MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Transkript

1 MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BRNO 2014 HANA KOUBKOVÁ

2 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav technologie potravin Studium faktorů ovlivňujících produkci bioetanolu z obilných a ovocných rmutů Bakalářská práce Vedoucí práce: doc. Ing. Dr. Luděk Hřivna Vypracoval: Hana Koubková Brno 2014

3 Zadání bakalářské práce

4 Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem práci Studium faktorů ovlivňujících produkci bioetanolu z obilných a ovocných rmutů vypracoval/a samostatně a veškeré použité prameny a informace uvádím v seznamu použité literatury. Souhlasím, aby moje práce byla zveřejněna v souladu s 47b zákona č. 111/1998 Sb.,o vysokých školách ve znění pozdějších předpisů a v souladu s platnou Směrnicí o zveřejňování vysokoškolských závěrečných prací. Jsem si vědom/a, že se na moji práci vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., autorský zákon, a že Mendelova univerzita v Brně má právo na uzavření licenční smlouvy a užití této práce jako školního díla podle 60 odst. 1 autorského zákona. Dále se zavazuji, že před sepsáním licenční smlouvy o využití díla jinou osobou (subjektem) si vyžádám písemné stanovisko univerzity, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity, a zavazuji se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla, a to až do jejich skutečné výše. V Brně dne:.... podpis

5 Za odborné vedení, rady a připomínky při vzniku této bakalářské práce bych chtěla poděkovat především Doc. Ing. Dr. Luďkovi Hřivnovi. Dále děkuji všem, kteří se podíleli na provádění pokusů. V neposlední řadě děkuji také své rodině za podporu během studia.

6 ABSTRAKT Tato práce se zabývá popisem výroby etanolu určeného pro potravinářské účely a průmyslovou výrobou bioetanolu, sloužícího jako pohon pro dopravní prostředky. Pozornost je zaměřena na přípravu obilných a ovocných rmutů. Součástí práce je také vyhodnocení výtěžnosti bioetanolu u vybraných odrůd pšenice pěstovaných v lokalitě Obora. Výsledky pokusů ukázaly na vysokou výtěžnost bioetanolu u odrůd pekařské jakosti B. Nepotvrdilo se, že odrůdy s nižší pekařskou kvalitou vykazují vyšší výtěžnost etanolu. Zároveň bylo zkoumáno, zda obsah škrobu výrazně ovlivňuje výtěžnost bioetanolu. Nebylo prokázáno, že vyšší obsah škrobu má zásadní vliv na produkci bioetanolu. ABSTRACT This work describes the production of ethanol intended for food and industrial production of bioethanol, which serves to drive the vehicles. Attention is focused on the preparation of cereal and fruit mash. The work also includes the evaluation of bioethanol yield of selected varieties of wheat grown in location Obora. Experiment results showed a high yield of varieties for bioethanol of bakery quality B. It was not proved, that the varieties with lower bakery quality show higher yield of ethanol. It was also researched whether the starch content significantly affects the yield of bioethanol. It was not proved that higher starch content has a major effect on the production of bioethanol. Klíčová slova: Bioetanol Rmut Kvašení Destilace Pšenice Ovoce Key words: Bioethanol Mash Fermentation Distillation Wheat Fruit

7 Obsah 1. Úvod Cíl práce Literární přehled Bioetanol - charakteristika Suroviny k výrobě etanolu Škrobnaté suroviny - obiloviny Anatomická a chemická stavba obilného zrna Chemické složení Cukernaté suroviny - ovoce Švestky a pološvestky Jablka Hrušky Kvasinky a jiné mikroorganismy Voda Výroba etanolu Příprava rmutu Výroba z cukernatých surovin ovoce Výroba ze škrobnatých surovin obiloviny Kvašení Destilační zařízení v pěstitelských pálenicích a zemědělských lihovarech Destilace Ztráty lihu při výrobě Materiál a metodika Materiál Přehled testovaných odrůd pšenice Použité enzymy

8 4.1.3 Kvasinky Metodika Příprava zápary Zjištění obsahu etanolu Vyhodnocení výsledků Výsledky a diskuse Závěr Seznam použité literatury Seznam tabulek Seznam obrázků Seznam grafů Seznam příloh

9 1. Úvod Kvasný líh, směs etanolu a vody C 2 H 5 OH, je vhodný jak pro potravinářské účely, tak se hojně využívá průmyslově, například jako přídavek do paliva s vysokou výhřevností. Průmyslově vyráběný líh se označuje jako bioetanol. Pro výrobu kvasného lihu se používají rostliny bohaté na cukry nebo škrob, jako jsou například brambory, cukrovka a obiloviny. Cukernaté rostliny, především ovoce, se používají spíše na výrobu pálenek. Rostliny obsahující jednouché cukry se fermentují přímo. U rostlin obsahujících složité cukry je výroba složitější. Škrob je třeba nejprve pomocí enzymů rozložit (hydrolyticky) na cukry jednodušší. Výroba lihu není přesně datovatelná, protože etanol vzniká již při kvašení, což je přirozený biochemický pochod. První zmínky o výrobě lihu sahají do doby před několika tisíci lety. Ve středověku se touto výrobou zajímali hlavně alchymisté, kteří používali líh především k léčebným účelům V českých zemích pochází první zprávy z konce 13. století. Za vlády Karla IV. ve 14. století se vyráběly hlavně ovocné vinné destiláty. Velký rozmach byl zaznamenán zejména v 18. a 19. století, kdy se kvašením zabýval i významný vědec Louis Pasteur. V této době se vyráběl líh především z obilí a brambor. Ve druhé polovině 19. století byl založen první průmyslový lihovar v České republice v Kolíně, který zpracovával melasu. K největšímu rozvoji průmyslové výrovy lihu došlo v období 1. světové války, kdy se etanol začal využívat masivně jako přídavek do paliva. V současné době výroba bioetanolu neustále roste a jsou vyvíjeny stále nové technologie pro zpracování rozmanitých druhů surovin. Tato práce se zabývá problematikou výroby bioetanolu z obilných a ovocných rmutů a možnostmi, které mohou ovlivnit výtěžnost bioetanolu. Součástí práce je rovněž stanovení výtěžnosti bioetanolu u vybraných odrůd pšenice pěstovaných v pokusné lokalitě a porovnání vlivu obsahu škrobu na výtěžnost u těchto odrůd. 9

10 2. Cíl práce Cílem práce bylo: Seznámit se s technologií výroby lihu a pálenek, popsat ji a definovat faktory ovlivňující produkci bioetanolu. Stanovit obsah škrobu a výtěžnost bioetanolu u vzorků zrna pšenice různé pekařské jakosti sklizených z odlišných půdně klimatických podmínek. 10

11 3. Literární přehled 3.1 Bioetanol - charakteristika Bioetanol můžeme rozdělit na vodnatý, který slouží jako přímá náhražka paliva, a bezvodý, který je míchán s palivem v poměru od 5 do 85 %. Technické a jakostní požadavky na etanol využívaný jako biopalivo udává norma ČSN Množství přidávaného etanolu stále roste, protože ve spalinách lihu není obsažen popel ani síra a je v nich i nižší podíl oxidu uhličitého oproti benzínu. Palivo E85 se začalo u nás prodávat v roce 2009 a je to směs tvořená z 85 % bioetanolu a 15 % benzínu Natural 95. Bioetanol je jedním z nejperspektivnějších druhů paliv na světě. Největší světová produkce je především v USA a Brazílii, ovšem v těchto zemích se pro výrobu používá cukrová třtina a kukuřice. Bioetanol jako součást biopaliv, vyráběný z potravinářských plodin má velmi velký potenciál z hlediska snižování produkce skleníkových plynů. Na druhou stranu mají biopaliva některé nepříliš dobré fyzikálně-chemické vlastnosti, a to například špatnou oxidační stabilitu. Cena fosilních paliv závisí na světovém trhu, cena biopaliva je závislá na ceně použité plodiny. V současné době je litr biopaliva levnější než benzín. Je to dáno také tím, že na výrobu biopaliv se vztahuje mnoho dotací a daňových úlev (Venclová, 2013). Bioetanol vyráběný z potravinářských plodin (obilí, cukrová řepa, cukrová třtina, kukuřice a jiné) je považován za biopalivo 1. generace. Výhledově se však počítá se zpracováváním rostlinných zbytků nebo speciálně pěstovaných energetických plodin (nepotravinářská biomasa, šťovík, sláma, seno a jiné) pro výrobu biopaliv 2. generace. Tato výroba v ČR neprobíhá, v Evropě taková zařízení již existují (Hromádko, 2010). Oblast používání biopaliv v České republice vychází z Evropské směrnice č. 2003/30/ES. Cílem je podpořit využití biopaliv nebo jiných obnovitelných pohonných hmot za účelem nahrazení nafty nebo benzinu pro dopravní účely v každém členském státě. V České republice je tato směrnice zařazena především do zákona č. 86/2002 Sb., o ochraně ovzduší, která říká, že osoba uvádějící motorové benziny do daňového oběhu na území ČR pro dopravní účely, je povinna zajistit, aby v benzinech od bylo obsaženo i množství biopaliva ve výši 3,5 % (Konšel, 2009). Produkce bioetanolu v Evropské unii vzrostla v roce 2009 o 31 % na 3,7 mld. litrů. Spotřeba rovněž stoupla, a to o 23 % na 4,3 mld. litrů. Význam tohoto paliva tedy 11

12 neustále roste. Největšími producenty a spotřebiteli bioetanolu jsou Francie a Německo. Vyplývá to z údajů, které zveřejnila evropská bioetanolová asociace ebio (Fialová, 2010). Jsou vytvářeny podmínky pro to, aby spotřeba a využití bioetanolu stále rostly. Tomu odpovídají i údaje Mezinárodní rady pro obiloviny, která vychází z toho, že v tržním roce 2013/14 půjde na výrobu bioetanolu jako paliva ve světě celkem 149,1 mil. tun obilovin, což by bylo o 8,2 mil. tun více než v sezóně 2012/13. Pro výrobu bioetanolu by tedy mohlo být použito 7,7 % sklizně obilovin (kromě rýže) což představuje cca 1,929 mld. tun. Více než 90 % obilovin použitých na výrobu bioetanolu připadá na kukuřici. V roce 2013/14 se odhaduje množství zpracované kukuřice na bioetanol na 138,8 mil. tun. Pro produkci bioetanolu by mohlo být k dispozici také 6 mil. tun pšenice a 3,2 mil. tun čiroku. Ječmen a žito s celkovým množstvím 1,0 mil. tun nemají tak velký význam (Beckhove, 2013) Suroviny k výrobě etanolu K výrobě bioetanolu lze použít výchozí suroviny obsahující jednoduché cukry nebo látky, které lze přeměnit na jednoduchý cukr, jako je škrob a celulóza. Hlavní suroviny můžeme dělit na cukernaté, škrobnaté a lignocelulozové. Mezi cukernaté suroviny lze zařadit ovoce a melasu z cukrové řepy. Škrobnaté suroviny jsou brambory a obiloviny. Do třetí kategorie patří odpady vzniklé například při výrobě pivních kvasnic (Hromádko et al., 2010) Škrobnaté suroviny - obiloviny Obiloviny jsou po bramborách nejvýznamnější surovinou pro výrobu bioetanolu. Nejvíce se zpracovává žito, triticale, pšenice a kukuřice. Kromě toho lze využívat i odpady z potravinářských závodů, jako např. kalové škroby (Pelikán, 1996). Rozhodujícím ukazatelem pro možné využití obilovin jako suroviny je stanovení obsahu škrobu. Hodnotícím faktorem je fermentační kvalita, která se zjišťuje pomocí kvasné zkoušky. Výtěžnost škrobu ze zrna ovlivňuje odrůda, podíl bílkovin, kontaminace zrna plísněmi a poškození škůdci. Žito se zpracovává velmi dobře, protože má nižší obsah vlákniny než ostatní obiloviny a obsah škrobu kolem 60 %. Žitné zápary jsou dost viskózní, což je 12

13 způsobeno velkým obsahem pentozanů. Využívá se hlavně žita, které zůstane jako odpad po vytřídění žita s obsahem námelových zrn (Hamrová, 1988). Pšenice je velmi vhodnou surovinou, hlavně odrůdy s nízkým obsahem lepku a vysokým obsahem škrobu. Náklady na pěstování pšenice nejsou příliš vysoké, ale využívají se zejména odrůdy nevhodné pro potravinářské účely. Z jedné tuny pšenice se přibližně vyrobí 360 l etanolu. Pro výrobu jsou velmi vhodné ozimé odrůdy. Tritikale má více škrobu, obsah je %, škrobové zrno je lépe prostupné pro enzymy, zápary jsou dobře zkvasitelné a mají dobré výtěžky etanolu. Tritikale je pro svůj stabilní výnos, pěstitelskou nenáročnost a nízké náklady na pěstování, ideální plodinou pro liho-benzinový program (Kunteová, 2000). Kukuřice se zpracovává více ve světě než v České republice. Obsah škrobu je kolem 70 %. Z kukuřice lze vyrobit až 370 l aa/t. Ječmen a oves se využívá ojediněle a to z důvodu tvoření tzv. deky, což může být zdrojem nežádoucích mikroorganismů. Deka vzniká z oddělených pluch během kvašení, podíl pluch může být okolo 30 % obilné masy. Zpracovává se také pšeničný malozrnný, tzv. jádrový škrob, který je odpadem při výrobě pšeničného škrobu. Do lihovaru se dodává ve formě škrobového mléka (Pelikán, 1996) Anatomická a chemická stavba obilného zrna Obilné zrno se skládá ze 3 hlavních částí (obr. 1). Na povrchu jsou obalové vrstvy, pod nimi se nachází aleuronová vrstva a uprostřed je moučné zrno (endosperm). Obaly jsou tvořeny oplodím a osemením. Oplodí ochraňuje zrno před mechanickým poškozením, je tvořeno nerozpustnými materiály, hlavně celulosou. Osemení obsahuje barviva a udává tak vzhled zrn. Obalové vrstvy jsou cenným zdrojem vlákniny a minerálů a tvoří asi 12 %. Aleuronová vrstva má vysoký podíl protoplasmatických bílkovin, tuků, vitamínů a minerálních látek. Endosperm obsahuje nejvíce sacharidů, především škrobu - téměř tři čtvrtiny objemu, a bílkoviny. Endosperm zaujímá přibližně 85 % celého zrna (Kučerová, 2004). Klíček tvoří nejmenší podíl zrna. Je zdrojem tuků, jednoduchých cukrů, enzymů a vitamínů rozpustných v tucích. 13

14 Podíl jednotlivých částí se liší v závislosti na druhu, pěstební technologii, počasí, a dalších vlivech. Obr. č. 1. Stavba obilného zrna (Kučerová, 2004) 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) Chemické složení Chemické složení se mění podle pěstební oblasti, odrůdy, hnojení, agrotechnických postupů, klimatických podmínek a celé řady dalších činitelů. Podstatnou složkou obilného zrna je voda, protože všechny biochemické a fyziologické procesy, probíhají během růstu díky její účasti. Základní stavební složky jsou sacharidy, bílkoviny, lipidy, minerální látky, vitamíny, barviva a složky, které mají růstové, regulační a genetické funkce (Pelikán, 1993). Bílkoviny Nacházejí se především v aleuronové vrstvě a endospermu. Jejich podíl závisí na druhu a odrůdě a pohybuje se mezi 9 16 %. Dělí se na cytoplazmatické a zásobní a jsou složeny z aminokyselin. Kyselina glutamová v podobě glutaminu, zaujímá jednu třetinu, druhou významnou aminokyselinou je prolin. V nižších koncentracích se také vyskytují leucin, fenylalanin, kyselina aspargová a další (Příhoda et al., 2004). 14

15 Bílkoviny tvoří enzymy. V obilovinách se vyskytují amylázy, lipázy, lipoxygenázy a také proteolytické enzymy. Sacharidy Stejně jako u bílkovin se může obsah sacharidů měnit. Nejvíce sacharidů, především škrobu, se však nachází v endospermu. Monosacharidy jsou zastoupeny pentózami a hexózami, ale v zrnu jich je obsaženo velmi málo. Z oligosacharidů jsou to potom sacharosa a maltosa, opět v malém množství. Nejvíce jsou zastoupeny polysacharidy v podobě škrobu a to až ze 70 %. Dále se pak vyskytují neškrobové polysacharidy, především celulosa, hemicelulosa a lignin (tab. 1). Polysacharidy jsou technologicky nejvýznamnějšími sacharidy. Mají funkci jak zásobní tak i stavební. Amylosa a amylopektin jsou dvě hlavní složky škrobu. Jsou tvořeny jednotkami glukosa a jejich poměr je 25:75. Obsah škrobu tvoří přibližně % sušiny obilek a kolísá podle druhů a odrůd (Příhoda et al., 2004). Amylosa je lineární -D-(1 4)-glukan. V omezené míře se větví asi na 10 místech molekuly (obr. 2). Je částečně esterifikována kyselinou fosforečnou, u obilovin tvoří komplexy s lipidy. Molekula tvoří šroubovici různých rozměrů, obvykle levotočivou s 6-8 glukosovými jednotkami na jeden závit. Amylosa obilovin obsahuje glukosových jednotek (Velíšek, 2002). Obr. 2 Struktura amylosy (Velíšek, 2002) Amylopektin vytváří mnohonásobně větvenou strukturu s větvením po (v průměru po 25) jednotkách, odvětvujících vazbou 1 6 a výjimečně také 1 3. Stupeň polymerace je 50 tisíc až milion jednotek (obr. 3). Makromolekula obsahuje 3 typy řetězců: A - vnější řetězce, B - vnitřní řetězce a C - hlavní řetězec, který obsahuje redukující konec. Řetězce A a B mohou být krátké (S) nebo dlouhé (L). V lineární části 15

16 jsou vazby 1 4 a odvětvující řetězce jsou napojeny vazbou 1 6. S roztokem jodu dává škrob modré zbarvení (Velíšek, 2002). Obr. 3 Struktura amylopektinu (Velíšek, 2002) Škrob je v rostlinách uložen v nerozpustných micelách zvaných škrobová zrna nebo granule. Jsou nerozpustná ve studené vodě. V teplé vodě dochází k bobtnání a mazovatění. Mají druhově specifický, geneticky daný tvar (kulatý, oválný aj.) a velikost malou a velkou. 16

17 Tabulka č. 1 Zastoupení jednotlivých sacharidů v zrnu obilovin (Příhoda et al., 2004). Typ Pšenice Ječmen Oves Žito sacharidů zrno Otruby zrno loupaný zrno 2,1-2,6 7, ,14; --- Volné cukry % Škrob % 1, , Amylosa ,1-8,3 a., % ze škrobu Celulosa % Hemicelulosy % Pentosany % b., c ,4-2,0; 21,6-26,5 3,4-7,8; 3,17 2,6 2,3-2,4; 6,7-9,8; 6,0; 7,3-11,0 6,7 0,34-1,4; --- 3,9-8,1; 2,5-6,6; 1,9-2,9; 0,54; 2,0-8,6; 4,8-6,6; 1,89 1,4 3,0-6,9; 2,2-4,2 5,1-7,2; 3,5-5,3; Β-glukany % 2,8-5,6 Vláknina 9,9-11,6; 42,6 17,3 10,5; 32 11,8-12,1; 10,9 potravy % mouka 14,6±1,1 Rozp. vláknina % 2, ,4 --- a) voskový, b) normální c) vysokoamylosový Lipidy Klíček a aleuronová vrstva obsahuje nejvíce tuků. Významný podíl nepolárních tuků (72 85 %) tvoří nenasycené mastné kyseliny, z nichž esenciální kyselina linolová tvoří minimálně 55 %. V obilném zrnu je část polárních lipidů fosfolipidů (15-26 %). (Kučerová, 2004). Doprovodnou látkou lipidů jsou lipofilní barviva, především karotenoidy. Celkový obsah tuků je přibližně 2 %. 17

18 Minerální látky Zrno obsahuje 1,5-2,5 % minerálních látek. Nejvíce se nachází v klíčku a v aleuronové vrstvě, a to hlavně hořčík, železo a draslík. Vitamíny a biologicky významné látky Vitaminy nalezneme v obalových vrstvách a klíčku. Významné jsou vitamíny skupiny B (thiamin, riboflavin), kyselina nikotinová, nikotinamid, kyselina pantotenová a vitamín E neboli tokoferol. Mezi biologicky významné látky řadíme kyselinu fytovou (vyskytuje se ve formě fytátů), cholin a kyselinu para aminobenzoovou (Kučerová, 2004) Cukernaté suroviny - ovoce Ovoce se zpracovává na líh pouze v letech nadúrody, jinak je zpracováváno na destiláty - pálenky. Pro výrobu lihu se využívají zejména havarované plody. Na výrobu surového lihu se zpracovávají prakticky jen jablka a hrušky. Obsah celkového cukru bývá kolem % (Rychtera, 1991). Samozřejmě lze použít všechny druhy ovoce, ale z hlediska výtěžnosti není tato výroba ekonomická. Ze 100 kg zkvasitelného cukru, který je obsažen v ovoci, lze získat maximálně 60 litrů alkoholu, v průměru to bývá kolem 55 litrů (Dyr,1997). Ovoce má vysoký podíl vody mezi %. Dusíkatých látek bývá v ovoci zpravidla 0,056-0,35 %, to odpovídá 0,35-2,18 % hrubých bílkovin. Lipidy jsou v dužnině obsaženy jen velmi málo. Všechny lipidy se vyskytují v jádrech. Obsah veškerého cukru kolísá a záleží na druhu ovoce, stupni zralosti, klimatických a půdních vlivech. Peckové ovoce má mezi 2,2 14 % cukru a jádrové ovoce může mít 7 17 % cukru. Hlavní podíl monosacharidů připadá na glukosu a fruktosu. U peckovin převládá glukosa, u jablek a hrušek to je fruktosa. Sacharosa se vyskytuje do 1 %, s výjimkou rybízu, kde je podíl větší. Polysacharidy v podobě pektinů bývají u ovoce zastoupeny v malém množství. Podíl pektinů závisí na míře zralosti, u jablek bývá obsah do 4 %, u švestek 1 %. Pektiny jsou v destilátech hlavním zdrojem metanolu. Dále pak ovoce obsahuje, vlákninu, kyselinu jablečnou, citronovou nebo vinnou, některé hořké látky (katechiny) (Dyr, 1997, Uhrová, 2009). V jiných zemích světa se k výrobě využívají hlavně datle a fíky. Datle mají obsah cukru v sušině 77 %, proto jsou velmi vhodné k výrobě lihu. 18

19 Kvalita ovoce závisí na podmínkách během pěstování (tab. 2). Je nevhodné používat nedozrálé ovoce. Sady by se měly prořezávat, protože ovoce z nevhodně vysazených stromů má málo cukru a aromatických látek vlivem nedostatku světla. Vhodné je také použít hnojení a ochranu proti škůdcům a chorobám (Pischl, 1997). Údaje o složení jednotlivých druhů ovoce jsou uvedeny v tabulce č. 2. Tabulka č. 2 Složení ovoce (Hamrová, 1989) Druh Cukr Hrubá Sušina jako Extrakt Popel vláknina ph (%) invert (%) (%) (%) (%) Švestky 17,1 8,7 14,5 0,48 3,3 0,60 max. 22,5 13,9 18,3 0,56 3,8 0,82 min. 10,0 5,6 8,2 0,40 2,9 0,46 Slívy 17,7 8,5 13,3 0,53 3,2 0,13 max. 19,6 17,0 19,0 0,20 min. 10,4 3,9 9,4 0,07 Třešně 17,9 10,2 12,9 0,25 3,9 0,53 max. 21,3 12,7 15,6 0,33 4,1 0,77 min. 12,4 8,3 9,4 0,20 3,8 0,35 Jablka 16,3 10,5 14,3 1,50 3,2 0,40 max. 23,0 17,0 19,5 2,40 3,4 0,65 min. 12,2 5,0 9,5 0,90 3,1 0,20 Hrušky 16,3 9,6 13,8 2,16 3,6 0,34 max. 19,9 12,7 15,4 2,60 4,0 0,59 min. 12,3 4,5 10,2 1,40 3,4 0, Švestky a pološvestky Švestek je celá škála odrůd, navzájem se liší barvou, tvarem, chutí a dalšími vlastnostmi. Pro lihovarské účely se hodí všechny odrůdy, s obsahem cukru v plné zralosti větším než 8 % mnohdy až 15 %. Švestky mají zůstávat na stromě co nejdéle a je vhodné je pro přípravu rmutu odpeckovat. Průměrný lihový výtěžek je 9 litrů ze 100 kg (Dyr, 1997). 19

20 Jablka Jsou to nepravé plody malvice, nejrozšířenější druh ovoce v Evropě. Nejvyužívanější odrůda je Gráfštýnské jablko. Dosahují cukernatosti kolem 10 % a z toho obsahují 30 % sacharosy. Ze 100 kg jablek můžeme získat až 16 litrů pálenky, ovšem většinou to bývá kolem 6 litrů. Je lepší jablka nejdříve vylisovat a poté nechat zkvasit ovocnou šťávu a drť zvlášť (Dyr, 1997, Gölles, 2001) Hrušky Hrušně rostou spíš v teplejších oblastech. Potřebují půdu bohatou na živiny. Pro výrobu lihu se nejčastěji používá odrůda Williamsova čáslavka nebo medovka. Mají aromatickou a šťavnatou dužninu. Jejich cukernatost je mezi 7-12 %. Hrušky musí být opravdu velmi zralé až v počátku hniličení. Vhodné je stejně jako u jablek nejdříve hrušky vylisovat. Ze 100 kg hrušek můžeme v průměru vytěžit 6 litrů lihu (Dyr, 1997, Gölles, 2001) Kvasinky a jiné mikroorganismy Schopnost produkovat větší množství etanolu z potravin, které obsahují sacharidy je popisována u velké škály mikroorganismů. Z kvasinek to jsou především rody Saccharomyces, Zygosaccharomyces, Kluyveromyces. Zástupci bakterií jsou především z rodů Zymomonas, Lactobacillus, Clostridium (Rebroš et al., 2005). Kvasinky jsou jednobuněčné anaerobní mikroorganismy, patřící do skupiny vřeckatých hub - Ascomycetes, jejich velikost je přibližně 5 µm a obsahují 80 % vody. Různé druhy kvasinek způsobují různé druhy kvašení. Pro lepší kvašení je vhodné přidat některé ušlechtilé kvasinky. Rod kvasinek Saccharomyces je nejběžnější při lihovém kvašení. Nejznámější z tohoto rodu je Saccharomyces cerevisieae. Kvasinky (obr. 4) vytvářejí etanol pomocí složitého biochemického systému, který je podstatnou součástí jejich životní činnosti. Z hlediska lihového kvašení lze podle druhu činnosti mikroorganismu rozdělit na: - produkční lihové, produkující jako hlavní složku etanol; - produkční, vyvolávající v kvasu tvorbu látek chuťových a vonných; - neutrální, které nesnižují ani nezhoršují kvalitu kvasu, ale mohou snižovat většinou jen nepatrně lihové výtěžky; 20

21 - kontaminující, jejichž přítomnost bývá nežádoucí, protože nepříznivě ovlivňují kvasný pochod (Dyr, 1997). Obr. č. 4 Kvasinka (Hamrová, 1988) 1 buněčná stěna; 2 - jizva zrodu; 3 - cytoplazmatická membrána; 4 vakuola; 5 volutin; 6 jádro; 7 jaderná membrána; 8 glykogen; 9 tuk; 10 ER; 11 GA; 12 - mitochondrie Bakterie rodu Zymomonas mobilis jsou gram negativní tyčinky, které produkuji etanol. Optimální teplota pro jejich růst je 30 C. Rostou rychleji a produkují méně biomasy (odpadu) než kvasinky. Tyto bakterie mohou štěpit pouze glukosu, fruktosu a částečně sacharosu. V současnosti roste zájem o využití této bakterie (Rebroš et al., 2005). Vlastní kvašení v pálenicích probíhá v nesterilním prostředí, a proto za normálních provozních podmínek nelze zcela vyloučit výskyt kontaminujících mikroorganismů, zejména bakterií a plísní (Grégr, 1974). Velmi častý je výskyt bakterií mléčného kvašení, které produkují kyselinu mléčnou. Mezi další patří bakterie máselného kvašení, které vytvářejí spóry rezistentní vůči teplotě. V kvasech se nejčastěji vyskytuje rod Clostridium. Třetí nejvýznamnější jsou bakterie octového kvašení, které oxidují etanol na kyselinu octovou (Dyr, 1997). Plísně se vyskytují během kvašení zřídka, vytvářejí se v důsledku použití kontaminovaných surovin a nedodržení hygienických podmínek. Mezi nejznámější zástupce patří rod Aspergillus, Pencilium, Fusarium nebo Mucor. Plísně se ničí vyšší teplotou, a proto se odstraňují snáze než bakterie Voda V zásadě se voda přidává pouze v nutném množství, tak aby nesnižovala kvalitu rmutu. Maximálně se jedná o jednu třetinu množství ovocné břečky. 21

22 3.3 Výroba etanolu Příprava rmutu Příprava rmutu ze škrobnatých a cukernatých surovin se výrazně liší Výroba z cukernatých surovin ovoce Ovoce používané pro přípravu rmutu musí být v konzumní zralosti, tak aby mělo dostatečný obsah cukru. Nehodí se nahnilé a zplesnivělé plody. Je lépe ovoce odstopkovat, protože celulosa a třísloviny v kvasu nepříznivě ovlivňují chuť pálenky. Peckoviny by se měly zbavit pecek. V žádném případě nesmí dojít k rozdrcení pecek, což by zhoršilo kvalitu etanolu. Pro urychlení průběhu kvašení je nutné ovoce rozmělnit pomocí mlýnků, strouhaček či válců. Tuto drť pro zvýšení výtěžku etanolu je vhodné upravit, například naležením, nakvašením nebo zahřátím (teplota by neměla překročit 60 C). Dojde tím k odbourání pektinových látek, inaktivaci enzymů a sníží se riziko kontaminace. Rozdrcené ovoce se plní do kvasných nádob, nejlépe jednorázově, bez postupného přidávání. Kvasné nádoby mohou být z různého materiálu, ať už dřevěné, kameninové, plastové či nerezové. Vždy je nutno nádoby před plněním čistit a desinfikovat, tak abychom předešli přítomnosti nevhodných mikroorganismů. Nádoby se plní zhruba do čtyř pětin objemu, neboť při kvašení se obsah zvedá. Pokud se kvasí v uzavřených nádobách, je nutno používat kvasné zátky, aby mohl unikat vznikající oxid uhličitý. Je třeba surovinu co nejdříve uvést do fáze kvašení, aby nedošlo k množení nežádoucích mikroorganismů (Dyr, 1997, Cibulka, 2003). Pro lepší prokvašení rmutu je možné přidat pekařské droždí, lihovarské kvasinky nebo si připravit zákvas z čisté kultury kvasinek a malého množství ovoce. Zákvas se během několika dní namnoží a lze jej přidat do ovocného rmutu. Výtěžnost je ale vždy závislá na obsahu cukru v plodech (tab. 3). Rychlost kvašení je rovněž závislá na teplotě. Při teplotě do 10 C kvas zraje velmi pozvolna a kvašení trvá až několik měsíců, v kvasu však nedochází k množení octových bakterií a výsledné pálenky jsou kvalitní. Doba, kterou potřebují jednotlivé druhy ovoce, se výrazně liší. Při zpracování velkého objemu suroviny či výrobě průmyslového lihu se kvašení urychluje zahřátím břečky nebo umístěním do vytápěné kvasírny (Dyr, 1997). 22

23 Tabulka č. 3 Průměrná výtěžnost alkoholu ze 100 l kvasu při známé cukernatosti ovoce (Dyr,1997) Druh Extrakt kvasu (%hm) Cukr (%) ovoce sladkého zralého Etanol (l) Švestky Třešně ,5-7,5 Jablka ,5 5-6 Hrušně ,5-3,5 5-6 Slívy Výroba ze škrobnatých surovin obiloviny Během zpracování škrobnatých surovin je hlavním úkolem připravit škrob pro působení amylolytických enzymů, což znamená převést škrobová zrna přítomná v surovině působením teploty a za přítomnosti vody na škrobový maz a vzniklý škrobový maz tak uvolnit z buněk (Hamrová, 1988). Je možné využít dva postupy. Jedním z nich je paření celých zrn v pařáku (obr. 5), kdy vlivem horké páry a zvýšeného tlaku zrno nabobtná, rozvaří se a dojede ke zmazovatění škrobu. K tomuto paření se využívá Henzeho pařáku s přetlakem do 0,4 MPa. Pařák je plněný shora, má dvojí přívod páry se samostatnými ventily. Pro lepší rozmělnění zrna je na spodní části umístěn rošt. Vlastní paření trvá 5-10 minut (Dudáš, 1996). Obr. č. 5 Henzeův pařák (Grégr, 1974) Henzeův pařák na obilí 1 otvor pro plnění; 2 spodní otvor k vypouštění díla; 3 - rošt; 4 rozvod páry pro paření obilí; 5 pojišťovací záklopka 23

24 Při druhém způsobu se obilí nejprve rozemele na částice o velikosti 1 mm, čímž se škrob uvolní mechanickou cestou. Potom se v zapařovací kádi smíchá s vodou teplou 90 C, většinou v poměru 1:3, za přídavku zeleného sladu nebo amylolytických přípravků (obr. 6). Pak se směs ochladí a upraví se hodnota ph, která je pro kvašení vhodná v rozmezí 4,6-4,8 (Malleová, Schmickl, 2010). Obr. č. 6 Kontinuální způsob paření (Grégr, 1974) Schéma kontinuálního způsobu paření 1 horní část pařáku, 2 - spodní část pařáku, 3 zásobník upařeného díla, 4 - rozprašovací disk, 5 a, b plovákové regulátory, 6 regulátor odtoku Enzymy Při lihovém kvašení mají významnou úlohu enzymy hydrolasy, oxidoreduktasy a transferasy. Sacharasa neboli invertasa štěpí přímo sacharosu na glukosu a fruktosu. Amylolytické enzymy, využívající se k hydrolýze škrobu, mají většinou mikrobiální původ, například rod Bacillus nebo Pseudomonas. Pro dosažení vyšší výtěžnosti lze použít také některý z amylolytických preparátů, například od německé firmy Erbsleöh přípravek Distizym FM-TOP nebo enzymy firmy NOVO Industrie. Lze také použít sušené kvasnice, kde je již ztekucující enzym přidán, například přípravek Gärfix. Škrob se částečně hydrolyzuje α amylasou, které působí ze vnitř a β amylasou, která rozrušuje vnější části makromolekuly. Při hydrolýze amylopektinu však β-amylasa není schopna rozrušit vazby α-1,6 a tudíž není schopna jej hydrolyzovat úplně a vzniká dále již neštěpitelný dextrin a maltosa, která je maltasou hydrolyzována na dvě molekuly glukosy (obr. 7). Optimální teplota amylasy je kolem 55 C. Teplota vhodná pro působení maltasy je kolem 30 C 24

25 Amylopektin hydrolyzují oba enzymy pouze z %. Obr. č. 7 Zobrazení účinku enzymů na amylosu a amylopektin (Hamrová, 1988) Znázornění účinků amylolytických enzymů na amylosu a amylopektin a účinek α-amylasy na amylosu, b účinek β-amylasy a glukoamylasy na amylosu, c účinek α-amylasy, β-amylasy, glukoamylasy a R-enzymu na amylopektin; 1 - účinek α-amylasy, 2 účinek β-amylasy, 3 účinek glukoamylasy, 4 účinek R-enzymu 25

26 3.3.2 Kvašení Alkoholové kvašení je zdrojem energie pro kvasinky. Princip kvašení spočívá v anaerobním rozkladu cukru na etanol, oxid uhličitý a další látky, jako například glycerol, metanol, přiboudlina, acetaldehyd. Rovnice alkoholového kvašení: C 6 H 12 O 6 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2. Dochází také k uvolnění velkého množství energie, které se z části přemění na teplo a z části se uloží jako energie potřebná pro kvasinky. Kvašení probíhá přibližně tři dny, nejlépe kolem 20 C u ovocné zápary a kolem 25 C u zápary z obilnin. Fermentaci může rozdělit do několika fází a to na rozkvašování, hlavní kvašení a dokvášení. V první fázi dochází k pomnožení kvasinek. Začíná mírně stoupat teplota a na povrchu se vytváří bublinky (Cibulka, 2003). Během hlavního kvašení dochází k uvolňování velkého množství CO 2. Na povrchu se tvoří velké bubliny a zápara se mírně pohybuje. Teplota by neměla přesáhnout 30 C. Obsah etanolu je větší než 5 %. Dokvášení je poslední stádium kvašení a dochází v něm ke zcukření a prokvašení zbylých dextrinů u škrobnatých surovin. Pokud přestane unikat oxid uhličitý, hladina zápary poklesne, činnost kvasinek je zastavena, dochází k ukončení fermentace a zápara je připravena k destilaci. Ke špatnému průběhu dokvašování dojde tehdy, pokud hlavní kvašení probíhá za nadměrně vysoké teploty a velmi rychle, v zápaře pak nastane nedostatek zkvasitelných cukrů a kvasinky hladovějí. Tyto kvasinky potom kvasí špatně. Nedostatek zkvasitelných cukrů se projeví také tehdy, když se zastaví činnost amylas, protože ph kvasící zápary poklesne vlivem působení kontaminujících bakterií (Hamrová, 1988) Destilační zařízení v pěstitelských pálenicích a zemědělských lihovarech Etanol se destiluje ze zápary na destilačních přístrojích kolonách. Destilační přístroje mohou mít jedno až tříkolonové uspořádání. Zařízení se skládá z vařáku, klobouku, přestupníku, kondenzátoru a chladiče (obr. 8). Spodní, vytápěná část kolony, se nazývá vařák, který může být zahříván přímo plamenem nebo nepřímo, pomocí tvorby horké páry, která zprostředkuje přenos tepla. Nejhořejší část destilační kolony je hlava. Patra záparové kolony bývají klobouková s jedním velkým kloboukem na patře. Na patrech dochází ke styku par s kapalinou stékající opačným směrem. Destilační kotel 26

27 s kondenzátorem spojuje přestupník. Každá kolona je vybavena deflegmátorem (chladičem), který slouží k částečné kondenzaci par. V plynném stavu pak odcházejí nezkondenzované páry o vyšší koncentraci etanolu do chladiče, ve kterém se páry zkondenzují, a kapalný líh odchází přes měřidlo do sběrné nádrže (Pischl, 1997). V průmyslových lihovarech se provádí výhradně kontinuální destilace, v pěstitelských pálenicích pro výrobu ovocných destilátů se jedná o diskontinuální destilaci. Průmyslová destilační zařízení se skládají z 5 a více kolon v patrech. Nejnovější destilační přístroje využívají v některých tělesech zvýšeného tlaku (Kadlec, Melzoch et al., 2012). Obr. č. 8. Schéma klasické pálenice (DESTILA.CZ. Pěstitelská pálenice se surovinovým kotlem a rektifikačním kotlem typ-ppd[online]. [cit ]. Dostupný na WWW: 27

28 V moderních pálenicích se používají také jednokolonové destilační přístroje (obr. 9), které umožňují lepší oddělení nečistot a poskytují kvalitnější destilát bez nutnosti opakované destilace. Proces probíhá nepřetržitě. V zemědělských lihovarech je pro zpracování škrobnatých surovin třeba složitějšího zařizení (obr. 10). surovina se nejdříve pere, pak dochází k přípravě zápary ztekucení v Henzeově pařáku, zcukření v zapařovací kádi, fermentaci zápary v produkčních kvasných kádích, destilaci zralé zápary, dopravě a skladování surového lihu včetně uložení výpalků (Diviš, 2010). Obr. č. 9 Schéma jednokolonové pálenice (DESTILA.CZ. Pěstitelská pálenice se surovinovým kotlem a rektifikačním kotlem typ-kpd[online]. [cit ]. Dostupný na WWW: 28

29 Obr. č 10 Technologické schéma výroby lihu v zemědělském lihovaru (Diviš,2010) Průmyslová výroba bioetanolu z obilí pro palivové účely většinou probíhá na výrobních linkách. Nejprve je vstupní surovina vytříděna pomocí systému sít a odkaménkována. Následuje šrotování v kladivových šrotovnících. Šrot je pak zvážen, míchá se s vodou a enzymy. Nejprve se při procesu ztekucení uvolňují dextriny, které se dále štěpí procesem zcukřování až na jednoduché monosacharidy. Pomocí kvasinek probíhá prokvašení cukrů v kvasných kádích na etanol. Vlastní líh se pak odděluje pomocí destilace. V záparové koloně se získává etanol s koncentrací cca 55 %, která se v rektifikační koloně zvyšuje na 96 % a na molekulových sítech se odvodňuje až na koncentraci 99,7 %. Jedním z velkých producentů bioetanolu z obilí v ČR je lihovar společnosti Ethanol Energy a.s. ve Vrdech, který vyrobí hl denně. Většina lihovarů v ČR se zaměřuje na využití melasy Destilace Destilace je separační metoda, která odděluje kapalnou směs více složek po zahřátí k bodu varu. Směs je částečně odpařena, pára pak následně zkondenzována. Kotel se plní do dvou třetin obsahu, u snadno pěnících surovin jen do poloviny. K získání etanolu je nutno zahřát zkvašený kvas do bodu varu, jakmile se objeví první destilát řídí se zahřívání podle druhu suroviny. Etanol těká spolu s vodní parou, tato směs je zachycována v uzavřeném systému trubek, ve kterých se ochlazuje a dochází tak ke kondenzaci na tekutinu obsahující vodu i alkohol. Bezvodý čistý alkohol vře 29

30 za normálního atmosférického tlaku při 78,3 C, voda při 100 C. Bod varu směsi závisí na vzájemném poměru voda-etanol a jeho rozmezí je 78,3 100 C (0,1 MPa) (Dyr, 1997). Získání kvalitního destilátu ovlivňuje rychlost destilace. Významným prvkem je také kvalita a lihovitost kvasu. Při první destilaci se jímá destilát, dokud obsah etanolu neklesne pod 2 3 % objemu. Na počátku destilace může být obsah alkoholu až 80 % a postupně klesá. Průměrná lihovitost prvního destilátu bývá % a tento se nazývá lutr (Pischl, 1997). Pro zvýšení obsahu etanolu na % se lutr dále destiluje, neboli rektifikuje. Rektifikace je pochod, při němž získáváme silnější destilát cestou opakované destilace. Zároveň s tím může probíhat rafinace, což je odstranění doprovodných látek z lihu. Oba tyto procesy se provádějí v kolonovém uspořádání (Ingr, 1997). Při rektifikaci se získávaný destilát dělí na tři frakce: úkap, prokap a dokap. Úkap obsahuje složky s nižším bodem varu, hlavně aldehydy a acetáty a tvoří přibližně 1-2 % z celkového objemu destilátu. Vzniká hlavně při kontaminaci kvasu nežádoucími mikroorganismy. Díky acetaldehydu má úkap typický zápach po lepidle, nehodí se k výrobě destilátu, a proto se používá k výrobě čistících prostředků (Malleová, Schmickl, 2010). Prokap tvoří střední frakci destilace, někdy se také nazývá jádro a představuje nejkvalitnější destilát. Na počátku jímání se obsah etanolu pohybuje okolo 70 % obj. a postupně klesá. Při koncentraci nižší než 50 % obj. alkoholu sbíráme dokap. Dokap obsahuje látky s vyšším bodem varu, než má etanol a můžeme ho znovu destilovat (Hamrová, 1988) Výpalky Výpalky jsou zbytky po destilaci zápary, které zůstávají v destilačním kotli. Obsahují zbylou sušinu z kvasu a jejich složení závisí na původní surovině, procesu kvašení a průběhu destilace. Obilné výpalky se využívají jako krmivo s obsahem bílkovin a minerálních látek. Objem výpalků se přibližně rovná množství připravené zápary. Výpalky mají většinou velmi nízké ph, které je nutno před zkrmováním upravit (Hamrová, 1988, Rychtera et al., 1987). 30

31 3.3.5 Ztráty lihu při výrobě Při výrobě lihu dochází ke ztrátám, které se dělí do několika skupin. a) Ztráty vznikající činností kvasinek představují tvorbu vedlejších produktů, na kterou má vliv druh kvasinek, teplota fermentace a složení zápary. Ztrátu také představuje spotřeba cukrů na růst kvasinek. b) Ztráty, vzniklé únikem oxidu uhličitého, který s sebou odvádí lihové výpary, jsou způsobeny vysokou teplotou zápary během kvašení a mohou tvořit až 1 % z vyrobeného lihu. c) Ztráty v průběhu paření suroviny, v důsledku nedokonalého uvolnění škrobu ze zrna. d) Ztráty během kvašení, které jsou způsobeny málo aktivními kvasinkami, nedodržením teploty, případně kontaminací nežádoucími mikroorganismy. e) Významné ztráty vznikají únikem etanolu do výpalků. Obsah by neměl být vyšší než 0,02 % obj. Příčinou bývá kolísavý tlak, nadměrné zvýšení výkonu kolony (zrychlení destilace) nebo nadměrné ochlazení v deflegmátoru, čímž se vrací do kolony velké množství lihu, které již nelze vyvařit. f) Další ztráty mohou být způsobeny únikem lihových par chybně utěsněnými spoji mezi díly kolony nebo závadami při odvzdušňování lihu (Hamrová, 1988). 31

32 4. Materiál a metodika V rámci laboratorních pokusů byly testovány vybrané odrůdy pšenice. U vzorků byl stanoven obsah škrobu u vzorků z obou lokalit a výtěžnost bioetanolu kvasnou zkouškou u pšenice sklizené ze stanoviště Obora. Výběr odrůd pšenice včetně charakteristiky surovin potřebných pro kvasnou zkoušku je uveden níže. 4.1 Materiál Přehled testovaných odrůd pšenice Vzorky jednotlivých odrůd pšenice byly získány z poloprovozních pokusů založených pracovníky Ústavu pěstování, šlechtění rostlin a rostlinolékařství na dvou lokalitách (Obora, Písky) v katastru obce Žabčice. Lokalita Obora se vyznačuje lepšími půdními podmínkami a větší vláhovou jistotou, lokalita Písky je sušší. Přehled odrůd včetně jejich zařazení do skupiny dle kvality uvádí tabulka 4. Odrůdy byly rozděleny do kategorií podle pekařských jakostí, které se určují podle pekařských kvalit na elitní (E), kvalitní (A), chlebovou (B) a vhodnou pro škrobárenské účely (C). Tab. č. 4 Vybrané odrůdy pšenice Pekařská jakost Odrůda Midas Akteur Fabius IS Corvinus Peppino Evina E Forhand Magister IS Median Chevalier IS Escoria IS Agape Arktis Federer Bardotka Cimrmanova raná Dagmar Silueta Diadem Cubus SY Passport JB Asano Aladin Sailor Golem Patras Bohemia Princeps A Jindra Premio Bekend Meister Elly Matylda Brilliant Kerubino IS Bonnet Brokat Lavantus Matchball Fakir Mulan Sultan Zeppelin Etana Turandot Alana Elan B Altigo Seladon Henrik Beduin Tobak Baletka C Yetti Hewitt IS Conditor Vanessa KWS Ozon Penalta 32

33 4.1.2 Použité enzymy Pro přípravu sladké zápary byly použity enzymy firmy Genencor. Tato společnost, patřící pod DuPont, je světový lídr v oblasti průmyslové biotechnologie, je předním výrobcem průmyslových enzymů. V rámci kvasné zkoušky byly použity následující enzymy: Optimash TBG redukuje viskozitu obilných zápar. Je složen z několika β-glukanáz, které hydrolyzují neškrobnaté polysacharidy. Nejvyšší aktivitu má při C při ph 4-4,6 po dobu minimálně 30 minut (Gregor et al., 2011). Distillase CS se využívá k zcukření naštěpeného škrobu až na glukosu a maltosu. Je složen z β-amylasy. Nejvyšší aktivitu má při 60 C a ph 3,8-4,5 po dobu 30 minut (Gregor et al., 2011). Enzym Distillase L 400 zrychluje dobu kvašení, podporuje vyšší tvorbu bioetanolu a snižuje znečištění ve výparníku. Tento enzym se používá ke zcukření Kvasinky Ke kvašení bylo použito pekařské droždí, Sacharomyces cerevisce. 4.2 Metodika Vzorky zrna pšenice byly pomlety na laboratorním mlýnku a byl stanoven u nich obsah škrobu dle Everse (Pelikán, 1993). Z meliva byla poté připravena zápara, které byla zcukřena a ztekucena pomocí enzymů firmy Genencor Příprava zápary Do rmutovací kádinky bylo naváženo 100 g šrotu, přidáno 350 ml teplé vodovodní vody a upraveno ph směsi na 5,5 pomocí 0,5 1M H 2 SO 4. Po promíchání bylo přidáno 25 l enzymu Opti-Mash TBG, a kádinka ponořena do vodní lázně 65 C. Po 30 minutách bylo přidáno 80 l enzymu GC-420 a zvýšena teplota lázně na 85 C. Rmutování probíhalo cca 90 minut.v případě změny ph byla provedena jeho úprava. Poté byla teplota snížena na 60 C, ph upraveno na 4 a přidáno 50 l enzymů Distillase L-400 a Distillase CS. Po 30 minutách bylo rmutování ukončeno. Směs byla zchlazena na C a převedena kvantitativně do zvážené Erlenmayerovy baňky. Její obsah pak byl dovážen na 500 g. Poté byl přidán 1 g kvasinek S. cerevisiae, několik 33

34 kapek odpěňovacího přípravku (silikonový olej), nasazena kvasná zátka a kvasná baňka vložena do termostatu vyhřátého na 30 C. Kvašení probíhalo 96 hodin Zjištění obsahu etanolu Baňka s prokvašenou záparou byla zvážena a její obsah zfiltrován přes hrubou bavlněnou látku. 250 g filtrátu bylo odváženo do destilační baňky, upraveno na ph 7 pomocí 0,5M NaOH, přidán odpěňovací přípravek, 3-5 varných kamínků a provedena destilace do zábrusové předlohy (250 ml Erlenmayerova baňka) s 25 ml destilované vody. Z předlohy byl obsah převeden kvantitativně do odměrné baňky o objemu 200 ml a doplněn destilovanou vodou po rysku. Roztok byl poté převeden do pyknometru a pyknometr zvážen. Byla spočítána hustota a v tabulkách stanovena koncentrace etanolu, která se použila pro výpočet výtěžnosti. Výpočet výtěžnosti etanolu v l/100 kg sušiny zrna: bioetanol = á áž š 4.3. Vyhodnocení výsledků Výsledky byly zpracovány do tabulek a grafů pomocí programu MS Excel. Rozdíly v obsahu škrobu a výtěžnosti etanolu u jednotlivých odrůd byly vyhodnoceny metodou analýzy variance s následným testováním dle Tukeye (Stávková, Dufek, 2005). 34

35 5. Výsledky a diskuse Rozhodující pro dosažení vysoké výtěžnosti bioetanolu je obsah extraktivních látek, především škrobu v zrně. Z výsledků našich pokusů je zřejmé, že obsah škrobu v zrně mohou výrazným způsobem ovlivnit stanovištní podmínky. Graf č. 1 Vliv lokality na obsah škrobu Poznámka: Vlhkost zrna 14%. Jak je patrné z grafu 1, vyšší obsah škrobu mělo zrno z lokality Obora, kde jsou i lepší půdní a především vláhové podmínky. Graf č. 2 Vliv lokality a skupiny podle kvality na obsah škrobu Poznámka: Vlhkost zrna 14%. 35

36 Zrno sklizené z lokality Obora vykazovalo vyšší obsah škrobu oproti zrnu z lokality Písky u všech kvalitativních skupin (graf 2, tab. 5-8). Následující graf 3 sumarizuje rozdíly v obsahu škrobu u jednotlivých skupin jako průměr za obě lokality. Je patrné, že skupina C, která je nevhodná pro pekárenské zpracování, obsahuje nejvyšší procento škrobu a skupina elitních odrůd pšenic (E) vykazuje hodnoty nejnižší. Rozdíly ale nejsou velké a pohybují se okolo cca 1 %. Rozsah zjištěných hodnot stanovených u konkrétních odrůd velmi kolísá, nejvíce ve skupinách B a C (tab. 7, 8). Svědčí to o různé adaptabilitě odrůd na dané prostředí. Graf č. 3 Vliv skupiny dle kvality na obsah škrobu Poznámka: Vlhkost zrna 14%. Z tabulek 5-8 je patrné, že vyšší obsah škrobu mají pšenice pekařské jakosti C a to z obou lokalit a nejnižší obsah škrobu je pak u pšenic elitních (E). Námi dosažené výsledky pak korespondují se závěry Dvořáčka (2010), který uvádí, že existuje významná závislost mezi dosaženým obsahem škrobu, podmínkami stanoviště, odrůdou a uplatněnou agrotechnikou. Výtěžnost bioetanolu u jednotlivých odrůd pšenic se značně liší. Mezi pšenicemi s pekařskou jakostí E, nejvyššího výtěžku dosáhly odrůdy Midas a IS Corvinus, nejnižší IS Escoria (tab. 5). Ve skupině s pekařskou jakostí A byl nejvyšší výtěžek u odrůd Patras a Brilliant, nejnižší u odrůdy Elan (tab. 6). Mezi pšenicemi pekařské jakosti B byla nejvýtěžnější odrůda Altigo a nejhorší odrůda Seladon (tab. 7). Nejmenší rozdíly ve výtěžnosti vykazovaly odrůdy pekařské jakosti C, nejvíce etanolu bylo získáno u odrůdy KWS Ozon a nejméně u odrůdy Yetti. 36

37 Graf č. 4 Vliv skupiny podle kvality na výtěžnost bioetanolu Jak vyplývá z grafu 4, pro výrobu bioetanolu jsou nejvhodnější odrůdy chlebových (B) pšenic. Naopak nejnižších výsledků bylo dosaženo u odrůd pšenic skupiny C. Musíme ale objektivně podotknout, že rozhodující je i kvalita přípravy rmutu, zcukření a úroveň prokvašení sladké zápary. Všechny tyto faktory se mohly do celkové výtěžnosti promítnout. Navíc je potřeba si uvědomit, že počet jednotlivých odrůd ve skupinách nebyl stejný. 37

38 6. Závěr Cílem práce bylo seznámit se s problematikou přípravu obilných a ovocných rmutů a výrobou bioetanolu z různých plodin a vypracovat na toto téma literární rešerši. Dále pak provést pokusy, ve kterých bude hodnocena škrobnatost vybraných odrůd pšenice a výtěžnost bioetanolu. Odrůdy pšenice byly rozděleny podle pekařské jakosti a pěstovány na dvou půdně odlišných lokalitách. Jako nejvhodnější pro výrobu bioetanolu se jevily pšenice pekařské jakosti B chlebové, především odrůda Altigo a Tobak, které dosáhly nejvyšší výtěžnosti lihu a to více než 38 l aa/100 kg sušiny. Nejnižší výtěžnost byla naměřena u odrůdy IS Escoria ze skupiny elitních pšenic a to méně než 20 l aa/100 kg sušiny zrna. Bylo stanoveno, že obsah škrobu nemá tak výrazný vliv na výtěžnost bioetanolu, jak jsme očekávali. Pšenice jakostní skupiny C i přes nejvyšší obsah škrobu vykazovaly v průměru nejnižší výtěžnost bioetanolu. Z výsledků získaných na pokusných lokalitách lze doložit, že lokalita, odrůda a technologie pěstování významně ovlivňuje obsah škrobu i výtěžnost bioetanolu. 38

39 7. Seznam použité literatury 1. BALAŠTÍK, J. Jak vypálit lepší slivovici. Vyd. 1. Ostrožská Nová Ves: J. Balaštík, s. ISBN CIBULKA, Jiří. Domácí vína: piva, likéry a medoviny. Vyd. 1. Liberec: Gen, ISBN DIVIŠ, J. Lihovarnická expozice v Dobrovických muzeích. Listy cukrovarnické a řepařské, 2010, roč 126. (6/7), s ISSN: Dvořáček, V.; et al. Efektivní postupy pěstování pšenice pro produkci pšeničného škrobu a bioetanolu. Listy cukrovarnické a řepařské, 2010, roč 126.(4), s ISSN: DYR, J. -- DYR, J. E. Výroba slivovice a jiných pálenek. 4. vyd. Praha: Maxdorf, s. ISBN GÖLLES, Alois. Ušlechtilé destiláty: praktická kniha o pálení. Překlad Mojmír Rychtera. Praha: Ivo Železný, 2001, 109 s. ISBN GREGOR; CERKAL; HŘIVNA; ŠOTTNÍKOVÁ. Stanovení extraktu v zrnu ječmene enzymatickou cestou. Kvasný průmysl, 2011, č.57 (7-8), s GRÉGR V., UHER J.. Výroba lihovin: 2., přeprac. a dopln. vyd. Praha: SNTL, HAMROVÁ, L. Technologie zemědělského lihovarství. 1. vyd. Praha: SNTL, s. 10. HORÁKOVÁ, Vladimíra, Olga DVOŘÁČKOVÁ a Tomáš MEZLÍK. Seznam doporučených odrůd 2013, Přehled odrůd Brno: Ústřední kontrolní a zkušební ústav zemědělský, ISBN HROMÁDKO, a kol. Výroba bioetanolu. Listy cukrovarnické a řepařské, 2010, (7/8), s ISSN HROMÁDKO, J. a kol. Chemické listy, Roč. 104, č. 8, s ISSN JÍLEK, Jan a Josef A ZENTRICH. Příprava ovocných kvasů na výrobu slivovice (a ostatních pálenek): výroba slivovice a její léčivé účinky. Olomouc: Dobra & Fontána, 1999, 208 s. ISBN KONŠEL, Lubomír: ýroba bioetanolu v Česku na rozcestí. Listy Cukrovarnické a Řepařské. 2009, roč. 125, 9/10, s ISSN:

40 15. KUČEROVÁ, J. Technologie cereálií. 1. vyd. Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita, 2004, 141 s. ISBN KUNTEOVÁ, L. Zemědělské plodiny vhodné k výrobě bioethanolu (1.část).Úroda, 2000, (11), s ISSN KUNTEOVÁ, L. Zemědělské plodiny vhodné k výrobě bioethanolu (2.část).Úroda, 2000, (12), s ISSN PELIKÁN, Miloš a František DUDÁŠ. Technologie kvasného průmyslu. 1.vyd. Brno: MZLU, 1996, 129 s. ISBN PELIKÁN, M. Zpracování zemědělských produktů: cvičení. 1.vyd. Brno: VŠZ, 1993, 83 s. ISBN PISCHL, Josef. Vyrábíme ušlechtilé destiláty. Praha: Ivo Železný, vyd. 177s. ISBN PŘÍHODA, J., P. SKŘIVAN a M HRUŠKOVÁ. Cereální chemie a technologie I: Cereální chemie, mlýnská technologie,technologie výroby těstovin. Praha: Vysoká škola chemicko-technologická, vyd. ISBN REBROŠ, M., ROSENBERG, M., KRIŠTOFÍKOVÁ, Ľ., STLOUKAL, R.: Mikrobiálna produkcia palivového etanolu: baktérie alebo kvasinky?. Chemické Listy, 2005, č. 99, s , ISSN RYCHTERA, M. UHER, J. PÁCA, J. Lihovarství, drožďařství a vinařství. I. část. 2. vyd. Praha: VŠCHT, s. ISBN RYCHTERA, M. UHER, J. PÁCA, J. Lihovarství, drožďařství a vinařství. II. část. 2. vyd. Praha: VŠCHT, SCHMICKEL, H. MALLE, M. Domácí výroba lihovin. 2. vyd. Praha: Beta, s. ISBN STÁVEK, J. Pálenky podle ovoce. BarLife č. 3, s ISSN STÁVKOVÁ, Jana a Jaroslav DUFEK. Biometrika. 1.vyd. Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, 2005, 178 s. ISBN UHROVÁ, H. Domácí výroba slivovice a ostatních destilátů, ovocných šťáv, sirupů a vín. [Líbeznice]: Víkend, s. ISBN VELÍŠEK, Jan. Chemie potravin 1. Vyd. 2., upr. Tábor: OSSIS, 2002, 331 s. ISBN