4.3 Technologie výroby piva

4.3 Technologie výroby piva

Pivovarství patří v našem státě k významným oborům potravinářského průmyslu s mnohaletou úspěšnou tradicí. Pivovarský průmysl vyrábí jako hlavní výrobky světlá a tmavá výčepní piva, ležáky, speciální piva a piva se sníženým obsahem alkoholu. Nejproslulejší výrobky našeho pivovarsko-sladařského průmyslu - slad a pivo - jsou důležitými exportními položkami, stejně jako základní surovina chmel. V celkové světové produkci piva, která je přes 1 miliardu hektolitrů ročně, patří naše republika s 18,6 milióny hektolitrů ročně (1997) mezi přední světové výrobce a zaujímá 16. místo na světě. Ve spotřebě piva, která překračuje 150 l na osobu a rok, patříme k zemím s tradičně vysokou konzumací piva. Finální výrobek pivovarského průmyslu - pivo - je nápoj připravený ze sladu, chmele a vody zkvašením kulturními pivovarskými kvasinkami. Slad jako výchozí surovina se vyrábí ve sladovnách ze sladovnického ječmene naklíčením a hvozděním, neboť samotný ječmen neobsahuje dostatek enzymů a aromatických látek potřebných pro výrobu piva. Kromě uvedených surovin se v některých státech z ekonomických důvodů ve větší či menší míře používají náhražky nákladného sladu, např. nesladovaný ječmen, rýže, kukuřice, surová i rafinovaná sacharóza a další. Pivo se vyrábí v pivovaru a technologie sestává ze tří výrobních úseků, zahrnujících řadu složitých mechanických, fyzikálně chemických a biochemických procesů: 1. výroba mladiny 2. kvašení mladiny a dokvašování mladého piva 3. závěrečné úpravy a stáčení zralého piva

4.3.1 Výroba mladiny Výroba mladiny se sestává z následujících technologických úseků: • šrotování sladu event. surogátů, • vystírání sladového šrotu do vody, • rmutování, • scezování sladiny a vyslazování sladového mláta, • chmelovar a chlazení mladiny. Výroba mladiny probíhá na varně. Zařízení varny bývá vyrobeno buď z mědi, nebo z nerezové oceli. Ve sladu a sladových náhražkách obsažené látky, především škrob, je nejprve nutné převést do roztoku, aby je sladové enzymy mohly přeměnit ve směs nížemolekulárních sacharidů, které později kvasinky zkvasí na etanol a oxid uhličitý. Slad se nejprve rozšrotuje, poté se smísí s vodou při tzv. vystírání. Pak následuje rmutování, při němž dochází k mnoha enzymovým reakcím včetně zcukření škrobu. Většina těchto pochodů probíhá při zvýšených teplotách optimálních pro činnost enzymů, které způsobují rozštěpení a převedení extraktu surovin do

roztoku, aby se vytvořily podmínky pro výrobu piva žádaného typu. Rozhodující je činnost amylolytických, proteolytických a kyselinotvorných enzymů; druhotné jsou enzymové reakce štěpení gumovitých látek a hemicelulóz a další reakce. Část extraktu surovin přechází do roztoku již při vystírání, hlavní podíl se však získá až při rmutování, kdy se vystírka vyhřívá postupně na teploty optimální pro činnost jednotlivých skupin enzymů, podle nichž jsou teploty nazývány: • • • • •

35 až 38 °C- kyselinotvorná teplota 48 až 52 °C- peptonizační teplota 60 až 65 °C- nižší cukrotvorná teplota 70 až 75 °C- vyšší cukrotvorná teplota 78 °C- odrmutovací teplota

Nejdůležitější chemickou reakcí při rmutování je štěpení škrobu na nížemolekulární cukry, zejména glukosu, maltosu a dextriny:

Štěpení škrobu má tři fáze - botnání a zmazovatění škrobu, ztekucení škrobu a zcukření škrobu. Zahřívá-li se škrobová emulze (nerozpuštěný škrob rozmíchaný ve vodě), dochází nejprve k botnání a mazovatění. Škrob přechází tímto fyzikálně chemickým dějem do roztoku a mění se v hustou viskózní kapalinu. Zmazovatělý škrob obsahuje vodou nabobtnalé částice, do nichž snadněji vnikají sladové enzymy. Teploty mazovatění u sladového škrobu jsou 50 až 57 °C, kdežto u kukuřičného 65 až 75 °C a u rýžového dokonce 80 až 85 °C, což je důležité pro zpracování náhražek. V další fázi dochází účinkem sladové -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 -amylasa se inaktivuje při 80 °C. V poslední fázi dochází účinkem komplexu více amylolytických enzymů, zejména však - a amylasy, ke zcukření čili úplnému rozštěpení makromolekul škrobu za vzniku různých nižších cukrů a dextrinů. Optimální teplota zcukřující -amylasy je 60 až 65 °C při pH 4,5. Při 75 °C se -amylasa inaktivuje, ale oproti -amylase snáší kyselejší prostředí. Prodlužováním nebo zkracováním časových prodlev při optimálních teplotách pro dextrinotvornou -amylasu nebo cukrotvornou -amylasu lze libovolně měnit složení extraktu. Delší časovou prodlevou při 65 °C se získá sladina s vyšším podílem zkvasitelných cukrů (maltosy a glukosy). Vyhřeje-li se rmut naproti tomu rychle na 70 °C a časová prodleva se udržuje až při této teplotě, potlačí se působení -amylasy a sladina bude bohatá na dextriny. Sladiny s vysokým obsahem zkvasitelných cukrů poskytují piva hlouběji prokvašená s vyšším obsahem alkoholu, kdežto sladiny s více dextriny vedou k nízkoprokvašeným pivům s nižším obsahem alkoholu. Průběh štěpení škrobu se ve rmutech kontroluje jódovou zkouškou. Kromě štěpení škrobu je při rmutování důležité i štěpení vysokomolekulárních bílkovin. Bílkoviny jsou důležité pro pěnivost piva i plnost chuti a jejich štěpné produkty aminokyseliny jsou důležité pro kvašení. Vysoký obsah bílkovin by však vedl k nízké stabilitě a trvanlivosti piva. Štěpení bílkovin způsobené proteolytickými enzymy probíhá intenzivně při teplotách kolem 50 °C (peptonizační teplota). Kyselinotvorné enzymy způsobují štěpení organických sloučenin fosforu za uvolňování kyseliny fosforečné, která spolu s aminokyselinami vzniklými štěpením bílkovin snižuje pH a vytváří potřebnou kyselou reakci rmutů, důležitou pro činnost ostatních enzymů. Zařízení pro výrobu mladiny jsou umístěna obvykle ve varnách. Klasické varny jsou buď jednoduché se

dvěma nádobami (káď pro vystírání a scezování a pánev či kotel pro rmutování a chmelovar), nebo dvojité s dvěmi káděmi (vystírací a scezovací) a s dvěma pánvemi či kotli (rmutovací a chmelovarová). Moderní vícenádobové varny mají 5 až 8 nádob s různými kombinacemi zdvojení funkčních nádob. Lepší využití prostoru a zejména energie umožňují moderní blokové a spádové varny s uspořádáním nádob nad sebou. Šrotování je mechanické drcení sladového zrna s cílem dokonalého vymletí ensdospermu na vhodný poměr jemných a hrubších částic při zachování celistvosti pluch, neboť ty slouží v pozdější fázi výroby jako filtrační materiál při scezování. Slad i případné náhražky se melou ve šrotovnících, které jsou opatřeny dvěma, čtyřmi, pěti či šesti válci. Slad se šrotuje buď za sucha, nebo kondicionovaný (zvlhčený parou) či za mokra. Jemnost šrotování přímo ovlivňuje činnost sladových enzymů, neboť čím jemnější je šrot, tím lepší je přístup enzymů k jednotlivým částem sladu. Na druhé straně příliš jemný šrot způsobuje ucpávání filtračních kanálků ve vrstvě mláta a způsobuje potíže při scezování. Šrotování se dále musí přizpůsobit kvalitě sladu a technickému vybavení varny. Čím méně je slad rozluštěn, tím jemněji se musí šrotovat. Používá-li pivovar scezovací káď, kde je filtračním materiálem asi 40 cm vysoká vrstva mláta, musí se šrotovat hruběji než při používání sladinového filtru, kde vrstva mláta je pouze 6 cm, hlavním filtračním materiálem je plachetka a využívá se přetlaku. Vystírání je smíchání šrotu, popř. šrotu sladových náhražek, s vodou. Množství sladu a náhražek použité pro jednu várku se nazývá sypání. Objem vody použité k vystírce se nazývá nálev a určuje se podle sypání a typu vyráběného piva. U dobře rozluštěných sladů se vystírá při teplotách 35 až 38 °C. Někdy se provádí zápařka, což je vyhřátí části vystírací vody k varu, po skončeném vystírání se přičerpáním této horké vody zvýší teplota vystírky na peptonizační teplotu. Rmutování slouží k přípravě sladiny s požadovanou extraktovou skladbou. Dosahuje se toho postupným vyhříváním části vystírky postupně na jednotlivé rmutovací teploty, optimální pro činnost různých skupin enzymů, až se dosáhne dokonalého zcukření škrobu. U dekokčního rmutování se nakonec rmuty povařují, u infúzního způsobu je nejvyšší odrmutovací teplota. Rozlišují se postupy jednormutové, dvourmutové a třírmutové. Objem dílčích rmutů se volí tak, aby po přečerpání k zbytku vystírky stoupla teplota na požadovanou teplotu. Naše pivovary používají převážně dvourmutové postupy, výjimečně třírmutový nebo jednormutový postup. Zvláštní postup vyžaduje zpracování škrobnatých náhražek. Při zpracování více než 15 % podílu škrobnatých náhražek zpravidla nestačí sladové enzymy a musí se použít enzymové preparáty. Scezování je operace prováděná za účelem oddělení roztoku extraktu, tj. sladiny, od pevného podílu zcukření rmutu, tj. mláta. Scezování se provádí ve scezovací kádi vybavené dvojitým děrovaným dnem a systémem odvodných trubek spojených s kohouty scezovací baterie. Méně často se používá sladinový filtr pracující na principu rámového plachetkového filtru. Při scezování ve scezovací kádi se sladina odděluje od mláta přirozenou filtrací přes vrstvu sedimentovaných pluch a ostatních nerozpustných zbytků sladu. Zfiltrovaný roztok extraktu sladu se nazývá předek a po jeho stečení následuje vyslazování. Vyslazování mláta se provádí 75 °C horkou vodou, aby se z mláta vyloužily poslední zbytky rozpustného extraktu. Zfiltrovaný roztok extraktu při vyslazování se nazývá výstřelek a zpravidla se vyslazuje na 2 až 3 výstřelky. Předek a výstřelky se shromažďují v mladinové pánvi, kde se pozvolným zahříváním zvyšuje postupně teplota tak, aby se po skončeném scezování sladina co nejdříve uvedla do varu.

Chmelovar má za cíl převedení hořkých látek chmele do mladiny, sterilaci mladiny, inaktivaci enzymů a koagulaci bílkovin s polyfenolovými látkami sladu a chmele. Hlavními reakcemi při chmelovaru jsou izomerační reakce chmelových -hořkých kyselin, při nichž vznikají intenzívně hořké produkty zvané iso--hořké kyseliny. Dále probíhají Maillgardovy reakce s tvorbou barevných a aromatických látek s oxidoredukčními vlastnostmi a denaturace sladových bílkovin. Chmel či chmelové přípravky se přidávají postupně, nejčastěji na dvakrát až třikrát, podle kvality a typu výrobku. Produktem chmelovaru, který trvá zpravidla 90 až 120 minut, je mladina. Po chmelovaru následuje oddělení zbytků chmele ve chmelovém cízu, pokud nebyl použit chmelový granulát či chmelový extrakt a následuje chlazení mladiny. Chlazení mladiny se dříve provádělo v otevřených nádobách, kde mladina samovolně chladla a sytila se kyslíkem ze vzduchu. To však bylo často zdrojem mikrobiální kontaminace mladiny. Dnes se používají téměř výhradně uzavřené vířivé kádě, kde při teplotách nad 60 °C dochází k usazení hrubých kalů, s následujícím dochlazením mladiny v deskových protiproudých výměnících tepla na zákvasnou teplotu 5 až 7 °C. Před zakvašením se mladina ještě sytí za sterilních podmínek kyslíkem, který je nezbytný pro činnost kvasinek. Vyrobená mladina musí svou koncentrací extraktových látek odpovídat vyráběnému pivu, tzn. že při výrobě 10 % piva musí obsahovat 10 % hm. extraktových látek. Pro výrobu světlých piv se připravují mladiny ze světlých sladů, pro výrobu tmavých piv ze směsi světlých, tmavých a barevných sladů.

3.2.2. Kvašení mladiny a dokvašování mladého piva Pro kvašení mladiny se používá buď svrchních pivovarských kvasinek (Saccharomyces cerevisiae) při teplotách kvašení až 24 °C, nebo spodních pivovarských kvasinek (Saccharomyces uvarum) při teplotách kvašení 6 až 12 °C. Kvašení mladiny je při klasické technologii rozděleno do dvou fází: na hlavní kvašení a dokvašování. Hlavní kvašení se u nás provádí obvykle v otevřených kvasných kádích spodními pivovarskými kvasinkami. Nejdůležitějšími reakcemi hlavního kvašení jsou přeměny zkvasitelných sacharidů glukosy, maltosy a maltotriosy na etanol a oxid uhličitý anaerobním kvašením: Současně se v malé míře tvoří i vedlejší kvasné produkty, alifatické alkoholy, aldehydy, diketony, mastné kyseliny a estery. Všechny tyto látky a jejich vzájemný poměr spoluvytváří chuť a aróma piva. V průběhu hlavního kvašení v kádích umístěných v chlazených místnostech zvaných spilka, se rozlišuje několik stadií. Brzo po zakvašení dochází k zaprašování, kdy se objevuje první bílá pěna na povrchu kvasící mladiny. Následuje odrážení při němž pěna houstne a je vytlačována do středu kvasné kádě. Nízké bílé kroužky představují hustou smetanovou pěnu s kučeravým povrchem a jsou stádiem nejintenzivnějšího kvašení. Vysoké hnědé kroužky jsou způsobeny poklesem pH a vyflotováním vyloučených chmelových a tříslo-bílkovinných sloučenin.

Následuje propadání za tvorby husté deky z vyloučených látek na povrchu prokvašené mladiny, tj. mladého piva. Na konci hlavního kvašení sedimentují spodní kvasinky na dno kvasné kádě a po stáhnutí piva se sbírají, propírají se studenou vodou a znovu se nasazují do provozu. Deky se s hladiny mladého piva sbírají, aby do něho nepropadly a nezpůsobily zhoršení chuti piva. Hlavní kvašení trvá zpravidla 6 až 8 dní podle druhu vyráběného piva. Kromě klasického postupu kvašení se v současnosti uplatňují i různé způsoby polokontinuálního kvašení (semispilka) i kontinuálního kvašení. V zahraničí, často v návaznosti na infúzní způsob rmutování, se vyrábějí i svrchně kvašení piva při vyšších teplotách, která se však chuťově odlišují od spodně kvašených piv. Dokvašování a zrání mladého piva se provádí v ležáckém sklepě, kde pivo při teplotách 1 až 3 °C velmi pozvolna dokváší, čiří se, zraje a sytí se vznikajícím oxidem uhličitým pod tlakem v uzavřených ležáckých tancích. Doba ležení je závislá na typu piva. U běžných piv do koncentrace mladiny 10 % bývá 3 týdny, pro speciální exportní piva se zvyšuje až na několik měsíců. Jednofázové kvašení, při němž probíhá hlavní kvašení i dokvašování v jedné nádobě, obvykle v cylindrokónických velkoobjemových tancích, představuje nejmodernější technologii pivovarského kvašení s velkými nároky na dodržování technologického postupu i na hygienu a sanitaci, ale s výraznými ekonomickými přednostmi.

4.3.3 Závěrečné úpravy piva Dokonale vyzrálé pivo se musí ještě před expedicí upravit, a to • zfiltrovat, • případně pasterovat, • případně stabilizovat, • stočit do transportních obalů.

Filtrace piva Filtrační proces má za cíl odstranit z piva kalící látky a docílit požadovanou čirost 0,2 až 0,4 j.EBC. (Jednotky zákalu EBC jsou arbitrážní jednotky kalibrované na formazinovou suspenzi). Nejčastěji se používá filtrace s přídavkem křemeliny do kalného piva. Křemelina vytváří na pevných přepážkách filtrační vrstvu, ve které se zachycuje jemný kal. Filtrace se provádí na křemelinových svíčkových a deskových filtrech různé konstrukce. Pro dosažení vysoké biologické stability se používají i tzv. EK-filtry, kde je pivo filtrováno přes celulosové desky. Výjimečně se používají i odstředivky. Nejmodernějším, ale dosud velmi nákladným způsobem, je membránová filtrace. Všechny filtry pracují na stejném principu, tj. filtrační vrstva se vytváří z křemeliny naplavením na pevné přepážky. Rozdíly jsou pouze v mechanickém uspořádání filtru a způsobu jeho čištění. Univerzálním a nejčastěji používaným filtrem je filtr deskový. Technologický postup filtrace je cyklický a je zhruba následující: 1. naplavování filtru: do vyčištěného a uzavřeného filtru se vhání pivo s přídavkem křemeliny a filtrát se vrací zpátky do dávkovače křemeliny tak dlouho, dokud není čirý 2. vlastní filtrace: do filtru se vhání kalné pivo, do kterého se přidává stále křemelina (buď stále ve stejné koncentraci, nebo se její přídavek v průběhu procesu snižuje), zfiltrované

pivo se odvádí do stáčírny; v průběhu filtrace se vlivem tvorby filtračního koláče snižuje filtrační rychlost, což se obvykle kompenzuje postupným zvyšováním tlaku na vstupu do filtru 3. konec filtrace: proces se ukončí, jestliže tlak na vstupu do filtru již nelze zvyšovat 4. čištění filtru: filtr se otevře, filtrační koláč se odstraní (vede se obvykle do stanice pro regeneraci křemeliny), filtr se vymyje, uzavře, vysanituje a připraví pro další cyklus. Časový průběh filtrace lze obecně vyjádřit vztahem mezi rychlostí filtrace a silou, která překonává filtrační odpor a způsobuje průtok filtrátu:

Podrobnější matematický popis je uveden v kapitole 4.3.4. Následující obrázky ukazují princip konstrukce deskového filtru a jeho činnosti a jeho konkrétní provedení.

Schema průtoku piva článkem deskového filtru

Provozní deskový křemelinový filtr

Pasterace piva Pasterace se používá pro zvýšení biologické stability piva. Rozšířená je zejména pasterace piva v lahvích či plechovkách v ponorných a tunelových pastérech při teplotě 62 °C, méně častá je mžiková pasterace v průtokových pastérech při vyšší teplotě.

Stabilizace piva Stabilizace piva se provádí u exportních piv, kdy je nezbytné zaručit mnohaměsíční trvanlivost. Principem pasterace je odstranění prekurzorů zákalů piva, především vysokomolekulárních dusíkatých složek, polyfenolů, kovových iontů a rozpuštěného kyslíku. Používají se stabilizátory srážecí (tanin), adsorpční (silikagel, polyvinylpolypyrolidon), enzymové (papain) a antioxidační (kyselina askorbová). Použití stabilizátorů je v některých zemích omezeno zákonnými předpisy. Stabilizátory se do piva přidávají nejčastěji před koncem dokvašování, aby se případně vyloučené látky odstranily při filtraci.

Stáčení piva Stáčení piva do transportních obalů je konečnou fází výroby. U nás se pivo stáčí do cisteren pro dislokované stáčírny a pro export do sudů, lahví a plechovek pro vnitřní obchodní siť i pro export. Při stáčení je nutné zamezit ztrátám oxidu uhličitého, aby neutrpěla kvalita piva, proto jsou stáčecí stroje konstruovány na izobarickém principu. Dalším požadavkem je nutnost zamezení styku piva s kyslíkem a proto se v moderních linkách stáčí pivo pod tlakem oxidu uhličitého do obalů předplněných oxidem uhličitým. Neméně důležitým požadavkem je zajištění dokonalé sanitace všech zařízení, která přicházejí do styku s pivem. U nás se vyrábějí převážně světlá piva technologií dekokčního rmutování a spodního kvašení a podle koncentrace mladiny se rozlišují piva výčepní čili konzumní (do 10,5 %), ležáky (do 12,5 %) a piva speciální (nad 12,5 %). Zvláštním typem piva jsou piva se sníženým nebo nulovým obsahem alkoholu vyráběná buď potlačeným kvašením z nízkoprocentních mladin, nebo odstraněním alkoholu z běžně vyrobeného piva. V posledních letech se zejména v zahraničí rozšířila výroba piv se sníženým energetickým obsahem (lehká piva, light beer). Kvasnicová jsou produkována zpravidla v minipivovarech s vyloučením filtrace. Oblíbenost piva je způsobena jeho senzorickými vlastnostmi. Významné jsou však i jeho dietetické a výživné vlastnosti související s jeho vysokou stravitelností. Výživná hodnota piva se uplatňuje zejména v oblastech s vysokou spotřeba piva na obyvatele, ke kterým patří tradičně i naše země.

4.3.4 Matematické modelování pivovarské technologie

Kvašení Při matematickém modelování pivovarské technologie se kromě běžných vztahů pro přenos tepla a hmoty využívá semiempirických nebo empirických rovnic popisujících speciální procesy a operace. Při kvašení jsou podstatné dva procesy: prokvášení cukrů (tzv. extraktu) a vznik chuťových látek reprezentovaný tvorbou diacetylu. Kvašení může být vedeno buď v beztlakovém režimu (tj. při atmosférickém tlaku) nebo v tlakovém režimu. Klasické kvašení ve spilce je beztlakové, tlakový režim lze realizovat v uzavřených kvasných nádobách, např. v cylindrokónických tancích. Jednoduché modely kvašení popsal Volf (Volf P. a kol.: Modelování kvašení piva v CKT, Kvasný průmysl 38 (1992),č.4, str.102 a č.5, str.132). Pro spotřebu extraktu v beztlakovém režimu byl odvozen semiempirický vztah (4.3.-1) kde jsou: Ex ... extrakt (koncentrace cukru) [hm. %] a Ex0 jeho počáteční hodnota, T ... teplota [°C], t ... čas [dny], k1, k2, a, b ... empirické konstanty. Vyšší tlak než atmosférický (tzv. přetlak) v kvasném prostoru způsobuje zpomalení kvašení, což se modeluje přidáním dalšího členu do rovnice pro spotřebu extraktu (4.3.-2) kde jsou: P ... přetlak [MPa], k3... empirická konstanta.

Pro tvorbu diacetylu při kvašení a jeho rozklad při zrání lze použít rovnici, která vychází pro tvorbu i rozklad z kinetiky 1.řádu a zahrnuje závislost obou procesů na teplotě (4.3.-3) kde jsou: Da ... koncentrace diacetylu [mg/l] a Da0 její počáteční hodnota, k4, k5 ... empirické konstanty. Obvyklé hodnoty konstant ve výše uvedených rovnicích jsou: a = 0.22 ,

b = 0.64 ,

k1 = 0.042 , k2 = 2.2 ,

k3 = 2.93 ,

k4 = 0.00276 , k5 = 0.0176

Vznik tepla při kvašení je dán reakčním teplem a v celkové bilanci tepla při modelování procesu se uplatní jako zdrojový člen. Vývin tepla lze modelovat rovnicí vyjadřující vztah mezi spotřebou cukru a množstvím tepla (4.3.-4) kde jsou: Q ... množství vzniklého tepla (kJ), c ... koncentrace cukru [kg/kg], Hr ... reakční teplo [kJ/kg], t ... čas. Podle Rehma (Rehm H.I.: Technische Mikrobiologie, Springer Verlag Berlin, 1969) se přeměnou 1 molu glukózy na etanol vyvine 113 kJ tepla, což je po přepočtu 627,8 kJ/kg.

Filtrace Průběh filtrace lze obecně vyjádřit vztahem mezi rychlostí filtrace (vyjádřenou jako objem filtrátu proteklého jednotkovou plochou za jednotku času) a hnací silou (rozdílem tlaků před a za filtrační plochou). Matematicky zapsáno je filtrační rychlost dána vztahem (4.3.-5) a filtrační rovnice (formulovaná Ruthem) je (4.3.-6) kde jsou: w ... filtrační rychlost (m/s), S ... filtrační plocha (m2) V ... objem filtrátu (m3), t ... čas (s),  ... dynamická viskozita filtrátu (Pa.s), R ... celkový odpor filtrační vrstvy (filtrační podložka + filtrační koláč) (m-1) p ... tlakový spád na filtrační vrstvě (Pa). Při obvyklém postupu se do piva přidává křemelina, která v průběhu filtrace vytváří spolu s kalem filtrační koláč. Ten v průběhu procesu jednak narůstá, jednak se vlivem tlakového spádu na filtrační vrstvě stlačuje a zhutňuje. Celkový odpor filtrační vrstvy v tomto případě vypočteme podle vztahu (4.3.-7) kde jsou: MK ... hmotnost koláče (kg), r ... specifický odpor filtrační přepážky (m1),  ... koeficient odporu koláče (m/kg), který se mění se s tlakovým spádem, což lze popsat empirickým vztahem (4.3.-8)

kde k a u jsou empirické konstanty (např. pro obvykle užívanou křemelinu jsou k = 3,6.109 a u = 0,15). Vztah pro nárůst hmotnosti koláče v průběhu filtrace odvodíme z bilance hmotnosti křemeliny.

4.4 Technologie výroby pekařského droždí Pekařské droždí se používá ke kynutí těsta při výrobě některých druhů bílého pečiva. Vyrábí se ve dvou formách: • lisované droždí, • aktivní sušené droždí. Cílem výroby je získat produkt, který by odpovídal požadavkům pekárenské výroby (vysoká mohutnost kynutí v těstě, trvanlivost, mikrobiologická čistota). V České republice se ročně vyrábí kolem 20-25 tisíc tun lisovaného pekařského droždí. Aktivní sušené droždí se u nás nevyrábí. Nyní je výroba soustředěna do dvou drožďáren (Kolín a Olomouc).

4.4.1 Mikroorganismus a suroviny Mikroorganizmus Pro výrobu pekařského droždí se používají v drožďárnách výlučně jen kmeny kvasinek odvozených od rodu Saccharomyces cerevisiae, které byly vyšlechtěny tak, aby v provoze poskytovaly maximální výtěžnost s optimálními vlastnostmi pro pekařské účely.

Snímky kvasinek Saccharomyces cerevisiae z mikroskopu Suroviny Do roku 1920 se pro výrobu pekařského droždí používaly především obilné zápary, které se musely upravit tak aby škrob byl převeden na jednoduché cukry (maltosu a glukosu). Po první světové válce nahradila obilí melasa. Pouze v několika státech se ještě k výrobě používá obilí. Pekařské droždí vyrobené z obilných zápar se vyznačuje dobrou kvalitou, především mohutností kynutí a trvanlivostí.

U nás se používá k výrobě pekařského droždí výlučně řepná melasa. Hlavními složkami řepné melasy, která mívá průměrně sušinu 75 až 80 % hm., jsou disacharid sacharosa (zpravidla 48 až 50 % hm.), dále necukry a voda. Kromě sacharosy je v řepné melase obsaženo vždy menší množství invertního cukru (0,2 až 0,5 % hm., u vadných melas až 2% hm.). Dalším cukrem v řepné melase je trisacharid rafinosa (0,5 až 2 % hm.). Obsah veškerého dusíku v melase se pohybuje v mezích 1,2 až 1,6 % hm., přičemž z tohoto množství připadá na betainový dusík průměrně 40 až 60 %. Betainový dusík není kvasinkami utilizován. Obsah popelovin v řepné melase bývá 8 až 10 % hm. řepná melasa má mít alkalickou reakci.

4.4.2 Technologické schéma výroby Příprava zápary Melasa se skladuje v melasnících, ze kterých je přečerpávána do nádrží, kde se připravuje melasová zápara. V některých závodech se k tomu používá varná káď, ve které se melasa při určitém pH (většinou kolem 3 až 4) povařuje s částí živin. Dochází k tzv. čiření melasy (vysrážení nežádoucích koloidních látek, které by zhoršovaly růst kvasinek). Z připravovaného vyčiřeného media se vyloučené kaly oddělují sedimentací, filtrací nebo odstřeďováním. Vzhledem k tomu, že melasa má nedostatek dusíku a fosforu, musíme oba prvky přidat, a to většinou ve formě amoniaku a fosforečné kyseliny. Pro první fáze výroby je nutno též doplňovat růstové látky (biotin, inositol), výhodné je přidávat je ve formě např. corn-steepu (kukuřičný extrakt - vzniká jako odpad při výrobě škrobu z kukuřice), kvasničného autolyzátu aj. V poslední době se zavádí i kontinuální příprava zápar. Kvasinky se připravují v laboratoři (laboratorní propagace) v několika stupních (propagační poměr je 1:5) až do objemu asi 20 litrů. Odtud se asepticky převedou do prvního stupně provozní propagace. Propagační stanice bývá 2 – 3-členná Laboratorní propagace je anaerobní, v provozní propagaci se již občas slabě větrá. Kvasinky postupně adaptujeme na vyšší větrání a nižší obsah živin (požadavek trvanlivosti výrobku). Proto se v provoze provádí kultivace tzv. násadních (generačních) kvasinek. Dalším důvodem pro přípravu jednotlivých generací je potřeba neustále většího množství zákvasu pro další kultivační stupeň. Zásadní změnu ve složení sušiny generací a konečného výrobku (expedičního droždí) ukazuje následující tabulka. Změny obsahu bílkovin a P2O5 v sušině droždí v jednotlivých fázích výroby Bílkoviny

Fáze výroby droždí Násadní droždí:

P2O5

[% hm. v sušině]

I. generace

55

4,0

II. generace

50

3,6

40

2,8

Expediční droždí:

Mezi jednotlivými generacemi je vždy zařazeno odstřeďování a proprání čistou studenou vodou. Výsledkem je kvasničné mléko o obsahu kolem 15% hm. sušiny. Kvasinky je možné v podobě kvasničného mléka skladovat i několik dní při teplotě 5°C před další kultivací. Hodnota pH při kultivaci se udržuje kolem 4,2 až 5,2. Při vyšší kontaminaci bakteriemi je třeba pracovat při nižším pH. Kultivace kvasinek Kultivace v jednotlivých stupních probíhá za aerobních podmínek - větrání – na melasových záparách. Koncentrace zápary závisí především na účinnosti aeračního systému bioreaktoru. U starších větracích systémů (trubkový rošt u dna bioreaktoru bez mechanického míchadla) bylo

nutné pracovat zpravidla při nižších koncentracích substrátu – pro kultivaci expedičního droždí se používaly zápary o koncentraci do 2 % hm.. V moderních bioreaktorech vybavených různými typy turbínových míchadel a distributory vzduchu, kde se dosahuje vysokých hodnot přestupu kyslíku, je možné provádět kultivace na tzv. hustých záparách. Kultivační postup je diskontinuální - přítokový. Schéma přítoků je předmětem optimalizace procesu a mělo by odpovídat aktuálním potřebám a metabolismu mikroorganismu. Jednoduché řízení procesu kultivace spočívá v regulaci přítoku zápary podle obsahu etanolu v mediu nebo podle obsahu rozpuštěného kyslíku. Kultivace expedičního droždí Kultivace expedičního droždí probíhá již prakticky bez tvorby etanolu. Teplota kultivace bývá kolem 30 až 34°C. Doba fermentace je ovlivněna koncentrací melasy a intenzitou aerace, pohybuje se od 10 do 18 hodin. Proces je značně náročný na dodávku kyslíku, při exponenciálním růstu je v případě poruchy větrání kyslík z media vyčerpán již během 10 sekund. Poslední 1 až 2 hodiny kultivace expedičního droždí se již nepřítokuje žádná melasová zápara. Po skončení kultivace se musí kvasinky rychle oddělit od zápary, což se děje odstředěním na kontinuálních talířových odstředivkách. Kvasničné mléko se několikrát propírá studenou vodou, aby se odstranily zbytky melasové zápary; její přítomnost snižuje významně trvanlivost droždí. Koncentrace kvasničného mléka je kolem 15 % hm. sušiny. Filtrací (kalolisy nebo vakuovými rotačními filtry) kvasničného mléka se získá biomasa o koncentraci kolem 26 – 30 % hm. sušiny ve formě lisovaného pekařského droždí. Při konečné operaci se upravuje koncentrace vody a na liberkovacím stroji vznikají kvádry (liberky) o hmotnosti 0,5 kg a 1 kg. V poslední době se vyrábí i menší spotřebitelská balení o hmotnosti 21 a 42 g.

4.4.3 Kvalitativní znaky droždí Vyrobené lisované pekařské droždí má z hlediska analytického i z hlediska jeho použití pro výrobu bílého pečiva splňovat ukazatele (vyhláška č. 335/1997 Sb.) jako je např. sušina min. 26 % hm., popel max. 9 % hm., hrubé bílkoviny v sušině průměrně 36 až 40 % hm., mohutnost kynutí v těstě max. 90 minut, trvanlivost při 35°C nejméně 72 hodin. Pro hodnocení kvality pekařského droždí je důležitý i obsah cizích kvasinek, max. 15 % hm. Mohutnost kynutí Mohutnost kynutí (fermentační aktivita) se zjišťuje na základě přímého nebo nepřímého měření produkovaného oxidu uhličitého v těstě. Při kvašení sacharidů těsta vzniká účinkem enzymů kvasinek etanol a CO2. V prvním případě měříme přímo produkovaný CO2, kdežto ve druhém případě měříme objem těsta. Vždy je však nutné dodržovat předepsané podmínky stanovení. V naší normě je předepsáno nepřímé měření, jehož výsledek určuje doba, za kterou těsto vykyne na určitý předem stanovený objem. Trvanlivost droždí Trvanlivost droždí je dána dobou, za kterou při předepsané teplotě (nejčastěji 35°C) droždí ztekutí (lyzuje). Kromě lisovaného droždí se vyrábí ještě aktivní sušené droždí. Jeho výhodou je vysoká trvanlivost (6 měsíců až 1 rok), s malou ztrátou aktivity. Pro výrobu je třeba používat pozměněné technologie a jiných kmenů kvasinek. Z hlediska inženýrského se liší pouze výrobní koncovka; odfiltrované droždí se musí granulovat (nudličky, kuličky) a materiál přichází do sušárny (např. fluidní), teplota sušení by neměla přesáhnout hodnotu 45°C. Výrobci většinou

používají k ochraně připraveného suchého droždí různých aditiv, která vytvářejí ochranné povlaky na granulích. Takto vyrobené droždí se plní do vzduchotěsných obalů, ve kterých je droždí buď v atmosféře inertního plynu a nebo je obsah evakuován. Kromě sušení lze pekařské droždí konzervovat prudkým zmrazením na –15°C. Při rozmrazování je naopak důležité, aby operace byla co nejpomalejší; jinak dochází k plasmolýze. Rozmražené droždí se musí co nejdříve zpracovat. V některých státech se vyrábí jako konečný produkt kvasničné mléko, které je přímo expedováno v chlazených cisternách k velkospotřebiteli.

4.4.4 Odpady z výroby droždí Odstředěné zápary, zejména z počátečních kultivačních stupňů obsahují větší množství etanolu (0,5 – 5 % obj.), který se z nich získává destilací. Drožďárenský líh (i po účinné rafinaci a rektifikaci) patří mezi lihy nižší kvality. Značný problém, který nelze přehlížet, představují odpadní vody: odstředěné zápary a prací vody. Koncentrace organických látek v nich je sice celkem nízká, ale při velkém množství těchto vod to znamená vybudovat značně velkou čistírnu. Na 1 t zpracované melasy (tj. výroba asi 0,75 t lisovaného droždí) se musí počítat s více než 20 m3 odpadní vody.

4.5 Modelování biotechnologických procesů Modelováním bioprocesů budeme rozumět dynamické modelování, tedy sledování průběhu procesů v čase. Klíčovou veličinou je proto rychlost jejich průběhu (rychlost přeměny látek), která se obvykle objevuje ve zdrojovém členu základní bilanční rovnice. Následující vztahy představují různé modely pro vyjádření rychlosti procesu v závislosti na koncentraci (resp. množství) substrátu, popřípadě produktu nebo enzymu. Matematicky popsat přesný průběh není dost dobře možné, protože se jedná o živé organizmy. Většina uváděných vztahů byla také odvozena na základě zpracování experimentů a zobecněna. U každé rovnice je uvedena základní charakteristika vymezující její použití. Jedná se o základní přehled, podrobnější informace lze najít v literatuře. Rovněž doporučujeme se při studiu konkrétního procesu informovat v literatuře, zda pro jeho rychlost nebyl nalezen nějaký speciální vztah, který vyhovuje lépe než běžně používané.

4.5.1 Rovnice Michaelis-Mentenové pro reakční rychlost Tato rovnice je k vyjádření rychlosti průběhu bioprocesů (enzymatických reakcí) používána pravděpodobně nejčastěji. Její základní matematický tvar je shodný s tvarem Monodovy rovnice používané pro vyjádření specifické růstové rychlosti mikroorganizmů (kapitola 3.3.1). (4.5.-1) Zde i v dalších vztazích je r rychlost procesu, vmax maximální rychlost (enzymové) reakce a S množství (koncentrace) substrátu. Hodnota KM je tzv. Michaelisova konstanta a je to koncentrace substrátu, při které je rychlost reakce rovna právě polovině své maximální rychlosti. Maximální rychlost reakce je úměrná koncentraci enzymu v reakční směsi, tedy vmax = k.E0 , k je rychlostní konstanta. Charakteristický průběh rychlosti reakce v závislosti na koncentraci substrátu je znázorněn na obrázku:

Průběh rychlosti reakce podle rovnice Michaelis-Mentenové Jsou na něm vyznačeny 3 zóny koncentrací substrátu. V první z nich (A) pro malé hodnoty S je závislost rychlosti na koncentraci substrátu zhruba lineární a vychází z kinetiky 1.řádu, tedy: (4.5.-2) ve druhé zóně (B) platí rovnice (4.5.-1) a ve třetí (B) pro vysoké hodnoty S je rychlost reakce zhruba konstantní (což odpovídá kinetice nultého řádu): (4.5.-3) Modifikované tvary rovnice Michaelis–Mentenové Ze základní rovnice (4.5.-1) vychází řada modifikací pro komplikovanější reakční schémata pro více substrátů a pro inhibované reakce (I ... koncentrace inhibitoru, což může být substrát, produkt nebo jiná složka reakční směsi): •

pro dva substráty: (4.5.-4)

•

pro kompetitivní inhibici: (4.5.-5)

•

pro nekompetitivní inhibici: (4.5.-6)

•

pro smíšenou inhibici: (4.5.-7)

•

pro kinetiku popisující allosterický efekt (tzv. Hillova rovnice): (4.5.-8)

•

Závislost rychlosti na koncentraci substrátu podle Hillovy rovnice pro různá n ukazuje následující graf:

Vliv hodnoty n na průběh rychlosti podle Hillovy kinetiky (vmax = 1, KM = 5)

4.5.2 Další vztahy pro reakční rychlost Lineární závislost rychlosti na koncentraci substrátu (4.5.-9) Je to typický vztah pro procesy závisející na rychlosti difúze, není ale typický pro biochemické procesy, protože celková rychlost enzymové reakce je většinou nižší než rychlost difúze, která nemůže být v takovém případě řídícím parametrem. Rovnice může být ale použito k vyjádření vlivu některých atypických sloučenin na buňky (např. ve farmakokinetice), kde tyto látky přicházejí do organismu beze změny a rovněž jejich vylučování je nejčastěji řízeno difúzními procesy. Reakční rychlost odvozená z Freundlichovy adsorpční izotermy (4.5.-10) Je typická pro proces řízený fyzikální adsorpcí na pevném povrchu. Může být aplikována na hydrolytické reakce, v biologických systémech na utilizaci pevných substrátů jako jsou celulosa, škrob apod. Reakční rychlost odvozená z Monodovy rovnice (4.5.-11) Je typickým a nejfrekventovanějším vztahem pro vyjádření kinetiky většiny fermentačních procesů. Tento model vychází z kineticky chemisorpce substrátu na jednom aktivním místě enzymu a odpovídá enzymové kinetice podle Michaelis-Mentenové (viz dále). K je saturační konstanta. Modifikací je reakční rychlost odvozená z Monodovy rovnice pro případ chemisorpce, kde každá molekula enzymu má více než jedno aktivní centrum (místo):

(4.5.-12)

Kinetický vztah je vhodný k popisu dynamiky reakčního mechanismu na multienzymových komplexech, specializovaných organelách apod. Parametr n je exponent (obecně racionální konstanta) vyjadřující řád kinetiky Reakční rychlost odvozená za speciálních předpokladů • Rovnice odvozená z předpokladu, že závislost reakční rychlosti na koncentraci substrátu je dána řešením diferenciální rovnice 1.řádu: (4.5.-13) Toto vyjádření reakční kinetiky není příliš často používáno pro simulace procesů. Může však být použito pro vyjádření rychlosti subprocesu s ohledem na vnitřní omezení reakčního systému, např. popis kinetiky inkorporace stopových prvků nebo fosforu v buněčné stěně a dalších buněčných strukturách. • Rovnice odvozená ze stejného předpokladu jako v předchozím případě, tvar diferenciální rovnice je však jiný: (4.5.14) • • • •

Je prakticky používána pro modelování pomalu probíhajících reakcí a reakcí se zpětnovazební autoregulací. Odvození rovnice vychází z principu reversibilního blokování aktivního centra enzymu látkou o koncentraci S. (4.5.-15) Model je možné aplikovat pro případy zpětnovazebné inhibice metabolické dráhy.

•

Vztah je variantou předchozí rovnice pro případy inhibice většího počtu aktivních míst na molekule enzymu. (4.5.-16) Oblastí použití tohoto modelu je popis kinetiky funkcí sigmoidního typu a pro případy kompletního zablokování metabolismu dané subjednotky v případě, že hodnota S překročí jistou mez.

4.5.3 Deaktivace enzymů Nevhodné reakční podmínky (pH, teplota, ...) způsobují deaktivaci enzymů a tedy snižování reakční rychlosti. To se nejčastěji modeluje kinetikou prvního řádu, takže rychlost deaktivace rd je dána vztahem (4.5.-17) (kd je rychlostní konstanta deaktivace, E koncentrace aktivního enzymu)

Koncentrace E aktivního enzymu tedy (při vsádkovém procesu) z počáteční hodnoty E0 s časem exponenciálně klesá:

Dosadíme-li tento závěr do rovnice Michaelis–Mentenové (4.5.-1), dostaneme pro rychlost enzymatické reakce r se zahrnutím deaktivace enzymu vztah (4.5.-18) (KM je Michaelisova konstanta, t čas).

5 EKOLOGIE Znečištění životního prostředí zůstavá stále velmi aktuálním problémem. Metody odstraňování ekologických zátěží mohou být v zásadě trojího typu: fyzikální, chemické a biologické. Posledně jmenované využívají schopnosti adaptace a široké metabolické aktivity mikroorganismů, hub i rostlin. Nejvíce dat a zkušeností bylo doposud získáno u mikroorganismů, převážně bakterií. Významnou metodiku pro odstraňování některých specifických znešišťujících látek (např. těžké kovy) je biosorpce. Ve srovnání s ostatními metodami odstraňování polutantů (např. spalování, odpařování, chemické reakce s jinými látkami apod.) jsou biologické postupy výhodné i ekonomicky. Mimo to, fyzikální či chemické metody vedou většinou k tvorbě dalších toxických látek - intermediátů metabolismu původního polutantu, čímž je problém řešen pouze částečně.

Obsah kapitoly: 5.1

Metody studia bioremediační aktivity v laboratorních podmínkách

5.2

Základní bioremediační postupy

5.3

Biosorpce 5.3.1 Akumulace kovů biomasou 5.3.2 Popis biosorpčních systémů 5.3.3 Popis biosorpční rovnováhy 5.3.4 Vsádkový proces 5.3.5 Náplňová kolona

5.4

Úlohy 5.4.1 Odbourávání ropných produktů ve vodě 5.4.2 Půdní dekontaminační reaktor 5.4.3 Čištění odpadních vod v aerované laguně 5.4.4 Biodegradace fenolu 5.4.5 Dvoustupňová čistička odpadních vod 5.4.6 Výpočet sorpčního chování náplňové kolony

5.1 Metody studia bioremediační aktivity v laboratorních podmínkách Na rozdíl od reálných podmínek se v laboratoři obvykle pracuje v uzavřeném systému, kdy lze s určitou přesností testovat vliv studované látky na biodegradační aktivitu buněk a naopak. Avšak tyto experimenty jsou zatíženy značnou ”fyziologickou chybou”. V uzavřeném systému se postupně, v závislosti na čase, snižuje koncentrace degradované látky až na koncentraci, která již není buňkami využívána. Současně dochází k hromadění metabolitů, z nichž řada působí inhibičně na růst a aktivitu buněk. Mnohem více se přirozeným podmínkám blíží metody kontinuální kultivace.

V laboratoři lze modelovat a optimalizovat podmínky degradace, ovšem přenos do reálných podmínek (např. aplikace na poli) je ovlivněn řadou dalších faktorů, které byly v laboratoři eliminovány. Patří mezi ně především složení půdy, povaha organického substrátu, celková koncentrace živin, koncentrace stopových prvků, teplota a vlhkost půdy, složení půdní mikroflory, rostlinný pokryv apod. Závažným problémem při aplikaci bioremediačních technik v reálném prostředí je fakt, že na rozdíl od laboratorních pokusů, kdy používáme jeden typ polutantu (např. ropné uhlovodíky, polychlorované bifenyly,...), se v přírodě vedle majoritního polutantu vyskytuje i řada dalších organických, ale i anorganických látek (např. toxické kovy), které mohou svou přítomností celý proces biodegradace výrazně ovlivnit. Tyto problémy lze částečně odstranit použitím směsných kultur, skládajících se z různých rodů bakterií vzájemně se svojí činností doplňujících. Bioremediační aktivitu buněk významně ovlivňuje i charakter polutantu. Např. ropné látky patří mezi přirozenou složku životního prostředí již mnoho tisíc let, a tak měla půdní mikroflóra dostatek času adaptovat svůj metabolismus na jejich využívání a degradaci. Jiná situace nastává u tzv. xenobiotik, tj. látek, které se v přírodě přirozeně nevyskytují a byly vytvořeny činností člověka. Mezi tyto látky patří např. již zmíněné polychlorované bifenyly (PCB), které jsou stále vysoce sledovanými a studovanými polutanty. Xenobiotika patří mezi látky, které jsou mikroorganismy odbourávány buď velmi pomalu anebo také vůbec ne. Např. kompletní mineralizace PCB vyžaduje nejméně dva různé kmeny bakterií, z nichž první je schopen odbourávat PCB na chlorbenzoové kyseliny a druhý je schopen metabolizovat chlorbenzoové kyseliny.

5.2 Základní bioremediační postupy Jako bioremediace označujeme technologie, které využívají biodegradačních a sorpčních aktivit mikroorganismů. Bioremediační technologie lze rozdělit následujícím způsobem: •

•

on site technologie, kdy kontaminovaná zemina není odtěžována z lokality nebo spodní voda není odčerpávána k povrchové degradaci a mikroorganismy se přímo přidávají do kontaminované půdy či vody, ex situ technologie, ve kterých je kontaminovaný materiál odtěžen z původní lokality a vlastní biodegradační proces probíhá na dekontaminační ploše či bioreaktoru.

Výhodou postupů on site je to, že jsou levné, průběh degradačních procesů je však obtížně kontrolovatelný. Ex situ technologie jsou nákladnější, ale umožňují mnohem dokonalejší kontrolu procesu; jsou obvykle využívány pro čištění kontaminovaných zemin, ale některých z nich (např. postupů používajících bioreaktory) lze použít i pro čištění kontaminovaných vod. Biodegradce Biodegradační procesy probíhají běžně v přírodě a jsou uskutečňovány běžnou přirozenou mikroflórou přítomnou ve vodě nebo půdě. Rychlost těchto procesů je závislá na chemické struktuře látek a jejich původu. Svou podstatou se nijak neliší od jiných fermentací a rovněž matematický popis je stejný jako je uveden v kapitolách týkajících se modelování mikrobiologických (kap. 3.3) a biotechnologických (kap. 4.5) procesů. Polutant je mikroorganizmy štěpen a spotřebováván jako substrát.

Biosorpce Při biosorpci se polutanty (nejčastěji jsou to těžké kovy) neštěpí, ale zachycují na biologických materiálech a tím se odstraňují z životního prostředí. Mechanizmus a matematický popis biosorpce je poměrně složitý a bude podrobněji rozebrán v samostatné kapitole (kap. 5.3) Bioremediační technologie K nejčastěji používaným technologiím patří land farming, náplňová kolona (bed reactor), bioventing, kompostování a kalové reaktory. Pro realizaci jednotlivých technologií je možné využívat i přirozené mikroflóry (především půdní), jejíž růst se urychluje přídavkem živin. Dále je možné pro zvýšení rychlosti degradace využívat vybraných druhů mikroorganismů, případně jejich směsí. Použití směsí mikroorganismů je výhodnější, protože jsou v prostředí stabilnější a odolnější vůči vnějším vlivům. Vhodnou kombinací mikroorganismů je možné dosáhnout i vyšší rychlosti degradačního procesu, protože se mikroorganismy ve své činnosti doplňují. Z uvedených faktů je patrné, že bioremediační procesy jsou závislé na mnoha faktorech a predikce jejich průběhu musí být pro konkrétní lokalitu tvořena individuálně.

5.3 Biosorpce Obsah kapitoly: 5.3.1 Akumulace kovů biomasou 5.3.2 Popis biosorpčních systémů 5.3.3 Popis biosorpční rovnováhy 5.3.4 Vsádkový proces 5.3.5 Náplňová kolona

5.3.1 Akumulace kovů biomasou Škála interakcí, ke kterým může dojít při kontaktu mikroorganismů s kovovými ionty, je velmi široká. Schématicky to ukazuje obrázek.

Existuje řada různých mikrobiálních mechanismů, které se podílejí nebo spolupodílejí na odstranění kovových iontů a radionuklidů z roztoků. Kovové ionty mohou být navázány na buněčné stěny nebo na extracelulární polymery. Dále se za přispění aktivního či pasivního transportu mohou dostat do buněk a zde se vázat na různé molekuly nebo ukládat v některých organelách. Buňky také mohou vylučovat do prostředí látky, které vysráží čí pevně naváží kovové ionty nebo mohou svou metabolickou aktivitou převést tyto ionty na méně toxické formy či sloučeniny. V biologických systémech je velmi obtížné určení všech biomolekul či nadmolekulárních útvarů, které se podílejí na vazbě kovů. Velmi výrazně se však na akumulaci podílejí především různé polysacharidy, bílkoviny a peptidy. Hlavními vazebnými skupinami v jejich molekulách jsou nejčastěji skupiny karboxylové, aminové, thiolové, fosfátové a hydroxylové. Vazba kovových iontů je ovlivněna také řadou vnějších a experimentálních podmínek, jako je pH prostředí, teplota a přítomnost ostatních iontů a jiných látek v prostředí. Množství navázaného kovu souvisí nejenom s druhem či kmenem organismu, ale také s jeho stářím, fyziologickým stavem a s podmínkami při kterých byl kultivován. Vazba kovu mikroorganismem je v zásadě dvoufázový proces, zahrnující procesy závislé na metabolické aktivitě buňky a procesy na ní nezávislé. Počáteční akumulační krok je rychlý, obvykle trvá jen několik minut a je prakticky nezávislý na teplotě a celém metabolismu buňky. Proto také není ovlivněn přítomností metabolických inhibitorů a energetických zdrojů metabolismu v prostředí. Tato prvotní vazba kovu probíhá téměř vždy na buněčné stěně a v některých případech může být kov navázán i na extracelulární polymery. Mechanismem tohoto vazebného kroku může být iontová výměna, adsorpce, komplexace, srážení i krystalizace s multilaminární a mikrofibrilární strukturou buněčné stěny. Při vazbě kovů mrtvou biomasou probíhá jenom tento krok vzhledem k chybějící metabolické aktivitě, která je často nezbytná pro vnitrobuněčnou akumulaci kovů. Druhý krok je pomalejší a je silně závislý na metabolismu. Je ovlivňován řadou faktorů, jako je teplota a přítomnost metabolických inhibitorů. Během tohoto kroku může dojít k akumulaci většího množství kovu u některých organismů. Dochází k přenosu kovových iontů přes cytoplazmatickou membránu do buněk pomocí iontových kanálů a pump, různými

transportními systémy nebo endocytosou. V některých případech dochází k vnitrobuněčné akumulaci kovů difůzí a zvýšenou propustností membrány pro tyto kovy. Zvýšená propustnost může být způsobena toxickým působením kovů na buňky, zvláště pokud jsou kovy přítomny ve vyšších koncentracích. Transportní systémy jsou různě specifické a do buněk se pomocí nich mohou dostat esenciální i neesenciální kovy. Různé metabolické inhibitory, které ovlivňují chemický a elektrický potenciál membrány, redukují akumulaci kovů. Naopak přítomnost metabolizovatelných substrátů (jako je například glukosa) zvyšuje a stimuluje bioakumulaci a rozdíl v míře akumulace je zřetelný už během několika minut. Většina autorů označuje proces vazby kovů z roztoků bez aktivní účasti metabolismu buňky termínem „biosorpce“ . Jedná se především o vazbu na buněčnou stěnu nebo extracelulární polymery. Oproti tomu termín „bioakumulace“ označuje akumulaci kovů živými metabolizujícími buňkami, u kterých se může výrazně projevit i intracelulární akumulace kovů. Některé organismy váží většinu kovů na povrch buněk, u jiných naopak převládá intracelulární akumulace kovů.

5.3.2 Popis biosorpčních systémů Matematický popis systémů, kde se na vazbě kovů podílejí buňky svou metabolickou aktivitou, je často mnohem složitější a v praktických případech velmi těžko proveditelný. Na bioakumulaci kovů má totiž vliv mnohem větší počet faktorů (často velmi těžko zjistitelných a popsatelných) a přesné vazebné mechanismy nejsou ve většině případů známé. Pohled na biosorpci kovů lze většinou zjednodušit a k jejímu popisu použít modely konstruované pro jiné sorpční či adsorpční rovnováhy. Z hlediska průmyslového využití je velmi důležité dokázat odhadnout, jaký bude průběh biosorpce kovu biomasou. To především znamená zjistit za jak dlouho dojde k zahlcení biosorbentu kovem a kolik kovu je biosorbent schopen navázat. K popisu těchto jevů slouží různé matematické modely. Základní ohodnocení sorpčních systémů je často založeno na sestrojení klasické sorpční izotermy, a to z rovnovážných dat získaných ze vsádkového systému za předem definovaných a kontrolovaných podmínek. Kvantitativní porovnání dvou různých sorpčních systémů je možné pouze při shodné rovnovážné (konečné, zbytkové) koncentraci kovu v roztoku a stejných ostatních podmínkách prostředí (pH, teplota, koncentrace ostatních iontů atd.). Jakákoliv jiná porovnání nejsou přesná a mohou poskytnout pouze kvalitativní srovnání. Například běžně používané kritérium – „procento odstraněného kovu“ - nenaznačuje nic o rovnovážné koncentraci, a proto může být použito pouze pro kvalitativní a relativní srovnání (lepší / horší sorpční systém). Přítomnost více než jednoho kovu v roztoku může ve velké míře komplikovat chování sorpčního systému, což závisí na tom, jakým způsobem další kov reaguje se sorbentem a původním kovem. Znalost těchto aspektů není snadno dostupná. Popis sorpčního systému se třemi a více kovy je proto velice komplikovaný, v některých případech pro praktické účely skoro nemožný. Biosorpce kovu biomasou je také ovlivněna mnoha dalšími faktory a jejich úplné zahrnutí do popisu sorpčního systému je opět velmi komplikované a také těžko proveditelné. Důležitým hlediskem při aplikaci biosorpce je i to, v jakém zařízení je proces prováděn. K základním typům aparátů patří především vsádkový systém a náplňová kolona.

5.3.3 Biosorpční rovnováha K popisu výsledků sorpčních rovnováh vsádkových systémů využívajících různých biosorbentů jsou obvykle používány jednoduché adsorpční izotermy. Tyto křivky umožňují kvantitativní ohodnocení sorpčních vlastností těchto biosorbentů pro jeden kov v sorpčním systému. Pro adsorpci z plynu nebo z kapaliny na pevný sorbent bylo sestaveno mnoho rovnic adsorpčních izoterem, ovšem všeobecně jsou upřednostňovány modely jasné a jednoduché, obsahující dva až tři parametry. Pro případ sorpce kovu z roztoku vyjadřují adsorpční izotermy závislost množství navázaného kovu (q) na jeho zbytkové koncentraci v roztoku v rovnováze (Ceq) za konstantní teploty. Význam jednotlivých symbolů je uveden zde. Langmuirova izoterma Langmuirova izoterma je jedním z nejčastěji používaných modelů pro popis jednoduché adsorpce, tedy adsorpce dané látky v jedné vrstvě a má následující tvar:

Tato rovnice je odvozena za předpokladu energeticky vysoce homogenního adsorpčního povrchu. Dále se předpokládá, že maximální adsorpce odpovídá nasycené monovrstvě molekul kovu na povrchu adsorbentu, energie adsorpce je konstantní, na povrchu adsorbentu nedochází k přesunům jednotlivých molekul navázaného kovu a k vzájemným interakcím mezi nimi. Konstanty této rovnice mají fyzikální význam, když konstanta qmax určuje maximální množství kovu jež lze na biosorbent teoreticky navázat (stav nasycení sorbentu, kdy všechna vazebná místa sorbentu jsou obsazena) a konstanta b odráží „sílu“ nebo „afinitu“ sorbentu ke kovu. Langmuirovu izotermu lze linearizovat na dvě si blízké lineární formy:

Použití jedné z těchto dvou rovnic obvykle závisí na rozsahu dat a na tom, která jednotlivá data chceme zdůraznit. Pro velmi malá množství kovu v roztoku, tedy, když součin bCeq je mnohem menší než 1, lze Langmuirovu izotermu zjednodušit na lineární vztah:

V případě velmi nízkých koncentrací kovu tedy platí, že navázané množství kovu je přímo úměrné rovnovážné koncentraci kovu v roztoku. Naopak, pro velmi vysoké koncentrace kovu v roztoku (součin bCeq je mnohem větší než jedna) z izotermy plyne, že q  qmax a na biosorbent by mělo být teoreticky navázáno maximální možné množství kovu. Freundlichova izoterma Velmi často používána je také Freundlichova izoterma, která vychází z předpokladu energeticky heterogenního povrchu adsorbentu a její obecný tvar vypadá následovně:

Tato rovnice je běžně používána i v lineární formě:

Když je závislost vyjádřena v lineární formě, pak je ln k orientačním indikátorem sorpční kapacity a směrnice přímky 1/n odpovídá adsorpční intenzitě. Freundlichova izoterma obecně celkem dobře souhlasí s Langmuirovou izotermou a experimentálními daty v okolí průměrných hodnot koncentrací Ceq. Ovšem na rozdíl od Langmuirovy izotermy nelze vztah při velmi nízkých koncentracích redukovat na lineární závislost a při velmi vysokých koncentracích není asymptotický (neurčí maximální adsorpci), což je typické pro většinu studovaných systémů. Dubinin-Radushkevichova Tento model je založen na teorii adsorpce pro adsorbenty s energeticky nestejnorodým povrchem, kde dominantními adsorpčními interakcemi jsou disperzní síly. Rovnice izotermy má následující tvar:

Redlich-Petersonova Tato rovnice je kombinací Langmuirovy a Freundlichovy izotermy. Blíží se Freundlichovu modelu při vysokých koncentracích a je v souladu s Langmuirovým modelem při koncentracích nízkých.

Tothova Tento model, podobný Redlich-Petersonově izotermě, kombinuje také charakteristiky Langmuirovy a Freundlichovy izotermy za účelem poskytnout aproximaci v praktických případech:

Brunauer-Emmett-Tellerova (BET) izoterma Tento model je reprezentantem skupiny izoterem, které (narozdíl od předchozích) popisují multivrstevnou adsorpci (tzn., že kov se na povrch adsorbentu adsorbuje v několika vrstvách). Pokud je adsorpce limitována pouze jednou vrstvou naadsorbovaných molekul, přechází model BET v Langmuirovu izotermu. BET izoterma předpokládá, že Langmuirova rovnice popisuje děj

v každé jednotlivé vrstvě. Dalším předpokladem BET modelu je, že daná vrstva nepotřebuje k iniciaci své tvorby kompletní dokončení vrstvy předešlé. Za podmínky, že mimo první mají všechny ostatní vrstvy stejnou energii adsorpce, má Brunauer-Emmett-Tellerova izoterma tento tvar:

Popis sorpční rovnováhy musí být také doplněn studiemi orientovanými na kinetiku procesu. Stupeň odstranění kovu společně s hydrodynamickými parametry určuje velikost zařízení, které bude k realizaci procesu zapotřebí. Biosorpce, stejně jako běžné sorpční procesy, zahrnuje velmi rychlé sorpční reakční mechanismy založené hlavně na chemisorpci. Kinetika takových reakcí je často tak rychlá, že experimentální určení podílu odstraněného kovu může představovat složitý problém vyžadující speciálně konstruované zařízení. V mnoha biosorpčních systémech proběhne vazba většiny kovu během 5 - 15 minut po kontaktu roztoku kovu s biosorbentem, po níž v některých případech může následovat reziduální a mnohem pomalejší dodatečné vázání kovu, na němž se mohou podílet různé sekundární kov vázající mechanismy.

5.3.4 Vsádkový systém V tomto systému se určité množství biosorbentu smíchá s určitým objemem roztoku kovu a nechá se vzájemně působit do té doby, až množství kovu v roztoku poklesne na žádanou hodnotu. Biosorbent může být poté regenerován pro další použití. K popisu sorpční rovnováhy v tomto systému jsou obvykle používány jednoduché adsorpční izotermy. Nejčastěji používané jsou především Langmuirova a Freundlichova izoterma, které popisují skutečné rovnováhy často velmi dobře. Kinetika ustalování sorpční rovnováhy mezi pevnou fází a roztokem v tomto systému je obvykle popsatelná odezvou prvního řádu vzhledem ke koncentračnímu rozdílu mezi aktuální a asymptoticky rovnovážnou koncentrací. Dynamiku lze pomocí diferenciální bilance sorbované složky popsat například takto:

Význam symbolů: c aktuální koncentrace kovu v roztoku (mg1-1) Ceq rovnovážná koncentrace kovu v roztoku (mg1-1) V objem roztoku (cm3) G navážka sorbentu (sušiny biomasy) (g)  kinetická konstanta (s-1) t čas (s)

5.3.5 Náplňová kolona Sorpční systémy využívající náplňové kolony mají oproti vsádkovým systémům určité výhody, protože míra a rychlost sorpce závisí na aktuální koncentraci kovu v čištěném roztoku. Při použití kolony je biosorbent kontinuálně v kontaktu s čerstvým roztokem. Koncentrace kovu v roztoku, který je v kontaktu s danou vrstvou biosorbentu v koloně, je tedy relativně konstantní. Ve vsádkovém systému je s biosorbentem v kontaktu ustále stejný roztok a koncentrace kovu v něm díky sorpci neustále klesá, čímž klesá i rychlost a účinnost biosorpce.

Čištěný roztok protéká v náplňové koloně vrstvou biosorbentu, ve které dochází k sorpci kovových iontů. Na obrázku je znázorněn obvyklý průběh sorpce nebo adsorpce v náplňové koloně. Během počáteční fáze procesu je kov nejrychleji a také nejefektivněji sorbován několika horními vrstvami biosorbentu. Tyto horní vrstvy jsou samozřejmě v kontaktu s roztokem, který má tu nejvyšší možnou koncentraci - počáteční C0. Malé množství kovu, které nebylo navázáno v několika prvních vrstvách, je poté odstraněno z roztoku v nižších vrstvách biosorbentu. Je tedy zřejmé, že na počátku tohoto procesu z kolony nevytékají prakticky žádné kovové ionty (c = 0). V těchto okamžicích je tzv. primární adsorpční zóna umístěna blízko vrcholu kolony. Jak čištěný roztok protéká kolonou, horní vrstvy sorbentu jsou postupně saturovány kovem a stávají se neúčinnými pro další vazbu kovu. Tím pádem se primární adsorpční zóna posouvá kolonou dolů do míst, kde sorbent není nasycen kovem. Posun primární adsorpční zóny je obecně mnohem pomalejší, než je průtok čištěného roztoku kolonou. Jak se primární adsorpční zóna posunuje dolů směrem ke konci vrstvy biosorbentu, více a více kovu má tendenci uniknout v eluátu z kolony ven jak je vidět na obrázku. S rostoucím časem nebo množstvím proteklého roztoku roste i poměr c/C0, až se na křivce dostaneme k tzv. bodu zlomu. Ten ve všech praktických případech představuje fázi operace, ve které je kolona v rovnováze s čištěným roztokem. Za ním už dochází k rychlé saturaci zbylého biosorbentu a výtoku kovu z kolony. Proto je v tomto bodě většinou sorbent regenerován nebo zaměněn za úplně nový.

Mezi faktory, které ovlivňují průběh sorpce v náplňové koloně, patří typ kovu, koncentrace kovu v čištěném roztoku, pH, velikost částic sorbentu, typ sorbentu, kinetika sorpce, rovnovážné podmínky, hydrodynamika toku roztoku kolonou, průměr kolony, výška vrstvy sorbentu a průtok čištěného roztoku kolonou. Obecně platí, že čas nutný k dosažení bodu zlomu je snižován zvýšenou velikostí částic biosorbentu, zvýšenou koncentrací kovu v čištěném roztoku, jiným pH než je optimální pro biosorpci, zvýšením průtoku, snížením výšky vrstvy biosorbentu. Jestliže celková výška vrstvy biosorbentu v koloně je menší než délka primární adsorpční zóny potřebná k efektivnímu odstranění kovu z roztoku, potom koncentrace kovu ve výtoku z kolony bude prudce narůstat od momentu, kdy eluát poprvé opustí kolonu. Pro každý systém kolonabiosorbent-kov tedy existuje kritická minimální hodnota výšky vrstvy v koloně. Sorpční rovnováha K popisu sorpční rovnováhy bývá i v tomto systému obvykle použita jednoduchá adsorpční izoterma (zejména Langmuirova nebo Freundlichova). Dynamika biosorpce sorbentem obsaženým v koloně může být popsána diferenciální bilancí hmoty, vycházející z představy pístového toku kapaliny kolonou například takto: -- bilance složky v kapalné fázi:

-- bilance složky v pevné fázi:

Význam symbolů: c Ceq q F  V VS  G  t

aktuální koncentrace kovu v roztoku (mg1-1) rovnovážná koncentrace kovu v roztoku (mg1-1) množství navázaného kovu vztažené na hmotnost biosorbentu (mgg-1) průtok (mlmin-1) mezerovitost vrstvy biosorbentu v koloně (%) objem roztoku (cm3) objem vrstvy nabobtnalého biosorbentu v koloně (cm3)  = l / L; bezrozměrná délková souřadnice ; L výška vrstvy biosorbentu v koloně (cm) navážka sorbentu (sušiny biomasy) (g) kinetická konstanta (s-1) čas (s)

Tok kolonou Pro další matematický popis je velmi důležitý typ toku kolonou. Existují dva krajní případy ideálního proudění kapaliny: • •

pístový tok kapaliny, tok kapaliny v ideálně míchaném reaktoru.

V některých případech se tok skutečným systémem natolik přibližuje toku ideálnímu, že se dopustíme jen velmi malé chyby, když jej za něj považujeme. V jiných případech ovšem mohou být odchylky od ideálního toku natolik značné, že je nutno použít jiné modely. Odchylky od ideálního proudění mohou být způsobeny průtokem tekutiny nádobou ve formě kanálků, recirkulací tekutiny nebo přítomností neúčinných prostorů. U zařízení, jako je náplňová kolona, je tvorba kanálků nebo přítomnost neúčinných prostorů nežádoucí, neboť vždy zhoršuje výkon zařízení. Také recirkulace tekutiny je zpravidla jevem nežádoucím. Pro vystižení neideálního toku v nádobách a reaktorech se může použít různých modelů. Některé jsou založeny na analogii mezi promícháváním při skutečném toku a difúzním pochodem. Tyto modely se nazývají disperzní. Jiné modely si představujeme ve formě oddělených oblastí toku, spojených buď v sérii, nebo paralelně. Tyto modely jsou pak označovány jako kombinované. Disperzní tok Tento model předpokládá pístový tok tekutiny, který je provázen určitým zpětným promícháváním, jehož intenzita nezávisí na poloze v systému. Tato podmínka dále předpokládá, že v systému nejsou žádné neúčinné prostory a že nedochází ke zkratování nebo k tvorbě kanálků. V tomto případě mluvíme o modelu s disperzním pístovým tokem nebo zkráceně o disperzním modelu. Uvedené podmínky spolu s porovnáním pístového a disperzního pístového toku znázorňuje obrázek:

V závislosti na intenzitě turbulence neboli promíchávání vystihuje tento model chování od pístového toku na jedné straně až k ideálnímu míchání na straně druhé. Promíchávání je způsobeno stálým přemisťováním a rozdělováním látky na základě skluzu nebo vírů. Opakuje-li se tento jev mnohokrát, můžeme jej považovat za statistický a aplikovat na něj rovnice používané pro jiné statistické jevy, jako je například molekulární difúze. Průběh molekulární difúze ve směru osy x je ve většině případů dobře popsán Fickovým zákonem pro difúzi. Podobným způsobem je možno popsat chování disperzního modelu s podélným promícháváním tekutiny protékající ve směru osy x, které lze rovněž dobře vystihnout Fickovým zákonem difúze. Za předpokladu stejnoměrné intenzity zpětného promíchávání je možno sestavit rovnici:

kde parametr D, který se nazývá součinitel podélné neboli axiální disperze, jednoznačně charakterizuje stupeň zpětného promíchávání při toku. Označení „podélný“ neboli „axiální“ je použito proto, aby bylo rozlišeno promíchávání ve směru toku od promíchávání v příčném neboli radiálním směru, které nás tolik nezajímá. Stupeň promíchávání v obou těchto směrech může být dosti rozdílný. Jelikož je tento model založen na jevu statistické povahy, jehož působení se omezuje na malou oblast v reaktoru, vystihuje poměrně dobře chování systému, který se příliš neliší od pístového

toku. Lze takto popsat zejména chování reaktorů s nehybnou vrstvou nebo trubkových reaktorů. Vliv disperze na tok kapaliny přes zrnitou vrstvu vystihuje bezrozměrný člen D/(udp), který se nazývá „disperzní číslo“ (u ... rychlost proudění kolonou (cms-1), dp ... průměr částic (mm)). Toto číslo může nabývat hodnot od nuly (pro pístový tok) do nekonečna (pro systém s ideálním mícháním) a je převrácenou hodnotou axiálního Pécletova čísla pro přestup hmoty vztaženého na velikost částic.