Proizvodnja jakih alkoholnih pića
Bioprocesi, Fermentacija, Destilacija, Proizvodnja Etanola Dr. sc. Jasna Mrvčić, doc. Dr. sc. Damir Stanzer, doc.
Uvod
Sirovine Sirovine Sirovine Sirovine Sirovine
…Bioproces… …Bioproces… …Bioproces… …Bioproces… …Bioproces…
Kefir (sadrži i Etanol) …1%… Pivo (sadrži i Etanol)
…5%…
Vino (sadrži i Etanol) …12%… JAP (sadrži i Etanol) …40%… Etanol (industrijski)
“bioproces” - ?
…96-100%
Bioprocesi
Bioprocesi
Osnovna terminologija Bioproces – glavni dio biotehnološkog postupka u kojem se sirovina s pomoću biokatalizatora kemijski transformira u proizvod (JAP alkoholna fermentacija) Biokemijski reaktor (fermentor) je posuda u kojoj se provodi bioproces Cjepivo (inokulum) – nacjepljivanje (inokulacija) – početna količina mikroorganizma (biokatalizatora, radnog mikroorganizma) potrebna za početak bioprocesa (JAP- alkoholna fermentacija - KVASCI) Hranjiva podloga (medij), supstrat – suspenzija u vodi otopljenih svih hranjivih sastojaka potrebnih za rast i biokemijsku aktivnost radnog mikroorganizma (npr. grožđana komina - vinjak, komina od šljive – šljivovica)
Bioprocesi
Što je BIOPROCES ?
Bioprocesi – procesi prije bioprocesa
“Procesi prije bioprocesa”: • Priprema podloge - proračun sirovina, odnosno materijalna bilanca (ugljik, dušik, fosfor, kisik i dr.), predobrada sirovina (usitnjavanje,prešanje, odvajanje koštica), ukomljavanje, sterilizacija… • Priprema bioreaktora - pranje, sterilizacija ili dezinfekcija • Priprema cjepiva (inokuluma): a) prirodno prisutna mikroflora na plodu npr. voća (spontana fermentacija) b) čista kultura (u laboratorijima - kosi agar, starter), umnaža se i koristi kao cjepivo za bioproces (kontrolirana fermentacija)
Bioprocesi – procesi prije bioprocesa
Hranjive podloge za mikrobne procese - uvijek sadrže slijedeće sastojke: 1. vodu 2. izvor biogenih elemenata (C, H, O, N, P, S) 3. mineralne soli – izvor ostalih elemenata 4. faktore rasta - vitamini, aminokiseline 5. ostale sastojke – sredstva protiv pjenjenja, regulaciju pH.. •
Razlog – kemijski sastav mikrobnih stanica:
• Glavni sastojci mikrobnih stanica: proteini, nukleinske kiseline, ugljikohidrati, lipidi, građeni od: • aminokiselina, šećera, masnih kiselina, fosfata (C, H, O, N, P, S)
Bioprocesi – procesi prije bioprocesa
Hranjive podloge za mikrobne procese KEMIJSKI DEFINIRANE (jednostavne, sintetske) PRIRODNE PODLOGE (složene, “pokrivene”)
Točno poznatog kem. sastava Djelomično poznatog sastava
Primjer: Sadržaj tvari u 100 g šljive (Mujić, 2010)
Voda 84-86g K 221 mg Vit E 0,7 mg
Bjelančevine 0,6g Ca 14 mg B6 1,2 mg
Masti 0,2g Mg 10 mg Vit A 0,22 mg
Ugljikohidrati 10g P 16 mg
Vlakna 2,1g Vit C 5 mg
Bioproces Temperatura
-optimum: bakterije 37°C, kvasci i plijesni 28-32°C
pH vrijednost
Prisustvo kisika -optimum: bakterije 6-8, kvasci i plijesni 4-6
Bioproces
Bioproces
Dinamika potrošnje supstrata (glukoze), rasta biomase i sinteze produkta (etanola) tijekom alkoholne fermentacije
Bioprocesi – procesi nakon bioprocesa
Što nakon završetka procesa u bioreaktoru ?
Procesi nakon bioprocesa
Ovisno o tipu proizvoda: • Izdvajanje biokatalizatora (separacija) • Izdvajanje proizvoda (filtrat, biomasa - razaranje stanica ) • Pročišćavanje proizvoda
Ovise o: radnom mikroorganizmu, sastavu podloge, svojstvima proizvoda,mjestu nakupljanja proizvoda,sintetiziranim nusproizvodima
Bioprocesi – procesi nakon bioprocesa Primjeri iz biotehnoloških procesa: destilacija
Izdvajanje proizvoda iz komine destilacijom
Destilaciona kolona u industijskom mjerilu
Alkoholna fermentacija, destilacija…
Alkoholna fermentacija
Alkoholna fermentacija
u stanici kvasca:
x 2 !
Alkoholna fermentacija Glukoza = 2 Piruvata = 2 Etanola + 2CO2 + energija (cca. 200 kJ)
nastajanje etanola iz monosaharida C6H12O6 → 2 C2H5OH (180) (2 x 46 = 92)
+
2 CO2 + E (2 x 44 = 88)
nastajanje etanola iz disaharida (saharoza, maltoza) C12H22O11 → 4 C2H5OH + 4 CO2 + E (342) (4 x 46 = 184) (4 x 44 = 176)
nastajanje etanola iz polisaharida (škrob, inulin) (C6H10O5)n (162n)
teoretski Yp/s: a) monosaharid b) disaharid c) polisaharid
→
2n C2H5OH (2n x 46 = 92n)
+
2n CO2 + E (2n x 44 = 88n)
= 92/180 x 100 = 51,0 % = 184/342 x 100 = 53,8 % = 92/162 x 100 = 56,8 %
Stvarni Yp/s = 90-95 % od teorijskog iskorištenja
Alkoholna fermentacija
Karakteristike alkoholne fermentacije • • • • • •
Anaeroban proces Prirodno zaštićen proces Temperatura fermentacije 25-35 oC,optimalna oko 30 oC pH 4-5 Optimalna koncentracija šećera u komini 2-5% Koncentracija šećera može biti u podlozi i 17-20 %, ali je sporija fermentacija (inhibicija supstratom) • Koncentracija alkohola na kraju fermentacije 8-12%,vol • Neki vinski kvasci mogu proizvesti do 15%,vol etanola, a neke posebne vrste kvasaca čak do 18-20%.vol
Alkoholna fermentacija i destilacija Razgradnja šećera u kvaščevim stanicama
Alkoholna fermentacija i destilacija
Alkoholna fermentacija i destilacija - proizvodi
Proizvodnja pića
Proizvodnja etanola
Pripremljena sirovina (npr. mošt, sladovina…)
Bioproces ALKOHOLNO PIĆE (npr. vino..)
Obrada, odležavanje
Pripremljena sirovina (melasa, škrob…)
Fermentacija (mikroorganizam, uvjeti…)
Prevrela komina (..npr. 12% etanola)
Prevrela komina (..npr. 12% etanola)
Destilacija
PRIRODNO JAP
UMJETNO JAP
Obrada, odležavanje
JAP (..npr. 40% etanola) Miješanje s drugim sastojcima, razrijeđivanje…
Destilacija. Rektifikacija
Etanol (96%)
Proizvodnja etanola
Proizvodnja etanola – kvasac i sirovine
Etanol se najčešće proizvodi alkoholnom fermentacijom iz šećernih i polisaharidnih sirovina. Najčešće uz pomoć kvasca
Saccharomyces cerevisiae Sirovine: - Šećerne: šećerna repa (melasa), šećerna trska (melasa), slatki sirak - Polisaharidne: - škrobne: kukuruz, ječam, krumpir, kasava... - lignocelulozne – ne za JAP!
Proizvodnja etanola – kvasac i sirovine
Melasa Šećerne sirovine
Sirutka
Polisaharidne sirovine
Škrobne sirovine Lignocelulozne sirovine
Proizvodnja etanola na melasi
Proizvodnja etanola na melasi
Proizvodnja etanola iz kukuruza Proizvodnja etanola iz lignoceluloznih materijala
Proizvodnja etanola na melasi – B-postupak
1. Priprema bioprocesa - Priprema supstrata - Priprema inokuluma
2. Bioproces -Fermentacija
3. Izdvajanje proizvoda - Separacija - Destilacija - Proizvodnja kvasca
Proizvodnja etanola na melasi – B-postupak
B-postupak - Postavljanje i vođenje fermentacije
Dinamika alkoholne fermentacije u glavnom vrenju po B-postupku
Izdvajanje proizvoda - Separacija - Destilacija - Proizvodnja kvasca
Proizvodnja etanola na melasi
Destilacija i rektifikacija
-
više od 96% - dehtidratacija “Molekularna sita” (zeoliti, adsorpcija vode)
Proizvodnja etanola na škrobnim sirovinama
Proizvodnja etanola na škrobnim sirovinama
Škrob:
Škrobne sirovine: žitarice (kukuruz, pšenica, riža, ječam, slatki sirak...) gomolji i korijeni (krumpir, kasava...) “Paralela” – Proizvodnja etanola na škrobnim sirovinama = Proizvodnja žitnih rakija (uz određene specifičnosti)
Škrobne sirovine u proizvodnji alkohola Kukuruz – SAD, Kina, Europa Pšenica - Europa Slatki sirak – Indija Kasava – Tajland, Kina
Proizvodnja etanola na škrobnim sirovinama
Mikroorganizam: S. cerevisiae Ne previre polisaharide! Osnovne razlike u odnosu na proizvodnju na melasi (tehnološke i ekonomske): priprema supstrata - dovođenje škroba u topivi oblik - razgradnja škroba do fermentabilnih šećera (enzimima)
Proizvodnja etanola na škrobnim sirovinama –priprema sirovine
Obrada kukuruznog zrna 1. Mljevenje – oslobađanje škrobnih zrnaca iz endosperma
2. Kuhanje -
– ekstrakcija škroba iz škrobnih zrnaca
“želatinizacija”
vodotopivi želatinizirani škrob
Proizvodnja etanola na škrobnim sirovinama –priprema sirovine
3. Likvefakcija i ošećerenje
– hidroliza škroba
Amilolitički enzimi: α – amilaza - Bacillus amiloliquefaciens, Bacillus licheniformis (termost.) Glukoamilaza -Aspergillus niger, Rhizopus niveus
“paralela” - žitne rakije – ošećerenje se provodi ječmenim sladom – proklijali ječam bogat amilolitičkim enzimima
Proizvodnja etanola na škrobnim sirovinama –priprema supstrata
Hladna voda
Proizvodnja etanola na škrobnim sirovinama – opća shema
