MENDELOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Transkript

1 MENDELOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BRNO 2007 LENKA DOBEŠOVÁ

2 Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav technologie potravin Název bakalářské práce Studium možností ovlivnění výtěžnosti bioethanolu u obilných rmutů Vedoucí práce: Dr. Ing. Luděk Hřivna Vypracoval: Lenka Dobešová Brno

3 3

4 4

5 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Studium možností ovlivnění výtěžnosti bioethanolu u obilných rmutů vypracovala samostatně a použila jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana AF MZLU v Brně. Dne Podpis bakaláře. 5

6 Za odborné vedení, rady a připomínky při vzniku této bakalářské práce především děkuji vedoucímu bakalářské práce Dr. Ing. Luďkovi Hřivnovi. Dále děkuji Ing. Gregorovi, Ing. Kučerové a laborantkám Ústavu technologie potravin za ochotu a pomoc při získávání a zpracování výsledků. 6

7 ABSTRAKT Tato bakalářská práce se zabývá problematikou možnosti ovlivnění výtěžnosti bioethanolu. Bioethanol se vyrábí z různých druhů surovin, které se rozdělují na 3 velké skupiny: cukernaté, škrobnaté a lignocelulózové. Tato práce se zabývá především výrobou bioethanolu z obilovin, konkrétně z pšenice ozimé a jejich odrůd. Na vybraném spektru odrůd byly provedeny kvasné zkoušky. Rmut byl připraven za pomocí vybraných enzymů (Termamyl SC, San Extra L), které převedly škrob na zkvasitelný cukr. Pro zkvašení zápary byly použity kvasinky rodu Saccharomyces cerevisiae. Byly vybrány nejvhodnější odrůdy pšenice ozimé pro výrobu bioethanolu. ABSTRACT This bachelor work is focusing on possible problems of the bioethanol extraction. The Bioethanol is manufactured of the different kind raw materials, which are divided into three large groups: the surgary, the amylaceous and the lignocellulose. This work is concerned first in the production of bioethanol from cereals, in the concrete from the perennial wheat and its varieties. On the chosen spectrum of the varieties were effected the zymotic trials. Mash was prepared with the help of choice enzymes (Termamyl SC, San Extra L) which made over starch to fermentable sugar. There were used for fermentation mashes of leaven stock Saccharomyces cerevisiae. For this work were chosen optimal varieties of the perennial wheat for bioethanol production. Klíčová slova: výtěžnost bioethanolu obilniny kvasná zkouška enzym rmut Keywords: bioethanol extraction cereals zymotic trials enzyme mash 7

8 OBSAH: 1.0 CÍL PRÁCE ÚVOD LITERÁRNÍ PŘEHLED Morfologické a chemické složení zrna pšenice Morfologická stavba pšeničného zrna Chemické složení Technologie výroby lihu Historie Suroviny k výrobě ethanolu Zpracování surovin na výrobu ethanolu Příprava zápary Fermentace Destilace a úprava lihu Bioethanol energetický zdroj Destilace ethanolu z prokvašené zápary Rektifikace a rafinace ethanolu Vedlejší produkty při výrobě ethanolu a jeho zpracování MATERIÁL A METODIKA Charakteristika odrůd pšenice ozimé vybraných do pokusu Použité mikroorganismy Specifikace použitých enzymů Metodika Příprava zápary Zjištění obsahu ethanolu Vyhodnocení výsledků VÝSLEDKY A DISKUZE ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY

9 1.0 CÍL PRÁCE a) Popsat procesy výroby bioethanolu se zaměřením na dosažení maximální výtěžnosti b) Vyhodnotit vliv různých odrůd pšenice na výtěžnosti bioethanolu c) Posouzení nejlepší odrůdy pšenice pro výrobu bioethanolu z pšeničného rmutu 9

10 2.0 ÚVOD Nejstaršími člověkem kulturně vypěstovanými rostlinami jsou obilniny. Obilovina je vymlácené zrno těchto trav. Archeologickými nálezy v Egyptě, v Babylonii i ve staré Číně byla jejich znalost prokázána již v pravěku. Jsou to v podstatě zušlechtěné trávy, jejichž zralá semena obilky jsou využívána pro svůj obsah živin, hlavě škrobu a bílkovin jak k výživě člověka a hospodářských zvířat, tak i k různým průmyslovým účelům. Pěstují se ve všech světadílech a podle stupně pěstování, mechanizace, výtěžnosti a zpracování lze hodnotit v tomto směru úroveň té které země. Nejznámější obilnářské oblasti jsou v evropské části Ruska, v Kazachstánu, v západní Sibiři, v severní Americe, v USA, v Kanadě, a v jižní Americe a v Argentině. V těchto oblastech jsou největší produkce obilovin a odtud se vyvážejí do států, které nejsou v pěstování obilovin soběstačné například menší obilnářské oblasti jsou v Indii, Austrálii a v západní Evropě (Kunteová,1996). Z hlediska výživy obyvatelstva jsou obiloviny jedním z nejdůležitějších zemědělských výpěstků. Průmyslové využití obilovin je právě výroba bioethanolu. Bioethanol se vyrábí technologií alkoholického kvašení z biomasy - obvykle z rostlin obsahujících větší množství škrobu a sacharidů. Vedle rostlin obsahujících škrob, jako jsou kukuřice, obilí a brambory, jsou nejčastěji používanou surovinou cukrová třtina a cukrová řepa. Rostliny obsahující cukr se přímo fermentují. Ale u rostlin s obsahem škrobu je postup složitější. Škrob se musí nejprve enzymaticky přeměnit na cukr pomocí vhodného spektra enzymů. Výroba kvasného alkoholu a jeho využití k pohonu motorových vozidel není žádnou novinkou. Pokusy nahradit benzin ethanolem sahají v Evropě již do období let první světové války. V Československu se alkohol přidával do benzínu již ve dvacátých letech minulého století (systém Dravinol). V poválečném období ovládla energetický trh paliv zcela jednoznačné ropa. Teprve při drastickém nárůstu její ceny, který se datuje od počátku 70. let, se národohospodáři a technologové znovu obracejí k využití ethanolu jako paliva. Byly vypracovány národní programy využití přebytků farmářské produkce na výrobu ethanolu v USA, v Brazílii. Ve vyspělých zemích se od r ve velkém přidával ethanol do benzinu ke zvýšení odolnosti proti klepání motoru, zvýšení oktanového čísla a snižování emisí CO 2. Například v Německu tržní podíl ethanolu dosáhl l0 % a až do posledních válečných let byl prodáván benzín s 10 % obsahem ethanolu 10

11 pod zn. Monopolin. V Československu byl zákonem z r míchán ethanol s benzínem v poměru 20:80 pod názvem Dinol. Nízké ceny ropy v poválečných letech zabránily opětovnému oživení přimíchávání ethanolu. Použití rostlinného oleje jako pohonné látky se dnes může jevit jako nevýznamné. Avšak takové produkty se mohou během času stát stejné důležitými, jako dnes petrolej a další ropná paliva, napsal v r geniální vynálezce Rudolf Diesel ve svém patentním spise. Použití rostlinných olejů, bioalkoholu a jejich derivátů jako paliva není tedy vynálezem naší doby. V předválečném Československu byly hlavními surovinami pro výrobu ethanolu brambory a melasa. V současnosti se většina lihu v ČR vyrábí z melasy (asi 90%). Při užití ethanolu pro pohonné směsi stoupl význam speciálně pěstovaných plodin, zejména obilovin a cukrovky (Pastorek, Kára, Jevič, 2002). Tato bakalářská práce se zabývá problematikou získávání bioethanolu z obilovin. 11

12 3.0 LITERÁRNÍ PŘEHLED 3.1 Morfologické a chemické složení zrna pšenice Morfologická stavba pšeničného zrna Obilné zrno se skládá ze 3 hlavních částí, tj. z obalů, klíčků a z moučného jádra endospermu (obr. 1) Obaly - obilného zrna obsahují vlákninv a minerální látky, které chrání zrno před vysycháním. Před mletím se musí odstranit, protože jsou pro lidský organismus nestravitelné. Chrání jádro a klíček, obsahuje celulózu a nerostné látky. Obaly tvoří:- oplodí skládá se z pokožky (zdřevnatělé buňky), z vnějšího oplodí (podélné buňky), z vrstvy příčných buněk, z vnitřního oplodí (hadicové buňky) - osemení skládá se z barevné buňky a sklovité buňky Klíček tj. zárodek budoucí rostliny, je tvořen krátkým kořínkem, který je obalený čepičkou a krčkem obaleným pochvou s vegetačním vrcholem a se založenými listy. Celý klíček se nachází na štítku, kterým je oddělen vrstvou palisádových buněk od moučného jádra. Klíček obsahuje větší množství tuků, bílkovin, lecitinů, enzymů, vitamínů, růstových hormonů a minerálních látek. Klíček nemá dobrý vliv na skladování mouky, na pekařské a pečivárenské vlastnosti mouky. Proto před mletím se odstraňuje. Moučné jádro endosperm je tvořen buňkami, které jsou vyplněny škrobem a vrstvou buněk na obvodu (aleuronovými buňkami), vyplněnými bílkovinami (lepkem). Moučné jádro obsahuje škrobová zrna a bílkoviny lepek. Na množství a kvalitě těchto látek, hlavně lepku, závisí jakost mouky a její vhodnost pro použití k pekárenským a pečivárenským účelům (Bláha, Šrek, 1999). Obr. 1 Podélný řez pšeničným zrnem I. zárodek, II. obaly, III. endosperm a - oplodí, b - osemení, c - aleuronové buňky, d - endosperm, f - štítek, g - pochva, h - zárodek listu, i - krček, j - zárodek kořínků, k - čepička kořínku, m - vousky (chloupky) 12

13 3.1.2 Chemické složení Chemické složení kolísá podle oblastí, odrůdy, hnojení, doby setí, agrotechnik, klimatických podmínek a celé řady dalších činitelů. Důležitou složkou obilného zrna je voda, protože všechny biochemické a fyziologické procesy, probíhající během růstu, dozrávání a skladování probíhají za její účasti. Základními stavebními složkami jsou sacharidy, bílkoviny, lipidy, minerální látky, vitamíny, barviva a složky které, mají růstové, regulační a genetické funkce (Pelikán, 1999). Sacharidy Volné monosacharidy jsou ve zralých obilných zrnech v nepatrném množství. Jedná se o pentosy (arabinosa, xylosa) a hexosy (glukosa, fruktosa) tab. 1. Oligosacharidy se v obilném zrnu vyskytují v nízkých koncentracích. Příkladem je sacharosa a maltosa. Polysacharidy jsou s bílkovinami z technologického hlediska nejvýznamnější skupinou. Mají zásobní i stavební funkci. Zásobní polysacharid škrob je nejdůležitější složkou obilného zrna, je obsažen v endospermu. Škrob se v obilovinách a rostlinách vyskytuje ve formě škrobových zrn nebo škrobových granulí a jejich velikost je u jednotlivých obilovin odlišná (tab. 2). Skládají se ze dvou frakcí amylosy a amylopektinu. Obě frakce jsou 13

14 tvořeny jednotkami glukosy. Poměr amylosy a amylopektinu v obilninách je 25% : 75% (Kučerová, 2004). Tab. 1 Obsah hlavních polysacharidů v pšenici (Velíšek, 1999) Polymer Obsah v % Škrob Neškrobové polysacharidy 3 11 Celulosa 0,2 3 Hemicelulosa 2 7 Arabinoxylany 1 3 Beta- glukany 0,5 2 Xyloglukany 0,2 0,4 Pektiny 0,3 0,5 fruktany 1 4 Tab. 2 Charakteristika škrobových zrn (Velíšek 1999) Zdroj Malá zrna v µm Velká zrna v µm Střed. hodnota v µm Pšenice Ječmen Rýže Brambory Amylosa je lineárním řetězcem, obsahujícím jednotky D-glukosy, navzájem vázané glykosidickou vazbou α(1,4), přičemž tento řetězec má strukturu šroubovice, do jejíhož nitra lze vázat až 20 % jodu. Obsah amylosy u jednotlivých druhů obilovin je odlišná (tab 3). Amylopektin obsahuje také D-glukosu vázanou glykosidickou vazbou α(1,4), na rozdíl od amylosy však připadá na každých 20 až 25 glukosových jednotek jedno rozvětvení, kdy se nový řetězec váže způsobem α-(1,6). Amylosa s vodou vytváří koloidní roztok, který na rozdíl od roztoku amylopektinu nepřechází do gelového stavu. Amylopektin se ve studené vodě nerozpouští, jen silně bobtná. Při vyšší teplotě se koloidně rozpouští. Když se takto připravený roztok ochladí, přemění se na gel (Velíšek, 1999). Hampl (1970) uvádí, že se granule škrobu liší v závislosti na rostlinném zdroji svojí ultrastrukturou, ale mají společný obecný model, jehož základem jsou radiálně uspořádané 14

15 molekuly amylopektinu ve tvaru disku, v nichž jsou neredukující konce situovány ven z granulí a tvoří jejich povrch. V oblastech větvení řetězců má amylopektin a doprovázející jej amylosa neuspořádanou amorfní strukturu. Krystalové a amorfní oblasti se pravidelně střídají. Podle stupně krystalinity granulí se rozeznávají 4 polymorfní formy škrobu označované jako A, B, C a V. Nejstabilnější forma A se vyskytuje u cereálních škrobů s výjimkou vysoce amylosových. Méně stabilní forma B se vyskytuje u kořenové zeleniny, brambor a u vysoce amylosových škrobů obilovin (obsah amylosy je nad 40 %). Forma C je přítomna u luštěnin. U želatinovaných škrobů s amorfní strukturou vzniká při retrogradaci nejprve méně stálá forma B, z ní vzniká forma C a ta přechází na nejstabilnější formu A. Forma typu V se vyskytuje v želatinových škrobech obsahující lipidy, kde dochází k interakci amylosy a mastnými kyselinami (Velíšek, 1999). Škrobová zrna mají vlastnost želatinace, která má význam při hydrolýze škrobu. Teploty želatinace jsou znázorněny v tabulce 4. Zrna přijímají z atmosféry při běžné vlhkosti vzduchu asi 0,2 g vody (asi 13 % pšeničný a % bramborový škrob), aniž se mění objem zrn. Škrobová zrna jsou ve studené vodě nerozpustná a tvoří suspenzi. Při záhřevu suspenze nepoškozených škrobových zrn množství absorbované vody dále roste, aniž se poruší jejich integrita, dochází pouze k imbibici. Až do určité teploty, při které nastává bobtnání zrn, se jedná o reversibilní proces. Tato teplota se nazývá jako počáteční želatinační teplota (obvykle C). Želatinační teplota závisí na druhu škrobu a vzájemném poměru škrobu a vody, ph prostředí a přítomnosti dalších složek jako například jsou soli, cukry, lipidy, bílkoviny. Běžně počáteční želatinační teplota leží mezi C (Senn, Pieper 1989). Wiseman (1986) ve své příručce uvádí, že v procesu želatinace jsou změny škrobových zrn nevratné. Tepelným pohybem molekul se přerušují stávající vazby. Hydratované řetězce se vzájemně oddalují, čímž mizí krystalické zóny a celá struktura se stává neorganizovanou, amorfní. Jako důsledek hydratace a uvolnění amylosy z granulí roste viskozita a při dostatečné koncentraci škrobu vzniká viskózní škrobový maz, který obsahuje škrobová zrna mnohonásobně zvětšená. Pokračuje-li záhřev, viskozita klesá s další ztrátou integrity granulí. Ochlazením škrobového mazu viskozita opět roste, neboť se obnovují vodíkové vazby mezi makromolekulami amylosy a amylopektinu. 15

16 Tab. 3 Obsah škrobu a jeho složení ve významných zdrojích (Velíšek, 1999) Potravina Škrob v % Amylosa v % Pšenice Žito Ječmen Oves Kukuřice Brambory Tab. 4 Teploty želatinace (mazovatění) vybraných škrobů (Velíšek, 1999) Zdroj škrobu T ž C - počáteční T ž C - střední T ž C - konečná Pšenice Kukuřice Rýže Brambory Mezi neškrobové polysacharidy patří celulosa, hemicelulosa, lignin, pentosany. Celulosa je nerozpustná ve vodě a za normálních teplot ani výrazně nebobtná. Je součástí obalů a buněčných stěn. Pšenice jí obsahuje 1,6 %, ječmen 4 % a oves přes 10 %. Hemicelulosa je rozpustná ve zředěných alkáliích. Je zastoupena hlavně v buněčných stěnách, kde funguje jako opěrné pletivo a jako zásobní látka, která se při klíčení rozkládá na jednodušší cukry. Lignin je základní složkou nerozpustné vlákniny, nachází se v otrubách a v pluchách ječmene a ovsa. Pentosany jsou součástí obalů a buněčných stěn (Zehnálek, 2001). Bílkoviny Zralá zrna obsahují podle druhů a odrůd 9 16 %. Většina bílkovin je uložena v endospermu a v aleuronové vrstvě. Základní stavební složkou bílkovin jsou aminokyseliny. Dominantní aminokyselinou je glutamin (derivát kyseliny glutamové), který představuje 1/3 z celkového obsahu aminokyselin. Další nejvíce významnou aminokyselinou je prolin, který zaujímá více jak 10 % v pšeničné bílkovině. Bílkoviny mohou být tvořeny jednoduchými a složenými bílkovinami. Jednoduché bílkoviny se dělí 16

17 podle funkčních vlastností na protoplasmatické (albuminy a globuliny) a na zásobní (prolaminy a gluteniny). Obsah albuminů a globulinů činí u pšenice %. Největší význam mají bílkoviny pšenice, které se liší svou schopností tvořit lepek. Lepek tvoří bílkoviny nerozpustné ve vodě, gliadin a glutenin (Kučerová, 2004). Bílkoviny tvoří také podstatnou část enzymů, které fungují jako biokatalyzátory živé buňky. Amylasa je enzym hydrolyzující škrob. Enzymy, které hydrolyzují peptidové vazby se nazývají proteolytické. Lipázy hydrolyzují lipidy a oxidačně redukční lipoxygenásy oxidují nenasycené mastné kyseliny z lipidů bílkovin (Velíšek, 1999). Lipidy Obilky patří k semenům, které obsahují nejnižší obsah tuků (1,5 2,5 %). Nejvíce tuků obsahuje klíček a aleuronová vrstva. Nepolární tuky tvoří nenasycené mastné kyseliny (72 85 %), z nichž esenciální kyselina linolová tvoří minimálně 55 %. Z polárních lipidů jsou to fosfolipidy s obsahem % (Kučerová, 2004). Lipidy se také vyskytují ve škrobu (tab. 5). Tab. 5 Obsah lipidů a proteinů ve škrobech (Velíšek, 1999) Škrob Obsah lipidů v % Obsah proteinů v % Pšenice 0,38 0,72 0,3 Kukuřice 0,02 1,09 0,3 Brambory 0,05 0,06 Minerální látky V obilném zrně se nachází v rozmezí 1,5 2,5 %. Největší množství minerálních látek se nachází v klíčku a obalových vrstvách, především v aleuronové (Hampl, 1970). Vitamíny Vysoký obsah vitamínů je v obalových vrstvách a klíčku a aleuronové vrstvě. Endosperm je na vitamíny chudý. Význam mají především vitamíny skupiny B (thiamin B 1 a riboflavin B 2 ), kyselina nikotinová PP, nikotinamid, kyselina pantotenová a vitamín E (α tokoferol) (Hampl, 1970). 17

18 Biologicky významné látky Mezi tyto látky patří především kyselina fytová, cholin, kyselina para aminobenzoová (Kučerová, 2004). Látkové složení se může v jednotlivých částech zrna významně měnit (tab. 6). Standardně vycházíme ale z průměrných hodnot vztažených k zrnu jako celku (tab. 7). Tab. 6 Rozdělení látkového složení v jednotlivých částech zrna v % sušiny (Pomeranz, 1994) Složka Popel Bílkoviny Tuky Celková Oplodí osemení a Aleuronová vrstva vláknina Pentosany Škrob 3,4 6,9 0,8 50,9 46,6-10,9 31,7 9,1 11,9 28,3 - Klíček 5,8 34,0 27,6 2,4 - - Endosperm 0,6 12,6 1,6 0,6 3,3 80,4 Tab. 7 Průměrné složení sušiny obilek v % (Chloupek, 2005) Druh Minerální látky Protein Škrob Tuk Vláknina Ostatní Pšenice 1, ,3 11,9 Žito 1, ,8 2,3 10,8 Ječmen 2, ,3 4,5 10,6 Oves 3, ,5 Kukuřice 1, ,5 8 18

19 3.2 Technologie výroby lihu Historie Z historie není známo, ve které zemi byl získán čistý ethanol poprvé, ale výrobu alkoholických nápojů znali už Egypťané. Helmont poznal, že při lihovém kvašení uniká CO 2 a naopak Becher zjistil koncem 17. století, že alkoholické kvašení probíhá pouze ve sladkých tekutinách. V 19. století badatel Gay Lussakov vyjádřil první alkoholové kvašení pomocí rovnice: C 6 H 12 O > 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 + E Líh, jako finální výrobek, má rozmanité použití v průmyslu chemickém, potravinářském, ve zdravotnictví, v kosmetice, v domácnosti, při výrobě kaučuku, jako pohonná látka a v mnoha dalších odvětví (Ingr, 2001) Suroviny k výrobě ethanolu K výrobě lze použít všechny suroviny, obsahující přímo zkvasitelné cukry, nebo polysacharidy, které lze převést enzymatickou cestou na zkvasitelné cukry. Průběh kvašení ovlivňují kromě cukrů také ostatní složky suroviny. Suroviny k výrobě lihu lze rozdělit na cukernaté, škrobnaté a lignocelulózové. Suroviny cukernaté: Obsahují glukosu, fruktosu, sacharosu nebo jiný zkvasitelný cukr. Průměrný obsah cukru v ovoci závisí na druhu, odrůdě, stupni zralosti, klimatu a průběhu vegetačního období. V bobulovém ovoci se pohybuje obsah cukru od 3 19 %, v peckovém od 6 25 % a v jádrovém od 5 15 %. Hlavní podíl cukru připadá na monosacharidy (tab. 8). Nezralé ovoce obsahuje zpravidla menší množství škrobu (Augustín, 1991). Cukrovka se nevyužívá přímo jako potravina, nýbrž až po zpracování jako na cukr. Obsah sacharosy v bulvě se pohybuje kolem 17,5 %. Dále obsahuje necukry pektiny (2,4 %), celulosu a hemicelulosu (4,1 %), dusíkaté látky (1,2 %) a minerální látky (0,6 %) (Pelikán, Dudáč, Míša, 1999). 19

20 Nejdůležitější surovinou, kterou zpracovávají průmyslové lihovary, je melasa. V naší republice se setkáme prakticky pouze s melasou řepnou. Hlavní složkou je sacharosa (40 50 %), která už nelze získat, % dusíkatých látek, 8 10 % popele a % vody. Používá se nejen pro výrobu ethanolu, ale i k výrobě kvasnic, organických kyselin, i ke krmení (Pelikán, 1999). Z dalších cukrů jsou důležité invertní cukr a rafinosa. Necukerných látek je v melase kolem 30 % a jsou tvořeny organickými látkami (20 %) a anorganickými látkami (10 %). Z pohledu lihové fermentace je sledován obsah dusíkatých látek (1,0 1,6 % N), z nichž kyselina asparagová a glutamová jsou důležité pro výživu kvasinek, naopak betain je pro kvasinky zcela bez užitku a obsah fosforu, kterého bývá v melase jen asi 0,06 %. To nestačí na výživu kvasinek a melasové zápary se musí proto přiživovat, většinou kyselinou fosforečnou nebo diamoniumfosfátem. Dalšími surovinami cukrovarnickými produkty, které by bylo možné využít k výrobě lihu jsou surový a rafinovaný cukr - do zápary je nutné doplnit živiny potřebné pro činnost kvasinek jako jsou vitaminy, aminokyseliny, růstové látky, minerály aj. Uvažuje se o výrobě lihu z některého meziproduktu výroby cukru, zejména tekutého cukru (sirupu), těžké šťávy, příp. lehké během kampaně ( Tab. 8 Obsah monosacharidů a dalších cukrů v ovoci (% v jedlém podílu) (Velíšek, 1999) Ovoce glukosa fruktosa sacharosa cukry sušina celkem Jablka 1,8 5 2,4 11,1 16 Hrušky 2,2 6 1,1 9,8 17,5 Třešně 5,5 6,1-12,4 18,7 Švestky 3,5 1,3 1,5 7,8 14 Meruňky 1,9 0,4 4,4 6,1 12,6 Broskve 1,5 0,9 6,7 8,5 12,9 20

21 Suroviny škrobnaté: Obsahují polysacharid škrob, který je nutno převést na zkvasitelný cukr. Proto je výroba ethanolu ze škrobnatých surovin po technologické stránce složitější a po ekonomické stránce nákladnější. Nejčastěji škrobnatou surovinou jsou brambory a obiloviny (Ingr, 2001). Brambory obsahují velký podíl vody (75 %). V sušině pak převládá škrob (asi %), kterého je méně pod slukou, více ve svazcích cévních a opět méně ve středu hlízy. Bramborový škrob obsahuje 80 % amylopektinu a 20 % amylosy. Hlízy obsahují minoritní množství vitamínů rozpustných v tucích (E, K), provitamín vitamínu A (beta- karoten). V majoritním množství se v hlízách nacházejí vitamíny rozpustné ve vodě (C, B). Z tohoto hlediska je ethanol vyrobený z brambor nejkvalitnější (Kunteová, 2000). K nejčastěji používaným surovinám k výrobě ethanolu patří obiloviny. Zpracovává se kukuřice, pšenice, tritikale, oves, ječmen a žito. Kukuřice využívaná k produkci škrobu je typu koňský zub kukuřice tvrdé. Používá se hlavně ve světě, dobře se zpracovává, má vysoký obsah škrobu (70 %). Pšenice určená pro výrobu ethanolu by měla obsahovat vyšší podíl zkvasitelných cukrů, vznikající ze škrobu, kterého by mělo být více než 65 % v sušině (tab. 9). Kvalita pšenice je dána obsahem proteinů (11,1 13,2 %). Zájem o tuto surovinu stále roste, hlavně nepotravinářské odrůdy (Hamrová, 1988). Vhodnější je tritikale, které má vyšší obsah škrobu, ale poskytuje nižší výnosy, které závisí na odrůdě. Škrobové zrno tritikale je lépe přístupné působení enzymových preparátů, navíc má vysokou aktivitu vlastních amylolytických enzymů. Pro získání škrobu je nutná i dobrá vypíratelnost lepku (Šimůnek, Pelikán, Staňková, 1997). Potravinářská jakost V současné době je potravinářská kvalita hodnocena dle norem EU, které předepisují hodnocení kvality odrůd v pekařském pokusu metodou Rapid Mix test (RMT). Při nákupu pšenice jsou používány také nepřímé metody, v zahraničí nejčastěji obsah dusíkatých látek, sedimentační hodnota a číslo poklesu. Od roku 1998 jsou pšenice vhodné pro pekařské zpracování (převážně pro výrobu kynutých těst) členěny dle jakosti na skupiny: - elitní pšenice E dříve označované jako velmi dobré, zlepšující - kvalitní pšenice A - dříve označované jako dobré, samostatně zpracovatelné 21

22 - chlebová pšenice B - dříve označované jako doplňkové, zpracovatelné ve směsi - nevhodné pšenice C odrůdy nevhodné pro výrobu kynutých těst Odrůdy pšenice nevhodné pro výrobu kynutých těst jsou členěny dle způsobu dalšího využití do následujících jakostních kategorií: - pšenice pečivárenské ( pro výrobu oplatků, sušenek a krakerů) - pšenice pro výrobu těstovin (pšenice tvrdá) - pšenice pro speciální využití (výrobu škrobu a lihu) - krmné pšenice Cílem je zařadit odrůdu do přesně definované jakostní kategorie a tím umožnit spotřebiteli zvolit optimální odrůdu pro daný užitkový směr. Zařazení do kategorie se provádí na základě charakteristik uvedených v tabulce 9. Systém hodnocení kvality pšenice zahrnuje přímá i nepřímá hodnocení (Tichý, 2001). Tab. 9 Minimální požadavky na zařazení odrůd do skupin (přehled odrůd 2003) Jakostní sk. E - elitní A - kvalitní B -chlebová Vyjádření hodnoty absolutně bod 9-1 absolutně bod 9-1 absolutně bod 9-1 Objem. Výtěžnost (ml) Obsah hrubých 12,6 6 11,8 4 11,1 2 bílkovin (%) Zelenyho test (ml) Číslo poklesu (sec.) Objem. hmotnost(g/l) Vaznost mouky (%) 58,7 7 55,5 5 53,9 4 Pěstební technologie a úprava zrna pšenice ozimé a tritikale pro výrobu etanolu Program produkce obilovin pro výrobu ethanolu má z hlediska uplatnění konečného výrobku, tj. ethanolu vzniklého kvasným procesem ze škrobu zrna, hlavní využití v motorových palivech. Zavedení tohoto programu umožní současně řešení několika problémů: - agrárního problému přebytku zemědělské půd, především v marginálních oblastech a s tím související ekologie krajiny a sociální otázky venkova 22

23 - snížení škodlivých emisí ve výfukových zplodinách spalovacích motorů pomocí přídavku ethanolu produkovaného z obilovin nebo jeho organických derivátů (ETBE etyltercbutyléter) - snížení dovozu ropy a tím závislosti na politicky rizikových oblastech producentů ropy a současně snížení pasivního salda zahraničního obchodu Z evropských zemí se příkladem využití zemědělské produkce (obilovin, cukrovky) pro výrobu ethanolu s následným použitím jeho derivátů v motorových palivech se stala Francie, která v roce 1996 zpracovala 675 tisíc hl ethanolu. Také v sousedním Polsku je ve vysoké míře využíván ethanol ze zemědělských produktů jako přímé aditivum v benzinu do výše 12 %, což je v souladu se směrnicí EU. Z mimoevropských zemí je zaznamenán rozvoj zpracování zrna obilnin pro výrobu ethanolu a jeho využití v motorových palivech především v USA (zpracování kukuřice) a dále v Kanadě, kde je využíváno zrno drobnozrnných cereálií (pšenice, tririkale, žito) (Bubník, Gebler a kol, 2006). Výběr vhodných druhů a odrůd obilnin pro výrobu ethanolu V rámci screeningu genotypů pšenice a tritikale byly prováděny v ročnících 1996 až 1998 analýzy na obsah škrobu a bílkovin u 688 genotypů ozimé pšenice, 169 genotypů jarní pšenice, 50 genotypů ozimého tritikale a 22 genotypů tritikale, ze kterých vyplynulo: - odrůdy ozimého ječmene nemají dostatečně vysoký obsah škrobu v zrně, který by umožňoval vysokou konverzi tohoto polysacharidu na zkvasitelné cukry a následně ethanol - obdobně u sortimentu žita, s výjimkou hybridního žita Marder, nepřesahuje obsah škrobu v zrně 65%, tj. hranici pro úspěšné použití na výrobu ethanolu - lepší situace je u tritikale a ozimé pšenice. Registrované odrůdy tritikale mají více než 65% škrobu a jsou perspektivní pro další využití. U vybraného souboru odrůd ozimé pšenice Alka, Stella, Boka, Bruneta, Rexia, Torysa a Trane byl nalezen nejvyšší obsah škrobu ze všech sledovaných odrůd (přes 69%) a průměrný obsah škrobu činil 67%. Z výsledků analýz je zřejmé, že nejvhodnějšími obilninami pro možnou výrobu ethanolu se jsou ozimá pšenice a tritikale, respektive jejich určité odrůdy (tab. 10). Zrno tritikale a vybraných odrůd pšenice ozimé má vysoký obsah škrobu současně se sníženým obsahem bílkovin a nízkou hodnotou čísla poklesu. To charakterizuje vysokou amylázovou 23

24 aktivitu vlastního zrna a tím možnost snížení množství syntetické amylázy přidané při technologickém postupu konverze škrobu na zkvasitelné cukry. Ukázalo se, že obsah škrobu který je limitujícím parametrem pro výrobu ethanolu, statisticky vysoce průkazně negativně koreluje s obsahem bílkovin v zrně (Petr, 2001) Tab. 10 Hektarové výnosy plodin a výtěžnost ethanolu z 1 ha zemědělské půdy Plodina Výnos t/ (ha. rok) Spotřeba biomasy na 10 hl ethanolu (t) Výtěžnost ethanolu [hl / (ha. rok ) Cukrová třtina 80 15,3 53 Maniok 20 5,3 38 Sladké brambory 27 5,5 50 Brambory 25 8,7 36,2 Cukrová řepa 47, Kukuřice 4,5 2,5 26 Pšenice 7 2,7 38 Rajonizace pšenice ozimé a tritikale pro výrobu ethanolu Ze statistické analýzy vyplývá nadřazenost místa pšenice ozimé a tritikale na výrobu ethanolu ostatním faktorům. Optimální podmínky jsou v obilnářské oblasti vlhké, kde při dodržení doporučené pěstební technologie a dostatku srážek lze dosáhnout dobrých výnosů při optimálních kvalitativních ukazatelích. Pokusy byly zakládány v podmínkách charakterizujících tuto oblast: Nadmořská výška 270m, půdy hnědé, oglejené, ph 6,7 7,0, průměrná roční teplota za vegetaci 7,8 C, suma srážek za vegetaci 677mm. V bramborářské výrobní oblasti byl při doporučené pěstební technologii nízký výnos a nebylo možné dosáhnout optimálních kvalitativních ukazatelů (především podílu škrobu). Pokusy byly zakládány v podmínkách charakterizujících tuto oblast: Nadmořská výška 570m, půdy hnědé, písčito hlinité, slabě štěrkovité slabě kyselé ph 5,6-6,5, průměrná roční teplota za vegetaci 7 C, suma srážek za vegetaci 448mm. Tritikale je plodinou určenou pro obilnářskou, bramborářskou a pícninářskou oblast. Jako hybrid žita a pšenice má nároky na prostředí menší než pšenice, větší než žito. Tritikale lze pěstovat okrajově i ve výrobní oblasti kukuřičné (K4, 5) a řepařské (Ř3 5) 24

25 ale pro pěstování na výrobu ethanolu tyto oblasti nejsou vhodné. Požadavky tritikale na přírodní podmínky jsou skromnější než u ozimé pšenice. U tritikale se cení tolerantnost k horším půdním podmínkám, horší předplodině, nízkému ph půdy. Je výnosově stabilnější v oblastech, kde se již tolik nedaří ozimé pšenici. Vegetační doba je o dnů delší než u ozimého žita (Petr, Stehno, 1997). Pěstování pšenice ozimé a tritikale pouze po obilnině je předpokladem kvality zrna na výrobu ethanolu. Po zlepšujících předplodinách se dosahuje vyššího obsahu bílkovin v sušině zrna, což není vhodné pro výrobu ethanolu. Doporučené odrůdy pšenice ozimé: Alka, Stella, Boka, Bruneta, Rexia, Torysa a Trane Doporučené odrůdy tritikale: Disko, Modus, Kolor, Presto (Tichý, 2001). Oves obsahuje vysoký obsah nejkvalitnějších bílkovin (14 15 %) a vysokým obsahem tuku 7 10 % (Hampl, 1970). Hamrová (1988) uvádí, že se zpracovává ojediněle, protože obsahuje velké množství pluch. Z toho vyplývá, že zpracování je obtížné. Ječmen má kvalitnější bílkoviny než žito a pšenice. Cení se také obsah beta glukanů. Škrob se nachází v podobě škrobových granulí vázaných v proteinové matrici a proto jeho struktura a složení ovlivňuje dostupnost aminokyselin i degradaci sacharidů (Kučerová, 2004). Žito obsahuje zásobní bílkoviny v endospermu a jsou rozpustné ve vodě a proto žito nemá lepek jako pšenice. Žito má krátkou dormanci a proto je tu vyšší nebezpečí poškození škrobu enzymy, aktivovanými při prorůstání (Kunteová, 2000). Suroviny lignocelulosové Využití dřevních odpadů a celulózy k produkci bioethanolu se může stát vážným konkurentem pšeničných, kukuřičných a jiných surovin. Jeho získání je efektivnější. Glukóza je součástí celulózy, základního stavebního prvku všech rostlin, tedy i dřeva. A právě získávání glukózy z rostlinné biomasy tlakovou termickou hydrolýzou je základem technologie, kterou lze zpracovat prakticky jakoukoli biomasu včetně dřevní hmoty. Ideální surovinou je odpadní obilná sláma nebo energetické rostliny. Výroba bioethanolu z lignocelulózové biomasy je díky typu suroviny levnější než zpracování škrobových plodin. Suroviny, které by se také mohly využít k výrobě bioethanolu je například čekanka, polocukrovka, kasava, topinambur, čirok, proso, pohanka, vadné ovove (jablka a hrušky). 25

26 Tyto suroviny našly jiné a hlavně efektivnější využití než je výroba bioethanolu (Zaldivar, 2001). Srovnání jednotlivých surovin pro výrobu bioethanolu je shrnuto v tab. 11. Tab. 11 Průměrné výtěžnosti bioethanolu z vhodné zemědělské produkce a biologických zbytků zpracovatelských závodů (Pastorek, Kára, Jevič, 2004) Biomasa Syrovátka Cukrová třtina Cukrová řepa Brambory Dřevo Melasa Pšenice Kukuřice Žito tritikale Průměrná spotřeba na výrobu 100 l bioethanolu l kg 932 kg kg 385 kg 360 kg 260 kg 268kg 241 kg 251 kg Zpracování surovin na výrobu ethanolu Zpracování cukernatých surovin Ovoce se pro výrobu lihu používá jen ve výjimečných případech zpracování havarovaných plodů nebo ojediněle některé tropické, většinou sušené plody (datle). Z hlediska zpracování je melasa jednodušší surovinou než obilí. Její předností je jednoduchá příprava zápary (naředění vodou, přídavek živin) a skutečnost, že obsahuje přímo zkvasitelný cukr (sacharosu). Kvašení s využitím produkčních kmenů kvasinky Saccharomyces cerevisiae probíhá za anaerobních podmínek, ph je udržováno mezi hodnotami 4,5-5,0 a teplota by neměla překročit 32 ºC. Dalším důležitým faktorem je zákvasná koncentrace kvasinek v zápaře, čím je koncentrace buněk vyšší, tím je kratší doba kvašení a vyšší produktivita fermentace. Kvasinky jsou postupně pomnožovány v laboratorní a provozní propagaci do množství, které je potřebné k zakvašení zápary v bioreaktoru. 26

27 Zpracování škrobnatých surovin Škrob je substrátem, který většina ethanol produkujících mikroorganismů není schopna přímo zkvašovat. Proto musí být nejprve převeden na jednoduché zkvasitelné sacharidy, tj. na glukosu nebo maltosu. Pro zpracování škrobnatých surovin se nejčastěji používá několik způsobů. Jedná se o tlakový (pařákový), beztlakový (infúzní) a mechanický způsob. V posledních letech se však používá stále častěji beztlakový způsob. Tuto změnu umožnila výroba termostabilních α-amylas bakteriálního původu (Diviš, 2004). Tlakový způsob využívá k uvolnění a zmazovatění škrobu ze zrn nebo hlíz paření za teploty nad 120 ºC a tlaku od 0,2 do 0,5 MPa (podle charakteru zpracovávané suroviny). Nejpoužívanějším pařákem u nás je Henzeův pařák. Velkou výhodou paření je, že se zápara současně vysteriluje, což je vhodné při zpracování havarovaných substrátů. Po paření následuje vyhánění díla do zapařovací kádě za současného intenzivního chlazení a přídavku ztekucujících enzymů (Hamrová, 1988). Při beztlakovém způsobu musí být brambory rozmělněny a obilí namleto na částice odpovídající velikosti (běžně 0,4-2,0 mm). Mletí obilí může být realizováno za sucha (šrotovníky, kladívkové mlýny) nebo za mokra (dispergátory, mlýny s korundovými talíři, kladívkové mlýny). Mokré mletí má výhodu v tom, že při mletí dochází již zároveň i k bobtnání škrobových zrn. Podle vlastností používaných enzymů a za přídavku zeleného sladu se dílo vyhřívá na 65 ºC nebo na teploty ºC (při použití termostabilní α-amylasy), při kterých dochází ke zmazovatění a ztekucení škrobu. Celkový pochod zcukření je zdlouhavý, protože škrob není tak přístupný jako při paření (Kreipe, 1981). Mechanický způsob spočívá v rozmělnění suroviny, narušení škrobových zrn. Takový proces se nazývá mechanické mazovatění škrobu. Suspenze suroviny se ve vodě zpracovává určitým teplotním režimem za současného působení amylolytických preparátů. Také se zkoumá působení dalších hydrolytických enzymů, štěpících celulosu, hemicelulosu a pektiny. Tento systém vede ke zvýšení výtěžnosti ethanolu a ke zlepšení jeho jakosti (Kent, Evers, 1994). Chlazení zápary se děje za sníženého tlaku, což napomáhá k odstraňování příměsí a zlepšuje jakost ethanolu. Hodnota výtěžnosti ethanolu je závislá na faktorech, které určují celou technologii. Použité enzymy nemusí být ještě zárukou vysoké výtěžnosti, je třeba správně je aplikovat. Rozhodující je přitom také použitá surovina a především velikost částic a způsob zpřístupnění škrobu, což určuje efektivitu jednotlivých technologických postupů. Bobtnají-li škrobová zrna za studena, naberou tolik vody, že se jejich hmotnost zvětší o třetinu. Za tepla se objem zvětší 60 až 100x., přičemž 27

28 dochází k praskání zrn a výraznému zvýšení viskozity. Jedním z důležitých faktorů při zpracování kukuřice a obilí je velikost částic šrotu. Mletí materiálu se může uskutečnit v suchém nebo ve vlhkém stavu. Při vlhkém způsobu mletí se ukázalo, že částice by měly mít rozměr kolem 0,1mm. mletí. Rmutovací procesy mohou být založeny na vaření materiálu, kdy max. teplota dosahuje C a pro rozklad škrobu se využívá sladové a mikrobiální termostabilní amylázy. Rmutovací způsob se suchým mletím vyžaduje velikost částic o velikosti 0,1mm. Z hrubších zrn, tj. o velikosti 0,7-0,9 mm se obtížněji uvolňuje škrob. Rmutovacím způsobem s vlhkým mletím se dosáhne vyššího efektu poškozením zrn škrobu. Další metodou mokrého mletí je dispergační způsob s recyklem, kde se zpracovávají celá zrna (Senn, Pieper, 1989). Mletí, bobtnání a mazovatění škrobu i enzymová hydrolýza škrobu probíhá současně. Z enzymů se přidává nejprve bakteriální alfa-amylasa a po ochlazení z 80 C na 60 C při ph 5,0-5,5 probíhá zcukření (Hamrová, 1988). Diskutovaným problémem je stanovení poměru vody a výchozí suroviny. Obecně lépe prokvašují řidší zápary a experimentálně byly nejvyšší výtěžky u zápar s poměrem 1:3 a vyšším (Wolf, 1994). Zpracování žita Při zpracování žita lze použít pařákovou i infúzní metodu. Pařákové metody se používají pro zpracování celých žitných zrn i šrotu. Zapařování žita se provádí obdobným způsobem jako při zpracování brambor. Škrobnatost žita je oproti bramborám vyšší (50-60%). Žito lze s dobrými výsledky zpracovat společně s bramborami v kombinaci dvou zapářek a to bramborových a jedné žitné nebo dvě žitné a jedno bramborové, které se míchají v kvasných kádích (Hampl, 1970). Zpracování ječmene Nejprve se ječmen máčí a poté se zcukřuje. Pro zcukření se nejvíce používá ječný slad. Ječmen se může zpracovat pařením celého nemáčeného nebo celého máčeného zrna, nebo se zpracovává loupaný i šrotovaný. Ječmen se musí pařit jinak než brambory a žito. Vyplývá to s odlišného složení těchto surovin i jejich anatomické stavby. Žito má malé obilky, ječmen pluchaté. Na 3x více škrobu ve srovnání s bramborami, připadá v něm 6x méně vody, takže jeho vlhkost nestačí k zmazovatění zrna. Pařák se musí napřed naplnit potřebným množstvím vody, ohřáté na 50 C. Velmi dobře se osvědčuje paření ječného šrotu rozmíchaného předem ve vodě a předehřívaného ve zvláštní kádi. Při zapařování vyhovuje nejlépe přidávání sladu v podobě sladového mléka po částech (Pelikán, 1999). 28

29 Zpracování pšenice Zpracování pšenice je obdobné jako u žita. Pšenice má větší obsah škrobu (kolem 65%), takže je třeba přidávat větší množství vody do pařáku než u žita. V lihovarech se obvykle zpracovává pšenice napadená snětí (Dyr, 1956). Zpracování kukuřice Před vlastním pařením kukuřice v celých zrnech se voda přidávaná do pařáku okyseluje kyselinou sírovou, aby bylo snadnější rozluštění Je-li kukuřice správně upařená, jsou v čiré zcukřené zápaře zřejmé jen její slupky a škrobnatý endosperm přechází do roztoku. Kukuřičné zápary prokvašují velmi hluboce (Dyr, 1963). Zpracování brambor Vyprané brambory se rozvaří na kaši, bramborová kaše se smíchá se sladem a s vodou a zapařuje se při cca 60 C. Škrob se účinkem enzymu diastasa zhydrolyzuje na maltosu. Zcukernatělá hmota se po ochlazení v kvasných kádích zkvašuje působením kvasnic Saccharomyces. Teplota se udržuje pod 30 C. Zkvašený materiál, obsahující maximálně 14 % alkoholu, se poté destiluje ve sloupcových kolonách (Dyr, 1956). Zpracování lignocelulosových surovin Zpracování a úprava je založena na chemických, fyzikálně chemických a biochemických metodách. Celulosa a hemicelulosa přítomná v lignocelulosových surovinách musí být pro fermentaci na ethanol nejprve rozštěpena na monosacharidy. Celá řada mikroorganismů přeměňují glukosu z celulosy na ethanol. Využití pentos z hemicelulosy je problematické. Proto se zkouší a vyvíjí se mikroorganismy schopné zkvašovat pentosy i hexosy. Ale růst mikroorganismů a produkce ethanolu je pomalé a dosahují nízkých produktivit. Nejvíce se osvědčily kvasinky Saccharomyces cerevisiae (obr. 2), bakterie Escherichia coli a Erwinia chrysathemi ( 29

30 Obr. 2 Saccharomyces cerevisiae Příprava zápary Důležitým krokem při zpracování škrobnatých surovin je jejich mechanické rozmělnění a zpřístupnění zrn škrobu působení amylolytických enzymů. Dnes se již výhradně používá k hydrolýze kyseliny, enzymy a nebo kombinovaný způsob. Kyselá hydrolýza Parciální hydrolýza kyselinami se provádí při vyšších teplotách než při výrobě rozpustných škrobů Enzymová hydrolýza Enzymy patří mezi látky bílkovinné povahy. Na základě chemického složení se enzymy dělí na jednosložkové (jednoduché) a dvousložkové (složené). Jednosložkové enzymy se skládají pouze z bílkovin, která je nositelem substrátové specifity i specifity účinku. Dvousložkové enzymy jsou tvořeny bílkovinným nosičem apoenzymem a účinnou nebílkovinnou složkou - kofaktorem. Obě části tvoří celek zvaný holoenzym. V bílkovinné části enzymu je zakotvena jeho substrátová specifita - rozhodování o tom, které látky (substráty) se v průběhu reakce přemění. Za specifitu účinku z velké části odpovídá kofaktor, který určuje jaký typ chemické reakce proběhne. Enzymová hydrolýza poskytuje obdobné produkty jako kyselá hydrolýza (dextriny, maltooligosacharidy, maltosu, glukosu), ale vznikající produkty jsou lépe definovány a proces lze lépe regulovat. Amylolytické enzymy používané pro hydrolýzu škrobu jsou výhradně mikrobiálního původu. Vazby α-(1,4) amylosy a amylopektinu na oligosacharidy o různé délce řetězce štěpí endoamylasy (termostabilní, termolabilní α-amylasy) a exoamylasy (maltogenní 30

31 β- amylasy a glukogenní amyloglukosidasy nebo glukoamylasy). Termostabilní α-amylasy získané z bakterií rodu Bacillus (Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis) štěpí škrob na maltooligosacharidy. Působením α-amylasy s Baciullus licheniformis vzniká jako primární produkt lineární maltopentaosa a z ní postupně vznikají nižší sacharidy. Hlavním produktem je maltotriosa vzniklá odštěpením maltosy. Maltosa a maltotriosa se dále neštěpí. Termolabilní α-amylasy získané z plísní rodu Aspergillus produkují jako hlavní štěpy maltosu a maltotriosu (jsou maltogenní). Maltogenní β-amylasy štěpí škrob na maltosu. Získávají se z bakterií rodu Bacillus, Pseudomonas a Clostridium. Částečně štěpí také vazby α-(1,6) amylopektinu. Glukogenní amyloglukosidasa atakuje α-(1,4) amylosy a amylopektinu od neredukujícího konce molekuly a odštěpuje β-d-glukopyranosu. Částečně štěpí také vazby α-(1,6) amylopektinu. Vazby α-(1,6) amylopektinu a dextrinů štěpí α-(1,6)- sacharidasy nazývané jako 1,6-amyloglukosidasy, které se získávají z bakterií Klebsiella aerogenes a z bakrerií rodu Pseudomonas (Velíšek, 1999). Podle Žáčkové a Kvasničky v této fázi přípravy zápary dochází po mírném ochlazení v zapařovací kádi na teploty ºC díky působení β- amylasy a amyloglukosidasy ke zcukření (škrob a dextriny jsou postupně převedeny až na zkvasitelný sacharid). Rozluštění a zcukření suroviny se kontrolují jodovou zkouškou. V praxi používané enzymové preparáty neobsahují pouze jeden amylolytický enzym, ale jde o komplex i dalších hydrolytických enzymů jako např. hemicelulasy (např. xylanasy, β- glukanasy), proteasy a celulasy. Jejich působením lze zvýšit výtěžnost lihu a současně i snížit viskozitu média. Existuje několik firem, které vyrábějí kvalitní enzymy. Na českém trhu je nejlépe zavedena dánská firma Novo Nordisk. Pro lihovarské účely jsou vhodné amylolytické enzymy: Termamyl, BAN, AMG, Fungamyl a SAN Super a dále Ultraflo, Celluclast a Shearzyme, které zvyšují výtěžky lihu a pozitivně ovlivňují vlastnosti zápar Fermentace Zcukřené dílo (sladká zápara) je ochlazeno na zákvasnou teplotu a v bioreaktoru (fermentačním tanku) zakvašeno. Kvasinky lze získat z různých zdrojů. Nejlepší se 31

32 osvědčují kvasinky adaptované na škrobnaté zápary získané z čistých lihovarských kultur. Je možné též použít lisované pekařské droždí (0,3-0,5 kg na 1 hl zákvasu), které není ideální násadou, protože jeho výroba je aerobní proces a proto se doporučuje jej rozkvasit ve sladké zápaře. V některých zemích se používají i sušené aktivní lihovarské kvasinky. Obilné a bramborové zápary obsahují dostatečné množství živin, takže není potřeba je přiživovat. Hodnota ph se má pohybovat v rozmezí 4,6 4,8 a během kvašení nemá klesat pod 4,2. Přítomné amylolytické enzymy i v průběhu fermentace dále štěpí dextriny a škrob, který se uvolňuje z pevné fáze obilné suroviny. V malých lihovarech se obvykle pracuje periodickým (vsádkovým) způsobem. Používají se uzavřené kvasné kádě. Doba kvašení bude záviset jak na činnosti enzymů, tak i na činnosti kvasinek. Obvykle kvašení trvá h, zkvasitelné sacharidy jsou kvasinkami metabolizovány na ethanol a oxid uhličitý. Přitom dochází i k mírnému nárůstu kvasinek, k tvorbě vedlejších produktů a zahřívání kvasu. Jednoduché fermentační tanky neumožňují regulaci teploty, ta by během kvašení neměla přesáhnout 32 ºC. Toho je možné dosáhnout volbou vhodné zákvasné teploty od 18 do 24 ºC, která závisí hlavně na objemu bioreaktoru, požadované době kvašení, koncentraci zkvasitelných sacharidů v zápaře. Koncentrace ethanolu v prokvašených obilných záparách se průměrně pohybuje mezi 7-8 % obj. Kvašení je mikrobiální proces, který může nepříznivě ovlivnit kontaminující mikroflóra. Nebezpečné jsou především bakterie mléčného a máselného kvašení (Ingr, 2001). 3.3 Destilace a úprava lihu Bioethanol energetický zdroj Bioethanol je vyrobený technologií alkoholového kvašení z biomasy - obvykle z rostlin obsahujících větší množství škrobu a sacharidů. Bioethanol je určený pro výrobu paliv. Přídavek ethanolu do benzinu se prováděl u nás již před druhou světovou válkou, tehdy se jednalo o povinné přídavky alkoholu do benzinu. Pro aplikaci ethanolu je nejznámější Brazilský lihový program, který ukázal na výhody a nevýhody jeho zaváděný ve velkém měřítku. V USA, Francii a dalších zemích se navázalo na tyto zkušenosti. Současná doba se vyznačuje nutností revidovat všechny technologie 32

33 způsobující znečištění životního prostředí. Spalování fosilních paliv ke znečištění ovzduší přispívá hlavní měrou. V případě spalování nafty a benzinů v motorech nejde jen o emise oxidu uhličitého, ale i o znečišťování zplodinami hoření. Proto jsou stanoveny jakostní požadavky na bioethanol (tab.12). Hledají alternativní zdroje paliv, které by zajistily v rámci možností naší planety svou regeneraci, ale též využití vznikajícího oxidu uhličitého. Tyto látky však nesmí podstatně zhoršovat kvalitu paliv a mají vnést do směsi určité množství kyslíku (tzv. oxygenátů). Tab. 12 Jakostní požadavky na bioethanol (zákon č.199/2004) Číslo Vlastnosti Jednotka Hodnota 1 Koncentrace při t=20 0 C, minimálně % (V/V) 99,6 2 Obsah vody,minimálně % (m/m) %/(V/V) 0,40 0,32 3 Obsah chloridových iontů, maximálně g/kg g/l 0,040 0,032 4 Obsah kyselin v přepočtu na % (m/m) 0,007 kyselinu octovou, maximálně 5 Obsah karbonylových sloučenin v g/l 0,2 přepočtu na aldehyd octový, maximálně 6 Obsah metylalkoholu, maximálně % (V/V) g/100 ml 0,2 0,16 7 Obsah mědi maximálně mg/kg mg/l 0,1 0,079 8 Sušina po odpaření, g/l 0,02 maximálně 9 Obsah vyšších alkoholů maximálně %(V/V) 2 Tak zvaná biopaliva jsou kyslíkaté sloučeniny, které přidáním do klasických pohonných hmot zlepšují jejich oktanové číslo a spalování, což vede ke snížení obsahu některých škodlivých látek ve výfukových plynech. Ethanol je určen pro motory benzinové, ale i použití ethanolu pro naftové motory se úplně nevylučuje. Ethanol lze přímo přidávat do benzinu (USA - 10 %, Brazílie - 22 %, Polsko - 5 %). Oxygenáty (mezi ně patří i ethanol a aditivum připravené z ethanolu, ETBE: ethyl-terciární butyl-ether) snižují obsah oxidu 33

34 uhelnatého (snížení o %) ve spalinách. Ethanol snižuje i celkový tlak par benzinu a zvyšuje oktanové číslo paliva. Na druhé straně se však snižuje výkon motoru a zvyšuje se proto i spotřeba paliva. ETBE má proti MTBE (methyl-terciární butyl-ether) řadu výhod, hlavně proto, že methanol pochází z fosilních paliv a při spalování vzniká nebezpečí tvorby formaldehydu (karcinogen). Další výhodou ethanolu je snížení teploty hoření paliva a tím se snižuje i množství vznikajících oxidů dusíku. Vzhledem k nižší těkavosti směsi ethanol - benzin, je nutné přídavkem jiných látek odstranit problém studených startů (pro zimní období je výhodnější ETBE). Z hlediska výroby bioethanolu není třeba zásadně měnit kvasnou část výroby. Je však třeba provést všechna opatření, aby výrobní cena ethanolu byla co nejnižší ( Destilace ethanolu z prokvašené zápary Ethanol je těkavá kapalina o hustotě 789,3 kg/m 3 s bodem varu 78,31 ºC, kterou lze z prokvašené zápary izolovat destilací. S vodou tvoří azeotropickou směs (95,15 % hm.) s bodem varu 78,15 ºC nižším než obě čisté látky, takovou směs nelze rozdělit destilací za normálního tlaku. Ethanol je hořlavá, lehce vznětlivá látka s vodou neomezeně mísitelná (Pelikán, Dudáč, Míša, 2004). Prokvašené obilné zápary se v zemědělských lihovarech destilují na jednoduchém kontinuálně pracujícím kolonovém aparátu (záparové koloně). Z hlavy kolony je odebírán surový líh, většinou v koncentraci % obj., z vařáku řídké obilné výpalky. Někdy je používáno dvoukolonové uspořádání nebo tříkolonové. Jednoduché schéma výroby bioethanolu je znázorněno v obr Rektifikace a rafinace ethanolu Rychtera, Uher, Páca (1987) uvádí, že rektifikace je opakovaná destilace, jejímž cílem je zkoncentrovat ethanol. Rafinace je definována jako odstranění doprovodných látek z lihu. Oba tyto procesy probíhají v kolonovém uspořádání. Spodní vytápěná část kolony se nazývá vařák a nejhořejší část destilační kolony je hlava. Patra záparové kolony bývají klobouková (kalotová) s jedním velkým kloboukem na patře, ostatní kolony mají patra konstruovány jako kloboučková, tunelová, sítová, ventilová nebo méně často náplňová. Na 34