KISS CSONGOR - HARSÁNYI ENDRE - RÁTONYI TAMÁS (2007): A KUKORICA, MINT ALTERNATÍV ALAPANYAG HORDOZÓ MAGYARORSZÁGON Via Futuri nemzetközi konferencia Pécs. A vetőmagnak, mint biológiai anyagnak energiatartalma van, tehát közvetett energiahordozóként szerepeltethető. A vetőmag-előállítási folyamat – nemesítés, termesztés, szárítás, feldolgozás, értékesítés – nagyon fontos része a feldolgozás, mert a vetőmag lényeges minőségi tulajdonságainak – tisztaság, csírázóképesség, osztályozottság – kialakítása itt történik. Hazánkban az agro-ökológiai adottságok szinte az egész ország területén kedvezőek a kukoricatermesztéshez. Magyarországon az összes szántóterület 2426%-án termesztenek kukoricát, emiatt is hazánk növénytermesztésére a gabonatúlsúly jellemző (50-70%). A gabonát termelő területeken belül a kukorica (25-30%) és a búza (18-30%) aránya a legjelentősebb, a többi gabonaféle csak néhány százaléknyi részesedéssel rendelkezik. A kukorica termésátlaga a gabonafélék között a legmagasabb (6,7 t/ha). Kitűnő takarmány, gazdaságosan előállítható energiaforrás és ipari alapanyag. Az iparilag fejlett országokban a kukoricát takarmánykészítésre (80-90%), emberi fogyasztásra (5%), a fennmaradó részt többféle ipari termék előállítására használják fel. Humán táplálkozásban a csemegekukorica és a pattogatott kukorica, valamint a kukoricakása jelentős. Ipari felhasználása egyre szélesedik. A kukoricából előállítható termékek száma mintegy négyezerre tehető. A keményítő, a szeszgyártás, az étkezési (izo) cukorgyártás stb. alapanyaga, de manapság a kukoricából már környezetbarát csomagolóanyagot is előállítanak. A kukoricaszem hasznosítása az élelmiszergyártásban – a táplálkozási szokások változásával – fellendült, amit a kukoricapehely iránti megnövekedett igény is alátámaszt. Ide sorolhatók a különböző ízesítésű puffasztott termékek, a kukoricacsíra és az olaj. A kukoricaolaj megtalálható a margarinban, a kukoricaszirup édesíti a dzsemeket, illetve szolgálja a sűrítő anyagot a tejmentes tejszínhez. Kukorica található a csokiszeletben, sörben, whiskyben, hamburgerben, ipari vegyszerekben, etanolban, műanyagban, penicillinben és a fényezett magazinok enyveiben. Mellékterméke, a szár takarmányozásra, fűtésre használható, vagy a talajba dolgozva a tápanyagvisszapótlásban van szerepe. Magyarországon a felhasznált szemeskukorica 90%-a abrak, a kérődző állatok fontos tömegtakarmánya. Közvetlen emberi táplálékul hazánk lakossága kevés kukoricát fogyaszt. Napjainkban kenyérsütésnél, sörgyártásnál egyre szélesebb körben használják. Csemegeként elsősorban a főtt csemegekukorica és a pattogatott kukorica fogyasztása számottevő. Az ipari célú felhasználás az éves kukoricatermelésünk 8-10%-át teszi ki. A jövőt a jó minőségű, egészséges, fertőzéstől mentes kukorica termesztése jelentheti, mert erre lehet egy magasabb minőségű állattenyésztést, húsfeldolgozást és versenyképes piacot alapozni. A hatékony termeléshez feltétlenül ismerni kell a termelési célt, a végtermék hasznosítását, a termőhelyi és az üzemi adottságokat, hogy ahhoz a megfelelő fajtát
és technológiát kiválasszuk. Az eredményes termeléshez a biztos, kiszámítható piaci háttér is elengedhetetlen. A hozamok mellett a megtermelt termékek minősége, beltartalmi értéke még fontosabb, mert az alapozza meg a magasabb feldolgozási fokban előállítható termékek kiváló minőségét, és ezzel együtt annak piacát, jövedelemerősségét. A kukorica keményítőtartalma ~65%, ezért elsősorban energiahordozó. A nyersfehérje-tartalma, amely főleg zeinből áll, alacsony: 7-9%, ez az utóbbi évtizedekben a szabadlevirágzású fajtákhoz viszonyítva csökkent. A csíra olajtartalma 3-5%, ami az étolajok csoportjába tartozik. A kukorica további beltartalma: cukor 1,4%, pentozánok 6,0%, nyersrost 2,0%, ásványi anyagok 1,2%. A termésmennyiség és minőség negatív korrelációban van. A nyersfehérje-tartalom függ a genetikai és ökológiai tényezőktől és N műtrágyázással kismértékben növelhető. Aminosav összetétele kevésbé kedvező: lizin 2,8%, metionin 2,0%, triptofán 1,0%, glutaminsav 15,7%. A zeintartalom a fehérje %-ában a 45-50%-ot is eléri. Az Opaque-2 kukorica nyersfehérje tartalma 13-14%, de termőképessége gyenge. 1. A kukorica ipari feldolgozása: A feldolgozás száraz és nedves eljárással történhet. A száraz eljárásnál a kukoricaszemet három frakcióra bontják fel: az olajtartalmú, csírában gazdag frakció: a feldogozott kukorica 10%-a, olajtartalma 20-22%; a lisztes frakció: a feldogozott kukorica 35%-a, keményítőtartalma 60%, fehérjetartalma 10,5-11,5%; a grízes frakció: a feldolgozott kukorica 55%-a, keményítőtartalma 80%, olajtartalma 1,3%, rosttartalma 0,5%. A nedves eljárásnál a megtisztított kukoricát 0,2-0,4% kénessav tartalmú vízben 55ºC-on több napon át áztatják. Eközben a szem megduzzad, s közel 50%-os nedvességtartalmú lesz. Ezt a nedves kukoricát őrlik úgy, hogy előbb a csírát, majd finom őrlés után a héjrészeket és kukoricakorpát távolítják el belőle sűrűség szerint, ill. ívszitán végzett osztályozással. Ezután speciális szeparátorokban a fehérje és a keményítő elválasztása következik. A nedves eljárásból nyert 45,6% szárazanyag tartalmú keményítőtej a folyékonycukor-előállítás alapanyaga. 1.1. Keményítő A kukorica nagy keményítőtartalma miatt alapanyaga az ipari keményítőgyártásnak. A keményítőgyártás során a kukorica alkotórészeit elválasztják egymástól. A kinyert ikertermékek is értékesek, étkezési olaj és takarmányadalékok állíthatók elő belőlük. A kukoricakeményítő-gyártás műveletei a következők: kukorica tisztítása, áztatás (áztatóvíz-elválasztás, besűrítés, kukoricalekvár), durva őrlés (csíraelválasztás, csíravíztelenítés, szárítás), finom őrlés (héj- és dararészek elválasztása, víztelenítése, szárítása), nyers keményítőtej tisztítása (fehérjeelválasztás, annak szárítása), tisztított keményítőtej víztelenítése (keményítő szárítása, csomagolása, tárolása, szállítása).
1.2. Invertcukor Összetétele gyakorlatilag megegyezik az átlagos méz összetételével, mivel a méz természetes invertcukor. A folyékony cukrot a grízes frakcióból állítják elő. Ipari célra használják, bár számos országban van forgalomban közvetlen étkezési célra is. Az ipari feldolgozás (édes-, üdítő-, gyümölcskonzerv-, sör-, bor-, likőr-, stb. ipar) során ugyanis nagy tömegben lehet szükség rá. Az oldott állapot előnyös, hiszen a kristálycukrot csak vízben feloldva lehet használni. 1.3. Finomszesz A száraz előkészítési módnál a lisztes frakcióból, míg a nedves előkészítésnél a keményítőtej egy részéből gyártják. A finomszesz felhasználása közismert, ma már a fejlett kémiai technológiákhoz (gyógyszeripar, ecetgyártás, kozmetikaipar, háztartásvegyipar, oldószerek stb.) sokkal nagyobb mennyiségben van szükség finomszeszre, mint italgyártás céljára. Újabban mind több országban terjed motorhajtóanyagként tisztán és keverten történő alkalmazása is (pl. Brazília, Franciaország). 1.4. Bioetanol A bioetanol-előállítás számára a növények keményítőtartalma a legfontosabb tényező. Mivel a feldolgozás költségeinek döntő hányadát, mintegy 50-70%-át az alapanyag költsége teszi ki, ezért lényeges, hogy a megvásárolt gabonából a lehető legtöbb etanolt lehessen kinyerni. Magas keményítőtartalommal rendelkező kukoricahibridek kifejlesztésével több nemzetközi vetőmag-forgalmazó vállalat és hazai kutatóintézet foglalkozik. A Pioneer Hi-Bred például HTF (High Total Fermentable) jelöléssel látja el a magas keményítő-kihozatalú, ezért bioetanol-gyártás céljára leginkább alkalmas kukorica-hibridjeit (1. táblázat). A keményítőtartalom meghatározásához kifejlesztett egy új mérési módszert (a módszer infravörös spektrum elnyelésén alapul, amelyet több ezer nagyüzemi teszt és laborvizsgálat alapján fejlesztettek ki), amivel a korábbi módszereknél pontosabban meghatározható a kukorica keményítőtartalma. Ezzel az eljárással főként a száraz őrléses üzemekben történő etanol-gyártás számára szelektálják a kukoricahibrideket.
HTF kukorica-hibridek 1. táblázat Éréscsoport HTF kukorica-hibridek FAO 280 38D81 FAO 310 38B12 FAO 330 37D25 FAO 360 38B85 FAO 380 38A24 FAO 380 37Y12 FAO 430 37F73 FAO 480 36K67 FAO 540 34B97 FAO 560 34H31 Forrás: Pioneer Hi-Bred (2006) A nagyüzemi száraz őrléses vizsgálatokban összehasonlították a HTF hibridekből, illetve a hagyományos kukorica hibridekből kinyerhető bioetanol mennyiségét. A HTF hibridek bioetanol-hozama az egyes üzemekben 1-4,7 százalékponttal haladta meg a hagyományos hibridek bioetanol kihozatalának értékét. A bioetanol-gyártás szempontjából nem csak a kukoricában lévő keményítő mennyisége, de annak összetétele, az amilóz és amilopektin aránya is rendkívül fontos tényező. Az amilóz egy lineáris, míg az amilopektin egy többszörösen elágazó molekula. E kettő aránya nagyban befolyásolja a keményítő kémiai tulajdonságait. A keményítő amilopektin-tartalma növényfajonként 70-80% között, amilóztartalma 20-30% között változik. Az ún. waxy kukorica keményítője szinte csak amilopektint (95-100%) tartalmaz. Az ilyen típusú keményítő az ipari alkalmazás szempontjából előnyös, mivel jobban duzzad és lágyabb, magas hőmérsékletről lehűtve inkább viszkózus oldatot, mint gélt képez. Jelenleg két Pioneer waxy kukorica hibrid (PR35P21WX, PR36B06WX) szerepel a magyar fajlistán, amelyek 2004-ben kaptak állami elismerést.Az amilóz-amilopektin arány befolyásolja az etanol-kihozatalt, a waxy kukoricából származó keményítő fermentálásával ugyanis több alkohol keletkezik. A biológiai keményítő→alkohol konverzió energia output/input aránya 1,3, ami igen jó, de csak akkor, ha a kukorica-termesztéskor megmaradó biomasszát, pl. szárat, csutkát, helyileg égetjük, és a felszabaduló hőenergiát közvetlenül felhasználjuk a bioetanol gyártásban. Összehasonlításképpen, az energetikai output/input arány a cukornád-alapú bioetanol-gyártásban 2,0. A 2. és 3. táblázatban a Martonvásári Mezőgazdasági Kutató Intézet és a Szegedi Gabonatermesztési Kutazó Kht. átlag feletti keményítőtartalmú kukorica-hibridjei szerepelnek (átlagon a vizsgálatba bevont összes fajta átlaga értendő). A martonvásári hibrideknél a keményítőtartalom a mérési módszertől, a nedvességtartalomtól és a környezettől függően 67-75%, míg a szegedieké 70-71% között mozog.
Átlag feletti keményítőtartalmú martonvásári kukorica-hibridek 2. táblázat Éréscsoport Kukorica-hibrid FAO 200 Mv 251 FAO 300 Mv 277, Hunor, Mv 343, Amanita FAO 400 Tisza, Gazda FAO 500 Mv 500 Forrás: Martonvásári Mezőgazdasági Kutató Intézet
Az említett hibridek fehérjetartalma – a keményítő– és a fehérjetartalom közötti negatív korreláció miatt – átlagos vagy annál valamivel alacsonyabb. Átlag feletti keményítő-tartalmú szegedi kukorica-hibridek 3. táblázat Keményítőtartalom, Éréscsoport Kukoricahibrid g/100g szárazanyag FAO 200 Sze SC 276 73,10 FAO 200 Sze SC 271 72,61 FAO 200 Sze TC 273 72,45 FAO 300 Ella 72,12 FAO 300 Sze TC 358 71,70 FAO 400 Sze SC 428 72,19 FAO 400 Sze TC 465 72,45 FAO 400 Sze TC 462 72,04 FAO 500 Sze DC 488 71,86 Forrás: Szegedi Gabonatermesztési Kutató Kht.
2. A bioetanol alapanyagával kapcsolatos teendők 2.1. A kukorica betakarításkori szemnedvessége (betakarításkori nedvességtartalom) A különböző hibridek eltérő száradási tulajdonságokkal rendelkeznek. A kevesebb energiaráfordítással szárítható hibrideket mesterségesen kell szárítani, míg a nagy energiaráfordítást igénylőket nedvesen vagy más módon kell tárolni. A mesterséges körülmények között jól száradó hibridek nem csak olcsóbban, de kíméletesebben is száríthatók, mert az erős vízleadás miatt az anyag kevésbé melegszik fel, beltartalmi értéke nem károsodik. Lehetőleg olyan hibrideket kell választani, amelyeknek a tenyészideje rövidebb, hamarabb megtörténik az érés folyamata, és amelyek naponta legalább 0,8-1% vizet képesek leadni. A betakarításkori szemnedvesség lehetőleg ne haladja meg a 20-24%-ot. Ezt több tényező is befolyásolja, pl. a hibrid tenyészideje, vízleadó képessége, az évjárat hatása, a víz- és tápanyagellátás mértéke. Ennek figyelembe vétele nemcsak a szárítási költségek mérséklését teszi lehetővé, hanem kedvező a szemsérülések csökkentése szempontjából is.
A morzsolva betakarítást a szárítási költségek csökkentése miatt 22-27%-os szemnedvesség mellett célszerű elkezdeni és mielőbb befejezni. A szemeskukorica esetében a rendelkezésre álló fajta-, illetve hibrid-választékkal a betakarítás ideje az üzemi adottságokhoz jól hozzáigazítható. A hibridek közül a 200-as FAO számúak már szeptember első felében, a 300-as FAO számúak pedig szeptember második felében érik el a 20% nedvességtartalmat. A későbbi érésű fajták közül a FAO 400as csak október első felében éri el a 20-22% nedvességtartalmat, a FAO 500-asok azonban csak igen jó időjárási viszonyok mellett érik el a 22-25% nedvességtartalmat. A Lurgi cég által az internetre feltett üzemi eljárás szerint a 25-35% szemnedvesség tartalmú kukoricát lehet a legnagyobb biztonságban felhasználni a folyamat során. 2.2. A betakarított kukorica szárítása Éghajlati viszonyainkból adódóan a betakarított szemes kukorica nedvességtartalma általában magasabb, mint ami a huzamosabb tároláskor megengedhető.A szakszerűen elvégzett szárítás nemcsak tartósító, hanem értékképző művelet is. Szárítási módozatok: meleglevegős szárítás (keresztáramú, egyenáramú és ellenáramú megoldások), szellőztetéses szárítás (folyamatos üzemű vagy kétlépcsős). Szellőztetéses szárítás (evaporáció): A szellőztetéses szárítás révén olyan technológiai alkalmazás is lehetséges, amely megoldja, illetve csökkenti a meleglevegős szárítás problémáját. Vizsgálati eredmények szerint a szellőztetéssel tárolhatóvá tett szemes termés fajlagos szárítási költsége lényegesen kisebb a meleglevegős eljárásnál. A szellőztető berendezések hőlégfúvó-ventilátor-légvezeték rendszere lehetővé teszi az időközönkénti vagy folyamatos átszellőztetést temperált levegővel. Kialakításuk attól függ, hogy vertikális vagy horizontális tárolókba kerülnek-e. A 18-22% nedvességtartalmú szemes termények szellőztetéses szárítása olyan szellőztetőpadozatokkal ellátott tároló létesítményekben biztosítható, amelyekben lehetőség nyílik az állagmegóvó szellőztetésen túl a tárolással egyidejűleg 4-8% nedvességtartalom elvonására is. Meleglevegős szárítás: Meleglevegő befújatásával szárítható a kukorica nedvességtartalma. A hőmérséklet általában 40-140 ºC, az egyenáramú szárításnál 200-280 ºC használatos. 2.3. A kukorica tárolása A szárított kukorica szakszerű tárolása a termény minőségének megőrzése szempontjából fontos. A tárolhatóságot a tisztaság, a törött és sérült szemek mennyisége, valamint az érettségi állapot mellett döntően a szem nedvességtartalma és hőmérséklete szabja meg. A kukorica tárolása történhet a betakarításkori nedvességtartalommal és szárítás után is. Tárolási módozatok: tárolás betakarításkori nedvességtartalommal, szemes kukorica tartósítószerrel való kezelése (általában állatok takarmányozásánál használják), szemes kukorica hűtve tárolása, silózás.
A szemes kukorica hűtve tárolása: A hűtve tárolásnak két változata használatos: a szárítás előtti átmeneti tárolás és a részlegesen szárított szemes kukorica kondicionáló tárolása. Az utóbbi esetben az előtisztított szemes kukoricát 18-20% nedvességtartalomig szárítják, majd ezt tárolják be a hűtve tárolásra előkészített horizontál- vagy toronytárolókba. A tárolás során 10-12 °C terményhőmérsékletre kell hűteni a terményt. Ha visszamelegedne 13-16 °C-ra, minden esetben újra kell hűteni 4-5 °C-os hőmérsékletre. A hűtőlevegő áramoltatásakor a kukorica nedvességtartalma alkalmanként egy-egy százalékkal csökken, így a szemes termény minőségromlás nélkül tárolható, és többszöri átszellőztetés (ill. hűtés) után annyira csökken a nedvességtartalma, hogy további beavatkozás nélküli tartósításra is alkalmassá válik. A 18-20%-ig előzetesen szárított kukoricát tört szemektől, csutkadaraboktól, csuhélevelektől stb. mentesen kell tárolni. Az előzetesen részlegesen szárított és hűtve tárolt kukorica minősége jobb, mint az egy- vagy kétmenetes szárítással légszáraz állapotig szárított kukoricáé, mivel túlszárítás, pörkölődés nem fordulhat elő. Fontos feltétel, hogy az előszárításra kerülő kukoricatétel nedvességtartalma egyenletes legyen, tehát betároláskor az egyes szemek nedvességtartalma között ne legyen 2-3%-nál nagyobb eltérés. További tárolási mód a silózás technikája, ahol a főbb lépések: aprítás, töltés, tömörítés, valamint lezárás. Fajtái: horizontálsiló, falközi- és kazalsiló. 2.4. Darálás, szemcseméret Ipari feldolgozás: A feldolgozás száraz és nedves eljárással történhet. A száraz eljárásnál a kukoricaszemet három frakcióra bontják le: olajtartalmú, csírában gazdag frakció (10%), lisztes frakció (35%) és a grízes frakció (55%). A kukoricában lévő idegen anyagokat (fémek, szárdarabok, kövek, törött kukoricaszem) a tisztító üzemrészben rostával, szárazkő-kiválasztóval választják szét. A tisztított kukoricát törőgépen 3-4 részre feldarabolják. A durva dara további őrlése hengerszékeken zajlik. 3. A kukorica-keményítő→ etanol konverzió főbb lépései 3.1. Őrlés Az etanol-iparban a nedves technológia nem elfogadott alkalmazás, főként a szárítási fázis nagy energiaigénye miatt. Egy száraz őrlési rendszer (többlépcsős, kombinált) segítségével az etanol-gyártás gazdaságossága jelentősen növelhető. A kalapácsőrlőket sokáig egyszerűségük miatt alkalmazták. A világ számos részein egyre jellemzőbb a kalapácsőrlés és a hengermalom kombinációjának alkalmazása. Ez az energiaszükséglet 15%-os csökkentését jelentheti. Az etanol gyárak lepárlóiból származó szárított magok és oldataik (DDGS) szárítási folyamata, a szétválasztást nem számolva, körülbelül 30%-át teszik ki a teljes energiafelhasználásnak. A száraz mag előválasztásának bevezetésével ez az energiafelhasználási mennyiség jelentősen csökkenthető. A befektetők különös figyelmet fordítanak az energiahatékonyság növelésére. Az energia-hatékony technológiákat alkalmazó üzemeltetők komoly előnyökre tehetnek szert azokkal a
gyárakkal szemben, amelyek kevésbé korszerű, nagy energiafelhasználású telepeket üzemeltetnek. Száraz őrléses eljárás technológiája:A száraz őrlés folyamatával a feldolgozók körülbelül 32,5 kg etanolt állítanak elő 100 kg kukoricából. Néhány évvel ezelőtt ez 10%-kal alacsonyabb volt, tehát a fejlődés jelentős. Ez jórészt a fejlett termelési technikáknak köszönhető, melyekben speciálisan, szárazőrlésre szánt kukoricahibrideket használnak. A kutatások szerint a különböző genotípusú kukoricahibridek etanol hozamában a különbség meghaladja a 7%-ot. Száraz őrléskor a magokból durva lisztet őrölnek, s így ezek csíra-, rost- és fehérjetartalma is bekerül a további feldolgozásba.A szárazőrlés lényege a kukorica magvak őrléséből származó durva liszt péppé alakítása, víz hozzáadásával. Intenzív biológiai folyamat lévén, a szárazőrlés szigorú minőség-ellenőrzés mellett folytatható eredményesen. Például, ha baktériummal szennyeződik a pépesítés folyamata, akkor az olyan savak kialakulásához vezethet, melyek kivonják a glükózt az etanol előállítás során és megzavarhatják a fermentációt. Avas szemek, helytelen tárolás, hibás eszközök, újrahasznált cefre és levegő mind szennyezés forrásai lehetnek. Száraz őrlés 100 kg kukoricából
32,5 kg etanol
28,8 kg DDGS
30,0 kg Co2
3.2. Elfolyósítás enzimekkel A kukorica tápszövetének keményítőjét nem tudja az élesztő egyből hasznosítani, ezért először egyszerű cukrokká kell lebontani a fermentációt megelőzően. Ennek érdekében enzimeket adnak a péphez a főzés során. Az első lépés a keményítő molekulák lebontása alfa-amilázok és gőz felhasználásával. A következő lépés glükoamiláz enzimek hozzáadása alacsony hőfokon fermentálható cukrok előállítása érdekében. A hagyományos adagolt főzést gyakran felváltják folyamatos főzési eljárásokkal, főként a modernebb etanol gyárakban. A folyamatos főzés általában véve energiahatékonyabb, és helyes alkalmazás esetén 8%-al több etanol előállítását teszi lehetővé. Elfolyósításkor keményítő-szuszpenziót készítenek, melyet 130-160 °C-ra melegítenek fel, elősegítendő a keményítő kioldódását és biztosítva a leendő
keményítő-hidrolizátum sterilitását. A keményítő elfolyósítását egy rövid ideig tartó (pár perc), magas hőfokú (90-100 °C körüli), alfa-amilázos hidrolízis (kb. 0,5-2,0 kg enzim per 1000 kg keményítő, pH ≈ 6,0) biztosítja. A nem kielégítő (kevés szabaddá váló redukáló láncvég), és a túlzott (túl rövid maltooligomer láncok) elfolyósítás hátrányosan befolyásolja a következő, elcukrosító lépést. Tekintve, hogy a felhasznált enzimek igen drágák, ezen technológiai lépések mindenképpen alapos optimalizációt igényelnek. 3.3. Elcukrosítás Az elfolyósított keményítőt visszahűthetik 60 °C-ra, majd Aspergillus niger glükoamiláz (főképpen alfa-1,4 kötéseket hasítja) és Bacillus pullulanáz (alfa-1,6 hidroláz) enzimek segítségével (pH≈4,5, 0,03 % enzim, 48-60 h) alakíthatják át nagy glükóztartalmú sziruppá, amit élesztővel lehet etanollá konvertálni. A mai technológiák között viszont tért nyertek az SSF (simultaneous saccharification and fermentation) folyamatok, melyekben az elfolyósított keményítőt 32 °C-ra hűtik vissza és a glükoamiláz enzimmel egyidejűleg adagolják a sörélesztő inokulumot. Az SSF módszerek gombaélettani (kisebb növekedési ráta és kisebb glicerin termelés) és enzimológiai (minimális glükóz-inhibíció) okok miatt nagyobb etanol kihozatalt biztosít. 3.4. Fermentáció A főzést követően a pépet lehűtik és átszállítják a fermentálóba, ahol élesztőt adnak a folyamathoz. A Saccharomyces cerevisiae élesztőt elsősorban gyors, hatékony alkohol előállító illetve hő, ozmózisnyomás és magas alkohol tartalommal szembeni ellenálló képessége miatt alkalmazzák. A fermentációs folyamat általában 50-60 órát vesz igénybe. Cél a glükóz etanollá alakítása a megfelelő időzítéssel. Néhány új fermentációs rendszert úgy alakítottak ki, hogy a hígító víz minimális mennyiségű legyen, csökkentve az evaporációs szükségletet a fermentációs folyamatot követő fázisban. A szén-dioxid kibocsátását a fermentáció során felfogják és értékesítik. A szén-dioxidot az üdítő-ital iparban és szárazjég gyártás, illetve egyéb ipari folyamatok során alkalmazzák. Alapvetően két technológiai lehetőség van – folyamatos és „batch” fermentáció. A folyamatos eljárásban az enzimmel kezelt és élesztővel inokulált elfolyósított keményítő fermentorok során halad át, miközben a keményítő tartalom fokozatosan glükózzá, majd etanollá konvertálódik. A „batch” folyamat is gazdaságos lehet, ekkor a fermentációs idő kb. 2 nap. Az élesztő a glükózt a glikolitikus út felhasználásával bontja anaerob körülmények között piroszőlősavvá, majd azt, biztosítandó a további glükóz oxidációhoz szükséges NAD+ koenzim regenerálódását, NADH felhasználásával etanollá alakítja át a C6H12O6→ 2 C2H5OH + 2 CO2 sztöchiometriának megfelelően. Általában a folyamat kitermelése eléri az elméleti határérték (92 g etanol 180 g glükózból) 90-95%-át. Minden olyan körülmény, ami az élesztő biomassza növekedését fokozottan elősegíti, az hátrányos az etanol-kihozatalra nézve, mivel
ekkor a glükóz-szén sejtépítésre fordítódik. Ugyanakkor, minden tényező, ami a biomassza növekedését korlátozza, pl. szénforrás-limitáció (SSF technológia), növekvő alkohol koncentráció (sejtmembrán működési zavarok), az kedvez az alkohol-termelésnek. A sörélesztővel történő alkoholos erjesztés mindig szolgáltat kis mennyiségben fermentációs melléktermékeket, melyek közül a glicerin a legjelentősebb. A glicerin ozmolegurátor anyag, ami különösen nagy szubsztrát (glükóz) koncentrációknál és nagy sejtnövekedési rátáknál szintetizálódik a legnagyobb mennyiségben a képződő etanolhoz arányítva. Bár a glicerin iránti piaci kereslet megfelelő, de kitermelése a bioetanol gyártás melléktermékeként nem gazdaságos. Az etanol tartalom növekedése a fermentációs közegben károsítja a sejt membránrendszereit, s ezzel, bizonyos koncentrációt elérve, veszélyezteti a sejtek tápanyagfelvételét és homeosztázisát. A fermentációhoz felhasznált élesztő törzsek kiválasztásakor az egyik legfontosabb szempont a megfelelő alkoholtűrőképességük. Általában igaz az, hogy a nagy etanol-toleranciával rendelkező törzsek membránjában növekszik a hosszú, telítetlen zsírsavak, pl. olein sav (18:1Δ9), és csökken a relatíve rövidebb láncú telített zsírsavak, pl. palmitin sav (16:0) aránya alkohol jelenlétében. Ezzel párhuzamosan az ugyancsak membránalkotó ergoszterin szintézise is fokozódik. Mivel mindkét folyamat O2-t igényel, ezért a membránlipidek kellő szintézise vagy megfelelő technológiával (oxigénezés) vagy olein sav és ergoszterin adagolásával biztosítható. A glükóz biokonverziója etanollá exotermikus folyamat, ezért a fermentorok hűtése a választott technológiától függően biztosítandó. Az etanol/biomassza arány javítható az élesztősejtek szeparálásával és újrafelhasználásával („cell recycling”). Ehhez flokkuláló élesztő törzsek kiválasztása szükséges, de lehetséges, hogy a sejtszeparáció és –fenntartás folyamata jelen technológiai folyamatban nem gazdaságos. Mindezek alapján a fermentációs technológia helyi fejlesztése valószínűleg nem gazdaságos. Ellenben mindenképpen javasolható a régió és az EU bioetanol üzemeinek a tanulmányozása. 3.5. Szeparálás A lepárlás során az etanolt a pépben található szilárd anyagtól és víztől főzéssel szétválasztják. A lepárlás után fennmaradó szilárd és folyékony anyag a „teljes cefre”. A teljes cefre tartalmaz rostot, olajat és a szemek fehérjkomponenseit, valamint nem erjedt keményítőt. Ez a melléktermék nagyon értékes a haszonállatok, baromfi és halállomány takarmányozásához. A teljes cefrét értékesítés előtt feldolgozzák. Először a „sovány cefrét” centrifugával szétválasztják az oldhatatlan szilárd résztől, majd a lepárlókba szállítják, hogy a felesleges víztől elválasszák. A lepárlás után keletkező sűrű, viszkózus szirupot visszakeverik, létrehozva az úgynevezett Nedves Lepárolt Mag Oldható Anyagokkal (WDGS) takarmányt. A szavatossági idő növelése és a szállítási költségek csökkentése érdekében a WDGS-t általában 10-12%-os nedvességtartalmúra szárítják, létrehozva az úgynevezett Szárított Lepárolt Mag Oldható Anyagokkal (DDGS) elnevezésű takarmányt. Ez energiaigényes folyamat, a teljes energiafelhasználás körülbelül egyharmadát teszi ki.
3.6. Desztilláció A kb. 10% etanolt tartalmazó fermentlevet („sör”) többkolonnás lepárlórendszeren vezetik át, melynek eredményeképpen 95-96%-os etanolhoz jutnak. A visszamaradó, immár alkoholt nem tartalmazó fermentlevet (40-65 g per liter szervesanyag-tartalom) cenrtifugálják, a felülúszót bepárolják („szirup”) és ezzel párhuzamosan a szedimentumot is kiszárítják. Lehetséges a szirup és a szedimentum együttes szárítása is. Mindezek a fermentációs melléktermékek kiváló és jól hasznosítható állati takarmányok, de vissza is vezethetők a rendszerbe további energiatermelő folyamatok alapanyagaként, melyekből a szárítás után a biomassza bojlerbe vezetve, majd a gőzturbinába juttatva gőzt és áramot lehet előállítani. A technológiai folyamat teljes vízigénye igen nagy. Ezt hatékonyan lehet csökkenteni az alkoholmentes fermentlevek bepárlásakor-szárításakor felszabaduló vízgőz kondenzációjával, illetve a technológiai folyamatba történő visszavezetéssel. A modern bioetanol üzemek vízkibocsátása zérus. 3.7. Dehidratáció Amennyiben az etanol nem közvetlenül 96%-os formában kerül felhasználásra üzemanyagként, hanem azt benzinnel elegyítik (lásd pl. az E10 származékot), akkor a víztartalmat 1% alá kell csökkenteni. Erre a célra minden korszerű üzem molekulaszűrő-rendszert alkalmaz, pl. zeolit-alapút. 3.8. Denaturálás A vízmentes bioetanolt 2-5%-os denaturált oldattal hígítják (pl. benzinnel, gázolajjal), alkalmatlanná téve az emberi fogyasztásra, mentesítve az adófizetés alól. Ezek után a termék szállítható a benzintárolókhoz vagy a felhasználás területéhez. 3.9.*Biogáz felhasználása A biogázt anaerob fermentációval nyerik, metanogén baktériumok jelenlétével egy tartályban, levegő elvonásával. A gyakorlatban kb. 450-550 m3n gáz generálható egy tonna DS-ből. Alapanyagként a DDGS-t vezetik be a biomassza bojlerekbe. Bioiszap és emésztővíz marad a folyamat végén. A nyert biogázt tisztítják, majd meggyújtják, hogy a gőzturbinában gőzt állítson elő. A turbinába egy generátort építenek, ami elektromos áram termelését szolgálja. A folyamat révén gőz és elektromos áram is keletkezik, melyeket vissza lehet vezetni a gyártási folyamat elejére, gazdaságosabbá téve a bioetanol előállítását. 4. Növény-alapú műanyag A kukoricának az energiahordozó szerepén túlmenően számos felhasználási lehetősége is van, így érzékelhető a kukoricában rejlő értékek fontossága. Széleskörű felhasználása az élelmiszeriparra, a biohajtóanyagokra, valamint a
napjainkban sokat emlegetett kukoricából előállított környezetkímélő műanyagra csak részben korlátozódik. Az újrahasznosítható, megújuló anyagok legújabb generációját a növényalapú műanyagok képviselik, amelyek ma még kevéssé elterjedtek a világban, de a környezetszennyezés növekedésével és az energiatartalékok csökkenésével, rövidesen mindennapi életünk megszokott részévé válnak majd. A növényi alapanyagokból – például kukoricából, burgonyából vagy cukornádból – készült műanyagok fő alkotóeleme a tejsav, amelyet az adott növények keményítőjének erjesztésével állítanak elő. A hagyományos műanyagokkal szemben ezen műanyagok alapanyagai hosszú távon is elérhetők és sokkal inkább környezetbarátok. A hagyományos, kőolaj alapú műanyagoknak több negatív tulajdonságuk is van. Egyrészt, a felhasználás után elégetésre kerülnek, amely által növekszik a légkör szén-dioxid tartalma, és ez hozzájárul az „üvegház-gázok” felhalmozódásához, illetve a globális felmelegedéshez. Másrészt ezen anyagok előállításához a Föld korlátozottan rendelkezésre álló energiahordozóit használják fel, miközben az ismert kőolajtartalékok már csak kb. 40 évre elegendőek. A keletkező műanyagot kukoricakeményítőből biológiailag lebomló élelmiszer-ipari csomagolóanyagként lehet definiálni, mely hozzájárul a környezetvédelmi problémák mérsékléséhez, illetve megfelelő kiváltója lenne a napjainkban használt környezetkárosító műanyagoknak. A felhasználók között a gyorséttermi láncok jönnek elsőként szóba. 5. Összefoglalás A kukoricának az energiahordozó szerepén túlmenően számos felhasználási lehetősége is van, így érzékelhető a kukoricában rejlő értékek fontossága. Széleskörű felhasználása az élelmiszeriparra, a biohajtóanyagokra, valamint a napjainkban sokat emlegetett kukoricából előállított környezetkímélő műanyagra csak részben korlátozódik. Hazánkban az agro-ökológiai adottságok szinte az egész ország területén kedvezőek a kukoricatermesztéshez. Magyarországon az összes szántóterület 24-26%-án termesztenek kukoricát, emiatt is hazánk növénytermesztésére a gabonatúlsúly jellemző (50-70%). A gabonát termelő területeken belül a kukorica (25-30%) és a búza (18-30%) aránya a legjelentősebb, a többi gabonaféle csak néhány százaléknyi részesedéssel rendelkezik. Ennek tükrében elmondható, hogy a kukorica termesztését és feldolgozását kiemelt fontossággal kell kezelnie a hazai mezőgazdasági szektornak. A jelenlegi tudásunkhoz mérten a legtöbb gazdaságosan előállítható terméket kell a kiváló minőségű alapanyagból megteremteni, ezáltal járulva hozzá számos gazdálkodó megélhetéséhez, akik az agráriumban, mint termelők érintettek. A gabonafélék termelésében rendelkezésre állnak a versenyképes termelést biztosító fajták. A felgyorsult fajtacserék biztosítják a fejlődés folyamatosságát. A hazai vetőmagtermelés, mint a növénytermelés biológiai alapjait biztosító ágazat, kulcsfontosságú szerepet tölt be a gabonafélék termelésében, de emellett újra jelentős exporttényezővé válhat, hozzájárulva a kukoricatermesztésből élők
körülményeinek javításához, valamint a vidék munkahelyteremtő képességének és foglalkoztatottságának fokozásához. 6. Felhasznált irodalom 1. Eurobserver (2006): Biofuels barometer. 3,9 million tons produced in 2005. www.energies- renouvelables.org/observ-er/stat_baro/eufores/baro173.asp 2. Harsányi E.–Nagy J.- Rátonyi T.- Harsányi G.- Kiss Cs. (2006): Biohajtóanyag alapanyag fejlesztés fajtakérdések figyelembe vételével. „Az alternatív energiaforrások hasznosításának gazdasági kérdései” nemzetközi tudományos konferencia, Nyugat-Magyarországi Egyetem, Sopron, november 08-09. 3. Hingyi H-Kürthy Gy-Radóczné K. (2006): A bioüzemanyagok termelésének kilátásai Magyarországon a főbb gabonafélék és olajnövények piaci helyzetének tükrében., az Agrárgazdasági Kutató Intézet, Budapest. 4. Nagy J. (2007): Kukoricatermesztés. Akadémiai Kiadó, Budapest 5. www.agraroldal.hu/kukorica_hibridek_cikk.html (2007) 6. www.lurgi.com/website/index.php?L=1 (2007) 7. Nagy J.-Dobos A. (2006): Környezetkímélő növénytermesztés – minőségi termelés. Debrecen. Centerprint Kft.
