Szesz- és élesztőgyártás

Szesz- és élesztőgyártás

Dr. Barta Zsolt Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék 2016. október 17.

Az etanol felhasználási területei, magyarországi gyárak A világ etanolfelhasználása millió m3-ben

Miért • • • •

gyártunk „szeszt”? Élvezeti cikk Oldószer Vegyszeralapanyag Üzemanyag

Magyarországon: • Győri Szesz melasz, (gabona) • Pannonia Ethanol, Dunaföldvár kukorica (száraz őrlés) • Hungrana, Szabadegyháza Kukoricakeményítő (nedves őrlés)

Oldószer

Élvezeti cikk

Üzemanyag

2

Alkohol előállítás Etil-alkohol előállítás: - etilénből – szintetikus fosszilis nyersanyagforrás kénsavas vízaddíció az összes alkohol termelés <5%-a - erjesztéssel – megújuló forrásokból

C6 H12O6 élesztő  2CH3  CH 2  OH  2CO2  92kJ/mol Alkoholos élvezeti cikkek előállítása: • glükózból (szőlőcukor) • maltózból (malátacukor, diszacharid) • fruktózból (gyümölcscukor)

BOR - erjesztés SÖR - főzés PÁLINKA – főzés 3

Nyersanyagok Közvetlenül erjeszthetőek Mono- és diszacharid-tartalmú anyagok Az élesztőnek invertáz enzime van Melasz – szacharóz, glükóz, fruktóz - legelterjedtebb közvetlenül erjeszthető - cukorgyártás mellékterméke (az összes cukor 10-13%-a) - tisztasági hányados: szárazanyagra (DM) vonatkoztatott cukortartalom (~0,6) DM=80% esetén a cukortartalom 48% (20% nitrogéntart. anyag, 10% ásványi a.) - ipari fajlagos standard: 1 liter absz. etanolhoz 3,3 kg melasz - ára nagy hatással van az alkohol előállítási költségére • Répamelasz • Nádmelasz 4

Nyersanyagok Közvetlenül erjeszthetőek

• Hidrol - kristályos dextróz (=glükóz) előállítás anyalúgja - Szabadegyháza • Szulfitszennylúg - papírgyártás mellékterméke - Svédország, Finnország - hemicellulóz hidrolizátum: glükóz, mannóz, galaktóz, arabinóz, xilóz - 2-3%-os cukortartalom, 2/3-a hexóz - erjedést gátló anyagok • nagy mennyiségű élesztő, folyamatos üzem • faforgácshoz kötött élesztő/szeparátor+visszavezetés • Tejsavó - 4-5% laktóz - sajt- és túrógyártás során keletkezik 5

Nyersanyagok Közvetlenül NEM erjeszthetőek - Keményítő • kukorica, búza amilóz – lineáris glükózpolimer amilopektin – elágazásokat is tartalmaz - Lignocellulózok • cellulóz (b1,4 kötések), hemicellulóz, lignin • fás- és lágyszárú növények „fő tömege” • nagy mennyiségben képződnek • olcsó nyersanyagok

6

Segédanyagok

• Kénsav cc., vastartályokban tárolják, pH állításra használják • Foszforsav foszforsavhoz saválló tartályok foszfor forrás • Szalmiák (ammónium-hidroxid), kiegészítő nitrogén forrás (a melasznak is van nitrogén tartalma) • Habzásgátló anyagok - (korábban) növényolaj származék - (ma) szintetikus habzásgátlók is Habzást okoznak: gabonánál sikér – proteázos bontás fehérjék (elhalt, felszakadt sejtekből) 7

Melasz alapú technológia

Alapanyag fogadása Melasz ürítése: 35-40 °C-ra kell melegíteni, szivattyú háza fűthető • Direkt gőzbevezetés (gőzlándzsa) • Csőkígyó a tartályban, nem hígul, jobb tárolhatóság Melasz előkészítése (általánosan, opcionális lépések) - Hígítás • 50%-osról kb. 15-25%-os cukortartalomra sterilezéssel együtt - Sterilezés • 90-120 °C-on, folytonosnál 1-5 perc, szakaszosnál ½ óra • Mellékreakciók (cukorvesztés) elkerülése - Segédanyagok hozzáadása, pH beállítása 8

Szakaszos erjesztés I.

I. Üzemi színtenyésztés (aerob, batch) - Az erjesztéshez szükséges oltóélesztő mennyiséget sterilen állítja elő - 10-12 óra, hőmérséklet: 30-32 °C - Egy ciklus: - C.I.P. (cleaning in place) öblítés - Anyagok betöltése • Összes melasz, tápsók • pH 4,2-4,4 - Sterilezés • Direkt gőz, 95 °C, 30 perc - Beoltás laboratóriumból kapott élesztővel, ipari törzs - Fokolóval követik nyomon a folyamatot 9

Szakaszos erjesztés II.

II. Előerjesztés (aerob, fed-batch) - A főerjesztéshez szükséges élesztőmennyiség előállítása - Hasznos térfogata kb. 10-szerese az előző lépésének - Az előző lépés fermentlevével oltják - Intenzív levegőztetés, hűtés (30 °C) - Nem steril - Melasz rátáplálás a fermentáció során - 8-10 óra

10

Szakaszos erjesztés III.

III. Főerjesztés • Kb. 100 m3-es szénacél kádak, kb. 30 óra, hűtés (30 °C) • Előerjesztés fermentlevével oltják Aerob szakasz - intenzív levegőztetés, élesztőszaporítás Rátáplált anaerob szakasz - Minimális levegőztetés a cefre keveréséhez - Melasz adagolás hígítatlanul Nem táplált anaerob szakasz (utóerjesztés) - Nincs melaszadagolás - Cukorkoncentráció minimálisra csökken - Alkohol: 8-9% (Saccharomyces cerevisiae 10%-ig tud erjeszteni) - Élesztő: kb. 1% 11

Egyéb melaszos technológiák Boinot-Melle – eljárás - Az élesztőt többször felhasználják - A fermentléből szeparálják az élesztőt, vízzel hígítják, savval 2-esre állítják a pH-t, savazási idő: 2-3 óra Félfolytonos erjesztés - A főerjesztés végén a cefre 15-20%-át megtartják, így a következő fermentációhoz nincs szükség előerjesztésre Folytonos erjesztés - Sorba kapcsolt CSTR (folytonos kevert tartályreaktor) kaszkád - Melaszt hígítják - Előnye: jól automatizálható, szakaszoshoz képest nagyobb produktivitás - Hátránya: befertőződés veszélye 12

Egyhígításos folytonos melaszszeszgyártás

párhuzamosak

sorosak

13

Gabonaszeszgyártás A keményítőt cukorrá kell hidrolizálni (enzimes, savas) Keményítőbontó enzimek: - -amiláz: folyósító enzim - amiloglükozidáz (AMG): cukrosító enzim - pullulanáz: elágazásbontó enzim Technológiai megoldások: - Száraz őrlés • A teljes szem bekerül az elfolyósító folyamatba daraként (Győr) • Melléktermékek: - Törköly (rostfrakciót az elfolyósítás után választják el) - Vagy a rost végighalad a fermentáción – desztilláción: DDGS, Distiller’s Dried Grains with Solubles (beszárított moslék: rost+egyéb nem illó) 14

Gabonaszeszgyártás - Nedves őrlés • Melléktermékek: - Kukoricalekvár (fehérjetartalmú anyag), csíra (olajtartalmú), glutén (zein), rost • Csak a keményítőfrakció kerül elfolyósításra (Hungrana, Szabadegyháza) gőz

Dara/keményítő

1-5 min 105°C

Vákuum Lehűl 15

Általános technológiai lépések - Gabonaszesz gyártás (száraz őrlés) Szuszpenzió készítés Elfolyósítás Keményítő csirizesítése (hőmérséklet, vizes közeg), -amiláz folyósít Cukrosítás (AMG enzim) Maltózból, maltodextrinekből glükóz Cukrosítás az erjesztéssel együtt (SSF - Simultaneous saccharification and fermentation) - Számos előnye van: • Nem kell külön reaktor • Nincs végtermék inhibíció az enzimnél • Nincs ozmotikus stressz az élesztőnél • Kisebb a befertőződés veszélye - Hátránya: az enzimes reakció nem optimális hőmérsékleten zajlik - Ideje: 48-60 óra

Pannonia Ethanol, Dunaföldvár 6. moslék szeparálás 5. desztilláció és szárítás és abszolutizálás Etanol tárolás

8. biogázosítás

7. bepárlás

4b. SSF erj.

vízelőkészítés 4a. élesztőszaporítás hűtőtornyok

2. szuszpenzió készítés és gőzinjektor

3. elfolyósítás

1. őrlés

DDGS tárolás 17

Alkoholgyártás, upstream műveletek, áttekintés EtOH termelés KOMPLEXITÁS

erjesztés

keményítő hidrolízis elfolyósítás

EtOH termelés

cukrosítás

erjesztés

I. generáció közvetlenül erjeszthetőek melasz

I. generáció közvetlenül nem erjeszthetőek gabona

SSF cellulóz hozzáférhetővé tétele

cellulóz hidrolízis

EtOH termelés

előkezelés

enzimes hidrolízis

erjesztés

II. generáció közvetlenül nem erjeszthetőek lignocellulózok

SSF 18

Bioüzemanyag generációk Üzemanyagalkohol vonatkozásban: - 1. generáció (konvencionális): • Ipari léptékben létező technológiák, kis előállítási költség • Közvetlenül erjeszthetőkből, keményítőtartalmúakból (részben élelmiszer alapanyagok is) - 2. generáció („advanced”): • Kísérleti és demonstrációs üzemek, első termelő üzemek, nagyobb előállítási költség • Lignocellulózokból (nem élelmiszer alapanyagok)

19

Ha az egy év alatt képződött svéd famennyiséget etanollá alakítanák, ki lehetne váltani Svédország benzin fogyasztását. Svédországban hatalmas erdők vannak, és ~9 millió él. A lignocellulóz alapú etanol teljes helyettesítést nem tesz lehetővé globális 20 viszonylatban.

Életciklus elemzés (LCA), szén-dioxid emisszió csökkentés Növénytermesztés

Transport 1

Gyártás az üzemben

Transport 2

Földhasználat változás

21

*

Bioüzemanyagok szén-dioxid emisszió csökkentése a fosszilis párjukhoz képest

22

Földhasználat változás (LUC) 1.

2.

3.

Példán keresztül szemléltetve: 1. Változás előtt: legelő és erdő 2. Közvetlen változás (dLUC – direct land use change): energetikai célú növénytermesztés, csökken a legelő 3. Közvetett változás (iLUC – indirect land use change): legelő kialakítása az erdő egy részén Az (i)LUC által okozott CO2 kibocsátás növekedés nagyon bizonytalanul becsülhető, de az LCA során ezt is figyelembe kell venni Az 1. generációs üzemanyagoknál jelentős DE: mezőgazdasági, erdészeti melléktermékek nem okoznak földhasználat változást 23

Downstream: szesz lepárlás és finomítás -Cefreoszlop A szesz lepárlás és finomítás célja kettős: - Nagy alkoholkoncentráció elérése - Tisztítás (egyéb illó anyagok eltávolítása)

Cefreoszlop - Cefre a táptartályból, 8-9% etanol - Előmelegítő, 70°C-on lép ki a cefre, hőintegráció - Oszlop tetejére érkezik (1. tányér), csak kifőző régió - 18-20 szitatányér, könnyű tisztítani, olcsó, nem jó leállítani - Nyersszesz: fejtermék, 40-60 (V/V)% etanol

cefre

g/f Nyersszesz 40-60(V/V)%

g

KOND.

ELŐMELEGÍTŐ

f

CEFREO. gőz

moslék bepárlásra

24

A cefreoszlop fenéktermékének sorsa A fenéktermék (moslék) szeszmentes, vizet és nem illó anyagokat tartalmaz Bepárlás (többfokozatú), ha sok a szilárd anyag, szeparálás előzi meg - Melasznál vinasz talajjavító (foszfor tartalom nagy) - Gabonánál: DDGS (rostfrakció benne) – takarmány

25

Guillaume-féle lepárló- és finomítótelep KONDENZÁTOR előpárlat DEFLEGMÁTOR

cefre

g/f Nyersszesz 40-60(V/V)%

KOND.

visszahúzás

ELŐMELEGÍTŐ

ELŐPÁRLATO. gőz

g

KOND.

utópárlat

f KOND. DEFL.

KOND. DEFL.

CEFREO. DEFL. Finomítvány (4.-5. tányér)

gőz

FINOMÍTÓO.

VÉGO. VISSZAFORRALÓ

gőz Előtisztított szesz 15-18 (V/V)% gőz Luttervíz (alszeszvíz)

8-10(V/V)% 40-50(V/V)%

40-50(V/V)%

moslék

UTÓPÁRLATO.

víz

kozmaolaj Finomszesz 96 (V/V)%

KOZMAOLAJMOSÓ 26

Melléktermékek • Előpárlat: etanolnál kisebb forráspontú komponensek (pl. metanol) 95%-a etanol • Utópárlat: etanolnál nagyobb forráspontú komponensek • Előpárlat + utópárlat + piridines oldat = denaturált szesz • Kozmaolaj: lakkipari oldószer • Egy technológiában nagy jelentősége van annak, hogy a melléktermék áramokkal mi történik: jelentenek-e extra bevételt vagy fizetni kell a kezelésükért 27

Abszolutizálás Üzemanyagalkohol benzinhez keverve: min. 99,95 (V/V)% etanol Konvencionális desztillációval 96 (V/V)% érhető el

Abszolutizálás • Terner azeotrop desztilláció - Harmadik komponens: ciklohexán, benzol, kloroform - Vízzel ne elegyedjen, olcsó legyen - Három oszlop • Pervaporáció membránnal • Molekulaszűrés - Zeolitos oszlop: nagyobb nyomáson a víz adszorbeál, etanol nem, gőzként lép be és ki - Regenerálás – legalább két oszlop szükséges, 5-10 percenként vált: vákuumban, etanollal regenerálnak (a termelt etanol 15-40%-ával) 28

Élesztőgyártás Mire használjuk az élesztőt: - Sütőélesztő-gyártás – élő sejtek, melyek keleszteni tudnak, aerob ferm. - Takarmányélesztő-gyártás – elölt sejtek, fehérje, aerob fermentáció - Szeszgyártásnál – etanol, anaerob fermentáció Sütőélesztőgyártás: • Saccharomyces cerevisiae fakultatív anaerob nincs levegő: etanol van levegő: a cukor határozza meg, hogy szaporodik vagy erjeszt sok a cukor – átkapcsolja az anyacserét, és etanol termelődik • Cukrot kellően alacsony szinten kell tartani  rátáplálásos fermentáció ekkor szaporodik, CO2-t, vizet és hőt termel (szaporodásnál sokkal több hő szabadul fel, mint erjesztésnél) • Hőmérséklet: 30 °C • pH: 4,5-4,8

29

Sütőélesztő-gyártás Budafokon Nyersanyag: melasz Segédanyagok: - Szalmiák a N-, foszforsav a P-igény fedezésére - Kis mennyiségben vitaminokat (B1, B6), biotint, nyomelemeket (zink, réz) kell adni - Kénsav a pH állításhoz - Habzásgátló (módosított repceolaj) Melasz előkészítés: - Hígítás - Derítő szeparátor (centrifuga) iszapot, rostot távolít el - Sterilezés: direkt gőzzel 130 °C-ra melegítik csőkígyó (kb. 1 perc tartási idő) végén hővisszanyerés (lehűlve előmelegít) 30

Sütőélesztő-gyártás Budafokon Fermentáció 1. Színtenyésztés (kis lépték) - Batch - Inokulum (oltóanyag) laborból - Csak élesztő (nincs idegen csíra) - Levegőztetés: steril levegő, keverés is (nincs szükség keverőre) - Mivel az elején sok a cukor, alkohol is képződik, ezt az oltóélesztő fermentációban felhasználják a sejtek szénforrásként 2. Oltóélesztő fermentáció (középső lépték) - Rátáplálásos (fed-batch) - Nem steril

3. Eladóélesztő fermentáció (nagy lépték) - Fed-batch, a végén 60 t élesztő egy fermentorban - 13 méter magas, erősen levegőztetett fermentorok

31

Élesztőgyártás Budafokon A levegőbevezetés fejlődése

1. Perforált cső - Statikus, a levegőztetőelem nem forog (az ábra felülnézetet mutat)

32

Élesztőgyártás Budafokon A levegőbevezetés fejlődése

Aztán dinamikus rendszerek 2. Vogelbush levegőztetőelem - 60 ford/min - Sűrített levegőt igényelt

33

Élesztőgyártás Budafokon A levegőbevezetés fejlődése

3. Frings levegőztetőelem - 1400 ford/min - Önbeszívó, nem kellett hozzá kompresszor - Nem volt energiahatékony - Az oltóélesztő gyártásnál még mindig használják levegő

Visszatérés a statikushoz 4. „Mikrolyukas” perforált cső 34

Élesztőgyártás Budafokon A cefre feldolgozása

Szeparálás – élesztő szeparátorok - Terméke az élesztőtej (nehéz fázis) és a vérce (élesztőmentes cefre, könnyű fázis) - Könnyű fázisból vinasz készül: melléktermék, besűrített vérce (60%-os szárazanyagtartalom), talajjavító

35

Cefre

Élesztő szeparátor

36

Élesztőgyártás Budafokon A cefre feldolgozása Vákuumdobszűrő - bemerül, vákuum rászívja a dobra a sejteket, fölül mosás, kés levágja (kb. 30% szárazanyagtartalmú morzsalék)

Élesztőtej

37

Élesztőgyártás Budafokon A cefre feldolgozása Csigás extruder

Formázás, csomagolás Tárolás - fontos a levegőzés és hűtés, mert élő sejtek, és hőt termel (jól tárolva fél évig is eláll) Szárított élesztő: - nitrogén atmoszférában, 30 °C-on, fluidágyban készül (importáljuk) 38

Továbbtanulási lehetőség: Washington University in St. Louis • MBA képzés (tandíjas, de McDonnell ösztöndíj kapható)

• https://global.wustl.edu/mcdonnell-academy/admission/ • To be eligible to apply to the McDonnell Academy, you must be a graduate of one of our Partner Universities and must also apply to one of a select group of full-time doctoral or master’s degree programs.

• Kapcsolat: Dr. Barta Zsolt ([email protected]) 39

Washington University in St. Louis Financial and Programmatic Support from the McDonnell Academy For the 2016-17 academic year, Scholars will receive: • Full tuition for study in a doctoral or master’s degree program. This support will continue as long as the Scholar is making satisfactory progress toward a degree. • A 12-month living stipend for each year that the Scholar is making satisfactory progress toward a degree. This stipend is set at $27,000 for the year beginning August 16, 2016. • A one-time travel allowance of up to $1,500 for travel to St. Louis to begin studies as an Academy Scholar. • An annual travel allowance of up to $2,000 for a trip to the Scholar’s alma mater. • Bekerüléshez: jó ajánlólevél és jó Skype interview 40