Рождение вина: стехиометрия




Скачать 91.49 Kb.
НазваниеРождение вина: стехиометрия
Дата публикации29.07.2013
Размер91.49 Kb.
ТипДокументы
lit-yaz.ru > Математика > Документы
РОЖДЕНИЕ ВИНА: СТЕХИОМЕТРИЯ.
В.С.Разуваев, кандидат технических наук,

ЧП «Маркетинговая фирма РВС», г. Ялта

Тел. +38 0654 396380, +38-096 4847254

E-mail: vrasouvaev@rambler.ru
Виноградное сусло – уникальная природная среда для проведения различного рода исследований. У него постоянное значение pH, средняя концентрация глюкозы (сахаров) равна 180 г/дм3 , что позволяет его рассматривать как её молярный раствор.

Баланс процесса спиртового брожения наиболее близкий к действительности впервые дал Луи Пастер (1). В пересчёте на 1 г-моль глюкозы (180 г) он выглядит следующим образом, в г:

Спирт 87,48

Диоксид углерода 84,24

Глицерин 5,76

Янтарная кислота 0,36

Сухие дрожжи 2,16 (8,64 – прессованные дрожжи 75% влажности)

^ ИТОГО: 180,00
Работами В.Гваладзе (2) и Л.Женевуа (3) установлен баланс между глицерином и остальными продуктами спиртового брожения, согласно которому в единице объёма бродящей среды количество молей глицерина равно или превышает сумму удвоенного количества молей уксусной кислоты, пятикратного количества молей янтарной кислоты, удвоенного количества молей ацетоина, а также молей 2-3 бутиленгликоля (бутандиола) и ацетальдегида.

Опыты Ж.. Риберо-Гайона и Е. Пейно (4) по сбраживанию виноградного сока различными расами дрожжей, дали средние результаты, подтверждающие отмеченное соотношение. В пересчёте с молярных концентраций на массовые можно получить эталонные данные по выходу вторичных продуктов при нормальном прохождении спиртового брожения, г/дм3: глицерин – 5,9; уксусная кислота – 0,5; янтарная кислота – 0,8; ацетоин – 0,1; бутандиол – 0,4; ацетальдегид – 0,1.

Общий выход вторичных продуктов (7,8 г/дм3) практически совпадает с выходом дрожжей с 25% сухих веществ (прессованная биомасса)

Поскольку процесс образования вторичных продуктов брожения тесно связан с размножением дрожжевых клеток, можно допустить существование прямой корреляционной зависимости между приростом биомассы (ΔX) и образованием вторичных продуктов брожения с коэффициентом их выхода (относительно биомассы) равном единице (Квт=1). Тогда доля глицерина в общем выходе вторичных продуктов составит 0,76; уксусной кислоты – 0,06; янтарной кислоты – 0,11; ацетоина и ацетальдегида – по 0,01; бутандиола – 0,05.

С учётом вышеизложенного, а также работ Ерошина (5), Минкевича (6), В.Н.Иванова и Е.В.Стабниковой (7) по культивированию микроорганизмов известное уравнение спиртового брожения, открытое Гей-Люссаком

С6H12O6 = 2C2 H6O + 2CO2

может быть дополнено и уточнено.

В общем виде получим следующее соотношение:

С6H12O6 + X1NH3 + X2O2 = X3CH1,77O0,49N0,16 + X4C2H6O + X5C3H8O3 + X6C4H6O4 + X7C2H4O2 + X8C4H10O2 + X9C4H8O2 + X10C2H4O + X11CO2 + X12H2O (1)

При сбраживании виноградного сусла рост микроорганизмов обычно не лимитирован ни сахарами, ни азотом, ни кислородом, поэтому выход дрожжей можно принять теоретически достижимым по глюкозе, то есть при допустимом законом сохранения энергии предельном выходе биомассы при росте на глюкозе 0,8 и максимально возможном значении энергетической эффективности роста от предельного значения выхода 0,66 с каждого грамма потреблённой дрожжами на рост глюкозы (ΔSμ) можно получить 0,8 * 0,66 = 0,528 г Абсолютно Сухой Биомассы (АСБ) или 2,112 г прессованной. Следовательно, с ΔSμ г глюкозы можно получить прирост ΔΧ/0,528ΔSμ граммов АСБ (100% сухих веществ), а коэффициент расхода глюкозы на рост биомассы (вх) в пересчёте на прессованные дрожжи получается равным 0,473.

Выразим выход биомассы и продуктов брожения с одного грамма глюкозы:

Выход биомассы:

0,528ΔSμ ΔX

Yμ = ------------- = -------, г АСБ /г глюкозы

  1. 180

Выход этанола:

92(180 – ΔSμ - Квт ΔSμ)

YР = -------------------------------, г этанола/г глюкозы

180*180

Выход глицерина:

0,76КвтΔX 0,4КвтΔSμ

YГ = ----------------- = -------------, г глицерина/г глюкозы

  1. 180

Выход янтарной кислоты:

0,11КвтΔX 0,058КвтΔSμ

YЯН = ------------- = ------------, г янтарной кислоты/г глюкозы

  1. 180

Выход уксусной кислоты:

0,06КвтΔX 0,032КвтΔSμ

YУК = -------------- = ----------------, г уксусной кислоты/г глюкозы

  1. 180

Выход бутандиола:

0,05 КвтΔX 0,026 КвтΔSμ

YБ = --------------- = -----------------, г бутандиола/г глюкозы

  1. 180

Выход ацетоина:

0,01 КвтΔX 0,053 КвтΔSμ

YАЦ = --------------- = -----------------, г ацетоина/г глюкозы

  1. 180


Выход ацетальдегида (уксусного альдегида):
0,01 КвтΔX 0,053 КвтΔSμ

YУА = --------------- = -----------------, г ацетальдегида/г глюкозы

  1. 180



На основании этих выходов выразим коэффициенты X3 – X10 уравнения (1):

X3 = 180*0,528*ΔSμ/24,28*180 = 0,0217ΔSμ;

X4 = 180*92*(180 – ΔSμ - Квт ΔSμ)/46*180 = 0,01111(180 – ΔSμ - КвтΔSμ);

X5 = 180*0,4КвтΔSμ/92*180 = 0,00435КвтΔSμ;

X6 = 180*0,058КвтΔSμ/118*180 = 0,00049КвтΔSμ;

X7 = 180*0,032КвтΔSμ/60*180 = 0,00053КвтΔSμ;

X8 = 180*0,026КвтΔSμ/90*180 = 0,00029КвтΔSμ;

X9 = 180*0,053КвтΔSμ/88*180 = 0,0006КвтΔSμ;

X10 = 180*0,053КвтΔSμ/44*180 = 0,0012КвтΔSμ.

Остальные коэффициенты уравнения (1) находим путём решения системы уравнений балансов по азоту (X1), кислороду (X2), углероду (X11) и водороду (X12):

X1 = 0,00348ΔSμ; X2 = 0,0099ΔSμ + 0,00873КвтΔSμ; X11 = 2 + 0,00047ΔSμ +

+ 0,00119КвтΔSμ; X12 = 0,01931ΔSμ + 0,00715КвтΔSμ.
^ Баланс по азоту:

X1 = 0,16*0,02175ΔSμ = 0,00348ΔSμ

Баланс по кислороду:

6 + 2X2 = 0,49*0,02175ΔSМ + 0,01111(180 – ΔSμ - КвтΔSμ) + 3*0,00435КвтΔSμ +

+ 4*0,00049КвтΔSμ + 2*0,00053КвтΔSμ + 2*0,00029КвтΔSμ + 2*0,0006КвтΔSμ + 1*0,0012КвтΔSμ + 4 + 0,00094ΔSμ + 0,00238КвтΔSμ + 0,01931ΔSμ + 0,00715КвтΔSμ

^ Баланс по углероду:

6 = 0,02175ΔSμ + 2*0,01111(180 – ΔSμ - КвтΔSμ) + 3*0,00435КвтΔSμ + 4*0,00049КвтΔSμ +

+ 2*0,00053КвтΔSμ + 4*0,00029КвтΔSμ + 4*0,0006КвтΔSμ + 2*0,0012КвтΔSμ + X11

^ Баланс по водороду:

12 + 0,01044ΔSμ = 1,77*0,02175ΔSμ + 6*0,01111(180 – ΔSμ - КвтΔSμ) + 8*0,00435КвтΔSμ +

6*0,00049КвтΔSμ + 4*0,00053КвтΔSμ + 10*0,00029КвтΔSμ + 8*0,0006КвтΔSμ +

+ 4*0,0012КвтΔSμ + 2X12
Поскольку величину ΔSμ (расход глюкозы на биосинтез биомассы) практически определить невозможно, заменим её на легко измеряемую величину прироста биомассы дрожжей:
ΔX (Абсолютно Сухой Биомассы) ΔX ( c 25% Сухих Веществ)

ΔSμ = ----------------------------------------------- = -------------------------------------

0,528 2,212
После подстановки в уравнение (1) и преобразований получаем основное выражение, отражающее процесс спиртового брожения виноградного сусла:
C6H12O6 + 0,00165ΔXNH3 + (0,00469ΔX + 0,00413КвтΔX)O2 = 0,0103ΔXCH1,77O0,49N0,16 + + [2 - 0,00526ΔX(1 + Квт)]C2H6O + 0,00206КвтΔXC3H8O3 + 0,00023КвтΔXC4H6O4 +

+ 0,00025КвтΔXC2H4O2 + 0,00014КвтΔXC4H10O2 + 0,00028Квт ΔXC4H8O2 +

+ 0,00057КвтΔXC2H4O + (2 + 0,00022ΔX + 0,00056КвтΔX)CO2 + (0,00914ΔX +

+ 0,00338КвтΔX)H2O (2)

Сделав допущение, что суммарный выход вторичных продуктов практически совпадает с выходом прессованных дрожжей, то есть Квт = 1, вместо (2) получаем упрощенное уравнение спиртового брожения, имеющее место при рождении вина:
C6H12O6 + 0,00165ΔXNH3 + 0,00882ΔXO2 = 0,0103ΔXCH1,77O0,49N0,16 +

+ (2 - 0,01052ΔX)C2H6O + 0,00206ΔXC3H8O3 + 0,00023ΔXC4H6O4 +

+ 0,00025ΔXC2H4O2 + 0,00014ΔXC4H10O2 + 0,00028ΔXC4H8O2 + 0,00057ΔXC2H4O +

(2+ 0,00078ΔX)CO2 + 0,01252ΔXH2O (3)
По уравнению (3) можно рассчитать потребность дрожжей в азоте (ах) и кислороде (mx):

0,00165*17*14

ах = ------------------------- = 0,023 г азота/г прессованных дрожжей;

0,0103*24,28*17*4


0,00882*32

mx = -------------------- = 0,28 г кислорода/г прессованных дрожжей.

0,0103*24,28*4

Выход диоксида углерода (K), образующегося в процессе роста единицы биомассы дрожжей, определим из стехиометрического уравнения полного окисления глюкозы до CO2 и H2O аналогично произведенным выше расчётам:

С6H12O6 + X1NH3 + X2O2 = X3CH1,77O0,49N0,16 + X4CO2 + X5H2O (4)

После вычисления коэффициентов уравнение (4) принимает следующий вид:

С6H12O6 + 0,6256NH3 + 3,5779O2 = 3,91CH1,77O0,49N0,16 + 2,09CO2 + 7,18H2O (5)

Откуда искомая характеристика будет определена как:
K = 2,09*44/3,91*24,28*4 = 0,24175ΔX/ΔS (6)

Из соотношения (5) вычислим потребность дрожжей на синтез биомассы в азоте:

0,6256*14

ах = ---------------- = 0,023 г азота/г дрожжей (25% сухих веществ).

3,91*24,28*4

Как следует из расчёта, она оказывается такой же, как и при неполном окислении глюкозы, то есть при брожении.

Потребность дрожжей на синтез единицы биомассы в кислороде также близка к рассчитанной из уравнения брожения:

3,5779*32

mx = ----------------- = 0,3 г кислорода/ г дрожжей (25% сухих веществ).

3,91*24,28*4
На основании полученного стехиометрического уравнения (3) и табличных значений энтальпий по методу материально-энергетического баланса (7) произведём расчёт теплового эффекта (Q) от сбраживания 1 г-моля глюкозы в виноградном сусле при среднем приросте биомассы прессованных дрожжей 8,6 г/дм3.

Q = (6*4 +12 –12)27,954 – (1*4 + 1,77 – 2*0,49 – 3*0,16)0,0103*8,6*27 –

- (2*4 + 6 – 2)(2 – 0,01052*8,6)26,817 – (3*4 + 8 – 3*2)0,00206*8,6*28,2 –

- (4*4 + 6 – 4*2)0,00023*8,6*25,6 – (2*4 + 4 – 2*2)0,00025*8,6*26,1 –

- (4*4 + 10 – 2*2)0,00014*8,6*27,6 – (4*4 + 8 – 2*2)0,00028*8,6*27,6 –

- (2*4 + 4 – 2*1)0,00057*8,6*27,3 – 0 – 0 = 34,545 ккал/моль или 144,4 кдж/моль.

То есть тепловой эффект брожения оказался весьма близким к экспериментально полученным значениям Ж.. Риберо-Гайоном - 33ккал/моль (8). В справочной же и другой научно-технической литературе приводятся данные, отличающиеся от расчётной величины как в большую, так и в меньшую сторону (9). Объясняется это различными условиями брожения и, следовательно, различным приростом биомассы, а значит, и образованием вторичных продуктов брожения; возможно, и несовершенством использованных методов расчёта. Как известно, метод материально-энергетического баланса даёт наилучшие результаты (7).

Из анализа уравнения (3) следует, что при увеличении (уменьшении) прироста биомаcсы на 1 г/дм3 тепловой эффект увеличивается (уменьшается) на 3,5 кдж/моль. При отсутствии же прироста биомассы (ΔX = 0) он равен 114 кдж/моль.

Во время брожения диоксид углерода выделяется из дрожжевой клетки в жидком виде, то есть проходит стадию угольной кислоты с поглощением части тепла, прежде чем превратиться в газ и выделиться из вина:

(HCO3)- + H+ = CO2 + H2O

С учётом поправки на энтальпию CO2, как вещества химического базиса, величина теплового эффекта будет ещё меньше:

Q = 114 – 2*4,18(165,4 – 94 – 68,3) = 88 кдж/моль,

где, 165,4, 94 и 68,3 – энтальпия (HCO3)- , газообразного CO2 и воды соответственно.

Исходя из вышеизложенного, получаем математическое выражение, охватывающее и объясняющее накопленные исследователями данные по тепловому эффекту при спиртовом брожении:

Q = 88 + 3,5ΔX (7)

Это выражение позволяет определить выход теплоты при брожении в расчёте на грамм потреблённой глюкозы (ΔS):

CSX = 0,489 + 3,5ΔX/ΔS (8)
Аналогичным образом находится выражение для определения выхода диоксида углерода (в г) при сбраживании грамма глюкозы:
K = 0,48889 – 0,2085ΔX/ΔS (9)
Общий выход диоксида углерода, образующегося при сбраживании сахаров и росте биомассы, определится из соотношения:
K + K = 0,48889 – 0,2085ΔX/ΔS + 0,24175ΔX/ΔS = 0,48889 + 0,033ΔX/ΔS (10)

Также рассчитаем и выход этанола (в г) при сбраживании грамма глюкозы:
K = 0,5111111 – 0,4845ΔX/ΔS (11)

Последнее уравнение наглядно отображает известный факт постепенного увеличения выхода спирта при брожении. В начале процесса в период интенсивного размножения дрожжей соотношение ΔX/ΔS растёт (выход спирта минимальный), а затем по мере снижения прироста биомассы и увеличения количество сброженных сахаров – падает (максимальный выход этанола в конце брожения).

Выполненные теоретические исследования привели к уточнению и существенному дополнению известного уравнения спиртового брожения Гей-Люссака, - по сути к созданию стехиометрического уравнения основного процесса виноделия, которое может быть использовано для биоинженерных расчётов при разработке новых способов осуществления биотехнологических процессов и их аппаратурного обеспечения.
Литература:

1. Pasteur L.C. r. Academy Science, 1858, t. 46, p. 857.

2. Гваладзе В.З. Корреляция между продуктами алкогольного брожения. Тбилиси, 1936.

3. Genevois L. Bulletin Societe Chemistry Biology, 1936, v.18, p.295.

4. Риберо-Гайон Ж., Пейно Э., Виноделие, М, Пищевая промышленность, 1971, 416 с.

5. Ерошин В.К. Основы материально-энергетического баланса роста микроорганизмов. В сб. «Лимитирование и ингибирование микробиологических процессов». Пущино, АН СССР, 1980, стр. 34-55.

6. Минкевич И.Г. Физико-химические основы материально-энергетического баланса клеточного метаболизма. В сб. «Лимитирование и ингибирование микробиологических процессов». Пущино, АН СССР, 1980, стр. 55-91

7. Иванов В.Н., Стабникова Е.В. Стехиометрия и энергетика микробиологических процессов. Киев, «Наукова Думка», 1987, 152 с.

8. Риберо-Гайон Ж., Пейно Э., Риберо-Гайон П., Сюдро П. Теория и практика виноделия. Том 3. Способы производства вин. Превращения в винах. М, Пищевая промышленность, 1980, 480 с.

9. Справочник по виноделию. Под редакцией Малтабара В.М. и Шприцмана Э.М., М, Пищевая промышленность, 1973, 408 с.

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Рождение вина: стехиометрия iconРождение психоаналитика
Ш 51 Рождение психоаналитика. От Месмера до Фрейда: Пер с франц./ Вступ ст. Н. С. Автономо-вой— М.: Прогресс, 1991.—288с

Рождение вина: стехиометрия iconУроков, звонков расписание готово
Ведущий 2: Сегодня у нас есть именники, у них день рождения. Это рождение новых учеников, рождение нового класса. И эти именники...

Рождение вина: стехиометрия iconРождение философии из духа романтизма (парадоксы русского шеллингианства)
Такое философское рождение или пробуждение, это распадение «внутреннего стремления» со «внешней действительностью», переживало русское...

Рождение вина: стехиометрия iconВилейанур С. Р21 Рождение разума. Загадки нашего сознания
Р21 Рождение разума. Загадки нашего сознания. — М.: Зао «Олимп—Бизнес», 2006. — 224 с: ил

Рождение вина: стехиометрия iconАлександр Нилов Цеховики. Рождение теневой экономики. Записки подпольного миллионера
«Цеховики. Рождение теневой экономики. Записки подпольного миллионера»: Вектор; Санкт-Петербург; 2006

Рождение вина: стехиометрия iconСвердлов Стюарт Голубая кровь, правильная кровь: конфликт и Творение
Фактически, некоторые из пришельцев даже не являлись гуманоидами. Его рождение было даже более необычным. Доктора сообщили его матери,...

Рождение вина: стехиометрия iconАлександр Куприн Колесо времени
Гарсон! Литр белого вина. И оросите его гренадином. Оно спокойнее, если с запасом

Рождение вина: стехиометрия iconОдесса – дополнительные услуги (2012 год)
От 600,00 руб на ч-ка, в зависимости от класса дегустируемого вина (цена не включает транспортное обслуживание)

Рождение вина: стехиометрия iconСавельев А. Н. Как убивали СССР. Кто стал миллиардером. Роковые 90-е,...
Роковые 90-е, разрушение Советского Союза, рождение олигархии. (Серия "Сверхдержава") М.: Книжный Мир, 2012. 352 стр

Рождение вина: стехиометрия iconСовести в романе М. А. Булгакова «Мастер и Маргарита»
«Вина – совесть – искупление – прощение», отражающей взгляды автора на закономерность взаимовлияния искупления и прощения для героев...



Образовательный материал



При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
lit-yaz.ru
главная страница