Szesz- és élesztőgyártás

Átírás

1 Szesz- és élesztőgyártás Dr. Barta Zsolt Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék október 17.

2 Az etanol felhasználási területei, magyarországi gyárak A világ etanolfelhasználása millió m 3 -ben Miért gyártunk szeszt? Élvezeti cikk Oldószer Vegyszeralapanyag Üzemanyag Magyarországon: Győri Szesz melasz, (gabona) Pannonia Ethanol, Dunaföldvár kukorica (száraz őrlés) Hungrana, Szabadegyháza Kukoricakeményítő (nedves őrlés) Oldószer Élvezeti cikk Üzemanyag 2

3 Alkohol előállítás Etil-alkohol előállítás: - etilénből szintetikus fosszilis nyersanyagforrás kénsavas vízaddíció az összes alkohol termelés <5%-a - erjesztéssel megújuló forrásokból élesztő C H12O6 2CH 3 CH2 OH 2CO kJ/mol Alkoholos élvezeti cikkek előállítása: glükózból (szőlőcukor) maltózból (malátacukor, diszacharid) fruktózból (gyümölcscukor) BOR - erjesztés SÖR - főzés PÁLINKA főzés 3

4 Nyersanyagok Közvetlenül erjeszthetőek Mono- és diszacharid-tartalmú anyagok Az élesztőnek invertáz enzime van Melasz szacharóz, glükóz, fruktóz - legelterjedtebb közvetlenül erjeszthető - cukorgyártás mellékterméke (az összes cukor 10-13%-a) - tisztasági hányados: szárazanyagra (DM) vonatkoztatott cukortartalom (~0,6) DM=80% esetén a cukortartalom 48% (20% nitrogéntart. anyag, 10% ásványi a.) - ipari fajlagos standard: 1 liter absz. etanolhoz 3,3 kg melasz - ára nagy hatással van az alkohol előállítási költségére Répamelasz Nádmelasz 4

5 Nyersanyagok Közvetlenül erjeszthetőek Hidrol - kristályos dextróz (=glükóz) előállítás anyalúgja - Szabadegyháza Szulfitszennylúg - papírgyártás mellékterméke - Svédország, Finnország - hemicellulóz hidrolizátum: glükóz, mannóz, galaktóz, arabinóz, xilóz - 2-3%-os cukortartalom, 2 / 3 -a hexóz - erjedést gátló anyagok nagy mennyiségű élesztő, folyamatos üzem faforgácshoz kötött élesztő/szeparátor+visszavezetés Tejsavó - 4-5% laktóz - sajt- és túrógyártás során keletkezik 5

6 Nyersanyagok Közvetlenül NEM erjeszthetőek - Keményítő kukorica, búza amilóz lineáris glükózpolimer amilopektin elágazásokat is tartalmaz - Lignocellulózok cellulóz (b 1,4 kötések), hemicellulóz, lignin fás- és lágyszárú növények fő tömege nagy mennyiségben képződnek olcsó nyersanyagok 6

7 Segédanyagok Kénsav cc., vastartályokban tárolják, ph állításra használják Foszforsav foszforsavhoz saválló tartályok foszfor forrás Szalmiák (ammónium-hidroxid), kiegészítő nitrogén forrás (a melasznak is van nitrogén tartalma) Habzásgátló anyagok - (korábban) növényolaj származék - (ma) szintetikus habzásgátlók is Habzást okoznak: gabonánál sikér proteázos bontás fehérjék (elhalt, felszakadt sejtekből) 7

8 Melasz alapú technológia Alapanyag fogadása Melasz ürítése: C-ra kell melegíteni, szivattyú háza fűthető Direkt gőzbevezetés (gőzlándzsa) Csőkígyó a tartályban, nem hígul, jobb tárolhatóság Melasz előkészítése (általánosan, opcionális lépések) - Hígítás 50%-osról kb %-os cukortartalomra sterilezéssel együtt - Sterilezés C-on, folytonosnál 1-5 perc, szakaszosnál ½ óra Mellékreakciók (cukorvesztés) elkerülése - Segédanyagok hozzáadása, ph beállítása 8

9 Szakaszos erjesztés I. I. Üzemi színtenyésztés (aerob, batch) - Az erjesztéshez szükséges oltóélesztő mennyiséget sterilen állítja elő óra, hőmérséklet: C - Egy ciklus: - C.I.P. (cleaning in place) öblítés - Anyagok betöltése Összes melasz, tápsók ph 4,2-4,4 - Sterilezés Direkt gőz, 95 C, 30 perc - Beoltás laboratóriumból kapott élesztővel, ipari törzs - Fokolóval követik nyomon a folyamatot 9

10 Szakaszos erjesztés II. II. Előerjesztés (aerob, fed-batch) - A főerjesztéshez szükséges élesztőmennyiség előállítása - Hasznos térfogata kb. 10-szerese az előző lépésének - Az előző lépés fermentlevével oltják - Intenzív levegőztetés, hűtés (30 C) - Nem steril - Melasz rátáplálás a fermentáció során óra 10

11 Szakaszos erjesztés III. III. Főerjesztés Kb. 100 m 3 -es szénacél kádak, kb. 30 óra, hűtés (30 C) Előerjesztés fermentlevével oltják Aerob szakasz - intenzív levegőztetés, élesztőszaporítás Rátáplált anaerob szakasz - Minimális levegőztetés a cefre keveréséhez - Melasz adagolás hígítatlanul Nem táplált anaerob szakasz (utóerjesztés) - Nincs melaszadagolás - Cukorkoncentráció minimálisra csökken - Alkohol: 8-9% (Saccharomyces cerevisiae 10%-ig tud erjeszteni) - Élesztő: kb. 1% 11

12 Egyéb melaszos technológiák Boinot-Melle eljárás - Az élesztőt többször felhasználják - A fermentléből szeparálják az élesztőt, vízzel hígítják, savval 2-esre állítják a ph-t, savazási idő: 2-3 óra Félfolytonos erjesztés - A főerjesztés végén a cefre 15-20%-át megtartják, így a következő fermentációhoz nincs szükség előerjesztésre Folytonos erjesztés - Sorba kapcsolt CSTR (folytonos kevert tartályreaktor) kaszkád - Melaszt hígítják - Előnye: jól automatizálható, szakaszoshoz képest nagyobb produktivitás - Hátránya: befertőződés veszélye 12

13 Egyhígításos folytonos melaszszeszgyártás párhuzamosak sorosak 13

14 Gabonaszeszgyártás A keményítőt cukorrá kell hidrolizálni (enzimes, savas) Keményítőbontó enzimek: - -amiláz: folyósító enzim - amiloglükozidáz (AMG): cukrosító enzim - pullulanáz: elágazásbontó enzim Technológiai megoldások: - Száraz őrlés A teljes szem bekerül az elfolyósító folyamatba daraként (Győr) Melléktermékek: - Törköly (rostfrakciót az elfolyósítás után választják el) - Vagy a rost végighalad a fermentáción desztilláción: DDGS, Distiller s Dried Grains with Solubles (beszárított moslék: rost+egyéb nem illó) 14

15 Gabonaszeszgyártás - Nedves őrlés Melléktermékek: - Kukoricalekvár (fehérjetartalmú anyag), csíra (olajtartalmú), glutén (zein), rost Csak a keményítőfrakció kerül elfolyósításra (Hungrana, Szabadegyháza) Dara/keményítő gőz 1-5 min 105 C Vákuum Lehűl 15

16 Általános technológiai lépések - Gabonaszesz gyártás (száraz őrlés) Szuszpenzió készítés Elfolyósítás Keményítő csirizesítése (hőmérséklet, vizes közeg), -amiláz folyósít Cukrosítás (AMG enzim) Maltózból, maltodextrinekből glükóz Cukrosítás az erjesztéssel együtt (SSF - Simultaneous saccharification and fermentation) - Számos előnye van: Nem kell külön reaktor Nincs végtermék inhibíció az enzimnél Nincs ozmotikus stressz az élesztőnél Kisebb a befertőződés veszélye - Hátránya: az enzimes reakció nem optimális hőmérsékleten zajlik - Ideje: óra

17 Pannonia Ethanol, Dunaföldvár 6. moslék szeparálás 5. desztilláció és szárítás és abszolutizálás Etanol tárolás 8. biogázosítás 7. bepárlás 4b. SSF erj. vízelőkészítés 1. őrlés hűtőtornyok 2. szuszpenzió készítés és gőzinjektor 3. elfolyósítás 4a. élesztőszaporítás DDGS tárolás 17

18 KOMPLEXITÁS Alkoholgyártás, upstream műveletek, áttekintés EtOH termelés erjesztés I. generáció közvetlenül erjeszthetőek melasz keményítő hidrolízis elfolyósítás cukrosítás EtOH termelés SSF erjesztés I. generáció közvetlenül nem erjeszthetőek gabona cellulóz hozzáférhetővé tétele előkezelés cellulóz hidrolízis enzimes hidrolízis EtOH termelés erjesztés II. generáció közvetlenül nem erjeszthetőek lignocellulózok SSF 18

19 Bioüzemanyag generációk Üzemanyagalkohol vonatkozásban: - 1. generáció (konvencionális): Ipari léptékben létező technológiák, kis előállítási költség Közvetlenül erjeszthetőkből, keményítőtartalmúakból (részben élelmiszer alapanyagok is) - 2. generáció ( advanced ): Kísérleti és demonstrációs üzemek, első termelő üzemek, nagyobb előállítási költség Lignocellulózokból (nem élelmiszer alapanyagok) 19

20 Ha az egy év alatt képződött svéd famennyiséget etanollá alakítanák, ki lehetne váltani Svédország benzin fogyasztását. Svédországban hatalmas erdők vannak, és ~9 millió él. A lignocellulóz alapú etanol teljes helyettesítést nem tesz lehetővé globális 20 viszonylatban.

21 Életciklus elemzés (LCA), szén-dioxid emisszió csökkentés Növénytermesztés Transport 1 Gyártás az üzemben Transport 2 * Földhasználat változás 21

22 Bioüzemanyagok szén-dioxid emisszió csökkentése a fosszilis párjukhoz képest 22

23 Földhasználat változás (LUC) Példán keresztül szemléltetve: 1. Változás előtt: legelő és erdő 2. Közvetlen változás (dluc direct land use change): energetikai célú növénytermesztés, csökken a legelő 3. Közvetett változás (iluc indirect land use change): legelő kialakítása az erdő egy részén 3. Az (i)luc által okozott CO 2 kibocsátás növekedés nagyon bizonytalanul becsülhető, de az LCA során ezt is figyelembe kell venni Az 1. generációs üzemanyagoknál jelentős DE: mezőgazdasági, erdészeti melléktermékek nem okoznak földhasználat változást 23

24 Downstream: szesz lepárlás és finomítás -Cefreoszlop A szesz lepárlás és finomítás célja kettős: - Nagy alkoholkoncentráció elérése - Tisztítás (egyéb illó anyagok eltávolítása) Cefreoszlop - Cefre a táptartályból, 8-9% etanol - Előmelegítő, 70 C-on lép ki a cefre, hőintegráció - Oszlop tetejére érkezik (1. tányér), csak kifőző régió szitatányér, könnyű tisztítani, olcsó, nem jó leállítani - Nyersszesz: fejtermék, (V/V)% etanol Nyersszesz 40-60(V/V)% g f CEFREO. gőz cefre g/f KOND. ELŐMELEGÍTŐ moslék bepárlásra 24

25 A cefreoszlop fenéktermékének sorsa A fenéktermék (moslék) szeszmentes, vizet és nem illó anyagokat tartalmaz Bepárlás (többfokozatú), ha sok a szilárd anyag, szeparálás előzi meg - Melasznál vinasz talajjavító (foszfor tartalom nagy) - Gabonánál: DDGS (rostfrakció benne) takarmány 25

26 KONDENZÁTOR Guillaume-féle lepárló- és finomítótelep cefre előpárlat DEFLEGMÁTOR g/f KOND. visszahúzás Nyersszesz 40-60(V/V)% ELŐMELEGÍTŐ ELŐPÁRLATO. g f gőz KOND. KOND. utópárlat DEFL. KOND. CEFREO. DEFL. DEFL. gőz Finomítvány (4.-5. tányér) FINOMÍTÓO. VÉGO. VISSZAFORRALÓ UTÓPÁRLATO. 8-10(V/V)% moslék 40-50(V/V)% 40-50(V/V)% Előtisztított szesz (V/V)% gőz gőz kozmaolaj víz Luttervíz (alszeszvíz) Finomszesz 96 (V/V)% KOZMAOLAJMOSÓ 26

27 Melléktermékek Előpárlat: etanolnál kisebb forráspontú komponensek (pl. metanol) 95%-a etanol Utópárlat: etanolnál nagyobb forráspontú komponensek Előpárlat + utópárlat + piridines oldat = denaturált szesz Kozmaolaj: lakkipari oldószer Egy technológiában nagy jelentősége van annak, hogy a melléktermék áramokkal mi történik: jelentenek-e extra bevételt vagy fizetni kell a kezelésükért 27

28 Abszolutizálás Üzemanyagalkohol benzinhez keverve: min. 99,95 (V/V)% etanol Konvencionális desztillációval 96 (V/V)% érhető el Abszolutizálás Terner azeotrop desztilláció - Harmadik komponens: ciklohexán, benzol, kloroform - Vízzel ne elegyedjen, olcsó legyen - Három oszlop Pervaporáció membránnal Molekulaszűrés - Zeolitos oszlop: nagyobb nyomáson a víz adszorbeál, etanol nem, gőzként lép be és ki - Regenerálás legalább két oszlop szükséges, 5-10 percenként vált: vákuumban, etanollal regenerálnak (a termelt etanol 15-40%-ával) 28

29 Élesztőgyártás Mire használjuk az élesztőt: - Sütőélesztő-gyártás élő sejtek, melyek keleszteni tudnak, aerob ferm. - Takarmányélesztő-gyártás elölt sejtek, fehérje, aerob fermentáció - Szeszgyártásnál etanol, anaerob fermentáció Sütőélesztőgyártás: Saccharomyces cerevisiae fakultatív anaerob nincs levegő: etanol van levegő: a cukor határozza meg, hogy szaporodik vagy erjeszt sok a cukor átkapcsolja az anyacserét, és etanol termelődik Cukrot kellően alacsony szinten kell tartani rátáplálásos fermentáció ekkor szaporodik, CO 2 -t, vizet és hőt termel (szaporodásnál sokkal több hő szabadul fel, mint erjesztésnél) Hőmérséklet: 30 C ph: 4,5-4,8 29

30 Sütőélesztő-gyártás Budafokon Nyersanyag: melasz Segédanyagok: - Szalmiák a N-, foszforsav a P-igény fedezésére - Kis mennyiségben vitaminokat (B 1, B 6 ), biotint, nyomelemeket (zink, réz) kell adni - Kénsav a ph állításhoz - Habzásgátló (módosított repceolaj) Melasz előkészítés: - Hígítás - Derítő szeparátor (centrifuga) iszapot, rostot távolít el - Sterilezés: direkt gőzzel 130 C-ra melegítik csőkígyó (kb. 1 perc tartási idő) végén hővisszanyerés (lehűlve előmelegít) 30

31 Sütőélesztő-gyártás Budafokon Fermentáció 1. Színtenyésztés (kis lépték) - Batch - Inokulum (oltóanyag) laborból - Csak élesztő (nincs idegen csíra) - Levegőztetés: steril levegő, keverés is (nincs szükség keverőre) - Mivel az elején sok a cukor, alkohol is képződik, ezt az oltóélesztő fermentációban felhasználják a sejtek szénforrásként 2. Oltóélesztő fermentáció (középső lépték) - Rátáplálásos (fed-batch) - Nem steril 3. Eladóélesztő fermentáció (nagy lépték) - Fed-batch, a végén 60 t élesztő egy fermentorban - 13 méter magas, erősen levegőztetett fermentorok 31

32 Élesztőgyártás Budafokon A levegőbevezetés fejlődése 1. Perforált cső - Statikus, a levegőztetőelem nem forog (az ábra felülnézetet mutat) 32

33 Élesztőgyártás Budafokon A levegőbevezetés fejlődése Aztán dinamikus rendszerek 2. Vogelbush levegőztetőelem - 60 ford/min - Sűrített levegőt igényelt 33

34 Élesztőgyártás Budafokon A levegőbevezetés fejlődése 3. Frings levegőztetőelem ford/min - Önbeszívó, nem kellett hozzá kompresszor - Nem volt energiahatékony - Az oltóélesztő gyártásnál még mindig használják levegő Visszatérés a statikushoz 4. Mikrolyukas perforált cső 34

35 Élesztőgyártás Budafokon A cefre feldolgozása Szeparálás élesztő szeparátorok - Terméke az élesztőtej (nehéz fázis) és a vérce (élesztőmentes cefre, könnyű fázis) - Könnyű fázisból vinasz készül: melléktermék, besűrített vérce (60%-os szárazanyagtartalom), talajjavító 35

36 Cefre Élesztő szeparátor 36

37 Élesztőgyártás Budafokon A cefre feldolgozása Vákuumdobszűrő - bemerül, vákuum rászívja a dobra a sejteket, fölül mosás, kés levágja (kb. 30% szárazanyagtartalmú morzsalék) Élesztőtej 37

38 Élesztőgyártás Budafokon A cefre feldolgozása Csigás extruder Formázás, csomagolás Tárolás - fontos a levegőzés és hűtés, mert élő sejtek, és hőt termel (jól tárolva fél évig is eláll) Szárított élesztő: - nitrogén atmoszférában, 30 C-on, fluidágyban készül (importáljuk) 38

39 Továbbtanulási lehetőség: Washington University in St. Louis MBA képzés (tandíjas, de McDonnell ösztöndíj kapható) To be eligible to apply to the McDonnell Academy, you must be a graduate of one of our Partner Universities and must also apply to one of a select group of full-time doctoral or master s degree programs. Kapcsolat: Dr. Barta Zsolt (zsolt_barta@mail.bme.hu) 39

40 Washington University in St. Louis Financial and Programmatic Support from the McDonnell Academy For the academic year, Scholars will receive: Full tuition for study in a doctoral or master s degree program. This support will continue as long as the Scholar is making satisfactory progress toward a degree. A 12-month living stipend for each year that the Scholar is making satisfactory progress toward a degree. This stipend is set at $27,000 for the year beginning August 16, A one-time travel allowance of up to $1,500 for travel to St. Louis to begin studies as an Academy Scholar. An annual travel allowance of up to $2,000 for a trip to the Scholar s alma mater. Bekerüléshez: jó ajánlólevél és jó Skype interview 40