Zagospodarowanie odpadowych tłuszczów zwierzęcych metodami enzymatycznymi.pdf

N auka P rzyroda T echnologie

2009

Tom 3

Zeszyt 4

ISSN 1897-7820 http://www.npt.up-poznan.net

Dział: Nauki o Żywności i Żywieniu

Z BYSZKO L UBIEWSKI , A NNA G ANDECKA , K RZYSZTOF M IKOŁAJCZAK ,

G RAŻYNA L EWANDOWICZ

Katedra Biotechnologii i Mikrobiologii Żywności

Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu

ZAGOSPODAROWANIE ODPADOWYCH TŁUSZCZÓW

ZWIERZĘCYCH METODAMI ENZYMATYCZNYMI

Streszczenie. Celem pracy była optymalizacja oczyszczania odpadowych tłuszczów zwierzęcych

z użyciem metod enzymatycznych w celu ich przystosowania do produkcji paliwa używanego

w silnikach wysokoprężnych. Materiał badawczy stanowiły odpadowe tłuszcze zwierzęce – sadło

wieprzowe oraz łój wołowy. W planowaniu optymalizacji zastosowano centralny plan kompozy-

cyjny wykorzystujący współczynnik alfa ortogonalności. Do wszystkich eksperymentów użyto

enzymu proteolitycznego Alcalase 2,4L. Badano wpływ trzech wielkości wejściowych: czasu

reakcji, wytrząsania oraz dawki enzymu. Proces optymalizowano w kierunku maksymalizacji

ilości uzyskiwanego tłuszczu. Wykazano, iż w przypadku obu substratów zastosowany model

doświadczalny okazał się odpowiedni i pozwalał na osiągnięcie wysokiej wydajności reakcji,

rzędu 95-100%. Na tej podstawie można wnioskować, iż hydroliza enzymatyczna za pomocą

proteolitycznego preparatu enzymatycznego Alcalase 2,4L jest efektywną metodą przygotowania

odpadowych tłuszczów zwierzęcych do procesu transestryfikacji, będącego głównym etapem

produkcji biodiesla.

Słowa kluczowe: łój, sadło, tłuszcze odpadowe, biodiesel

Wstęp

Obecnie, w dobie coraz większej popularności diet niskotłuszczowych i propagowa-

nia zasad zdrowego żywienia, zmierza się do zminimalizowania wykorzystania tłusz-

czów zwierzęcych w przemyśle spożywczym. Również przykłada się coraz większą

wagę do jakości wykorzystywanych tłuszczów, a nasycone tłuszcze zwierzęce, takie jak

łój wołowy i sadło wieprzowe, są używane niechętnie. Dużą część odpadowych tłusz-

czów zwierzęcych lub tłuszczów niewykorzystanych w przemyśle spożywczym przej-

muje przemysł chemiczny, m.in. do produkcji mydła ( DA C UNHA i IN . 2009), część

wykorzystywana jest w żywieniu zwierząt (P IKUL 1996), jednak możliwości przetwórcze

Lubiewski Z., Gandecka A., Mikołajczak K., Lewandowicz G., 2009. Zagospodarowanie odpadowych tłuszczów

zwierzęcych metodami enzymatycznymi. Nauka Przyr. Technol. 3, 4, #121.

tych gałęzi przemysłu są ograniczone i istotnym problemem staje się znalezienie stałe-

go, pewnego odbiorcy tego typu produktów. Rozwiązaniem może być rosnące zaintere-

sowanie wytwarzaniem biopaliw z surowców odnawialnych, a w szczególności produk-

cją biodiesla – estrów alkilowych kwasów tłuszczowych (V ASUDEVAN i B RIGGS 2008).

Do produkcji tego rodzaju biopaliwa można z powodzeniem wykorzystać odpadowe

tłuszcze zwierzęce, takie jak łój wołowy oraz sadło wieprzowe (Ö NER i A LTUN 2009).

Biodiesel używany jako biopaliwo w silnikach wysokoprężnych ma wiele zalet, do

których należy zaliczyć przede wszystkim jego odnawialność, biodegradowalność, nie

wymaga również specjalnego przystosowywania silników, a jego spalanie, zarówno

w czystej formie, jak i jako dodatku do ropy naftowej, powoduje znaczne zmniejszenie

emisji dwutlenku węgla do atmosfery (H SU i IN . 2004, D EMIRBAS 2009). Produkcja

biodiesla wymaga jednak dostarczenia surowca tłuszczowego stosunkowo czystego,

niezawierającego wody, białka ani wolnych kwasów tłuszczowych, stąd konieczna jest

jego wstępna obróbka (D IAZ -F ELIX i IN . 2009).

Celem pracy była optymalizacja oczyszczania tłuszczów zwierzęcych (łoju wołowe-

go oraz sadła wieprzowego) metodami enzymatycznymi w celu uzyskania surowca

odpowiedniego do produkcji biodiesla.

Materiał i metody

Materiał badawczy pochodzenia zwierzęcego – łój i sadło – został dostarczony przez

Zakłady Mięsne Andrzej Bystry w Swarzędzu. Oba surowce poddano ujednoliceniu

przez zmielenie w młynie koloidalnym KM100 (Młynkol).

Zastosowany enzym proteolityczny – Alcalase 2,4L – otrzymano dzięki uprzejmości

firmy Novozymes.

Zawartość białka we wszystkich badanych próbach oznaczono metodą Kjeldahla

zgodnie z normą PN-A-04018:1975/Az3:2002.

Zawartości wody oznaczono zgodnie z normą PN-ISO 1442:2000.

Zawartości tłuszczu oznaczono zgodnie z normą PN-ISO 1444:2000.

Zawartość popiołu oznaczono zgodnie z normą PN-ISO 936:2000.

Liczbę kwasową oznaczono zgodnie z normą PN-EN ISO 660:2005.

Lepkość badanych substratów zmierzono aparatem RheoStress I z użyciem sensora

typu płytka/płytka.

Do wykonania planu eksperymentu i statystycznej obróbki wyników wykorzystano

program Statistica (Statsoft).

W planowaniu eksperymentu użyto centralnego planu kompozycyjnego z wykorzy-

staniem współczynnika alfa ortogonalności. Badano wpływ trzech zmiennych zależ-

nych: czasu oczyszczania, szybkości wytrząsania oraz dawki enzymu proteolitycznego.

Wartości graniczne wielkości wejściowych ustalono na następującym poziomie:

– czas: 2-12 h,

– wytrząsanie: 100-350 rpm,

– dawka enzymu: 0,0096-0,036 AU/g białka.

Lubiewski Z., Gandecka A., Mikołajczak K., Lewandowicz G., 2009. Zagospodarowanie odpadowych tłuszczów

zwierzęcych metodami enzymatycznymi. Nauka Przyr. Technol. 3, 4, #121.

Badaną wartością wyjściową (zmienną niezależną) była efektywność reakcji, defi-

niowana jako procent odzyskanego tłuszczu, czyli masa tłuszczu uzyskanego po obrób-

ce podzielona przez masę tłuszczu zawartego w próbce surowca przed obróbką.

Wszystkie eksperymenty optymalizacyjne prowadzono w temperaturze 60°C, enzym

podawano stukrotnie rozcieńczony w 10 milimolowym buforze fosforanowym o pH 8.

Po zakończeniu eksperymentów pozostawiano próbę w temperaturze 60°C do utworze-

nia wyraźnych warstw, następnie w drodze dekantacji oddzielano powstałą warstwę

tłuszczową.

Wyniki i dyskusja

Badane surowce tłuszczowe poddawano wstępnemu ujednoliceniu w młynie kolo-

idalnym a następnie analizowano ich właściwości fizykochemiczne. Badanie składu

tłuszczów (tab. 1) wykazało, że zarówno łój, jak i sadło zawierają zbyt dużo wody oraz

białka, aby mogły być bez dalszej obróbki wykorzystywane do produkcji biodiesla

obecnie stosowanymi metodami przemysłowymi (w drodze transestryfikacji alkalicznej).

Tabela 1. Skład badanych surowców tłuszczowych (%)

Table 1. Composition of the investigated raw materials (%)

Substrat

Zawartość tłuszczu

Zawartość wody

Zawartość białka

Łój

92,16±0,77

6,56±0,50

1,29±0,33

Sadło

92,58±0,13

5,15±0,21

2,27±0,10

Przedstawione w tabeli wyniki wskazują, iż oba badane tłuszcze wymagają obróbki

wstępnej w celu umożliwienia ich wykorzystania w reakcji transestryfikacji. W celu

przybliżonego określenia warunków tego procesu przeprowadzono badania wstępne.

Pozwoliły one na wytypowanie enzymu proteolitycznego Alcalase 2,4L jako efektyw-

nego katalizatora procesu obróbki wstępnej. Określono też warunki brzegowe procesu,

takie jak szybkość wytrząsania, czas reakcji oraz dawka enzymu, oraz stworzono plan

eksperymentu, który na podstawie centralnego planu kompozycyjnego z wykorzysta-

niem współczynnika alfa ortogonalności umożliwiał zbadanie wpływu trzech wyżej

wymienionych zmiennych zależnych. Dla każdego z badanych substratów przeprowa-

dzono 16 eksperymentów optymalizacyjnych, które pozwoliły na określenie wpływu

każdego z badanych czynników na efektywność reakcji wyrażoną jako procent odzy-

skanego tłuszczu.

W przypadku obu badanych substratów wszystkie analizowane zmienne wywierały

statystycznie istotny wpływ na efektywność reakcji (rys. 1, 2). Jak widać na przedsta-

wionych wykresach pareto, w przypadku łoju największy wpływ na efektywność reakcji

miało wytrząsanie, mniejszy efekt wywierały zaś dawka enzymu oraz czas reakcji.

W przypadku sadła najbardziej na ilość odzyskanego tłuszczu wpływał połączony efekt

wytrząsania oraz czasu reakcji.

Lubiewski Z., Gandecka A., Mikołajczak K., Lewandowicz G., 2009. Zagospodarowanie odpadowych tłuszczów

zwierzęcych metodami enzymatycznymi. Nauka Przyr. Technol. 3, 4, #121.

(2) Wytrząsanie (L)

6,196016

Wytrząsanie (Q)

4,353298

(3) Dawka (L)

3,484196

(1) Czas (L)

–2,95381

1Lwz.3L

2,030209

p = 0,05

Wartość bezwzględna standaryzowanej oceny efektu

Rys. 1. Wykres pareto oceny efektów – łój

Fig. 1. Pareto chart of standardized effects – beef tallow

1Lwz.2L

4,83222

Czas (Q)

–4,4516

(2) Wytrząsanie (L)

3,510346

Dawka (Q)

–3,26384

(3) Dawka (L)

2,113571

(1) Czas (L)

–1,08875

p = 0,05

Wartość bezwzględna standaryzowanej oceny efektu

Rys. 2. Wykres pareto oceny efektów – sadło

Fig. 2. Pareto chart of standardized effects – pig fat

Dokładne wykreślenie warstw użyteczności (rys. 3, 4) pokazało, iż w przypadku łoju

największą wydajność reakcji można uzyskać, stosując największe badane dawki enzy-

mu, przy maksymalnym wytrząsaniu i najdłuższym czasie reakcji. Również w przypad-

ku sadła wskazane jest maksymalne wytrząsanie, jednak zastosowanie maksymalnej

dawki enzymu i maksymalnego czasu reakcji wpłynie już na nieznaczne pogorszenie

efektywności reakcji oczyszczania.

Dzięki zastosowanemu modelowi doświadczenia możliwe było wyznaczenie opty-

malnych warunków reakcji, które w przypadku łoju przedstawiały się następująco: czas

Lubiewski Z., Gandecka A., Mikołajczak K., Lewandowicz G., 2009. Zagospodarowanie odpadowych tłuszczów

zwierzęcych metodami enzymatycznymi. Nauka Przyr. Technol. 3, 4, #121.

400

350

300

250

> 1

< 1

< 0,9

< 0,8

< 0,7

< 0,6

< 0,5

200

150

100

0 2

4 6

10 12 14

Czas (h)

0,024

0,022

0,020

0,018

0,016

> 1

< 1

< 0,9

< 0,8

< 0,7

< 0,6

< 0,5

> 1

< 1

< 0,8

< 0,6

< 0,4

< 0,2

< 0

0,014

0,012

0,010

0,008

0,006

0,004

0,002

0 2

4 6

10 12 14

50 100 150 200 250 300 350 400

Wytrząsanie (obr/min)

Czas (h)

Rys. 3. Warstwy użyteczności – łój

Fig. 3. Desirability contours – beef tallow

400

350

300

250

> 1

< 1

< 0,8

< 0,6

< 0,4

< 0,2

< 0

200

150

100

6 8 10 12 14

Czas (h)

0,040

0,035

0,030

0,025

> 1

< 1

< 0,8

< 0,6

< 0,4

< 0,2

< 0

< –0,2

0,025

> 1

< 1

< 0,8

< 0,6

< 0,4

< 0,2

< 0

< –0,2

0,020

0,015

0,010

0,005

0,000

6 8 10 12 14

Czas (h)

50 100 150 200 250 300 350 400

Wytrząsanie (obr/min)

Rys. 4. Warstwy użyteczności – sadło

Fig. 4. Desirability contours – pig fat

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: