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

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

Élelmiszeripar szerkezete Iparág részarány (%) Húsipar 17,3 Tejipar 11,1 Takarmánygyártás 10,2 Baromfi feldolgozás 10,0 Gyümölcs zöldség feldolgozás 8,2 Malomipari termékek gyártása 6,8 Cukor- és keményítő hidrolízis ipar 6,2 Sütőipar és tésztagyártás 5,8 Üdítőitalok gyártása 4,9 Söripar 3,8 Dohánytermékek gyártása 3.2 Növényolaj ipar 3,0 Szesz- és szeszesital gyártás 2,6 Bortermelés 2,1 Egyéb élelmiszerek gyártása 4,8

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

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

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

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

Ajánlott irodalom Sólyom,L és Kudron, J.: Keményítő és keményítőipari termékek Mezőgazdasági Kiadó, Budapest, 1985 2.fejezet: A keményítő szerkezete.. 4.fejezet: Keményítőipari enzimkészítmények 6.fejezet: A keményítőgyártás technológiája

A keményítőgyártás szerkezete 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→ Jellemzők: nyersanyag módosított származékok növekedése enzimes technológiák elterjedése

Átlagos nyersanyag összetétel Burgonya Búza Kukorica Víz 75 15 Keményítő 15-20 62-65 70-75 Fehérje 2-3 10-12 8-10 Lipid > 1 Rost > 0,5 2-4 Hamu ~ 1 1-3 Termékek ( fő / iker) keményítő - sikér csíraolaj glutén Mellék- termékek törköly kukoricalekvár gyümölcsvíz rost olajpogácsa Feldolgozás problémái: keményítő anomális tulajdonságai, szemcseméret, kristályszerkezet, összetétel

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

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

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)

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

Jódkötő képesség I5--komplex Jódkötő képesség: 6-8 glükóz / 1 Jód atom, rezonáns polijódlánc, hidrofób kötés kék 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 I5--komplex

Kukorica / gabona nedves őrlésének műveletei Nyersanyag tárolása Nyersanyag előkészítése aprítás áztatás dagasztás Feltárás 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 Nyers keményítő elválasztása csíra rost fehérje Keményítőtej tisztítása Keményítőtej sűrítése Keményítőtej víztelenítése Szárítás

A keményítőgyártás közös műveletei és gépei 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 centrifuga

Ívszita szűrlet szüredék Teljesítmény: 200 m3 /h Előnye: nincs forgó rész Hosszú élettartam Automatizálható Kis energia/tér igény Kis veszteség szűrlet szüredék Teljesítmény: 200 m3 /h

A kukorica szem felépítése Lisztes endosperm Héj Csíra Szarus endosperm Magcsúcs

Kénessavas áztatás A kukorica áztatás célja: • víz felvétel • keményítő és fehérje hidratálás • vázfehérje lazítás • SO2 adszorpció (cisztin -S-S- kötések hasítása) • vízoldható anyagok kioldása • tejsav baktériumok elszaporítása (puffer hatás –pH=3,9-4,1-) sejtfal poliszacharidok puhítása) H2SO3  H+ + HSO3_  H+ + SO3_ R1 - S–S – R2 → R1 – S – SO3_ + R2 - S_ Paraméterek :48-52 C, 30-50h, 0,2-0,4g SO2 / kg kukorica folytonos ellenáramú diffúzió Lactobacillus bulgaricus (termofil), pH szabályozás

Ellenáramú kukorica áztató rendszer automatikus szabályozás/mérés: folyadék szint, tartózkodási idő, áramlási sebesség, SO2 koncentráció, ürítés, pH, hőmérséklet

Cukorüzemi táptartály Keményítő üzem Szemét, por Kukorica SO2 Tört szem Őrlés Takarmányüzem Tisztítás Áztatósav Áztatólé Áztatás Durva őrlés Csíra Csíra leválasztás Csíra víztelenítés Csíra szárító Finom őrlés Mosóvíz Rost Takarmányüzem Rost elválasztás Rost víztelenítés Sűrítés Őrölt tört szem Keményítő – Fehérje szeparáció Glutén Glutén szárító Glutén víztelenítés 35% 65% Mosóvíz Szeszüzemi táptartály Multiciklonok Cukorüzemi táptartály Szeszüzemi alapanyag Víztelenítő centrifuga Finomított keményítőtej Pneumatikus szárító Natív keményítő

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

A keményítőhidrolízis enzimei Amilázok Izomerázok Transzferázok Glükózizomeráz Ciklodextrin-transzferáz Endoamilázok Exoamilázok a-amiláz Pullulanáz b-amiláz Glükoamiláz R-enzim (amiloglükozidáz) Izoamiláz

A keményítőbontó enzimek csoportosítása és hatás mechanizmusa glükoamiláz a-amiláz pullulanáz b-amiláz Nem redukáló láncvég Redukáló láncvég

A keményítőbontó enzimek jellemzése I. ALFA-AMILÁZ: Ca-kofaktor Molekulatömeg: 40-60 ezer Da pH tartomány: 4,0 – 8,0 hőmérséklet tartomány: 40 – 95°C Mechanizmus: endo, csak az a- D (1,4 ) kötéseket hasítja Termék: G1 G8 oligoszacharid és a-határdextrin Előfordulás: növény, állat, mikroorganizmus baktériumok: B. subtilis Mezofil, termofil : B. licheniformis B. stearothermophilus Penészgombák: Aspergillus niger, Aspergillus oryzae Készítmények: Tenase Optispirit Ceremix Termamyl

Alfa-amilázok Előfordulás (növényi, állati, mikrobiális) Élettani, technológiai jelentőség Általános jellemzők metalloenzimek növényi állati baktérium penészgomba pH tartomány 4,5-7,0 5,5-8,0 5,0-8,5 3,5-6,0 Hőmérséklet tartomány 60-70 40-50 65-95 50-65 Molekula tömeg (kDa) 20-40 40-110 50-76 Kofaktor /? aktivátor Ca2+ Zn2+ Ba2+

A kalcium szerepe Ca hatás / stabilizálás MA% 100 50 MA% 100 50 3 ppm Ca2+ 1,5 0,3 60 30 2 4 6 h 2 4 6 h B. licheniformis B. amyloliquefaciens

A keményítőbontó enzimek jellemzése II. PULLULANÁZ: Molekulatömeg: 50 - 150 ezer Da pH tartomány: 4,5 – 7,5 hőmérséklet tartomány: 40 – 55°C Mechanizmus: endo, csak az a-1,6 kötéseket hasítja Termék: amilóz lineáris maltodextrin Előfordulás: mikroorganizmus - Aerobacter aerogenes Egyéb a-D (1 6) kötéseket bontó enzimek: R-ENZIM Növényi eredet a-határdextrinek a-1,6-os kötéseit is bontja IZOAMILÁZ Élesztő, penészgomba eredet A pullulánt [a-D(1 6) kötéseket tartalmazó maltotrióz polimer] nem tudja bontani

A keményítőbontó enzimek jellemzése III. GLÜKOAMILÁZ: Molekulatömeg: 40 - 150 ezer Da Amiloglükozidáz pH tartomány: 3,5 – 5,5 (glükoprotein) hőmérséklet tartomány: 40 – 60°C Mechanizmus: exo, minden glükozidos kötést bont Termék: b-D-glükóz Előfordulás: elsősorban mikroorganizmus, állati szövet penészgombák: Aspergillus niger Készítmények: Optidex SAN Dextrináz BÉTA-AMILÁZ Molekulatömeg: 100 - 200 ezer Da pH tartomány: 4 – 8 hőmérséklet tartomány: 40 – 60°C Mechanizmus: exo, csak az α-D (1, 4 ) kötéseket hasítja Termék: b-D-maltóz és b-határdextrin Előfordulás: növény (árpa maláta) baktérium: B. polymyxa

Enzimes keményítő hidrolízis ipari lehetőségei Folytonos technológia: Bakteriális α-amiláz, pH=6-6,5 ; 100-120°C Ca++, pH=6,0-6,5 ;70-95 °C feltárás folyósítás Keményítőszörp (DE = 30-80) Maltodextrin DE = 5-20) Cukrosítás Szakaszos: pH=4-5 60°C, A.niger GA A.oryzae AA Cukrosítás szakaszos Cukrosítás szakaszos: pH=5,5, 50 °C, AA+β-amiláz B. αA + P. αA Maltóz szirup Maltóz Glükózszörp Izomerizáció folytonos pH=7,5-8,5; 60-65°C glükózizomeráz Izocukor (HFCS) Elválasztás (G+Fr) Fruktóz szirup Fruktóz

Keményítő hidrolízis/lebontás lehetőségei: 1.Savas hidrolízis H+ reverzió Keményítő Glükóz Genciobióz -3H2O Intramolekuláris vízvesztés HO – CH – CH – OH H HO – H2 C H C C H C O OH OH H+ CH CH HO – H2 C C C HO HMF POLIMERIZÁCIÓ CH3 C CH2 CH2 + HCOOH Polimerek O COOH γ - keto – karbonsav hangyasav

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

2. Savas/enzimes hidrolízis lépés: Savas lebontás DE ~18-20 (sósav, salétromsav, kénsav) 2. lépés: pH állítás 4,5 (szóda, kalcium-karbonát) 3. lépés: glükoamilázos cukrosítás 60°C, 70 óra DE, dextróz ekvivalens: 0 100 között, kifejezi a hidrolízis %-os mértékét (glükózban) Natív keményítő = 0; glükóz = 100

3. Enzimes hidrolízis Enzimes katalízis: lépés: alfa-amilázos folyósítás pH=6,0; T=60-90°C 2. lépés: pH állítás 4,5 lépés: glükoamilázos cukrosítás pH=4,5-5,0; T=55-65°C CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH O O O O H+ H2O C1 + C4 C1 C1 C4 C1 O OH OH O Reszintézis: Gn + G Gn+1 1,6 és 1,3 kötésű oligoszachridok: izomaltóz izomaltotrióz Transzglükozidáz hatás:

A keményítő biokonverzió fő szakaszai Enzimes Műveleti lépések Termékek folyamat Keményítő szuszpenzió csirízesedés 1. folyósítás Maltodextrinek dextrinizálás oligoszacharidok Maltóz szirup Kevert szirupok Glükóz szirupok Fr / Gl szirup (izocukor) Nagy fruktóz tartalmú szirupok Kristályos fruktóz 2. cukrosítás izomerizáció 3. Glükóz + oligoszacharid fruktóz dúsítás

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, 140-150°C hőinjektor / a-amiláz pH=6,0-6,5 ; 110-140°C - B. subtilis 85-87°C - termostabil 95-100°C 2. Folyósítás szakaszos: - 0,2 – 0,4 liter B. subtilis a-amiláz 25-40% sz.a., pH=6,8-7,0 Ca2+ 200-400ppm, 85-90°C, 20 perc - nyomás alatti hőkezelés (140°C, 5 perc) - hűtés 85°C - 0,8 – 1,8 liter/ tonna a-amiláz, reakció idő függ a kívánt DE értéktől - enzim aktiválás (100°C, 10-15 min) folytonos: egy- és két ,ill. három részletben adagolt alfa-amiláz

Gőz injektor (Jet cooker)

A keményítő folyósítása /enzim adagolás 3 részletben/ folyósító tartály expanziós tartály keverő tartály gőz injektor AA Keményítő zagy CaCl2 ←AA 105-140°C dextrinizáló tartály AA 85°C 100°C hőcserélő 60°C Folyósított keményítő Műveletek / technológiai paraméterek: Paraméterek: Keményítő sz.a. 35-42% pH=6,0-6,5 Termostabil alfa amiláz Ca 2+ (50-100ppm) hőfeltárás folyósítás dextrinizálás Hőmérséklet (°C) Reakció idő Enzim (l/t) DE érték 135-142 0,2-0,5 min 0,2 (20%) 1-3 100 20-30 min 0,5 (50%) 10-15 85 120-150 min 0,3 (30%) 18-25

Cukrosítás Glükóz előállítás A. niger glükoamiláz (GA) Különböző édesítőszer: A. niger GA / A. oryzae aA, izocukor(GI) A.oryzae alfa-amiláz (aA): maltotrióz, maltóz termék Általános reakció feltételek: szakaszos technológia kevertetett reaktor pH=3,8-4,5 T=55-60°C reakció idő: 48-72 h Probléma: transzglükozidáció izomaltóz reszintézis izomaltotrióz kristályos glükóz gyártásnál 20-30%-os veszteség hidrol!

A keményítő enzimes cukrosítása Glükóz oldat (DE=96-98) glükoamiláz vákuum dobszűrő Keményítő szirup (DE=15-20) csíraolaj 60°C glükóz Steril szűrő gyertya szilárd ülepítő Cukrosító tartály Kation- és anion cserélők Paraméterek: Folyósított keményítő: sz.a. 40-42% DE=15-20 pH=4,2-4,5 Enzim: Aspergillus niger glükoamiláz Reakció idő: 45-55 óra Termék: 94-96% glükóz tartalom Szennyezők: színanyagok, fémek (Ca 2+), HMF szerves savak, nitrogénvegyületek mikroorganizmusok

A keményítő hidrolízis eljárásainak összehasonlítása Paraméterek Savas Savas/ enzimes Enzimes Bontásfok 75 - 85 92 - 95 97 - 98 Glükóz tart. (%) 80 - 85 90 - 91 Reverzió (%) 10 - 12 5 - 8 ~ 1 HMF (%) 0,2 – 0,5 > 0,2 - Relatív szín 10 - 20 0,2 – 2,0

Maltóz szirupok Technológia: hasonló a keményítőszörp előállításához eltérés: speciális enzimek, pullulanáz, b-amiláz, A. oryzae a-amiláz Felhasználás / tulajdonságok alacsony higroszkóposság kristályosodás gátlás (édesipar, gyümölcskonzervek, stb) könnyű lebontás / tápszer / söripar édesítőszer (hidrogénezés maltitol) Főbb termékek DE G (%) Maltóz (%) Oligoszach. (%) Maltóz szirup 40-50 7-10 10-15 Nagy DE értékű M.Sz. 60-70 35-40 30-40 5-15 Extra Maltóz szirup 60 1-2 85-90 Kristályos maltóz 95 felett

Keményítő hidrolízis termékek Bontásfok (DE) Felhasználás Maltodextrin 3-20 állományjavító fermentációs iparok ragasztó Keményítő- szörpök 15-30 állományjavító, töltőanyag 30-50 édesítőszer, konzerv 50-75 italtechnológia, édesipar cukor 60-80 édesipar cukrászat Glükóz 96-98 kristályos glükóz Dextróz szörp hidrol / Corvital Glükóz intermedier izocukor (HFCS) C-vitamin alkohol / élesztőgyártás

Komplex kukorica feldolgozás izocukor előállítás

Komplex kukorica feldolgozás Cél: értéknövelő feldolgozás termékszerkezet agrárágazat problémái (olajválság, biotechnológia, árak, túltermelés) Kukorica feldolgozás lehetőségei Szárazőrlés Nedves őrlés Három frakció: 10% csíra Öt frakció: keményítő 35% liszt fehérje 55% dara takarmány olaj kukoricalekvár Korlátozott számú termék Nagy termék variáció Előnyök 20%-kal kisebb beruházás Összes komponens külön kinyerhető Nem függ a nyersanyag minőségtől flexibilis technológia Kisebb fajlagos energiaszükséglet tovább feldolgozás Nincs szennyvíz széles termékválaszték Hátrányok 35% nem kerül feldolgozásra szennyvíz probléma Nincs értékes termék beruházás nagy Csak elektromos energia nyersanyag minőség Nem flexibilis

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

Glükóz izomerizáció Jelentősége: szacharóz helyettesítése /invertáz:G-F→G+F/ kukorica keményítő glükóz G+F F (dúsítás) új típusú édesítőszer Glükóz izomerizáció lehetséges útjai: - lúgos - enzimes: glükózizomeráz – rögzített enzim (pH: 7-8, T=50-60°C) Co2+ kofaktor Glükóz fruktóz 2,3-endiol pszikóz (pH 8-10, 60-80°C) Aldóz ---ketóz átrendeződés enolízáció izomerizáció

Glükózizomeráz Elsődlegesen xilózizomeráz Fermentáció: (inducer:xilóz ! Drága) helyettesítés, búzakorpa, xilán új törzsek, konstitutív mutáns katabolit represszió szabályozás körülmények: 25-30 óra, 30 °C, Co2+, Mg2+ fermentlé feldolgozás – sejtfeltárás – intracelluláris enzim, rögzítés Enzim tulajdonságok: 4 alegység, Molekulatömeg: 150-170 ezer Da Co2+, kofaktor Ca2+, inhibítor (Mg2+ védőhatás) pH optimum: 7,5-8,5; hőm.optimum: 60-65 °C Fejlesztés: 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

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

Izocukor előállítása kukorica keményítőből AA GA GI Keményítő maltodextrin glükóz izocukor (HFCS) Glükóz izomerálás adalékok glükóz exp. hűtő Izocukor (70-72% sz.a) gőz sterilező automatikus szabályozó bepárló enzim reaktor steril szűrő ioncserélő Paraméterek: Szubsztrát: 42-45% glükóz Hőmérséklet: 60 °C pH: 7,8 Adalék: MgSO4 / NaHSO3 Rögzített glükóz izomeráz Str. albus, B. coagulans Aktív centrum Co2+ /védő Mg2+ Inhibítor: Ca2+ Termék: izocukor: 42% fruktóz 52% glükóz 6% oligoszacharid

Optimális izomerizációs paraméterek Szubsztrát: koncentráció 38-45% (sz.a.) mikrobiológiailag steril Ca-ion mentes 96-98 DE értékű glükóz pH: 7,8-8,2 Hőmérséklet: 58-65°C Enzim: rögzített glükózizomeráz (kovalens rögzítés, szferikus szerkezet) Adalék: MgSO4 (150-220 ppm, ~20xCa2+) NaHSO4 Tartózkodási idő: 0,8 - 4,0 óra (min - max) Konverzió: 42-45% fruktóz Bioreaktor: töltött ágy, soros kapcsolás üzemi élettartam: max. 3 t½ (~ 10% maradék aktivitás) ~ 3000 óra

Növelt fruktóz tartalom elérési lehetőségei IZOMERIZÁLÁS SZEPARÁLÁS FRUKTÓZ SZIRUP GLÜKÓZ F 42 F 55 VHFS (70-95%) KRISTÁLYOS FRUKTÓZ dúsítás bepárlás keverés kristályosítás 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

Az izocukor alapú édesítőszerek Fruktóz % Glükóz % Egyéb szénhidrát % Relatív édesítés F42 42-44 50-54 4-6 0,9 F55 55-60 40-35 3-5 1-1,1 F90 (VHFS) 92-95 5-7 < 1 1,5 Kristályos fruktóz F100 99-100 0-1 - 1,7 Szacharóz 1,0

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. 1985 → 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)

Édesítőszerek / gyógyélelmiszerek Glikémiás index (Jenkins kutatásai) Vércukor emelő szénhidrátok csoportosítása „gyors” szénhidrátok Gix > 90 „közepes” szénhidrátok Gix 70 – 90 „lassú” szénhidrátok Gix < 70 Gix értékek Poliszacharidok: ~ 80 -100 Kenyér 100 -110 Rizs 80 Tészták 60 -70 Glükóz 138 Fruktóz 28! Szacharóz 86 A fruktóz természetes édesítőszer lehet cukorbetegek részére

Rögzített enzimek és rögzített sejtek

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? 20 40 60 80 100 költség% anyagköltség (szubsztrát) enzim munka- erő energia munkaerő hordozó anyag- költség oldott enzimes rögzített enzimes katalízis

Rögzített enzimes technológiák sikeres ipari bevezetésének alapvető 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

Enzim vagy sejt rögzítés 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

Rögzített enzimek/sejtek élelmiszeripari alkalmazása (félüzemi és üzemi méret) ENZIM / SEJT REAKTOR TÍPUS Fruktóz szirup glükózizomeráz Töltött ágyas reaktor Laktóz hidrolízis (tej) laktáz Cső, membrán, fluid ágyas Laktóz hidrolízis (savó) Töltött ágyas és membrán Keményítő cukrosítás glükoamiláz Raffinóz hidrolízis a-galaktozidáz Szacharóz hidrolízis invertáz Izomaltulóz mikrobasejt Glükonsav gyártás glükózoxidáz Kevertetett és töltött ágyas UHT tej kezelés szulfhidriloxidáz fluid ágyas reaktor Zsírsav átészterezés lipáz Töltött és fluid ágyas reaktor Gyümölcslé derítés pektinészteráz Fluid ágyas reaktor Instant tea tannáz Fehérje hidrolízis tripszin (sör, gyümölcslé, bor stb.) papain Etanol gyártás élesztősejt Sör gyártás

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

Különböző rögzítési technikák összehasonlítása JELLEMZŐK ADSZORPCIÓ KOVALENS GÉLBEZÁRÁS 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 korlátozott

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

Szeszipar

Ajánlott irodalom Gyimesi,L és Sólyom,L: Élesztő és Szeszipari Kézikönyv Mezőgazdasági Kiadó, Budapest,1979 1.fejezet: Élesztő- és szeszgyártás mikrobiológiája 4.fejezet: Szeszgyártás Békési,Z. és Pándi,F.:Pálinkafőzés Mezőgazda Kiadó, Budapest, 2005 2.fejezet.: A gyümölcspálinkák alapanyagai 4.fejezet.: Lepárlás és pálinkafőzés

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

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

Szeszipari technológia történelem (folyt.) Időszámítás utáni korszak 300-500: 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

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 termék CO2 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)

Erjedési folyamatok végtermékei PIRUVÁT Tejsav acetaldehid + CO2 Etanol oxálecetsav almasav borostyánkősav Propionsav acetil-KoA H 2 +CO hangyasav a -acetotejsav acetoin CO Ecetsav acetoacetil-KoA aceton butiril-KoA Izopropanol Vajsav Butanol 2,3-butándiol Élesztők Clostridium fajok Propionsav baktériumok Coli aerogenes csoport Tejsavbaktériumok

Alkoholos erjedés főbb lépései (EMP ciklus) GAP DHA Hexóz foszforilezése ATP ADP hexokináz 2 mól triózfoszfát Triózfoszfát dehidrogénezése foszfoglicerinsav NAD+ NADH2 Foszfoenol piroszölösav képződése -H2O Piroszölösav Acetaldehid CO2 dekarboxiláz alkoholdehidrogenáz Etilalkohol kináz piruvátkináz egyensúly!

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 6CO2 + 6H2O Hexóz lebontás anaerob 2CH3-CH2-OH + 2CO2 A légzés energia mérlege Glükóz 6H2O + 6CO2 + 673,4 kcal 100 kg 48 kg élesztő szárazanyag Az erjesztés energiamérlege /hatásfok=26%/ Glükóz + 2Pi + 2ADP C2H5OH + 2CO2 + 2ATP + 14,6kcal 100 kg 51 kg 49 kg

Az anaerob és az aerob anyagcsere utak glükóz 2 etanol NAD glikolízis NADH2 6 O2 6 H2O 2 ATP 2NADH2 2NAD 34 ATP 2 acetaldehid 2 piruvát terminális oxidáció 2 CO2 2 NADH2 2 ATP 6NADH2 6NAD 2FADH2 2FAD 2 CO2 2NAD 2 Ac-CoA citromsav kör 2 GTP 4 CO2

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)

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

Másodlagos erjedési melléktermékek képződési lehetőségei piroszőlősavból tejsav Ac - CoA vajsav ecetsav etanol borostyánkősav fumársav almasav oxálecetsav aceton acetecetsav diacetil 2,3-butándiol acetion propionsav acetaldehid NAD NADH2 NAD NADH2 CO2 CoA-SH CO2 H2O CoA-SH H2O CoA-SH 2NADH2 2NAD CoA-SH hangyasav 2H2O NADH2 NAD

Az erjesztés során képződő termékek Alkoholok Savak Észterek Egyebek Glicerin Etanol n-Propanol Butanolok Amilalkoholok Feniletanol Ecetsav Tejsav Piroszőlősav Borostyánkősav Kaprilsav Almasav Vajsav Etilacetát bármilyen észter a keletkezett savakból és alkoholokból CO2 Acetaldehid Diacetil H2S Pentándiol Butándiol Acetálok

Erjedési mellékreakciók I. 1) Glicerin képződés glicerintermelés fokozása 2% → 30% NADH2 NAD+ 2) Szerves savak képződése

Élesztőtörzsek erjedésipari alkalmazásának elvárásai Sör Bor/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%

Speciális elvárások az élesztőtörzsek ipari alkalmazásánál Sör Bor/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

Ipari erjesztési technológiák fő jellemzői Sör Bor/párlat Ipari szesz Fizikai tényezők hőmérséklet (°C) 15-25 2-15 25-35 pH kezdeti végső 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 idő főerjesztés (h) utóerjesztés 50-150 30-40 több hónap 1-2 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 pótanyagok melasz kukorica (keményítő) cellulóz

Élesztők 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 Takarmányélesztő Candida utilis, Kluyveromyces sp., Torulopsis sp. Szín és ízanyagok termelése Rekombináns fehérjék előállítása

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

Ajánlott irodalom Gyimesi,L és Sólyom,L: Élesztő és Szeszipari Kézikönyv Mezőgazdasági Kiadó, Budapest,1979 1.fejezet: Élesztő- és szeszgyártás mikrobiológiája 4.fejezet: Szeszgyártás Békési,Z. és Pándi,F.:Pálinkafőzés Mezőgazda Kiadó, Budapest, 2005 2.fejezet.: A gyümölcspálinkák alapanyagai 4.fejezet.: Lepárlás és pálinkafőzés

Erjedésipari ágazat Jellemzői Tulajdonviszonyok Foglalkoztatottság 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 1990-2000 között jelentős (25-40%) csökkenés jelenlegi helyzet

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

Szeszipar ágazati felosztása Alapanyagok Termékek 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

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

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

XIX. század második felében alakult ki a szerkezet Hazai ipartörténet XIX. század második felében alakult ki a szerkezet Szeszgyártás 1870-es évek → mezőgazdasági szeszgyártás (kisüzem) → ipari szeszgyárak (3000 szeszfőzde) évente: 200 millió hlf termelés 1914 termelés: 124 millió hlf 830 mezőgazdasági 30 ipari szeszgyár 1920-1950 csökken a termelés nyersanyag bővülés (1921: 20 millió hlf) 1948 államosítás, centralizáció új ágazati struktúra burgonya, gabona, „bor” cukorrépa kukorica bor ?

Hazai ipartörténet (folyt.) 1989 6 szeszgyár, termelés 60 millió hlf új eljárások, takarmányélesztő, ecetgyártás víztelenítési technológiák rekonstrukció 1998 3 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

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)

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

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

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 ) árpa: 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) 150-160 liter absz. alkohol / tonna

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: a -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 12-24 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

Nyersanyagra vonatkoztatott alkohol hozamok tonna 1 m3 etanolhoz melasz 3,1-3,2 kukorica/ gabona 2,8-3,2 fahulladék 3,0-4,0 cassava 7-8 burgonya 8-11 cukorrépa 10-12 tejsavó 35-38 szulfitszennylúg 70-100

Ipari mezőgazdasági nyersanyagok (terméshozam-alkohol kinyerés) Terméshozam (t/ha) Alkohol (hl/ha) Alkohol (t/ha) cukornád 54 36 2,88 cukorrépa 35 2,80 édes cirok 46 kukorica 5,7 22 1,76 búza 2,1 7-8 0,60 burgonya/ batáta 16-18 ~17 1,40

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

A szeszgyártás műveleti lépései Nyersanyag feltárása Cefrézés Erjesztés Leerjedt cefre feldolgozása szeparálás Desztilláció nyersszesz kinyerése finomszesz desztillálása vízmentes alkohol előállítása

Kisüzemi, szakaszos (Henze gőzölő) kukorica felmelegítés (perc) 30-60 tart. idő 120-180 túlnyomás (Atm.) 3,5-4,0 vízadag (m3/t) 1,5-2,0 burgonya felmelegítés (perc) 25-30 tart. idő 20-30 túlnyomás (Atm.) 2,5-3,0 vízadag (m3/t) 0,2- 0,5

„Német” eljárás Feltárás: nyomás alatti gőzölés / őrlés nélkül egész szem, gumó + víz gőz hűtővíz α-amiláz glükoamiláz élesztő keverő 30-35°C 60-100 h moslék etanol Henze gőzölő Cefréző Erjesztő Desztilláló Feltárás: nyomás alatti gőzölés / őrlés nélkül burgonya: 20-30 perc; 2,5 atm; 0,5 m3 víz/tonna kukorica: 150-180 perc; 4,0 atm; 2,0 m3 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

Folytonos feltárás Feltárás jellemzői: termostabilis α-amiláz 2 részletben adagolás jet cooker: 150°C; 0,5-1,0 perc folyósítás: 80-90°C; 30-60 perc csőreaktor együttes cukrosítás, erjesztés: 60°C → 30-35°C Expanziós ciklon gőz glükoamiláz élesztő őrölt szem víz α-amiláz víz α-amiláz etanol 30-35°C 60-100 h 80-90°C gőz gőz Jet cooker (hőinjektor) moslék Csőreaktor Cefréző Erjesztő Desztilláló 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.)

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 120 100 80 60 40 20 (C°) 1 3 5 7 9 11 13 (h) GA AA pH állítás maláta hűtés feltárás lehűtés

A szeszgyártás műveleti lépései Nyersanyag feltárása Cefrézés Erjesztés Leerjedt cefre feldolgozása szeparálás Desztilláció nyersszesz kinyerése finomszesz desztillálása vízmentes alkohol előállítása

Erjesztés Cél: rövid erjesztés Optimális feltételek: 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

A szeszes erjesztés feltételei Élesztő: Saccharomyces cerevisiae elvárások: jó erjesztőképesség (próbaerjesztés: 15% szacharóz; 500 cm3 / 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

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 m3/m2/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%.

Elvárások ipari szeszgyártásnál gyors erjesztés jó adaptivitás tolerancia nagy kezdeti cukorkoncentráció iránt (max. 25-30%) 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)

A fermentáció időbeni lefutása élesztőtömeg alkohol szénhidrát Elő Fő utó erjesztés Alkohol % (v/v) Erjesztési idő (h) 5 10 30 50 70

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

Szakaszos erjesztés Színtenyésztés cél: a fokozatos léptéknövelés (steril melasz) 0,5 l → 0,5 m3 (kis színtenyészet)→ 5,0m3 (nagy színtenyészet) fermentorok (csöves levegőztetővel) paraméterek: 10-13 Blg° steril melasz pH=4,0-4,2 29-30°C, erjesztési idő: 8-15 h Üzemi erjesztés (50-300 m3 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, 10-15 h anaerob utóerjesztés: nincs tápanyag adagolás 5-6 h, 8-10% alkohol, red. cukor 0,2g/l

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)

Félfolytonos alkohol előállítás (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

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

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 rátáplálás 10-15 g/lh élesztő recirkulációs 35-40 g/lh Félüzemi méret rögzített sejtes 90-100 g/lh vákuum fermentáció membrán kapcsolt (cellulóz) szimultán cukrosítás/erjesztés Szakaszos 2-5 g/lh

Élesztősejt rögzítés lehetőségei (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-TiO2) - Spezyme® -

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 CO2 eltávolítás megoldása kontamináció gátlása üzemelési stabilitás hasáb reaktor Lehetséges reaktor típusok jellemző paraméterei fluid ágy töltött ágy Töltött á. Fluid á. Hasáb IME töltet arány (%) < 50 30-40 10-70 CO2 eltávolítás rossz jó Melasziszap eltávolítás nem igen

Japán félüzemi technológia (Hofu) hasáb reaktor tároló ásványi só sterilező melasz víz hasáb reaktorok deszt. ● reaktor térfogat: 10m3 ● élesztő: 40 g/l ● alkohol konc.: 10-11% ● kitermelés: 90% ● hozam: 2,4 m3/nap ● üzemelési idő: 11 hónap

Rögzített élesztősejtekkel végzett folytonos és hagyományos alkoholfermentáció jellemző paramétereinek összehasonlítása Paraméterek Szakaszos fermentáció Rögzített élesztősejt (FK-PÉG) hasáb ferm. (Ca-alginát) torony ferm. Reaktorméret (m3) Sejt koncentráció (g/l) Végső alk. konc. (g/l) Kitermelés cukorra (%) Fermentációs idő (h) Üzemelés (hónap) Fajlagos hatékonyság (kg alk./m3 h) Sterilezés/baktericid 50 3-5 10-11 84-86 70-75 - 1,3-1,5 + 0,5-1,0 35-40 8,5 90-95 5-6 11 + + 4-20 8,0-8,5 4-5 1-6 13-15

Erjesztési technológiák összehasonlító értékelése Szakaszos Folyamatos 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

A szeszgyártás műveleti lépései Nyersanyag feltárása Cefrézés Erjesztés (ipari eljárások) Leerjedt cefre feldolgozása Desztilláció nyersszesz kinyerése finomszesz desztillálása Vízmentes alkohol előállítása

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; CO2, stb... Forráspont alapján: -33°C + 200°C ammónia izovaleriánasavas-amilészter

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)

Folyadék-gőz egyensúlyi görbe különböző alkoholtartalomnál (Gröning-Sorel)

Egyszerű (szakaszos) lepárlás Lepárló üst Párlat tartály Hűtő (kondenzátor) pára gőz folyadék gőzelegy párlat hőközlés hőelvonás

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

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 limit energiaszükséglet / optimalizálás

Desztilláló rendszerek szerkezeti elemei harang buboréksapkás szitafenék } típusok szelepes tányér kémény fenék tárcsa hatásfok! anyag és hőátadás keveredés túlfolyó cső 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 harangfenék típusok

Szeszfinomítás elméleti alapjai Ka = Sa sa párlat alk. tart. (súly %) Egyensúlyi állandó folyadék alk. tart. (súly %) Kn = Sn sn Sorel állandó szennyező komponensek illékonysága K’ = Kn Ka Barbet állandó (tisztulási hányados) K’ > 1 előpárlat K’ < 1 utópárlat K’  1 nem választható el desztillálással

amil alk. i-butil alk. metilalkohol

Két oszlopos desztilláló rendszer Kond. cefre víz hűtő előpárlat finomszesz kozmaolaj Dekanter vizes-alkoholos fázis alszesz víz mosóvíz gőz hőcserélő Lepárló oszlop 10-15 tányér alvíz cirkulálás moslék Rektifikáló oszlop 10-15 szitatányér Előny: koncentrált moslék, egyszerű üzemeltetés Hátrány: csak ipari szesz; több tányér a rektifikáló oszlopban

Alkohol finomító előpárlat Utótisztító oszlop (végfinomító) víz cefre oszlop előpárlati oszlop kifőző oszlop finomító oszlop Utótisztító oszlop (végfinomító) cefre szeszmoslék előpárlat víz utópárlat (kozmaolaj) termék 96 (v/v)% 70°C 15-20 tf% Guilleaume rendszer paraméterei 0,5 t gőz/ 100 l absz. alk. 3 m3 hűtővíz/ 100 l absz. alk. kitermelés: ~ 95%

Spidro W (energiatakarékos) finomító rendszer moslék Paraméterek gőz: 0,35 t / 100 liter absz. alk. hűtővíz: 2m3 / 100 liter absz. alk. kihozatal: 98% p<1bar

A szeszgyártás műveleti lépései Nyersanyag feltárása Cefrézés Erjesztés (ipari eljárások) Leerjedt cefre feldolgozása Desztilláció nyersszesz kinyerése finomszesz desztillálása Vízmentes alkohol előállítása

Abszolút alkohol előállítás Vízelvonás módszerei kémiai – vízmegkötés: vegyület (Ca(OH)2) kristályvíz (NaAc·2H2O) 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

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 γ1 γ2 P1 P2 ― = ― K’ > 1 Elegypárok összetétele és forrpontok Benzol / EtOH / víz Triklóretilén / EtOH / víz Be – EtOH – H2O 74%-18,5%-7,5% 64,9°C TKE - MeOH 60,2°C Be – EtOH 68%-32% 68,2°C TKE – EtOH – víz 67,2°C EtOH – H2O 95,6%-4,4% 78,2°C EtOH - TKE 71,0°C Benzol 80°C Víz 100°C TKE 87,2°C

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

Energiaszükséglet - gazdaságosság Tradicionális szakaszos eljárás 17-24 megaJ/ liter absz. alkohol 7-8 megaJ/ liter absz. alkohol (30%) feltárás 10-15 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

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

Alternativ alkohol „biofuel” előállítás

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 CO2 emisszió Motorhajtó üzemanyagként: alkohol - 10-20% alkohol a benzinhez (+4 oktán) - tiszta vízmentes alkohol (nem kell OTA - ólomtetraacetát adalék) hátrány: kisebb égéshő - ETBE (etil-tercier-butilészter): ólommentes benzinadalék Erjeszthető szénhidráttartalmú növények! Termény Terméshozam (t/ha) Alkohol (hl/ha) cukornád 54 36 cukorrépa 35 édes cirok 46 kukorica 5,7 22 gabona 2,1 7-8 gumós 16-18 ~17

„Biofuel” helyzet az EU-ban 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 direktívák 2% → 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

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€<)

„Biofuel” előállítás fő 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,CO2 szintetikus benzin, őrlés sav/lúg feltárás extrúzió biokatalízis élesztő enzimek hűtés cefre szep. alk. konc. rektifikálás absz. alk. szeparálás bepárlás szárítás Előkezelés Fermentáció Koncentrálás Melléktermék fermentálható cukor kis alkohol tart. leerjedt cefre alkohol melléktermék

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)

Cellulóztartalmú anyagok összetétele Xilán (%) Lignin Glukoman-nán (%) Egyéb Puhafa Keményfa Mezőgazdasági hulladék Kommunális hulladék 45 40 30 10 15 25 20 <5 5 50 Cellulóz enzimes hidrolízise EG=cellobiohidroláz CBH=endo-b-glükanáz b-G=b-glükozidáz EG cellodextrin CBH cellulóz EG+CBH (szinergens hatás) b-G CBH cellobióz glükóz

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

Cellulóz tartalmú nyersanyagok etilalkohol termelésre Lignin (%) Hemicelllulóz (%) Fa apríték 40-50 20-25 20-30 Papíripari pulpok „szulfitos” „fehérített” 0 55-60 80-85 0 15-20 < 1 0 25-30 10-15 Mezőgazdasági melléktermékek kukorica szalma bagasz 0 0 40-45 25-30 30-35 0 0 15-20 15-20 20-25 0 0 35-40 25-30 30-35 Kommunális hulladék 30-35 < 5 Tőzeg 15-20 10-15

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: cellulóz 45-75% fa lignin 10-30% hemicellulóz 10-40% 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 kicsapása vízzel (flokkuláció) H-kötések hasítása, amorf részek hidratálása Hidrolízis: savas (72%-os H2SO4) celluláz komplexek

A cellulóz biokonverzió alternatív lehetőségei Enzimes hidrolízis Savas hidrolízis Glükóz Takarmány Fermentáció SCP fehérje Etilalkohol teljes részleges anaerob aerob Mikroorganizmusok anaerob etanol szerves savak aceton-butanol

Alternatív eljárások – Natick eljárás (USA) Szubsztrát levegő tápanyag előkezelt cellulóz enzim kinyerés tároló enzim tároló celluláz fermentor (T. viride) Reaktor Celluláz hidrolízis őrlő enzim szilárd hulladék finom őrlő nyers szirup tároló szűrő glükóz - 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

Gasohol program Kezdete: 1920 (Ford T modell – kevert üzemanyag) ~ 1940 németek 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 Millió tonna 400 Motorhajtó benzin szükséglet 300 tervezett kormány program realitás tény 200 162 mt (42%) 92 mt (24%) 5-6 mt 4,8 100 1,3 1980 1985 1990 2000 (év)

Közlekedés összes energia fogyasztásának előrejelzése Üzem anyag fogyasztás (%) 100 gépjármű üzemanyag fogyasztás csökkenése összes robbanómotor 50 fosszilis üzemanyag részesedés alternatív üzemanyag részesedés 10 -15 év 20 - 30 év Üzemanyag célú alkohol termelés (1997): 25 milliárd liter: Brazília 16 milliárd liter USA 5 milliárd liter Alkohol elállítás költségei (%) Jelenlegi ár helyzet alapanyag: 60-80 USA (1998) benzin: 15 cent / liter energia: 10-15 bioalkohol: 30-32 cent/ liter munkabér: 2-5 amortizáció: 8-10