Fermentacija, Destilacija i Alkohol

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