Proizvodnja etanola i prehrambenog kvasca

Laboratorij za tehnologiju vrenja i kvasca

Laboratorij za tehnologiju vrenja i kvasca

prof. dr. sc. Vesna Stehlik-Tomas, (3. kat, 132)

dr. sc. Damir Stanzer, doc. (1. kat, 70)

dr. sc. Jasna Mrvčić, doc. (3. kat, 142)

Stela Križanović, dipl. ing. (3. kat, 142)

Principi biotehnološke proizvodnje hrane

Tehnologija alkohola i kvasca – izborni A

Proizvodnja jakih alkoholnih pića - izborni B

Proizvodnja i primjena pekarskog i prehrambenog kvasca - izborni B

O čemu razgovaramo?

Uvod

Sirovine Pivo (sadrži i Etanol) …5%…

Sirovine Vino (sadrži i Etanol) …12%…

Sirovine JAP (sadrži i Etanol) …40%…

Sirovine Etanol …96-100%

Sirovine Kefir (sadrži i Etanol) …1%…

O čemu razgovaramo?

Uvod

Danas

95%

5%

FermentacijaSintetski postupak

Primjena:

Uvod

Proizvodnja:

GorivoKem. i farm. ind.Jaka alk. pićaOcat

Slika. Svjetska proizvodnja etanola i preraspodjela tržišta

Danas

Uvod

Etanol se najčešće proizvodi alkoholnom fermentacijom iz šećernih i polisaharidnih sirovina uz pomoć kvasca Saccharomyces cerevisiae

Sirovine:

- Šećerne:

šećerna repa (melasa), šećerna trska (melasa), slatki sirak

- Polisaharidne:

škrobne: kukuruz, ječam, krumpir, kasava...

celulozne: sulfitna lužina, drvni hidrolizati

Uvod

Alkoholna fermentacija

Uvod

PiruvatPiruvatPiruvatPiruvatdekarboksilazadekarboksilazadekarboksilazadekarboksilazaAlkoholAlkoholAlkoholAlkoholdehidrogenazadehidrogenazadehidrogenazadehidrogenaza

x 2 !!!

Glukoza = 2 Piruvata = 2 Etanola + 2CO2 + energija (cca. 200 kJ)

� nastajanje etanola iz monosaharidaC6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2 + E

(180) (2 x 46 = 92) (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 → 2n C2H5OH + 2n CO2 + E(162n) (2n x 46 = 92n) (2n x 44 = 88n)

teoretski Yp/s:a) monosaharid = 92/180 x 100 = 51,0 %b) disaharid = 184/342 x 100 = 53,8 %c) polisaharid = 92/162 x 100 = 56,8 %

Alkoholna fermentacijaUvod

Uvod

Kvasci u proizvodnji etanola i kvaščeve biomase

Proizvodnja etanola na melasi

Melasa

Proizvodnja etanola

iz kukuruza

Proizvodnja etanola iz

lignoceluloznih materijala

Polisaharidnesirovine

Šećerne sirovine

Uvod

Sirutka

Škrobnesirovine

Lignoceluloznesirovine

1.

2.

3.

Tehnološki postupci proizvodnje alkohola na melasi

- razlikuju se prema načinu vođenja fermentacije u glavnom vrenju

• Šaržni postupak

• Šaržni s pritokom supstrata (MB-postupak)

• Šaržni s pritokom supstrata i reciklacijom kvaščeve biomase (Vogelbusch “B-postupak” – Badel, Sesvete)

• Kontinuirani procesi (u nekoliko serijski spojenih fermentora)

Proizvodnja etanola na melasi

1. Priprema procesa

- Priprema supstrata

- Priprema inokuluma

2. Fermentacija

3. Izdvajanje proizvoda

- Separacija

- Destilacija

- Proizvodnja kvasca

Proizvodnja etanola na melasi – B-postupak

– Priprema supstrata - melasaProizvodnja etanola na melasi – Priprema procesa

– Priprema supstrata - melasaProizvodnja etanola na melasi – Priprema procesa

- Priprema inokuluma

Proizvodnja etanola na melasi – Priprema procesa

Melle-Boinot postupak (MB) - Postavljanje i vođenje fermentacije

Proizvodnja etanola na melasi – Fermentacija

B-postupak - Dinamika alkoholne fermentacije

Proizvodnja etanola na melasi – Fermentacija

SAH (%)

5SAH

2

1

3

4

Proizvodnja etanola na melasi – Fermentacija

Me25

Kontinuirani proces

Izdvajanje proizvoda

- Separacija- Destilacija- Proizvodnja

kvasca

Destilacija i rektifikacija

Proizvodnja etanola na melasi – Izdvajanje proizvoda

- više od 96% - dehtidratacija- “Molekularna sita” (zeoliti, adsorpcija vode)

Proizvodnja suhog kvasca

Proizvodnja etanola na melasi – Izdvajanje proizvoda

Sirutka

Proizvodnja etanola na ostalim šećernim sirovinama

- nusproizvod mliječne industrije, laktoza (glukoza+galaktoza), do 70% u s.tv. sirutke

- Veliki BPK – proizvodnja etanola dio rješenja

Mikroorganizmi:

- kvasac Kluyveromyces marxianus (K. fragilis, K. lactis) –previre laktozu

- prethodna hidroliza β-galaktozidazom, pa S. cerevisiae- genetičko inženjerstvo, rekombinantni sojevi

Sulfitna lužina

Hidrol

- ostatak sulfitnog postupka prerade drveta u celulozu

- sadrži razne šećere, oko 65% fermentabilnih, ali uglavnom neekonomično

- Nusproizvod proizvodnje glukoze i šećernih sirupa iz kukuruza

- oko 50-60% fermentabilnih šećera (glukoza, maltoza)

- Ne sadrži nikakve druge hranjive tvari, mješa se s melasom

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

Proizvodnja etanola na škrobnim sirovinama –priprema supstrata

Hladnavoda

Proizvodnja etanola na škrobnim sirovinama

Analogno proizvodnji na melasi- šaržno- kontinuirano

Fermentacija ošećerenog kukuruznog supstrata- nema reciklacije biomase

Fermentacija bistre komine- moguća reciklacija biomase

Izdvajanje proizvoda

Destilacija komine, Rektifikacija alkohola“Bio-etanol” - Dehidratacija - kolone s molekularnim sitima

Nusprodukti: Džibra – krmivo- bistri dio: reciklacija (za smjesu krupice i vode)

CO2 - mogućnost ukapljivanja

Fermentacija

100 kg krupice

(…uz 85% s.tv. i 70% škroba u s.tv.)

59,5 kg škroba

(…uz Iteor = 56,8 )

33,8 kg etanola

(..uz ρ = 0,789 kg/L)

42,8 L etanola

Etanol

CO2

Džibra

Za 1 L etanola:

2,33 kg kukuruza

Proizvodnja etanola na škrobnim sirovinama – kukuruz – m. bilanca

1. Celuloza

2. Hemiceluloza

3. Lignin

Proizvodnja etanola na lignoceluloznim sirovinama – “lignoceluloza”

Tehnološki i ekonomski izazov: Složena priprema supstrata (predradnje)

Mikroorganizmi:

Saccharomyces cerevisiae- Ne previre polisaharide- Ne previre pentoze

Candida shehatae, Pachisolen tannophilus i Pichia stipitis- Previru pentoze- Osjetljiviji na proizvedeni etanol i uvjete fermentacije

Rekombinantni sojevi (S. cerevisiae...):- Previru i heksoze i pentoze

Proizvodnja etanola na lignoceluloznim sirovinama

A) Pranje i mehaničko usitnjavanje LCS (mljevenje)

B) Prvi predtretman usitnjenog materijala

- razbijanje strukture LCS, razgradnja hemiceluloze, oslobađanje celuloze

C) Razgradnja celuloze

D) Fermentacija

E) Izdvajanje proizvoda

Proizvodnja etanola na LCS – priprema sirovine

Proizvodnja etanola na lignoceluloznim sirovinama – opća shema