cwiczenie3i4.pdf

ĆWICZENIE NR 3 i 4

Otrzymywanie i ocena jakościowa bioetanolu – teoria

OTRZYMYWANIE I OCENA JAKOŚCIOWA BIOETANOLU

Wytwarzanie alkoholu etylowego rolniczego (surówki gorzelniczej)

Jest to jeden z działów przemysłu fermentacyjnego, obejmujący produkcję destylatu

rolniczego (spirytusu surowego, surówki gorzelniczej) poprzez fermentację alkoholową

różnych surowców węglowodanowych i wydzielanie z odfermentowanego zacieru związków

lotnych, w tym głównie etanolu, w procesie odpędu (destylacji).

Do produkcji spirytusu surowego można wykorzystać bardzo różne surowce

pochodzenia roślinnego oraz odpady, szczególnie przemysłu spożywczego. Wyróżnia się

dwie zasadnicze grupy surowców:

 zawierające cukry bezpośrednio fermentujące, głównie sacharozę, glukozę, fruktozę,

 zawierające

różne

polisacharydy,

które

należy

poddać

hydrolizie

cukrów

fermentujących, głównie mono- i dwusacharydów, ulegających fermentacji przy udziale

niektórych rodzajów drożdży i bakterii.

Do pierwszej grupy można zaliczyć: owoce, warzywa, buraki

cukrowe i trzcinę

cukrową, odpady przemysłu spożywczego oraz melasę, a do drugiej różne ziarna zbóż,

ziemniaki, topinambur, cykorię, maniok (kasawę, tapiokę), odpady przemysłowe, a także

surowce i odpady lignino-celulozowe.

W gorzelnictwie ziemniaczanym i zbożowym produkcja spirytusu obejmuje następujące

etapy: parowanie i zacieranie surowca lub rozdrabnianie i bezciśnieniowe, tzw. zimne

zacieranie, fermentację i odpęd.

Parowanie jest przeprowadzane w parnikach pod ciśnieniem około 0,3–0,4 MPa

(temperatura

120–140C,

30–60

min).

celu

rozluźnienie

substancji

międzykomórkowych, rozerwanie błon komórkowych, uwolnienie, skleikowanie i

maksymalne rozpławienie skrobi. Dobre upłynnienie uzyskuje się wtedy, gdy ilość wody jest

co najmniej czterokrotnie większa niż ilość skrobi.

Do upłynnienia zacierów stosuje się preparaty enzymatyczne (głównie -amylazy, EC

3.2.1.1), charakteryzujące się wysokim optimum temperaturowym (85-105C). Ich zadaniem

jest obniżenie lepkości zacierów i ułatwienie scukrzania skrobi. Enzymy z tej grupy

umożliwiają

hydrolizę

wiązań -1,4-glikozydowych

zarówno

amylozie,

jak

Katedra Technologii Fermentacji i Mikrobiologii Technicznej

www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt

ĆWICZENIE NR 3 i 4

Otrzymywanie i ocena jakościowa bioetanolu – teoria

amylopektynie, a nie są aktywne w stosunku do wiązań -1,6-glikozydowych. Działanie -

amylazy w środku łańcucha polimerowego powoduje gwałtowny spadek lepkości zacieru

skrobiowego. Do tej grupy preparatów zaliczyć można THERMAMYL (firmy Novo

Nordisk), AMYLEXHT (Denisco), czy AMYLOGAL CS (Pektopol). Dawki enzymów

upłynniających wahają się od 50 do 250 cm 3 na tonę skrobi.

Do upłynnionych surowców dodaje się preparaty enzymatyczne, których zadaniem jest

scukrzenie skrobi

–

rozkład łańcuchów amylozy, amylopektyny i powstałych podczas

upłynniania dekstryn cukrów fermentujących, głównie glukozy. Preparaty scukrzające

wykazują aktywność glukoamylazy (EC 3.2.1.3), hydrolizują

wiązania -1,4-

oraz w

niewielkim stopniu -1,6-glikozydowe, odrywając pojedyncze cząsteczki glukozy od

nieredukujących

końców

łańcuchów

skrobi,

dekstryn

oligosacharydów.

Preparaty

scukrzające działają optymalnie w temperaturze 55–65C i przy pH 4,0–5,3 i są dodawane do

zacierów w dawkach 450–800 cm 3

na tonę skrobi. Jako przykłady można podać SAN (firmy

Novo Nordisk), DIAZYME®SSF (Denisco), GLUKOPOL P-15 (Pektopol).

Gorzelnie jako alternatywę dla metody ciśnieniowo-termicznej stosują tzw. zimne

zacieranie – bezciśnieniowe uwalnianie skrobi. Różnice polegają przede wszystkim na tym,

że surowiec przed zacieraniem jest dokładnie rozdrabniany (do cząstek nie większych niż 1,7

mm). Dzięki temu zabiegowi woda ma znacznie łatwiejszy dostęp do ziarenek skrobi i proces

może przebiegać w łagodniejszych warunkach (ciśnienie, temperatura). Zimne zacieranie

przebiega zazwyczaj w temperaturze 65–85ºC przez około 60 min. Wykorzystuje się

preparaty enzymatyczne charakteryzujące się kompleksowym działaniem na skrobię oraz

struktury międzykomórkowe surowca gorzelniczego. Wykazują one, oprócz aktywności - i

glukoamylazy, również właściwości -glukanaz i ksylanaz, celulaz, proteaz, fosfataz i innych.

Ich zastosowanie gwarantuje pełne scukrzenie zacierów oraz pozwala zwiększyć wydajność

etanolu. Proces zimnego zacierania wymaga mniejszych, niż w technologii klasycznej,

nakładów energii cieplnej i wody, ale konieczne jest rozdrabnianie surowca (większe zużycie

energii elektrycznej). W sumie jednak obserwuje się niższe zapotrzebowanie energetyczne.

Po procesie scukrzania przeprowadza się fermentację zacieru słodkiego przy

wykorzystaniu

specjalnych

ras

drożdży

górnej

fermentacji

należących

gatunku

Saccharomyces cerevisiae . Właściwe rasy drożdży gorzelniczych powinny szybko

odfermentować cukry występujące w zacierze. Obecnie gorzelnie stosują najczęściej drożdże

Katedra Technologii Fermentacji i Mikrobiologii Technicznej

www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt

ĆWICZENIE NR 3 i 4

Otrzymywanie i ocena jakościowa bioetanolu – teoria

w formie suszonej lub liofilizowanej, np. Safdistil C-70, Ethanol Red™ (firmy Lesaffre), czy

też 4347 Eau de Vie™ (firmy Wyeast Laboratories, Inc.) w ilości około 0,5 g na dm 3

brzeczki.

Proces fermentacji (temperatura 25–38C, 2–3 doby) obejmuje glikolizę (cykl EMP)

prowadzącą do powstania z cukrów kwasu pirogronowego, a następnie, w wyniku

nieoksydacyjnej dekarboksylacji, pirogronian rozkłada się do aldehydu octowego i dalej do

etanolu pod wpływem współdziałającej z NAD dehydrogenazy alkoholowej, wg schematu

przedstawionego na rysunku 1.

W fazie zafermentowania następuje intensywne rozmnażanie drożdży, które ulega

osłabieniu w miarę zmniejszania się zawartości tlenu i wzrostu stężenia alkoholu etylowego.

W tym czasie zacier jest najbardziej narażony na zakażenia mikrobiologiczne. Okres

fermentacji głównej charakteryzuje szybki spadek gęstości zacieru, wzrost stężenia alkoholu i

temperatury, która obniża się w końcowym etapie tego procesu.

Powstały alkohol i inne związki hamują fermentację. Tolerancja drożdży na etanol

zależy głównie od ich

rasy (uwarunkowania genetyczne), składu lipidowego ściany

komórkowej, obecności związków ochronnych (protektorów) oraz pH, temperatury i innych

czynników. Dlatego w praktyce gorzelniczej końcowe stężenie etanolu wynosi zwykle od 8–

12% obj., zależnie od początkowego stężenia ekstraktu w zacierze.

Do kontroli przebiegu fermentacji można wykorzystać pomiar stopnia odfermentowania

rzeczywistego (zawartość ekstraktu po oddzieleniu związków lotnych) i pozornego (stężenie

ekstraktu oznaczone w obecności komponentów lotnych). Szybsze i wygodniejsze jest

oznaczenie stopnia odfermentowania pozornego. Wyróżnik ten zależy głównie od rodzaju

użytego surowca i współczynnika czystości zacieru (stosunek cukrów ulegających fermentacji

do ogólnej zawartości suchej substancji, wyrażany w gramach). Dla wybranych zacierów

odfermentowanie pozorne kształtuje się w następujących granicach [Blg]:

 ziemniaczany

0,5–1,4,

 żytni

0,9–1,3,

 pszeniczny

0,5–1,1,

 jęczmienny

1,2–1,5,

 kukurydziany

0,0–0,6,

 buraczany

1,0–1,2,

 melasowy

5,0–7,5.

Katedra Technologii Fermentacji i Mikrobiologii Technicznej

www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt

ĆWICZENIE NR 3 i 4

Otrzymywanie i ocena jakościowa bioetanolu – teoria

glukoza

glukozo-6-fosforan

fruktozo-6-fosforan

fruktozo-1-6-dwufosforan

aldehyd 3-fosfoglicerynowy

fosfodwuhydroksyaceton

kwas-1,3-dwufosfoglicerynowy

fosforan glicerolu

kwas-3-fosfoglicerynowy

gliceryna

kwas-2-fosfoglicerynowy

kwas fosfoenolopirogronowy

kwas pirogronowy

aldehyd octowy

ALKOHOL ETYLOWY

Rys. 1. Schemat cyklu EMP – przemian glukozy do alkoholu etylowego i gliceryny

Katedra Technologii Fermentacji i Mikrobiologii Technicznej

www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt

ĆWICZENIE NR 3 i 4

Otrzymywanie i ocena jakościowa bioetanolu – teoria

Wydajność teoretyczna etanolu

Powstawanie alkoholu etylowego z polisacharydów można opisać równaniem:

(C 6 H 10 O 5 ) n + n H 2 O = 2n C 2 H 5 OH + 2n CO 2

Teoretyczna wydajność etanolu zależy od rodzaj cukru poddanego fermentacji:

56,82 kg = 71,54 dm 3 ,

100 kg skrobi

53,83 kg = 67,77 dm 3 ,

100 kg maltozy, sacharozy

51,14 kg = 64,39 dm 3 .

100 kg glukozy

Wydajność praktyczna

Wydajność praktyczna jest funkcją wielu czynników i kształtuje się w granicach 85–

92% wydajności teoretycznej (średnio 88%). Praktyczną wydajność etanolu w gorzelniach

rolniczych z wybranych surowców przedstawia tabela 1.

Tabela 1. Wydajność praktyczna etanolu z wybranych surowców

Wydajność spirytusu

100 [dm 3 · 100 kg -1 ]

Wyszczególnienie

Buraki cukrowe

7,0–9,0

Melasa

do 35,0

Jabłka

3,5–6,0

Wytłoki jabłkowe

4,0–7,0

Śliwki

4,5–8,0

Kukurydza

36,0–40,0

Owies

ok. 24,0

Pszenica

35,0–39,0

Pszenżyto

33,0–37

Ryż

35,0– 5,0

Żyto

31,0–37,0

Ziemniaki

8,0–12,0

Zakażenia mikrobiologiczne w gorzelnictwie

Największe zagrożenie w gorzelnictwie wywołują hetorofermentatywne bakterie kwasu

mlekowego, które rozwijając się w zacierze, przetwarzają cukier na kwas, głównie mlekowy,

który spowalnia scukrzanie. Możliwy jest również rozwój przetrwalnikujących bakterii kwasu

masłowego. Powstały w wyniku ich metabolizmu kwas masłowy wpływa ujemnie na

właściwości sensoryczne surówki. W warunkach gorzelniczych bardzo słabo rozwijają się

Katedra Technologii Fermentacji i Mikrobiologii Technicznej

www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: