MENDELOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BRNO 2007
LENKA DOBEŠOVÁ
Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav technologie potravin
Název bakalářské práce
Studium možností ovlivnění výtěžnosti bioethanolu u obilných rmutů
Vedoucí práce: Dr. Ing. Luděk Hřivna
Vypracoval: Lenka Dobešová Brno 2007
2
3
4
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma „Studium možností ovlivnění výtěžnosti bioethanolu u obilných rmutů vypracovala samostatně a použila jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana AF MZLU v Brně.
Dne 28.4.2007
Podpis bakaláře……………………….
5
Za odborné vedení, rady a připomínky při vzniku této bakalářské práce především děkuji vedoucímu bakalářské práce Dr. Ing. Luďkovi Hřivnovi. Dále děkuji Ing. Gregorovi, Ing. Kučerové a laborantkám Ústavu technologie potravin za ochotu a pomoc při získávání a zpracování výsledků.
6
ABSTRAKT
Tato bakalářská práce se zabývá problematikou možnosti ovlivnění výtěžnosti bioethanolu. Bioethanol se vyrábí z různých druhů surovin, které se rozdělují na 3 velké skupiny: cukernaté, škrobnaté a lignocelulózové. Tato práce se zabývá především výrobou bioethanolu z obilovin, konkrétně z pšenice ozimé a jejich odrůd. Na vybraném spektru odrůd byly provedeny kvasné zkoušky. Rmut byl připraven za pomocí vybraných enzymů (Termamyl SC, San Extra L), které převedly škrob na zkvasitelný cukr. Pro zkvašení zápary byly použity kvasinky rodu Saccharomyces cerevisiae. Byly vybrány nejvhodnější odrůdy pšenice ozimé pro výrobu bioethanolu.
ABSTRACT This bachelor work is focusing on possible problems of the bioethanol extraction. The Bioethanol is manufactured of the different kind raw materials, which are divided into three large groups: the surgary, the amylaceous and the lignocellulose. This work is concerned first in the production of bioethanol from cereals, in the concrete from the perennial wheat and its varieties. On the chosen spectrum of the varieties were effected the zymotic trials. Mash was prepared with the help of choice enzymes (Termamyl SC, San Extra L) which made over starch to fermentable sugar. There were used for fermentation mashes of leaven stock Saccharomyces cerevisiae. For this work were chosen optimal varieties of the perennial wheat for bioethanol production.
Klíčová slova:
Keywords:
výtěžnost bioethanolu
bioethanol extraction
obilniny
cereals
kvasná zkouška
zymotic trials
enzym
enzyme
rmut
mash
7
OBSAH: 1.0 CÍL PRÁCE.................................................................................................................... 9 2.0 ÚVOD............................................................................................................................ 10 3.0 LITERÁRNÍ PŘEHLED ............................................................................................ 12 3.1 Morfologické a chemické složení zrna pšenice.......................................................... 12 3.1.1 Morfologická stavba pšeničného zrna..................................................................... 12 3.1.2 Chemické složení....................................................................................................... 13 3.2 Technologie výroby lihu .............................................................................................. 19 3.2.1 Historie....................................................................................................................... 19 3.2.2 Suroviny k výrobě ethanolu ..................................................................................... 19 3.2.3 Zpracování surovin na výrobu ethanolu................................................................. 26 3.2.4 Příprava zápary ........................................................................................................ 30 3.2.5 Fermentace ................................................................................................................ 31 3.3 Destilace a úprava lihu ................................................................................................ 32 3.3.1 Bioethanol – energetický zdroj ................................................................................ 32 3.3.2 Destilace ethanolu z prokvašené zápary ................................................................. 34 3.3.3 Rektifikace a rafinace ethanolu ............................................................................... 34 3.3.4 Vedlejší produkty při výrobě ethanolu a jeho zpracování.................................... 35 4.0 MATERIÁL A METODIKA ...................................................................................... 38 4.1 Charakteristika odrůd pšenice ozimé vybraných do pokusu .................................. 38 4.2 Použité mikroorganismy ............................................................................................. 41 4.3 Specifikace použitých enzymů .................................................................................... 41 4.4 Metodika ....................................................................................................................... 43 4.4.1 Příprava zápary ........................................................................................................ 43 4.4.2 Zjištění obsahu ethanolu .......................................................................................... 44 4.4.3 Vyhodnocení výsledků .............................................................................................. 44 5.0 VÝSLEDKY A DISKUZE .......................................................................................... 45 6.0 ZÁVĚR.......................................................................................................................... 49 7.0 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY....................................................................... 50
8
1.0 CÍL PRÁCE a) Popsat procesy výroby bioethanolu se zaměřením na dosažení maximální výtěžnosti b) Vyhodnotit vliv různých odrůd pšenice na výtěžnosti bioethanolu c) Posouzení nejlepší odrůdy pšenice pro výrobu bioethanolu z pšeničného rmutu
9
2.0 ÚVOD Nejstaršími člověkem kulturně vypěstovanými rostlinami jsou obilniny. Obilovina je vymlácené zrno těchto trav. Archeologickými nálezy v Egyptě, v Babylonii i ve staré Číně byla jejich znalost prokázána již v pravěku. Jsou to v podstatě zušlechtěné trávy, jejichž zralá semena – obilky jsou využívána pro svůj obsah živin, hlavě škrobu a bílkovin jak k výživě člověka a hospodářských zvířat, tak i k různým průmyslovým účelům. Pěstují se ve všech světadílech a podle stupně pěstování, mechanizace, výtěžnosti a zpracování lze hodnotit v tomto směru úroveň té které země. Nejznámější obilnářské oblasti jsou v evropské části Ruska, v Kazachstánu, v západní Sibiři, v severní Americe, v USA, v Kanadě, a v jižní Americe a v Argentině. V těchto oblastech jsou největší produkce obilovin a odtud se vyvážejí do států, které nejsou v pěstování obilovin soběstačné například menší obilnářské oblasti jsou v Indii, Austrálii a v západní Evropě (Kunteová,1996). Z hlediska výživy obyvatelstva jsou obiloviny jedním z nejdůležitějších zemědělských výpěstků. Průmyslové využití obilovin je právě výroba bioethanolu. Bioethanol se vyrábí technologií alkoholického kvašení z biomasy - obvykle z rostlin obsahujících větší množství škrobu a sacharidů. Vedle rostlin obsahujících škrob, jako jsou kukuřice, obilí a brambory, jsou nejčastěji používanou surovinou cukrová třtina a cukrová řepa. Rostliny obsahující cukr se přímo fermentují. Ale u rostlin s obsahem škrobu je postup složitější. Škrob se musí nejprve enzymaticky přeměnit na cukr pomocí vhodného spektra enzymů. Výroba kvasného alkoholu a jeho využití k pohonu motorových vozidel není žádnou novinkou. Pokusy nahradit benzin ethanolem sahají v Evropě již do období let první světové války. V Československu se alkohol přidával do benzínu již ve dvacátých letech minulého století (systém Dravinol). V poválečném období ovládla energetický trh paliv zcela jednoznačné ropa. Teprve při drastickém nárůstu její ceny, který se datuje od počátku 70. let, se národohospodáři a technologové znovu obracejí k využití ethanolu jako paliva. Byly vypracovány národní programy využití přebytků farmářské produkce na výrobu ethanolu v USA, v Brazílii. Ve vyspělých zemích se od r. 1925 ve velkém přidával ethanol do benzinu ke zvýšení odolnosti proti klepání motoru, zvýšení oktanového čísla a snižování emisí CO2. Například v Německu tržní podíl ethanolu dosáhl l0 % a až do posledních válečných let byl prodáván benzín s 10 % obsahem ethanolu
10
pod zn. Monopolin. V Československu byl zákonem z r. 1932 míchán ethanol s benzínem v poměru 20:80 pod názvem Dinol. Nízké ceny ropy v poválečných letech zabránily opětovnému oživení přimíchávání ethanolu. „Použití rostlinného oleje jako pohonné látky se dnes může jevit jako nevýznamné. Avšak takové produkty se mohou během času stát stejné důležitými, jako dnes petrolej a další ropná paliva“, napsal v r. 1912 geniální vynálezce Rudolf Diesel ve svém patentním spise. Použití rostlinných olejů, bioalkoholu a jejich derivátů jako paliva není tedy vynálezem naší doby. V předválečném Československu byly hlavními surovinami pro výrobu ethanolu brambory a melasa. V současnosti se většina lihu v ČR vyrábí z melasy (asi 90%). Při užití ethanolu pro pohonné směsi stoupl význam speciálně pěstovaných plodin, zejména obilovin a cukrovky (Pastorek, Kára, Jevič, 2002). Tato bakalářská práce se zabývá problematikou získávání bioethanolu z obilovin.
11
3.0 LITERÁRNÍ PŘEHLED 3.1 Morfologické a chemické složení zrna pšenice 3.1.1 Morfologická stavba pšeničného zrna
Obilné zrno se skládá ze 3 hlavních částí, tj. z obalů, klíčků a z moučného jádra – endospermu (obr. 1) Obaly - obilného zrna obsahují vlákninv a minerální látky, které chrání zrno před vysycháním. Před mletím se musí odstranit, protože jsou pro lidský organismus nestravitelné. Chrání jádro a klíček, obsahuje celulózu a nerostné látky. Obaly tvoří:- oplodí – skládá se z pokožky (zdřevnatělé buňky), z vnějšího oplodí (podélné buňky), z vrstvy příčných buněk, z vnitřního oplodí (hadicové buňky) - osemení – skládá se z barevné buňky a sklovité buňky Klíček – tj. zárodek budoucí rostliny, je tvořen krátkým kořínkem, který je obalený čepičkou a krčkem obaleným pochvou s vegetačním vrcholem a se založenými listy. Celý klíček se nachází na štítku, kterým je oddělen vrstvou palisádových buněk od moučného jádra. Klíček obsahuje větší množství tuků, bílkovin, lecitinů, enzymů, vitamínů, růstových hormonů a minerálních látek. Klíček nemá dobrý vliv na skladování mouky, na pekařské a pečivárenské vlastnosti mouky. Proto před mletím se odstraňuje. Moučné jádro – endosperm je tvořen buňkami, které jsou vyplněny škrobem a vrstvou buněk na obvodu (aleuronovými buňkami), vyplněnými bílkovinami (lepkem). Moučné jádro obsahuje škrobová zrna a bílkoviny – lepek. Na množství a kvalitě těchto látek, hlavně lepku, závisí jakost mouky a její vhodnost pro použití k pekárenským a pečivárenským účelům (Bláha, Šrek, 1999).
Obr. 1 Podélný řez pšeničným zrnem I. zárodek, II. obaly, III. endosperm
a - oplodí, b - osemení, c - aleuronové buňky, d - endosperm, f - štítek, g - pochva, h - zárodek listu, i - krček, j - zárodek kořínků, k - čepička kořínku, m - vousky (chloupky)
12
3.1.2 Chemické složení Chemické složení kolísá podle oblastí, odrůdy, hnojení, doby setí, agrotechnik, klimatických podmínek a celé řady dalších činitelů. Důležitou složkou obilného zrna je voda, protože všechny biochemické a fyziologické procesy, probíhající během růstu, dozrávání a skladování probíhají za její účasti. Základními stavebními složkami jsou sacharidy, bílkoviny, lipidy, minerální látky, vitamíny, barviva a složky které, mají růstové, regulační a genetické funkce (Pelikán, 1999). Sacharidy Volné monosacharidy jsou ve zralých obilných zrnech v nepatrném množství. Jedná se o pentosy (arabinosa, xylosa) a hexosy (glukosa, fruktosa) tab. 1. Oligosacharidy se v obilném zrnu vyskytují v nízkých koncentracích. Příkladem je sacharosa a maltosa. Polysacharidy jsou s bílkovinami z technologického hlediska nejvýznamnější skupinou. Mají zásobní i stavební funkci. Zásobní polysacharid škrob je nejdůležitější složkou obilného zrna, je obsažen v endospermu. Škrob se v obilovinách a rostlinách vyskytuje ve formě škrobových zrn nebo škrobových granulí a jejich velikost je u jednotlivých obilovin odlišná (tab. 2). Skládají se ze dvou frakcí – amylosy a amylopektinu. Obě frakce jsou
13
tvořeny jednotkami glukosy. Poměr amylosy a amylopektinu v obilninách je 25% : 75% (Kučerová, 2004).
Tab. 1 Obsah hlavních polysacharidů v pšenici (Velíšek, 1999) Polymer
Obsah v %
Škrob
60 – 80
Neškrobové polysacharidy
3 – 11
Celulosa
0,2 – 3
Hemicelulosa
2–7
Arabinoxylany
1–3
Beta- glukany
0,5 – 2
Xyloglukany
0,2 – 0,4
Pektiny
0,3 – 0,5
fruktany
1–4
Tab. 2 Charakteristika škrobových zrn (Velíšek 1999) Zdroj
Malá zrna v µm
Pšenice
4–6
15 – 25
15
Ječmen
3–5
19 – 25
15
Rýže
3–9
15 – 30
5
38 – 50
38 – 50
33
Brambory
Velká zrna v µm
Střed. hodnota v µm
Amylosa je lineárním řetězcem, obsahujícím jednotky D-glukosy, navzájem vázané glykosidickou vazbou α(1,4), přičemž tento řetězec má strukturu šroubovice, do jejíhož nitra lze vázat až 20 % jodu. Obsah amylosy u jednotlivých druhů obilovin je odlišná (tab 3). Amylopektin obsahuje také D-glukosu vázanou glykosidickou vazbou α(1,4), na rozdíl od amylosy však připadá na každých 20 až 25 glukosových jednotek jedno rozvětvení, kdy se nový řetězec váže způsobem α-(1,6). Amylosa s vodou vytváří koloidní roztok, který na rozdíl od roztoku amylopektinu nepřechází do gelového stavu. Amylopektin se ve studené vodě nerozpouští, jen silně bobtná. Při vyšší teplotě se koloidně rozpouští. Když se takto připravený roztok ochladí, přemění se na gel (Velíšek, 1999). Hampl (1970) uvádí, že se granule škrobu liší v závislosti na rostlinném zdroji svojí ultrastrukturou, ale mají společný obecný model, jehož základem jsou radiálně uspořádané
14
molekuly amylopektinu ve tvaru disku, v nichž jsou neredukující konce situovány ven z granulí a tvoří jejich povrch. V oblastech větvení řetězců má amylopektin a doprovázející jej amylosa neuspořádanou amorfní strukturu. Krystalové a amorfní oblasti se pravidelně střídají. Podle stupně krystalinity granulí se rozeznávají 4 polymorfní formy škrobu označované jako A, B, C a V. Nejstabilnější forma A se vyskytuje u cereálních škrobů s výjimkou vysoce amylosových. Méně stabilní forma B se vyskytuje u kořenové zeleniny, brambor a u vysoce amylosových škrobů obilovin (obsah amylosy je nad 40 %). Forma C je přítomna u luštěnin. U želatinovaných škrobů s amorfní strukturou vzniká při retrogradaci nejprve méně stálá forma B, z ní vzniká forma C a ta přechází na nejstabilnější formu A. Forma typu V se vyskytuje v želatinových škrobech obsahující lipidy, kde dochází k interakci amylosy a mastnými kyselinami (Velíšek, 1999). Škrobová zrna mají vlastnost želatinace, která má význam při hydrolýze škrobu. Teploty želatinace jsou znázorněny v tabulce 4. Zrna přijímají z atmosféry při běžné vlhkosti vzduchu asi 0,2 g vody (asi 13 % pšeničný a 18 – 22 % bramborový škrob), aniž se mění objem zrn. Škrobová zrna jsou ve studené vodě nerozpustná a tvoří suspenzi. Při záhřevu suspenze nepoškozených škrobových zrn množství absorbované vody dále roste, aniž se poruší jejich integrita, dochází pouze k imbibici. Až do určité teploty, při které nastává bobtnání zrn, se jedná o reversibilní proces. Tato teplota se nazývá jako počáteční želatinační teplota (obvykle 10 – 15 °C). Želatinační teplota závisí na druhu škrobu a vzájemném poměru škrobu a vody, pH prostředí a přítomnosti dalších složek jako například jsou soli, cukry, lipidy, bílkoviny. Běžně počáteční želatinační teplota leží mezi 50 – 70 °C (Senn, Pieper 1989). Wiseman (1986) ve své příručce uvádí, že v procesu želatinace jsou změny škrobových zrn nevratné. Tepelným pohybem molekul se přerušují stávající vazby. Hydratované řetězce se vzájemně oddalují, čímž mizí krystalické zóny a celá struktura se stává neorganizovanou, amorfní. Jako důsledek hydratace a uvolnění amylosy z granulí roste viskozita a při dostatečné koncentraci škrobu vzniká viskózní škrobový maz, který obsahuje škrobová zrna mnohonásobně zvětšená. Pokračuje-li záhřev, viskozita klesá s další ztrátou integrity granulí. Ochlazením škrobového mazu viskozita opět roste, neboť se obnovují vodíkové vazby mezi makromolekulami amylosy a amylopektinu.
15
Tab. 3 Obsah škrobu a jeho složení ve významných zdrojích (Velíšek, 1999) Škrob v %
Amylosa v %
Pšenice
59 – 72
24 – 29
Žito
52 – 57
24 – 30
Ječmen
52 – 62
38 – 44
Oves
40 – 56
25 – 29
Kukuřice
65 – 75
24 – 26
Brambory
17 - 24
20 – 23
Potravina
Tab. 4 Teploty želatinace (mazovatění) vybraných škrobů (Velíšek, 1999) Zdroj škrobu
Tž °C - počáteční
Tž °C - střední
Tž °C - konečná
Pšenice
52
58
64
Kukuřice
62
67
72
Rýže
66
72
78
Brambory
50
60
68
Mezi neškrobové polysacharidy patří celulosa, hemicelulosa, lignin, pentosany. Celulosa je nerozpustná ve vodě a za normálních teplot ani výrazně nebobtná. Je součástí obalů a buněčných stěn. Pšenice jí obsahuje 1,6 %, ječmen 4 % a oves přes 10 %. Hemicelulosa je rozpustná ve zředěných alkáliích. Je zastoupena hlavně v buněčných stěnách, kde funguje jako opěrné pletivo a jako zásobní látka, která se při klíčení rozkládá na jednodušší cukry. Lignin je základní složkou nerozpustné vlákniny, nachází se v otrubách a v pluchách ječmene a ovsa. Pentosany jsou součástí obalů a buněčných stěn (Zehnálek, 2001).
Bílkoviny Zralá zrna obsahují podle druhů a odrůd 9 – 16 %. Většina bílkovin je uložena v endospermu a v aleuronové vrstvě. Základní stavební složkou bílkovin jsou aminokyseliny. Dominantní aminokyselinou je glutamin (derivát kyseliny glutamové), který představuje 1/3 z celkového obsahu aminokyselin. Další nejvíce významnou aminokyselinou je prolin, který zaujímá více jak 10 % v pšeničné bílkovině. Bílkoviny mohou být tvořeny jednoduchými a složenými bílkovinami. Jednoduché bílkoviny se dělí
16
podle funkčních vlastností na protoplasmatické (albuminy a globuliny) a na zásobní (prolaminy a gluteniny). Obsah albuminů a globulinů činí u pšenice 15 – 20 %. Největší význam mají bílkoviny pšenice, které se liší svou schopností tvořit lepek. Lepek tvoří bílkoviny nerozpustné ve vodě, gliadin a glutenin (Kučerová, 2004). Bílkoviny tvoří také podstatnou část enzymů, které fungují jako biokatalyzátory živé buňky. Amylasa je enzym hydrolyzující škrob. Enzymy, které hydrolyzují peptidové vazby se nazývají proteolytické. Lipázy hydrolyzují lipidy a oxidačně redukční lipoxygenásy oxidují nenasycené mastné kyseliny z lipidů bílkovin (Velíšek, 1999).
Lipidy Obilky patří k semenům, které obsahují nejnižší obsah tuků (1,5 – 2,5 %). Nejvíce tuků obsahuje klíček a aleuronová vrstva. Nepolární tuky tvoří nenasycené mastné kyseliny (72 – 85 %), z nichž esenciální kyselina linolová tvoří minimálně 55 %. Z polárních lipidů jsou to fosfolipidy s obsahem 15 – 26 % (Kučerová, 2004). Lipidy se také vyskytují ve škrobu (tab. 5).
Tab. 5 Obsah lipidů a proteinů ve škrobech (Velíšek, 1999) Škrob
Obsah lipidů v %
Obsah proteinů v %
Pšenice
0,38 – 0,72
0,3
Kukuřice
0,02 – 1,09
0,3
Brambory
0,05
0,06
Minerální látky V obilném zrně se nachází v rozmezí 1,5 – 2,5 %. Největší množství minerálních látek se nachází v klíčku a obalových vrstvách, především v aleuronové (Hampl, 1970).
Vitamíny Vysoký obsah vitamínů je v obalových vrstvách a klíčku a aleuronové vrstvě. Endosperm je na vitamíny chudý. Význam mají především vitamíny skupiny B (thiamin B1 a riboflavin B2), kyselina nikotinová PP, nikotinamid, kyselina pantotenová a vitamín E (α – tokoferol) (Hampl, 1970).
17
Biologicky významné látky Mezi
tyto
látky
patří
především
kyselina
fytová,
cholin,
kyselina
para – aminobenzoová (Kučerová, 2004). Látkové složení se může v jednotlivých částech zrna významně měnit (tab. 6). Standardně vycházíme ale z průměrných hodnot vztažených k zrnu jako celku (tab. 7).
Tab. 6 Rozdělení látkového složení v jednotlivých částech zrna v % sušiny (Pomeranz, 1994) Složka
Popel
Bílkoviny
Tuky
Celková
Pentosany Škrob
vláknina Oplodí
a
3,4
6,9
0,8
50,9
46,6
-
Aleuronová
10,9
31,7
9,1
11,9
28,3
-
Klíček
5,8
34,0
27,6
2,4
-
-
Endosperm
0,6
12,6
1,6
0,6
3,3
80,4
osemení
vrstva
Tab. 7 Průměrné složení sušiny obilek v % (Chloupek, 2005) Druh
Minerální
Protein
Škrob
Tuk
Vláknina
Ostatní
látky Pšenice
1,8
13
68
2
2,3
11,9
Žito
1,8
11
72
1,8
2,3
10,8
Ječmen
2,6
11
69
2,3
4,5
10,6
Oves
3,5
12
50
7
12
15,5
Kukuřice
1,5
11
71
5
2,5
8
18
3.2 Technologie výroby lihu 3.2.1 Historie
Z historie není známo, ve které zemi byl získán čistý ethanol poprvé, ale výrobu alkoholických nápojů znali už Egypťané. Helmont poznal, že při lihovém kvašení uniká CO2 a naopak Becher zjistil koncem 17. století, že alkoholické kvašení probíhá pouze ve sladkých tekutinách. V 19. století badatel Gay – Lussakov vyjádřil první alkoholové kvašení pomocí rovnice:
C6H12O6
----> 2 C2H5OH + 2 CO2 + E
Líh, jako finální výrobek, má rozmanité použití v průmyslu chemickém, potravinářském, ve zdravotnictví, v kosmetice, v domácnosti, při výrobě kaučuku, jako pohonná látka a v mnoha dalších odvětví (Ingr, 2001).
3.2.2 Suroviny k výrobě ethanolu
K výrobě lze použít všechny suroviny, obsahující přímo zkvasitelné cukry, nebo polysacharidy, které lze převést enzymatickou cestou na zkvasitelné cukry. Průběh kvašení ovlivňují kromě cukrů také ostatní složky suroviny. Suroviny k výrobě lihu lze rozdělit na cukernaté, škrobnaté a lignocelulózové.
Suroviny cukernaté: Obsahují glukosu, fruktosu, sacharosu nebo jiný zkvasitelný cukr. Průměrný obsah cukru v ovoci závisí na druhu, odrůdě, stupni zralosti, klimatu a průběhu vegetačního období. V bobulovém ovoci se pohybuje obsah cukru od 3 – 19 %, v peckovém od 6 – 25 % a v jádrovém od 5 – 15 %. Hlavní podíl cukru připadá na monosacharidy (tab. 8). Nezralé ovoce obsahuje zpravidla menší množství škrobu (Augustín, 1991). Cukrovka se nevyužívá přímo jako potravina, nýbrž až po zpracování jako na cukr. Obsah sacharosy v bulvě se pohybuje kolem 17,5 %. Dále obsahuje necukry – pektiny (2,4 %), celulosu a hemicelulosu (4,1 %), dusíkaté látky (1,2 %) a minerální látky (0,6 %) (Pelikán, Dudáč, Míša, 1999). 19
Nejdůležitější surovinou, kterou zpracovávají průmyslové lihovary, je melasa. V naší republice se setkáme prakticky pouze s melasou řepnou. Hlavní složkou je sacharosa (40 – 50 %), která už nelze získat, 10 – 12 % dusíkatých látek, 8 – 10 % popele a
22 – 28 % vody. Používá se nejen pro výrobu ethanolu, ale i k výrobě kvasnic,
organických kyselin, i ke krmení (Pelikán, 1999). Z dalších cukrů jsou důležité invertní cukr a rafinosa. Necukerných látek je v melase kolem 30 % a jsou tvořeny organickými látkami (20 %) a anorganickými látkami (10 %). Z pohledu lihové fermentace je sledován obsah dusíkatých látek (1,0 – 1,6 % N) , z nichž kyselina asparagová a glutamová jsou důležité pro výživu kvasinek, naopak betain je pro kvasinky zcela bez užitku a obsah fosforu, kterého bývá v melase jen asi 0,06 %. To nestačí na výživu kvasinek a melasové zápary se musí proto přiživovat, většinou kyselinou fosforečnou nebo diamoniumfosfátem. Dalšími surovinami cukrovarnickými produkty, které by bylo možné využít k výrobě lihu jsou surový a rafinovaný cukr - do zápary je nutné doplnit živiny potřebné pro činnost kvasinek jako jsou vitaminy, aminokyseliny, růstové látky, minerály aj. Uvažuje se o výrobě lihu z některého meziproduktu výroby cukru, zejména tekutého cukru (sirupu), těžké šťávy, příp. lehké během kampaně (www.vscht.cz).
Tab. 8 Obsah monosacharidů a dalších cukrů v ovoci (% v jedlém podílu) (Velíšek, 1999) Ovoce
glukosa
fruktosa
sacharosa
cukry
sušina
celkem Jablka
1,8
5
2,4
11,1
16
Hrušky
2,2
6
1,1
9,8
17,5
Třešně
5,5
6,1
-
12,4
18,7
Švestky
3,5
1,3
1,5
7,8
14
Meruňky
1,9
0,4
4,4
6,1
12,6
Broskve
1,5
0,9
6,7
8,5
12,9
20
Suroviny škrobnaté: Obsahují polysacharid škrob, který je nutno převést na zkvasitelný cukr. Proto je výroba ethanolu ze škrobnatých surovin po technologické stránce složitější a po ekonomické stránce nákladnější. Nejčastěji škrobnatou surovinou jsou brambory a obiloviny (Ingr, 2001). Brambory obsahují velký podíl vody (75 %). V sušině pak převládá škrob (asi 65 – 80 %), kterého je méně pod slukou, více ve svazcích cévních a opět méně ve středu hlízy. Bramborový škrob obsahuje 80 % amylopektinu a 20 % amylosy. Hlízy obsahují minoritní množství vitamínů rozpustných v tucích (E, K), provitamín vitamínu A (beta- karoten). V majoritním množství se v hlízách nacházejí vitamíny rozpustné ve vodě (C, B). Z tohoto hlediska je ethanol vyrobený z brambor nejkvalitnější (Kunteová, 2000). K nejčastěji používaným surovinám k výrobě ethanolu patří obiloviny. Zpracovává se kukuřice, pšenice, tritikale, oves, ječmen a žito. Kukuřice využívaná k produkci škrobu je typu koňský zub kukuřice tvrdé. Používá se hlavně ve světě, dobře se zpracovává, má vysoký obsah škrobu (70 %). Pšenice určená pro výrobu ethanolu by měla obsahovat vyšší podíl zkvasitelných cukrů, vznikající ze škrobu, kterého by mělo být více než 65 % v sušině (tab. 9). Kvalita pšenice je dána obsahem proteinů (11,1 – 13,2 %). Zájem o tuto surovinu stále roste, hlavně nepotravinářské odrůdy (Hamrová, 1988). Vhodnější je tritikale, které má vyšší obsah škrobu, ale poskytuje nižší výnosy, které závisí na odrůdě. Škrobové zrno tritikale je lépe přístupné působení enzymových preparátů, navíc má vysokou aktivitu vlastních amylolytických enzymů. Pro získání škrobu je nutná i dobrá vypíratelnost lepku (Šimůnek, Pelikán, Staňková, 1997).
Potravinářská jakost V současné době je potravinářská kvalita hodnocena dle norem EU, které předepisují hodnocení kvality odrůd v pekařském pokusu metodou „Rapid Mix test“ (RMT). Při nákupu pšenice jsou používány také nepřímé metody, v zahraničí nejčastěji obsah dusíkatých látek, sedimentační hodnota a číslo poklesu.
Od roku 1998 jsou pšenice vhodné pro pekařské zpracování (převážně pro výrobu kynutých těst) členěny dle jakosti na skupiny: -
elitní pšenice E – dříve označované jako velmi dobré, zlepšující
-
kvalitní pšenice A - dříve označované jako dobré, samostatně zpracovatelné 21
-
chlebová pšenice B - dříve označované jako doplňkové, zpracovatelné ve směsi
-
nevhodné pšenice C – odrůdy nevhodné pro výrobu kynutých těst
Odrůdy pšenice nevhodné pro výrobu kynutých těst jsou členěny dle způsobu dalšího využití do následujících jakostních kategorií: -
pšenice pečivárenské ( pro výrobu oplatků, sušenek a krakerů)
-
pšenice pro výrobu těstovin (pšenice tvrdá)
-
pšenice pro speciální využití (výrobu škrobu a lihu)
-
krmné pšenice
Cílem je zařadit odrůdu do přesně definované jakostní kategorie a tím umožnit spotřebiteli zvolit optimální odrůdu pro daný užitkový směr. Zařazení do kategorie se provádí na základě charakteristik uvedených v tabulce 9. Systém hodnocení kvality pšenice zahrnuje přímá i nepřímá hodnocení (Tichý, 2001).
Tab. 9 Minimální požadavky na zařazení odrůd do skupin (přehled odrůd 2003) Jakostní sk.
E - elitní
A - kvalitní
B -chlebová
Vyjádření hodnoty
absolutně
bod 9-1
absolutně
bod 9-1
absolutně
bod 9-1
Objem. Výtěžnost (ml)
549
8
513
6
477
4
Obsah hrubých bílkovin (%)
12,6
6
11,8
4
11,1
2
Zelenyho test (ml)
47
7
33
5
19
3
Číslo poklesu (sec.)
240
6
200
4
160
2
Objem. hmotnost(g/l)
790
7
780
6
760
4
Vaznost mouky (%)
58,7
7
55,5
5
53,9
4
Pěstební technologie a úprava zrna pšenice ozimé a tritikale pro výrobu etanolu Program produkce obilovin pro výrobu ethanolu má z hlediska uplatnění konečného výrobku, tj. ethanolu vzniklého kvasným procesem ze škrobu zrna, hlavní využití v motorových palivech. Zavedení tohoto programu umožní současně řešení několika problémů: -
agrárního problému přebytku zemědělské půd, především v marginálních oblastech a s tím související ekologie krajiny a sociální otázky venkova 22
-
snížení škodlivých emisí ve výfukových zplodinách spalovacích motorů pomocí přídavku ethanolu produkovaného z obilovin nebo jeho organických derivátů (ETBE – etyltercbutyléter)
-
snížení dovozu ropy a tím závislosti na politicky rizikových oblastech producentů ropy a současně snížení pasivního salda zahraničního obchodu
Z evropských zemí se příkladem využití zemědělské produkce (obilovin, cukrovky) pro výrobu ethanolu s následným použitím jeho derivátů v motorových palivech se stala Francie, která v roce 1996 zpracovala 675 tisíc hl ethanolu. Také v sousedním Polsku je ve vysoké míře využíván ethanol ze zemědělských produktů jako přímé aditivum v benzinu do výše 12 %, což je v souladu se směrnicí EU. Z mimoevropských zemí je zaznamenán rozvoj zpracování zrna obilnin pro výrobu ethanolu a jeho využití v motorových palivech především v USA (zpracování kukuřice) a dále v Kanadě, kde je využíváno zrno drobnozrnných cereálií (pšenice, tririkale, žito) (Bubník, Gebler a kol, 2006).
Výběr vhodných druhů a odrůd obilnin pro výrobu ethanolu V rámci screeningu genotypů pšenice a tritikale byly prováděny v ročnících 1996 až 1998 analýzy na obsah škrobu a bílkovin u 688 genotypů ozimé pšenice, 169 genotypů jarní pšenice, 50 genotypů ozimého tritikale a 22 genotypů tritikale, ze kterých vyplynulo: -
odrůdy ozimého ječmene nemají dostatečně vysoký obsah škrobu v zrně, který by umožňoval vysokou konverzi tohoto polysacharidu na zkvasitelné cukry a následně ethanol
-
obdobně u sortimentu žita, s výjimkou hybridního žita Marder, nepřesahuje obsah škrobu v zrně 65%, tj. hranici pro úspěšné použití na výrobu ethanolu
-
lepší situace je u tritikale a ozimé pšenice.
Registrované odrůdy tritikale mají více než 65% škrobu a jsou perspektivní pro další využití. U vybraného souboru odrůd ozimé pšenice Alka, Stella, Boka, Bruneta, Rexia, Torysa a Trane byl nalezen nejvyšší obsah škrobu ze všech sledovaných odrůd (přes 69%) a průměrný obsah škrobu činil 67%. Z výsledků analýz je zřejmé, že nejvhodnějšími obilninami pro možnou výrobu ethanolu se jsou ozimá pšenice a tritikale, respektive jejich určité odrůdy (tab. 10). Zrno tritikale a vybraných odrůd pšenice ozimé má vysoký obsah škrobu současně se sníženým obsahem bílkovin a nízkou hodnotou čísla poklesu. To charakterizuje vysokou amylázovou 23
aktivitu vlastního zrna a tím možnost snížení množství syntetické amylázy přidané při technologickém postupu konverze škrobu na zkvasitelné cukry. Ukázalo se, že obsah škrobu který je limitujícím parametrem pro výrobu ethanolu, statisticky vysoce průkazně negativně koreluje s obsahem bílkovin v zrně (Petr, 2001)
Tab. 10 Hektarové výnosy plodin a výtěžnost ethanolu z 1 ha zemědělské půdy Plodina
Výnos
Spotřeba biomasy
Výtěžnost ethanolu
t/ (ha . rok)
na 10 hl ethanolu (t)
[hl / (ha . rok )
Cukrová třtina
80
15,3
53
Maniok
20
5,3
38
Sladké brambory
27
5,5
50
Brambory
25
8,7
36,2
Cukrová řepa
47,7
9
47
Kukuřice
4,5
2,5
26
7
2,7
38
Pšenice
Rajonizace pšenice ozimé a tritikale pro výrobu ethanolu Ze statistické analýzy vyplývá nadřazenost místa pšenice ozimé a tritikale na výrobu ethanolu ostatním faktorům. Optimální podmínky jsou v obilnářské oblasti vlhké, kde při dodržení doporučené pěstební technologie a dostatku srážek lze dosáhnout dobrých výnosů při optimálních kvalitativních ukazatelích. Pokusy byly zakládány v podmínkách charakterizujících tuto oblast: Nadmořská výška 270m, půdy hnědé, oglejené, pH 6,7 – 7,0, průměrná roční teplota za vegetaci 7,8°C, suma srážek za vegetaci 677mm. V bramborářské výrobní oblasti byl při doporučené pěstební technologii nízký výnos a nebylo možné dosáhnout optimálních kvalitativních ukazatelů (především podílu škrobu). Pokusy byly zakládány v podmínkách charakterizujících tuto oblast: Nadmořská výška 570m, půdy hnědé, písčito – hlinité, slabě štěrkovité slabě kyselé pH 5,6 -6,5, průměrná roční teplota za vegetaci 7°C, suma srážek za vegetaci 448mm. Tritikale je plodinou určenou pro obilnářskou, bramborářskou a pícninářskou oblast. Jako hybrid žita a pšenice má nároky na prostředí menší než pšenice, větší než žito. Tritikale lze pěstovat okrajově i ve výrobní oblasti kukuřičné (K4, 5) a řepařské (Ř3 – 5)
24
ale pro pěstování na výrobu ethanolu tyto oblasti nejsou vhodné. Požadavky tritikale na přírodní podmínky jsou skromnější než u ozimé pšenice. U tritikale se cení tolerantnost k horším půdním podmínkám, horší předplodině, nízkému pH půdy. Je výnosově stabilnější v oblastech, kde se již tolik nedaří ozimé pšenici. Vegetační doba je o 10 – 14 dnů delší než u ozimého žita (Petr, Stehno, 1997). Pěstování pšenice ozimé a tritikale pouze po obilnině je předpokladem kvality zrna na výrobu ethanolu. Po zlepšujících předplodinách se dosahuje vyššího obsahu bílkovin v sušině zrna, což není vhodné pro výrobu ethanolu. Doporučené odrůdy pšenice ozimé: Alka, Stella, Boka, Bruneta, Rexia, Torysa a Trane Doporučené odrůdy tritikale: Disko, Modus, Kolor, Presto (Tichý, 2001).
Oves obsahuje vysoký obsah nejkvalitnějších bílkovin (14 – 15 %) a vysokým obsahem tuku 7 – 10 % (Hampl, 1970). Hamrová (1988) uvádí, že se zpracovává ojediněle, protože obsahuje velké množství pluch. Z toho vyplývá, že zpracování je obtížné. Ječmen má kvalitnější bílkoviny než žito a pšenice. Cení se také obsah beta – glukanů. Škrob se nachází v podobě škrobových granulí vázaných v proteinové matrici a proto jeho struktura a složení ovlivňuje dostupnost aminokyselin i degradaci sacharidů (Kučerová, 2004). Žito obsahuje zásobní bílkoviny v endospermu a jsou rozpustné ve vodě a proto žito nemá lepek jako pšenice. Žito má krátkou dormanci a proto je tu vyšší nebezpečí poškození škrobu enzymy, aktivovanými při prorůstání (Kunteová, 2000).
Suroviny lignocelulosové Využití dřevních odpadů a celulózy k produkci bioethanolu se může stát vážným konkurentem pšeničných, kukuřičných a jiných surovin. Jeho získání je efektivnější. Glukóza je součástí celulózy, základního stavebního prvku všech rostlin, tedy i dřeva. A právě získávání glukózy z rostlinné biomasy tlakovou termickou hydrolýzou je základem technologie, kterou lze zpracovat prakticky jakoukoli biomasu včetně dřevní hmoty. Ideální surovinou je odpadní obilná sláma nebo energetické rostliny. Výroba bioethanolu z lignocelulózové biomasy je díky typu suroviny levnější než zpracování škrobových plodin. Suroviny, které by se také mohly využít k výrobě bioethanolu je například čekanka, polocukrovka, kasava, topinambur, čirok, proso, pohanka, vadné ovove (jablka a hrušky).
25
Tyto suroviny našly jiné a hlavně efektivnější využití než je výroba bioethanolu (Zaldivar, 2001). Srovnání jednotlivých surovin pro výrobu bioethanolu je shrnuto v tab. 11.
Tab. 11 Průměrné výtěžnosti bioethanolu z vhodné zemědělské produkce a biologických zbytků zpracovatelských závodů (Pastorek, Kára, Jevič, 2004) Biomasa
Průměrná spotřeba na výrobu 100 l bioethanolu
Syrovátka
4 000 l
Cukrová třtina
1 181 kg
Cukrová řepa
932 kg
Brambory
1 211 kg
Dřevo
385 kg
Melasa
360 kg
Pšenice
260 kg
Kukuřice
268kg
Žito
241 kg
tritikale
251 kg
3.2.3 Zpracování surovin na výrobu ethanolu
Zpracování cukernatých surovin Ovoce se pro výrobu lihu používá jen ve výjimečných případech – zpracování havarovaných plodů nebo ojediněle některé tropické, většinou sušené plody (datle). Z hlediska zpracování je melasa jednodušší surovinou než obilí. Její předností je jednoduchá příprava zápary (naředění vodou, přídavek živin) a skutečnost, že obsahuje přímo zkvasitelný cukr (sacharosu). Kvašení s využitím produkčních kmenů kvasinky Saccharomyces cerevisiae probíhá za anaerobních podmínek, pH je udržováno mezi hodnotami 4,5 - 5,0 a teplota by neměla překročit 32 ºC. Dalším důležitým faktorem je zákvasná koncentrace kvasinek v zápaře, čím je koncentrace buněk vyšší, tím je kratší doba kvašení a vyšší produktivita fermentace. Kvasinky jsou postupně pomnožovány v laboratorní a provozní propagaci do množství, které je potřebné k zakvašení zápary v bioreaktoru.
26
Zpracování škrobnatých surovin Škrob je substrátem, který většina ethanol produkujících mikroorganismů není schopna přímo zkvašovat. Proto musí být nejprve převeden na jednoduché zkvasitelné sacharidy, tj. na glukosu nebo maltosu. Pro zpracování
škrobnatých surovin se nejčastěji používá několik způsobů. Jedná se
o tlakový (pařákový), beztlakový (infúzní) a mechanický způsob. V posledních letech se však používá stále častěji beztlakový způsob. Tuto změnu umožnila výroba termostabilních α-amylas bakteriálního původu (Diviš, 2004). Tlakový způsob využívá k uvolnění a zmazovatění škrobu ze zrn nebo hlíz paření za teploty nad 120 ºC a tlaku od 0,2 do 0,5 MPa (podle charakteru zpracovávané suroviny). Nejpoužívanějším pařákem u nás je Henzeův pařák. Velkou výhodou paření je, že se zápara současně vysteriluje, což je vhodné při zpracování havarovaných substrátů. Po paření následuje vyhánění díla do zapařovací kádě za současného intenzivního chlazení a přídavku ztekucujících enzymů (Hamrová, 1988). Při beztlakovém způsobu musí být brambory rozmělněny a obilí namleto na částice odpovídající velikosti (běžně 0,4 - 2,0 mm). Mletí obilí může být realizováno za sucha (šrotovníky, kladívkové mlýny) nebo za mokra (dispergátory, mlýny s korundovými talíři, kladívkové mlýny). Mokré mletí má výhodu v tom, že při mletí dochází již zároveň i k bobtnání škrobových zrn. Podle vlastností používaných enzymů a za přídavku zeleného sladu se dílo vyhřívá na 65 ºC nebo na teploty 90 - 95 ºC (při použití termostabilní α-amylasy), při kterých dochází ke zmazovatění a ztekucení škrobu. Celkový pochod zcukření je zdlouhavý, protože škrob není tak přístupný jako při paření (Kreipe, 1981). Mechanický způsob spočívá v rozmělnění suroviny, narušení škrobových zrn. Takový proces se nazývá mechanické mazovatění škrobu. Suspenze suroviny se ve vodě zpracovává určitým teplotním režimem za současného působení amylolytických preparátů. Také se zkoumá působení dalších hydrolytických enzymů, štěpících celulosu, hemicelulosu a pektiny. Tento systém vede ke zvýšení výtěžnosti ethanolu a ke zlepšení jeho jakosti (Kent, Evers, 1994). Chlazení zápary se děje za sníženého tlaku, což napomáhá k odstraňování příměsí a zlepšuje jakost ethanolu. Hodnota výtěžnosti ethanolu je závislá na faktorech, které určují celou technologii. Použité enzymy nemusí být ještě zárukou vysoké výtěžnosti, je třeba správně je aplikovat. Rozhodující je přitom také použitá surovina a především velikost částic a způsob zpřístupnění škrobu, což určuje efektivitu jednotlivých technologických postupů. Bobtnají-li škrobová zrna za studena, naberou tolik vody, že se jejich hmotnost zvětší o třetinu. Za tepla se objem zvětší 60 až 100x., přičemž 27
dochází k praskání zrn a výraznému zvýšení viskozity. Jedním z důležitých faktorů při zpracování kukuřice a obilí je velikost částic šrotu. Mletí materiálu se může uskutečnit v suchém nebo ve vlhkém stavu. Při vlhkém způsobu mletí se ukázalo, že částice by měly mít rozměr kolem 0,1mm.
mletí. Rmutovací procesy mohou být založeny na vaření
materiálu, kdy max. teplota dosahuje 95-100°C a pro rozklad škrobu se využívá sladové a mikrobiální termostabilní amylázy. Rmutovací způsob se suchým mletím vyžaduje velikost částic o velikosti 0,1mm. Z hrubších zrn, tj. o velikosti 0,7 - 0,9 mm se obtížněji uvolňuje škrob. Rmutovacím způsobem s vlhkým mletím se dosáhne vyššího efektu poškozením zrn škrobu. Další metodou mokrého mletí je dispergační způsob s recyklem, kde se zpracovávají celá zrna (Senn, Pieper, 1989). Mletí, bobtnání a mazovatění škrobu i enzymová hydrolýza škrobu probíhá současně. Z enzymů se přidává nejprve bakteriální alfa-amylasa a po ochlazení z 80°C na 60°C při pH 5,0-5,5 probíhá zcukření (Hamrová, 1988). Diskutovaným problémem je stanovení poměru vody a výchozí suroviny. Obecně lépe prokvašují řidší zápary a experimentálně byly nejvyšší výtěžky u zápar s poměrem 1:3 a vyšším (Wolf, 1994).
Zpracování žita Při zpracování žita lze použít pařákovou i infúzní metodu. Pařákové metody se používají pro zpracování celých žitných zrn i šrotu. Zapařování žita se provádí obdobným způsobem jako při zpracování brambor. Škrobnatost žita je oproti bramborám vyšší (50-60%). Žito lze s dobrými výsledky zpracovat společně s bramborami v kombinaci dvou zapářek a to bramborových a jedné žitné nebo dvě žitné a jedno bramborové, které se míchají v kvasných kádích (Hampl, 1970).
Zpracování ječmene Nejprve se ječmen máčí a poté se zcukřuje. Pro zcukření se nejvíce používá ječný slad. Ječmen se může zpracovat pařením celého nemáčeného nebo celého máčeného zrna, nebo se zpracovává loupaný i šrotovaný. Ječmen se musí pařit jinak než brambory a žito. Vyplývá to s odlišného složení těchto surovin i jejich anatomické stavby. Žito má malé obilky, ječmen pluchaté. Na 3x více škrobu ve srovnání s bramborami, připadá v něm 6x méně vody, takže jeho vlhkost nestačí k zmazovatění zrna. Pařák se musí napřed naplnit potřebným množstvím vody, ohřáté na 50°C. Velmi dobře se osvědčuje paření ječného šrotu rozmíchaného předem ve vodě a předehřívaného ve zvláštní kádi. Při zapařování vyhovuje nejlépe přidávání sladu v podobě sladového mléka po částech (Pelikán, 1999). 28
Zpracování pšenice Zpracování pšenice je obdobné jako u žita. Pšenice má větší obsah škrobu (kolem 65%), takže je třeba přidávat větší množství vody do pařáku než u žita. V lihovarech se obvykle zpracovává pšenice napadená snětí (Dyr, 1956).
Zpracování kukuřice Před vlastním pařením kukuřice v celých zrnech se voda přidávaná do pařáku okyseluje kyselinou sírovou, aby bylo snadnější rozluštění Je-li kukuřice správně upařená, jsou v čiré zcukřené zápaře zřejmé jen její slupky a škrobnatý endosperm přechází do roztoku. Kukuřičné zápary prokvašují velmi hluboce (Dyr, 1963).
Zpracování brambor Vyprané brambory se rozvaří na kaši, bramborová kaše se smíchá se sladem a s vodou a zapařuje se při cca 60 °C. Škrob se účinkem enzymu diastasa zhydrolyzuje na maltosu. Zcukernatělá hmota se po ochlazení v kvasných kádích zkvašuje působením kvasnic Saccharomyces. Teplota se udržuje pod 30 °C. Zkvašený materiál, obsahující maximálně 14 % alkoholu, se poté destiluje ve sloupcových kolonách (Dyr, 1956).
Zpracování lignocelulosových surovin Zpracování a úprava je založena na chemických, fyzikálně – chemických a biochemických metodách. Celulosa a hemicelulosa přítomná v lignocelulosových surovinách musí být pro fermentaci na ethanol nejprve rozštěpena na monosacharidy. Celá řada mikroorganismů přeměňují glukosu z celulosy na ethanol. Využití pentos z hemicelulosy je problematické. Proto se zkouší a vyvíjí se mikroorganismy schopné zkvašovat pentosy i hexosy. Ale růst mikroorganismů a produkce ethanolu je pomalé a dosahují nízkých produktivit. Nejvíce se osvědčily kvasinky Saccharomyces cerevisiae (obr. 2), bakterie Escherichia coli a Erwinia chrysathemi (www.vscht.cz).
29
Obr. 2 Saccharomyces cerevisiae
3.2.4 Příprava zápary Důležitým krokem při zpracování škrobnatých surovin je jejich mechanické rozmělnění a zpřístupnění zrn škrobu působení amylolytických enzymů. Dnes se již výhradně používá k hydrolýze kyseliny, enzymy a nebo kombinovaný způsob. •
Kyselá hydrolýza
Parciální hydrolýza kyselinami se provádí při vyšších teplotách než při výrobě rozpustných škrobů •
Enzymová hydrolýza
Enzymy patří mezi látky bílkovinné povahy. Na základě chemického složení se enzymy dělí na jednosložkové (jednoduché) a dvousložkové (složené). Jednosložkové enzymy se skládají pouze z bílkovin, která je nositelem substrátové specifity i specifity účinku. Dvousložkové enzymy jsou tvořeny bílkovinným nosičem – apoenzymem a účinnou nebílkovinnou složkou - kofaktorem. Obě části tvoří celek zvaný holoenzym. V bílkovinné části enzymu je zakotvena jeho substrátová specifita - rozhodování o tom, které látky (substráty) se v průběhu reakce přemění. Za specifitu účinku z velké části odpovídá kofaktor, který určuje jaký typ chemické reakce proběhne. Enzymová hydrolýza poskytuje obdobné produkty jako kyselá hydrolýza (dextriny, maltooligosacharidy, maltosu, glukosu), ale vznikající produkty jsou lépe definovány a proces lze lépe regulovat. Amylolytické enzymy používané pro hydrolýzu škrobu jsou výhradně mikrobiálního původu. Vazby α-(1,4) amylosy a amylopektinu na oligosacharidy o různé délce řetězce štěpí endoamylasy (termostabilní, termolabilní α-amylasy) a exoamylasy (maltogenní 30
β- amylasy a glukogenní amyloglukosidasy nebo glukoamylasy). Termostabilní α-amylasy získané z bakterií rodu Bacillus (Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis) štěpí škrob na maltooligosacharidy. Působením α-amylasy s Baciullus licheniformis vzniká jako primární produkt lineární maltopentaosa a z ní postupně vznikají nižší sacharidy. Hlavním produktem je maltotriosa vzniklá odštěpením maltosy. Maltosa a maltotriosa se dále neštěpí. Termolabilní α-amylasy získané z plísní rodu Aspergillus produkují jako hlavní štěpy maltosu a maltotriosu (jsou maltogenní). Maltogenní β-amylasy štěpí škrob na maltosu. Získávají se z bakterií rodu Bacillus, Pseudomonas a Clostridium. Částečně štěpí také vazby α-(1,6) amylopektinu. Glukogenní
amyloglukosidasa
atakuje
α-(1,4)
amylosy
a
amylopektinu
od neredukujícího konce molekuly a odštěpuje β-D-glukopyranosu. Částečně štěpí také vazby α-(1,6) amylopektinu. Vazby α-(1,6) amylopektinu a dextrinů štěpí α-(1,6)- sacharidasy nazývané jako 1,6-amyloglukosidasy, které se získávají z bakterií Klebsiella aerogenes a z bakrerií rodu Pseudomonas (Velíšek, 1999).
Podle Žáčkové a Kvasničky v této fázi přípravy zápary dochází po mírném ochlazení v zapařovací kádi na teploty 55 - 65 ºC díky působení β- amylasy a amyloglukosidasy ke zcukření (škrob a dextriny jsou postupně převedeny až na zkvasitelný sacharid). Rozluštění a zcukření suroviny se kontrolují jodovou zkouškou. V praxi používané enzymové preparáty neobsahují pouze jeden amylolytický enzym, ale jde o komplex i dalších hydrolytických enzymů jako např. hemicelulasy (např. xylanasy, βglukanasy), proteasy a celulasy. Jejich působením lze zvýšit výtěžnost lihu a současně i snížit viskozitu média. 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.
3.2.5 Fermentace Zcukřené dílo (sladká zápara) je ochlazeno na zákvasnou teplotu a v bioreaktoru (fermentačním tanku) zakvašeno. Kvasinky lze získat z různých zdrojů. Nejlepší se
31
osvědčují kvasinky adaptované na škrobnaté zápary získané z čistých lihovarských kultur. Je možné též použít lisované pekařské droždí (0,3 - 0,5 kg na 1 hl zákvasu), které není ideální násadou, protože jeho výroba je aerobní proces a proto se doporučuje jej rozkvasit ve sladké zápaře. V některých zemích se používají i sušené aktivní lihovarské kvasinky. Obilné a bramborové zápary obsahují dostatečné množství živin, takže není potřeba je přiživovat. Hodnota pH se má pohybovat v rozmezí 4,6 – 4,8 a během kvašení nemá klesat pod 4,2. Přítomné amylolytické enzymy i v průběhu fermentace dále štěpí dextriny a škrob, který se uvolňuje z pevné fáze obilné suroviny. V malých lihovarech se obvykle pracuje periodickým (vsádkovým) způsobem. Používají se uzavřené kvasné kádě. Doba kvašení bude záviset jak na činnosti enzymů, tak i na činnosti kvasinek. Obvykle kvašení trvá 48 - 72 h, zkvasitelné sacharidy jsou kvasinkami metabolizovány na ethanol a oxid uhličitý. Přitom dochází i k mírnému nárůstu kvasinek, k tvorbě vedlejších produktů a zahřívání kvasu. Jednoduché fermentační tanky neumožňují regulaci teploty, ta by během kvašení neměla přesáhnout 32 ºC. Toho je možné dosáhnout volbou vhodné zákvasné teploty od 18 do 24 ºC, která závisí hlavně na objemu bioreaktoru, požadované době kvašení, koncentraci zkvasitelných sacharidů v zápaře. Koncentrace ethanolu v prokvašených obilných záparách se průměrně pohybuje mezi 7 - 8 % obj. Kvašení je mikrobiální proces, který může nepříznivě ovlivnit kontaminující mikroflóra. Nebezpečné jsou především bakterie mléčného a máselného kvašení (Ingr, 2001).
3.3 Destilace a úprava lihu 3.3.1 Bioethanol – energetický zdroj
Bioethanol je vyrobený technologií alkoholového kvašení z biomasy - obvykle z rostlin obsahujících větší množství škrobu a sacharidů. Bioethanol je určený pro výrobu paliv. Přídavek ethanolu do benzinu se prováděl u nás již před druhou světovou válkou, tehdy se jednalo o povinné přídavky alkoholu do benzinu. Pro aplikaci ethanolu je nejznámější “Brazilský lihový program”, který ukázal na výhody a nevýhody jeho zaváděný ve velkém měřítku. V USA, Francii a dalších zemích se navázalo na tyto zkušenosti. Současná doba se vyznačuje nutností revidovat všechny technologie
32
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 jsou stanoveny jakostní požadavky na bioethanol (tab.12). 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).
Tab. 12 Jakostní požadavky na bioethanol (zákon č.199/2004) Číslo
Vlastnosti 0
Jednotka
Hodnota
1
Koncentrace při t=20 C, minimálně
% (V/V)
99,6
2
Obsah vody,minimálně
% (m/m) %/(V/V)
0,40 0,32
3
Obsah chloridových iontů,
g/kg
0,040
g/l
0,032
% (m/m)
0,007
g/l
0,2
% (V/V) g/100 ml
0,2 0,16
mg/kg mg/l
0,1 0,079
g/l
0,02
%(V/V)
2
maximálně 4
Obsah kyselin v kyselinu octovou,
přepočtu
na
maximálně 5
Obsah karbonylových sloučenin v přepočtu na aldehyd octový, maximálně
6
Obsah metylalkoholu, maximálně
7
Obsah mědi maximálně
8
Sušina po odpaření, maximálně
9
Obsah vyšších alkoholů maximálně
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 %). Oxygenáty (mezi ně patří i ethanol a aditivum připravené z ethanolu, ETBE: ethyl-terciární butyl-ether) snižují obsah oxidu
33
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 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 bioethanolu není třeba zásadně měnit kvasnou část výroby. Je však třeba provést všechna opatření, aby výrobní cena ethanolu byla co nejnižší (www.bioethanol.cz).
3.3.2 Destilace ethanolu z prokvašené zápary Ethanol je těkavá kapalina o hustotě 789,3 kg/m3 s bodem varu 78,31 ºC, kterou lze z prokvašené zápary izolovat destilací. S vodou tvoří azeotropickou směs (95,15 % hm.) s bodem varu 78,15 ºC nižším než obě čisté látky, takovou směs nelze rozdělit destilací za normálního tlaku. Ethanol je hořlavá, lehce vznětlivá látka s vodou neomezeně mísitelná (Pelikán, Dudáč, Míša, 2004). Prokvašené obilné zápary se v zemědělských lihovarech destilují na jednoduchém kontinuálně pracujícím kolonovém aparátu (záparové koloně). Z hlavy kolony je odebírán surový líh, většinou v koncentraci 82 – 92 % obj., z vařáku řídké obilné výpalky. Někdy je používáno dvoukolonové uspořádání nebo tříkolonové. Jednoduché schéma výroby bioethanolu je znázorněno v obr. 3
3.3.3 Rektifikace a rafinace ethanolu
Rychtera, Uher, Páca (1987) uvádí, že rektifikace je opakovaná destilace, jejímž cílem je zkoncentrovat ethanol. Rafinace je definována jako odstranění doprovodných látek z lihu. Oba tyto procesy probíhají v kolonovém uspořádání. Spodní vytápěná část kolony se nazývá vařák a nejhořejší část destilační kolony je hlava. Patra záparové kolony bývají klobouková (kalotová) s jedním velkým kloboukem na patře, ostatní kolony mají patra konstruovány jako kloboučková, tunelová, sítová, ventilová nebo méně často náplňová. Na 34
patrech dochází ke styku par s kapalinou stékající opačným směrem. Každá kolona je vybavena deflegmátorem (slouží k částečné kondenzaci par vystupujících z hlavy kolony a jejich obohacení o těkavější složku), kondenzátorem (zde dochází k totální kondenzaci par na kapalinu) a chladičem (k ochlazení destilátu). Proces destilace je energeticky náročnou operací, proto je snaha maximálním způsobem využít vloženou energii, zejména rekuperací tepla a uspořádáním kolon do tlakového spádu. K získání a zkoncentrování ethanolu (rektifikaci) se ponejvíce používá opakovaná rovnovážná destilace (destilace kontinuální), v pálenicích pak jde o nerovnovážnou (periodickou) destilaci. V první záparové koloně se oddělí ethanol od prokvašené zápary a přitom dochází k jeho zkoncentrování (surový líh), vedlejším produktem jsou výpalky. Záparová kolona je mohutnější než ostatní kolony. Někdy bývá rozdělena na dvě kolony. Ve dvoukolonovém systému dochází již částečně k rafinaci lihu. Surový líh přicházející ze záparové kolony se před rafinací nařeďuje vodou na koncentraci kolem 30 % obj., aby se zvýšila rafinační účinnost - oddělení doprovodných těkavých látek. Rafinace probíhá dohromady s rektifikací a provádí se na aparátech, které jsou složeny ze 3 – 6 kolon.
3.3.4 Vedlejší produkty při výrobě ethanolu a jeho zpracování
Hlavním vedlejším produktem je oxid uhličitý, který vzniká a uvolňuje se při fermentaci. Kvasné plyny mohou být z uzavřených bioreaktorů jímány, zbaveny ethanolu a komprimovány. Kapalný CO2 lze využít k potravinářským účelům - např. v nápojovém průmyslu (Pieper, 1990). Vedlejšími výrobky při rafinaci lihu je úkap, dokap a přiboudlina. Úkap s dokapem se při rafinaci jímají společně a používají se jako technický líh. Přiboudlina (směs vyšších alkoholů C3 – C5) se pere vodou a po oddělení v dekantéru se horní olejovitá vrstva odebírá a spodní vodní vrstva obsahující ethanol se vrací do destilace. Hlavní složkou přiboudliny je tzv. opticky aktivní pentanol (2-methyl-1-butanol) www.foodnet.cz. Lihovarské výpalky (zbytek po oddestilování ethanolu v záparové koloně) jsou hlavním "odpadem" z lihovaru - na 1 m3 lihu se tvoří 10 – 14 m3 řídkých výpalků. Patří k jedněm z nejvýznamnějších odpadů lihovarského průmysl a to nejen kvůli jejich množství, ale i dost vysokému obsahu organických a anorganických látek. Jejich sušina se pohybuje mezi 5 – 8 35
% hm., mají nízké pH a vykazují vysoké hodnoty chemické spotřeby kyslíku. Obilné výpalky jsou hodnotným krmivem či peletem, protože obsahují vysoký obsah vlákniny (tab. 13). Výpalky je však třeba zahustit a usušit. Kvasinky, které zůstaly ve výpalkách zvyšují obsah bílkovin (až 30 %) a zlepšují tak aminokyselinové složení
(tab. 14).
Melasové výpalky mají jiné složení než výpalky obilné. Obsah solí je značně vyšší a nehodí se proto k přímému zkrmování. Po odstranění solí, hlavně draselných by bylo možné je jako krmivo použít. Řídké výpalky mají 7,5 - 11,6 % sušiny. Dříve se využívaly na výrobu potaše, případně kyanidů. Dnes se u nás používají po zahuštění jako kapalné draselné nebo po úpravě jako N-P-K hnojivo a také pro produkci bioplynu. Lze je velmi dobře přidávat do mechanizačních komor, kde zvyšují obsah methanu. V řídkém stavu je nelze dlouho skladovat a musí se zahušťovat na 30 - 40 % sušiny (Pastorek, Kára, Jevič, 2004).
Tab. 13 Složení výpalků obilovin Název Obsah v sušině %
Bílkoviny Lipidy Vláknina Popel Škrob 27,80
4,8
41,25
4,32
3,2
Tab. 14 Obsah aminokyselin a minerálních látek ve výpalcích obilovin Název Obsah v sušině Las
0,80 %
Met
0,55 %
Thr
1,35 %
Trp
0,25 %
P
0,9 %
Ca
1,3 g/kg
Na
0,4 g/kg
Mg
3,4 g/kg
Zn
0,04 g/kg
Mn
0,1 g/kg
K
13,9 g/kg
36
Obr. 3 Blokové schéma výroby bioethanolu z obilovin (Vogelbusch)
37
4.0 MATERIÁL A METODIKA 4.1 Charakteristika odrůd pšenice ozimé vybraných do pokusu EBI – odrůda s elitní pekařskou jakostí E, pozdní odrůda vyššího vzrůstu se středně velkým zrnem, středně odnožující, vhodná především do střeních poloh, odolná proti napadení padlím travním na listu a v klasu, registrována v roce 2004 Udržovatel: LIMAGRAIN – NICKERSON GmbH, D Zástupce v ČR: SELGEN, a.s.
SULAMIT – odrůda s elitní pekařskou jakostí E, poloraná až polopozdní odrůda středního vzrůstu se středně velkým zrnem, středně až méně odnoživá, vhodná zejména do středních poloh, odolná proti porůstání zrna, proti poléhání, odolná proti napadení rzí plevovou, registrována v roce 2000 Udržovatel: SELGEN, a.s., ŠS Stupice
ALANA - odrůda s kvalitní pekařskou jakostí A, polopozdní až pozdní odrůda vyššího vzrůstu s velkým zrnem, středně odnožující, vhodná zejména do středních a vyšších poloh, odolná proti napadení braničnatkou plevovou v klasu, odolná proti napadení rzí plevovou, náchylnost k poléhání, kvalitní pekařská jakost na hranici c E kategorií, registrována v roce 2000 Udržovatel: SELGEN, a.s., ŠS Úhřetice
BATIS - odrůda s kvalitní pekařskou jakostí A, pozdní odrůda vyššího vzrůstu s velkým zrnem, středně odnožující, vhodná zejména do středních a vyšších poloh, odolná proti napadení rzí plevovou a pšeničnou, menší odolnost proti poléhání a napadení komplexem chorob pat stébel, registrována v roce 2001 Udržovatel: Fr. Srube Saatzucht KG Sollingen, D Zástupce v ČR: SAATEN - UNION CZ s.r.o.
BILL - odrůda s kvalitní pekařskou jakostí A, polopozdní vzrůstu se středně velkým zrnem, velmi dobře
až pozdní odrůda nižšího
odnožující, vhodná do všech poloh,
náchylná k vyzimování, menší odolnost proti porůstání zrna, nízký obsah dusíkatých látek, nízká hodnota Zelenyho testu, objemová hmotnost středně vysoká, registrována v roce
38
2002 Udržovatel: Saatzuchtgesellschaft GmbH, D Zástupce v ČR: SAATEN - UNION CZ s.r.o.
39
COMPLET - odrůda s kvalitní pekařskou jakostí A, pozdní až velmi pozdní odrůda vyššího vzrůstu se středně velkým až velkým zrnem, středně až méně odnožující, vhodná do všech poloh, odolná proti napadení rzí plevovou, náchylná k napadení rzí travní, menší odolnost až náchylnost k vyzimování a napadení padlím travním na listu, menší odolnost proti napadení fusariem v klasu, registrována v roce 2000 Udržovatel: Saatzucht Firlbeck GmbH Co. KG, D Zástupce v ČR: SELEKTA, a.s.
DRIFTER - pozdní odrůda středního vzrůstu s kvalitní A pekařskou jakostí, se středně velkým zrnem, středně odnožující, vhodná do všech poloh, odolná proti napadení rzí plevovou, proti porůstání zrna, náchylnost k vyzimování, k napadení rzí travní, středně vysoká objemová hmotnost, registrována v roce 2000 Udržovatel: Limagrain - Nickerson GmbH, D Zástupce v ČR: SELGEN, a.s.
GLOBUS - odrůda s kvalitní pekařskou jakostí A, pozdní odrůda středně vysokého až nízkého vzrůstu se středně velkým zrnem, vhodná do všech poloh, odolná proti napadení padlím travním a braničnatkou plevovou v klasu, rzí pšeničnou, plevovou a travní, náchylnost k vyzimování, nízký obsah dusíkatých látek, registrována v roce 2003 Udržovatel: NORDSAAT Saatzuchtgesellschaft mbH, D Zástupce v ČR: SAATEN - UNION CZ s.r.o.
ILIAS – odrůda s kvalitní pekařskou jakostí A, polopozdní až pozdní odrůda nižšího vzrůstu se středně velkým zrnem, vhodná do středních a vyšších poloh, odolnost proti napadení braničnatkou plevovou v klasu, rzí pšeničnou a plevovou, registrována v roce 2003 Udržovatel: Cebeco Seeds B.V., NL Zástupce v ČR: CEBECO SEEDS s.r.o.
KAROLINUM - odrůda s kvalitní pekařskou jakostí A, poloraná až polopozdní odrůda středního vzrůstu se středně velkým zrnem, vhodná do všech poloh, předností je vysoký výnos, náchylnost k vyzimování a porůstání zrna, menší odolnost proti napadení padlím travním na listu a listovými skvrnitostmi, registrována v roce 2003 Udržovatel: PLANT SELECT, spol. s.r.o. 40
VLASTA - odrůda pekařskou jakostí B, polopozdní odrůda středního vzrůstu se středně velkým až velkým zrnem, středně až méně odnožující, vhodná do všech poloh s výjimkou kukuřičné výrobní oblasti, odolná proti napadení padlím travním na listu, náchylnost k napadení rzí plevovou, registrována v roce 1999 Udržovatel: SELGEN, a.s., ŠS Úhřetice
CORSAIRE – odrůda pekařskou jakostí C, polopozdní až pozdní odrůda nižšího vzrůstu se středně velkým až velkým zrnem, středně odnožující, vhodná do všech oblastí s výjimkou nejvyšších poloh, odolnost proti napadení rzí pšeničnou, náchylná k vyzimování, menší odolnost proti napadení padlím travním na listu a listovými skvrnitostmi, registrována v roce 1999 Udržovatel: Florimond Desprez, F Zástupce v ČR: Francotchequet Agricole, spol. s.r.o.
SEMPER - odrůda pekařskou jakostí C, polopozdní až pozdní odrůda středního vzrůstu se středně velkým až menším zrnem, dobře odnožující, vhodná do všech poloh, odolná proti napadení braničnatkou plevovou v klasu a rzí plevovou, náchylná k napadení rzí travní, menší odolnost proti napadení padlím travním na listu a proti poléhání, registrována v roce 1999 Udržovatel: NORDSAAT Saatzuchtgesellschaft mbH, D Zástupce v ČR: SAATEN - UNION CZ s.r.o.
4.2 Použité mikroorganismy V laboratorních pokusech byly použity ke zkvašení sušené aktivní lihovarské kvasnice kmene Saccharomyces cerevisiae. Jejich sušená forma umožňuje snadnou manipulaci, snižuje riziko kontaminace a kvasnice jsou snadno skladovatelné.
4.3 Specifikace použitých enzymů Enzym Termamyl SC - je kapalný enzymový preparát obsahující pozoruhodně tepelně stabilní alfa - amylázu produkovanou geneticky modifikovaným kmenem mikroorganismu 41
Bacillus. Systematický název tohoto enzymu je 1,4-alfa-D-glukan glukano-hydroláza. Termamyl SC je nový ztekucovací enzym, který působí při nižším pH a hladině vápníku než stávající termostabilní alfa - amylázy. Termamyl SC je hnědá tekutina o hustotě 1,20 – 1,25 g/ml a standardní aktivitě 120 KNU/g. Enzym je endo-amyláza, která hydrolyzuje 1,4-alfa-glykosidické vazby v amylose a amylopektinu. To má za následek rychlé snížení viskozity zmazovatělého škrobu. Štěpné produkty jsou dextriny o různé délce řetězce a oligosacharidy. Termamyl SC se používá pro ztekucení zápar obsahujících škrob nebo škrobové suspenze při výrobě neutrálního lihu. Enzymy postupně ztrácejí aktivitu v závislosti na teplotě skladování a vlhkosti. Doporučuje se skladovat produkt v chladných a suchých podmínkách v uzavřených obalech při teplotě 0 – 10°C. Déletrvající skladování anebo nepříznivé podmínky včetně vyšší teploty nebo vysoké vlhkosti mohou vést k nutnosti vyššího dávkování (www.ekozym.cz).
Enzym San Extra L - je amyloglukosidáza produkovaná submerzní fermentací geneticky modifikovaného mikroorganizmu Asperigillus niger . SAN Extra L je hnědá kapalina o hustotě přibližně 1,15 g/ml. Hlavní komponent San Extra L je amyloglukosidáza, která hydrolyzuje 1,4 - a také 1,6 – alfa glykosidické vazby ve zmazovatělém škrobu dextrinech. SAN Extra L obsahuje také velké množství kyselé alfa - amylázy (AFAU), která hydrolyzuje 1,4 - alfa - glykosidické vazby v amylóze a amylopektinu. SAN Extra se používá v lihovarnickém průmyslu pro zcukření zápar obsahujících ztekucený škrob. Obecné procesní podmínky pro SAN Extra L je teplotní rozsah 30-70°C a rozsah pH 3,0-6,0. Optimální podmínky jsou pH 4,2 a 65°C. Doporučené skladovací podmínky: 0-10°C, avšak enzymy postupně v průběhu času ztrácejí aktivitu. Déletrvající skladování anebo horší podmínky včetně vyšší teploty nebo vysoké vlhkosti mohou vést k nutnosti vyššího dávkování, (www.ekozym.cz). Pro stanovení existují i další enzymy, ale pro laboratorní kvasnou zkoušku byly použity jen tyto dva preparáty od firmy Ekozym. V porovnání další enzymy jsou shrnuty v tabulce č. 15.
Tab. 15 Druhy enzymů a jejich optimální podmínky pro reakci Enzym
Dávka na 80 g šrotu µl
pH optimální
Teplota °C optimální
42
Termamyl SC
40
6,0
85 – 90
San Extra L
100
4,2
65
San Super 360L
40
4,5 – 5,5
65
Celluclast
60
5,0
65
4.4 Metodika Kvasné pokusy proběhly na Ústavu technologie potravin MZLU v Brně. Vzorky zrna byly pošrotovány mlýnku typu Perten instruments a z nich pak byla připravena sladká zápara. U vzorků byl současně stanoven obsah škrobu metodou dle Ewerse (Pelikán, 1993).
4.4.1 Příprava zápary Příprava zápary byla provedena dle následujícího postupu: •
do rmutovací lázně napustíme vodu a nastavíme teplotu na 80 °C
•
do rmutovací kádinky navážíme 80g šrotu, do které přidáme 320ml vlažné vodovodní vody o teplotě 30 – 40 °C míchadlem promícháme
•
pH směsi upravíme na 6 pomocí roztoku kyseliny sírové o koncentraci 0,5M
•
do směsi přidáme 80µl enzymu Termamyl SC a vložíme do rmutovací lázně vyhřáté na 80°C
•
po vložení do lázně odebíráme vzorek vždy po 10 minutách a současně měříme teplotu rmutu
•
po 30 minutách by měla být směs ve rmutovací kádince tekutá, neviskózní, příjemně vonící směs, a reakcí na jod by měla poskytovat nahnědlé nebo žádné zbarvení (zkouška zcukření)
•
rmutovací lázeň ochladíme na teplotu 65 – 70°C a upravíme pH směsi na 4,2 – 4,5 kyselinou sírovou o koncentraci 0,5M.
•
přidáme 200 µl enzymu San Extra L a docukřujeme 30 minut. Během této fáze by měla směs na roztok jodu reagovat negativně. Tuto reakce zjisťujeme opět odběrem vždy po 10 minutách
•
směs schladíme na teplotu 25 – 30 °C a převedeme do Erlenmayerovy baňky, rmtuovací kádinku několikrát vypláchneme malým množstvím studené vodovodní vody a výplachy vléváme do kvasné baňky, kterou takto dovážíme na hmotnost 500g. Přidáme odvážený 1g kvasinek rodu Saccharomyces cerevisiae a asi 0,5 –1ml odpěňovacího přípravku (silikonový olej). Zazátkovanou Erlenmayerovu 43
baňku vložíme do termostatu vyhřátého na teplotu 30°C. Kvašení by mělo končit do 72 hodin. Pokud kvašení probíhá i po této době, škroby se nedokonale rozložily na zkvasitelné cukry a destilace provedená v této fázi bude mít negativní vliv na výtěžek.
4.4.2 Zjištění obsahu ethanolu •
baňku s prokvašenou záparou zvážíme a její obsah zfiltrujeme přes bavlněnou tkaninu. Odvážíme 200g filtrátu do destilační baňky, upravíme pH na 7 pomocí hydroxidu sodného o koncentraci 0,5M, přidáme asi 0,2 – 0,5 ml odpěňovacího přípravku, do baňky vložíme 3 – 5 varných kamínku, aby nedocházelo k „utajenému“ varu a destilujeme do zábrusové předlohy s 25ml destilované vody. Po nadestilování 2/3 objemu převedeme z předlohy roztok kvantitativně do odměrné baňky o objemu 200ml.
•
roztok převedeme do speciálního pyknometru
•
roztok vytemperujeme na teplotu 20°C
•
pyknometr osušíme hrdlo ve vnitř i zvenčí a ihned zvážíme na 4 desetinná místa na laboratorních analytických váhách.
•
Spočítáme hustotu a v tabulkách najdeme koncentraci alkoholu v obj. %, kterou použijeme pro výpočet výtěžnosti ethanolu
Výpočet výtěžnosti ethanolu v laa/ 100kg sušiny zrna:
bioethanol =
hmostnostzápary ( g ) ∗ koncentracebioethanolu (obj %) ∗ 100 navážkašrotu ( g ) ∗ sušinavzorku (%)
4.4.3 Vyhodnocení výsledků Výsledky rozboru zrna na obsah škrobu a stanovení výtěžnosti bioethanolu je zpracováno v tabulkách a grafech.
44
5.0 VÝSLEDKY A DISKUZE Výtěžnost bioetanolu je ovlivněna celou řadou faktorů. Zvýšení výtěžnosti souvisí s uplatněnou technologií přípravy rmutu a zápary za použití vhodných enzymů a kvasinek apod. Jedním z důležitých faktorů je kvalita použité suroviny, která je dána fyzikálně chemickými vlastnostmi. Svou roli zde sehrává odrůda. Ze znaků kvality je rozhodující velikost zrna, podíl obalových vrstev, kvalita endospermu, obsah škrobu a jeho kvalita a obsah bílkovin (hlavně enzymatických). Vzhledem k tomu, že ke kvasným pokusům byly použity odrůdy pšenice pěstované na jedné lokalitě při použití shodné agrotechniky, můžeme konstatovat, že kvasné zkoušky, které byly prováděny, jsou především odrazem lihovarské kvality odrůdy a že vymezení její vhodnosti pro lihovarské užití není jinými faktory zkresleno. Určitým handicapem je zde ale to, že škála odrůd zahrnutých do pokusu je poměrně úzká a jednotlivé skupiny dle kvality nejsou rovnoměrně zastoupeny. Převažují odrůdy pšenice ze skupiny A, které vykazují výbornou pekařskou kvalitu a dá se u nich předpokládat horší využitelnost pro lihovarské účely.
Tab. 16 Obsah škrobu a výtěžnost bioetanolu Výtěžnost ethanolu
Kvalita Odrůda
Škrob
E
SULAMIT
38,93
68,12
E
EBI
31,42
69,39
A
ALANA
31,87
70,0
A
BATIS
35,36
67,7
A
COMPLET
34,95
69,18
A
ILIAS
31,09
69,39
A
BILL
35,73
67,81
A
DRIFTER
36,13
68,96
A
GLOBUS
25,53
68,75
A
KAROLINUM
42,97
71,08
B
VLASTA
31,96
68,96
C
SEMPER
31,11
71,08
C
CORSAIRE
34,21
69,6
N
SWS 799-14954
32,02
71,5
45
N
SE 275/01
32,07
70,23
Obsah škrobu, který je z pohledu výtěžnosti bioetanolu klíčovým, se pohyboval v rozmezí 67,70% u odrůdy pšenice Batis až po 71,5 % u novošlechtění SWS 799-14954 (viz tabulka č. 16, graf 1). Vysoký obsah škrobu byl stanoven také u odrůd pšenice Karolinum a Semper (71,08%). Výtěžnost bioetanolu se pohybovala v rozmezí od 25,53 l aa/100kg sušiny do 42,97 l aa/100kg sušiny zrna pšenice. Nejvyšší výtěžky bioetanolu byly stanoveny u odrůdy Karolinum, která se vyznačovala také vysokou škrobnatostí, naopak u odrůdy pšenice Globus byla výtěžnost nejhorší. Za poměrně vysokou můžeme považovat výtěžnost bioetanolu také u odrůdy Sulamit (38,93 laa) a Drifter (36,13 l aa). Je s podivem, že právě odrůda pšenice Sulamit, která patří do skupiny elitních pšenic měla poměrně vysokou výtěžnost bioetanolu.
Graf 1 Porovnání škrobnatosti a výtěžnosti bioethanolu Škrobnatost (%) a výtěžnost bioetanolu (l aa) Škrob
IL L RI FT ER G LO K AR BUS O LI N U VL M A ST SE A M PE C R SW OR SA S IR 79 E 914 95 4 SE 27 5/ 01
B
D
AT IS O M PL ET IL IA S C
B
I EB
LA A
LA SU
NA
80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 M IT
l aa; %
Ethanol
odrůdy
Nízké výtěžky bioetanolu u některých odrůd, vyznačujících se vysokou škrobnatostí (Semper aj.) mohou být způsobeny různými příčinami. Jedním z důvodů, mohou být problémy při zcukřování rmutů. Škrob sám o sobě není zkvasitelný a pro lihovarské využití je třeba ho zcukřit. Nedostatečná výtěžnost pak může být způsobena tím, že se špatně hydrolyzuje škrob, což se projeví na zcukření, neboť pro celkové zcukření je rozhodující,
46
kolik se vytvoří pro kvasinky nezkvasitelných dextrinů.
Na druhou stranu můžeme při nižší stanovené škrobnatosti zrna docílit vyšší výtěžek. To se projevilo např. u odrůdy pšenice Batis. Vyšší výtěžnost může být způsobena zvýšeným obsahem tzv. preexistujících cukrů. Jak uvádí Basařová (1992) při hodnocení kvality suroviny musíme počítat nejenom s její škrobnatostí ale také s určitým množstvím zkvasitelných látek, cukrů a dextrinů vzniklých rozkladem škrobu, přítomných v zrnu mimo stanovený škrob. Vhodnější, než stanovení škrobu, je tedy stanovení celkového extraktu. Podobný postup je zaveden v pivovarnictví při zjišťování extraktu sladu kongresní metodou
Graf 2 Škrobnatost
Škrobnatost 71,5 71 70,5
%
70 69,5 69 68,5 68 67,5 E
B
A
C
N
Odrůda
Pozn. N – novošlechtění
Zaměříme-li se na hodnocení jednotlivých skupin dle pekařského užití (graf 2), pak jako nejvhodnější z hlediska obsahu škrobu se jeví skupina novošlechtění (70,87%) a odrůdy, zařazené do skupiny C (70,34%), nejnižší škrobnatost pak vykazují pšenice zařazené do skupiny E (68,76%). Nejvyšší výtěžnost bioetanolu (graf 3) byla překvapivě stanovena naopak u odrůd s nejnižší škrobnatostí (35,18 l aa/100kg sušiny). Obecně musíme konstatovat, že dosahovaná výtěžnost bioetanolu není v průměru všech odrůd vysoká. Chyby není možné hledat pouze v nedokonalém zcukření, svou roli
47
zde mohlo sehrát i uplatnění kvasinek, jejich výkonnost a metabolismus, který nebyl sledován. Často se stává, že substrát není úplně prokvašen nebo také to, že kvasinky ve zvýšené míře produkují jiné metabolity než etanol, např. glycerol. To se mohlo projevit i v našich pokusech.
Graf 3 Výtěžnost bioethanolu
Výtěžnost bioethanolu 71,5 71 70,5 l aa
70 69,5 69 68,5 68 67,5 E
B
A Odrůda
Pozn. N – novošlechtění
48
C
N
6.0 ZÁVĚR Cílem této práce bylo seznámení s problematikou výroby bioetanolu z různých zemědělských plodin. V experimentální části pak byla u vybraných odrůd pšenice ověřována možnost jejich využití pro kvasné účely. U vzorků pšenice byla stanovena jejich škrobnatost a výtěžnost biooetanolu. Na základě dosažených výsledků můžeme formulovat tyto závěry: •
Limitující hodnotou pro výrobu bioetanolu je obsah zkvasitelných cukrů v zrnu, především obsah škrobu. To se potvrdilo i přes určité odchylky v naší práci. Obsah škrobu se pohyboval okolo 70%, přičemž nejvyšší obsahy škrobu byly zaznamenány u novošlechtění SWS 799-14954. Vysoký obsah škrobu byl stanoven také u odrůd pšenice Karolinum a Semper (71,08%). Naopak nejnižší obsah škrobu byl zaznamenán u odrůdy pšenice Batis (67,7%)
•
Výtěžnost bioetanolu u jednotlivých odrůd byla značně rozkolísaná. Nejvyšší produkce byla překvapivě stanovena u odrůdy Karolinum (42,97 l aa/100kg sušiny), naopak nejnižší hodnoty byly naměřeny u odrůdy Semper (31,11 l aa/100kg sušiny).
•
Obecně nejlepších výsledků co se škrobnatosti týče dosáhly odrůdy z novošlechtění a zařazené do skupiny C, tedy odrůdy pro nepekárnské využití. Nejvyšší výtěžnost bioetanolu pak nezvykle poskytovaly odrůdy ze skupiny E a A.
49
7.0 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY AUGUSTÍN, J., (1991): Liehovarstvo a výroba mikrobiálnej biomasy, skriptum STU Bratislava, str. 220
BASAŘOVÁ, G, a kol. (1992): Pivovarsko – sladařská analytika, 1. díl, Merkanta, s.r.o., Praha, str. 388
BLÁHA, L., ŠREK, F., (1999): Suroviny pro učební obor cukrář, cukrářka, 2. vydání, str. 15 – 18, 57 - 61
BUBNÍK, Z., GEBLER, J. a kol. (2006): Úvod do cukrovarnické technologie, 1. vydání, str. 34 - 42
DIVIŠ, J., (2004): Český lihovarský průmysl a Bioethanol. Kvasný průmysl, 90, str. 268 – 270
DYR, J., (1956): Lihovarnictví I. SNTL Praha, str. 320
DYR, J., (1964): Lihovarnictví II. SNTL Praha, str. 402
HAMPL, J., (1970): Cereální chemie a technologie, Praha, str. 73 – 123
HAMROVÁ, L., (1988): Technologie zemědělského lihovarství, STNL/ALFA Praha, str. 195
CHLOUPEK, O., (2005): Pěstování a kvalita rostlin, skriptum MZLU Brno, str. 72
INGR, I., (2001): Zpracování zemědělských produktů, skriptum MZLU Brno, str. 38 – 71
KENT, L. N., EVERS, D. A., (1994): Technology of cereals. Fourth edition, Elsevier Science Ltd., Oxford, str. 334
50
KREIPE, H., (1981): Getreide und Kartoffel Brennrei. Verlag ulmer Stuttgart, str. 358
KUČEROVÁ, J., (2004): Technologie cereálií, skriptum MZLU Brno, str. 141
KUNTEOVÁ, L., (1996): V hlavní roli bioethanol. Listy cukrovarnické a řepařské vol. 2, 112, str. 44 – 48
KUNTEOVÁ, L., (2000): Zemědělské plodiny k výrobě bioethanolu, (1. část), Úroda (11), str. 10 – 11
KUNTEOVÁ, L., (2000): Zemědělské plodiny k výrobě bioethanolu, (2. část), Úroda (12), str. 28 – 29
PASTOREK, Z., KÁRA, J., JEVIČ, P., (2004). Biomasa – obnovitelný zdroj energie, Praha, str. 30 - 31, 213 – 254
PELIKÁN, M., (1999): Zpracování zemědělských produktů, skriptum MZLU Brno, str. 39
PELIKÁN, M., (1993): Zpracování zemědělských produktů, cvičení, skriptum MZLU Brno, str. 86
PELIKÁN, M., DUDÁČ, F., MÍŠA, D., (2004): Technologie kvasného průmyslu, skriptum MZLU Brno, str. 49 – 72
PETR, J., (2001): Pěstování pšenice pro produkci škrobu. Pěstování pšenice dle užitkových směrů, vol. 20, ÚZPI, str. 15
PETR, J., STEHNO, Z., (1997): Pěstování a využití tritikale. Metodika pro zemědělskou praxi. ÚZPI, str. 7
PIEPER, H. J., (1990): Utilization of waste materials in alcohol industry. Food Biotechnology, 4 (1), str. 203 – 214
51
POMERANZ, Y., (1994): Chemical compositon of kernel structures, St. Paul, MN, USA str. 198
RYCHTERA, M., UHER, J., PÁCA, J., (1987): Lihovarnictví I., II., SNTL, Praha, str. 351
SENN, TH., PIEPER, H. J., (1989): Die Branntweinwirtschaft, 129, str. 410
ŠIMŮNEK, P., PELIKÁN, M., STAŇKOVÁ, M., (1997): Stanovení výtěžku alkoholu u tritikale, Kvasný průmysl, 43, str. 99 – 101
TICHÝ, F., (2001): Pěstební technologie a úprava zrna pšenice ozimé a tritikale pro výrobu ethanolu, ÚZPI, str. 35-48
VELÍŠEK, J., (1999): Chemie potravin I., OSSIS Tábor, str. 32, 201 – 217
WISEMAN, A., (1980): Příručka enzymové technologie, SNTL Praha, str. 28
WOLF, H., (1994): Untersuchung zum Einteigverhältnis. Die Brannwienwirtschaft, 22, str. 370 – 375
ZALDIVAR, J., (2001): Fuel ethanol production from lignocellulose, ISSN 0175-7598, AMBIDG, str. 17 – 34
ZEHNÁLEK, J., (2001):Biochemie, skriptum MZLU Brno, str. 97 – 109
ŽÁČKOVÁ, J., KVASNIČKA, F., (1994): Potravinářské vědy,12, str. 445 – 455
Internetové zdroje: www.bioethanol.cz www.ekozym.cz www.foodnet.cz www.vscht.cz
Další zdroj:
zákon č.199/2004 52
SEZNAM TABULEK
Tab. 1 Obsah hlavních polysacharidů v pšenici (Velíšek, 1999) Tab. 2
Charakteristika škrobových zrn (Velíšek 1999)
Tab. 3
Obsah škrobu a jeho složení ve významných zdrojích (Velíšek, 1999)
Tab. 4
Teploty želatinace (mazovatění) vybraných škrobů (Velíšek, 1999)
Tab. 5
Obsah lipidů a proteinů ve škrobech (Velíšek, 1999)
Tab. 6 Rozdělení látkového složení v jednotlivých částech zrna v % sušiny (Pomeranz, 1994) Tab. 7
Průměrné složení sušiny obilek v % (Chloupek, 2005)
Tab. 8
Obsah monosacharidů a dalších cukrů v ovoci (% v jedlém podílu) (Velíšek, 1999)
Tab. 9
Minimální požadavky na zařazení odrůd do skupin (přehled odrůd 2003)
Tab. 10 Hektarové výnosy plodin a výtěžnost ethanolu z 1 ha zemědělské půdy Tab. 11 Průměrné výtěžnosti bioethanolu z vhodné zemědělské produkce a biologických zbytků zpracovatelských závodů (Pastorek, Kára, Jevič, 2004) Tab. 12 Jakostní požadavky na bioethanol (zákon č.199/2004) Tab. 13 Složení výpalků obilovin Tab. 14 Obsah aminokyselin a minerálních látek ve výpalcích obilovin Tab. 15 Druhy enzymů a jejich optimální podmínky pro reakci
53
