MENDELOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

MENDELOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BRNO 2008 Tereza Szabó

Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav technologie potravin Problematika využití výpalků při výrobě bioethanolu Bakalářská práce Vedoucí práce: Ing. Tomáš Gregor, Ph.D. Vypracovala: Tereza Szabó Brno 2008

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma PROBLEMATIKA VYUŽITÍ VÝPALKŮ PŘI VÝROBĚ BIOETHANOLU 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 diplomové práce a děkana AF MZLU v Brně. dne. podpis diplomanta.

Poděkování Tímto bych chtěla poděkovat vedoucímu své bakalářské práce, Ing. Tomáši Gregorovi, Ph.D., za pomoc a veškerý čas, který mi vždy a s ochotou věnoval.

Abstrakt Současná doba se vyznačuje nutností revidovat všechny technologie způsobující znečištění životního prostředí. Spalování fosilních paliv vede ke znečištění ovzduší. V případě spalování nafty a benzinů v motorech nejde jen o emise oxidu uhličitého, ale i o znečišťování zplodinami hoření. Proto se hledají alternativní zdroje paliv, které by zajistily v rámci možností naší planety svou regeneraci, ale též využití vznikajícího oxidu uhličitého. Tak zvaná biopaliva jsou uhlíkaté sloučeniny, které přidáním do klasických pohonných hmot zlepšují jejich oktanové číslo a spalování, což vede ke snížení obsahu škodlivých látek ve výfukových plynech. Zvýšená poptávka po bioethanolu vede k rozvoji závodů na výrobu ethanolu v řadě vyspělých zemí. S nárůstem výroby a po jejím zefektivnění se objevily také možnosti pro využití značného množství odpadních výpalků, které jsou odpadním produktem výroby ethanolu a bioethanolu a představují významný odpad potravinářského a petrochemického průmyslu. Kapalný podíl obilných lihovarských výpalků je vzhledem k jeho množství a vysokému obsahu organických látek poměrně problematickým odpadem z pohledu možné ekologické zátěže životního prostředí. Proto se také našlo několik způsobů jejich zpětného využití např. pro krmné účely, ke hnojení, staly se obnovitelným zdrojem biomasy nebo jako zdroje tepelné energie. Klíčová slova: bioethanol, výpalky z destilace, obilné výpalky, krmení, hnojivo, biomasa, chemické zpracování, spalování.

Abstract The present time is marked of necessity to check all technology that can bring environmental pollution. The burning of the fossil fuels contributes to air pollution. What is about burning of oil and petrol in motors, after here don t go about emission of C0 2, but about pollution by product of burning as well. That is why we look for alternative source of fuels that could provide by regeneration within frame possibility of our planet and also using of emergent C0 2. So-called bio-fuels are carbon-allied substances that are added into classical fuels and improve their octane number and burning what lead to falling-off in grade of harmful substance in exhaust. Increased demand for bioethanol leads to development of companies that make ethanol in the line of advanced countries. There were also discovered, with growth of production and after its effects, choices for using of considerable amount of waste molasses that are waste product of ethanol s production and bioethanol and introduce prominent waste of food and petrochemical industries. The liquid portion of distilling molasses is with respect to its quantity and high content of organic matter relatively problematic waste in view of possible ecological load of environment. Thereby also we have found several way how to use that again (for example like food for animal, like dress, or they have become renewable resources of biomass or like sources of heat energy). Key words: bioethanol, distillery slop, grain stillage, pot ale, manure, biomass, chemical treatment, incineration.

Obsah 1. ÚVOD... 8 2. CÍL PRÁCE... 10 3. Literární část... 11 3.1. Suroviny vhodné pro výrobu ethanolu... 11 3.1.1. Sacharidy... 11 3.1.2. Cukernaté suroviny... 13 3.1.3. Škrobnaté suroviny... 15 3.1.4. Lignocelulósové suroviny... 18 3.1.5. Ostatní suroviny... 19 3.2. Lihovarnictví a výroba lihovin... 19 3.2.1. Produkční mikroorganismy a biochemismus lihového kvašení... 20 3.2.2. Způsoby kvašení a jeho průběh... 20 3.2.3. Destilace, rektifikace a rafinace ethanolu... 22 3.2.4 Výroba ethanolu ze škrobnatých surovin... 24 3.2.5. Mikroorganismy s kvasnými schopnostmi... 27 3.3. Lihovarské výpalky... 28 3.3.1. Možnosti využití výpalků... 31 3.3.2. Možnosti využití odpadů z výroby bioethanolu... 34 3.3.3. Technologie zpracování výpalků... 47 3.3.4. Spalování výpalků a získávání výpalkového uhlí... 50 3.3.5. Chemické zpracování melasových výpalků... 50 3.3.6. Spalování výpalků a výroba bioplynu... 51 4. ZÁVĚR... 55 7

1. ÚVOD 1. ÚVOD Z mnoha historických dokladů lze prokázat, že produktů lihového kvašení (fermentace) lidstvo využívalo již od pradávna. Je jisté, že více než před 8.000 lety staří Sumerové, Syřané a Babyloňané používali fermentaci pro výrobu piva a vína. Nebyly však známé procesy a pochody, které ve sladkých roztocích (např. mošt z vinné révy) probíhají. Alkohol je po staletí využíván jako přísada celé řady nápojů a nyní nachází nové uplatnění i v dalších oborech. Alkohol byl tradičně vyráběn především pro výrobu alkoholických nápojů, ale v posledních 25-ti letech významně vzrostl podíl použití alkoholu jako alternativního paliva, především proto, že v současné době začínáme dříve než kdykoliv předtím pociťovat závislost na nerostných (neobnovitelných) zdrojích. Začíná být čím dál jasnější, že současný stav je z dlouhodobého hlediska jako neudržitelný (Texty ze symposia, www.odpadoveforum.cz/symposium/textyof/433.pdf). Jednou z cest jak ven z tohoto bludného kruhu je částečné nahrazení neobnovitelných paliv zdroji obnovitelnými. Jednou z možností jak to provést je přidávání bioethanolu k benzínu (Texty,www.odpadoveforum.cz/symposium/TextyOF/433.pdf). Největší rozmach lihovarské výroby v České republice proběhl v třicátých letech minulého století, kdy byl 7. června 1932 kdy vydán Zákon č. 85 o povinném mísení lihu s pohonnými látkami. Avšak v současné době je nutno uvést, že produkce bioethanolu je z důvodů nedostatečných zpracovatelských kapacit velmi malá a lze ji chápat pouze jako tzv. přípravnou fázi. Na program výroby bioethanolu, jehož cílem je prověření veškerých možností výroby a využití bioethanolu jako zdroje obnovitelné energie v pohonných hmotách, byl bohužel uvedený dotační titul v roce 2003 ukončen a dále se již s jeho podporou neuvažuje. Ovšem v návaznosti na rozšiřující se možnosti výroby a využití bioethanolu pro palivové účely schválila Vláda ČR usnesením č. 833 ze dne 6. srpna 2003 Program Podpora výroby bioethanolu pro jeho přimíchávání do automobilových benzínů a na základě přijetí Kjótského protokolu a směrnic Evropské unie se Česká republika zavázala vyrábět do roku 2005 dvě procenta a do roku 2010 téměř šest procent paliv z obnovitelných zdrojů (Skripta, www.etext.czu.cz/php/skripta/). 8

1. ÚVOD Bioethanolem označujeme ethanol získaný fermentací. Přídavek ethanolu do benzinu se prováděl u nás již před druhou světovou válkou, tehdy se jednalo o povinné přídavky alkoholu do benzinu. Bioethanol má tedy širokou škálu použití jak v potravinářském průmyslu pro výrobu alkoholických nápojů, ve farmacii, v kosmetice a v neposlední řadě jako přídavek do pohonných hmot (MELZOCH aj., www.vscht.cz). Obecně se za producenty ethanolu považují kvasinky, ale jeho producentem mohou být i bakterie, slibnou bakterií je Zymomonas mobilis, která má v porovnání s kvasinkami rychlejší metabolismus, nižší nutriční nároky, fermentace může probíhat za vyšších teplot. Přes určité nesporné výhody bakterií jako producentů ethanolu se stále v průmyslové praxi u nás a ve světě používají kvasinky (Lihovarnictví a výroba lihovin, http://www.vscht.cz/kch/kestazeni/sylaby/liho.pdf ). S rostoucí poptávkou po bioethanolu také začala stoupat výstavba a rozvoj závodů na jeho výrobu. S růstem produkovaného bioethanolu se ale také začalo zvyšovat množství odpadních výpalků, které jsou hlavním vedlejším produktem doprovázejícím výrobu bioethanolu. Řada moderních technologií se snaží jejich množství redukovat a výpalky nebo jejich určitou frakci recyklovat jako náhradu procesní vody či je jinak využít (Studie VŠCHT, http://www.mze.cz/userfiles/file/material%20do%20vlady/biopaliva_kalkulace_studi e_vcht_praha_2006-v3.doc). 9

2. CÍL PRÁCE 2. CÍL PRÁCE Cílem práce je zvládnout problematiku využití výpalků při výrobě bioethanolu, včetně výpalků z výroby lihovin. Zaměřit se na možnosti využití těchto výpalků a technologie jejich zpracování. Dále popsat výrobu ethanolu a na tuto technologii navazující proces vzniku výpalků. 10

3. LITERÁRNÍ ČÁST 3.1. Suroviny vhodné pro výrobu ethanolu Suroviny pro výrobu ethanolu je možné rozdělit na suroviny cukernaté, škrobnaté a lignocelulózové (PELIKÁN aj., 2004). 3.1.1. Sacharidy Volba vhodné sacharidické suroviny závisí na enzymovém vybavení mikroorganismů, které určuje tzv. zkvasitelnost sacharidů. V případě kvasinek jsou přímo zkvasitelné jen monosacharidy - hexosy (hlavně glukosa, fruktosa, mannosa, méně již galaktosa) a disacharidy - C 12 H 22 O 11 (sacharosa, maltosa, méně laktosa a melibiosa). Složitější sacharidy (oligosacharidy až polysacharidy (C 6 H 10 O 5 ) n jako škrob, dextriny, celulosa, inulin, ) musí být před zkvašením hydrolyzovány na jednoduché cukry a to buď působením vlastních enzymů mikroorganismů (hydrolytické enzymy) nebo častěji za použití enzymových preparátů či kyselin, pak hovoříme o enzymové nebo kyselé hydrolýze. Pentosy (xylosa, arabinosa, ribosa ), jejichž zdrojem jsou hemicelulosy, nejsou prakticky zkvasitelné nebo po složitých úpravách (Lihovarnictví a výroba lihovin sylabus k předmětu, http://www.vscht.cz/kch/kestazeni/sylaby/liho.pdf). D-glukosa D-glukosa je nejdůležitější monosacharid a nejrozšířenější cukr vůbec. Je známa pod pojmem hroznový cukr a dextrosa. V rostlinných a živočišných tkaních se vyskytuje volná i vázaná. D-glukosa je stavební jednotkou maltosy, sacharosy a laktosy a monomerem mnoha polysacharidů např. škrobu, celulosy, β-glukanů a glykogenu. Je přítomna ve všech sladkých plodech a její koncentrace v lidské krvi je 0,006 0,1% Tvoří základní cukr v metabolismu a je zdrojem metabolismů rostlin a živočichů. V lékařství se využívá k umělé výživě. Má také široké využití ve farmaceutickém a potravinářském průmyslu. Průmyslově se D-glukosa získává kyselou hydrolýzou škrobu (PELIKÁN aj., 2002). 11

D-fruktosa D-fruktosa je jako volná obsažena v ovoci a medu. Je součástí sacharosy, tvoří polysacharid inulín a je stavební jednotkou některých oligo- a polysacharidů. D-fruktosa se vyrábí hydrolýzou fruktanů, nebo izolací z invertního cukru. Je možné ji také vyrobit enzymovou izomerací z D-glukosy. Je silně levotočivá, dobře rozpustná ve vodě a je nejsladší z mono- i disacharidů (PELIKÁN aj., 2002). Sacharosa Sacharosa (β-d-fruktofuranosyl-α-d-glukopyranoid) je nejznámějším disacharidem. Získává se z řepy cukrové, nebo ze třtiny cukrové v subtropických oblastech. Většina roční celosvětové produkce se spotřebuje jako potraviny, nebo potravinářská surovina. Využití sacharosy je omezeno tím, že je chemicky labilní. Sacharosa je velmi dobře rozpustná ve vodě. Roztoky jsou pravotočivé a nejeví mutarotaci. Je zkvasitelná a neredukující. Sacharosa má zcela jedinečný význam jako surovina a složka mnohých potravin. Dodává výrobkům pocit plné chuti a podporuje uvolňování aroma. Sacharosa se po chemické stránce velmi snadno hydrolyzuje na fruktosu a glukosu, Přitom dochází ke změně optické otáčivosti, jelikož ve vzniklé směsi převládne větší levotočivost fruktosy, proto se hydrolýza sacharosy nazývá inverze a vzniklá směs tzv. invertní cukr (PELIKÁN aj., 2002). Maltosa Maltosa (O-α-glukopyranosyl-(1-4)-D-glukopyranosa), označována jako sladový cukr, je redukující disacharid, volný se nachází ve sladu, ve škrobovém sirupu, je stavební jednotkou škrobu, z něhož vzniká enzymatickou hydrolýzou α-amylasou. Roztoky jsou pravotočivé a jeví mutarotaci. Má velký význam v kvasných technologiích (jako jsou např. pivovarství, lihovarství) (PELIKÁN aj., 2002). Cukernaté suroviny mají obsah glukosy, fruktosy, sacharosy nebo jiných zkvasitelných cukrů. Ze zemědělských produktů sem patří ovoce, cukrovka a polocukrovka. Z průmyslových zbytků se využívá melasa řepná, třtinová i melasy citrusové (USA, Kuba) (PELIKÁN aj., 2004). 12

3.1.2. Cukernaté suroviny Ovoce Jako lihovarská surovina se ovoce využívá především při výrobě pálenek, jeho průmyslové zpracování přichází v úvahu v letech s vysokou sklizní nebo při hromadném předčasném spadu, způsobeném suchem, škůdci nebo fyziologickými chorobami (PELIKÁN aj., 2004). Pro výrobu surového lihu přicházejí v úvahu většinou jen poškozené plody (jablka, hrušky), nebo ojediněle některé tropické, většinou sušené plody (datle) (EXNAR aj., 1998). Obsah cukru v ovoci ve značné míře závisí na druhu, odrůdě stupni zralosti, klimatu a průběhu vegetačního období. V bobulovém ovoci se pak pohybuje obsah cukru od 5 do 10 %, v peckovém od 10 do 20 % a v jádrovém ovoci 12 až 17 %. Hlavní podíl cukrů připadá na monosacharidy. Peckové ovoce obsahuje převážně glukosu, jádrové fruktosu. Obsah sacharosy se pohybuje v průměru u bobulového ovoce kolem 1 %, jádrovém a peckovém ovoci až 5 %. Nezralé ovoce obsahuje zpravidla menší podíl škrobu (PELIKÁN aj., 2004). Cukrová řepa Sacharosa není v bulvě rozložena stejnoměrně. Nejnižší obsah cukru je ve střední části epykotylu a v postranních kořínkách. Stejně tak okrajové části hypokotylu a kořene obsahují méně sacharosy oproti vrstvám vnitřním (PELIKÁN aj., 2004). Sacharosa je v bulvě cukrovky uložena uvnitř buněk, kde je pro kvasinky nemající schopnost rozkládat polysacharidy buněčné stěny nedostupná. Fermentovat je proto možné jen řepný hydrolyzát nebo z buněk předem uvolněnou řepnou šťávu. Ekonomická analýza ukázala, že hydrolýza řepného pletiva zdraží zkvasitelný cukr téměř trojnásobně, aniž by se výšila výtěžnost ethanolu. Pro výrobu bioethanolu se proto zatím počítá pouze s variantou zpracování cukrovky cukrovarem, který vytěží a popřípadě vyčistí a zahustí řepnou šťávu. Takto upravený materiál poskytne lihovaru. Z hlediska složení tvoří sušina bulvy cukrovky 25 %, z čehož 17 % abs. zastupuje cukr, 1,2% dusíkaté látky, 0,6 % popel, 4,1 % vláknina a 2,4 % pektin. Značnou nevýhodou je nemožnost řepy skladovat ji v čerstvém stavu. Během sklizně dochází k seříznutí chrást a bulva se stává snadno přístupná pro veškerou kontaminující 13

mikroflóru. Její skladovatelnost se proto ani zdaleka nevyrovná skladovatelnosti brambor (KUNTEOVÁ, 2000). Melasa Melasa je výrobní zbytek (matečný sirup), jenž vzniká po vykrystalizování a oddělení sacharózy. Při současných technických možnostech je další zpracování této suroviny na cukr neekonomické. Pro zemědělské lihovary se nejedná o typickou surovinu a zpracovává se společně se škrobnatými surovinami (PELIKÁN aj., 2004). Její množství na hmotnost řepy činí 2,5 až 4,5 %. Tato viskózní, hustá kapalina s charakteristickou vůni má většinou alkalickou reakci (řepná melasa). Řepná melasa obsahuje 50 % sacharosy a 30 % necukrů, z nichž 1/3 tvoří anorganické soli. Pro uskladnění je důležité brát zřetel na minimální ph. To by mělo být u melasy minimálně 7,5. Normální melasy mívají kvocient čistoty asi 60 %. (RYCHTERA aj., 1991). Obsah invertního cukru v melasách je obyčejně do 0,25 %. Melasy s invertním cukrem nad 1 % jsou již podezřelé. Může to být ukazatel možné kontaminace. Nejčastější je kontaminace kyselinotvornými bakteriemi (zejména mléčnými bakteriemi). Potom dochází k prudkému nárůstu invertního cukru. Ten je vlastně jedním z hlavních indikátorů kvality melasy. Dalším cukrem řepné melasy je trisacharid rafinosa. V normálních melasách je její obsah kolem 0,2 %, ale jsou i melasy obsahující 2-3 % rafinosy. Necukerných látek je v melase kolem 30 %. Jsou tvořeny jednak organickými látkami (20%), jednak látkami anorganické povahy (do 10 %). Organické látky jsou zastoupeny v první řadě bezdusíkatými sloučeninami, které lze rozdělit na organické kyseliny a jejich soli, slizovité látky, bezdusíkatá barviva a některé další látky. Celkový obsah dusíku je v řepné melase 1-1,6% a z toho kvasinky utilizují zhruba jen asi polovinu. Nejvýznamnější dusíkaté látky jsou aminokyseliny, především kyselina asparagová a glutamová (EXNAR aj., 1998). Z hlediska původu lze melasu rozdělit na surovárenskou, smíšenou event. na melasu rafinárenskou. Surovárenská melasa obsahuje hodně koloidů, obě jsou silně karamelizované a obsahují hodně látek brzdících kvasný proces. Proto se z pravidla míchají s melasou surovárenskou (PELIKÁN aj., 2004). 14

3.1.3. Škrobnaté suroviny Mezi tyto suroviny patří rostliny poskytující jak hlízy, tak i zrno. Ze škrobnatých surovin se pro výrobu ethanolu dá uvažovat s využitím brambor, obilovin, zbytků a odpadů z potravinářských závodů (např. syrovátka). Tento druh surovin je zpracováván v zemědělských lihovarech Škrob, což je polysacharid, je nezkvasitelný. Proto je nejdříve třeba provést jeho enzymatický rozklad na cukr zkvasitelný. To se provádí pomocí sladu, bakteriálních nebo plísňových enzymů. Brambory Sušina bramborových hlíz je 25 %, obsah škrobu v čerstvé hmotě se pohybuje kolem 18 %, u průmyslových odrůd je vyšší. Kromě škrobu obsahují hlízy asi 2 % dusíkatých látek, 1% vlákniny, 1% popela a 0,15% tuku. Mají poměrně vysoký obsah vitamínů (A, B, C P aj.), organických kyselin a dalších nutričních látek, takže jsou velmi vhodnou živnou půdou pro většinu mikroorganismů. Výjimkou nejsou ani kvasinky. Brambory kvasí po nutné úpravě velmi dobře a bramborový ethanol je dodnes považován za nejkvalitnější, neboť má lahodnou chuť i vůni (KUNTEOVÁ, 2000). Brambory byly dříve jednou ze stěžejních surovin pro výrobu ethanolu. V posledních letech však v důsledku snížení osevních ploch a vysoké ceny suroviny přicházejí ke zpracování v úvahu téměř výhradně při posklizňové úpravě konzumních a sadbových brambor a hlízy havarované (PELIKÁN aj., 2004). Obiloviny O pěstování obilnin k produkci ethanolu (bioethanolu) mají pěstitelé velký zájem. Řeší se tak využití půdy, ekonomika zemědělství v méně příznivých oblastech a hlavně jde o podíl zemědělství na obnovitelných zdrojích energie, což je indikátorem udržitelného zemědělství (PETR, 2004). I v řadě jiných států jsou obiloviny hlavní lihovarskou surovinou. Nejvíce se zpracovává kukuřice a žito. U nás bylo v minulosti pro výrobu ethanolu zpracováváno pouze "havarované" obilí (např. znehodnocené houbou Claviceps purpurea, jejíž sklerocium se používá pro výrobu námelových alkaloidů). V současné době je hlavní surovinou pšenice, která obsahuje v závislosti na kultivačních podmínkách kolem 65-71% škrobu, dále žito. Zápary ze žita jsou však oproti pšenici viskóznější, což je 15

způsobeno vyšším obsahem pentosanů (kolem 10%). V posledních letech se s úspěchem používá kříženec žita a pšenice - tritikale. Jeho odrůdy jsou snadněji zpracovatelné lihovarským způsobem a dávají dobré výtěžky ethanolu (Lihovarnictví a výroba lihovin sylabus k předmětu, http://www.vscht.cz/kch/kestazeni/sylaby/liho.pdf). Pšenice Bezpluché obilky pšenice se velmi dobře zpracovávají. Výtěžky ethanolu u pšenice s objemovou hmotností 75 až 80 kg a škrobnatosti 67 % jsou asi 390 l na tunu sušiny. Při zcukřování pšeničného škrobu nelze počítat s účinkem vlastních enzymů, což vyžaduje adekvátně zvýšené dávkování obchodních preparátů (enzymů). V moderních provozech, kde bylo paření suroviny nahrazeno mletím, je pšenice velmi vhodnou surovinou. Jsou tam upřednostněny partie s moučnatým endospermem proti sklovitému (ŠIMŮNEK, 1996). Získáváním bioethanolu se dlouhodobě zabývá celá řada výzkumů. Bylo zpracováno mnoho studií. Byly zde např. prokázány rozdíly mezi jednotlivými odrůdami u jednotlivých obilních druhů. Největší rozdíly byly při produkci bioethanolu bez přidání enzymů. Ty dosahovaly až pět litrů čistého alkoholu. Obecně můžeme uvažovat o vztahu škrobu a výtěžnosti bioethanolu (Petr, 2004). Avšak v porovnání studií německých odrůd pšenic o různé sklovitosti, bylo při mletí vzorků zjištěno, že u moučnatých odrůd nastává částečné uvolnění škrobových zrn z bílkovinné mřížky. Sklovité pšenice po pomletí naopak vykazovaly stálé spojení škrobových zrn a bílkovinné matrice. Nižší obsah bílkovin tedy působí pozitivně na škrobnatost (LINDHAUER A ZWINGELBERG, 1997). Žito Nejpoužívanější obilovinou pro výrobu ethanolu se v průběhu historie stalo žito. Při výrobě ethanolu je ceněno pro nízký obsah vlákniny (2-3 %). Šarže žita s objemovou hmotností asi 74 kg představují obsah škrobu asi 58 % a velice dobrý výtěžek 370 l ethanolu na tunu sušiny. Žádoucí je nižší obsah bílkovin, který kolísá od 9 do 12 %. Škrob žita se velice dobře zcukřuje, čemuž napomáhá aktivita vlastních amylolytických a proteolytických enzymů. Problémem při zcukřování žita bývá vyšší viskozita, která je způsobena obsahem slizovitých látek (pentosanů, β- glukanů). Ethanol vyrobený ze žita má také výborné chuťové vlastnosti (ŠIMŮNEK, 1996). 16

Tritikale Tento kříženec žita a pšenice zachovává důležité lihovarské vlastnosti žita. Zvýšená aktivita amylolytických a proteolytických enzymů umožňuje snížení spotřeby obchodních preparátů až o 50%. Současně pěstované odrůdy tritikale navíc vykazují obsah škrobu 64 až 68%. To je více než u klasických odrůd žita. Vlastnosti tritikale s ohledem na výrobu ethanolu shrnul Wesenberg (1990), který především zdůraznil rychlejší získávání vysoce extraktivních zápar oproti žitu, díky synergickému působení vlastního enzymového komplexu tritikale a vyšší rozpustnosti zrnových polymerů. Tritikalové zápary rovněž prokázaly větší pufrovací schopnost a tím i menší citlivost na změny ph. Naopak je enzymový komplex tritikale více citlivý na vyšší teploty poškozující enzymy. Jako optimální pro tvorbu dextrinů za využití vlastního enzymového komplexu byla stanovena teplota 60 C a ph okolo 5. Komplex inhibitorů hydrolás vykazoval nižší účinnost než u pšenice (ŠIMŮNEK, 1996). Ve srovnání s pšenicí vykazuje tritikale nižší tvrdost zrna. Zjištěné hodnoty u deseti polských odrůd tj. od 490 do 630 Brabendra (BE) poukazují na značně kyprou strukturu endospermu. Nízká tvrdost zrna je příznivým znakem při mletí zrna s ohledem na nižší spotřebu energie (HABER, 1994). Oves Tato obilovina se zpracovává na ethanol jen velmi zřídka. Při fermentaci obilí je značnou komplikací přítomnost pluch, které u ovsa a pluchatého ječmene činí 23 až 40% obilní masy. Pluchy se soustřeďují při hladině fermentujícího média, kde vytvoří silnou vrstvu a brzdí uvolňování oxidu uhličitého ze zápary. Jeho zvýšená koncentrace pak inhibuje další kvašení. Kromě toho jsou pluchy zdrojem infekce a znesnadňují manipulaci ucpávaní čerpadel a potrubí (KUNTEOVÁ, 2000). Jeho použití pro lihovarské účely má jednu velkou přednost, neboť svým obsahem tuku brání pěnění zápar (DYR, 1995). Ječmen Pro výrobu ethanolu se zpracovává velmi zřídka. Ječné pluchy způsobují při nedostatečném promíchávání ucpání potrubí destilačního aparátu a jsou snadným zdrojem infekce. Pro alternativní výrobu ethanolu byly nejvhodnější partie s vyšší objemovou hmotností a nízkým obsahem dusíkatých látek. V severských zemích a 17

v Anglii jsou povoleny odrůdy, u kterých je 40 % veškerého škrobu tvořeno snadno zcukřitelnou amylózou. U našich odrůd ječmene je tento podíl 25 až 27%. Při výnosovém potenciálu ječmene by tato vlastnost mohla přispět ke zvýšení jeho atraktivnosti pro lihovarské využití (ŠIMŮNEK, 1996). Kukuřice Jde o hlavní surovinu pro výrobu ethanolu v USA a některých jihoamerických státech. Pro tento účel lze používat všechny druhy kukuřice. Obsah škrobu se pohybuje v rozmezí 65 až 70% a výtěžky alkoholu dosahují až 400l na tunu sušiny. Pětiprocentní obsah tuku v zrnu kukuřice zajišťuje nízkou pěnivost při kvašení. Výhodně se dá k výrobě ethanolu využít i kukuřice silážovaná. Kukuřice na zrno se v současné době pěstuje ve všech výrobních oblastech ČR, ale přesto její podíl pro lihovarské využití je poměrně nízký. Ze stejného důvodu pravděpodobně nedojde k lihovarskému využití čiroku zrnového a prosa (ŠIMŮNEK, 1996). Kukuřičný škrob mazovatí při 70 75 C, což je značně vyšší teplota, než je třeba pro zmazovatění škrobu pšeničného. Při mletí zrna kukuřice je třeba vzít v úvahu morfologické odlišnosti jednotlivých druhů a optimalizovat průměr sít v mlecím zařízení. Vyšší energetická náročnost předpřípravy zrna je ovšem vyvážena vyššími výtěžky bioethanolu (SENN A PIEPR, 1989). 3.1.4. Lignocelulósové suroviny Lignocelulózové suroviny se dostávají v posledních letech do popředí zájmu v mnoha průmyslově vyspělých zemích (PELIKÁN aj., 2004). Důvodem tohoto zájmu je především jejich obnovitelnost založená na fotosyntetickém procesu. Účinnost tohoto procesu umožní roční produkci kolem 2.10 11 tun biodegradovatelného materiálu, který jak uvedl Drdák et al. (1996) obsahuje 28 až 48% celulózy, 20 až 31% ligninu a 20 až 35% hemicelulózy. Základy pro využití lignocelulózových materiálů byly položeny již ve 40. a 50. letech (RYCHTERA aj., 1991). U nás se prozatím využívají na výrobu krmných kvasnic pouze výluhy, vznikající při výrobě celulosy. Perspektivně se uvažuje o možnosti využití druhotných surovin ze zemědělství (sláma) a dřevozpracujícího průmyslu (štěpky, piliny). V souvislosti se zpracováním a 18

úpravou lignocelulosových materiálů byla vypracována řada technologií založených na chemických, fyzikálně chemických a biochemických metodách (PELIKÁN aj., 2004). 3.1.5. Ostatní suroviny Z dalších surovin by se mezi zemědělskými plodinami dalo uvažovat ještě například o topinamburu či čekance a dále pak o různých cukerných zbytcích potravinářských výrob. O topinamburu i čekance lze napsat totéž co o netradičních obilninách. Jde o plodiny pro výrobu ethanolu dobře využitelné, problém ale tkví v jejich nedostatečném a nepravidelném přísunu a v ekonomice jejich pěstování (KUNTEOVÁ, 2000). 3.2. Lihovarnictví a výroba lihovin Výroba kvasného ethanolu, destilátů a dalších lihovin patří k tradičním fermentačním výrobám. Název líh nebo alkohol se v hovorovém jazyce vztahuje k nejčastěji se vyskytující sloučenině ze skupiny primárních alkoholů - k ethanolu. Tato sloučenina se dá vyrobit čistě chemickým způsobem, např. hydratací ethylenu, nebo daleko běžnější mikrobiologickou cestou kvasným způsobem. Původní technologie byly primitivní, k rychlejšímu rozvoji přispělo zavádění destilačních aparátů vyhřívaných parou a zavedení paření brambor pod tlakem v pařácích (Henze, Hollefreund). Po první světové válce se využilo i nadprodukce cukrovky, při této výrobě byl však pařákový způsob nahrazován způsobem difuzním. Po obilí a cukrovce se objevuje melasa. Nejprve byla zpracovávána v cukrovarech, které si vybudovaly malé lihovary. Cílem výroby je získat ethanol o různé kvalitě pro potravinářské, farmaceutické, chemické a jiné účely. Jakost jednotlivých druhů a podmínky výroby ethanolu jsou vymezeny legislativními předpisy - v České republice je to zákon č. 61/1997 Sb., o ethanolu. Výroba kvasného ethanolu v ČR se pohybuje v posledních letech kolem 65 000 m 3 (vyjádřeno v množství 100 % ethanolu) (Lihovarnictví a výroba lihovin sylabus k předmětu, www.vscht.cz/kch/kestazeni/sylaby/liho.pdf). 19

3.2.1. Produkční mikroorganismy a biochemismus lihového kvašení Kvasný neboli fermentační způsob výroby ethanolu je založen na působení enzymů mikrobiální buňky (většinou buněk některých kvasinek) v procesu, kterému se říká lihové kvašení. Jde o proces, který probíhá převážně bez přístupu vzduchu (anaerobně), i když nejde v případě kvasinek o striktně anaerobní podmínky. Mírné provzdušnění kvasného média, hlavně na začátku fermentace, je příznivé pro potřebný nárůst buněk a jejich aktivitu. Při lihovém kvašení dochází k postupnému rozkladu sacharidů enzymy mikroorganismů a uvolňování energie, její menší část je fixována ve formě ATP, zbytek je přeměňován na teplo. Hlavním produkčním mikroorganismem jsou kvasinky Saccharomyces cerevisiae, které se vyznačují vysokou rychlostí tvorby ethanolu, vysokou tolerancí k ethanolu a nízkou produkcí vedlejších metabolitů. Při lihové fermentaci za anaerobních podmínek je glukosa nejprve odbourávána v procesu glykolýzy na pyruvát, který je dekarboxylován a vzniklý acetaldehyd redukován na ethanol (tzv. Embden-Mayerhof- Parnasovo schéma). Kvasinky se předem namnoží v propagační stanici nebo používáme pekařské droždí. Kvasinky se v kultivačních médiích množí vegetativně tzv. pučením. Producenty ethanolu mohou být i bakterie, slibnou bakterií je Zymomonas mobilis, která má v porovnání s kvasinkami rychlejší metabolismus, nižší nutriční nároky, fermentace může probíhat za vyšších teplot. Glukosa je metabolizována pomocí Entner-Doudorfovy cesty, kde klíčovým meziproduktem je 2-keto-3-deoxy-6- fosfoglukonát (KDPG). Přes určité nesporné výhody bakterií jako producentů ethanolu se stále v průmyslové praxi u nás a ve světě používají kvasinky (Lihovarnictví a výroba lihovin sylabus k předmětu, www.vscht.cz/kch/kestazeni/sylaby/liho.pdf). 3.2.2. Způsoby kvašení a jeho průběh V literatuře existuje velké množství různých způsobů kvašení. Zde budou uvedeny jen zásady těch hlavních. Bioreaktory nejsou konstrukčně nijak složité. Obvykle nejsou opatřeny vzdušněním. Dnes se používají již jen bioreaktory uzavřené z 20

nerezavějící oceli s možností regulace teploty a ph (Lihovarnictví a výroba lihovin sylabus k předmětu, http://www.vscht.cz/kch/kestazeni/sylaby/liho.pdf). 3.2.2.1. Klasický vsádkový ( batch ) proces Tento proces je velmi jednoduchý, ale dosahuje jen nízkou produktivitu a delší dobu kvašení. Charakteristické je, že probíhá při stejném objemu zápary od začátku do konce (Lihovarnictví a výroba lihovin sylabus k předmětu, http://www.vscht.cz/kch/kestazeni/sylaby/liho.pdf). 3.2.2.2. Přítokový způsob ( fed-batch ) V celosvětovém měřítku je tento způsob stále často využíván. Limitujícím faktorem je výsledná koncentrace ethanolu, která se pohybuje od 10 do 12% obj. Při dobrém vedení procesu může být produktivita systému kolem 5 kg ethanolu/m 3 /h. Jedna šarže trvá 17-18h. Tento způsob se snadno převede na semikontinuální. Kvašení se začíná s poměrně vysokou koncentrací buněk (kolem 10 7 buněk v 1 ml) na melasovém médiu o koncentraci sušiny 35-38% hm.. Další přítoky se realizují tak, aby zdánlivá koncentrace zápary nebyla vyšší než 12-13% hm. Nevýhodou tohoto způsobu je stálá nutnost přípravy zákvasu (Lihovarnictví a výroba lihovin sylabus k předmětu, http://www.vscht.cz/kch/kestazeni/sylaby/liho.pdf). 3.2.2.3. Způsob s recyklací kvasinek (se zvratnou separací buněk) Tento způsob je znám od r. 1932 jako Melle Boinotův způsob a patří mezi nejrozšířenější v melasovém lihovarství a jeho princip spočívá v tom, že se kvasinky z prokvašené zápary opakovaně použijí jako inokulum do nové fermentace, tím se ušetří cukr potřebný k syntéze biomasy a je možné pracovat od začátku s vysokou koncentrací buněk, což celkově zrychlí kvašení. K separaci kvasinek se obvykle používají drožďárenské odstředivky. Kvasničné mléko prochází preparační lázní, kde po okyselení kyselinou sírovou na ph 2 3 dochází k aktivaci kvasinek a usmrcení kontaminujících bakterií. Po skončení preparace (většinou po 1 2h) se suspenze kvasinek převede do bioreaktoru a začne se přítokovat melasová zápara. Koncentrace kvasinek dosahuje až 4.10 8 buněk/ml. V poslední době se místo odstředivek začínají užívat membránové mikrofiltrační jednotky (obvykle jde o tubulární keramické systémy), které zadržují buňky a tak jejich koncentrace prudce vzrůstá. Produktivita fermentace se výrazně zvyšuje. Tyto způsoby nejsou vhodné pro 21

média obsahující pevné částice (pluchy, nerozluštěná zrna aj.) (Lihovarnictví a výroba lihovin sylabus k předmětu, http://www.vscht.cz/kch/kestazeni/sylaby/liho.pdf). 3.2.2.4. Kontinuální způsoby lihového kvašení Kontinuální způsoby jsou charakterizovány nepřetržitým přítokem čerstvé a odtokem prokvašené zápary z bioreaktoru. Existuje mnoho variant uspořádání, které jsou dnes založeny na principech recirkulace nebo zádrže biomasy (včetně imobilizace kvasinek) a odstraňování ethanolu z bioreaktoru, aby se snížil jeho inhibiční účinek a zvýšila se rychlost kvašení. Vzhledem k revizi názorů o roli kyslíku v lihovém kvašení je celkem výhodné první reaktor mírně vzdušnit, tím dochází k mírnému nárůstu počtu buněk a udržování vysoké fermentační aktivity. Společnou nevýhodou všech kontinuálních postupů je velké riziko kontaminace (Lihovarnictví a výroba lihovin sylabus k předmětu, http://www.vscht.cz/kch/kestazeni/sylaby/liho.pdf). 3.2.3. Destilace, rektifikace a rafinace ethanolu Ethanol je těkavá kapalina o hustotě 789,3 kg/m 3 s bodem varu 78,31ºC, kterou lze z prokvašené zápary izolovat destilací. S vodou tvoří azeotropickou směs (95,15 % hm.) s bodem varu 78,15ºC nižším než obě čisté látky, takovou směs nelze rozdělit destilací za normálního tlaku. Toto je problém, který se musí řešit při odvodňování ethanolu. Bod tuhnutí je - 114,6ºC. Ethanol je hořlavá, lehce vznětlivá látka s vodou neomezeně mísitelná. Ethanolové páry jsou 1,6 krát těžší než vzduch, se kterým tvoří výbušné směsi (mez výbušnosti je od 3,3 do 19% obj. ethanolu ve vzduchu). Jeho vodné roztoky jsou hořlavé. Hořlavost kapaliny se ztrácí teprve po několikanásobném zředění vodou. V případě požáru se hašení provádí tříštěným proudem vody nebo střední a těžkou pěnou odolnou proti alkoholu (Lihovarnictví a výroba lihovin sylabus k předmětu, http://www.vscht.cz/kch/kestazeni/sylaby/liho.pdf). Rektifikace je opakovaná destilace, jejímž cílem je zkoncentrovat ethanol. Rafinace je definována jako odstranění doprovodných látek z ethanolu. 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 22

konstruovány jako kloboučková, tunelová, sítová, ventilová nebo méně často náplňová. Na patrech dochází ke styku par s kapalinou stékající opačným směrem. Každá kolona je vybavena deflegmátorem (slouží k částečné kondenzaci par vystupujících z hlavy kolony a jejich obohacení o těkavější složku), kondenzátorem (zde dochází k totální kondenzaci par na kapalinu) a chladičem (k ochlazení destilátu). Pro chod kolony a ustavení rovnováhy je důležitý zpětný tok reflux, který je definován jako poměr kondenzátu vraceného zpět na kolonu ku kondenzátu odebíraném z kolony jako destilát. K vytápění kolon se používá přímý nebo nepřímý parní ohřev. Proces destilace je energeticky náročnou operací, proto je snaha maximálním způsobem využít vloženou energii, zejména rekuperací tepla a uspořádáním kolon do tlakového spádu. K získání a zkoncentrování ethanolu (rektifikaci) se ponejvíce používá opakovaná rovnovážná destilace (destilace kontinuální), v pálenicích pak jde o nerovnovážnou (periodickou) destilaci. V první záparové koloně se oddělí ethanol od prokvašené zápary a přitom dochází k jeho zkoncentrování (surový líh), vedlejším produktem jsou výpalky. Záparová kolona je mohutnější než ostatní kolony. Někdy bývá rozdělena na dvě kolony. Ve dvoukolonovém systému dochází již částečně k rafinaci lihu. Ohřev záparové kolony může být přímý nebo nepřímý. Při přímém ohřevu však dochází ke zřeďování výpalků. Kolony jsou opatřeny epruvetami (měřidly průtoku), regulátory přítoku vody a páry aj. Ve výpalcích odcházejících z vařáku kolony se nesmí objevit větší množství alkoholu (max. 0,015 % obj.). Surový líh přicházející ze záparové kolony se před rafinací nařeďuje vodou na koncentraci kolem 30% obj., aby se zvýšila rafinační účinnost - oddělení doprovodných těkavých látek. Rafinace probíhá dohromady s rektifikací a provádí se na aparátech, které jsou složeny ze 3 6 kolon (epyrater, rafinační a lutrová kolona, dokapová kolona, akumulační kolona, finální kolona). Pro správnou funkci rektifikační kolony má význam správné nastavení koeficientu zpětného toku. Starší destilační přístroje vycházejí velmi často z rafinačního přístroje Barbet. První kolona se nazývá úkapová (epyratér), druhá kolona je kolona rafinační s lutrovou, případně se často tato soustava doplňuje kolonou dokapovou. V hlavě rafinační kolony se hromadí aldehydy a rafinovaný líh se proto odebírá až na 5. - 8. patře od shora. Přiboudlina se odděluje jako vrchní vrstva dvoufázového systému na patře, kde koncentrace alkoholu je již nízká. Spodní část rafinační kolony se nazývá 23

lutrová kolona. Z horních pater všech kolon se odvádí po kondenzaci líh technický. Další starší přístroje jsou např. Guillaumův, Škoda - Gregor. Všechny se však vyznačují vysokou spotřebou páry - 4-6 kg/l ethanolu. Nové rafinační přístroje jsou založeny na: využití tlakového spádu v kolonách, principu hydroselekce (přídavek vody z rektifikační kolony do hydroselekční kolony) a jsou zcela řízené počítačovými systémy. Přímou parou se vyhřívá jen hydroselekční a rektifikační kolona. Velké lihovary mají rafinační systémy, které vycházejí přímo ze zápary. Spotřeba páry (0,9 MPa) se sníží až na 1,5-2 kg/l ethanolu (Lihovarnictví a výroba lihovin sylabus k předmětu, http://www.vscht.cz/kch/kestazeni/sylaby/liho.pdf). 3.2.4 Výroba ethanolu ze 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. V ČR se škrobnaté suroviny na líh zpracovávaly výhradně v zemědělských lihovarech, jejich denní kapacita se pohybuje od 5 do 20 m 3 surového ethanolu. Zemědělské lihovary vznikaly zejména v bramborářských oblastech na Českomoravské vysočině a na Severní Moravě. Surovina se využívala velmi hospodárným způsobem a výpalky se kompletně vracely zpět do zemědělství jako cenné krmivo. Dnes se přešlo od brambor ke zpracování obilí. Zpracování škrobnatých surovin doznalo značných změn v technologii. Ty se týkají zejména snížení energetických nákladů na výrobu a to hlavně s ohledem na využití vysoko aktivních enzymových preparátů k hydrolýze škrobu (Lihovarnictví a výroba lihovin sylabus k předmětu, http://www.vscht.cz/kch/kestazeni/sylaby/liho.pdf). 3.2.4.1 Příprava zápar Důležitým krokem při zpracování škrobnatých surovin je jejich mechanické rozmělnění a zpřístupnění zrn škrobu působení amylolytických enzymů. Dnes se již výhradně používají enzymové preparáty. Používání sladu je již ojedinělé. Působením enzymů (α-amylasy) nejprve dochází ke ztekucení škrobu a poté účinkem amyloglukosidasy či β-amylasy ke zcukření. 24

Při přípravě zápar ze škrobnatých surovin rozlišujeme dva základní způsoby: tlakový (pařákový) způsob a beztlakový způsob. V posledních letech se však používá stále častěji beztlakový způsob. Tuto změnu umožnila výroba termostabilních α-amylas bakteriálního původu (Lihovarnictví a výroba lihovin sylabus k předmětu, http://www.vscht.cz/kch/kestazeni/sylaby/liho.pdf). Tlakový způsob (viz Obr. 1) využívá k uvolnění a zmazovatění škrobu ze zrn nebo hlíz paření za teploty nad 120ºC a tlaku od 0,2 do 0,5 MPa (podle charakteru zpracovávané suroviny). Nejpoužívanějším pařákem u nás je Henzeův pařák, objem pařáku se pohybuje od 4,5 do 6,5 m 3. Velkou výhodou paření je, že se zápara současně vysteriluje, což je vhodné při zpracování havarovaných substrátů. Náklady na paření jsou však vyšší než při beztlakovém způsobu. Po paření následuje vyhánění díla do zapařovací kádě za současného intenzivního chlazení a přídavek ztekucujících enzymů. 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 se dílo vyhřívá na 65 ºC nebo na teploty 90-95ºC (při použití termostabilní α-amylasy), při kterých dochází ke zmazovatění a ztekucení škrobu). V dalším kroku po mírném ochlazení v zapařovací kádi na teploty 55-65ºC dochází 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. hemicelulosy (např. xylanasy, β-glukanasy), proteasy a celulasy. Jejich působením lze zvýšit výtěžnost ethanolu 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 ethanolu a pozitivně ovlivňují vlastnosti zápar (Lihovarnictví a výroba lihovin sylabus k předmětu, http://www.vscht.cz/kch/kestazeni/sylaby/liho.pdf). 25

3.2.4.2. Způsoby kvašení a jeho průběh Zcukřené dílo (sladká zápara) je ochlazeno na zákvasnou teplotu a v bioreaktoru (fermentačním tanku) zakvašeno. Kvasinky lze získat z různých zdrojů. Nejlepší se 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 o objemu kolem 20 m 3. Doba kvašení bude záviset jak na činnosti enzymů, tak i na činnosti kvasinek. Obvykle kvašení trvá 48-72h, 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 24ºC, 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. Semikontinuální a kontinuální způsoby kvašení jsou perspektivní pro velké obilné lihovary. Důležitou podmínkou je zajištění potřebné koncentrace aktivních kvasinek v zápaře, možnosti jejich recirkulace, kvašení čirých zápar (které by neobsahovaly pevné částice) a mikrobiologické čistoty. Kvašení je mikrobiální proces, který může nepříznivě ovlivnit kontaminující mikroflóra. Nebezpečné jsou především bakterie mléčného a máselného kvašení (Lihovarnictví a výroba lihovin sylabus k předmětu, http://www.vscht.cz/kch/kestazeni/sylaby/liho.pdf). 3.2.4.3. Destilace obilných zápar 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 82 92% obj., z vařáku řídké 26

obilné výpalky. Někdy je používáno dvoukolonové uspořádání, první kolona, na kterou je přiváděna zápara, slouží k vyvaření ethanolu z výpalků a druhá k zesílení lihových par. Surový líh je dodáván průmyslovým lihovarům k dalšímu zpracování na líh rafinovaný. V současné době řada zemědělských lihovarů doplnila výrobní zařízení o rafinaci a rektifikaci. Jde většinou o jednoduché tříkolonové aparáty (epyratér, rafinační kolona a dokapová kolona), které umožňují zhodnocení surového ethanolu a výrobu rafinovaného ethanolu přímo v zemědělském lihovaru (Lihovarnictví a výroba lihovin sylabus k předmětu, http://www.vscht.cz/kch/kestazeni/sylaby/liho.pdf). 3.2.5. Mikroorganismy s kvasnými schopnostmi Kvasinky Kvasinky a kvasinkové organismy jsou v přírodě velmi rozšířené. Patří do skupiny Eukaryontů. Protože mají většinou sacharolytické schopnosti. Vyskytují se především na materiálech obsahujících cukry, tj. ovoci, zvláště bobulovém a peckovém, pak také na cukernatých potravinách. Rozmnožování kvasinek je podmíněno jejich fyziologickými vlastnostmi, tj. potřebou cukru, odolnosti ke kyselému prostředí, u některých druhů též tolerancí k vysokému osmotickému tlaku. Je omezeno jejich neschopností štěpit bílkoviny. Rovněž jejich nízká tepelná odolnost ovlivňuje výskyt kvasinek. Většina kvasinek je usmrcena již při 2 4 minutovém zahřívání na 56 C. Spóry kvasinek mají tepelnou odolnost jen nepatrně vyšší. Rozmnožování kvasinek je úplně potlačeno při teplotě 38 C. Kvasinky se rozmnožují mnohem pomaleji než bakterie, a proto s nimi mohou soutěžit jenom za podmínek, které jsou pro bakterie nepříznivé (nízké ph, nízký oxidačně redukční potenciál apod. (ŠROUBKOVÁ, 1996). Hlavní živinou kvasinek při výrobě průmyslového ethanolu i droždí je melasa. Pro záparu se připravuje melasa ředěná vodou na žádanou koncentraci, okyseluje se kyselinou sírovou, aby se vytvořilo příznivé prostředí pro kvasinky a současně se potlačila i nepříznivá mikroflóra Sacharidy přítomné v melase tvoří základní zdroj uhlíku pro kvasinky. Dusíkaté živiny jsou bezprostředně nutné k životu buňky, protože se zúčastňují přímo její výstavby a biosyntézy bílkovin. Kvasinky mohou asimilovat dusíkaté látky anorganické i organické. Z anorganických sloučenin jsou výbornou živinou amoniak a 27

amonné soli. Z organických látek představují velmi dobré živiny některé aminokyseliny. Nejdůležitějšími anorganickými sloučeninami ve výživě kvasinek jsou sloučeniny fosforu, fosforečnany. Fosfor tvoří základní látku ve výstavbě buňky. Fosforečnany se účastní přeměny cukru při alkoholovém kvašení a také tvorby nukleonových kyselin a nukleoproteinů. Nedostatek kyseliny fosforečné zpomaluje kvašení a množení kvasinek, u droždí pak způsobuje jeho špatnou trvanlivost (TVRDOŇ, 1996). 3.3. Lihovarské výpalky Mezi vedlejší produkty při výrobě ethanolu a jejich zpracování patří oxid uhličitý, který vzniká a uvolňuje se při fermentaci. Kvasné plyny mohou být z uzavřených bioreaktorů jímány, zbaveny etanolu a komprimovány. Kapalný CO 2 lze využít k potravinářským účelům (např. při výrobě sycených nápojů). Vedlejší výrobky při rafinaci ethanolu jsou úkap, dokap a přiboudlina. Úkap s dokapem se při rafinaci jímají společně a používají se jako technický líh. Přiboudlina, což je směs vyšších alkoholů se pere vodou a po oddělení v dekantéru se horní olejovitá vrstva odebírá a spodní vodní vrstva obsahující etanol se vrací do destilace (Lihovarnictví a výroba lihovin sylabus k předmětu, http://www.vscht.cz/kch/kestazeni/sylaby/liho.pdf). Hlavním odpadem při výrobě ethanolu jsou lihovarské výpalky. Je to zbytek po oddestilování etanolu v záparové koloně. Jejich sušina je mezi 5 8%, mají nízké ph a vykazují vysoké hodnoty chemické spotřeby kyslíku. Obilné výpalky jsou hodnotným krmivem. V usušeném stavu totiž obsahují až 30% bílkovin. (PELIKÁN aj., 2004). Výpalky patří k nejvýznamnějších odpadům lihovarského průmyslu a to nejen kvůli jejich množství, ale i dost vysokému obsahu organických a anorganických látek. Liší se podle druhu surovin, ze kterých byl alkohol vyroben. Výpalky ze škrobnatých surovin se využívají pro přípravu krmných směsí či pelet. Je třeba je však zahustit a sušit. Kvasinky, které zůstaly ve výpalkách nám zvyšují obsah bílkovin a zlepšují tak aminokyselinové složení. 28

Melasové výpalky mají jiné složení než výpalky obilné. Obsah solí je značně vyšší a nehodí se proto k přímému zkrmování. Po odstranění solí, hlavně draselných by bylo možné je jako krmivo použít. Řídké výpalky mají 7,5-11,6% sušiny. Dříve se využívaly na výrobu potaše, případně kyanidů. Dnes se u nás používají po zahuštění jako kapalné draselné nebo po úpravě jako N-P-K hnojivo. Lze je velmi dobře přidávat do methanizačních komor, kde zvyšují obsah methanu. V řídkém stavu je nelze dlouho skladovat a musí se zahušťovat na 30-40 % sušiny (MELZOCH aj., www.vscht.cz). Výpalky ze škrobnatých surovin Výpalky se soustřeďují ve výpalkové kádi, do které vytékají samospádem ze záparové kolony. V epruvetě se zjišťuje obsah ethanolu v parách, které jsou v rovnováze a výpalky o teplotě jejich bodu varu. Výpalky ze škrobnatých surovin jsou výborným krmivem. Odvážejí se ještě teplé, čímž se ušetří i teplo potřebné pro přípravu krmiva pro okamžitou spotřebu. V případě přebytku je výhodné je konzervovat mléčnou kyselinou, která se vytváří účinkem čisté kultury mléčných bakterií z cukru dodaného ve formě např. melasy. Bílkoviny tvoří hlavní podíl dusíkatých látek. Ze sacharidických složek je obsažena jako zbytkový cukr maltosa, nezkvašené dextriny, nerozpustný škrob, dále pentosany, pentosy a celulosa. Příznivý je i obsah vitamínů a aminokyselin. Pokud se výpalky zahušťují, je třeba oddělit nerozpustnou sušinu, která se suší zvlášť, od rozpustného podílu. Ten se zahušťuje a obvykle se pak míchá s vysušeným nerozpustným podílem. Po přidání suché náplně (např. slámy) lze z výpalků připravit krmné brikety. Zmíněnou frakcionací výpalků a jejich dalším zpracováním lze získat tyto výrobky: a) nerozpustný podíl výpalků po usušení světlé sušené výpalky, b) rozpustný podíl výpalků výpalkový extrakt. Smícháním světlých sušených výpalků se zahuštěným extraktem výpalků a konečným dosušením se získají tmavé sušené výpalky (Lihovarnictví a výroba lihovin sylabus k předmětu, http://www.vscht.cz/kch/kestazeni/sylaby/liho.pdf). Další metodou, jak uskladnit výpalky je tzv. senážování do vaků AG Bag. Vakuování do vaku má oproti klasické technologii silážního žlabu několik výhod. Vložená investice se účetně odepisuje pět let, zatímco postavený silážní žlab se jako 29