे के सस्ते मिश्रण के रूप में किया जाता था । नाइजीरिया और घाना पहले से ही कसावा-से-इथेनॉल संयंत्र स्थापित कर रहे हैं। कसावा से इथेनॉल का उत्पादन वर्तमान में आर्थिक रूप से व्यवहार्य है जब कच्चे तेल की कीमतें 120 अमेरिकी डॉलर प्रति बैरल से ऊपर हैं।

कसावा की नई किस्में विकसित की जा रही हैं, इसलिए भविष्य की स्थिति अनिश्चित बनी हुई है।

वर्तमान में, कसावा 25 से 40 टन प्रति हेक्टेयर (सिंचाई और उर्वरक के साथ) उपज दे सकता है, ^[14] और एक टन कसावा जड़ों से, लगभग 200 लीटर इथेनॉल का उत्पादन किया जा सकता है (22% स्टार्च सामग्री के साथ कसावा को मानते हुए)। एक लीटर इथेनॉल में लगभग 21.46 होता है ^[15] ऊर्जा का मेगाजूल। कसावा-रूट से इथेनॉल रूपांतरण की समग्र ऊर्जा दक्षता लगभग 32% है।

कसावा के प्रसंस्करण के लिए उपयोग किया जाने वाला खमीर एंडोमाइकोप्सिस फाइबुलिगेरा है, जिसे कभी-कभी जीवाणु ज़िमोमोनस मोबिलिस के साथ प्रयोग किया जाता है।

किण्वन के उपोत्पाद

इथेनॉल किण्वन गर्मी, कार्बन डाइऑक्साइड, पशुओं के लिए भोजन, पानी, मेथनॉल, ईंधन, उर्वरक और अल्कोहल जैसे गैर-कटाई वाले उप-उत्पादों का उत्पादन करता है। ^[16] किण्वन प्रक्रिया से अनाज के अकिण्वित ठोस अवशेष, जिनका उपयोग पशुओं के चारे के रूप में या बायोगैस के उत्पादन में किया जा सकता है, को डिस्टिलर्स अनाज के रूप में संदर्भित किया जाता है और क्रमशः डब्ल्यूडीजी, वेट डिस्टिलर के अनाज और डीडीजीएस, घुलनशील के साथ सूखे डिस्टिलर के अनाज के रूप में बेचा जाता है।