Glucose naar ethanol

Het omzetten van suiker naar alcohol, of meer specifiek glucose naar ethanol, is een van de oudste bekende chemische processen. Glucose wordt van nature direct omgezet in ethanol in een verscheidenheid aan organismen door een reeks chemische reacties die beginnen met een proces dat glycolyse wordt genoemd en eindigt met fermentatie.

Glycolyse

Glycolyse is de eerste stap in het proces van het omzetten suiker tot ethanol. Glycolyse vereist een kleine hoeveelheid energie, maar resulteert in een netto winst van energie voor het organisme. Het is een manier waarop een organisme suiker omzet in energie. Aan het einde van de glycolyseweg is een 6-koolstof glucosemolecuul omgezet in twee 3-koolstof pyruvaatmoleculen. Pyruvaat, in afwezigheid van zuurstof, kan vervolgens worden omgezet in lactaat of ethanol, afhankelijk van het organisme.

Fermentatie

Gist en andere micro-organismen kunnen het eindproduct van glycolyse, pyruvaat, omzetten in ethanol een proces in twee stappen. Ten eerste is pyruvaat gedecarboxyleerd; dat wil zeggen, een koolstofdioxidemolecuul van pyruvaat wordt verwijderd, waardoor aceetaldehyde wordt gevormd. Het enzym dat verantwoordelijk is voor deze reactie wordt pyruvaatdecarboxylase genoemd. Acetaldehyde wordt vervolgens omgezet in ethanol door de werking van een ander enzym, alcohol dehydrogenase.

Organismen

Gist en bepaalde soorten bacteriën produceren op natuurlijke wijze ethanol uit glucose, bij afwezigheid van zuurstof. Alcohol producerende bacteriën omvatten stammen van escherichia en salmonella. Veel van deze bacteriën genereren ook aanvullende producten, waaronder andere alcoholen, organische zuren, polyolen en verschillende gassen. Giststammen zoals Saccharomyces cerevisiae produceren ook ethanol uit glucose.

Beperkingen

Gist zet glucose om in ethanol om energie te krijgen. Ethanol is eigenlijk het afvalproduct van de reactie vanuit het oogpunt van het organisme. Op een bepaald punt beïnvloedt de hoeveelheid geproduceerde ethanol door gist de enzymen die nodig zijn voor het proces en wordt uiteindelijk giftig voor de gistcellen zelf. Verschillende giststammen zijn gevoelig bij verschillende concentraties ethanol. Het toxische niveau van ethanol voor biergist is ongeveer 5 of 6 procent ethanol, terwijl ethanol giftig is voor wijngist met een bereik van ongeveer 10 tot 15 procent. Er zijn speciaal gekweekte giststammen die bestand zijn tegen alcoholpercentages tot 21 procent alcohol.

Industriële gisting

Omdat ethanol als mogelijke biobrandstof populair is geworden, worden natuurlijke bronnen van materialen met een hoog glucosegehalte gezocht als uitgangsmaterialen voor industriële fermentatieprocessen ontworpen om grootschalige hoeveelheden ethanol te creëren. Veel van deze uitgangsmaterialen zijn echter te duur om te gebruiken in de meeste landen.

Brazilië heeft echter een brandstof-ethanolprogramma ontwikkeld met suikerriet dat zowel efficiënt als economisch is. In het verleden moest Brazilië zwaar op geïmporteerde olie voor brandstof vertrouwen, wat leidde tot aanzienlijke economische problemen. Vanwege verschillende economische ontwikkelingen heeft Brazilië overmatige suikerrietwinkels gehad. Omdat suikerriet een uitstekende bron van glucose is en goedkoop en in overvloed kan worden geproduceerd, heeft Brazilië het kunnen gebruiken om ethanol op industriële schaal te produceren.

Efficiëntie

Veel verschillende soorten bacteriën en gisten micro-organismen kunnen worden gebruikt voor fermentatie. De specifieke giststam Saccharomyces cerevisiae, ook bekend als bakkersgist, is het meest gebruikte organisme. In theorie zou S. cerevisiae 100 gram glucose kunnen omzetten in 51,4 g ethanol en 48,8 g koolstofdioxide. In de praktijk echter, omdat de gist een deel van die glucose nodig heeft voor groei, is de werkelijke opbrengst veel minder.