Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav Technologie potravin
Výroba bioetanolu z kukuřice Diplomová práce
Vedoucí práce:
Vypracoval:
Dr. Ing. Luděk Hřivna
Petr Dominik
Brno 2008
1
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Výroba bioetanolu z kukuřice vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MZLU v Brně. dne………………………………………. podpis diplomanta……………………….
2
Děkují vedoucímu diplomové práce Dr. Ing. Luďku Hřivnovi, za odborné vedení, cenné rady a připomínky při řešení diplomové práce, které vždy s ochotou poskytoval. Dále děkuji ústavu Technologie potravin za umožnění měření, vyhodnocení výsledků, pozorování a následné vypracování diplomové práce. Také děkuji Ing. Tomáši Gregorovi, pani Ivaně Randové a Beatě Ruprechtové za veškeré informace a praktické poznámky během mého laboratorního měření.
3
ABSTRAKT Tato diplomová práce se zabývá využitím kukuřice pro výrobu bioetanolu a technologiemi, které se v současnosti používají. Součásti jsou i výsledky pokusů kvasných zkoušek různých hybridů kukuřice. V první části je popsáno celkové zpracování kukuřičného zrna až na samotný průmyslový líh a seznámení s kvasnou technologií. Je zde uvedeno srovnání s ostatními surovinami pro výrobu bioetanolu, klady i zápory využití kukuřice a popis technologií pro výrobu bioetanolu. Tato práce zahrnuje praktické využití bioetanolu, legislativní opatření a také případovou studii jedné společnosti zabývající se výrobou průmyslového lihu. V další části této práce je zahrnuta praktická část, ve které jsou prezentovány výsledky rozborů kukuřičného zrna různých v ČR pěstovaných hybridů. Hodnocení je především v oblasti škrobu, mazovatění a výtěžnost bioetanolu stanovená kvasnou zkouškou. Součástí je také výpočet produkce bioetanolu z hektaru, který ukazuje na ekonomiku uplatnění jednotlivých odrůd pro lihovarské účely. Klíčová slova: kukuřice, škrob, bioetanol, kvasná zkouška, výtěžnost
4
ABSTRACT This thesis deals with usage maize for production bioethanol and technologies that the presently use. Single parts are sults of attempts fermentative examinations different half - breed maize. In forepart, there is described to general processing maize grains excepting himself industrial alcohol and acquaintance with fermentative technology. Here is mentioned confrotation with others raw materials for production bioethanol, positive and negative useing maize and description technology for production bioethanol. This work includes practical usage bioethanol, legislative procuration as well as case studies one’s companies conversant production industrial alcohol. In the next part of this work is included practical part, in that are present record analysis maize grains different in CZ grown half - breed. Evaluation is above all in the area starch, gelation and yield bioethanol fixed term fermentative examination. Part of is also calculation performance bioethanol from hectare that the denote economy exercise single varieties for distiller's malt purposes. Key words: maize, starch, bioethanol, fermentative examination, yield
5
Obsah 1 ÚVOD............................................................................................................................ 8 2 CÍL PRÁCE ................................................................................................................. 10 3 LITERÁRNÍ REŠERŽE .............................................................................................. 11 3.1 Bioetanol obecně................................................................................................... 11 3.2 Kukuřice setá (Zea mays L).................................................................................. 12 3.2.1 Obecné údaje.................................................................................................. 12 3.2.2 Faktory podporující pěstování a výnos kukuřice........................................... 13 3.2.3 Zařazení kukuřice v osevním postupu ........................................................... 15 3.3 Porovnání ostatních surovin pro výrobu bioetanolu s kukuřici ............................ 16 3.4 Výroba bioetanolu................................................................................................. 17 3.4.1 Zpracování po sklizni..................................................................................... 17 3.4.2 Rozklad škrobu .............................................................................................. 18 3.4.3 Způsoby zcukření a tvorba sladké zápary...................................................... 21 3.4.3.1 Příprava zápar ......................................................................................... 21 3.4.3.2 Tlakový způsob....................................................................................... 21 3.4.3.3 Beztlakový způsob.................................................................................. 21 3.4.4 Průběh kvašení ............................................................................................... 22 3.4.4.1 Příprava zákvasu ..................................................................................... 22 3.4.4.2 Kvašení ................................................................................................... 22 3.4.4.3 Mechanismus lihového kvašení .............................................................. 24 3.4.4.4 Faktory ovlivňující kvašení – činnost kvasinek...................................... 26 3.4.4.5 Produkty z kvasného procesu ................................................................. 26 3.4.4.6 Ztráty....................................................................................................... 27 3.4.5 Destilace......................................................................................................... 27 3.4.5.1 Rektifikace .............................................................................................. 27 3.4.5.2 Druhy rektifikačních kolon..................................................................... 28 3.4.5.3 Pasterace ................................................................................................. 29 3.4.5.4 Rafinace .................................................................................................. 29 3.4.5.5 Schéma zemědělského lihovaru využívajícího tlakový způsob přípravy zápary.................................................................................................................. 30 3.4.5.6 Odvodňování lihu ................................................................................... 31 3.4.5.7 Denaturace lihu ....................................................................................... 32 3.4.5.8 Vedlejší výrobky a odpad ....................................................................... 33 3.4.6 Alkoholová výtěžnost ................................................................................... 34 3.4.6.1 Teoretická výtěžnost ............................................................................... 34 3.4.6.2 Praktická výtěžnost ................................................................................. 34 3.5 Bioetanol jako energetický zdroj .......................................................................... 35 3.6 Legislativa............................................................................................................. 36 3.7 Případové řešení kukuřičného lihovaru společnosti LentiKat´s a.s. při použití nestandardních metod výroby bioetanolu ................................................................... 38 3.7.1 Technologie enzymatické dvoustupňové hydrolýzy...................................... 38 3.7.2 Technologie přeměny cukrů na etanol........................................................... 39 3.7.3 Stručný popis kompletní technologie výroby glukosy a etanolu................... 40 4 MATERIÁL A METODIKA....................................................................................... 42 4.1 Materiál ................................................................................................................. 42 4.1.1 Použité hybridy kukuřice ............................................................................... 42 4.2 Metodika pokusu................................................................................................... 43
6
4.2.1 Charakteristika pěstitelských stanovišť ......................................................... 43 4.2.2 Rozbory vzorků zrna...................................................................................... 52 4.2.3 Vyhodnocení výsledků .................................................................................. 54 5 VÝSLEDKY A DISKUZE.......................................................................................... 55 6 ZÁVĚR ........................................................................................................................ 60 7 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ......................................................................... 62 PŘÍLOHY ....................................................................................................................... 67
7
1 ÚVOD Výroba kvasného lihu patří k tradičním fermentačním výrobám. Název líh nebo alkohol se v hovorovém jazyce vztahuje k nejčastěji se vyskytující sloučenině ze skupiny primárních alkoholů - k ethanolu. Tato sloučenina se dá vyrobit čistě chemickým
způsobem,
např.
hydratací
ethylenu,
nebo
daleko
běžnější
mikrobiologickou cestou – kvasným způsobem. Prvé zmínky o alkoholové fermentaci pocházejí z Mezopotámie z doby cca 4200 př.n.l., technika destilace jako způsob izolace a zkoncentrování ethanolu přichází na scénu mnohem později. Některé zdroje připisují prvenství sestrojení a používání primitivní destilační aparatury Číňanům cca 1 - 2 tisíce let př.n.l., jiné hovoří o egyptských alchymistech rovněž z éry před Kristem. Do Evropy se znalosti o destilaci zkvašených surovin dostávají mnohem později okolo 11. - 12. století našeho věku. Ještě po další tři století byl získaný destilát vzácnou a velice drahou medicínou nazývanou agua vitae a její výroba byla přísně střeženým tajemstvím. Na území dnešní České republiky první lihovary vznikaly již v 16. století. Líh se vyráběl především z obilí, zejména ze žita (odtud název "režná"). Brambory se začaly ve větším měřítku používat až koncem 18. století. Původní technologie byly primitivní, k rychlejšímu rozvoji přispělo zavádění destilačních aparátů vyhřívaných parou a zavedení paření brambor pod tlakem v pařácích (Henze, Hollefreund). Po první světové válce se využilo i nadprodukce cukrovky, při této výrobě byl však pařákový způsob nahrazován způsobem difúzním. Po obilí a cukrovce se objevuje melasa. V důsledku energetické krize, která postihla svět v 70. letech minulého století, dochází k prudkému zvýšení zájmu o bioetanol jako obnovitelný zdroj energie, který by mohl nahradit fosilní paliva. Ohromný nárůst výroby byl umožněn i využitím nových vědeckých poznatků a moderních technologií. Rozsáhlé bioetanolové programy vznikly v Brazílii a USA, kde ethanol tvoří až 22 % ze složení motorových paliv. Celosvětově největší produkci, ale také spotřebu bioetanolu z kukuřice má USA, protože v této zemi se nejvíce pěstuje. Světová produkce je různorodá, ovlivněná klimaticky (možnost pěstování plodin určených pro výrobu biopaliv), spotřebou popřípadě těžbou fosilních paliv, legislativně (normy pro maximální produkci), přístupem daného státu a v neposlední řadě klady a zápory při spalování biopaliv.
8
Tradičními surovinami pro výrobu bioetanolu se staly především škrobnaté plodiny (brambory, obilí), cukernaté plodiny (cukrová řepa) a popřípadě zbytky surovin z jiných odvětví. Z obilovin získáme etanol tím, že provedeme enzymatickou hydrolýzu škrobu na zkvasitelné cukry. Z technologického postupu je tedy zřejmé, že limitujícím faktorem určujícím vhodnost druhu obiloviny je hlavně obsah škrobu v zrně. Cílem výroby je získat ethanol o různé kvalitě pro potravinářské, farmaceutické, chemické a jiné účely. Jakost jednotlivých druhů a podmínky výroby lihu jsou vymezeny legislativními předpisy - v České republice je to zákon č. 61/1997 Sb., o lihu. Výroba kvasného ethanolu v ČR se pohybuje v posledních letech kolem 65 000 m3 (vyjádřeno v množství 100 % ethanolu). V současnosti systém využití bioetanolu funguje v mnoha zemích světa, kde je podporován dotacemi od státu nebo daňovými úlevami jako součást politiky využívání domácích zdrojů. Tato práce se zabývá problematikou výroby bioetanolu z kukuřice. Zahrnuje technologii zpracování kukuřice a samotnou výrobu etanolu. Mimo jiné je zde poukázáno na rozdíly mezi technologiemi při zpracování kukuřice a jinými surovinami vhodnými pro výrobu bioetanolu.
9
2 CÍL PRÁCE - zmapování možností uplatnění zrna kukuřice jako suroviny pro výrobu bioetanolu - na vybrané skupině vzorků zrna hybridů kukuřice dodaných společnosti Monsanto ČR s.r.o. stanovit jejich lihovarskou kvalitu a vyhodnotit výtěžnost bioetanolu
10
3 LITERÁRNÍ REŠERŽE 3.1 Bioetanol obecně Bioetanol je termín, používaný v poslední době pro označení kvasného lihu, určeného k palivovým účelům. Má vysokou výhřevnost (27,8 MJ/kg) a je možné ho s dobrou účinností spalovat. Při jeho spalování nedochází ke ztrátám tepla do škváry a do popela, vznikají jen ztráty komínové. Ve světě je ale bioetanol používán výhradně jako motorové palivo, a to většinou ve formě nízkopodílové složky v benzínové směsi. Spaliny lihu neobsahují popel a síru a mají oproti benzínu nižší podíl oxidu uhličitého a oxidů dusíku. Výchozí surovinou pro výrobu bioetanolu jsou škrobnaté či cukernaté zemědělské plodiny, které se lihovarnickými postupy zpracovávají na finální produkt. (Kunteová, 2006). Ze zemědělských plodin pro výrobu bioetanolu jsou nejdůležitější brambory, cukrovka a obilí (škrobnaté odrůdy pšenice, tritikale a kukuřice), které nejlépe splňují požadavky na dostatečný hektarový výtěžek lihu při přiměřených nákladech. Obilí má výhodu pěstitelské nenáročnosti a nízkých hektarových nákladů. Lze ho díky tomu pěstovat v daleko větším rozsahu a to i v horších klimatických a půdních podmínkách naší republiky. K těmto účelům se šlechtí speciální výnosové odrůdy, které umožní dobrou rentabilitu zemědělské výroby i ve vyšších oblastech. Další výhodou obilí je jeho dobrá skladovatelnost (Šedek, 2006). Technologie zpracování obilí na líh je náročnější oproti surovinám s jednoduchými cukry, neboť obilí obsahuje nezkvasitelný škrob, který je nutné před vlastní fermentací rozložit. Dříve se používala technologie termicko-tlakové hydrolýzy, dnes je nahrazená hydrolýzou enzymatickou. V dnešní době se nejvíce podporuje pro výrobu bioetanolu z obilí pšenice a kukuřice. Doposud byla u nás kukuřice hlavně pěstována pro krmné účely. Kukuřice má největší hektarový výnos z obilnin, teoreticky v naších podmínkách se dá pěstovat kdekoliv a je to výborná a velice odolná plodina a k tomu některé hybridní odrůdy mají velmi vysoký obsah škrobu (např. koňský zub nad 70%) (Kunteová, 2006).
11
3.2 Kukuřice setá (Zea mays L) 3.2.1 Obecné údaje Historie pěstování kukuřice jako kulturní plodiny je stará déle než 5 600 let. Z původní vlasti Jižní Ameriky se do Evropy dostala koncem 15. století a do střední Evropy se rozšířila z Balkánu. Kukuřice je druhou nejrozšířenější plodinou na světě. Jde o hlavní surovinu pro výrobu lihu v USA a některých jihoamerických státech. V Čechách má krátkou historii pěstování. Kukuřice na zrno se v současné době pěstuje ve všech výrobních oblastech ČR, ale prozatím její podíl je pro lihovarské využití poměrně nízký (Šimůnek, 1996). Kukuřice patří do čeledi lipnicovité skupiny Maydeae. Hospodářsky je využívána řada convariet (obecná -indurata, koňský zub identata syn. dentiformis, pukancová - everta syn. microsperma, cukrová -saccharata, škrobnatá - amylacea, vosková - ceratina a plevnatá - tunicata. Největší význam z hospodářského hlediska má kukuřice koňský zub, kukuřice obecná (tvrdá) a kukuřice polozubovitá. Hybridy kukuřice jsou označovány číslem FAO, které je poměrné ke standardu a nepředstavuje absolutní délku vegetační doby ve dnech (do 200 velmi rané hybridy = 120 dní vegetační doby, nad 500 pozdní hybridy = nad 142 dní vegetační doby) Primární kořenovou soustavu tvoří kořeny, které se zakládají již v zárodku, sekundární kořenovou soustavu tvoří soubor stonkových adventivních kořenů. Stéblo kukuřice je plné a je současně zásobním orgánem. Stéblo kukuřice je rozdělené kolénky (nody) na články (internódia). Výška stébla se v našich podmínkách v závislosti na hybridu pohybuje od 1,2 do 3 m. Listy kukuřice jsou protistojné. Listová čepel je široká s nápadným středním žebrem. Kukuřice patří mezi rostliny jednopohlavné a jednodomé. Samčí tyčinkovité květy tvoří klásky v latách. Samičí pestíkovité květy vytváří palice. Je to klas s hrubou hlavní osou, na které jsou zrna v řadách. Obilky kukuřice obsahují 70% škrobu a 12 % dusíkatých látek (hlavně bílkoviny) a 5% tuku, který je hlavně koncentrován v klíčku a působí příznivě při kvašení na srážení pěny, vysoký obsah vitamínu E a minerálních látek. Kukuřice je rostlina teplomilná. Minimální teplota pro klíčení je 6°C. Pozemky vhodné pro kukuřici se mají od časného jara co nejrychleji prohřívat, mají být dobře a včas zpracovatelné. Lehčí půdy jsou vhodnější jak těžké. Kukuřice má nízké nároky na vláhu. Krátký den urychluje kvetení, ale snižuje počet listů a výšku rostlin (Moudrý, 1996).
12
3.2.2 Faktory podporující pěstování a výnos kukuřice Kukuřice se stává stále více výnosnou plodinou především v oblastech vhodných k jejímu pěstování. Důvodů, které vysvětlují tento trend je několik. Především je to skutečnost, že kukuřice skýtá velký energetický potencionál, a to 324 000 Mj./ha. Pokud tento údaj porovnáme s obilovinami, které produkují 216 000Mj./ha, pak energetický přínos kukuřice je jednoznačný. Na druhé straně je nutné pečlivě posoudit náklady na pěstování jednotlivých plodin, protože ty celkový pohled na energetickou bilanci mohou zásadně změnit. V neposlední řadě mnoho agronomů dnes již ví, že v letech se značnými klimatickými výkyvy, kterých jsme svědky, je právě kukuřice velice flexibilní plodinou, tolerantní k počasí a případným menším chybám v agrotechnice. Nezanedbatelným důvodem stále většího prosazování kukuřice na naších polích je také skutečnost, že dnes mají zemědělci k dispozici takovou škálu hybridů, které poskytují dobrý výnos i v oblastech, kde se dříve kukuřice pěstovala ojediněle nebo s neúspěchem. Také technologie sklizně kukuřice dávají širokou možnost využití energie kukuřice tak, aby odpovídala optimálním potřebám z hlediska dalšího využití (Šedek, 2006). V několika posledních letech se dosti diskutuje ohledně GMO organismech, mezi které patří v nemalém poměru geneticky modifikované Bt-hybridy kukuřice. Jednou z možností, jak zvyšovat rentabilitu produkce, je pěstovaní Bt-kukuřice. Ve Spojených státech byl vyhlášen desetiletý plán pro snížení závislosti země na dovozu ropy, který se má uskutečnit masovým zvýšením produkce domácích biopaliv. Američtí farmáři byli však oproti svým evropským protějškům ve výhodě. Komerční pěstování Bt-kukuřice bylo zahájeno v roce 1996, když tomu předcházelo zhruba desetileté období důkladného prověřování. Pokrok šel dál a v současné době jsou odzkoušené a k pěstování povolené hybridy, které disponují 2-3 geny zároveň: odolností vůči zavíječi kukuřičnému, odolností vůči bázlivci kukuřičnému a odolností vůči totálnímu herbicidu. Pěstitelé těchto nových technologií náležitě využívají a tak dále snižují náklady na produkci. V roce 2006 zaujímaly odrůdy se sdruženou odolností 20 % veškerých ploch GM plodin, ve Spojených státech dokonce 28 %. V Evropě je zatím povoleno pěstovat Bt-hybridy kukuřice, které obsahují gen odolnosti vůči škůdci zavíječi kukuřičnému. Po 10 letech od zahájení pěstování ve světě se začla nová technologie pomalu objevovat v prvních "odvážných" zemích Evropy.
13
Pěstitelé v České republice začali Bt-hybridy pěstovat v roce 2005. Co do plochy oseté Bt-kukuřicí tak Česká republika zaujímá po Španělsku a Francii třetí místo v Evropě. Pokud chce Evropa jít cestou snižování závislosti na fosilních palivech, měla by využívat a podporovat nové technologie v zemědělství, tak jako to činí ostatní vyspělé části světa. Zavíječ kukuřičný představuje v současné době nejzávažnějšího škůdce kukuřice. Způsobuje významné ztráty na výnosech v rozmezí 5–40 %. Škody působí housenky tunelováním stonků a klasů. Postižené rostliny se lámou a poléhají, což má za následek snížení výnosu. Otvory v klasech jsou navíc vstupní bránou pro sekundární infekce houbami, produkujících mykotoxiny nebezpečné pro hospodářská zvířata i člověka. Přestože zavíječ pochází z teplejších oblastí Evropy, v současné době již "zdomácněl" na většině území ČR. Bohužel, tradiční metody ochrany proti němu (chemicky, biologicky či mechanicky) zdaleka nefungují stoprocentně a navíc mnohdy negativně ovlivňují životní prostředí. Nejspolehlivější známou ochranou je proto pěstování Bt-hybridů kukuřice, které jsou vůči zavíječi odolné. Podstatou rezistence kukuřice je přítomnost tzv. Bt-proteinu (Bt označuje původ – Bacillus thuringiensis), letálního pro larvy škůdce, nikoli však pro užitečné organismy nebo pro člověka (Studničný, 2007). V roce 2006 v ČR byly založeny pokusy na 20 lokalitách, kde byla sledována a vyhodnocována intenzita napadení zavíječem, počet zlomených stonků a hniloba palic. Při sklizni se porovnávaly výnosy Bt-hybridů s jejich konvečními verzemi. Výsledky pokusů byly více než přesvědčivé. Díky nulovému výskytu zavíječe neměly Bt-hybridy žádné zlomené rostliny a rovněž výskyt hniloby palic byl výrazně nižší v průměru o 33 %. V roce 2006 došlo ke zvýšení výnosu zrna u Bt hybridů o 1,4 t/ha (graf č.1). Při tehdejších výkupních cenách to znamenalo zvýšení tržeb pro zemědělce o 4 500 Kč/ha! Zvýšená cena za Bt-osivo se tak pěstiteli mnohokrát vrátila. Bt-technologie nabízí nemálo předností. Patří zde stoprocentní odolnost rostliny v průběhu celé vegetace, cílená eliminace škodlivých larev zavíječe bez účinku na užitečný hmyz, úspora přímých nákladů na pěstování kukuřice (není třeba jakékoli chemické či biologické ošetření), zvýšení skliditelného výnosu (porost není poškozen), lepší krmná hodnota (podstatně nižší obsah škodlivých mykotoxinů) a eliminace chemického ošetření je přínosem pro životní prostředí. Biotechnologie je rozjetý vlak ve vývoji vědy a bude přinášet stále nové pokroky. Díky genetické manipulaci lze měnit složení zrna a nebo celé rostliny, a tak 14
zvýšit např. produkci metanu v procesu výroby bioplynu a nebo zvýšit výtěžnost etanolu při zpracování zrna v lihovaru. Výzkumná oddělení osivářských společností rovněž pracují například na zvýšení odolnosti plodin vůči suchu a chladu (www.limagraincentraleurope.com, 2006). Graf č.1 - Výkonnost Bt hybridů - pokusy Pioneer, Česká republika 2006
3.2.3 Zařazení kukuřice v osevním postupu Do osevního postupu by kukuřice, vzhledem k velkým požadavkům na dusík měla být zařazována po zlepšujících plodinách, zvláště luskovinách. Také zařazení po okopaninách hnojených organickými hnojivy je vhodné. Na podzim se zpracování půdy řídí podle předplodiny a může mít více variant. Termín setí závisí na teplotě půdy (obvykle počátkem května). Na ha se vysévá přesný počet klíčivých zrn, který se v závislosti na hybridu pohybuje od 60 do 110 tisíc jedinců na 1 ha. Průměrná redukce počtu rostlin od setí do sklizně je 15-20 %. Obvykle se volí vzdálenost řádků 0,70 - 0,75 m. Kukuřice přijímá velké množství živin. Při hnojení se vychází z průměrné spotřeby živin v kg na 1 tunu zrna a odpovídající zbývající části rostlin (25-30 kg N; 4,5-7,0 kg P; 23-29 kg K; 4,5-7,5 kg Ca a 3,6-6,0 kg Mg). Kukuřice výborně využije všechny formy organického hnojení. Podle druhu předplodiny může být před setím aplikována kejda (až 30 m3. ha-1) a chlévský hnůj (30-50 t/ha). Vhodné je i zelené hnojení nebo rozdrcená sláma s dávkou 30-40 kg N/ha při zaorání. Dobře je využívána i močůvka, která je do půdy vpravována speciálními zařízeními (meziřádkové, botkové
15
apod.). Na základě různých let a hybridů byla stanovena u přímého hnojení naturální produkce na úrovni 25 kg zrna na 1 kg NPK. Ochrana proti plevelům je možná mechanicky (vláčení, plečkování) nebo chemicky použitím herbicidů. Každá sklizeň má svou posklizňovou linku s tím související skladovací technologii. Na fytomasu se sklízí kuřice v mléčně voskové zralosti (obsah sušiny 27%) sklízecí řezačkou při délce řezanky 25 - 25 mm. Sklizeň by měla být ukončena před příchodem prvních mrazíků. V příznivých podmínkách je možné sklízet kukuřici speciálními stroji dělenou sklizní a to technologií LKS zpracování palic s listeny (50% sušiny) nebo CCM- zpracování palic bez listenů (60% sušiny).
Kukuřici
na
zrno
sklízíme
sklízecí
mlátičkou
v
plné
zralosti
(www.agroconsult.cz, 2003). Zrno je zpravidla vlhké a je nutné ho dosoušet, což je energetický náročné.
3.3 Porovnání ostatních surovin pro výrobu bioetanolu s kukuřici Z hlediska produkce kvasného lihu z 1 ha sklizené plochy je nejvýnosnější plodinou cukrová řepa, z obilovin je nejproduktivnější plodinou zrnová kukuřice. Stanovené produkční potenciály sacharidických zemědělských plodin vhodných pro výrobu palivového lihu byly verifikovány v rámci zpracování Územní energetické koncepce Jihomoravského kraje, kde společnosti A.R.C. spol. s r.o. byla zadána „Studie bioenergetického potenciálu bývalého okresu Znojmo“ za účelem posouzení výstavby průmyslového lihovaru. Řešení vychází z průměrných výnosů plodin v dlouhodobém sledování (1990 – 2001), kde výnosy uvažovaných plodin pro výrobu bioetanolu se pohybují v těchto úrovních (Moudrý, 2002): Tabulka č. 1 - Produkční potenciály bioetanolu u jednotlivých plodin výnos t/ha pšenice 6-8 kukuřice zrno 7 - 10 ječmen 5-7 triticale 6-8 cukrovka 40 - 65 brambory 20 - 35 (www.cszo.cz, 2007) surovina
spotřeba suroviny v kg na 100 l na 1 t 280 3528 275 3465 285 3591 280 3528 992 12500 794 10004
16
výtěžek BE v t/ ha 1,70 – 2,27, průměr 1,98 2,02 – 2,87, průměr 2,45 1,39 – 1,95, průměr 1,67 1,70 – 2,27, průměr 1,98 3,20 – 5,20, průměr 4,20 2,00 - 3,50, průměr 2,75
Tabulka č. 2 – Produkční potenciály bioetanolu v podmínkách bývalého okresu Znojmo pšenice výnos t / ha 3,47 – 5,35 konverze BE l / 0,37-0,4 ( průměr kg 0,385) výroba BE l / ha 1336 - 2059 výroba BE v t / ha 1,042 -1,606 (Studie A.R.C. spol. s r.o, 2002)
kukuřice zrno 2,24 – 7,09 0,4 –0,42 (průměr 0,41) 918 – 2907 0,716 – 2,267
cukrovka 28,64 – 45,56 0,09-0,1 (průměr 0,095) 2720 - 4328 2,122 – 3,376
Z těchto tabulek vyplývá z pohledu výtěžností bioetanolu, že nejvíce vyhovuje cukrovka – jako cukerná surovina, ze škrobnatých surovin vyhovují nejvíce brambory a kukuřice. Hlavní roli zde hraje hektarový výnos a produkce sacharózy (u cukrovky) a nebo škrobu (brambory, kukuřice) z hektaru. Kukuřice není zatím v naších podmínkách příliš upřednostňovaná díky jejím menším osevních plochám oproti, u nás nejvíce pěstované pšenici. Výroba bioetanolu z kukuřice se vůči ostatním surovinám odlišuje i způsobem zpracování, technickým vybavením lihovarů a použitými metodami. Tyto rozdíly jsou uvedeny v následujícím textu.
3.4 Výroba bioetanolu 3.4.1 Zpracování po sklizni Po sklizni je nutné zrno kukuřice přečistit, sušit a popřípadě skladovat. Rychlý průběh těchto operací je důležitý pro následující zpracování. Díky špatnému posklizňovému zpracování jsou velké ztráty, problémy při mletí (nečistoty) a nižší podíl šrotu. Při sklizni je základním předpokladem čistý výmlat a předčištění (odstranění co největšího podílu plevelných semen, zelených částí rostlin, zlomků zrn i dalších nečistot). Předčištěné obilí je možno skladovat jen při vlhkosti 15 % a nižší. Sušení kukuřice se provádí postupně (opakovaně podle vlhkosti). Z kukuřice s vlhkostí nad 20% lze při jednom průběhu sušení při jednom cyklu odebrat nejvýše 2% vody. Nenásleduje-li po sušení vyššími teplotami ochlazení, může na povrchu obilek kondenzovat voda. Provzdušňování je vhodné jen při nižší vlhkosti sklizené obiloviny (do 18%), vhodném technickém vybavení (rošty s ventilátory) a při příznivém počasí (vyšší teplota a nízká relativní vlhkost vzduchu). Čím vyšší je vlhkost a teplota skladované kukuřice, tím intenzivněji obilní masa dýchá. Přitom dochází ke ztrátám vlivem odbourávání bílkovin a škrobu. Je uvolňována vnitřní voda, teplota obilí narůstá 17
a vytvářejí se vhodné podmínky pro rozvoj bakterií a plísní, které se vyživují obilní masou (je cítit zatuchlý a kyselý zápach). Obilní masa má malou tepelnou vodivost; zvýšení teplot se projeví až v pokročilém stadiu, kdy již může dojít ke zkažení celé partie. Sušené zrno kukuřice (nejlépe o vlhkosti do 15%) se dále zpracovává podle toho jakým způsobem se bude vyrábět bioetanol. Zda mokrým způsobem nebo suchým způsobem (mletí na určitou velikost). Největších výtěžků bylo dosaženo při rozemletí zrna na jemnost 1 mm (Senn a Pieper, 1989). Pokud je zaveden způsob mletí, při kterém se odděluje endosperm od obalových vrstev a klíčků, obsah škrobu v endospermovém podílu stoupne až o 10% oproti šrotu z celého zrna, čímž se ekonomizuje celková výroba bioetanolu (Sosulski a Sosulski, 1994). V mokrém drcení je zrno kukuřice ponořené do teplé vody, toto pomáhá k degradaci proteinů a uvolnění škrobu. Dále se odtahuje klíček, který se používá pro výrobu velmi kvalitního kukuřičného oleje. Nakonec zbylý šrot putuje k zcukření. Tento způsob se využívá v lihovarech, kde je produkce bioetanolu několik set milionů galonů za rok (USA, Velká Británie) (www.esru.strath.ac.uk, 2007). 3.4.2 Rozklad škrobu Škrob je směsí dvou polysacharidů, amylózy, která tvoří 20 – 30% jeho hmotnosti, a amylopektinu, který tvoří zbytek. Amylóza je lineární sacharid, v němž jsou zbytky α-D-glukózy spojeny 1-4 glykosidovými vazbami, řetězec polymeru se stáčí do levotočivé šroubovice. V amylopektinu se spojují kratší lineární řetězce α-(14)-glukanu vazbami (1-6), čímž vzniká větvená trojrozměrná molekula (Zehnálek, 2003). Na rozdíl od rozpustné amylázy, amylopektin je za studena ve vodě nerozpustný, ale za tepla tvoří škrobový maz (Kosař et al., 2000). Základním úkolem pro výrobu bioetanolu je rozklad (hydrolýza) škrobu (Obr.č.3) (Hamrová, 1988), neboli zcukření, které je hlavní součástí rmutování. Rmutování je proces převedení látek obsažených ve šrotu do roztoku, aby je následně mohly enzymy rozložit. Tento krok je nutný, neboť škrob je vysokomolekulární polysacharid
a
kvasinky
jej
nedokážou
rozložit.
Kvasinky
rozkládají
jen
nízkomolekulární látky (nejčastěji monosacharidy a disacharidy), protože ty dokážou projít buněčnou membránou a proto je mohou fermentovat díky svému enzymatickému aparátu. Jako hlavní produkty při zcukření potřebujeme, aby škrob byl rozložen na nižší sacharidy, maltosu (Obr.č.2) a glukosu (Obr.č.1) (Hinková, 2001).
18
Obr. č. 1: glukosa
Obr. č. 2: maltosa (Zehnálek, 2003)
Pro rozklad škrobu se kdysi používaly sladové amylázy v lihovarnickém sladu ale dnes se výhradně využívají enzymatické preparáty (alfa a beta – amyláza, amyloglukosidáza a R-enzym). Komerčně jsou využívány amylázy produkované bakteriemi např. Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis a Bacillus liquefaciens. Z plísňových α - amyláz je to preparát získaný kultivací plísně Aspergilus niger. Geneticky upravené a selektované mikroorganismy jsou schopné syntetizovat amylázy, které jsou termostabilní a jsou účinné v širokém rozmezí pH (Olsen, 1992). Při výrobě bioetanolu je jedním z požadavků na enzymový preparát jeho tepelná stabilita. Z technologického hlediska je aktivita zrna vlastních enzymů vlastností, která může do značné míry ovlivnit vedení procesu při výrobě bioetanolu. Při dodržení podmínek, které aktivují enzymy obsažené přímo v zrnu, bylo dokonce u některých vybraných obilovin dosaženo výtěžku bioetanolu jen nepatrně nižší, než u kontroly s použitím mikrobiálních enzymových preparátů (Aufhammer et al., 1994). Tabulka č.3: Působení jednotlivých enzymů při hydrolýze škrobu (Antranikian, 1997) Enzym
Štěpené vazby
Specifické reakce
Výsledný produkt
α - Amyláza
α - 1,4 vazby
náhodně
větvené oligosacharidy, α - limitní dextriny, glukóza a lineární oligomery
β - amyláza
α -1,4 vazby
od neredukujícího
maltóza a větvené
konce
polymery ( β hraniční dextriny)
Glukoamyláza
α - 1,4 plus α - 1,6
od neredukujícího
vazby glukózových konce polymerů
19
glukóza
Štěpení škrobu má tři fáze - bobtnání a zmazovatění škrobu, ztekucení škrobu a zcukření škrobu. Zahřívá-li se škrobová emulze (nerozpuštěný škrob rozmíchaný ve vodě), dochází nejprve k bobtnání a mazovatění. Škrob přechází tímto fyzikálně chemickým dějem do roztoku a mění se v hustou viskózní kapalinu. Narušená zrna ve vodním prostředí nabobtnávají do vyššího stupně, než zrna nenarušená. Nabobtnání škrobového zrna totiž do značné míry ovlivňuje rychlost hydrolýzy (Lynn a Stark, 1995), snadnější vniknutí enzymů. Teplota mazovatění u kukuřičného škrobu je 65 až 75°C. V další fázi dochází účinkem α-amylasy ke ztekucení škrobu za vzniku rozpustného amylodextrinu. Optimální teplota ztekucení škrobového mazu ve rmutech je 65 až 75°C při pH 4,6. Ztekucující α-amyláza se inaktivuje při 80°C. V poslední fázi dochází účinkem komplexu více amylolytických enzymů, zejména však α- a β-amylázy, ke zcukření čili úplnému rozštěpení makromolekul škrobu za vzniku různých nižších cukrů a dextrinů. Optimální teplota zcukřující βamylázy je 60 až 65°C při pH 4,5. Při 75°C se β-amyláza inaktivuje, ale oproti αamyláze snáší kyselejší prostředí. Prodlužováním nebo zkracováním časových prodlev při optimálních teplotách pro dextrinotvornou α-amylázu nebo cukrotvornou β-amylázu lze libovolně měnit složení extraktu. Delší časovou prodlevou při 65°C se získá sladká zápara s vyšším podílem zkvasitelných cukrů (maltózy a glukózy). Vyhřeje-li se rmut naproti tomu rychle na 70°C a časová prodleva se udržuje až při této teplotě, potlačí se působení βamylázy a sladká zápara bude bohatá na dextriny. Průběh štěpení škrobu se ve rmutech kontroluje jódovou zkouškou.
Obr. č. 3:rozklad škrobu
20
3.4.3 Způsoby zcukření a tvorba sladké zápary 3.4.3.1 Příprava zápar Při přípravě zápar ze škrobnatých surovin rozlišujeme dva způsoby: tlakový způsob a beztlakový způsob. V posledních letech se však druhý způsob používá častěji. Tuto změnu umožnila výroba termostabilních α-amyláz bakteriálního původu (Kučerová et al., 2007). Tento enzym je krátkodobě aktivní i při teplotách nad 100°C (v praxi se používají teploty kolem 90°C), což je výhodné, protože může působit i během zmazovatění škrobu. Odolnost vůči teplotě se zvýší ionty vápníku (u nové generace enzymů i to však již není nutné). Optimální pH pro působení při uvedené teplotě je 6,5 až 7 (Hamrová, 1988). 3.4.3.2 Tlakový způsob Tlakový způsob neboli pařákový se v dnešní době už moc nepoužívá. Využívá k uvolnění a zmazovatění škrobu ze zrna paření za teploty 120°C a tlaku 0,2-0,5 MPa. Nejpoužívanějším je Henzeův pařák (Obr.č.5). Výhodou je, že se zápara současně vysteriluje, což je vhodné u havarovaných surovin. Náklady na paření jsou však vyšší než při beztlakovém způsobu. Paření má tři fáze: propařování, paření pod tlakem a vyhánění díla. Po paření následuje vyhánění díla do zapařovací kádě za současného chlazení a přídavku ztekucujících enzymů. Je-li kukuřice správně upařena, jsou v čiré zcukřené zápaře zřejmé jen její slupky, kdežto škrobnatý endosperm přechází v roztok. Filtrát zápary má být zlatožlutý, ne příliš světlý, neboť takové zápary volně a těžko prokvašují. Tmavá barva filtrátu se zápachem po připálení nasvědčuje karamelizaci (Dyr, 1955). 3.4.3.3 Beztlakový způsob Při beztlakovém způsobu musí být kukuřice namleta na částice odpovídající velikosti. Mletí může být realizováno za sucha (šrotovníky) nebo za mokra (např. dispergátory nebo kladívkové mlýny). Co se týče velikosti částic zrna jsou zkušenosti z lihovarů různé, ale většinou se odborníci shodují v tom, že velikost částic by neměla být menší než 0,4 mm a větší než 1,6 mm (Elander, 1996). Po této části předpravy suroviny se přistoupí k použití enzymů. Jejich hlavním cílem je postupně převést škrob uložený ve škrobových zrnech až na zkvasitelný sacharid, převážně glukosu. Přitom nejde o jeden enzym, ale o komplex tzv. amylolytických enzymů. Z nich jsou důležité α-, βamylázy a amyloglukosidázy. Kromě těchto enzymů lze použít i další hydrolytické 21
enzymy jako např. hemicelulázy (např. xylanázy, β-glukanázy), proteázy a celulázy. Jejich působením lze zvýšit výtěžnost lihu a současně i snížit viskozitu media (především jsou v tomto směru důležité hemicelulázy a celulázy). Technické enzymy většinou obsahují i tyto enzymové aktivity (Rychtera, 1991) . Lihovarské enzymy jsou vyráběny v kapalné fázi a jejich dávkování je snadné. Je třeba však dodržovat pokyny výrobce. Rozluštění a zcukření suroviny se zkouší přídavkem jodu a mikroskopicky (Pelikán, 2001). Existuje několik firem, které vyrábějí kvalitní enzymy. Na českém trhu je nejlépe zavedena dánská firma Novo Nordisk. Pro lihovarské účely jsou vhodné amylolytické enzymy: Termamyl, BAN, AMG, Fungamyl a SAN Super a dále Ultraflo, Celluclast a Shearzyme, které zvyšují výtěžky lihu a pozitivně ovlivňují vlastnosti zápar (NOVO Novodirsk, 1998). 3.4.4 Průběh kvašení 3.4.4.1 Příprava zákvasu Účelem přípravy zákvasu je připravit nebo přizpůsobit potřebné množství kvasinek pro vlastní kvasný proces. Zákvasem se rozumí alikvotní část (6 - 8%) sladké zápary, která obsahuje zkvasitelné cukry, živiny a kvasinky (Dyr, 1965). Pro přípravu zákvasu bychom měli použít surovinu, která obsahuje dostatek živin pro kvasinky, v případě kukuřice zápara obsahuje veškeré živiny. Příprava zákvasu probíhá v propagačních stanicích. Nejlépe se osvědčují kvasinky adaptované na škrobnaté zápary získané z čistých lihovarských kultur. Je možné též použít pekařské droždí, které lze před použitím preparovat v kyselé lázni. V některých zemích se používají i sušené aktivní lihovarské kvasinky. Množství lisovaného pekařského droždí se pohybuje kolem 0,3 - 0,5 kg na 1 hl zákvasu. 3.4.4.2 Kvašení Lihové kvašení je proces, který probíhá převážně bez přístupu vzduchu (anaerobně), i když nejde v případě kvasinek o striktně anaerobní podmínky. Mírné provzdušnění kvasného média, hlavně na začátku fermentace, je příznivé pro potřebný nárůst buněk a jejich aktivitu. Kvasinky jsou stále nejpoužívanějšími producenty etanolu (Dyr, 1955). Nejlepší kmeny se dnes dostávají na trh jako čisté kvasinkové kultury. Pro účely výroby lihu se výhradně používají kvasinky s vysokou schopností tvorby etanolu (vysoká rychlost tvorby a vysoká tolerance k etanolu, nízká produkce
22
vedlejších metabolitů). V poslední době se testují i některé bakterie k produkci etanolu. Za zmínku stojí dobré výsledky některých termofilních klostridií a hlavně bakterie Zymomonas mobilis (Rosenberger, 2002). Pro hodnocení kvasných produktů je důležité vždy zjistit konečný výtěžek produktu a jeho výtěžnost (obvykle se udává v litrech etanolu na 100 kg C-zdroje nebo suroviny), toto číslo se pak porovná s teoreticky možným výtěžkem. Působením enzymů vzniklé zkvasitelné sacharidy jsou kvasinkami zkvašovány na etanol a oxid uhličitý. Přitom dochází i k mírnému nárůstu kvasinek a k tvorbě vedlejším produktů. Kvašení probíhá v uzavřených kvasných tancích (bioreaktorech). Doba kvašení bude záviset jak na množství a aktivitě kvasinek a enzymů a velmi podstatně na teplotě. Obvykle kvašení trvá 48 až 72 hodin (Pelikán, 2001). V malých lihovarech se obvykle pracuje periodickým - vsádkovým způsobem. Pro tento způsob je typické fázování procesu na stadium rozkvašování, hlavního kvašení a dokvašení. Při rozkvašování se rozmnožují kvasinky, trvá okolo 20 – 25 hodin, zápara již obsahuje 4-5% alkoholu a cca 40% cukrů je prokvašeno. U hlavního kvašení je hlavní kvašení maltózové, přitom klesá sacharizace a stoupá obsah alkoholu a teplota. Nakonec při dokvašování dochází ke kvašení dextrinovému. Kvašení probíhá v kvasných kádích, které jsou obvykle uzavřené a dosahují objemu od 15 do několika set m3. Koncentrace ethanolu v prokvašených kukuřičných záparách se běžně pohybuje kolem 7 - 8 % obj. (Moudrý, 2007) Většina lihovarů vyrábějících etanol ze škrobnatých surovin využívají periodický způsob kvašení. Periodické způsoby se vyznačují tím, že probíhají v jedné nádobě po celou dobu fermentace. Lze to realizovat jako systém vsádkový, bez přítoku média, nebo jako přítokový. Další možností je aplikovat semikontinuální a kontinuální způsoby kvašení. Tyto způsoby se zavedly především u kvašení melasových zápar. Charakteristické pro ně je, že zápara se přivádí téměř neustále a stejně tak se i odvádí. V zápaře se však musí udržovat potřebná koncentrace kvasinek, protože při jejím snižování by docházelo ke zhoršení kvasného procesu. Protože je však růstová rychlost kvasinek nízká aplikuje se kvašení ne v jednom, ale ve více reaktorech, kterými kvasící zápara protéká (Rychtera, 1985). V lihovarském provozu rozeznáváme tyto zápary: záparu sladkou, záparu zakvašenou či nasazenou, záparu kvasicí a záparu zralou. Sladká zápara je cukernatá nefiltrovaná (necezená tekutina, připravena ze škrobnatých nebo cukernatých surovin jejich pařením, po případě difůzí nebo infůzí a upravená 23
zcukřováním (surovin škrobnatých), úpravou kyselosti a vody na optimální koncentraci, kyselost a teplotu tak, zbylo přidání zákvasu rychle a hluboce prokvášela. Zakvašená (nasazená) zápara je sladká zápara, ke které byl právě přidán zákvas. Počáteční hodnoty jsou sacharizace, kyselost, teplota atd. jsou hodnoty zákvasné. Kvasící (zakvašovaná) zápara je zakvašená sladká zápara od počátku kvašení až do úplného prokvašení. Zralá zápara je zápara prokvašená, připravená k destilaci. Stanovení jednotlivých složek u všech zápar slouží ke kontrole lihovarského provozu, ježto jde hlavně o výrobní meziprodukty. Je to stanovení sacharizace, kyselosti, těkavých kyselin, amylázy, zkvasitelných sacharidů (glukóza, maltóza), dextrinů, rozrušení škrobu a obsahu alkoholu (Kopal, 1950). 3.4.4.3 Mechanismus lihového kvašení Základním biochemickým dějem před lihovým kvašením je glykolýza, základní metabolický děj sacharidů. Patří mezi katabolické děje. Klíčový význam spočívá v tom, že poskytuje 2 moly ATP a to i v nepřítomnosti kyslíku. jako vedlejší produkty jsou zde získávány látky důležité pro jiné funkce v organizmu. Celková energie při přeměně jednoho molu glukosy na 2 moly pyruvátu je 197 kJ. 2 moly ATP dopovídají 67 - 84 kJ což je biologicky využitelná energie. Rozdíl 126 kJ se uvolní jako teplo. Z toho vychází, že čistý energetický zisk je 35 - 40%. Glykolýsa probíhá: a) za aerobních podmínek dalšími produkty jsou: 2 molekuly pyruvátu (Pyr), 2 ATP a 2 NADH + H+ b) za anaerobních podmínek podléhá Pyr dalším reakcím, které regenerují NAD+ → výsledkem jsou fermentační produkty, pro nás důležité Reakce glykolýsy (Obr.č.4): 1 Hexokináza 2 glukosofosfátizomeráza 3 6-fosfofruktokináza 4 aldoláza 5 triosofosfátisomeráza 6 glyceraldehydfosfátdehydrogenáza 7 fosfoglycerkináza 8 fosfoglycermutáza
24
9 enoláza 10 laktátdehydrogenáza Tyto enzymy, které se podílejí na odbourání glukosy na samotný pyruvát, jsou v Obr.č.4 označeny čísly v kroužku.
Obr.č.4 (www. projektalfa.ic.cz, 2008)
25
Výsledný keto-pyruvát, za anaerobních podmínek podléhá samotnému fermentačnímu procesu. Nejjednodušší přeměna pyruvátu na vhodnější akceptor vodíku je dekarboxylace na acetaldehyd, který se snadno redukuje na etanol. Tohoto způsobu využívají kvasinky i některé bakterie. Tyto mikroorganismy obsahují enzym pyruvátdekarboxylázu, která dekarboxyluje pyruvát bez současné oxidace. Redukci dekarboxylaci vzniklého acetaldehydu pak provádí alkoholdehydrogenáza (Zehnálek, 2001). 3.4.4.4 Faktory ovlivňující kvašení – činnost kvasinek Mezi hlavní faktory ovlivňující kvašení patří teplota (20 – 32 °C), hodnota pH (4 - 6), obsah růstových látek, koncentrace rozpuštěného kyslíku, koncentrace a aktivita kvasinek, přítomnost stimulátorů (fosforečnany – spotřeba je značná, nutnost fungování energetického metabolismu – přenášeč makroerg. vazeb) a v neposlední řadě přítomnost inhibitorů - některé těžké kovy (As, Pb, Zn), produkty bakterií (k máselná, propionová), koncentrace alkoholu ↑ (nad 5 % se kvasinky nemnoží, nad 10 % odumírají), SO2 (0,025 %), formaldehyd (do 0,1 %), obsah dusitanů (více jak 5 mg/kg) (Kučerová et al., 2007). 3.4.4.5 Produkty z kvasného procesu Hlavním produktem z kvasného procesu je etanol (jednoduchý nasycený alkohol). Ethanol je těkavá kapalina o hustotě 789,3 kg/m3 s bodem varu 78,31ºC, kterou lze z prokvašené zápary izolovat destilací. S vodou tvoří azeotropickou směs. Bod tuhnutí je - 114,6°C. Ethanol je hořlavá, lehce vznětlivá látka s vodou neomezeně mísitelná. Etanolové páry jsou 1,6 krát těžší než vzduch, se kterým tvoří výbušné směsi (mez výbušnosti je od 3,3 do 19% obj. ethanolu ve vzduchu). Jeho vodné roztoky jsou hořlavé. Hořlavost kapaliny se ztrácí teprve po několikanásobném zředění vodou. Dalším produktem je velmi čistý oxid uhličitý (CO2), který se používá pro výrobu suchého ledu a pro sycení nealkoholických nápojů. Mezi vedlejší produkty kvasného procesu patří acetaldehyd. Je to přirozený produkt kvašení a jeho obsah se zvyšuje při nesprávném kvašení. Bod varu acetaldehydu leží kolem 20°C a proto při destilaci přechází do úkapu. Přiboudlina, která je tvořena isoamylalkoholem, butylalkoholem a propylalkoholem, se při destilaci odstraňuje. Dalšími vedlejšími produkty jsou organické kyseliny (nejvíce kyselina octová), estery, glycerol a metanol.
26
3.4.4.6 Ztráty Ztrátám lze zabránit dodržováním předepsaných postupům a důslednou kontrolou všech operací (GMP). Značné ztráty vznikají nadměrným nárůstem biomasy, tvorbou vedlejších produktů kvašení (glycerol, octová kyselina), silným rozvojem kontaminujících mikroorganismů, ztrátou etanolu v kvasném plynu a špatným zcukřením. Při kvašení zápar, nejčastěji v prvních fázích kvašení, se objevuje nepříjemné pěnění, které je nutno omezit, aby se předešlo poruchám a ztrátám při výrobě. Používá se při tom odpěňovacích prostředků, jimiž se vznikající pěna sráží. Jako odpěňovacích prostředků se využívá rostlinných a živočišných tuků. Minerálních olejů se používá jen málo, kvůli malé srážecí schopnosti a také díky znehodnocení vlastnosti etanolu (Dyr, 1955). Při výrobě etanolu z kukuřice se odpěňovací prostředky moc nevyužívají, protože kukuřičný klíček obsahuje dostatečné množství rostlinných tuků. 3.4.5 Destilace Destilace zralé zápary jíž se získává etanol, je založena na různé těkavosti a tenzi par destilujících složek. Kromě etanolu a vody obsahuje však zralá zápara ještě jiné těkavé látky. Jsou to především vyšší alkoholy, jako isoamylalkohol, aktivní amylalkohol, izobutylalkohol, n-propylalkohol, dále aldehydy, estery, metanol, fural a nižší mastné kyseliny. Destilace je jediná separační metoda, která se používá v průmyslovém měřítku k oddělení etanolu ze zápar a dále pak i jeho čištění. Etanol je kapalina, která tvoří s vodou azeotropickou směs s bodem varu nižším než obě čisté látky. Při destilaci až do koncentrace 95,5 % hm. etanolu za atmosférického tlaku obsahují páry víc těkavější složky (etanol). Při složení azeotropické směsi ( b.v. 78,15°C) je složení par a kapaliny stejné a takovou směs nelze rozdělit destilací za normálního tlaku (Pelikán, 2001). 3.4.5.1 Rektifikace Ke zkoncentrování etanolu (rektifikaci, zvýšení lihovitosti) se ponejvíce používá opakovaná rovnovážná destilace (destilace kontinuální), v pálenicích pak jde o nerovnovážnou (periodickou) destilaci. Při prvním způsobu se nástřik přivádí nepřetržitě do rektifikační kolony. Zároveň se z ní vrchem odvádí směs těkavějších složek, která kondenzuje v chladiči na destilát. Část destilátu se vrací do vrchu kolony jako zpětný tok, tj. kapalina, která je v
27
koloně ochuzována o těkavější složky a teče zpět do kotle. V koloně se ustaví ustálený stav, charakterizovaný vzrůstajícím podílem těkavější složky směrem k horní části kolony. Při tomto způsobu se v koloně oddělí etanol od prokvašené zápary a přitom dochází k jeho zkoncentrování (surový líh), vedlejším produktem jsou výpalky (Henke, 2005). Záparová kolona je mohutnější než ostatní kolony. Bývá jedno- nebo dvoukolonová. Ve dvoukolonovém systému dochází již částečně k rafinaci lihu. Ke zkoncentrování a i částečné purifikaci dochází při průchodu jednotlivými patry (dny). Tam dochází ke styku par s kapalinou jdoucí opačným směrem. Patra mají různou konstrukci, většinou jsou kloboučková, sítová, ventilová nebo i náplňová. Pro chod kolony je důležitý tlak v koloně a správná funkce deflegmátoru, kondenzátoru a chladiče. V deflegmátoru dochází k frakční kondenzaci parní směsi. Ochlazením směsi par zkapalní nejdříve složka méně těkavá (vodní pára) a tím se koncentruje lihový podíl v parách. Vzniklý kondenzát stéká zpět do destilační kolony a tvoří tzv. zpětný tok. (Dyr, 1963). Zpětný tok (reflux) je tvořen zkondenzovanými parami a obsahuje víc výše vroucí kapaliny. Množství alkoholu ve zpětném toku lze vypočítat z koncentrace alkoholu v parách, které do předehřívače vstupují a z něho vystupují. Prakticky s dostatečným přiblížením je první nepatrný podíl kondenzátu v rovnováze s parou, která vychází z kolony (přísně teoreticky je v rovnováze s nekondenzovaným zbytkem par, z nichž vznikl). Deflegmátor u záparové kolony zastává funkci předehřívače zápary. Ohřev záparové kolony může být přímý nebo nepřímý. Při přímém ohřevu však dochází ke zřeďování výpalků. Kolony jsou opatřeny epruvetami (měřidly průtoku), regulátory přítoku vody a páry aj. 3.4.5.2 Druhy rektifikačních kolon Náplňová – funkce obdobná jako u patrových, ale místo pater je zde náplň z Raschingových, Leasingových kroužků atp., uložená na roštech. Části ochuzovací a obohacovací jsou od sebe odděleny, po náplni stéká kapalina proti párám, které stoupají vzhůru. Filmová – obdoba odparky s kapalinovým filmem. Nástřik se přivádí na rotující kotouč, který jej rozstříkne na stěnu pláště, kde se pomocí rotujících stíracích lopatek vytvoří rovnoměrný kapalinový film. Vzniklé páry se stékají s kapalinovým filmem, který se obohacuje o méně prchavou látku a odtéká jako destilační zbytek (Perry's chemical engineers' handbook, 1997). Ve výpalcích se nesmí objevit větší množství alkoholu (max. 0,015 % obj.).
28
3.4.5.3 Pasterace Pasterace je opětovné a samočinné vyvařování zpětného toku z kondenzátoru rektifikační kolony. Vyvařuje se v koloně lihovými párami, pod touto části kolony je odtah pasterovaného lihu zbaveného okapových látek. Nepasterovaný líh, tj. výtok z kondenzátoru rektifikační kolny, se obvykle u nás odtahuje jako samostatná frakce, neboť svou jakosti zpravidla odpovídá lihu určenému pro technické účely. Dříve se vracel do epyratéru (zčišťovací kolony) a odtud po odstranění úkapu znovu do kolony rektifikační. Zvyšování jeho odtahu se zlepšuje jakost pasterovaného lihu. Ovšem takto nelze libovolně zvyšovat výkon přístroje, neboť podíl nepasterovaného lihu může činit nejvýše 10% počítáno na pasterovaný. Jeho množství se reguluje a kontroluje nastavitelnou průtokovou epruvetou umístěnou hned za kondenzátorem na výtokovém potrubí. (Dyr, 1963) 3.4.5.4 Rafinace Rafinace probíhá dohromady s rektifikací. Pro správnou funkci rektifikační kolony má význam správné nastavení koeficientu zpětného toku. Velké závody mají rafinační systémy, které vycházejí přímo ze zápary. Surový líh přicházející ze záparové kolony se před rafinací nařeďuje vodou na koncentraci kolem 40 % obj., aby se zvýšila účinnost dělení do frakcí: úkap, jádro a dokap. Frakce pro přesnější přehled lze také rozdělit na tyto: úkap, úkap střední, jemný líh, velejemný líh, jemný líh, dokap střední, dokap, přiboudlinové oleje. (Dyr, 1963) Úkap, neboli těkavé složky, je tvořen těkavými estery a aldehydy. Jádro jako hlavní podíl následuje po úkapu a je to „čistý“ etanol. Dokap, neboli vysokovroucí složky, obsahuje vyšší alkoholy a těkavé mastné kyseliny, tvořící nepříjemně páchnoucí přiboudlinu. Nepřímá rafinace – provádí se ze zápary v kombinovaném přístroji, kde za záparovou kolonou je připojen normální rafinační přístroj. Podstatným znakem tohoto způsobu je, že se surový líh získány v destilační koloně po kondenzaci nezchlazuje, nýbrž se uvádí přímo do rafinační části přístroje, epyratéru, kde se odděluje úkap. Dále surový líh bez úkapu se vede do lutrové kolony, kde se oddělí lutrová voda a přiboudlina. Nad lutrovou kolonou se nachází kolona rektifikační, kde se oddělí dokap a vlastní rafinovaný líh, z hodní části kolony unikají páry nepasterovaného lihu, které se buď vracejí do epyratéru nebo se odvádějí přes chladicí zařízení jako technický líh.
29
Přímá rafinace – provádí se ze zápary tak, že se zápara přivádí přímo do epyrační části přístroje, kde se uvolní úkapy a dále se zesilují. Zápara zbavená úkapů sestupuje do záparové kolony, zde se vyvařuje líh a jeho páry se vedou do rektifikační kolony. Ze spodní části záparové kolony odtékají výpalky. V rektifikační koloně se líh nejen zesiluje, ale postupně zbavuje i přiboudliny a dokapu. Z horní části se obvyklým způsobem odtahuje pasterovaný líh jako líh rafinovaný a nepasterovaný líh pro technické účely. Tato kolona může být také opatřena obvyklou lutrovou části pro oddělení lutrové vody. Polopřímá rafinace – tento způsob je kombinace předešlých rafinací. Záparová kolona je rozdělená na 2 části, první je část je předčišťovací a druhá je samotná záparová. Zápara se napájí do předčišťovací kolony a postupně se zbavuje lihu, v druhé části pak odtékají výpalky. Lihové výpary postupují do epyratéru, kde se zbavují úkapu obvyklým způsobem. Líh zbavená úkapu vytéká ze spodní části epyratéru do rektifikační kolony. Až sem je tedy tento způsob nepřímá rafinace. Lihové páry ze záparové kolony postupují do horní části lutrové kolony, kde se odděluje přiboudlina, ve spodní části se odděluje lutrová voda. Tato část operace představuje přímou rafinaci. (Dyr, 1963) 3.4.5.5 Schéma zemědělského lihovaru využívajícího tlakový způsob přípravy zápary
Obr. č. 5: Zemědělský lihovar
30
3.4.5.6 Odvodňování lihu Destilací směsi ethanol-voda za normálního tlaku se dostaneme maximálně na koncentraci ethanolu 95,5 % hm., což představuje složení v tzv. azeotropickém bodu (b.v. 78,15 0C). Pro některé účely (v chemickém, petrochemickém průmyslu) je třeba získat alkohol bezvodý. Ten bude zvlášť nutný pro přípravu aditiva ETBE do benzinů nebo pro přímé míchání ethanolu s benzinem. Způsobů výroby je mnoho a jejich výběr závisí na množství a jakosti vyráběného lihu. Odvodňování tuhými látkami: Metoda patří mezi nejstarší odvodňovací metody. Hodí se jen pro výrobu menšího množství. Používá se např. páleného vápna, chloridu vápenatého, sádry, octanu sodnodraselného a jiných látek, které na sebe váží vodu. Odvodňování pomocí kapalin: Sem patří několik různých metod. Předně se jedná o metody azeotropické destilace. Principem metody je vytvoření ternární směsi voda ethanol - třetí složka, která destiluje při teplotě nižší než je bod varu ethanolu. Veškerá voda se váže do ternáru. Etanol zůstane na dně kolony. Příkladem je klasický způsob s benzenem, trichlorethylenem, cyklohexanem. Systém benzen-voda-etanol vytváří ternární azeotrop (obsahující vyšší poměr voda/benzen než nástřik), kterému je blízké složení par odcházejících z hlavy hlavní kolony. Po ochlazení se rozdělí na benzenovou a vodní fázi. Benzenová fáze se vrací do hlavní kolony jako zpětný tok a vodná fáze se uvádí do pomocné kolony, ve které se oddělí benzen, etanol a malé množství vody, zatímco hlavní podíl vody odchází do odpadu. Látky oddělené v pomocné koloně se vracejí zpět do kolony azeotropické destilace. Oddělení vody od etanolu je umožněno tím, že v ternárním azeotropu je poměr vody k etanolu vyšší než v azeotropu vodaetanol (Hengstebeck, 1966). Obsah vody v bezvodém alkoholu je jen několik desetin %. Další metodou je extraktivní destilace. Existuje několik hygroskopických kapalin (váží vodu), jako je např. glycerol a etylenglykol, které po přidání do destilační kolony naváží vodu a alkohol destiluje při svém bodu varu (78,3 °C). Po oddestilování ethanolu se zvýší teplota a destiluje voda a zbude glycerol. Do této skupiny metod můžeme zařadit i extrakci organickými rozpouštědly. Za zmínky stojí uvést použití benzinu při výrobě bioetanolu. Benzinem se vyextrahuje část alkoholu bez vody a tato fáze se použije přímo jako palivo. Benzin s vodou jde pak do kolony, kde se oddělí benzin. Odvodňování destilací: Sníží-li se tlak v koloně na 9,3 kPa dochází k posunu ve složení azeotropické směsi až na skoro 100 % etanolu. Ekonomicky však tento způsob není příliš výhodný. Čím nižší tlak, tím musí být větší průměr kolony, silnější stěny,
31
spotřebuje se hodně elektrické energie a je třeba mít uzavřený obvod chladící vody, aby došlo k ochlazení par o nízké teplotě. Na druhé straně lze však k vytápění využít páru o nižším teplotě. Odvodňování molekulárními síty: Syntetické nebo přirozené látky nazývané zeolity adsorbují selektivně molekuly menší než je určitá hraniční velikost. Pro naši dvojici vstupuje do pórů zeolitu voda, ale ne alkohol. Zařízení pracuje v sestavě dvou zeolitových kolon. Azeotropický ethanol (ca. 5 % vody) vstupuje do kolony, část alkoholu a veškerá voda zůstane na koloně a po nasycení kolony je nutno přepnout odvodňování na druhou kolonu. První kolona se regeneruje propařováním parou. Po ochlazení se lihová kapalina vrací do výroby. Jeden cyklus na koloně trvá jen několik minut. Zeolity mají životnost kolem 1 roku. Využití membránových procesů při odvodňování alkoholu: Z membránových technologií můžeme uvést metodu pervaporace a metodu pertrakce. Metoda pertrakční založená na extrakci přes kapalnou membránu není zatím vyráběna pro provozní účely. Aktuálně, nejpoužívanější purifikační metoda je fyzikální absorbování za použití molekulárního síta, např. ZEOCHEM Z3 - 03 (zvláštní 3A molekulární síto pro EtOH). Další metoda je azeotropická destilace, je dosažen přidáváním benzenu (nebo jeho solí), který také denaturuje etanol. Většina metod využívá použití páleného vápna. (www.reference.com, 2007) 3.4.5.7 Denaturace lihu K energetickým a k některým výrobním účelům se prodává líh za jinou cenu než je cena za potravinářský líh. Aby se tohoto lihu nemohlo používat, denaturuje se přísadou prostředků, které sice znemožňují jeho zneužívaní k pití, nebrání však jeho žádanému a dovolenému upotřebení, Denaturační prostředek má mít především nepříjemnou chuť a zápach. Nesmí být toxický, nebo jinak lidskému zdraví škodlivý, nesmí se nechat známým a snadným způsobem z denaturovaného lihu dokonale odstranit a musí být dosažitelný a cenově přijatelný. Toto jsou podmínky pro denaturační prostředek pro tzv. obecnou denaturaci lihu. Denaturační prostředek pro obecnou denaturaci není látka jednotná, chemicky definovaná, ale směs několika látek (složení a množství přidané není veřejné). Denaturace zvláštní – tato denaturace je určena a povolena jen pro některé výrobní účely, je to denaturace dle požadavku odběratele. Hlavním rysem je, že se
32
obvykle používá prostředku jednoduchého, a že to bývá látka chemicky definovaná. Do této denaturace patří i tzv. motorový líh. 3.4.5.8 Vedlejší výrobky a odpad Vedlejšími výrobky při rafinaci lihu jsou úkap, dokap a přiboudlina. Úkap s dokapem se při rafinaci jímají společně. Lze z nich novou rafinací získat další podíl rafinovaného lihu. Jinak se používají jako technický, již denaturovaný líh. Přiboudlina se pere a po oddělení v dekantéru se horní část odebírá do skladiště přiboudliny (Dyr 1963). Po vydestilování lihu z prokvašených zápar zbývá destilační zbytek – výpalky, který u periodických destilačních přístrojů zůstává ve vařáku nebo u kontinuálních destilačních přístrojů vytéká nepřetržitě ze záparové kolony a zvláštním zařízením se přetlačuje do zásobní výpalkové kádě. Výpalky patří k jedněm z nejvýznamnějších odpadů lihovarského průmysl a to nejen kvůli jejich množství, ale i dost vysokému obsahu (Tab.č.4) organických a anorganických látek. Na 1m3 lihu připadá 10-14 m3 výpalků. Výpalky ze škrobnatých surovin se využívají pro přípravu krmných směsí, pelet a pro výrobu bioplynu. Je třeba je však zahustit a sušit. Kvasinky, které zůstaly ve výpalkách nám zvyšují obsah bílkovin a zlepšují tak aminokyselinové složení. Obsah sušiny není velký (kolem 6 8%). Tabulka č. 4:Složení výpalků z kukuřice Složky voda sušina celková sušina rozpustná maltosa glukosa škrob pentosany
% 93,15 6,85 2,49 0,53 0,55 0,47 0,41
Složky hemicelulosy buničina dusík celkový dusík rozpustný Minerální látky celkem Minerální látky rozpustné tuk
% 1,78 0,32 0,4 0,04 0,4 0,29 0,67
Obsah bílkovin je v kukuřičných výpalcích okolo 25-30%, z toho připadá na volné aminokyseliny asi 2,5%, na kvasničné bílkoviny 11%, aminy a amoniak 1% a rostlinné bílkoviny a peptony asi 15%. Lihovarské kvasnice je možno po promytí usušit a použít jako krmné droždí, nebo pro farmaceutické účely.
33
3.4.6 Alkoholová výtěžnost Alkoholová výtěžnost, která charakterizuje vhodnost suroviny pro výrobu etanolu, se rozumí množství vyrobeného etanolu vyjádřeno ve stupních (litrech) absolutního tj. 100% lihu vztaženého na 100g zpracované suroviny (někdy se udává na 100g sušiny). Surový líh získaný v lihovarech mívá z periodických destilačních přístrojů 86-88 objemových procent, u kontinuálních 90-92 obj.% a z kolon na vysokoprocentní líh 9596 obj.% lihu. Množství absolutního lihu vypočítáme, když skutečnou stupňovitost lihu, zjištěnou lihoměrem, vyjádřenou ve stupních, násobíme množstvím lihu proleklého měřidlem a dělíme 100. 3.4.6.1 Teoretická výtěžnost Při zkvašení vznikají z 1 molekuly glukosy nebo fruktosy teoreticky 2 molekuly etanolu a 2 molekuly CO2, takže: ze 100kg glukosy (fruktosy) – teoretický výtěžek 51,137kg etanolu ze 100kg sacharosy (maltosy) – teoretický výtěžek 53,83kg etanolu ze 100kg škrobu (inulinu) – teoretický výtěžek 56,821kg etanolu Monosacharid C6H12O6 100 g
–
2 C2H5OH + 2CO2 + 118,7 kJ 51,1g
48,9 g
Disacharid C12H22O11 +H2O - 4 C2H5OH + 4 CO2 + E 100 g
53,8 g
46,2 g
3.4.6.2 Praktická výtěžnost V praktickém lihovarském provozu nemůžeme teoretických výtěžků dosáhnout, neboť vznikají různé ztráty: 1) při zpracování není veškerý škrob obsaženy v surovinách převeden v rozpustné a zkvašení schopné sacharidy 2) část prokvasitelného cukru použijí kvasinky k stavbě svého těla (glykogen) a k udržení životních funkcí 3) část nerozpustných sacharidů zůstane neprokvašená 4) určité množství jinak zkvasitelných sacharidů je přeměněno infekci na jiné produkty než etanol (kyseliny), nebo i kvasinkami na vedlejší produkty kvašení
34
5) z vyrobeného alkoholu se za styku zápary se vzduchem tvoří acetaldehyd i kyselina octová (Dyr, 1955) 6) nedodržení technologických postupu
3.5 Bioetanol jako energetický zdroj Bioetanolem označujeme ethanol získaný fermentací a určený pro výrobu paliv. Požadavky na kvalitu palivového ethanolu jsou v ČR dány ČSN 65 6511 (Moudrý, 2007). Přídavek ethanolu do benzinu se prováděl u nás již před druhou světovou válkou, tehdy se jednalo o povinné přídavky alkoholu do benzinu (Kára, 2001). Pro aplikaci ethanolu je nejznámější “Brazilský lihový program”, který ukázal na výhody a nevýhody jeho zaváděný ve velkém měřítku (Gressel, 2007). V USA, Francii a dalších zemích se navázalo na tyto zkušenosti. Současná doba se vyznačuje nutností revidovat všechny technologie způsobující znečištění životního prostředí. Spalování fosilních paliv ke znečištění ovzduší přispívá hlavní měrou. V případě spalování nafty a benzinů v motorech nejde jen o emise oxidu uhličitého, ale i o znečišťování zplodinami hoření. Proto se hledají alternativní zdroje paliv, které by zajistily v rámci možností naší planety svou regeneraci, ale též využití vznikajícího oxidu uhličitého. Tyto látky však nesmí podstatně zhoršovat kvalitu paliv a mají vnést do směsi určité množství kyslíku (tzv. oxygenátů). Tak zvaná biopaliva jsou kyslíkaté sloučeniny, které přidáním do klasických pohonných hmot zlepšují jejich oktanové číslo a spalování, což vede ke snížení obsahu některých škodlivých látek ve výfukových plynech. Ethanol je určen pro motory benzinové, ale i použití ethanolu pro naftové motory se úplně nevylučuje. Ethanol lze přímo přidávat do benzinu ( USA - 10 %, Brazílie - 22 %, Polsko - 5 %) (Rosenberger, 2002). Oxygenáty (mezi ně patří i ethanol a aditivum připravené z ethanolu, ETBE: ethyl-terciární butyl-ether) snižují obsah oxidu uhelnatého (snížení o 10 - 30 %) ve spalinách. Ethanol snižuje i celkový tlak par benzinu a zvyšuje oktanové číslo paliva. Na druhé straně se však snižuje výkon motoru a zvyšuje se proto i spotřeba paliva. ETBE má proti MTBE (methyl-terciární butyl-ether) řadu výhod, hlavně též proto, že methanol pochází z fosilních paliv a při spalování vzniká nebezpečí tvorby formaldehydu (karcinogen). Další výhodou ethanolu je snížení teploty hoření paliva a tím se snižuje i množství vznikajících oxidů dusíku. Vzhledem k nižší těkavosti směsi ethanol - benzin, je nutné přídavkem jiných látek odstranit problém studených startů (pro zimní období je výhodnější ETBE). Z hlediska výroby bioetanolu není třeba
35
zásadně měnit kvasnou část výroby. Je však třeba provést všechna opatření, aby výrobní cena ethanolu byla co nejnižší. Dnes se již vyrábějí pohonné směsi s přídavkem 10 až 85 % etanolu pod označení E 10 až E 85. Jsou vyráběna tzv. "pružná vozidla" (FFVs - flexible fuel vehicles), jejichž motory jsou vyvinuty tak, že pracují na 100 % benzin, nebo směsi s podílem až 85 % etanolu. Všechny velké automobilky už tato vozidla začínají nabízet na trhu. Jejich ceny jsou srovnatelné s cenami standardních vozidel a některé tyto typy jsou již prodávány jako standardní vozidla. (Badger, 2002)
3.6 Legislativa Líh je komoditou, které každý stát věnuje zvláštní pozornost. Výroba, skladování a manipulace s lihem jsou v ČR ošetřeny zákonem č. 61/1997 Sb., o lihu, účinném od 1. 7. 1997, kde se v § 13 odst. 3 mj. praví: “Líh používaný jako zdroj obnovitelné energie v pohonných hmotách a jako palivo při výrobě energie nebo tepla může být vyroben pouze ze zemědělských plodin vypěstovaných na území České republiky.” A vyhláškami Ministerstev financi a zemědělství ČR č. 81 a 82/2000 Sb. Nedenaturovaný líh je zatížen spotřební daní, která je významnou zdrojovou položkou státního rozpočtu. Evropská unie svými předpisy limituje množství lihu v benzínu maximálním přípustným obsahem kyslíku 2,3 až 2,7 %. Po přepočtu to pro benzín znamená maximální obsah etanolu 5 %. Takové množství by pro ČR znamenalo náhradu více jak 85 000 t benzínu ročně. V rámci Evropské unie byla uzákoněna možnost daňových úlev pro biopaliva ve výši 90 a více % ze stanovené sazby. Zároveň existují závazky nahradit do roku 2004 15 % energie obnovitelnými zdroji a 20 % do roku 2025. Zdaleka ne ve všech členských státech EU má bioenergie tak vysoké zastoupení, proto se počítá s rozšířením palivového využití bioetanolu i do dalších zemí. Nejvýznamnějším opatřením je vrátka spotřební daně z paliv a maziv dle zákona č. 587/92 Sb.(novela) O spotřební dani ve znění zákona č. 129/99 § 12 odstavec 1 písmeno h) " Vyskladnění uhlovodíkových paliv a maziv obsahujících líh podle § 19 odst. 6 se vrací daň ve výši odpovídající množství lihu obsaženém v uhlovodíkovém palivu a mazivu." a § 12 odst. 1 písmeno i) " Vyskladnění uhlovodíkových paliv a maziv obsahujících ETBE podle § 19 odst. 6 se daň vrací ve výši odpovídající 45 % množství ETBE obsaženém v uhlovodíkovém palivu a mazivu". Dále pak je v § 19 odst.
36
6) je zmíněna možnost přidávat do paliva 5 % lihu, nebo 15 % ETBE. V § 22 je uvedena sazba spotřební daně pro benzin. Problémy technického charakteru, které se vyskytly při realizaci výroby ETBE byly dořešeny úpravou znění § 12 odst. 1 h) takto: Směs, která se skládá nejméně z 85 % benzinu a nejvýše z 15 % ETBE včetně nezreagovaného lihu při výrobě ETBE. Do návrhu nového zákona o spotřební dani, do § 44 - "Předmět daně" je podána připomínka, která umožňuje aplikovat: Směsi motorových paliv a lihu, neuvedené v odstavci f) a g), to je: směsi benzinu s lihem, které obsahují nejméně 95 % benzinu a nejvýše 5 % lihu a směsi benzinu s etyl-terciál-butyl-éterem, které obsahují nejméně 85 % benzinu a nejvýše 15 % etyl-terciál-butyl-éteru, to znamená : směsi, které obsahují nejvýše 95 objemových % lihu a jsou použity k pohonu vznětových i zážehových motorů. Při využití ethanolu k výrobě paliv jde v České republice zásadně o tzv. agroalkohol vyráběný klasickým postupem z cukernatých nebo škrobnatých zemědělských plodin. S ohledem na drahou zpracovávanou surovinu je tento způsob nemyslitelný bez dotačních podpůrných programů (Váňa, 2006). Podpora výroby bezvodého kvasného lihu v rámci podpůrných programů stanovených podle § 2 odst. 1 zákona č. 252/1997 Sb. pro rok 2000, 2001 a 2002. Nařízení vlády č. 86/01 set-aside - program uvádění půdy do klidu - tritikále jako plodina vhodná pro výrobu lihu pro použití v palivech. Pro rok 2002 je vyřazena možnost aplikace nařízení vlády č. 86/01 z toho důvodu, že údajně nelze poskytovat dvojí podporu jednomu projektu, zůstává tedy přímá dotace, která se vztahuje na dodávky lihu pro výrobu paliv - přimíchávání 5 % lihu do benzinu, nebo výrobu ETBE. Zákon o lihu č. 61/1997 Sb. a příslušné vyhlášky č. 147/1997 MF ČR a MZe ČR . Zákon o spotřebních daních č. 353/2003 Sb. v platném znění. Zákon o dani z přidané hodnoty č. 354/2003 Sb. v platném znění . Zákon ze dne 29. 1. 2004, kterým se mění zákon č. 86/2002 Sb. o ochraně ovzduší ve znění zákona č. 521/2002 Sb. Zákon č. 229/2004 Sb. ze dne 29. 4. 2004 – Vyhláška, kterou se stanoví požadavky na pohonné hmoty pro provoz vozidel na pozemních komunikacích a způsob sledování a monitorování jejich jakosti.
37
Nařízení Rady (EU) č. 670/2003 ze dne 8 .4. 2003 určující specifická opatření pro trh etylalkoholem zemědělského původu. Nařízení Rady (EU) č. 2003/30/EC ze dne 8. 5. 2003 na podporu užití biopaliv a jiných obnovitelných paliv v dopravě. Vláda ČR usnesením č. 833/2003 schválila program Podpory výroby bioetanolu pro jeho přimíchávání do automobilových benzínů a motorové nafty, pro záměnu metanolu při výrobě metylesteru řepkového oleje a metyltercbutylesteru a jako alternativního paliva s podporou jeho uplatnění na tuzemském trhu jako součást opatření naplňujících Národní program hospodárného nakládání s energií a využívání jejích obnovitelných a druhotných zdrojů.
3.7 Případové řešení kukuřičného lihovaru společnosti LentiKat´s a.s. při použití nestandardních metod výroby bioetanolu Pro přiblížení současného průmyslového zpracování kukuřičného zrna pro výrobu bioetanolu byla využita technologie zpracovaná českou inženýrskou společnosti VUCHZ Brno, která se zabývá designem, dodávkami a následně uváděním do provozu jak malých lihovarů, tak i velkých lihovarů zaměřených na biopaliva. Při projekci bylo vycházeno za zadání investora, který požadoval výkon lihovaru 45 m³ lihu denně, surovina kukuřice s obsahem škrobu 74 %, požadovaná kvalita líh bezvodý pro biopaliva, 99,8 % absolutního alkoholu. 3.7.1 Technologie enzymatické dvoustupňové hydrolýzy Pro zcukření škrobu obsaženého v kukuřičném zrně byla navržena enzymatická dvoustupňová hydrolýza. Konečným produktem zcukření byla glukosa. Daná technologie výroby glukosy z kukuřice zbavené obalových, lignocelulósových vrstev o kapacitě 4 054 kg/hod se sestává z nerezové nádoby ztekucení objemu 90 m3 opatřené míchadlem, s dobou zádrže 3 hodiny a při teplotě 85°C. Do tohoto reaktoru se kontinuálně přivádí směs pošrotované kukuřice s velikostí částic 300-500 µm v množství 3 324 kg za hod, 17,2 m3/hod vody a dávka ztekucovacího enzymu alfaamylázy. Během této operace dojde ke ztekucení škrobu. Poté se zápara po ochlazení pomocí deskového výměníku vede do vyrovnávací nádrže, kde je roztok dextrinů jednorázově v krátkém čase přečerpán do SBR zcukřovacích reaktorů. Zcukřovací reaktory jsou dva a pracují sekvenčním systémem. Celkový objem reaktorů zcukření je 74,3 m3 (2x37,2 m3), kde dochází ke zcukření a konečné produkci glukosy z vyšších
38
sacharidů maltosy a maltotriosy. Navržena je výstupní koncentrace glukosy 150 g/l, přičemž hmotností tok glukosy je 3096 kg/hod. Pro danou technologii výroby glukosy z kukuřice jsou navrženy následující technologické podmínky ztekucení a zcukření: a) ztekucení: 1. kontinuální reaktor opatřený míchadlem 2. teplota: 80-85°C. 3. hodnota pH: 5,5-6. b) zcukření: 1. opakované batch konverze. 2. plnění reaktoru Biokatalyzátorem lentikats (zkratka – lks): 10 obj.% 3. průměrná rychlost produkce glukózy (GLC) v opakovaných batch konverzích: 600 g glukosy hod-1 . kg-1 lks. 4. teplota: v rozmezí 40-38°C. 5. hodnota pH: 4,5-5. 6. stupeň ztekucení: 95% a více 7. koncentrace GLC v médiu: 127,5 g/l 3.7.2 Technologie přeměny cukrů na etanol Pro danou technologii výroby etanolu z kukuřice po dvoustupňové enzymatické hydrolýze škrobnaté suroviny jsou navrženy následující technologické podmínky fermentace: 1. opakované batch konverze 2. plnění reaktoru lks: 10 obj.% 3. průměrná rychlost konverze glukózy (GLC) v opakovaných batch fermentacích: 180g glukosy/hod/kg lks 4. teplota: 30-35°C. 5. hodnota pH: 4,5-5 6. výtěžnost etanolu: 95% a více 7. hustota etanolu: 789 g/l 8. počáteční koncentrace GLC v médiu: 150 g/l 9. koncentrace etanolu v médiu po fermentaci: max. 9,3 obj.% (73,2 g/l)
39
3.7.3 Stručný popis kompletní technologie výroby glukosy a etanolu V kontinuální technologii enzymatické dvoustupňové hydrolýzy a výroby etanolu Biotechnologií lentikats je tedy navržen systém s jedním kontinuálním průtočným reaktorem ztekucení opatřeným míchadlem, vyrovnávací nádrží, dvěma reaktory zcukření s
Biokatalyzátorem lentikats s imobilizovaným enzymem
glukoamylázou a pracujících v systému SBR (Sequence Batch Reaktor) a třemi reaktory fermentace s Biokatalyzátorem lentikats s imobilizovanou anaerobní bakterií Zymomonas mobilis. Objem reaktoru 1. stupně hydrolýzy je 90 m3. Objem jednoho SBR reaktoru 2. stupně hydrolýzy je 44,6 m3. Proud cukrů z prvního stupně enzymatické hydrolýzy je jímán v zásobní, retenční nádobě objemu 77 m3, roztok dextrinů je dále dávkován do SBR reaktorů zcukření. Výroba etanolu zajištěna třemi SBR reaktory fermentace. Objem jednoho reaktoru fermentace je 90 m3 (s rezervou na tvorbu pěny). V rámci zajištění standardnosti produkce etanolu, konstantní výtěžnosti etanolu nátoku je za reaktory fermentace použita retenční nádoba s dobou zádrže 3 hod (objem 91 m3). Do jednotlivých reaktorů 2. stupně hydrolýzy s Biokatalyzátorem lentikats s imobilizovanou glukoamylázou je dávkována zápara po ztekucení vřetenovým čerpadlem přes deskový výměník, který ochladí záparu na 38-40°C z retenční nádoby. Doba dávkování do reaktoru zcukření je 0,5 hod. Do reaktorů zcukření se dávkuje z boku nad sítový separátor. Ve zcukřovací nádrži probíhá produkce glukosy z vyšších sacharidů po procesu ztekucení po dobu 1,5 hodin při teplotě 38-40°C a pH - 4,5-5. Následně se z reaktoru 2. stupně hydrolýzy cukernatý roztok přepustí vřetenovým čerpadlem do reaktoru fermentace. Při vypouštění reaktoru hydrolýzy dojde na sítovém separátoru umístěném u dna reaktoru k zachycení biokatalyzátorů – imobilizovaného enzymu glukoamylázy a k oddělení biokatalyzátoru od kapalné fáze. Proud cukernatého roztoku je tedy z reaktorů zcukření čerpán odstředivým čerpadlem do reaktorů fermentace po dobu 0,5 hod. Následuje fermentace glukózy na etanol po dobu 4,5 hodin. Při fermentaci je reaktor míchán a pomocí chladících vnitřních registrů je teplota udržována na teplotě 30-35°C. Dávkováním NaOH je pH regulováno v rozmezí 4,8 až 5. Pěna je regulována pomocí dávkování odpěňovacího činidla. Po ukončené fermentaci je fermentor vypouštěn spodem pomocí odstředivého čerpadla. Při vypouštění reaktoru fermentace dojde na sítovém separátoru umístěném u
40
dna reaktorů k zachycení biokatalyzátorů - imobilizovaných baktérií a k oddělení biokatalyzátoru od kapalné fáze. Prokvašená zápara je čerpána do druhé retenční, egalizační nádrže s dobou zdržení 3 hodiny odstředivým čerpadle po dobu 1 hod. Účelem této nádrže je vyrovnat koncentraci etanolu na vstupu do destilace. Pro technologii výroby ethanolu z kukuřice jako škrobnaté suroviny se jako velmi zajímavá jeví také možnost použití enzymatických přípravků na snížení viskozity kukuřičné zápary připravené klasickým šrotováním bez separace otrub. Toto řešení bude představovat jednak snížení provozních nákladů na energie (míchání, čerpání) a také možnost efektivně separovat otruby a kukuřičné klíčky ve vlhkém stavu bez ztráty škrobu, které jsou tak využitelné v procesu výroby etanolu. Na výpalky s nižším obsahem sušiny i viskozity bude možno aplikovat membránové procesy na výrobu procesní vody, která bude vracena zpět do procesu . Tab.č.5: Porovnání s klasickou technologií ve vybraných parametrech Položka
Jednotka
Denní produkce lihu
m³
45
45
Denní spotřeba kukuřice
tuna
97,3
102,7
Denní spotřeba ztekucovacího enzymu
kg
25,3
26,6
Denní spotřeba zcukřovacího enzymu
kg
27
61,3
Suché kvasnice
kg
-
3,7
Kyselina sírová
kg
92
92
Hydroxid sodný 40 %
kg
51
1180
Roční spotřeba Biokatalyzátoru lentikats pro zcukření
tuna
44,2
-
Roční spotřeba Biokatalyzátoru lentikats pro fermentaci
tuna
14
-
(www.lentikats.eu, 2008)
41
Biotechnologie Klasická lentikats technologie
4 MATERIÁL A METODIKA 4.1 Materiál 4.1.1 Použité hybridy kukuřice V rámci poloprovozních polních pokusů byly pěstovány hybridy kukuřice dodané společností Monsanto. Přehled hybridů je uveden níže. Amadeo
DKC 3476
Anasta
DKC 3511
Delitop
DKC 3712
DK 287
DKC 3759
DK 315
DKC 3946
TXP 939 A-V
DKC 4442 YG
DK 440
DKC 4626
DKC 2870
Chambord
DKC 2949.
KWS 2376
DKC 2960
LG 3232
DKC 2971
PR 37 D 25
DKC 3355
PR 38 A 24
DKC 3420
PR 39 F 58
TXP 138-F
PR 39 G 12
DKC 3421 YG
TPA 422 H
42
4.2 Metodika pokusu 4.2.1 Charakteristika pěstitelských stanovišť Pokusy byly založeny v roce 2006-07 na 4 lokalitách (Obr.č.6). V roce 2006 to byly stanoviště Jiřice a Vyšehořovice a v roce 2007 lokality Bečváry a Slatiny. Charakteristika jednotlivých lokalit včetně seznamu pěstovaných hybridů kukuřice je uvedena v následujících tabulkách. Veškeré údaje pro popis všech lokalit uvedených v této práci byly dodány společností Monsanto s.r.o..
Slatiny Vyšehořov ice Bečváry
Jiřice
Obr.č.6 Pokusné stanoviště Jiřice Na lokalitě v Jiřicích bylo pěstováno celkem 18 hybridů kukuřice, z toho byly 2 hybridy geneticky modifikované (tab.č.6).
Tab.č.6:Seznam použitých odrůd kukuřice GMO Var. Hybrid 1 DKC 3511kontrola 2 DK 287 3 DKC 3712 4 DKC 3759 5 DKC 3511kontrola 6 DK 315 BT 7 TXP 939 A-V 8 DKC 3511kontrola 9 DK 440 BT 10 DKC 4442 YG 11 DKC 4626 12 DKC 3511kontrola 13 Anasta 14 Chambord 15 PR38 A24 16 PR37D 25 17 KWS 2376 18 LG 3232 Pozn. BT – hybridy kukuřice geneticky modifikované Průběh povětrnostních podmínek během vegetace je uveden v tab.č.7. Tab.č.7: Povětrnostní podmínky Teplota °C Srážky mm 1,7 61,1 10,5 58,4 13,9 65,7 18,1 100,2 23,1 5,6 16,7 118,3 17,1 19,5 11,7 8,6 Roční charakteristiky roční úhrn srážek 501,2 Prům. roční teplota 9,6 Měsíc III IV V VI VII VIII IX X
Způsob pěstování a použitá agrotechnika jsou uvedeny v tab.č.8. Jsou zde uvedeny termíny agrotechnických opatření, dávky hnojiv a termín sklizně. V tab.č.9 jsou prezentovány hodnoty sklizňové vlhkosti zrna jednotlivých sklizených hybridů.
44
Tab.č.8: Použitá agrotechnika Datum Operace 25.7.05 osivo podzim 05 sklizeň předplodiny sklizeň slámy podmítka 15.11.05 orba jaro 06 12.4.06 urovnání pozemku 28.4.06 základní hnojení N 29.4.06 příprava na setí 5.5.06 setí kukuřice 6.5.06 selektivní herbicid 3.11.06 sklizeň
Detail část nebyla mořena Gaucho = silné napadení drátovci předplodina pšenice ozimá ano disky , do 10cm ano smyk 150 kg N č.ž. v DAM 390 kompaktor secí stroj KINZE 3000 GUARDIAN safe MAX 2 l/ha, Click 1,5 l/ha sklizecí mlátička Class
Tab.č.9: Sklizňová vlhkost zrna Hybrid DKC 3511kontrola DK 287 DKC 3712 DKC 3759 DKC 3511kontrola DK 315 TXP 939 A-V DKC 3511kontrola DK 440 DKC 4442 YG DKC 4626 DKC 3511kontrola Anasta Chambord PR38 A24 PR37D 25 KWS 2376 LG 3232
Sklizňová vlhkost 25,2 26,7 23,7 19,4 25,7 24,8 25,0 25,8 26,0 25,4 24,9 25,0 25,3 25,1 24,0 28,1 26,8 nebyl
45
Pokusné stanoviště Vyšehořovice Na stanovišti Vyšehořovice bylo pěstováno 11 hybridů kukuřice, z toho 2 hybridy byly geneticky modifikované. Seznam hybridů je uveden v tab.č.10. Tab.č.10:Seznam použitých odrůd kukuřice GMO Var. Hybrid 1 DK 287 2 DKC 2949 3 DKC 2960 4 DKC 3355 5 DKC 3712 6 DKC 3759 7 DKC 3420 BT 8 DKC 3421 YG BT 9 TXP 939 A-V 10 DK 315 11 DKC 3511 Pozn. BT – hybridy kukuřice geneticky modifikované Na dané lokalitě byl opět sledován průběh povětrnosti a získané charakteristiky jsou uvedeny v tab.č.11. Tab.č.11: Povětrnostní podmínky Měsíc III IV V VI VII VIII IX X
Teplota Srážky 2 40,4 9,6 53,4 14,4 90,3 18,6 57,2 23,5 18 16,6 79,8 17,7 11,1 11,6 24,5 Roční charakteristiky roční úhrn srážek 430,3 Prům. roční teplota 9,9 Způsob pěstování včetně termínů agrotechnických zásahů je uveden v tab.č.12. Hodnoty sklizňových vlhkostí hybridů jsou zaznamenány v tab.č.13.
46
Tab.č.12: Použitá agrotechnika Datum podzim 05
jaro 06 26.4.06 2.5.06
Operace sklizeň předplodiny sklizeň slámy ošetření poskl. zbytků podmítka základní hnojení – N,P,K hnojení ROUNDUP management příprava na setí setí kukuřice selektivní herbicid
18.10.06
sklizeň
Detail předplodina pšenice ozimá ano, drcená sláma kejda diskový podmítač 2 x, do 10cm Síran amonný 3,5 q/ha, celkem N 130 kg, P - SP 3 q/ha, K - DS 1 q/ha kejda 30 t/ha likvidace plevelů před setím ROUNDUP RAPID 0.8 L/ha kompaktor před setím secí stroj Becker GUARDIAN SAFE MAX 2,5 l/ha, Click 1,5 lt/ha sklízecí mlátička Class
Tab.č.13: Sklizňová vlhkost zrna Hybrid DK 287 kontrola 1 DKC 2949 DKC 2960 DKC 3355 DKC 3712 DK 287 kontrola 2 DKC 3759 DKC 3420 DKC 3421 YG DK 287 kontrola 3 TXP 939 A-V DK 315 DKC 3511 DK 287 kontrola 4
Sklizňová vlhkost 28,5 28,0 28,5 29,5 29,6 30,4 29,7 28,7 31,0 30,7 30,9 30,3 28,4 28,6
47
Pokusné stanoviště Bečváry V roce 2007 bylo pěstováno na lokalitě Bečváry celkem 15 hybridů kukuřice, z toho 1 geneticky modifikovaný hybrid. Seznam pěstovaných hybridů na této lokalitě je uveden v tab.č.14. Tab.č.14:Seznam použitých odrůd kukuřice GMO Var. Hybrid 1 DK 287 2 DKC 3420 3 TPA 422 H 4 DKC 3946 YG BT 5 DKC 3421 YG 6 DKC 3355 7 DKC 2949 8 DK 315 9 PR 39 F 58 10 LG 3232 11 DKC 2960 12 Amadeo 13 Delitop 14 DKC 3476 15 DKC 3511 Pozn. BT – hybridy kukuřice geneticky modifikované Charakteristiku povětrnostních podmínek během vegetace na stanovišti Bečváry zahrnuje tab.č.15. Z ročních charakteristik není uvedena průměrná roční teplota, neboť nebyla na dané lokalitě sledována. Tab.č.15: Povětrnostní podmínky Měsíc IV V VI VII VIII IX X
Teplota °C Srážky mm 11,3 0,8 15,3 70,1 19 91,7 19,6 59,3 17,5 31,6 12,4 100,8 8,1 12,7 Roční charakteristiky roční úhrn srážek 367 Prům. roční teplota neuvedená
48
Sklizeň plodiny proběhla 23.10.2007. Další agrotechnické operace, termíny a podrobnosti těchto zásahů jsou zahrnuty v tab.č.16. V tab.č.17 jsou opět uvedeny hodnoty vlhkosti po sklizni pro každý hybrid. Tab.č.16.: Použitá agrotechnika Datum Operace podzim 06 sklizeň předplodiny sklizeň slámy podmítka a orba orba ROUNDUP management 20.8.06 hnojení 25.9.06 hnojení 30.9.06 hnojení 30.10.06 hnojení 8.11.06 hnojení 9.11.06 hnojení jaro 07 úprava před setím 13.4.07 hnojení 18.4.07 hnojení 20.4.07 setí 21.4.07 selektivní herbicid 14.5.07 selektivní herbicid 23.10.07 sklizeň
Detail předplodina pšenice ozimá ne ano ano Roundup Forte 0,75kg sláma předplodiny 1,5t kejda skotu (7,8%) 17t, kejda prasat (6,8%) 7t močůvka skotu 8,3372t kejda skotu (7,8%) 7,775t, kejda prasat (6,8%) 5,62t močůvka skotu 4,824t hnůj skotu (23%) 30t 2x kompaktor Amofos 0,2t DAM390 0,405t Guardian Safe Max 2,5 l + Click 1,5 l/ha Mustang 0,6 lt/ha Sklízecí mlátička Class
Tab.č.17: Sklizňová vlhkost zrna Hybrid DKC2949 DKC2960 DKC3355 DK287 DELITOP DKC3476 AMADEO DKC3420 DKC3421YG DKC3946YG DK315 DKC3511 TPA422H LG3232 PR39F58
Sklizňová vlhkost % 25,00 23,40 25,60 32,30 26,90 29,60 27,80 24,80 29,20 29,70 30,60 31,00 30,20 28,00 26,60
49
Pokusné stanoviště Slatiny Na stanovišti Slatiny v roce 2007 bylo pěstováno celkem 17 hybridů kukuřice, z toho 1 hybrid byl geneticky modifikován. Hybridy jsou uvedeny v tab.č.18. Tab.č.18: Seznam použitých odrůd kukuřice GMO Var. Hybrid 1 PR 39 G 12 2 DK 287 3 Amadeo 4 Delitop 5 DKC 3476 6 PR 39 F 58 7 DKC 2971 8 DKC 3355 9 DK 315 10 LG 3232 11 TPA 422H 12 DKC 2960 13 DKC 2870 14 DKC 3946 YG 15 DKC 3511 16 DKC 2949 BT 17 DKC 3421 YG Pozn. BT – hybridy kukuřice geneticky modifikované Tab.č.19 zahrnuje povětrnostní podmínky. Teploty na dané lokalitě nebyly sledovány.
50
Tab.č.19: Povětrnostní podmínky Teploty °C Srážky mm 81 50 23 12 95 164 114 74 70 45 Roční charakteristiky roční úhrn srážek 728 Prům. roční teplota Neuvedeno Měsíc I II III IV V VI VII VIII IX X
Tab.č.20: Použitá agrotechnika Datum Operace podzim 06 sklizeň předplodiny hnojení hnojení hnojení jaro 07 17.4.07 setí 19.4.07 selektivní herbicid 24.5.07 selektivní herbicid 23.11.07 sklizeň
Detail kukuřice močovina 180 kg/ha - 83 kg N DAM 150 l/ha - 58,5 kg N Amofos 130 kg/ha
Click 1,5 + Guardian safe max 2,5 l/ha Milagro 0,5 + Banvel 0,5 l/ha
Charakteristiky použité agrotechniky jsou uvedeny v tab.č.20. Sklizňovou vlhkost pro každý hybrid na této lokalitě uvádí tab.č.21.
51
Tab.č.21: Sklizňová vlhkost zrna Sklizňová vlhkost % Hybrid DKC2870 24,20 DKC2971 24,10 DKC2949 24,30 DKC2960 26,00 DKC3421YG 28,10 DKC3355 28,10 DKC3476 27,70 DK287 28,70 DKC3946YG 29,30 DK315 30,20 DKC3511 30,70 TPA422H 32,60 PR39G12 26,20 PR39F58 27,80 DELITOP 25,70 LG3232 25,40 AMADEO 27,90 Při sklizni na každé lokalitě byly odebrány vzorky zrna kukuřice pro stanovení základních parametrů kvality a zjištění výtěžnosti bioetanolu. 4.2.2 Rozbory vzorků zrna Příprava vzorků pro analýzy Vzorky zrna byly nejdříve dosušeny na vlhkost 14%, protože byly dodány s vysokou posklizňovou vlhkostí. Následně byly přečištěny a dále byly pomlety na laboratorním mlýnku Ozap na hrubý šrot. Ve šrotu byla stanovena sušina, obsah škrobu a jeho vlastnosti. Tento materiál byl použít i pro laboratorní kvasnou zkoušku. Stanovení sušiny Bylo provedeno vážkově sušením do konstantní hmotnosti, dle normy ČSN ISO 712. Stanovení obsahu škrobu a jeho mazovatění Obsah škrobu byl stanoven metodou dle Ewerse (Basařová et. al, 1992). Mazovatění a teplota mazovatění byly stanoveny pomoci amylografu.
52
Metoda laboratorní kvasné zkoušky Pro stanovení výtěžnost bioetanolu byly použity pomleté vzorky kukuřice. Vzorek byl nejdříve zcukřen a následně prokvašen. Pro přípravu sladké zápary byly využity enzymy společnosti Genencor: Optimash XL: celulasa a xylanasa pro zpracování celé obilné biomasy, vysoce koncentrovaný komplex celulasy a xylanasy Spezyme Ethyl: termostabilní alfa-amylasa pro zkapalnění škrobu za vysoké teploty, snižuje viskozitu rmutu Fermenzyme L-400: zcukřující a proteolytický enzym V laboratorních pokusech byly použity k zakvašení sušené aktivní lihovarské kvasnice kmene Saccharomyces cerevisiae. Sušená forma umožňuje snadnou manipulaci, snižuje riziko kontaminace a kvasnice jsou snadno skladovatelné. Postup laboratorní kvasné zkoušky : Zkouška byla prováděna tak, aby došlo k maximální výtěžnosti bioetanolu z daného vzorku. Tomu odpovídají dávky enzymů, lihovarských kvasnic a dodržení optimálních podmínek reakce (dostatečná doba, teplota). Příprava zápary Rmutování proběhlo ve rmutovací lázni za neustálého míchání rmutu. Před započetím byla lázeň vyhřátá na 65°C. Do této lázně pak byly vloženy rmutovaní kádinky se šrotem zředěným vodou v poměru 1:3,5. K rmutu, jehož pH bylo upraveno na 5,5 (upravuje se kyselinou sírovou), byl přidán enzymatický preparát Optimash XL (25µl), který působil 30 minut. Následně se teplota postupně zvyšovala až na 90°C za současného přídavku enzymatického přípravku Spezyme Ethyl (80µl). Doba působení výšší teploty a přípravku Spezyme Ethyl činila 90 minut. Následně byl rmut ochlazen na 60°C, pH upraveno na 4 a byl přidán Fermenzyme L-400 (50µl), který působil 30 minut. Po této době bylo zcukřování ukončeno. Směs byla ochlazena na 25-30°C a převedena kvantitativně do zvážené Erlenmayerovy baňky, která se na závěr dovážila na 500g. Pro zakvašení byl přidán 1g sušených aktivních lihovarských kvasnic kmene Saccharomyces cerevisiae. Kvasná baňka byla vložena do termostatu o teplotě 30°C, na dobu 96 hodin.
53
Zjištění obsahu ethanolu Obsah etanolu byl stanoven destilačně a následně pyknometricky. Výpočet výtěžnosti bioetanolu byl pak proveden dle následujícího vzorce: Vzorec: BE/100kg sušiny ob.%= [hmotnost zápary (g).koncentrace bioetanolu (%)].100/navážka šrotu (g) . sušina vzorku (%) 4.2.3 Vyhodnocení výsledků Získané výsledky byly zpracovány do tabulek a vyjádřeny rovněž graficky. Z důvodu zdlouhavosti metody, počtu vzorků a nemožnosti opakování, nebyly výsledky vyhodnoceny statisticky.
54
5 VÝSLEDKY A DISKUZE Získané výsledky rozborů zrna kukuřice a kvasných zkoušek jsou uvedeny v tabulkách a vyjádřeny graficky. V tabulkách č. 22-25 jsou uvedeny základní lihovarské charakteristiky, které jsou z hlediska výtěžnosti bioetanolu nejpodstatnější a to škrobnatost zrna a teplota mazovatění. V následujících tabulkách pak je uvedena výtěžnost bioetanolu skutečná, dosažená kvasnou zkouškou a teoretická, vypočtená ze škrobnatosti (tab.č.26-29). Rozhodující z hlediska produkce bioetanolu často nebývá pouze dosažitelná výtěžnost, ale produkce bioetanolu z hektaru. Tato byla vypočítaná a je uvedena v tabulkách 30-33. V poslední tabulce (tab.č.34) jsou pak vyhodnoceny produkční schopnosti jednotlivých lokalit. Výsledky sklizně z roku 2006 Kvalita dodaných vzorků se významně lišila. Nejvíce znečištěny byly vzorky z Vyšehořovic, kde byl zaznamenán i vysoký výskyt zavíječe (52%). Vzorky z Jiřic již takové rozdíly nevykazovaly. Zrno z lokality Jiřice bylo sklizeno 3.11.2006 při sklizňové vlhkosti od 19,4 do 28,1% (tab.č.9). Na lokalitě Vyšehořovice proběhla sklizeň zrna 18.10.2006 se sklizňovou vlhkostí od 28,0 do 31,0 % (tab.č.13). Stanovená sušina se pohybovala u vzorků z Jiřic od 90,42% do 91,37% (tab.č.22) a u vzorků z Vyšehořovic od 90,8% do 91,36% (tab.č.23). Z porovnání obou lokalit se v průměru nijak hodnoty nelišily, nebyly velké ztráty. Obsah škrobu, který je podstatný pro výtěžnost bioetanolu, se u vzorků z Jiřic (tab.č.22) pohyboval od 71,98% (hybrid LG 3232) do 76,89% (hybrid DKC 3511). Škrobnatost na této lokalitě byla obecně vysoká a pohybovala se okolo 74,79%. U vzorků z Vyšehořovic byl obsah škrobu o něco vyšší a pohyboval se okolo 75,2%. Rozdíly mezi jednotlivými hybridy nebyly tak velké. Nejnižší škrobnatost vykazoval hybrid DKC 3421 YG (74,05%) a nejvyšší hybrid 3511 (76,86%) (tab.č.23). Jak můžeme pozorovat, nejvhodnější pro výrobu bioetanolu, z pohledu škrobnatosti, je hybrid DKC 3511, protože obsahoval v průměru obou lokalit nejvíce škrobu. Hodnoty škrobnatosti u všech hybridů se pohybovaly nad 70%, což koresponduje s údaji, které uvádí např. Kunteová (2006). Jedna z nejdůležitějších vlastností škrobu z pohledu zpracování je mazovatění, což má vliv na vlastnosti rmutu v procesu rmutování a
55
rozhoduje i o průběhu zcukření. Důležitá charakteristika mazovatění je teplota mazovatění. Při laboratorních zkouškách u vzorků z lokality Jiřice se teploty mazovatění pohybovaly od 77,5°C do 85°C (tab.č.22) a u vzorků z Vyšehořovic byly nižší v rozpětí od 76°C do 83,5°C (tab.č.23). Svou roli zde sehrál i termín sklizně. Škrobnatost se podstatnou měrou promítá do výtěžnosti bioetanolu. Ne vždy však stoprocentně s výtěžkem lihu koresponduje. Pro vyhodnocení tohoto vztahu jsme provedli teoretický výpočet bioetanolu, který je prezentován v tab.č.26 a 29 (obsah škrobu je násoben koeficientem 0,66). Srovnáním hodnot skutečných a teoretických výtěžností pak můžeme pozorovat k jakým ztrátám v průběhu přípravy rmutu či kvasném procesu došlo. Většinou se dá očekávat, že čím je vyšší obsah škrobu u daného vzorku, tím je každopádně větší teoretická výtěžnost bioetanolu, a také by měla být vyšší i změřená skutečná výtěžnost bioetanolu při kvasné zkoušce. Výtěžnost bioetanolu z lokality Jiřice se v průměru pohybovala okolo 40,71 %, kde největší výtěžnost 42,8% měl hybrid DKC 3511 a nejnižší 37,3% byla stanovena u hybridu LG 3232 (tab.č.26). Teoretická výtěžnost se pak pohybovala od 47,51 do 50,75%. Tyto výtěžnosti odpovídají obsahům škrobu u daných hybridů. Vzorky z Vyšehořovic vykazovaly v průměru výtěžnost bioetanolu 40,87%. Největší výtěžnost 42,2% byla u hybridu DK 287 a nejnižší 40,2% u GMO hybridu TXP 939 A-V (tab.č.27). Teoretická výtěžnost se pak pohybovala od 48,71 do 50,73%. Hodnotíme-li rozdíly mezi teoretickou a skutečnou produkcí bioetanolu, pak musíme konstatovat, že využitelnost sacharidů pro výrobu bioetanolu se pohybuje mezi 78,52-85,82% u lokality Jiřice a u Vyšehořovic v rozmezí 79,72-85,48%. Vyšší je na lokalitě Jiřice, kde se v průměru využitelnost pohybovala okolo 82,45%. Průměrné rozdíly mezi lokalitami jsou ale velmi malé a činí cca 0,06% (tab.č.26-27). Vztah mezi obsahem škrobu a výtěžnosti bioetanolu z obou lokalit znázorňuje graf č.2 a graf č.3. Teoretické a změřené výtěžnosti bioetanolu z těchto stanovišť jsou znázorněny v grafu č.14 a grafu č.15. Pokud bychom měli hodnotit celkovou produkci bioetanolu z hektaru, potřebujeme znát výnos sušiny zrna a výtěžnost bioetanolu ze 100kg sušiny zrna. Tyto hodnoty, včetně výnosu zrna se 14% vlhkostí jsou uvedeny v tab.č.30-31. Jak můžeme pozorovat, výnos zrna je rozhodující pro celkovou produkci bioetanolu. Na stanovišti v Jiřicích byl velmi variabilní a pohyboval se v rozmezí od 3,96t sušiny zrna/ha do 10,56t/ha. Při tak diametrálně odlišném výnosu se i celková produkce bioetanolu výrazně lišila. Nejvyšší produkci jsme zaznamenali u hybridu PR 38 A 24, který patří k Bt-hybridům. Jak uvádí Studničný (2007), poslední dobou se u Bt-hybridů výrazně 56
zvyšují výnosové hodnoty, to se tedy potvrdilo i v našem pozorování. Nejnižší byla naopak u odrůdy DKC 4626. Rozpětí mezi těmito hybridy činilo neuvěřitelných 2563,44 l/ha (tab.č.30). Na stanovišti Vyšehořovice pak zřejmě pěstitelské podmínky neumožnily využít výnosový potenciál kukuřice a výnosy se zde pohybovaly od 3,97 do 7,85t sušiny zrna z hektaru. Variabilita ale nebyla tak vysoká. Výtěžnost se pohybovala v rozmezí od 1580,06 l/ha do 3273,94 l/ha (tab.č.31). Výnosové hodnoty pro škrob a bioetanol jsou pro obě lokality znázorněny v grafech, pro škrob je to graf č.6 a graf č.7 a pro bioetanol graf č.10 a graf č. 11. Výsledky sklizně z roku 2007 V roce 2007 byly pokusy založeny na jiných lokalitách a to stanoviště Bečváry a Slatiny. Z lokality Bečváry bylo k dispozici 15 vzorků kukuřice a z lokality Slatiny 17 vzorků. Sklizeň na stanovišti Bečváry proběhla 23.10.2007 se sklizňovou vlhkostí od 23,4 do 32,3% (tab.č.17). Na lokalitě Slatiny se uskutečnila sklizeň dne 23.11.2007 při sklizňové vlhkosti od 24,1 do 32,6% (tab.č.21). Naměřená sušina při laboratorním stanovení byla u těchto lokalit vysoká, ačkoliv se v průměru o moc nelišila. Od 88,43% do 89,73% u vzorků ze stanoviště Bečváry (tab.č.24) a od 88,13% do 89,82% u vzorků ze Slatin (tab.č.25). Obsah škrobu, stanovený dle Ewerse, se pohyboval na lokalitě Bečvary v průměru okolo 74,83% při rozmezí od 73,69% (hybrid LG 3232) do 76,71 (hybrid DKC 3511) (tab.č.24). Na lokalitě Slatiny byla škrobnatost v průměru vyšší a to 75,76%. Rozdíly mezi jednotlivými vzorky zrna nebyly tak výrazné. Nejnižší naměřená škrobnatost byla 74,68% (hybrid Delitop), naopak nejvyšší byla 78,15% (hybrid DKC 3511) (tab.č.25). Z obou lokalit vyplývá, že největší obsah škrobu měl opět hybrid DKC 3511, jakož tomu bylo podle výsledných hodnot i v roce 2006. Také u těchto vzorků se měřila teplota mazovatění, protože je to jedna z nejpodstatnějších charakteristik škrobu. Tyto hodnoty teplot se u vzorků z lokality Bečváry pohybovaly od 76 do 85°C (tab.č.24) a u stanoviště Slatiny byly nižší a to v rozmezí od 73 do 83,5°C (tab.č.25). Ačkoliv byly minimální a maximální teploty nižší u vzorků z lokality Slatiny, variabilita výrazněji neovlivnila průměrné hodnoty na jednotlivých lokalitách a rozdíly byly minimální a to jen 0,24°C. Tyto hodnoty převyšovaly hodnoty uváděné v literatuře (Lynn a Stark 1995, Dyr 1965). Skutečná výtěžnost bioetanolu se pohybovala na lokalitě Bečváry od 40,54% (hybrid DKC 3511) do 44,22% (hybrid DK 315) v průměru pak 42,55% (tab.č.28).
57
Hodnoty skutečných výtěžností u vzorků ze Slatin jsou podobné jako u lokality Bečváry. Výtěžnost bioetanolu tedy byla od 40,57% (hybrid DKC 2949) do 44,56% (hybrid DKC 3946 YG) a průměr se pohyboval okolo 42,87% (tab.č.29). Teoretická výtěžnost u vzorků ze stanoviště Bečváry oscilovala v rozmezí od 48,64 do 50,63% (tab.č.28) a u lokality Slatiny od 49,29 do 51,58% (tab.č.29). Jak můžeme vidět, skutečné výtěžnosti bioetanolu na obou lokalitách se nijak moc nelišily, kdežto teoretické hodnoty, díky vyšší škrobnatosti, vykazovaly větší rozdíl. Z těchto výsledků lze také vyčíst, že i když daný hybrid obsahuje větší množství škrobu, nemusí mít také větší, nebo dokonce nejvyšší skutečnou výtěžnost bioetanolu. Je tomu tak u hybridu DKC 3511, který jakožto měl nejvyšší obsah škrobu i teoretickou výtěžnost bioetanolu u obou lokalit. U lokality Bečváry měl nejnižší skutečnou výtěžnost bioetanolu. Využitelnost sacharidů pro výrobu bioetanolu, při hodnocení rozdílů mezi teoretickou a skutečnou výtěžnosti, je zaznamenaná v tab.č.28 pro stanoviště Bečváry a pohybovala se od 80,07% do 89,32%. V Tab.č.29 je znázorněná využitelnost pro lokalitu Slatiny. V průměru byla využitelnost vyšší u stanoviště Bečváry a to o 0,43%, i když nejvyšší hodnotu měl hybrid DKC 3421 YG na lokalitě Slatiny a to 89,73%. Graf č.4 a graf č.5 znázorňuje závislost obsahu škrobu na naměřené výtěžnosti bioetanolu. Rozdíly mezi teoretickými a naměřenými výtěžky u vzorků na těchto lokalitách zahrnuje graf č.16 a graf č.17. Při hodnocení celkové produkce bioetanolu, je potřeba znát výnos sušiny zrna a skutečnou výtěžnost bioetanolu. Tab.č.32 a tab.č.33 zahrnují výnosové hodnoty pro obě lokality. Hodnoty výnosu v sušině pro lokalitu Bečváry byly velmi vysoké, pohybovaly se od 9,78 do 12,57t sušiny zrna/ha, celková produkce bioetanolu se od tohoto odvíjela. Produkce bioetanolu na této lokalitě byla v průměru také nejvyšší a to v rozmezí od 3965,79 (Delitop) do 5518,23 (TPA 422H) l/ha. Výnos zrna v sušině na stanovišti Slatiny byl mnohem nižší a to od 4,58 do 8,09t sušiny zrna/ha. To se odrazilo i ve výnosu bioetanolu, který byl také mnohem nižší než u předešlé lokality a pohyboval se v rozmezí od 1895,2 (Amadeo) do 3531,59 (TPA 422H) l/ha (tab.č.33). Hektarové výnosy škrobu u obou lokalit znázorňuje graf č.8 a graf č.9 a hektarové výnosy bioetanolu graf č.12 a graf č.13. Srovnání pokusných ročníků 2006 a 2007 Průměrné hodnoty nejdůležitějších dosažených výsledků z hlediska výroby a výtěžnosti bioetanolu ke každé lokalitě jsou uvedeny v tabulce č.34. Průměrný obsah škrobu se
58
v obou obdobích výraznějí nelišil, nejnižší byl u lokality Jiřice a nejvyšší byl na stanovišti Slatiny. Z průměrných hodnot také vyplývá, že v rove 2007 byl dosažen mnohem vyšší hektarový výnos škrobu. Největší byl na stanovišti Bečváry a to 8,08 t/ha. Průměrná skutečná výtěžnost bioetanolu byla v roce 2007 vyšší než v roce 2006. Teoretická výtěžnost bioetanolu byla v průměru za obě období přibližně na stejné úrovní. Nejvyšší průměrný hektarový výnos bioetanolu byl na lokalitě Bečváry, který činil 4596,81 l/ha.. Největší obsah škrobu za obě období a ve všech lokalitách měl hybrid DKC 3511, nejvyšší škrobnatosti na lokalitě Slatiny a to 78,15% (tab.č.25). Celkově největší skutečná výtěžnost bioetanolu byla získaná u hybridu DKC 3946 YG (44,56%) (tab.č.29). Hektarový výnos škrobu byl nejvyšší na lokalitě Bečváry a to u hybridu TPA 422H (9,52 t/ha) (tab.č.32). Nejvyšší hektarový výnos bioetanolu za obě období byl opět dosažen u hybridu TPA 422 H (5518,23 l/ha) (tab.č.32). Z těchto výsledků vyplývá, že nejvíce vhodným hybridem pro výrobu bioetanolu je hybrid TPA 422H a dále z celkového průměru hybrid DKC 3511.
59
6 ZÁVĚR Hlavní cílem této práce bylo posouzení vhodnosti kukuřice jako suroviny pro výrobu bioetanolu. V rámci poloprovozních polních pokusů byly ve dvou obdobích 2006/07 celkem na čtyřech lokalitách pozorovány vybrané hybridy kukuřice, výnos a kvalita jejich zrna včetně stanovení výtěžnosti bioetanolu. Celkem bylo zhodnoceno a porovnáno, dle lihovarských vlastností, 63 vzorků kukuřice. Na základě dosažených výsledků lze formulovat následující závěry: •
Škrobnatost obilovin je limitujícím faktorem pro výrobu bioetanolu a tento fakt byl s malými odchylkami potvrzen v předkládané práci. U sledovaných hybridů kukuřice se obsah škrobu pohyboval převážně nad 70 %. V rámci dvouletého pokusného období nejvyšší obsah škrobu vykázal hybrid DKC 3511 jehož hodnota 78,15% v roce 2007 převýšila hodnoty naměřené u ostatních hybridů. Nejnižší hodnota oproti tomu se zaznamenala u hybridu LG 3232 a to 71,98% v roce 2006 na lokalitě Jiřice. Škrobnatost se také podílí na zhodnocení ztrát během technologického zpracování kukuřice na konečný bioetanol, a to díky výpočtu teoretické výtěžnosti.
•
Kvasná zkouška se projevila jako velice prospěšný ukazatel, kdy produkce bioetanolu je rozhodujícím požadavkem. Tento ukazatel nám zjišťuje skutečnou výtěžnost bioetanolu ze vzorků. Tato výtěžnost je důležitá z hlediska hektarových výnosů bioetanolu, kterou dostaneme výpočtem skutečné výtěžnosti a výnosem sušiny zrna. V tomto dvouletém pokusném období z celkového počtu vzorků byla nejvyšší výtěžnost bioetanolu u hybridu DKC 3946 YG (44,56 la/ 100 kg sušiny suroviny) v roce 2007 na lokalitě Slatiny a naopak, nejnižší výtěžnost byla v roce 2006 v Jiřicích u hybridu LG 3232 (37,3 la/ 100 kg sušiny suroviny). Hektarové výnosy bioetanolu jsou ale nejvyšší u jiných hybridů, díky výnosům sušiny zrna. Největší hektarový výnos byl zaznamenán v roce 2007 v Bečvárech u hybridu TPA 422H (5518,23l/ha). Tento hybrid poskytoval nejvyšší výnos sušiny zrna a měl i nadprůměrnou skutečnou výtěžnost bioetanolu. Oproti tomu nejnižší výnos bioetanolu byl zaznamenám na lokalitě Jiřice v roce 2006 u hybridu DKC 4626 (1639,44l/ha).
60
•
Celkově za nejvhodnější hybridy kukuřice pro výrobu bioetanolu můžeme považovat hybridy TPA 422H, DKC 3946 YG a také hybrid DKC 3511. Jako nejméně vhodný hybrid pro výrobu bioetanolu se jevila odrůda DKC 4626.
61
7 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY 1. ANONYM:
AgroConsult
2003,
[cit.
2007].
2007,
[cit.
2008-03].
Dostupné
z WWW:
www.agroconsult.cz.
2. ANONYM.:
Ethanol
fuel,
Dostupné
z WWW:
http://www.reference.com/browse/wiki/Ethanol_fuel.
3. ANONYM.: What is a bioethanol, [cit. 2007-12]. Dostupné z WWW: http://www.esru.strath.ac.uk/EandE/Web_sites/0203/biofuels/what_bioethanol.htm.
4. ANONYM.:
Průběh
glykolýzy,
[cit.
2008-04].
Dostupné
z WWW:
http://projektalfa.ic.cz/anaerobni_glykolyza.htm.
5. ANTANIKIAN, G.: Mikrobila Degradation of Starch. Osobní sdělení. Technische Universität Hamburg, Institut für Technische Mikrobiologie, 1997.
6. AUFHAMER, W. – PIEPER, H.J. – STÜTZEL, H – SCHÄFER, V.: Eignung von Korngut verschiedener Getreidearten zur Bioethanolproduction in Abhängigkeit von der Sorte und den Autwuchsbedingungen. Die Bodenkultur, 1993, 45, 2 s. 177 – 187.
7. BADGER, Phil: Trendy a pokrok v bioenergetických technologiích v USA. Biom.cz
[online].
2002-02-22
[cit.
2008-02-01].
Dostupné
z
WWW:
. ISSN: 1801-2655.
8. BASAŘOVÁ, G.: Pivovarsko – sladařská analytika.I díl, Merkanta Praha, 1992, 385 s.
9. DIVIŠ, Josef: Současný stav a priority projektu "Bioetanol" v ČR.. Biom.cz [online].
2001-12-19
[cit.
2008-04-02].
Dostupné
. ISSN: 1801-2655.
62
z
WWW:
10. DYR, J.: Kvasná chemie a technologie, Praha 1965, 304 s.
11. DYR, J.: Lihovarství (1. díl), Praha: Státní nakladatelství technické literatury 1955, 316 s.
12. DYR, J – GRÉGR, V.: Lihovarství (2. díl), Praha: Státní nakladatelství technické literatury 1963, 396 s.
13. ELANDER, R.T., PUTSCHE, V.L.: Ethanol from corn: Technology and economics, 1996.
14. GRESSEL, J.: Transgenics are imperative for biofuel crops, Plant Science 2007.
15. HAMROVÁ, L.: Technologie zemědělského lihovarství. Alfa Bratislava, 1988, 185 s.
16. HENGSTEBECK, R. J.: Destilace, Praha 1966, 352 s.
17. HENKE, S.: Model of a sugar factory with bioethanol production in program Sugars, Journal of Food Engineering 2005, 416–420.
18. HINKOVÁ, A., & Bubník, Z. (2001). Sugar beet as a raw material for bioethanol production. Czech Journal of Food Science, 19, 224–234.
19. JANČÍK, J. - TICHÝ, F.: Úroda 2/2001 Rentabilita kukuřice na zrno v řepařské výrobní oblasti.
20. KÁRA, Jaroslav: Využití bioalkoholu. Biom.cz [online]. 2001-12-18 [cit. 200804-20]. Dostupné z WWW: . ISSN: 18012655.
21. KOPAL, Stanislav: Lihovarská methodika, Ministerstvo zemědělství Praha 1950, 221 s.
63
22. KOSAŘ, K. – PROCHÁZKA, S. et al.,: Technologie výroby sladu a piva, 2000, 398 s. ISBN 80 – 902658 – 6 -3.
23. KUČEROVÁ, J. : Technologie sacharidů – návod do cvičení, skripta MZLU, 2000, 96 s., ISBN 80-7157-468-6.
24. KUČEROVÁ, J., PELIKÁN M., HŘIVNA L.: Zpracování a zbožíznalství rostlinných produktů, skripta MZLU, 2007, 125 s., ISBN 978-80-7375-088-6.
25. KUNTEOVÁ, L.: Zemědělské plodiny k výrobě bioethanolu (1. část), Úroda, 2000, (11).,10 – 11.
26. KUNTEOVÁ, L.: Zemědělské plodiny k výrobě bioethanolu (2. část), Úroda, 2000, (12)., 28 – 29.
27. LENTIKAT´S: Případové řešení kukuřičného lihovaru společnosti LentiKat´s a.s. [cit. 2008-02]. Dostupné z WWW: http://www.lentikats.eu/page.php?id=28.
28. LIMAGRAIN CZ: Kukuřice na zrno, [cit. 2008-02]. Dostupné z WWW: www.limagraincentraleurope.com/cz/glossary/glossary-maize-grain.cfm.
29. LYNN, A – STARK, R. J.:Effect of Mechanical Damage on Starch Granules – Some New Observations. Carbohydrate Tetters, 1995, Vol. 1, s. 165 – 171.
30. MOUDRÝ, J.: Pěstování rostlin v ekologickém zemědělství, 2007, Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích Zemědělská fakulta.
31. NOVO Novodirsk: Aplikační listy enzymů 1998, firemní literatura.
32. OLSEN, S. H.: Enzymes and Starch Modifikation. Enzymes Process Development Section, Novo Nordisk, 1992.
33. PELIKÁN, M.: Jakost a zpracování rostlinných výrobků, Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích, Zemědělská fakulta, 2001, 235 s., ISBN 80-7040-502-3. 64
34. PERRY, R.H.: „Perry's chemical engineers' handbook“, 7th edition, McGrawHill, New York, 1997, ISBN 0-07-115448-5.
35. ROSENBERGER, A.: Costs of bioethanol production from winter cereals: the effect of growing conditions and crop production intensity levels, Industrial Crops and Products 15 (2002) 91–102.
36. RYCHTERA, M. - Uher, J.: Lihovarství, drožďařství a vinařství - II. část. 2. vyd. Praha: VŠCHT, 1991. 351 s. ISBN 80-7080-117-4.
37. SENN, T. H. – PIEPR, J. H.: Untersuchungen zum Einfluβ des Vermahlungsgrades bei Mais auf Korngröβenverteilungen und Alkoholausbeuten bei drucklosen Maischverfahren. Die Branntweinwirtschaft, 1989, 129, 24, s. 410 – 414.
38. SOSULSKI, K. – SOSULSKI, F.: Wheat as a feedstock for fuel athanol. Applied Biochemistry and biotechnology, 45/46, 1994, s. 169 – 180.
39. STUDIE A.R.C. spol. s r.o: Produkční potenciály bioetanolu v podmínkách bývalého okresu Znojmo 2002.
40. STUDNIČNÝ, P.: Bt - kukuřice, Pioneer Hi-Bred Northern Europe Sales Division GmbH, 2006. Dostupné z WWW: http://www.pioneer-osiva.cz/btkukurice-surovina-pro-vyrobu-bioetanolu.php?tisk=true.
41. ŠEDEK, A.: Progresivní technologie ziskového pěstování kukuřice v půdoochranných technologiích, Agrární obzor 1/2006. Dostupné z WWW: www.pal.cz/article/3371.kukurice-v-pudoochrannych-technologiich.
42. ŠIMŮNEK, P.: Obiloviny pro výrobu lihu, Úroda, 96, (7)., s. 25.
43. Zákon o lihu č. 61/1997 Sb. a příslušné vyhlášky č. 147/1997 MF ČR a MZe ČR . 65
44. Zákon o spotřebních daních č. 353/2003 Sb. v platném znění. 45. Zákon o dani z přidané hodnoty č. 354/2003 Sb. v platném znění . 46. Zákon ze dne 29. 1. 2004, kterým se mění zákon č. 86/2002 Sb. o ochraně ovzduší ve znění zákona č. 521/2002 Sb. 47. Zákon č. 229/2004 Sb. ze dne 29. 4. 2004
48. ZEHNÁLEK, J.: Biochemie. 1. vyd. Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita, 1999. 168 s. ISBN 80-7157-366-3.
49. ZEHNÁLEK, J.: Biochemie 2. 1. vyd. Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita, 2003. 200 s. ISBN 80-7157-716-2.
66
PŘÍLOHY
67
