Bioprocesi, Fermentacija,

Destilacija, Proizvodnja Etanola

Proizvodnja jakih alkoholnih pića

Dr. sc. Jasna Mrvčić, doc.

Dr. sc. Damir Stanzer, doc.

Uvod

Sirovine Pivo (sadrži i Etanol) …5%…

Sirovine Vino (sadrži i Etanol) …12%…

Sirovine JAP (sadrži i Etanol) …40%…

Sirovine Etanol (industrijski) …96-100%

Sirovine Kefir (sadrži i Etanol) …1%……Bioproces…

“bioproces” - ?

…Bioproces…

…Bioproces…

…Bioproces…

…Bioproces…

Bioprocesi

Bioprocesi

Bioproces – glavni dio biotehnološkog postupka u kojem se sirovina s pomoću biokatalizatora kemijski transformira u proizvod (JAP -alkoholna fermentacija)

Biokemijski reaktor (fermentor) je posuda u kojoj se provodi bioproces

Cjepivo (inokulum) – nacjepljivanje (inokulacija) – početna količina mikroorganizma (biokatalizatora, radnog mikroorganizma) potrebna za početak bioprocesa (JAP- alkoholna fermentacija - KVASCI)

Hranjiva podloga (medij), supstrat – suspenzija u vodi otopljenih svih hranjivih sastojaka potrebnih za rast i biokemijsku aktivnost radnog mikroorganizma (npr. grožđana komina - vinjak, komina od šljive –šljivovica)

Osnovna terminologija

Što je BIOPROCES ?

Bioprocesi

• Priprema podloge- proračun sirovina, odnosno materijalna bilanca

(ugljik, dušik, fosfor, kisik i dr.), predobrada sirovina(usitnjavanje,prešanje, odvajanje koštica), ukomljavanje,sterilizacija…

• Priprema bioreaktora- pranje, sterilizacija ili dezinfekcija

• Priprema cjepiva (inokuluma):

a) prirodno prisutna mikroflora na plodu npr. voća (spontana fermentacija)b) čista kultura (u laboratorijima - kosi agar, starter), umnaža se i koristi kao cjepivo za bioproces (kontrolirana fermentacija)

“Procesi prije bioprocesa”:

Bioprocesi – procesi prije bioprocesa

- uvijek sadrže slijedeće sastojke:

1. vodu2. izvor biogenih elemenata (C, H, O, N, P, S)3. mineralne soli – izvor ostalih elemenata

4. faktore rasta - vitamini, aminokiseline5. ostale sastojke – sredstva protiv pjenjenja, regulaciju pH..

• Razlog – kemijski sastav mikrobnih stanica:

• Glavni sastojci mikrobnih stanica: proteini, nukleinske kiseline, ugljikohidrati, lipidi, građeni od:

• aminokiselina, šećera, masnih kiselina, fosfata (C, H, O, N, P, S)

Hranjive podloge za mikrobne proceseBioprocesi – procesi prije bioprocesa

Hranjive podloge za mikrobne proceseBioprocesi – procesi prije bioprocesa

� KEMIJSKI DEFINIRANE(jednostavne, sintetske)

� PRIRODNE PODLOGE(složene, “pokrivene”)

Primjer: Sadržaj tvari u 100 g šljive (Mujić, 2010)

Točno poznatog kem. sastava

Djelomično poznatog sastava

Voda Bjelančevine Masti Ugljikohidrati Vlakna 84-86g 0,6g 0,2g 10g 2,1g

K Ca Mg P Vit C 221 mg 14 mg 10 mg 16 mg 5 mg Vit E B6 Vit A 0,7 mg 1,2 mg 0,22 mg

Bioproces

-optimum: bakterije 37°C, kvasci i plijesni 28-32°C

-optimum: bakterije 6-8, kvasci i plijesni 4-6

Temperatura

pH vrijednost

Prisustvo kisika

Bioproces

Bioproces

Dinamika potrošnje supstrata (glukoze), rasta biomase i sinteze produkta (etanola) tijekom alkoholne fermentacije

Ovisno o tipu proizvoda:

• Izdvajanje biokatalizatora(separacija)

• Izdvajanje proizvoda (filtrat, biomasa - razaranje stanica )

• Pročišćavanje proizvoda

Procesi nakonbioprocesa

Što nakon završetka procesa u bioreaktoru ?

Ovise o: radnom mikroorganizmu, sastavu podloge, svojstvima proizvoda,mjestu nakupljanja proizvoda,sintetiziranim nusproizvodima

Bioprocesi – procesi nakon bioprocesa

Primjeri iz biotehnoloških procesa: destilacija

Izdvajanje proizvoda iz komine destilacijom Destilaciona kolona u

industijskom mjerilu

Bioprocesi – procesi nakon bioprocesa

Alkoholna fermentacija, destilacija…

Alkoholna fermentacija

Alkoholna fermentacija

x 2 !

u stanici kvasca:

Glukoza = 2 Piruvata = 2 Etanola + 2CO2 + energija (cca. 200 kJ)

� nastajanje etanola iz monosaharidaC6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2 + E

(180) (2 x 46 = 92) (2 x 44 = 88)

� nastajanje etanola iz disaharida (saharoza, maltoza) C12H22O11 → 4 C2H5OH + 4 CO2 + E

(342) (4 x 46 = 184) (4 x 44 = 176)

� nastajanje etanola iz polisaharida (škrob, inulin)

(C6H10O5)n → 2n C2H5OH + 2n CO2 + E(162n) (2n x 46 = 92n) (2n x 44 = 88n)

teoretski Yp/s:a) monosaharid = 92/180 x 100 = 51,0 %b) disaharid = 184/342 x 100 = 53,8 %c) polisaharid = 92/162 x 100 = 56,8 %

Alkoholna fermentacija

Stvarni Yp/s = 90-95 % od teorijskog iskorištenja

• Anaeroban proces• Prirodno zaštićen proces• Temperatura fermentacije 25-35 oC,optimalna oko 30 oC• pH 4-5• Optimalna koncentracija šećera u komini 2-5%• Koncentracija šećera može biti u podlozi i 17-20 %, ali

je sporija fermentacija (inhibicija supstratom)• Koncentracija alkohola na kraju fermentacije 8-12%,vol• Neki vinski kvasci mogu proizvesti do 15%,vol etanola,

a neke posebne vrste kvasaca čak do 18-20%.vol

Karakteristike alkoholne fermentacije

Alkoholna fermentacija

Alkoholna fermentacija i destilacija

Razgradnja šećera u kvaščevim stanicama

Alkoholna fermentacija i destilacija

Alkoholna fermentacija i destilacija - proizvodi

Pripremljena sirovina (npr.

mošt, sladovina…)

Prevrela komina(..npr. 12% etanola)

JAP (..npr. 40%etanola)

Fermentacija(mikroorganizam, uvjeti…)

ALKOHOLNO

PIĆE (npr.

vino..)

Obrada,

odležavanje

PRIRODNOJAP

Destilacija

Prevrela komina(..npr. 12% etanola)

Etanol (96%)

Destilacija.

Rektifikacija

Pripremljena sirovina (melasa,

škrob…)

Miješanje s drugim

sastojcima, razrijeđivanje…

UMJETNOJAP

Proizvodnja pića Proizvodnja etanola

Obrada,

odležavanje

Bioproces

Proizvodnja etanola

Etanol se najčešće proizvodi alkoholnom fermentacijom iz šećernih i polisaharidnih sirovina. Najčešće uz pomoć kvascaSaccharomyces cerevisiae

Sirovine:

- Šećerne:

šećerna repa (melasa), šećerna trska

(melasa), slatki sirak

- Polisaharidne:

- škrobne: kukuruz, ječam, krumpir, kasava...

- lignocelulozne – ne za JAP!

Proizvodnja etanola – kvasac i sirovine

Proizvodnja etanola na melasi

Melasa

Proizvodnja etanola

iz kukuruza

Proizvodnja etanola iz

lignoceluloznihmaterijala

Polisaharidnesirovine

Šećerne sirovine Sirutka

Škrobnesirovine

Lignoceluloznesirovine

Proizvodnja etanola – kvasac i sirovine

Proizvodnja etanolana melasi

1. Priprema bioprocesa

- Priprema supstrata

- Priprema inokuluma

2. Bioproces -Fermentacija

3. Izdvajanje proizvoda

- Separacija

- Destilacija

- Proizvodnja kvasca

Proizvodnja etanola na melasi – B-postupak

Proizvodnja etanola na melasi – B-postupak

B-postupak - Postavljanje i vođenje fermentacije

Dinamika alkoholne fermentacije u glavnom vrenju po B-postupku

Izdvajanje proizvoda

- Separacija- Destilacija- Proizvodnja

kvasca

Destilacija i rektifikacija

Proizvodnja etanola na melasi

- više od 96% - dehtidratacija- “Molekularna sita” (zeoliti, adsorpcija vode)

Proizvodnja etanola na škrobnim sirovinama

Škrob:

Škrobne sirovine:

žitarice (kukuruz, pšenica, riža, ječam, slatki sirak...)gomolji i korijeni (krumpir, kasava...)

Škrobne sirovine u proizvodnji alkohola

Kukuruz – SAD, Kina, EuropaPšenica - EuropaSlatki sirak – IndijaKasava – Tajland, Kina

Proizvodnja etanola na škrobnim sirovinama

“Paralela” – Proizvodnja etanola na škrobnim sirovinama = Proizvodnja žitnih rakija (uz određene specifičnosti)

Mikroorganizam: S. cerevisiae

Ne previre polisaharide!

Osnovne razlike u odnosu na proizvodnju na melasi (tehnološke i ekonomske):

priprema supstrata- dovođenje škroba u topivi oblik- razgradnja škroba do fermentabilnih šećera(enzimima)

Proizvodnja etanola na škrobnim sirovinama

Obrada kukuruznog zrna

1. Mljevenje – oslobađanje škrobnih zrnaca iz endosperma

Proizvodnja etanola na škrobnim sirovinama –priprema sirovine

2. Kuhanje – ekstrakcija škroba iz škrobnih zrnaca

- “želatinizacija” vodotopivi želatinizirani škrob

3. Likvefakcija i ošećerenje – hidroliza škroba

Amilolitički enzimi:

α – amilaza

- Bacillus amiloliquefaciens, Bacillus licheniformis (termost.)

Glukoamilaza

-Aspergillus niger, Rhizopus niveus

Proizvodnja etanola na škrobnim sirovinama –priprema sirovine

“paralela” - žitne rakije – ošećerenje se provodi ječmenim sladom –proklijali ječam bogat amilolitičkim enzimima

Proizvodnja etanola na škrobnim sirovinama –priprema supstrata

Hladnavoda

Proizvodnja etanola

na škrobnim

sirovinama –

opća shema