Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Élelmiszertechnológia alapjai II. levelező képzés oktatási segédanyag élelmiszermérnök (BSc) levelező hallgatók részére Sör-és szeszipari Tanszék 2008.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Élelmiszertechnológia alapjai II. levelező képzés oktatási segédanyag élelmiszermérnök (BSc) levelező hallgatók részére Sör-és szeszipari Tanszék 2008."— Előadás másolata:

1 Élelmiszertechnológia alapjai II. levelező képzés oktatási segédanyag élelmiszermérnök (BSc) levelező hallgatók részére Sör-és szeszipari Tanszék 2008 Tantárgy felelős: Dr. Hoschke Ágoston egyetemi tanár

2 Általános bevezetés Tematika Az élelmiszeripar ágazati felépítése, nemzetgazdasági szerepe A gyártástechnológia interdiszciplinaritása és kapcsolatrendszere A technológia fejlesztés és innováció élelmiszeripari jelentősége

3 Élelmiszeripar szerkezete Iparágrészarány (%) Húsipar17,3 Tejipar11,1 Takarmánygyártás10,2 Baromfi feldolgozás10,0 Gyümölcs zöldség feldolgozás8,2 Malomipari termékek gyártása6,8 Cukor- és keményítő hidrolízis ipar6,2 Sütőipar és tésztagyártás5,8 Üdítőitalok gyártása4,9 Söripar3,8 Dohánytermékek gyártása3.2 Növényolaj ipar3,0 Szesz- és szeszesital gyártás2,6 Bortermelés2,1 Egyéb élelmiszerek gyártása4,8

4 Nyersanyagok és iparági technológiák Nyersanyagok Iparágak/technológiák Állati eredetű húsipar,tejipar Növényi eredetű gabonafélék malomipar,sütőipar,erjedésipar, takarmányipar, maláta gyártás, keményítőipar, ipari növények cukoripar,édesipar,dohányipar, növényolajipar gyümölcsök,zöldségek konzervipar,üdítőital-gyártás, boripar,italgyártás Mikroorganizmusok fermentációs iparok szeszipar, biofuel pékélesztő,takarmányélesztő élesztő hidrolízátum

5 TermelőGyártó Felhasználó Technológia A nyersanyagtermelés, a gyártástechnológia és a fogyasztói igény kapcsolata Nyersanyagismeret Élelmiszermérnöki Táplálkozástudományi és ismeretek közgazdasági ismeretek -Agrotechnika -Kémiai összetétel -Analitika -Adalékok (pl. enzimek) -Biztonság (pl. GMO, toxikus a.) Alaptudományok - biokémia, él.kémia - mikrobiológia - fizikai kémia Alkalmazott tudományok - reológia - műveletek, gépek - biomérnökség - léptéknövelés - környezetvédelem -Piaci és fogyasztói igény -Táplálkozási szokások -Él.ellenőrzés, biztonság -Globalizáció -Marketing -Információ

6 Kukorica (Keményítő) Glükóz Száraz őrlés Kukoricaliszt / dara Natív keményítő, glutén, csíraolaj, takarmány Dextrinek Glükózszörp (maltodextrin) Keményítőszörp, glükóz Maltodextrin, maltóz Glükóz Észterek, éterek, oxidált keményítő Etilalkohol/biofuel Fermentációs iparok, szénforrás Izocukor / fruktóz Aszkorbinsav / szorbitol Biopolimer Nedves őrlés Hőkezelés Savkezelés AA, GA, BA, Pullulanáz Enzimes hidrolízis Sav + GA Kémiai módosítás A kémiai és a biológia transzformáció lehetőségei kukorica feldolgozásnál

7 Keményítő hidrolízis ipar Tematika A keményítőipar szerkezete és a keményítőgyártás nyersanyagai A kukorica nedves őrlésének műveletei és berendezései Keményítő származékok csoportosítása A keményítő hidrolízis elvi lehetőségei A keményítő lebontás enzimei /amilolítikus enzimek/ Az amilolítikus enzimek hatásmechanizmusa, tulajdonságai A keményítőlebontás ipari eljárásai Komplex kukorica feldolgozás technológiai lehetőségei Izocukor gyártás, a fruktóz alapú természetes édesítőszer jelentősége A keményítő hidrolízis ipar termékei és élelmiszeripari felhasználása

8 Ajánlott irodalom Sólyom,L és Kudron, J.: Keményítő és keményítőipari termékek Mezőgazdasági Kiadó, Budapest, fejezet: A keményítő szerkezete.. 4.fejezet: Keményítőipari enzimkészítmények 6.fejezet: A keményítőgyártás technológiája

9 40% 20% kukorica 70% 15% burgonya gabona egyéb élelmiszeripar 75% ipari technológia 25% élelmiszeripar 60% biotechnológia 30% gyógyszeripar 10% élelmiszeripar 45% ipari technológia 55% NATÍV HIDROLIZÁLT SZUBSZTITUÁLT Nyersanyag forrás→ A keményítőgyártás szerkezete Jellemzők: nyersanyag módosított származékok növekedése enzimes technológiák elterjedése

10 Átlagos nyersanyag összetétel BurgonyaBúzaKukorica Víz7515 Keményítő Fehérje Lipid> Rost2-3> 0,52-4 Hamu~ Termékek ( fő / iker) keményítő -sikércsíraolaj --glutén Mellék- termékek törköly-kukoricalekvár gyümölcsvíz-rost --olajpogácsa Feldolgozás problémái: keményítő anomális tulajdonságai, szemcseméret, kristályszerkezet, összetétel

11 A keményítő szerkezete I. Elsődleges szerkezet: D-glükóz homopolimer Másodlagos szerkezet: Heteropolimer Lineáris amilózlánc (α-1,-4) Elágazó amilopektin (α-1,-6) Amilózlánc

12 A keményítő szerkezete II. Amilopektin szerkezete: α-(1,4) glükozidos kötések mellett α-(1,6 ), ritkábban α-(1,3)-as elágazások

13 A keményítő viselkedése vizes közegben Anomális jelenségek: polimer – víz kapcsolat/ másodlagos kötések meghatározza a technofunkcionális tulajdonságokat ok: hidrogénkötések stabilitása hőmérséklet függő Csirízesedés Retrogradáció (öregedés) Komplexképződés (jódkomplex)

14 Retrogradáció (öregedés) Keményítő spontán változása, öregedése: Gélben vízkiválás figyelhető meg Oldat zavarossá válik Alapvetően kristályosodási folyamat (röntgendiffrakció) Hidrogénkötés képződés keményítőláncok hidroxiljai között líneáris láncok egymás mellé rendeződnek - dehidratáció amilóz / amilopektin eltérő viselkedése aggregátumok képzőknek – molekula asszociáció, flokkulálás irreverzibilis folyamat Keményítőt felhasználó iparágakban káros jelenség: Pékáruk öregedése Konzervek zavarossága Textil- és papíriparban – káros bőrképződés Csökkenti a keményítő savas és enzimes hidrolízálhatóságát Csökkenti a jódkötő képességet Keményítőt felhasználó iparágakban káros jelenség: Pékáruk öregedése Konzervek zavarossága Textil- és papíriparban – káros bőrképződés Csökkenti a keményítő savas és enzimes hidrolízálhatóságát Csökkenti a jódkötő képességet

15 Jódkötő képesség I 5- -komplex Jódkötő képesség: 6-8 glükóz / 1 Jód atom,6-8 glükóz / 1 Jód atom, rezonáns polijódlánc,rezonáns polijódlánc, hidrofób kötéshidrofób kötés kék komplexkék komplex Apoláros jódmolekulák elférnek a hélix üregekbe Van der Waals-vonzás rögzíti, más apoláros jelleg mint vizes, vagy alkoholos közegnél Az alapállapotú és a gerjesztett állapotú jódmolekulák között más az energia különbség, mint a vizes oldatban más hullámhosszúságú fényt nyelnek el

16 Kukorica / gabona nedves őrlésének műveletei Nyersanyag tárolása Nyersanyag előkészítése Feltárás Nyers keményítő elválasztása Keményítőtej tisztítása Keményítőtej sűrítése Keményítőtej víztelenítése Szárítás vibrációs síkszita hengerkimosó szita centrifugál kimosó szita ívszita / szűrőhenger csigás mosó / sűrítő hidrociklon szeparátor forgódobos sűrítő centrifugál szeparátor ülepítő centrifuga vákuum dobszűrő horizontális tengelyű - - víztelenítő centrifuga aprítás áztatás dagasztás csíra rost fehérje

17 Kimosás, vibrációs síkszita elválasztás: hengerkimosó szita centrifugál kimosó szita ívszita, szűrőhenger Nyers keményítőtej hidrociklonok finomító- és sűrítő csigás keményítőmosók berendezések:szeparátorok Víztelenítő forgódobos besűrítők berendezések:ülepítő centrifuga horizontális tengelyű víztelenítő centrifuga centrifugál szeparátor vákuum dobszűrő Keményítőszárító pneumatikus szárító berendezések : Az elválasztás elve → molekula méret szerint (pl. ívszita) → sűrűség szerint (pl. multiciklon, szeparátor,centrifuga) Sűrűség sorrend: csíra>rost,héj>fehérje>keményítő A keményítőgyártás közös műveletei és gépei centrifuga

18 Ívszita szűrlet szüredék Teljesítmény: 200 m 3 /h Előnye: Előnye: nincs forgó rész Hosszú élettartam Automatizálható Kis energia/tér igény Kis veszteség

19 A kukorica szem felépítése Lisztes endosperm Szarus endosperm Magcsúcs Csíra Héj

20 Kénessavas áztatás A kukorica áztatás célja: víz felvétel keményítő és fehérje hidratálás vázfehérje lazítás SO 2 adszorpció (cisztin -S-S- kötések hasítása) vízoldható anyagok kioldása tejsav baktériumok elszaporítása (puffer hatás –pH=3,9-4,1-) sejtfal poliszacharidok puhítása) H 2 SO 3  H + + HSO 3 _  H + + SO 3 _ R 1 - S–  S – R 2 → R 1 – S – SO 3 _ + R 2 - S _ Paraméterek :48-52 C, 30-50h, 0,2-0,4g SO 2 / kg kukorica folytonos ellenáramú diffúzió Lactobacillus bulgaricus (termofil), pH szabályozás

21 Ellenáramú kukorica áztató rendszer automatikus szabályozás/mérés: folyadék szint, tartózkodási idő, áramlási sebesség, SO 2 koncentráció, ürítés, pH, hőmérséklet

22 Keményítő üzem Tisztítás Áztatás Durva őrlés Csíra leválasztás Finom őrlés Rost elválasztás Sűrítés Keményítő – Fehérje szeparáció Cukorüzemi táptartály Multiciklonok Szeszüzemi táptartály Csíra víztelenítés Glutén víztelenítés Rost víztelenítés Kukorica Áztatólé Tört szem Szemét, por Mosóvíz Áztatósav Mosóvíz Pneumatikus szárító Víztelenítő centrifuga 65% 35% Finomított keményítőtej Natív keményítő SO 2 Rost Csíra Glutén szárító Őrölt tört szem Szeszüzemi alapanyag Takarmány üzem Őrlés Takarmány üzem Csíra szárító

23 Keményítő származékok csoportosítása Oldható keményítő Módosított keményítő Szubsztituált keményítő Natív keményítő Hidrolízált keményítő Oxidált keményítő Maltodextrinek (szörpök) Keményítő cukor Izocukor GlükózMaltózszörp Dextrinek DE = dextrose equivalent (glükóz egyenérték)

24 A keményítőhidrolízis enzimei Izomerázok Endoamilázok Amilázok Transzferázok Exoamilázok Glükózizomeráz Ciklodextrin-transzferáz  -amilázPullulanáz  -amiláz Glükoamiláz  R-enzim (amiloglükozidáz)  Izoamiláz

25 A keményítőbontó enzimek csoportosítása és hatás mechanizmusa Nem redukáló láncvég Redukáló láncvég glükoamiláz  -amiláz pullulanáz  -amiláz

26 A keményítőbontó enzimek jellemzése I. ALFA-AMILÁZ: Ca-kofaktor Molekulatömeg: ezer Da pH tartomány: 4,0 – 8,0 hőmérséklet tartomány: 40 – 95°C Mechanizmus: endo, csak az  D (1,4 ) kötéseket hasítja Termék: G 1 G 8 oligoszacharid és  -határdextrin Előfordulás: növény, állat, mikroorganizmus baktériumok: B. subtilis Mezofil, termofil:B. licheniformis B. stearothermophilus Penészgombák:Aspergillus niger, Aspergillus oryzae Készítmények: Tenase Optispirit Ceremix Termamyl

27 Alfa-amilázok Előfordulás (növényi, állati, mikrobiális) Élettani, technológiai jelentőség Általános jellemzők metalloenzimek növényiállatibaktériumpenészgomba pH tartomány 4,5-7,05,5-8,05,0-8,53,5-6,0 Hőmérséklet tartomány Molekula tömeg (kDa) Kofaktor /? aktivátor Ca 2+ Zn 2+ Ca 2+ Zn 2+ Ca 2+ Zn 2+ Ca 2+ Ba 2+

28 A kalcium szerepe Ca hatás / stabilizálás B. licheniformis B. amyloliquefaciens h MA% MA% ,5 0 0, ppm Ca 2+

29 A keményítőbontó enzimek jellemzése II. PULLULANÁZ: Molekulatömeg: ezer Da pH tartomány: 4,5 – 7,5 hőmérséklet tartomány: 40 – 55°C Mechanizmus: endo, csak az  1,6 kötéseket hasítja Termék: amilóz lineáris maltodextrin Előfordulás: mikroorganizmus - Aerobacter aerogenes Egyéb  -D (1 6) kötéseket bontó enzimek: R-ENZIM Növényi eredet  -határdextrinek  1,6-os kötéseit is bontja IZOAMILÁZ Élesztő, penészgomba eredet A pullulánt [  -D(1 6) kötéseket tartalmazó maltotrióz polimer] nem tudja bontani

30 A keményítőbontó enzimek jellemzése III. GLÜKOAMILÁZ: Molekulatömeg: ezer Da AmiloglükozidázpH tartomány: 3,5 – 5,5 (glükoprotein) hőmérséklet tartomány: 40 – 60°C Mechanizmus: exo, minden glükozidos kötést bont Termék:  -D-glükóz Előfordulás: elsősorban mikroorganizmus, állati szövet penészgombák: Aspergillus niger Készítmények: Optidex SAN Dextrináz BÉTA-AMILÁZ Molekulatömeg: ezer Da pH tartomány: 4 – 8 hőmérséklet tartomány: 40 – 60°C Mechanizmus: exo, csak az α-D (1  4 ) kötéseket hasítja Termék:  -D-maltóz és  -határdextrin  Előfordulás: növény (árpa maláta) baktérium: B. polymyxa

31 Keményítő Maltodextrin DE = 5-20) Izocukor (HFCS) Glükózszörp Fruktóz szirup Fruktóz Maltóz szirup Maltóz Keményítőszörp (DE = 30-80) Enzimes keményítő hidrolízis ipari lehetőségei feltárás folyósítás Folytonos technológia: Bakteriális α-amiláz, pH=6-6,5 ; °C Ca ++, pH=6,0-6,5 ;70-95 °C Cukrosítás szakaszos Cukrosítás szakaszos: pH=5,5, 50 °C, AA+β-amiláz B. αA + P. αA Cukrosítás Szakaszos: pH=4-5 60°C, A.niger GA A.oryzae AA Izomerizáció folytonos pH=7,5-8,5; 60-65°C glükózizomeráz Elválasztás (G+Fr)

32 Keményítő hidrolízis/lebontás lehetőségei: 1.Savas hidrolízis H + reverzió KeményítőGlükózGenciobióz -3H 2 O Intramolekuláris vízvesztés HO – CH – CH – OH H HO – H 2 C H C C H C O OH OH H + CH HO – H 2 C C C HO HMF O POLIMERIZÁCIÓ CH 3 C CH 2 CH 2 + HCOOHPolimerek O COOH γ - keto – karbonsavhangyasav

33 Savas hidrolízis (Kroyer eljárás) Kroyer reaktor gőz keményítőzagy Cső a csőben reaktor 15 bar 2-3 perc tartózkodási idő pulzáló áramlás lamináris áramlás gátlása nagy nyomású pumpa Keményítő zagy 20 Be° sav pH =2,0 gőz kondenzátum folyósított keményítő visszacsapó szelep expanziós tartály pára csőkígyó 140°C

34 2. Savas/enzimes hidrolízis 1.lépés: Savas lebontásDE ~18-20 ( sósav, salétromsav, kénsav) 2.lépés: pH állítás 4,5 (szóda, kalcium-karbonát) 3.lépés: glükoamilázos cukrosítás60°C, 70 óra DE, dextróz ekvivalens: között, kifejezi a hidrolízis %-os mértékét (glükózban) Natív keményítő = 0; glükóz = 100

35 3. Enzimes hidrolízis Enzimes katalízis: 1.lépés: alfa-amilázos folyósítás pH=6,0; T=60-90°C 2.lépés: pH állítás 4,5 3.lépés: glükoamilázos cukrosítás pH=4,5-5,0; T=55-65°C O CH 2 OH O C1C1 C4C4 O C1C1 O H+H2OH+H2O OH C1C1 C1C1 C4C4 CH 2 OH + OO Reszintézis: G n + G G n+1 1,6 és 1,3 kötésű oligoszachridok: izomaltóz izomaltotrióz Transzglükozidáz hatás :

36 A keményítő biokonverzió fő szakaszai EnzimesMűveleti lépésekTermékek folyamat csirízesedés dextrinizálás cukrosítás izomerizáció fruktóz dúsítás folyósítás Glükóz + oligoszacharid Keményítő szuszpenzió Maltodextrinek Maltóz szirup Kevert szirupok Glükóz szirupok Fr / Gl szirup (izocukor) Nagy fruktóz tartalmú szirupok Kristályos fruktóz oligoszacharidok

37 A keményítő folyósítása 1. Csirizesítés: legkritikusabb lépés szárazanyag: 25-40% vízfelvétel: 20-60°C (duzzadás H kötések felbontása) gélesítés: gyors viszkozitás növekedés retrogradáció megakadályozása sav adagolás (Kroyer technológia) pH=1,5-2,0, °C hőinjektor /  -amiláz pH=6,0-6,5 ; °C - B. subtilis 85-87°C - termostabil °C 2. Folyósítás szakaszos: - 0,2 – 0,4 liter B. subtilis  -amiláz 25-40% sz.a., pH=6,8-7,0 Ca ppm, 85-90°C, 20 perc - nyomás alatti hőkezelés (140°C, 5 perc) - hűtés 85°C - 0,8 – 1,8 liter/ tonna  -amiláz, reakció idő függ a kívánt DE értéktől - enzim aktiválás (100°C, min) folytonos: egy- és két,ill. három részletben adagolt alfa-amiláz

38 Gőz injektor (Jet cooker)

39 A keményítő folyósítása /enzim adagolás 3 részletben/ CaCl 2 ←AA Keményítő zagy °C AA keverő tartály Paraméterek: Keményítő sz.a % pH=6,0-6,5 Termostabil alfa amiláz Ca 2+ (50-100ppm) hőfeltárásfolyósításdextrinizálás Hőmérséklet (°C) Reakció idő Enzim (l/t) DE érték ,2-0,5 min 0,2 (20%) min 0,5 (50%) min 0,3 (30%) gőz injektor expanziós tartály Műveletek / technológiai paraméterek: folyósító tartály dextrinizáló tartály AA 100°C 60°C Folyósított keményítő hőcserélő 85°C

40 Cukrosítás Glükóz előállítás A. niger glükoamiláz (GA) Különböző édesítőszer: A. niger GA / A. oryzae  A, izocukor(GI) A.oryzae alfa-amiláz (  A): maltotrióz, maltóz termék Általános reakció feltételek: szakaszos technológia kevertetett reaktor pH=3,8-4,5 T=55-60°C reakció idő: h Probléma: transzglükozidációizomaltóz reszintézisizomaltotrióz kristályos glükóz gyártásnál 20-30%-os veszteség hidrol!

41 A keményítő enzimes cukrosítása Paraméterek: Folyósított keményítő: sz.a % DE=15-20 pH=4,2-4,5 Enzim: Aspergillus niger glükoamiláz Reakció idő: óra Termék: 94-96% glükóz tartalom Szennyezők: színanyagok, fémek (Ca 2+ ), HMF szerves savak, nitrogénvegyületek mikroorganizmusok 60°C glükoamiláz Keményítő szirup (DE=15-20) szilárd Cukrosító tartály ülepítő csíraolaj glükóz vákuum dobszűrő Glükóz oldat (DE=96-98) Kation- és anion cserélők Steril szűrő gyertya

42 A keményítő hidrolízis eljárásainak összehasonlítása ParaméterekSavasSavas/ enzimes Enzimes Bontásfok Glükóz tart. (%) Reverzió (%) ~ 1 HMF (%) 0,2 – 0,5> 0,2- Relatív szín ,2 – 2,0> 0,2

43 Maltóz szirupok Technológia: hasonló a keményítőszörp előállításához eltérés: speciális enzimek, pullulanáz,  -amiláz, A. oryzae  -amiláz Felhasználás / tulajdonságok alacsony higroszkóposság kristályosodás gátlás (édesipar, gyümölcskonzervek, stb) könnyű lebontás / tápszer / söripar édesítőszer (hidrogénezés maltitol) Főbb termékek DEG (%)Maltóz (%) Oligoszach. (%) Maltóz szirup Nagy DE értékű M.Sz Extra Maltóz szirup Kristályos maltóz95 felett

44 Keményítő hidrolízis termékek TermékekBontásfok (DE)Felhasználás Maltodextrin3-20 állományjavító fermentációs iparok ragasztó Keményítő- szörpök 15-30állományjavító, töltőanyag 30-50édesítőszer, konzerv 50-75italtechnológia, édesipar Keményítő- cukor 60-80édesipar cukrászat Glükóz96-98 kristályos glükóz Dextróz szörp hidrol / Corvital Glükóz intermedierizocukor (HFCS) C-vitamin alkohol / élesztőgyártás

45 Komplex kukorica feldolgozás izocukor előállítás

46 Komplex kukorica feldolgozás Cél: értéknövelő feldolgozás termékszerkezet agrárágazat problémái (olajválság, biotechnológia, árak, túltermelés) Kukorica feldolgozás lehetőségei SzárazőrlésNedves őrlés Három frakció: 10% csíra Öt frakció: keményítő 35% liszt fehérje 55% dara takarmány olaj kukoricalekvár Korlátozott számú termékNagy termék variáció Előnyök 20%-kal kisebb beruházásÖsszes komponens külön kinyerhető Nem függ a nyersanyag minőségtőlflexibilis technológia Kisebb fajlagos energiaszükséglettovább feldolgozás Nincs szennyvízszéles termékválaszték Hátrányok 35% nem kerül feldolgozásraszennyvíz probléma Nincs értékes termékberuházás nagy Csak elektromos energianyersanyag minőség Nem flexibilis

47 Kukorica Egész szem Tört szem Szeszüzem Keményítőüzem Keményítőtej GluténKukorica rostCsíra Előpárlat Finomszesz Moslék Izocukor Natív keményítő Takarmány üzem Glükóz szirup Keményítő hidrolizátum Kristályos glükóz Izoszörp F42 Izocukor F55 Glükóz szörp áztatóvíz A komplex kukorica feldolgozás folyamatábrája

48 Glükóz izomerizáció Jelentősége: szacharóz helyettesítése /invertáz:G-F→G+F/ kukorica keményítő glükóz G+FF (dúsítás) új típusú édesítőszer Glükóz izomerizáció lehetséges útjai: - lúgos - enzimes: glükózizomeráz – rögzített enzim (pH: 7-8, T=50-60°C) Co 2+ kofaktor Glükóz fruktóz 2,3-endiol pszikóz (pH 8-10, 60-80°C) Aldóz ---ketóz átrendeződés enolízáció izomerizáció

49 Glükózizomeráz Elsődlegesen xilózizomeráz Fermentáció: Fermentáció: (inducer:xilóz ! Drága) helyettesítés, búzakorpa, xilán új törzsek, konstitutív mutáns katabolit represszió szabályozás körülmények: óra, 30 °C, Co 2+, Mg 2+ fermentlé feldolgozás – sejtfeltárás – intracelluláris enzim, rögzítés Enzim tulajdonságok: 4 alegység, Molekulatömeg: ezer Da Co 2+, kofaktor Ca 2+, inhibítor (Mg 2+ védőhatás) pH optimum: 7,5-8,5; hőm.optimum: °CFejlesztés: extracelluláris enzimtermelő törzsek hőstabilitás fokozása Ca érzékenység megszüntetése pH optimum csökkentése géntechnika Főbb termelő törzsek: B.coagulans Streptomyces albus Streptomyces rubiginosus Actinoplanes missuriensis Glucose isomerase crystals under the scanning electron microscope

50 Izocukor előállítás műveleti lépései keményítőtej hidrolízise nyers glükóz oldat retentát membránszűrés vákuumdobszűrés permeát bepárlás fehérjeszűrés glükóz ioncserélés bepárlás izomerizálás kristályosítás bepárlás fruktóz dúsítás fruktóz szeparálás bekeverés ioncserélés bepárlás F42 izocukor glükóz szirup kristályos glükóz hidrol F55 izocukor F80-95 fruktóz kristályos fruktóz

51 Izocukor előállítása kukorica keményítőből Paraméterek: Szubsztrát: 42-45% glükóz Hőmérséklet: 60 °C pH: 7,8 Adalék: MgSO 4 / NaHSO 3 Rögzített glükóz izomeráz Str. albus, B. coagulans Aktív centrum Co 2+ /védő Mg 2+ Inhibítor: Ca 2+ Keményítőmaltodextrin glükózizocukor (HFCS) Termék: izocukor: 42% fruktóz 52% glükóz 6% oligoszacharid AAGAGI Glükóz izomerálás adalékok glükóz gőz Izocukor (70-72% sz.a) sterilező exp. hűtő automatikus szabályozó enzim reaktor steril szűrő ioncserélő bepárló

52 Optimális izomerizációs paraméterek Szubsztrát: koncentráció 38-45% (sz.a.) mikrobiológiailag steril Ca-ion mentes DE értékű glükóz pH: 7,8-8,2 Hőmérséklet: 58-65°C Enzim: rögzített glükózizomeráz (kovalens rögzítés, szferikus szerkezet) Adalék: MgSO 4 ( ppm, ~20xCa 2+ ) NaHSO 4 Tartózkodási idő: 0,8 - 4,0 óra (min - max) Konverzió: 42-45% fruktóz Bioreaktor: töltött ágy, soros kapcsolás üzemi élettartam: max. 3 t ½ (~ 10% maradék aktivitás) ~ 3000 óra

53 IZOMERIZÁLÁS SZEPARÁLÁS FRUKTÓZ SZIRUP GLÜKÓZ F 42F 55VHFS (70-95%) KRISTÁLYOS FRUKTÓZ dúsítás bepárlás keverés kristályosítás Növelt fruktóz tartalom elérési lehetőségei Technológiai lehetőségek vákuum kristályosítás programozott hűtés adszorbció ioncsere ion kizárás max: 55-60% fruktóz max: 90-95% fruktóz Eljárások: szakaszos félfolytonos folytonos: látszólagos mozgóágyas (UOP) egy oszlopos mozgóágyas recirkulációs MCI

54 Az izocukor alapú édesítőszerek Fruktóz %Glükóz % Egyéb szénhidrát % Relatív édesítés F ,9 F ,1 F90 (VHFS) < 11,5 Kristályos fruktóz F ,7 Szacharóz 1,0

55 Kukorica keményítő alapú édesítőszergyártás Új természetes alapú édesítőszer Bevezetés indokai (1960 → napjaink) USA: High Fructose Corn Syrup (15-42% fruktóz) EU: Isoglucose (42-60% fruktóz) Problémák: Európai Közös Piaci Mezőgazdasági Politika „cukor” lobby áttörés → 55-60% fruktóz tartalmú szörp felhasználható szacharóz helyett az üdítőiparban → Coca Cola, Pepsi Cola 1995-re telítődött a piac ~6 millió tonna első generáció termék /42-55%Fr/ termék-szerkezet változás növelt fruktóz tartalom előtérbe kerül ( jelenleg 25millió tonna felett)

56 Édesítőszerek / gyógyélelmiszerek Glikémiás index (Jenkins kutatásai) Vércukor emelő szénhidrátok csoportosítása „gyors” szénhidrátok G ix > 90 „közepes” szénhidrátok G ix 70 – 90 „lassú” szénhidrátok G ix < 70 G ix értékek Poliszacharidok: ~ Kenyér Rizs80 Tészták Glükóz138 Fruktóz28! Szacharóz86 A fruktóz természetes édesítőszer lehet cukorbetegek részére

57 Rögzített enzimek és rögzített sejtek

58 Rögzített enzimes bioreaktorok Előnyei újra felhasználás műveletszám csökkenése folyamatos technológia nagy fajlagos aktivitás –rövid reakcióidő –reaktor térfogat csökkenés mellékreakciók kisebb valószínűsége kisebb energia szükséglet többlépéses (kémiai szintézis) reakciók helyettesítése gazdaságosság? költség% anyagk öltség (szubsztrát) enzim munka- erő energia munkaerő hordozó enzim anyag- költség oldott enzimesrögzített enzimes katalízis

59 Rögzített enzimes technológiák sikeres ipari bevezetésének alapvet ő kérdései Eljárás: alapvetően új technológia és a termék is egyedülálló a piacon Termék: új, jobb minőségű, nagyobb kitermelés Enzim: kisebb költség, megfelelő stabilitás Szubsztrát: alkalmas a közvetlen felhasználásra (koncentráció, mentes szilárd részektől, stb.) Művelet: szükséges-e elő- és utókezelés, automatizálható-e a folyamat termék és melléktermék-képződés ellenőrizhető Üzemesítés: léptéknövelés megvalósítható infrastruktúra, személyi feltételek Gazdaságosság: az eljárás valóban a legjobb megoldás, versenyképes-e a hagyományos technológiával van-e igény

60 Enzim vagy sejt rögzítés ENZIMSEJT Extracelluláris enzim Intracelluláris enzim Nincs szükség kofaktorra Az enzim érzékeny Kis rögzítési veszteség Sejtfeltárás / extrakció nagy aktivitás veszteséget okoz A rögzített enzim stabil Konszekutív reakciók Az üzemi feltételek között Szubsztrát / termék Kis molekulaméret A zavaró enzimrendszerek inaktiválhatók Sejtrögzítés szükséges: - multienzim rendszerek - kofaktort igénylő rendszerek - koimmobilizálás

61 Rögzített enzimek/sejtek élelmiszeripari alkalmazása (félüzemi és üzemi méret) ALKALMAZÁSENZIM / SEJTREAKTOR TÍPUS Fruktóz szirupglükózizomerázTöltött ágyas reaktor Laktóz hidrolízis (tej)laktázCső, membrán, fluid ágyas Laktóz hidrolízis (savó)laktázTöltött ágyas és membrán Keményítő cukrosításglükoamilázTöltött ágyas reaktor Raffinóz hidrolízis  -galaktozidáz Töltött ágyas reaktor Szacharóz hidrolízisinvertázTöltött ágyas reaktor IzomaltulózmikrobasejtTöltött ágyas reaktor Glükonsav gyártásglükózoxidázKevertetett és töltött ágyas UHT tej kezelésszulfhidriloxidázfluid ágyas reaktor Zsírsav átészterezéslipázTöltött és fluid ágyas reaktor Gyümölcslé derítéspektinészterázFluid ágyas reaktor Instant teatannázTöltött ágyas reaktor Fehérje hidrolízistripszinKevertetett és töltött ágyas (sör, gyümölcslé, bor stb.)papainTöltött ágyas reaktor Etanol gyártásélesztősejtTöltött és fluid ágyas reaktor Sör gyártásélesztősejtTöltött és fluid ágyas reaktor

62 Rögzített / immobilizált / enzimek Rögzítési módszerek csoportosítása Oldhatatlan enzim Oldott enzim kötésbezárásultraszűrő membrán üreges csőreaktor keresztkötéshordozóhoz kötés gélbezárás mikrokapszulázás fizikai adszorpció ionos kötés fém komplex kovalens kötés Kombinált rögzítés: adszorpció + keresztkötés

63 Különböző rögzítési technikák összehasonlítása JELLEMZŐKADSZORPCIÓKOVALENSGÉLBEZÁRÁS Technológia Kötési erő Fajlagos aktivitás Rögzítési költség Alkalmazhatóság Regenerálhatóság Védelem a mikrobiális fertőzéssel szemben egyszerű gyenge közepes kicsi általános igen nem nehéz erős nagy általános nem nem nehéz közepes kicsi közepes korlátozott nem igen

64 Bioreaktor típusok kevertetett (szakaszos) kevertetett (folyamatos) folyamatosan áramló kevertetett reaktor töltött ágyas recirkulációs fluid ágyas üreges csőreaktor (hollow fiber) CFST ülepítővel CFST + ultraszűrő membrán

65 Szeszipar

66 Ajánlott irodalom Gyimesi,L és Sólyom,L: Élesztő és Szeszipari Kézikönyv Mezőgazdasági Kiadó, Budapest, fejezet: Élesztő- és szeszgyártás mikrobiológiája 4.fejezet: Szeszgyártás Békési,Z. és Pándi,F.:Pálinkafőzés Mezőgazda Kiadó, Budapest, fejezet.: A gyümölcspálinkák alapanyagai 4.fejezet.: Lepárlás és pálinkafőzés

67 Anaerob fermentáció Az alkoholos erjesztés elméleti alapjai Tematika Történeti áttekintés Az anaerob fermentáció biokémiai alapjai Az alkoholos erjedés fő lépései A Saccharomyces cerevisiae szerepe az alkoholos erjesztésben Másodlagos erjedési melléktermékek Az élesztőtörzsek ipari alkalmazásának elvárásai Az ipari erjesztési technológiák fő jellemzői Az élesztők élelmiszeripari alkalmazása

68 ANAEROB FERMENTÁCIÓS ELJÁRÁSOK Szeszipari technológia történelem Prehisztorikus idők: „tudatos” erjesztés gyümölcs, ecetes erjesztés Időszámítás előtti korszak Asszíria (Kr.e. 3000) → szőlőtermesztés Babilónia (malátázás) → sörerjesztés Egyiptom → erjesztett italok Írott emlékek Kr.e. 300: sumér sörgyártási technológia babiloniak: 20 sör receptúra tejsavas erjesztés egyiptomiak: pörkölés (árpa) cukor pótanyag gyümölcs sörök

69 Szeszipari technológia történelem (folyt.) Időszámítás utáni korszak : kelta, német felsőerjesztés Moselle-Rohne Borvidék (Marcus Aurélius Probus) IX-XI. sz.:lepárlás, illóanyag kinyerés borpárlat – Spirit vini – XIII-XIV. sz.: élesztőhab kinyerés – pálinka, sörfőzés Orelans-i ecetgyártás XVII. sz.: Leewenhock – élesztő, mikroszkóp Adam, Pistorius, Coffay-Still – desztilláció XVIII. sz.: lepárlás műveleti eszközei (kond., rektifikáló) XIX. sz.: szétválnak a szakmák/ tudományágak biokémia, mikrobiológia, kémia, analitika Pasteur, Hansen, Koch, Erxleben (gőz + erőátviteli rendszerek → nagyüzemi szeszgyártás) XX. sz.: mérnöki, biomérnöki, biotechnológiai eredmények

70 Anaerob fermentáció (erjesztés) ATP regeneráló folyamat (metabolikus), amelyben a szerves szubsztrát (hexóz) terméke szimultán elektron donor, és elektron akceptor Szerves szubsztrát lebomlás F1,6 DiP úton H ATP Redukált termékCO 2 ATP regenerálás lebontási termékek oxidálása lebontott termékek átvitele a H akceptorra (redukció) Mikroorganizmusok: szigorúan anaerobok (Clostridium) aerotoleránsak (Lactobacillus) mikroaerofilek (coli, ecetsav baktérium) fakultatív anaerobok (S. cerevisiae) obligát aerob (Candida, Clodotorula)

71 Erjedési folyamatok végtermékei PIRUVÁT Tejsavacetaldehid + CO 2 Etanol oxálecetsav almasav borostyánkősav Propionsav acetil-KoA H 2 +CO 2 hangyasav  -acetotejsav acetoin H 2 CO 2 Etanol Ecetsav acetoacetil-KoA acetonbutiril-KoA Izopropanol VajsavButanol 2,3-butándiol Élesztők Clostridium fajok Propionsav baktériumok Coli aerogenes csoport Tejsavbaktériumok

72 Alkoholos erjedés főbb lépései (EMP ciklus) GAPDHA Hexóz foszforilezése ATPADP hexokináz 2 mól triózfoszfát Triózfoszfát dehidrogénezése foszfoglicerinsav NAD + NADH 2 ADP ATP Foszfoenol piroszölösav képződése ADP ATP -H 2 O Piroszölösav Acetaldehid CO 2 dekarboxiláz NADH 2 NAD + alkoholdehidrogenáz Etilalkohol kináz piruvátkináz egyensúly!

73 Saccharomyces cerevisiae Fakultatív anaerob szervezet Anyagcserét szabályozó mechanizmusok Pasteur effektus: molekuláris oxigén jelenlétében az erjesztés gátlódik Crabtree effektus : a cukor felesleg még jó oxigén ellátás mellett is gátolja a légzési enzimeket aerob 6CO 2 + 6H 2 O Hexóz lebontás anaerob 2CH 3 -CH 2 -OH + 2CO 2 A légzés energia mérlege Glükóz6H 2 O + 6CO ,4 kcal 100 kg48 kg élesztő szárazanyag Az erjesztés energiamérlege /hatásfok=26%/ Glükóz + 2Pi + 2ADPC 2 H 5 OH + 2CO 2 + 2ATP + 14,6kcal 100 kg 51 kg 49 kg

74 Az anaerob és az aerob anyagcsere utak 4 CO 2 glükóz glikolízis terminális oxidáció citromsav kör 2NADH 2 2NAD 6NADH 2 6NAD 2FADH 2 2FAD 6 O 2 6 H 2 O 2 piruvát 2 GTP 2 ATP 34 ATP 2 NADH 2 2NAD 2 Ac-CoA 2 CO 2 2 acetaldehid NAD NADH 2 2 etanol ANAEROBAEROB

75 Saccharomyces cerevisiae jelentősége az erjesztésben Életciklus – dominál a diploid fázis (nemesítés) – jó erjesztés – minimális melléktermék Anyagcsere folyamatok – obligát aerob – fakultatív anaerob különbség a glikolízis útban piroszőlősav → terminális oxidáció (ob. aer.) vadélesztők: Rhodotorula, Saccharomycopsis, Candida Fakultatív anaerob – fermentatív fajok (Sc. és Schizosaccharomyces) – respiratív fajok (vadélesztők)

76 Saccharomyces cerevisiae jelentősége az erjesztésben (folyt.) Fermentatív fajok : represszáló szénforrások (G,F,Mannóz) jelenlétében az alkoholos erjedés részaránya aerob viszonyok között is preferált, gyors a cukor bontás, kicsi légzési hasznosulás Katabolit represszió (Crabtree effektus) glükóz jelenlétében a légzési enzimek szintézise gátolt Respiratív fajok : glükóz légzési enzimeket gátló hatása nem érvényesül, dominál a terminális oxidáció Pasteur effektus (átkapcsoló mechanizmus) az élesztők oxigén jelenlétében csökkentik a glükóz felvételt és alkohol helyett sejttömeg képződik energetikai problémák (hatásfok! 2/38 ATP arány; 20x több cukor szükséges

77 Másodlagos erjedési melléktermékek képződési lehetőségei piroszőlősavból piroszőlősavpiroszőlősav tejsavAc - CoA vajsavecetsav etanol borostyánkősavfumársav almasav oxálecetsav aceton acetecetsav diacetil 2,3-butándiol acetion propionsav acetaldehid NAD NADH 2 NAD NADH 2 CO 2 NAD NADH 2 CoA-SH CO 2 H 2 O CoA-SH H2OH2O CoA-SH 2NADH 2 2NAD H2OH2O CO 2 CoA-SH hangyasav CO 2 NADH 2 NAD NADH 2 NAD NADH 2 NAD H2OH2O NADH 2 2H 2 O CoA-SH CO 2 NADH 2 NAD

78 Az erjesztés során képz ő d ő termékek AlkoholokSavakÉszterekEgyebek Glicerin Etanol n-Propanol Butanolok Amilalkoholok Feniletanol Ecetsav Tejsav Piroszőlősav Borostyánkősav Kaprilsav Almasav Vajsav Etilacetát bármilyen észter a keletkezett savakból és alkoholokból CO 2 Acetaldehid Diacetil H 2 S Pentándiol Butándiol Acetálok

79 Erjedési mellékreakciók I. 1) Glicerin képz ő dés 2) Szerves savak képz ő dése glicerintermelés fokozása 2% → 30% NADH 2 NAD +

80 Éleszt ő törzsek erjedésipari alkalmazásának elvárásai SörBor/párlat Ipari alkohol jó erjesztő képesség tolerancia nagy kezdeti szénhidrát konc.-nál genetikai stabilitás alkoholtűrő képesség 10% feletti alk. konc. széles hőmérséklet tartomány (2-35°C) jó ozmotikus tulajdonságok jó ülepedő képesség kis szubsztrát szelektivitás jó adaptivitás 25-35%

81 Speciális elvárások az éleszt ő törzsek ipari alkalmazásánál SörBor/párlat Ipari alkohol Jó diacetil bontás Nyomástűrés Flokkuláló képesség Megfelelő metabolit képzés Minimális metabolit képzés (kozmaolaj) Gyors erjesztés és alkohol tűrés Alacsony illósav képzés Jó aroma és metabolit képzés Szulfit rezisztencia Tannin rezisztencia

82 Ipari erjesztési technológiák fő jellemzői SörBor/párlat Ipari szesz Fizikai tényez ő k h ő mérséklet (°C) pHkezdeti végs ő 3,0-3,5 3,0-3,6 5,0-5,2 3,8-4,2 4,5-5,0 4,0-4,2 Fermentációs id ő f ő erjesztés (h) utóerjesztés több hónap1-2 hét - Technológia szakaszos félfolytonos folytonos szabályozott, irányított erjesztés Szubsztrát (erjeszthető 6 C atomos szénhidrátok) Gl, Fru, Gal, szacharóz, maltóz, maltotrióz Nyersanyag források szőlő, gyümölcs árpa, maláta kukorica, rozs árpa, maláta pótanyagok melasz kukorica (keményítő) cellulóz

83 Éleszt ő k ipari alkalmazása Söripar S. cerevisiae, felsőerjesztésű – ale S. pastorianus (S. carlsbergensis) alsóerjesztésű – lager Boripar S. cerevisae, Zygosaccharomyces, Schizosaccharomyces, Saccharomycodes nemzettségek Szeszipar S. cerevisiae, Kluyveromyces lactis – tejsavó Élesztőgyártás Saccharomyces cerevisiae Takarmányéleszt ő Candida utilis, Kluyveromyces sp., Torulopsis sp. Szín és ízanyagok termelése Rekombináns fehérjék el ő állítása

84 Ipari szeszgyártás Tematika A szeszipar ágazati felosztása és kapcsolata az agrárágazattal Az etilalkohol felhasználási területei Az iparág helyzete, történeti áttekintés és az előállítás problémái Az alkohol előállítás nyersanyagai Az ipari szeszgyártás műveletei és jellemző technológiai lépései A bioalkohol (biofuel) előállítás lehetőségei és problémái A cellulóz alapú alkoholgyártás Az ipari szeszgyártás fejlesztési irányai

85 Ajánlott irodalom Gyimesi,L és Sólyom,L: Élesztő és Szeszipari Kézikönyv Mezőgazdasági Kiadó, Budapest, fejezet: Élesztő- és szeszgyártás mikrobiológiája 4.fejezet: Szeszgyártás Békési,Z. és Pándi,F.:Pálinkafőzés Mezőgazda Kiadó, Budapest, fejezet.: A gyümölcspálinkák alapanyagai 4.fejezet.: Lepárlás és pálinkafőzés

86 Erjedésipari ágazat Jellemzői –sokféle vállalkozási forma –fermentáció/ műveleti fejlődés –nyersanyag –új fejlesztési irányok előretörése biofuel, pálinka, enzimes keményítő- és cellulóz hidrolízis, szimultán erjesztés és cukrosítás,folytonos technológiák Tulajdonviszonyok –külföldi tőke –decentralizálás –kisvállalkozások növekedése Foglalkoztatottság – között jelentős (25-40%) csökkenés –jelenlegi helyzet

87 Erjedésipari ágazat (folyt.) Bruttó termelési érték szeszipar, italtechnológiák, izocukor → növekedés Agrotechnika kulcskérdés a nyersanyag ár! termelés visszaesése (cukorrépa, gyümölcs, árpa) Kitörési pontok –terméshozam növelés –céltermelés/ minőség –feldolgozottság növelése (bioalkohol) –EU piacra betörés/ új termékek

88 Szeszipar ágazati felosztása AlapanyagokTermékek Ipari szeszgyártás Keményítő Cellulóz Egyéb cukortartalmú levek:diszacharidok, mezőgazdasági és ipari melléktermékek, ( bagasz,melasz, szulfit-szennylúg, tejsavó, stb.) finomszesz, biofuel biofuel finomszesz finomszesz és Biofuel/ipari szesz Italipar Gyümölcsök Szőlő Gabona borok, pálinkák bor, borpárlat sör, whisky, párlatok Likőripar finomszesz, borok, pálinkák, párlatok, gyógynövény kivonatok, illó olajok; természetes, természet azonos és szintetikus szinezékek, aromák

89 Etilalkohol felhasználási területei Általános italgyártás energia hűtőfolyadék Vegyipari alapanyag észterek, éterek etilhalogének etilanilin származék glicerin (?) oxidációs termékek: ecetsav acetaldehid kloroform Oldószerek festékek drogok ragasztók nitrocellulóz kristályosító közeg kozmetikai ipar

90 Szeszipar kapcsolata az agrárágazattal Kulcskérdés → nyersanyag agrotechnika/ terméshozam céltermelés Gazdaságosság → feldolgozottság fokozása jelenlegi helyzet kukorica: 4-5% búza: 2% árpa: 10-12% cukorrépa/ melasz: 100% Felhasználás gabonafélék: kukorica (keményítő, szesz, izocukor, sör) árpa (sör) búza (fehérje, keményítő) cukorrépa: melasz (élesztő, szesz) gyümölcs: égetett szeszes italok, ecet termelés visszaesés (20-30%), vetésterület csökkenés, nyersanyagár növekedés

91 Szeszgyártás 1870-es évek → mezőgazdasági szeszgyártás (kisüzem) → ipari szeszgyárak (3000 szeszfőzde) évente: 200 millió hlf termelés 1914termelés: 124 millió hlf 830 mezőgazdasági 30 ipari szeszgyár csökken a termelés nyersanyag bővülés (1921: 20 millió hlf) 1948államosítás, centralizáció új ágazati struktúra Hazai ipartörténet burgonya, gabona, „bor” cukorrépa kukorica bor ? XIX. század második felében alakult ki a szerkezet

92 19896 szeszgyár, termelés 60 millió hlf új eljárások, takarmányélesztő, ecetgyártás víztelenítési technológiák rekonstrukció szeszgyár (Győr, Szabadegyháza, Budafok) +1 borlepárló ( Kunfehértó) kb. 10 középüzem (100 ezer hlf alatt) (vegyes alapanyag) kb. 800 lakossági szeszfőzde Éves etilalkohol termelés: 53 millió hlf Belföldi értékesítés: 38 millió hlf Hazai ipartörténet (folyt.)

93 Alkoholgyártás nyersanyagai Közvetlenül erjeszthető: melasz (50% szacharóz) cukorrépa (10-15% szacharóz) gyümölcs (7-12% G, F, Sz) tejsavó (4-5% laktóz) szulfit szennylúg (2-3%) Közvetve (poliszacharid) erjeszthető: kukorica burgonya gabona cellulóztartalmúak csicsóka(inulin)? Etilén / Acetilén / Kőolaj….(Szintetikus alkohol)

94 Közvetlenül erjeszthető szénhidrát források cukornád, cukorrépa: nincs szükség enzimre cukor cirok: szacharózon kívül keményítő amiláz/ celluláz adagolás melasz:invertáz /növeli a kitermelést asszociál az élesztő sejtfalon, elősegíti a cukor transzportot bagasz: (kipréselt cukornád): celluláz/ hemicelluláz fokozza a kitermelést; invertáz tejsavó: környezetvédelmi probléma BOD /BOI/= 30-40ezer mg/l a laktózt a S.cerevisiae nem képes hasznosítani USA: 9 millió tonna/ év savó potenciális: 35 millió hl alkohol Magyarország: 60 ezer tonna/ év savó

95 Közvetlenül erjeszthető szénhidrát források (folyt.) tejsavó összetétel: –90-95% víz –4-5% laktóz –0,5-0,8% fehérje –0,1-0,3% zsír –0,5% hamu –0,1-1,0% tejsav pH= 4,5-6,0 probléma: laktóz fermentálhatóság (S. cerevisiae nem fermentálja) hasznosítási lehetőség → hidrolízis: β-galaktozidáz (Gal+Glü) + S.cerevisiae + erjesztés → közvetlen erjesztés Kluyveromyces lactis élesztőgombával → kevert szubsztrát (kukorica-savó) és kevert élesztő

96 Keményítő tartalmú nyersanyagok feltárása Alapelv: → feltárás és folyósitás alfa-amiláz → cukrosítás glükoamiláz kukorica: termostabilis α-amiláz, (B. amiloliquefaciens, B. licheniformis nem termostabilis α-amiláz: (B. subtilis) glükoamiláz (Asp. niger ) á rpa: probléma a β-glükán (glükóz extrakció) tartalom megoldás: proteolitikus enzim (feltárásnál) és β-glükanáz adagolás(erjesztés előtt) rizs: hántolatlan rizs: magas β-glükán tartalom, β-glükanáz adagolás cassava/ manióka: gumós (keményítőtartalom: 25-30%) aprítás/ szeletelés/ szárítás → ipari nyersanyag forrás feldolgozás: mint a kukorica → α-amiláz + glükoamiláz A kitermelést fokozza a celluláz adagolás (T. reseii) liter absz. alkohol / tonna

97 Alkohol gyártásnál alkalmazott enzimek, mikroorganizmusok az erjeszthető szénhidrátok előállítására 1., Keményítő tartalom hidrolízise Maláta (csíráztatott árpa) kitermelés: 100 kg árpa 80 kg maláta a folyamatban részt vevő enzimek:  és β-amiláz, proteázok, peptidázok, hemicellulázok, fitáz alkalmazás söripar és italtechnolőgiák Kukorica, búza, burgonya….stb. bakteriális és penészgomba eredetű amilolitikus enzimek Rizs („Koji process”) penészgomba (Asp.oryzae) eredetü amiláz-és proteáz hántolatlan rizs – összetörés – külső epidermisz megsértése – mosás – áztatás (12 óra) – főzés (1 óra) – lehűtés – 1-2% fahamu adagolás - beoltás koji csírával (manuális művelet, a spórák eloszlatása a rizsfelületen) – inkubálás ~35°C-on órán át – szétosztás kis fatálcákra – fermentálás – spóra képződés 5-6 nap – szárítás – tárolás 2., Cellulóz tartalom hidrolízise celluláz enzimkomplexek (mikrobiális enzimforrás) 3., Inulin (fruktóz polimer)tartalom hidrolízise inulináz enzim,vagy savas hidrolízis: inulin fruktóz

98 Nyersanyagra vonatkoztatott alkohol hozamok Nyersanyagtonna 1 m 3 etanolhoz melasz3,1-3,2 kukorica/ gabona2,8-3,2 fahulladék3,0-4,0 cassava7-8 burgonya8-11 cukorrépa10-12 tejsavó35-38 szulfitszennylúg70-100

99 Ipari mezőgazdasági nyersanyagok (terméshozam-alkohol kinyerés) NyersanyagTerméshozam (t/ha)Alkohol (hl/ha)Alkohol (t/ha) cukornád54362,88 cukorrépa35 2,80 édes cirok46352,80 kukorica5,7221,76 búza2,17-80,60 burgonya/ batáta 16-18~171,40

100 Alkoholgyártás technológiai lépései Nyersanyag feltárás és cefrézés csirizesítés (keményítő hidratálása, oldása) hidrolízis→ folyósítás (αA) → cukrosítás (GA, βA) cél: fermentálható szénhidrát Fermentálás :anaerobcukor → alkohol élesztőtörzsek:S. cerevisiae S. carlsbergensis Xymomonas mobilis (trópusi országok) Klujveromyces lactis (savó erjesztés) Desztillálás :alkohol koncentrálás finomítás víztelenítés (abszolutizálás)

101 A szeszgyártás m ű veleti lépései 1.Nyersanyag feltárása 2.Cefrézés 3.Erjesztés 4.Leerjedt cefre feldolgozása szeparálás 5.Desztilláció nyersszesz kinyerése finomszesz desztillálása vízmentes alkohol előállítása

102 Kisüzemi, szakaszos (Henze g ő zöl ő ) kukorica felmelegítés (perc) tart. idő (perc) túlnyomás (Atm.) 3,5-4,0 vízadag (m 3 /t) 1,5-2,0 burgonya felmelegítés (perc) tart. idő (perc) túlnyomás (Atm.) 2,5-3,0 vízadag (m 3 /t) 0,2- 0,5

103 „Német” eljárás egész szem, gumó + víz gőz hűtővíz α-amiláz glükoamiláz élesztő keverő 30-35°C h moslék gőz etanol Henze gőzölőCefrézőErjesztőDesztilláló Feltárás:nyomás alatti gőzölés / őrlés nélkül burgonya: perc; 2,5 atm; 0,5 m 3 víz/tonna kukorica: perc; 4,0 atm; 2,0 m 3 víz/tonna kifúvatás Hidrolízis: folyósítás → nagy hőmérséklet (80°C; ~20-30 perc) → kis hőmérséklet (55°C; ~ 1-2 óra) enzim adagolás: egyszeri α-amiláz cukrosítás 60°C-on glükoamiláz adagolás → hűtés erjesztés 30°C-on szimultán folyamat

104 Folytonos feltárás Expanziós ciklon 30-35°C h moslék gőz etanol Cefréző Erjesztő Desztilláló Jet cooker (hőinjektor) Csőreaktor őrölt szem víz α-amiláz gőz víz 80-90°C glükoamiláz élesztő α-amiláz Feltárás jellemzői: termostabilis α-amiláz 2 részletben adagolás jet cooker: 150°C; 0,5-1,0 perc folyósítás: 80-90°C; perc csőreaktor együttes cukrosítás, erjesztés: 60°C → 30-35°C Alternatív megoldás: keverős reaktor a csőreaktor helyett Energia megtakarítás: 60-70% (!) ~6-9 MJ/l alkohol cefrézővíz előmelegítése (moslék adagolás) kondenz hő felhasználása cefrézési idő csökkentése cefrekonc. növelése (→ 30% sz.a.)

105 Keményítőtartalmú nyersanyagok enzimes feltárása, cukrosítása és technológiai fejlődése szakaszos, Henze (maláta enzimek: α+β-amiláz) szakaszos, Henze (mikrobiális α-amiláz és glükoamiláz) folyamatos (mikrobiális enzimek) folyamatos (jet cooker, termostabil α-amiláz és glükoamiláz) Mikrobiális enzimek előnyei:kitermelés növekedés, egyidejű erjesztés, cukrosítás erjesztés (C°) (h) GA AA pH állítás maláta hűtés feltárás lehűtés GA AA AA AA AA GA hűtés hűtés hűtés

106 A szeszgyártás m ű veleti lépései 1.Nyersanyag feltárása 2.Cefrézés 3.Erjesztés 4.Leerjedt cefre feldolgozása szeparálás 5.Desztilláció nyersszesz kinyerése finomszesz desztillálása vízmentes alkohol előállítása

107 Erjesztés Cél: rövid erjesztés nagy alkohol- és élesztőtartalom kis metabolit képződés Optimális feltételek : kis erjeszthető szénhidrát tartalom (2-3%) alkoholtűrő élesztő mutáns nagy oltóélesztő mennyiség kis ozmotikus nyomás biosz anyagok intenzív cefremozgatás reakció körülmények: pH=3,9-4,5; t=30-35°C Az erjesztés feladatai: fajélesztő szaporodás biztosítása káros élesztőgombák, mikrobák gátlása metabolit képződés szabályozása maximális alkoholképzés hatékony, gazdaságos fermentáció

108 A szeszes erjesztés feltételei Éleszt ő : Saccharomyces cerevisiae elvárások: jó erjesztőképesség (próbaerjesztés: 15% szacharóz; 500 cm 3 / 12 h, maradék cukor < 0,3%); nitrogéntartalom Szénhidrát forrás: 6 szénatomos monoszacharid diszacharidok (szacharóz, maltóz) Tápanyagok: Foszfor szuperfoszfát Nitrogén ammóniumszulfát Bioszanyagok: kukoricalekvár malátacsíra extrakt élesztő autolizátum vitaminok

109 A szeszes erjesztés feltételei (folyt.) Habzásgátló: szulfonált növényolaj Adszorbensek: aktív szén makropórusos szilika Reakciókörülmények: hőmérséklet: 28 – 35°C (30±2°C) pH: 3,9 – 4,2 (3,5 → 6,0) ozmózisnyomás levegőztetés (10 – 40 m 3 /m 2 /h) élesztőszap. Szubsztrátkoncentráció:sz.a. tartalom súly%-ban Balling(Blgº) ~Brix(Bxº) szacharométer Baumé(Beº) cukortartalom %-ban aerométer melasz látszólagos sz.a. tartalom tömény melasz: 80-82Blgº/tényleges szacharóz tart.:50-52%.

110 Elvárások ipari szeszgyártásnál -gyors erjesztés -jó adaptivitás -tolerancia nagy kezdeti cukorkoncentráció iránt (max %) -alkoholtűrő képesség 10% feletti alkoholkoncentrációnál -kis metabolit képzés (észterek, egyéb alkoholok, diacetil) -szaporodás nagy erjesztési hőmérsékleten is -ozmotikus tolerancia (só, nyomás) -széles szubsztrát felhasználás (szelektivitás!) -nagy alkoholtermelés (max 15% v/v)

111 A fermentáció időbeni lefutása élesztőtömeg alkohol szénhidrát Elő Főutó erjesztés Alkohol % (v/v) Erjesztési idő (h)

112 Ipari erjesztési technológiák Szakaszos: egy cefrés hozzáfolyatásos duplázó Félfolytonos: átvágásos Boinot-Mellé eljárás (élesztő recirkuláció) Folytonos: egyhígításos egyhígításos/ recirkulációs félüzemi szintrögzített sejtes szimultán cukrosítás/ fermentáció vákuum fermentáció membrán kapcsolt fermentáció (cellulóz alap)

113 Szakaszos erjesztés Színtenyésztés cél: a fokozatos léptéknövelés (steril melasz) 0,5 l → 0,5 m 3 (kis színtenyészet) → 5,0m 3 (nagy színtenyészet) fermentorok (csöves levegőztetővel) paraméterek: Blg° steril melasz pH=4,0-4, °C, erjesztési idő: 8-15 h Üzemi erjesztés ( m 3 zárt erjesztők) ágyazóvíz (tápanyag, 0,5-0,7 Blg° melasz, pH≈4,0) előerjesztés:10 Blg° melasz → 4-5 Blg° 6-8 óra, 6-10 g/l élesztő, 2-3% alkohol főerjesztés:hígítatlan melasz 8-18 h levegőztetés, h anaerob utóerjesztés:nincs tápanyag adagolás 5-6 h, 8-10% alkohol, red. cukor 0,2g/l

114 Félfolytonos eljárások Boinot eljárás: élesztő kinyerés/ tisztítás/ visszavezetés élesztő szeparálás / mosás 4x-es vízzel hígított élesztőtej savazása (pH=2-3), 2-3 h aerob kondicionálás – visszavezetés Cefrézés:30-35 Blg° cukor, nincs levegőztetés és takarmányélesztő rövid erjesztési idő, jó hozamkonstansok „Átvágásos eljárások” nincs állandó színtenyészet vezetés főerjedési periódusban szétosztják a cefrét új erjesztőkádakba és tömény melaszt adagolnak (általában 5-6-szor ismételhető)

115 Félfolytonos alkohol el ő állítás (Boinot-Melle eljárás) Üzemi színtenyészet I. Üzemi színtenyészet II. Előerjesztés Üzemi erjesztés laboratóriumi oltó tápanyagok Szénsavas mosó Szeparálás Élesztőtej szesztelenítés Takarmányélesztő szárítás Lepárló üzem leerjedt cefre élesztőtej szénsavas pára szeszes mosóvíz vérce finomszesz szárított takarmányélesztő 2-3 óra savazás (pH = ~ 2,0) Közvetlenül erjeszthető szubsztrát

116 Folytonos eljárás elve Probléma: élesztő degenerálódás sterilitás kis cefre alkohol konc. (4-6%) M szeparátor utóerjesztő főerjesztő szeparált élesztő steril melasz tartály Karsch eljárás élesztő recirkuláció

117 Folytonos erjesztési technológiák Alkoholtűrő S. cerevisiae mutáns/ növelt életképesség Időtartam csökkenés Nagyobb beruházási költség gazdaságosság Korlátok: „paraméter függőség” nagyobb befertőződési veszély optimálási kompromisszum Ipari eljárások Max. alkohol hozam egy hígításos rátáplálás10-15 g/lh élesztő recirkulációs35-40 g/lh Félüzemi méret rögzített sejtes g/lh vákuum fermentáció membrán kapcsolt (cellulóz) szimultán cukrosítás/erjesztés Szakaszos2-5 g/lh

118 Éleszt ő sejt rögzítés lehet ő ségei (alkohol fermentáció) adszorpció porózus felületen ionos kötés poliszacharid származékon polimer hordozóba zárás membrán rétegen megkötés / visszatartás komplex eljárások: –flokkulálás és adszorpció –telepképzés (kolonizáció) porózus adszorbensen –fotokatalitikus polimerizáció / + gélbezárás –adszorpció + keresztkötés –Granulálás-ionos kötés--fémkelát – (DEAE-cellulóz-polisztirol-TiO 2 ) - Spezyme® -

119 Alkoholfermentáció rögzített sejtekkel Alkoholtűrő S. cerevisiae mutáns törzsek Szubsztrát probléma: melasz előnyei Ipari alkalmazás problémái : rögzítési technológia folytonos fermentáció Elvárás : magas konverzió (minimum 8% alk. tart) hosszú felezési idő (élettartam) megnövelt életképesség CO 2 eltávolítás megoldása kontamináció gátlása üzemelési stabilitás Lehetséges reaktor típusok jellemző paraméterei töltött ágy fluid ágy hasáb reaktor Töltött á.Fluid á.Hasáb IME töltet arány (%)< CO 2 eltávolításrosszjó Melasziszap eltávolítás nemigen

120 Japán félüzemi technológia (Hofu) hasáb reaktor tároló ásványi só sterilező melasz ásványi só víz hasáb reaktorok deszt. ● reaktor térfogat: 10m 3 ● élesztő: 40 g/l ● alkohol konc.: 10-11% ● kitermelés: 90% ● hozam: 2,4 m 3 /nap ● üzemelési idő: 11 hónap

121 Rögzített élesztősejtekkel végzett folytonos és hagyományos alkoholfermentáció jellemző paramétereinek összehasonlítása Paraméterek Szakaszos fermentáció Rögzített élesztősejt (FK-PÉG) hasáb ferm. (Ca-alginát) torony ferm. Reaktorméret (m 3 ) Sejt koncentráció (g/l) Végső alk. konc. (g/l) Kitermelés cukorra (%) Fermentációs idő (h) Üzemelés (hónap) Fajlagos hatékonyság (kg alk./m 3 h) Sterilezés/baktericid ,3-1,5 + 0,5-1, , ,0-8,

122 Erjesztési technológiák összehasonlító értékelése SzakaszosFolyamatos előnyök hátrányok kis beruházási költségek. nem kell teljes sterilezés egyszerű üzemeltetés flexibilitás kis hatásfokú produktivitás hosszú fermentációs. idő nagy munkaerő igény tartós „exponen.” szakasz jó fermentor kap. haszn. gazdaságos beruházás magas hozam jó műszerezettség nagyfokú sterilitás kell kisebb üzembiztonság „belső mutáció” limitált alkohol konc. inhibíció nagy energia igény külső infekció veszélye

123 A szeszgyártás m ű veleti lépései 1.Nyersanyag feltárása 2.Cefrézés 3.Erjesztés (ipari eljárások) 4.Leerjedt cefre feldolgozása Desztilláció nyersszesz kinyerése finomszesz desztillálása 5.Vízmentes alkohol előállítása

124 Leerjedt cefre összetétele Makrokomponensek (7-11% v/v) alkohol Erjedésipari melléktermékek, intermedierek, bomlástermékek Kémiai összetétel savak: ecetsav és homológjai, vajsav aldehidek: acetaldehid, furfurol ketonok: aceton alkoholok: amil-, propil-, butil-, izoamil- stb.. Alkohol észterek: etilacetát, etilformiát,... bázisos vegyületek: amin származékok, etilamin szervetlen vegyületek: ammónia; sók; CO 2, stb... Forráspont alapján: -33°C+ 200°C ammóniaizovaleriánasavas-amilészter

125 Tökéletesen oldódó anyagok elegye ideális elegy ( γ= 1) maximum forrpontú elegy( γ <1) minimum forrpontú elegy( γ >1) Szesz – víz elegy egyensúly görbe minimum forrpontú azeotrop elegy (95,57tf%alk; 78,2 ºC)

126 Folyadék-g ő z egyensúlyi görbe különböző alkoholtartalomnál (Gröning-Sorel)

127 Lepárló üst Párlat tartály Hűtő (kondenzátor) pára gőz Egyszer ű (szakaszos) lepárlás folyadék gőzelegypárlat hőközlés hőelvonás

128 gőz pára Lepárló üst Párlat tartály hűtő (kondenzátor) deflegmátor (visszafolyóhűtő) Rektifikálás Deflegmátor: a kevésbé illékony komponens kondenzál (részleges kondenzálás) reflux

129 Deflegmátor részleges kondenzálás illékonyabb komponens dúsul kevésbé illékony komponens kondenzál hűtés/reflux Reflux (visszafolyás) (R) oszlop működésénél és termék minőségénél fontos Anyagmérleg: D = G – F R = ---- F D reflux arány G = távozó párlat Desztillátum D = kondenzált párlat (hűtő) F = kondenzált folyadék R = 0 ~ 30 R = ---- = = 4 F 160 D 40 Desztillátum 4-szeresen folyik vissza az oszlopba limitenergiaszükséglet / optimalizálás

130 Desztilláló rendszerek szerkezeti elemei Elvárások tányérok vízszintes helyzete kémény felső éle magasabban, mint a folyadék felsőszint harang alsó éle alacsonyabban, mint a túlfolyócső felső éle túlfolyócső alsó éle mélyebben, mint az elvezető cső felső éle bevezető és elvezető csövek távol legyenek egymástól harang kémény fenék tárcsa túlfolyó cső buboréksapkás szitafenék } típusok szelepes tányér hatásfok! anyag és hőátadás keveredés harangfenék típusok

131 Szeszfinomítás elméleti alapjai Egyensúlyi állandó K a = SaSa sasa párlat alk. tart. (súly %) folyadék alk. tart. (súly %) Sorel állandó K n = SnSn snsn szennyező komponensek illékonysága Barbet állandó (tisztulási hányados) K’ = KnKn KaKa K’ > 1előpárlat K’ < 1utópárlat K’  1nem választható el desztillálással

132 metilalkohol i-butil alk. amil alk.

133 Két oszlopos desztilláló rendszer Kond. cefre víz hűtő előpárlat finomszesz kozmaolaj Dekanter vizes-alkoholos fázis alszesz víz mosóvíz gőz hőcserélő Lepárló oszlop tányér alvíz cirkulálás moslék Rektifikáló oszlop szitatányér Előny: koncentrált moslék, egyszerű üzemeltetés Hátrány: csak ipari szesz; több tányér a rektifikáló oszlopban

134 Alkohol finomító cefre oszlop előpárlati oszlop kifőző oszlop finomító oszlop Utótisztító oszlop (végfinomító) cefre szeszmoslék előpárlat cefre víz utópárlat (kozmaolaj) előpárlat termék 96 (v/v)% 70°C70°C tf% Guilleaume rendszer paraméterei 0,5 t gőz/ 100 l absz. alk. 3 m3 hűtővíz/ 100 l absz. alk. kitermelés: ~ 95%

135 Spidro W (energiatakarékos) finomító rendszer moslék Paraméterek gőz: 0,35 t / 100 liter absz. alk. hűtővíz: 2m 3 / 100 liter absz. alk. kihozatal: 98% p<1bar

136 A szeszgyártás m ű veleti lépései 1.Nyersanyag feltárása 2.Cefrézés 3.Erjesztés (ipari eljárások) 4.Leerjedt cefre feldolgozása Desztilláció nyersszesz kinyerése finomszesz desztillálása 5.Vízmentes alkohol előállítása

137 Abszolút alkohol el ő állítás Vízelvonás módszerei kémiai – vízmegkötés:vegyület (Ca(OH) 2 ) kristályvíz (NaAc·2H 2 O) fizikai – vákuum desztilláció - azeotrop desztilláció benzol (Guinot, Young, Melle) benzol-benzin (ACR) triklóretilén (Gernam Darwinol) ciklohexán (Paturau) dietilészter (Wentworth) - molekula sziták(zeolit) Kísérleti fejlesztések membrán szeparáció extraktív desztilláció (etilénglikol, glicerin) szuperkritikus oldószer extrakció

138 Azeotrop desztillálás Azeotrop elegy összetétele alkohol:víz = 95,6%:4,4% Relatív illékonyság = 1 gőzfázis = folyadékfázis Cél: víz aktivitás együttható növelése gőzben több víz folyadékban több EtOH Megoldás: harmadik komponens (pl. benzol): terner elegy K’ > 1 γ1γ1 γ2γ2 P1P1 P2P2 ― = ― Elegypárok összetétele és forrpontok Benzol / EtOH / vízTriklóretilén / EtOH / víz Be – EtOH – H 2 O 74%-18,5%-7,5% 64,9°CTKE - MeOH60,2°C Be – EtOH 68%-32% 68,2°CTKE – EtOH – víz67,2°C EtOH – H 2 O 95,6%-4,4% 78,2°CEtOH - TKE71,0°C Benzol80°CEtOH – H 2 O78,2°C Víz100°CTKE87,2°C Víz100°C

139 Desztilláló oszlop Betáp 96 (v/v)% Termék (<500 ppm) Víz Vákuum ejektor Túlhevítő Kondenzátor Molekulaszita 1. (vízmentesítés) Molekulaszita 2. (regenerálás) 20% 80% nyomáslengetétes adszorpciós eljárás

140 Energiaszükséglet - gazdaságosság Tradicionális szakaszos eljárás megaJ/ liter absz. alkohol 7-8 megaJ/ liter absz. alkohol (30%) feltárás megaJ/ liter absz. alkohol (70%) desztillálás Folyamatos eljárás 6-9 megaJ/ liter absz. alkohol 1-2 megaJ/ liter absz. alkohol (15-20%) feltárás 5-7 megaJ/ liter absz. alkohol (85-80%) desztillálás Folyamatos technológiák ~ 2/3-os energia megtakarítás

141 Az energia megtakarítás főbb elemei feltárás:cefre hőm. növelés (→60°C) cefre konc. növelés (20-40% sza.) biokonverzió:hőinjektor termostabilis α-amiláz együtt cukrosítás/ erjesztés hőcserélők, hulladék energia hasznosítás erjesztés:hőmérséklet csökkentése folyamatos/ félfolyamatos erjesztési technológia desztillálás:folyamatos azeotrop desztilláló rendszer töltelékes hidroszelektív előpárlati oszlop vákuum alkalmazása (cefre és töményítő oszlopnál) indirekt fűtés

142 Alternativ alkohol „biofuel” előállítás

143 Alkohol előállítás problémái évente termelődő biomassza 200 milliárd tonna (ebből ~7% táplálék) Korszerű mezőgazdasági termelés 1 milliárd ha termőföld nem kell élelmiszertermelésre, kiváltható „BIOFUEL” célra a nyersolaj 30-40%-a Környezetvédelem ~ 30%-kal csökken a CO 2 emisszió Motorhajtó üzemanyagként: alkohol % alkohol a benzinhez (+4 oktán) - tiszta vízmentes alkohol (nem kell OTA - ólomtetraacetát adalék) hátrány: kisebb égéshő - ETBE (etil-tercier-butilészter): ólommentes benzinadalék TerményTerméshozam (t/ha)Alkohol (hl/ha) cukornád5436 cukorrépa35 édes cirok4635 kukorica5,722 gabona2,17-8 gumós16-18~17 Erjeszthető szénhidráttartalmú növények!

144 „Biofuel” helyzet az EU-ban „Biofuel” EU program(olajár!) 21 ország biológiai alapú motor hajtóanyag ellátás biodízel – 4,4 millió t bioetanol – 1,4 millió t (8 ország )→ bővülés: 2,4mt Bővülési direktívák2% → 5,75% (2010) → 50%-os igény növekedés bioetanol 2010-ben 22 millió tonna Magyarország 2010-ben 127 ezer t biodízel 115 ezer t bioetanol Kitörés → gabona, búza, kukorica – 10x termelés növelés repce, cukorcirok (6 ezer liter/ha) 2-3 millió tonna kukorica szükséglet

145 Bioetanol helyzet hazánkban EU terv: 2010-re 5,75%-ra és 2020-ra 10%-ra növelni a bioüzemanyag részesedést Magyarországi terv: 800 ezer t új bioetanol kapacitás /2,5mt kukorica feldolgozás/ A gyártókapacitás beruházási költsége:kb.200 milliárd Ft A beruházás támogatása: Új Magyarország fejlesztési terv /ÚMFT/ Tervezett termelő kapacitások: Nagyüzemi méret (80et<), támogatási forrás: ÚMFT Környezet és Energia Közepes méret (maximum 30et) Operatív Program Kis üzemi méret (>10et) támogatási forrás: ÚMVF program Tervezett kormányzati támogatás (2 év): KEOP 10milliárd Ft, ÚMVF 5milliárd Ft Hazai bioetanol üzemek: 2 müködő ( Szabadegyháza és Győr) 4 engedélyezett ( Gönyű, Marcali, Vásárosnamény és Visonta ) 10 engedélyezés alatt ( Adony, Almásfüzitő, Bicske, Csabacsűd, Kaba, Fadd-Dombori,Szentes, Tiszapalkonya,Tiszaújváros,Vácszentlászló, Összesen 38 bejelentett bioetanol projekt A megvalósítás kulcsa a nyersanyag ár! (2007-ben a kukorica ár 200€<)

146 „Biofuel” el ő állítás f ő problémái Nyersanyag Keményítőtartalmú nyersanyag források: kukorica; gabona; rizs; cassava/batáta Fermentálható szénhidrát források: melasz; cukornád, bagasz; édes cikória (sorghum) Cellulóztartalmú nyersanyagok Melléktermékek: savó, papír,kommunális hulladék Napraforgó/repce(canola):biodízel Egyéb lehetőségek:alkánok,metanol,biohidrogén,CO 2 szintetikus benzin, őrlés sav/lúg feltárás extrúzió biokatalízis élesztő enzimek hűtés cefre szep. alk. konc. rektifikálás absz. alk. szeparálás bepárlás szárítás ElőkezelésFermentáció KoncentrálásMelléktermék fermentálható cukorkis alkohol tart. leerjedt cefre alkohol melléktermék

147 Cellulóz Cellulózok előfordulása, képződése Növényvilág: társult poliszacharidok,keményítő, pektin, hemicellulóz, lignin Cellulóz szerkezete: lineáris glükóz polimer kapcsolódás: β-1,4 glükozidos kötés Felépülése: elemi szálak, hidrogénkötés Kristályos cellulóz Lebontás enzimesen: csak mikroorganizmusok termelte cellulolitikus enzimkomplexek Előfordulás: penészgombák actinomycetesek baktériumok Amorf cellulóz Lignin Hemicellulóz (xilán, galaktán, glükánok, mannán)

148 Cellulóztartalmú anyagok összetétele Cellulóz (%) Xilán (%) Lignin (%) Glukoman- nán (%) Egyéb (%) Puhafa Keményfa Mezőgazdasági hulladék Kommunális hulladék < < Cellulóz enzimes hidrolízise cellulóz cellodextrin cellobiózglükóz EG CBH EG=cellobiohidroláz CBH=endo-  -glükanáz  -G=  -glükozidáz  -G EG+CBH (szinergens hatás)

149 A cellulóz enzimes lebontásának mechanizmusa Natív cellulóz amorfkristályos endo-  -glükanáz ES kötődés exo-  -glükanáz cellobiohidroláz  -glükozidáz T. reesei / A. niger szinergens hatás további hidrolízis glükóz végtermék glükóz cellobióz oligomerek G-G-G…G-G-G-G G-GG-G-G-G Szabad redukáló láncvégek képzése

150 Cellulóz tartalmú nyersanyagok etilalkohol termelésre NyersanyagokCellulóz (%)Lignin (%)Hemicelllulóz (%) Fa apríték Papíripari pulpok „szulfitos” „fehérített” < Mezőgazdasági melléktermékek kukorica szalma bagasz Kommunális hulladék 30-35< Tőzeg

151 Cellulóz alapú alkohol előállítás Potenciális nyersanyag forrás: a jövő megújuló biomassza 40%-a évente: 100 milliárd tonna (70 kg/nap/fő) jelenlegi hasznosítás ~5% Problémák: nyersanyag forrás előkezelés cellulóz konverzió glükózzá(termék gátlás) szennyvíz kezelés Nyersanyag: cellulóz45-75% falignin10-30% hemicellulóz10-40% Feltárás: kémiai (sav/lúg) fizikai (besugárzás, hő robbantás, őrlés) Komponensek elválasztása: - xilán, lignin elválasztás/oldás - cellulóz oldás / extrakció Cadoxen eljárás: oldószer: lúg, etilén-diamin,katalizátor: kadmium-oxid oldott cellulóz kicsapásavízzel (flokkuláció) H-kötések hasítása, amorf részek hidratálása Hidrolízis: savas (72%-os H 2 SO 4 ) celluláz komplexek

152 A cellulóz biokonverzió alternatív lehet ő ségei Cellulóz Enzimes hidrolízis Savas hidrolízis Glükóz Takarmány Fermentáció SCP fehérjeEtilalkohol teljes részleges anaerob aerob Mikroorganizmusok anaerobetanol szerves savak aceton-butanol

153 Alternatív eljárások – Natick eljárás (USA) tároló előkezelt cellulóz őrlő finom őrlő tároló Reaktor Celluláz hidrolízis enzim nyers szirup glükóz szűrő szilárd hulladék celluláz fermentor (T. viride) Szubsztrát levegő tápanyag enzim kinyerés enzim tároló - Exocelluláris enzim termelés (hulladék cellulózon) - Celluláz elválasztás / fermentlé - Enzim reaktor: cellulóz biokonverzió - Termék: glükóz / cellobióz / xilóz oldhatatlan melléktermék: reagálatlan cellulóz lignin, adsz. enzim - Enzim visszanyerés recirkuláció Szubsztrát: hulladék vagy előkezelt cellulóz Technológia elve: enzimtermelés biokonverzió enzim visszanyerés

154 Gasohol program Kezdete: 1920 (Ford T modell – kevert üzemanyag) ~ 1940németek alkohol üzemű (100%) ~ 1970 olajválság (USA program) - szövetségi fogyasztási adócsökkenés - helyi adócsökkentés - állami kutatás (cellulóz alap) Brazília világbanki program keményítő, cukoralapú vízm. Alkohol ~ 400 üzem / 100 millió tonna alkohol (év) Millió tonna Motorhajtó benzin szükséglet tervezett kormány program realitás tény 162 mt (42%) 92 mt (24%) 5-6 mt 1,3 4,8

155 Közlekedés összes energia fogyasztásának előrejelzése Üzemanyag célú alkohol termelés (1997): 25 milliárd liter: Brazília 16 milliárd liter USA 5 milliárd liter Alkohol elállítás költségei (%) Jelenlegi ár helyzet alapanyag: USA (1998) benzin: 15 cent / liter energia: 10-15bioalkohol: cent/ liter munkabér: 2-5 amortizáció: év év Üzem anyag fogyasztás (%) gépjármű összes robbanómotor üzemanyag fogyasztás csökkenése fosszilis üzemanyag részesedés alternatív üzemanyag részesedés


Letölteni ppt "Élelmiszertechnológia alapjai II. levelező képzés oktatási segédanyag élelmiszermérnök (BSc) levelező hallgatók részére Sör-és szeszipari Tanszék 2008."

Hasonló előadás


Google Hirdetések