ALMALÉGYÁRTÁSI MELLÉKTERMÉK HASZNOSÍTÁSÁNAK VIZSGÁLATA Szilágyi Artúr A szerző a Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Karának (ME-MFK) elsőéves előkészítéstechnikai mérnök mesterszakos hallgatója. Korábbi tanulmányai alatt öt hónapot töltött Madridban Erasmus részképzés keretein belül. Szabadidejében önkéntes sportrendezvény-szervező, valamint a tehetséggondozással foglakozó Bolyai Műhely résztvevője. 2012-ben elnyerte a Sólyom László volt köztársasági elnök által adományozott Tehetség-ösztöndíjat. Érdeklődési köre a környezeti szempontú technológiafejlesztés. Az évi százezer liter bio almalevet előállító Biofaktura Kft.-vel 2011 szeptember elején került kapcsolatba, amelynek technológiai fejlesztésével foglalkozik konzulensével, Dr. Mucsi Gábor egyetemi adjunktussal a Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézetben. A 2011-2012. őszi intézményi TDK-n műszaki tudományi szekcióban mutatta be dolgozatát, ahol II. helyezéssel illetve előadói különdíjjal jutalmazták. E-mail címe: artur.szilagyi@gmail.com. 1. BEVEZETÉS A különböző hulladékhasznosítási lehetőségek térnyerésének lehetünk tanúi az utóbbi időben a környezetvédelem társadalmi fontosságának növekedésével, különösen ha újabb termékek állíthatóak elő. A világon nagy mennyiségben megtermelt alma (FAOSTAT 2009) jelentős részét feldolgozzák. Az almatörköly az almalégyártás folyamán keletkezik; frissen fehéres-világossárga, magas nedvességtartalmú, héjrészeket, almahúst, magházat, magvakat és almaszárat tartalmazó, heterogén anyag. Sokféle felhasználási területe van: komposztként, takarmányként való alkalmazásától a gomba táptalajon keresztül (Kennedy et al. 1999) könnyű erjeszthetőségénél fogva etanol és ecetsav, illetve metán és hidrogén előállításáig sok mindenre kiterjed (Tóthné Szita 2004, Wang et al. 2010). Újabban különböző vegyületek (pektin, fenolok, karotinoidok stb.) kivonását kutatják leginkább (Hoseyini et al. 2011), míg az almamagból kinyerhető olaj, értékes anyagainál fogva, a kozmetikai és gyógyszeripar keresett alapanyaga. Az üzem A szabolcsi Tiszanagyfalu-Virányoson 2007-ben létesült üzemben a környéken lévő 17 hektárnyi terület bioalma termését dolgozzák fel. A gyümölcsösökből ládákban érkezik az alma, majd mosás és kézi válogatás után kalapácsos aprítógépben darálják össze. Szalagprés nyomja ki az almelevet, ami hőkezelés után 3, 5 és 10 literes kiszerelésű bag-in-box típusú csomagolásba kerül. Az őszi hónapokban keletkező átlagosan napi 800 kg almatörkölyt jelenleg deponálják, ezért tanulmányoztuk újabb, lehetőleg biotermékek előállításának lehetőségeit. II. A MINTAANYAG A Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet laboratóriumában a megfelelően összekevert és reprezentatív elemzési mintákon először a legfontosabb alapvető vizsgálatokat hajtottuk végre. Ennek megfelelően mértük a
halmazsűrűséget, nedvességtartalmat, meghatároztuk az anyag összetételét és szemcseméret-eloszlását. Szemcseméret-eloszlás Két különböző módszerrel, vizes közegű nedves szitálással és a szárítást követő anyag száraz szitálásával határoztuk meg a szemcseméret-eloszlást, mivel az almatörköly natúr állapotában könnyen rátapad a szitarácsokra. Nedves szitálás esetén (2. ábra), a rázás és a víz hatására dezagglomerálódnak az összetapadt szemcsék. A frakciók száraz tömegarányai (1. ábra) alapján a kalapácsos daráló többé-kevésbé azonos leggyakoribb szemcseméretű xm=5 mm terméket eredményez. Szárítás utáni szitálás esetén a szemcsék szétválása nem zajlik le. 1. ábra. sűrűségfüggvények 2. ábra. Nedves szitálás Az 1. ábrán megfigyelhető a jóval egyenletesebb eloszlás a száraz elemzés esetében. Nedvességtartalom, összetétel Az almatörköly víztartalma igen jelentős, a préselés ellenére is. 105 C-on szárítottuk a tömegállandóság eléréséig, így kaptuk, hogy a víz aránya a teljes tömegből 91,2%. Az anyagi összetevők esetén a mintaanyag kézi szétválogatása révén három frakciót különítettünk el: mag (2,2%), szár (0,4%) és az egyéb frakciót amely a gyümölcs húsából és héjdarabokból áll (97,4%). A nedves szitálással nyert szemcseméret frakciókat szintén összetevőkre bontottuk, így kiderült, hogy a magok teljes mennyisége a 3-6 mm szemcseméretű tartományba esik. Sűrűség A laza halmazsűrűség szárítva kevesebb, mint fele (0,247 g/cm3) a nedves állapotbelinek (0,562 g/cm3) a mérések alapján. Piknométer segítségével meghatároztuk a jól elkülöníthető frakciók anyagsűrűségét is: így a magok és a szárdarabok sűrűsége 1,13 g/cm 3-nek, a többi anyag együttesen 1,04 g/cm3-nek adódott. Ülepedési végsebesség Mivel a magok és a törköly többi része eltérő sebességgel ülepedik, ezért ülepítőhengerbe juttatva a mintaanyagot, megmértük az ülepedési sebességüket. A mag relatíve gyorsan, mintegy 6 m/perc, míg a törköly többi része kb. 0,3 m/perc végsebességet ért el, azaz körülbelül hússzoros különbség van a kettő között. Ez csak részben a sűrűségkülönbség eredménye, hiszen a magok alakja is nagy szerepet játszik azok gyorsabb süllyedésében. III. KÍSÉRLETEK ÉS BERENDEZÉSEK Miután megismertük a mintaanyag fizikai tulajdonságait, a különböző hasznosítási lehetőségeket vizsgáltuk. Mindenekelőtt a fizikai, mechanikai módszereket tekintettük
át; a vegyi eljárásokat amiatt nem tanulmányoztuk, mert magas a beruházási költségük és könnyen kizárhatják a meglévő bio minősítés további termékekre való továbbvitelét. A fentiek alapján három fő technológiát jelöltünk ki a további vizsgálatokhoz: különböző szemcseméretű porok előállítása az anyag szárítása, őrlése és osztályozása révén. A magok kinyerése dúsítási és osztályozási műveletekkel, majd ebből almamagolaj sajtolása. Az olaj és a porok párhuzamos előállítása, az előző két technológia egymásra épülő kombinációjaként. Őrlés A szárított almatörkölyből készült porokat többfelé alkalmazzák az iparban, például a pipadohány, tea vagy lótáp ízesítésére. Ezen kívül hatalmas potenciál rejlik a sütőipari felhasználásban (Papp 2009). Általános szabályként azt mondhatjuk, hogy a finomabb (250 μm-nél kisebb szemcseméretű) porok a legértékesebb frakciók, ezért ezek minél nagyobb tömegkihozatalát szerettük volna elérni. A laboratóriumban vizsgáltuk a RETSCH cég által gyártott ZM 200 kézi ultra centrifugálmalom alkalmazhatóságát. Az őrlési kísérletek során meghatároztuk a 250 μm alatti 3.ábra. A feladás (fent) és az őrlés termékei (finom-), a 400 μm feletti (durva-) és a (lent, balról jobbra: <250 μm, 250-400 μm kettő közti (közép-) termékek közötti és >400 μm tömeghányadát, illetve vizsgáltuk a rotor kerületi sebesség és a kihordó szitarács méretének hatását az eredményekre (4. és 5. ábra). A kerületi sebesség növekedése a közép- és finomtermék arányának együttes növekedést hozta, míg a szita lyukbőségének az eredeti (2 mm) negyedére (0,5 mm) való csökkentése már a középtermék arányának csökkenésével is együtt jár, a finomtermék kihozatalának 28%-ról 70%-ra emelkedése mellett. 4. ábra. A tömeghányadok a kerületi sebesség függvényében 5. ábra. A tömeghányadok a kihordószita résméret függvényében
A mag leválasztása A szakirodalom alapján a magok szétválasztására leginkább ülepítéses módszerek léteznek. A laboratóriumi kísérletekhez egy nehézközeges dúsító kádat használtunk, nehézszuszpenzió helyett vízzel. Ebben a berendezésben a víz áramlása egy zárt körfolyamatot alkot, amelyhez a nyomáskülönbséget egy alul elhelyezett csiga biztosítja, amelyet háromfázisú motor hajt. A baloldali részbe helyezve a feladást, a könnyűterméket a felfelé áramló víz magával viszi és a jobb oldali részbe viszi, míg a nehéztermék, benne a maggal helyben marad, illetve lesüllyed. Az alsó részen elhelyezett szűrőlap meggátolja a szilárd anyag lesüllyedését illetve annak visszaáramlását a bal oldali cellába (6. ábra). Az előzetes kalibráció során megállapítást nyert, hogy a víz áramlási sebessége a berendezésben a motort meghajtó áram frekvenciájának függvényében jó közelítéssel lineárisan nő. Emiatt a kihozatalokat először a frekvencia függvényében vizsgáltuk (1. 6. ábra. a nehézközeges dúsító táblázat). Látszik, hogy a hajtás sebességének növekedésével egyre kevesebb nehéztermék marad a kád vázlata baloldali részben, viszont az alkotórész kihozatalok nem mutatnak ilyen szabályosságot. A szárítás után szintén lehetőség van sűrűség alapján - pl. légszekrényben - a szeparálásra, de a szárítás során a mag elveszíti 1. táblázat olajtartalmának jelentős részét, ezért az így kapott A kihozatalok a frekvencia terméket nem érdemes kisajtolni, így ezt a függvényében lehetőséget kizártuk. Az összetételnél már érintettük, hogy a vízzel Frekvencia Tömeg-k Alkotórésztörténő szitálás során az összes almamag a 3-6 mm [Hz] ihozatal kihozatal szemcseméretű frakcióban koncentrálódik. A vizes 20 0,95 0,8 szitálás körülményes, viszont eredeti, nedves 35 0,62 0,62 állapotban történő szitálásnál a 3-6 mm közti termék viszonylag alacsony koncentrációban (13-14%), de 50 0,48 1 tartalmazza a magok 80%-át, a kiinduló tömeg kevesebb, mint tizedébe koncentrálva. Megfigyelhető, hogy a magok csak részben a szemcseméretük miatt szeparálódtak ki: jelentős szerepe volt annak is, hogy a mag felülete kevésbé ragadós, ezért enyhe rázáskor jóval könnyebben levált a többi alkotórészről, mint azok egymásról. Egy ilyen elven működő eljárás tehát előzetes dúsításként számításba vehető. 4. ÖSSZEGZÉS, EREDMÉNYEK Jelen munkában a tiszanagyfalu-virányosi bioalma-feldolgozó üzem (Biofaktura Kft.) technológiai fejlesztését alapoztuk meg. A szakirodalmi források alapján vizsgáltuk az almatörköly hasznosítását, és bár számos lehetőség adódik, azok vagy nem alkalmazhatók ebben az esetben, vagy nem teljeskörűek. Mérések során megállapítottuk az almatörköly eljárástechnikai szempontból mérvadó tulajdonságait. Az alapanyagot szisztematikus őrlési sorozatoknak tettük ki ultra centrifugálmalomban, vizsgálva a különböző rotor kerületi sebességének és kihordószita lyukbőségének hatását az őrlemény finomságára, amelynek eredményeként
megállapítható, hogy a legfinomabb terméket 75 m/s kerületi sebesség és 0,5 mm szitarács esetén állítottunk elő. Az alapvizsgálatok alapján, jelen esetben megvalósítható a porelőállítás és az almamag olaj kinyerés együttes alkalmazása (7. ábra), amely nem egyszerűen a két különböző hasznosítás egymás után helyezése, hanem az almamag dúsítás és préselés során visszamaradt anyagainak szárításba és porelőállításba vezetése miatt mindkét módszer melléktermékeinek kezelésére is megoldást nyújt. Újdonsága abban rejlik, hogy egy elődúsítási lépcsővel leválasztjuk a magot, amiből almamagolaj készül, míg a sajtolásból származó préselményt és a törköly további frakcióit egy szárítás utáni őrlésnek tesszük ki. Az őrleményt végezetül három (kereskedelmi) méretfrakcióra bontjuk. 6. JAVASLATOK, JÖVŐBELI TERVEK 7. ábra. Javasolt technológiai sor A fentiekben tárgyalt elődúsítás további vizsgálatokat igényel, hiszen, reményeink szerint, egy dobszitában történő osztályozás esetén felerősödne a dúsulás, mert a dob forgó mozgásával a nagy összetapadt csomók még inkább hajlamosak lennének az agglomerációra, felszedve magukkal a többi szemcsét is, míg a magok átesnének. Erre az elődúsított termékre már hatékonyabban lehetne alkalmazni az ülepítéses-ellenáramú dúsítást, mint közvetlenül a törkölyre. A továbbiakban vizsgálni fogjuk ez utóbbi módszer kihozatalait a feladás koncentrációjától, keveréstől, illetve a tartózkodási időtől függően is. További cél az almatörköly minél hatékonyabb szárítása, és a kívánt porok osztályozásához különböző finomságú síkszitasorok vizsgálata. 5. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Köszönet illeti Csőke Barnabás professzor és Dr. Gombkötő Imre egyetemi adjunktus urakat az értékes tanácsokért. A technológiai vizsgálatok során igen sokban támaszkodtunk a Malomipari Gépgyártó Kft. (MAG Kft) évtizedes tapasztalataira. A kutató munka a TÁMOP 4.2.1.B 10/2/KONV 2010 0001 jelű projekt részeként az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. IRODALOMJEGYZÉK FAOSTAT (2009): FAOSTAT, Food and Agriculture Organization of the United Nations Hoseyini, M. et al. (2011): Production of Citric Acid from Apple Pomace by Using Surface Culture Method in Agricultural Journal, vol. 6, pp. 226-230. Kennedy, M. et al. (1999): Apple pomace and products derived from apple pomace: uses, composition and analysis in Analysis of Plant Waste Materials, vol. 20, Berlin: Springer-Verlag, pp. 75 119. Papp G. (2009): Szárított almatörköly, mint feldolgozóipari melléktermék, közvetlen hasznosítása a sütőiparban - diplomamunka, Debreceni Egyetem Tóthné Szita, K. (2004): Az almatörköly hasznosításának ökohatékonysági vizsgálata in MTA-JTB Konferenciakötet, pp. 183-203. Wang, H. et al. (2010): Enhanced bio-hydrogen production by anaerobic fermentation of apple pomace with enzyme hydrolysis in International Journal of Hydrogen Energy, vol. 35, no. 15, pp. 8303-8307