UNIVERZA V LJUBLJANI BIOTEHNIŠKA FAKULTETA

Transcription

1 UNIVERZA V LJUBLJANI BIOTEHNIŠKA FAKULTETA ŠTUDIJ ŽIVILSKE TEHNOLOGIJE PROIZVODNJA ALKOHOLOV Erika BLATNIK, Tinka BOEM, Brigita BRUMEN, Miran BUŽINEL (študentje tretjega letnika živilske tehnologije) asist. Maja Paš, dipl. inž. in prof. dr. Peter Raspor (mentorja) Pomembno mesto v živilski industriji imajo sladkorni alkoholi(sorbitol, manitol), kot nadomestilo sladkorjev v diatetični prehrani. Butanol je odlično topilo in se uporablja tudi pri pridobivanju umetnih arom. Nekateri alkoholi imajo tudi toksičen učinek, kot npr. metanol, ki lahko v prevelikih količinah pušča negativne posledice na organizem. SUMMARY Alcohols are produced with fermentation of sugar by yeast and bacteria. In production of alcohols Ljubljana, 2000 different type of fermentations pathway are present. The most commonly used microorganism for production of alcohol are yeasts Saccharomyces cerevisiae. Ethanol is the mayor product of fermentation but it is not the only one. Beside ethanol and CO2 we also get other products. As sekundary products of fermentation is glicerol. It is important components in pharmacy, chemical and food industry. Sorbitol and manitol are also very imortant in food industry. They are used as sweetness for diabetics. Seminarska naloga pri predmetu Biotehnologija Butanol is now mainly used as a solvent. Metanol is one of alcohols wich is not wished in food products. POVZETEK Kvasovke in bakterije z fermentacijo sladkorjev proizvajajo alkohole. Mikrobni fiziologi so prikazali potek tvorbe alkohola skozi različne fermentativne poti. Danes najpogosteje uporabjen mikroorganizem za proizvodnjo alkohola so kvasovke vrste Saccharomyces cerevisiae.

2 Proizvodnja alkoholov, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, KAZALO VSEBINE UVOD 5 ZGODOVINA ALKOHOLNE FERMENTACIJE 5 ETANOL 6 1. MIKROBIOLOŠKE OSNOVE BIOPROCESA ZGODOVINA MIKROBIOLOŠKE OSNOVE ALKOHOLNE FERMENTACIJE PREDSTAVITEV KVASOVK Uporaba kvasovk v vinarstvu Uporaba kvasovk v pivovarstvu Uporaba kvasovk v žganjarstvu 8 2. BIOKEMIJSKE OSNOVE BIOPROCESA Alkoholno vrenje-fermentacija 8 3. BIOINŽENIRSKE TEHNIKE DELA PRIPRAVLJALNI POSTOPKI Surovine Drozgalne cisterne Fermentor Kuhanje pod visokim pritiskom (HPCP) Proces z drozganja pri temperaturi saharifikacije Proces z reciklacijo destilacijskega ostanka POTEK BIOPROCESA Predelava krompirja 14

3 Proizvodnja alkoholov, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, Predelava rža Predelava koruze Zaprta fermentacija Destilacija in rektifikacija špirita EKOLOŠKI ASPEKT BIOPROCESA UPORABA ALKOHOLOV V PROIZVODNJI HRANE IMPLIKACIJE DRUGIH TEHNOLOGIJ IN IMPLIKACIJE NA DRUGE TEHNOLOGIJE KIS VINO DESTILATI PIVO 19 GLICEROL Zgodovina Mikrobiološke lastnosti Biokemijske osnove Bioinženirske osnove Produkcija glicerola ob dodatku sulfita Produkcija glicerola ob prisotnosti kislin Proizvodnja glicerola z ozmofilnimi kvasovkami Bakterije Alge Izolacija glicerola Implikacije 22 SLADKORNI ALKOHOLI 23 METANOL 24 BUTANOL 26 REFERENCE 27

4 Proizvodnja alkoholov, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, UVOD V seminarski nalogi bomo predstavili zgodovino pridobivanja alkoholov, njihove mikrobiološke, biotehnološke in biokemojske lastnosti. Omenili bomo proizvodnje alkoholov pridobljene predvsem po industrijskih metodah in njihovo uporabo. Glavna alkohola (etanol, glicerol) vključujeta primarne produkte alkoholne fermentacije (pivo, vino, destilati).predvsem se bomo osredotočili na etanol, ker je druga najbolj uporabljena tekočina, takoj za vodo v prehrani in industriji. Ker je alkohol odličen ekstrakcijski medij, zmanjšuje toksičnost in mikrobno aktivnost.prav tako se uporablja kot sestavina za dodatke, kot so začimbe in arome.

5 Proizvodnja alkoholov, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, ZGODOVINA ALKOHOLNE FERMENTACIJE Proizvodnja alkoholov je poznana odkar obstaja človeška civilizacija. Bioproces nenehno izpopolnjujejo in predstavlja z ekonomskega vidika eno najpomembnejših vej biotehnološke industrije. Na kakšen način so ljudje v daljni preteklosti prišli do fermentiranih izdelkov ne moremo trditi z gotovostjo. Pivo so izdelovali že stari Babilonci 7000 let pred našim štetjem, alkohol pa so prvi, še pred 2.stoletjem pridobivali arabci. Kasneje so Egipčani v drugem stoletju naredili prvo destilacijsko napravo in proizvajali alkohol. Po vdoru Arabcev v Evropo, od 8. stoletja dalje, pa se je proizvodnja alkohola razširila tudi na stari celini. Morda so fermentacijo odkrili slučajno z opazovanjem, lahko pa so intenzivno eksperimentirali. Do spoznanja, da je pivo rezultat delovanja živih organizmov, je prišlo šele v 19. stoletju, ko je Louis Pasteur prvi dokazal fermentativne sposobnosti s prostim očesom nevidnih kvasovk. Na našem ozemlju pa so imenovali prvi destilat ýgoreča vodaý, ki so ga pridobili na osnovi vina. Leta 1873 je bilo ustanovljeno prvo slovensko podjetje Hutter&Elsbacmer, tovarna žganja in likerjev na Ptuju. V današnjem času, ko je proizvodnja alkoholov vse bolj nadzorova proces, ko se tudi na to področje uvajajo novejši izsledki različnih znanosti od biokemije in molekularne genetike do kemijskega inženirstva, prispevajo s svojimi podatki vse večji delež k svetovni ekonomiji prav mikrobiološki procesi. ETANOL 1.MIKROBIOLOŠKE OSNOVE BIOPROCESA 1.1 ZGODOVINA MIKROBIOLOŠKE OSNOVE ALKOHOLNE FERMENTACIJE Za pravilen potek fermentacije je pomembno poznavanje lastnosti vseh prisotnih mikroorganizmov, ki s svojim delovanjem lahko sprožijo različne, za bodočo kakovost proizvoda pozitivne ali negativne procese.

6 Proizvodnja alkoholov, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, V industrijski proizvodnji etanola so kvasovke trenutno edini mikroorganizmi. So trpežne in sorazmerno velike, kar olajša delo z njimi. Značilno je, da tvorijo etanol zelo selektivno z malo stranskimi produkti. V poštev pridejo predvsem nekateri sevi Saccharomyces cerevisiae, S. ellypsoideus, S. carlsbergensis, S. fragilis in Schizosaccharomyces pombe.raziskujejo tudi nekatere termofilne bakterije in bakterijo Zymononas mobilis. 1.2 PREDSTAVITEV KVASOVK Kvasovke so mikroskopsko drobne, praviloma enocelične prave glive. Imajo dobre fermentativne sposobnosti, zato so ene izmed najpomembnejših mikroorganizmov. aj jih najdemo med askomiceti, bazidiomiceti in v skupini Fungi imperfecti. V aerobnih razmerah presnavljajo številne sladkorje, medtem ko imajo v anaerobnih razmerah sposobnost fermentacije samo nekatere vrste kvasovk. Osnovna naloga kvasovk je skupaj z drugimi heterotrofnimi mikroorganizmi sodelovati v razkroju in mineralizaciji organskih snovi v naravi, pomembno vlogo pa imajo tudi v živilski industriji in sicer v tehnologiji proizvodnji piv, vin, pekovskega kvasa, destilatov in aditivov ter drugih živilskih izdelkov. Sodelujejo pri sintezi beljakovin iz anorganskih dušikovih spojin in sladkorjev, pomembni so kot vitamini, uporabljajo pa jih lahko tudi za pripravo gojišč za druge mikroorganizme. Poleg dobrih strani kvasovk, so tudi slabe.kvarijo različne surovine v živilski in drugih industrijah, povzročajo napake v tehnoloških procesih, kvarijo pa tudi že dokončne izdelke divje kvasovke. Pri tvorbi etanola (med fermentacijo) mora imeti uporabljeni mikroorganizem naslednje pomembne lastnosti: - hitro in primerno sposobnost fermentacije ogljikovih hidratov, - flokulacijske, sedimentacijske oz. flotacijske značilnosti, - genetsko stabilnost, - osmotolerantnost (sposobnost fermentacije v koncentriranih raztopinah ogljikovih hidratov), - toleranco do etanola in sposobnost tvorbe visokih koncentracij etanola, - visoko preživelost in - temperaturno toleranco UPORABA KVASOVK V VINARSTU S pojmom vinske kvasovke označujemo vse tiste kvasovke, ki sodelujejo pri predelavi vina (štiri odstotke od 500 poznanih vrst) Fermentacijo sicer pričnejo vrste ne-saccharomyces kvasovk kot so kvasovke iz rodov Klockera, Hanseniaspora, Candida, Hansenula, Metschnikowia, Pichia in druge, vendar kmalu prevzamejo

7 Proizvodnja alkoholov, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, vodilno vlogo kvasovke iz rodu Saccharomyces.Včasih pa so uporabljene tudi kvasovke S. bayanus in S.oviformis. Vzrok za prevlado S.cerevisiae je v tem, da bolje prenaša višje koncentracije etanola in sladkorja. SELEKCIONIRANE VINSKE KVASOVKE Dodatek selekcioniranih kvasovk predstavlja dodatek pri populaciji mikroorganizmov,ki začno s fermentacijo.selekcija kvasovk temelji na izolaciji čistih kultur posameznih vrst ali sevov in proučevanje njihovega vpliva na tehnologijo fermentacije. Vino, pridobljeno s tradicionalno spontano alkoholno fermentacijo, je rezultat delovanja mešane avtohtone populacije, kar v optimalnih pogojih da vinu svojevrsten okus in karakter. Običajno pa so s spontano fermentacijo povezani nekateri problemi,kot je prekinitev vrenja ali tvorba večje količine nezaželenih substanc - Selekcija kvasovk je tako daleč, da nam proizvajalci ponujajo selekcionirane kvasovke, ki potencirajo ali povdarjajo posebne karakteristike vina npr. sortnost, aromo, barvo pri rdečih vinih itd UPORABA KVASOVK V PIVOVARSTVU Za fermentacijo piva so primerne le določene kvasovke rodu Saccharomyces. Po Kreger van Rijevi klasifikaciji spada rod Saccharomyces v družino Saccharomycoideae, ta družina pa spada pod družino Saccharomycetaceae, ki sodi še v večjo skupino Asctomycetes. Pivovarji delijo fermentacijo na primarno in sekundarno. Pri primarni fermentaciji se kvasovke,ki jih inokuliramo v pivino ( konc.celic okrog 1x10 10 na ml ), zelo hitro porabijo razpoložljiv kisik za svojo rast in razmnoževanje.ko pa kisika zmanjka,se začne anaerobna faza primarne fermentacije. Tu začnejo kvasovke z alkoholnim vrenjem in sladkorje reducirajo v etanol in CO 2. Sekundarno fermentacijo v nekaterih pivovarnah hitreje sprožijo tako,da v umirjeno mlado pivo dodajo nekaj procentov piva iz stadija intenzivne fermentacije. S tem vnesejo v raztopino aktivne kvasovke, ki preostale sladkorje dokončno prevrejo. Vsi procesi, ki tu potekajo, so enaki kot pri primarni fermentaciji, le da so počasnejši ( nižja temperatura,manjše število kvasovk). Glede na vrsto kvasovk, ki je bila uporabljena v celotnem procesu fermentacije, delimo pivo na: LEŽAK ali LAGER PIVO (Saccharomyces uvarum (carlsbergensis)) SVETLO PIVO ali ALE PIVO( Saccharomyces cerevisiae) UPORABA KVASOVK V ŽGANJARSTVU V žganjarstvu so najbolj uporabljene kvasovke vrste Saccharomyces cerevisiae, direktno lahko prevrejo samo monosaharide. Škrob polisaharid se preko dekstrinov pretvori v maltozo, leta pa v glukozo in to z določenimi encimi (amilazami). Kvasovka Saccharomyces cerevisiae je sposobna pri 2% inokuluma v 72 urah konvetirati 11% vsebnosti sladkorjev v 6 vol.% etanola. Temperatura od začetne 20 C proti koncu naraste na C.Sočasno z alkoholno fermentacijo poteka tudi mlečnokislinska, v manjšem obsegu, je pa zelo važna za oblikovanje okusa in bukeja.

8 Proizvodnja alkoholov, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, BIOKEMIJSKE OSNOVE BIOPROCESA 2.1 ALKOHOLNO VRENJE-FERMENTACIJA Kemizem alkoholne fermentacije Alkoholno vrenje je znano kot zapleten proces transformacije sladkorja v etilni alkohol in ogljikov dioksid, pri katerem nastaja cela vrsta prehodnih in stranskih proizvodov, ki so značilni in pomembni za kvaliteto alkoholnih pijač Lučič (1987). Razgradnja glukoze v anaerobnih pogojih je veriga povezanih kemijskih reakcijah, katere potekajo pod vplivom encimov oziroma fermentov. V prvi fazi poteka fosforilizacija glukoze do glukoze-6-fosfata, kar omogoča encim heksokinaza, v drugi fazi pa encim glukoza-6-fosfat izomeraza pomaga pri spremembi v fruktozo-6-fosfat. Nadalje se fruktoza-6-fosfat združi še z enim ostankom fosforne kisline s pomočjo encima fosfofruktokinaza in ATP v fruktozo-1,6-bifosfat. Fruktoza-1,6-bifosfat pod vplivom aldolaze razcepi v dve triozi gliceraldehid-3-fosfat in dihidroksi aceton fosfat, ki se v procesu izomeracije spremeni v gliceraldehid-3-fosfat. V drugi del glikolize, kjer potekajo oksidacijsko redukcijske reakcije, vstopata dve molekuli gliceraldehid-3-fosfata, ki se s pomočjo gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaze pretvori v 1,3 bifosfoglicerat. 1,3 bifosfoglicerat je energetsko bogata spojina, ki se pod vplivom fosfoglicerokinaze pretvori v 3- fosfoglicerat (fosforilacija na ravni substrata), ta pa v 2-fosfoglicerat pod vplivom fosfogliceromutaze. Enolaza odcepi vodo, nastane fosfoenolpiruvat, ki je energetsko bogata spojina, ob pomoči piruvat kinaze se pretvori v piruvat. Glikoliza glukoze do dveh molekul piruvata zahteva deset encimskih stopenj. Sledi dekarboksilacija piruvata s piruvat dekarboksilazo (odcepi se CO 2 ) v acetaldehid in na koncu nastane etilni alkohol ob redukciji acetaldehida s pomočjo encima alkoholdehidrogenaze. Poleg etanola in ogljikovega doiksida nastajajo še drugi stranski produkti, kot so glicerol, piruvat, sukcinat ter nekatere organske kisline, ki pa se med fermentacijo porabijo. GLUKOZA ATP ADP GLUKOZA-6-FOSFAT

9 Proizvodnja alkoholov, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, FRUKTOZA-6-FOSFAT ATP ADP FRUKTOZA-1,6-DIFOSFAT GLICERALDEHID-3-FOSFAT (2) NAD Pi NADH + H 3-FOSFOGLICERIL FOSFAT (2) ADP ATP 3-FOSFOGLICERAT (2) 2-FOSFOGLICERAT (2) FOSFOENOLPIRUVAT (2) ADP ATP PIRUVAT (2) OGLJIKOV DIOKSID PIRUVAT DEKARBOKSILAZA ACETALDEHID (2) H + NADH NAD ALKOHOL DEHIDROGENAZA

10 Proizvodnja alkoholov, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, ETANOL (2) Shema: Potek anaerobne pretvorbe glukoze v etanol C 6 H 12 O 6 2C 2 H 5 OH + CO 2 Etanol in ogljikov dioksid sta glavna produkta alkoholnega vrenja, nista pa edina produkta. Ta kemijska reakcija je lahko le približna predstavitev biokemijskih reakcij med alkoholnim vrenjem. Kemijska reakcija mora zajemati tako kvalitativno, kot tudi kvantitativno ravnotežje. Alkoholno vrenje pa ni običajna kemijska reakcija, ampak poteka zaradi prisotnosti kvasnic, ki s pomočjo svojih encimov porabljajo sladkorje. Tako poleg etanola in ogljikovega dioksida nastane še cela vrsta drugih snovi, ki s svojo prisotnostjo vplivajo na aromo in okus vina. Lahko rečemo, da med alkoholnim vrenjem poleg etanola in CO 2 nastane še cela vrsta drugih snovi, ki so prisotne v večjih ali manjši količini in predstavljajo stranske produkte alkoholnega vrenja. Stranske produkte lahko razdelimo na primarne in sekundarne stranske produkte. Primarni stranski produkti so snovi, ki se izločajo kot vmesni produkti med alkoholnim vrenjem ali med enostavnimi biokemijskimi reakcijami (redukcija, oksidacija). Sem spadajo še vmesni produkti, nastali v Krebsovem ciklusu. Med pomembnejše stranske produkte spada piruvat in njegov produkt acetaldehid, α-ketoglutorna kislina, nekatere organske kisline (mlečna, citronska, ocetna).

11 Proizvodnja alkoholov, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, aminokisline sladkor beljakovine alkoholno vrenje aminokisline NH4 aminacija acetil-coa aktivirane mašcobne kisline citratni cikel mašcobne kisline ketokisline dekarboksilacija in redukcija etanol višji alkoholi estri Shema: Biokemijska tvorba etanola, višjih alkoholov in estrov iz ketokislin 3. BIOINŽENIRSKE OSNOVE BIOPROCESA 3. 1 PRIPRAVLJALNI POSTOPKI SUROVINE Glede na primernost surovine za proizvodnjo etanola je vsebnost škroba najprimernejši kriterij. Njegova količina je odvisna od vrste surovine, zrelosti, klimatskih razmer zorenja in skladiščenja. Najbolj primerne surovine so pšenica, krompir, rž, koruza, ječmen, cassava Krompir predstavlja najbolj razširjen material z vsebnostjo škroba za proizvodnjo etanola v Nemčiji in V. Evropi. Vsebuje od 20-28% suhe snovi od tega nad 12% škroba. Če nepravilno postopamo, končni destilat vsebuje precej metanola, zaradi vsebnosti pektina v krompirju. Pšenica je tudi pogosto uporabljena, ker nam da lahek in gladek destilat, ne sme pa vsebovati več kot 13% beljakovin, ker to vodi v probleme pri nadaljnem procesiranju. Rž vsebuje 2-4% manj škroba kot pšenica je pa z vsebnostjo amilolitičnih encimov precej bolj bogat, kar vodi v hitrejšo razgradnjo škroba. Koruza

12 Proizvodnja alkoholov, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, je pomembna za proizvodnjo etanola predvsem v ZDA. Maščobe, ki jih vsebuje koruza preprečujejo nastajanje pene med fermentacijo. Ječmen se v industriji uporablja predvsem za slad. Ponavadi vsebuje veliko glukana, kateri zelo poveča viskoznost drozgi in s tem probleme pri fermentaciji. Cassava je tropska rastlina katere korenine vsebujejo nad 90% škroba. Je zelo uporaben predvsem, ker se tudi po enoletnem skladiščenju vsebnost škroba minimalno zmanjša, zahteva pa bolj zapleteno proizvodnjo in s tem večjo porabo energije DROZGALNE CISTERNE Moderna drozgalna cisterna mora izpolnjevati naslednje kriterije: -narejena mora biti iz nerjavečega jekla -vsebovati efektivno in varčno mešalo -imeti dovolj veliko hladilno površino -lahko in enostavno za čiščenje in dezinfekcijo Cisterna mora biti cilindrične oblike z zaokroženim dnom in vrhom, da zagotovimo boljše mešanje in popolno izpraznjenje ob koncu procesa. Večina takih kadi je opremljenih s propelerskim mešalom, čeprav je boljše za te namene uporabiti turbinsko mešalo(pieper, 1990). Slednje nam omogoča tudi procesiranje brez predhodnega mletja in porabi 50% manj energije. Mešalniki so lahko pritrjeni na dno, kar lahko ovira pri praznjenju ali pa so priterjeni na vrh cisterne, kar je bolj primerno. Zelo pomembno je tukaj tudi hlajenje. Njegova efektivnost ni odvisna samo od površine hladilne kače (v nadaljevanju kače) in temperature vode, ampak tudi od oblike kače in njegove razporeditve v cisterni. Omogočiti mora čim boljšo kroženje drozge okrog nje, zato morajo biti ustrezne razdalje med kačo in steno, ter med samo kačo zagotovljene, da se drozga nikjer ne more zadržati FERMENTOR Fermentacija se navadno izvaja v fermentorjih, ki morajo izpopolnjevati naslednje pogoje: -sestavljeni morajo biti iz nerjavečega jekla -biti stoječe cilindrične oblike z večjo višino od obsega -vsebovati odprtine in ventile na vrhu in dnu posode -vsaj opremljeni z termometrom in CO2 kolektorjem na vrhu posode Če je fermentor večji od 40 kubičnih m je koristno, da vsebuje hladilno kačo, ki mora biti razporejena tako, da zagotavlja hitro in učinkovito čiščenje. Medtem, ko je temperatura v fermentorjih brez hladilne kače, regulirana na nastavljeno temperaturo, lahko v fermentorjih, kjer je hladilna kača prisotna, začnemo s fermentacijo pri višjih temperaturah kar pospeši začetek fermentacije, njeno trajanje in s tem manjše tveganje kontaminacije. Hladilna kača v fermentorjih zmanjša posredno porabo vode pri drozgalnem procesu, poveča pa se poraba pri fermentaciji KUHANJE POD VISOKIM PRITISKOM(HPCP)

13 Proizvodnja alkoholov, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, Metoda se uporablja zelo pogosto, ker lahko z njo obdelamo vso surovino, ki vsebuje škrob. Zagotavlja celotno sprostitev škroba iz celic surovine. Ta metoda se izvaja v Henze bioreaktorju z uporabo visoke temperature in tlaka v prisotnosti vode. Proces se lahko izvede brez predhodnega mletja. Npr. krompir se opere, stehta in da noter skupaj z potrebno količino vode. V spodnjem delu bioreaktorja vbrizgujemo paro do tlaka 4,5-6,0 bar in temperaturi od 140 do 160 stopinj C, odvisno od surovine in se vzdržuje od 40 do 60 minut. Ko je surovina dovolj kuhana, jo spustimo ven iz bioreaktorja in nenaden padec tlaka povzroči sproščanje škroba. Če je bilo kuhanje prehitro vstavljeno, ni prišlo do željene zgostitve in škrob se ne bo v celoti sprostil. Če pa kuhamo predolgo, pride do tvorbe melanoidinov in karamelizacije zaradi Maillardove reakcije. Tako pride do izgube škroba in sladkorjev, melanoidini pa deloma inhibirajo fermentacijo. Zato je zelo pomembno, da surovine ob pravem času spustimo iz bioreaktorja v drozgalno cisterno, kjer se dodajo encimi za saharifikacijo PROCES DROZGANJA PRI TEMPERATURI SAHARIFIKACIJE Uporablja se za pšenico, rž in tritical(hibrid med pšenico in ržem). Osnovan je na encimski aktivnosti same surovine, ki vodi do delne saharifikacije škroba brez predhodnega utekočinjenja. Predpogoj, da proces uspešno steče, je dobro zmleta surovina, ki je običajno zmleta s suhim postopkom. Ko surovino zmeljemo, jo prečrpamo v drozgalno cisterno, kjer imamo potrebno količino mrzle vode(15 C). Drozgo se pusti čez noč, da se namoči pri ph vrednosti 5,6-5,8. Naslednji dan segrejemo namočeno drozgo na 50 C in postopoma na 60 C, da poteče saharifikacija do konca. Slaba lastnost tega procesa je, da amilolitični encimski sistem v teh žitaricah ne zdrži pri 60 C več kot 10 do 15 minut in encimska aktivnost varira od ene do druge surovine. To vodi do nepopolnega sproščanja in razgradnje škroba v procesu. Zaradi nizkih temperatur je pri tem procesu povečano tveganje kontaminacije PROCES Z RECIKLACIJO DESTILACIJSKEGA OSTANKA Destilacijski ostanek s temperaturo približno 102 C vodimo v vmesno posodo, naprej na centrifugo, da odstranimo trdne delce od vodne frakcije. Trdna faza vsebuje okrog 30% suhe snovi in se uporablja za krmo, vodna frakcija pa se vodi v drozgalne cisterne, kjer nadomesti ustrezno količino vode. Nato se najprej dopolni cisterno do polovice z zmleto surovino ob stalnem mešanju. Ker je destilacijski ostanek precej vroč je treba cisterno dopolniti zelo počasi, da ne pride do kopičenja škroba. Takoj, ko začnemo dodajati surovino v cisterno, dodamo termostabilne alfa-amilaze, da preprečijo povečevanje viskoznosti. Drozge pripravljene na ta način lahko popolnoma sfermentirajo v 44h POTEK BIOPROCESA PREDELAVA KROMPIRJA

14 Proizvodnja alkoholov, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, Krompir se pobira enkrat letno in je nemogoče, da bi takrat predelali celotnega, zato ga je potrebno skladiščiti. Za skladiščenje mora biti zdrav, brez nobenih bolezni. Skladiščimo ga pri temperaturi 4-7 C, tako da ga prepihujemo s hladnim zrakom. Med tem časom moramo tudi paziti, da se na njem ne kondenzira voda. Pred začetkom procesiranja moramo krompir dobro oprati zaradi tveganja kontaminacije z sporami Clostridium sp., ki so v zemlji in ki lahko v toku fermentacije proizvajajo propenal. Če uporabljamo HPCP, opran krompir naložimo v Henze bioreaktor in ga obdelujemo s paro z vrha proti dnu približno 15 min in kondenzat spuščamo ven. Ko tako krompir malo segrejemo, začnemo spuščati paro iz spodnje strani bioreaktorja, da naraste tlak na 5 bar v 30ih do 40ih min. Na tem tlaku ga držimo približno min, nato spustimo v drozgalno cisterno in naravnamo ph vrednost na 6,0-6,2 za utekočinjenje in zgostitev. To dosežemo z temperaturo od C, vendar če drozgo segrejemo do C se zniža viskoznost, kar pospeši fermentacijo in zmanjša možnost kontaminacije. Fermentacijo še bolj pospešimo z uporabo recikliranega destilacijskega ostanka PREDELAVA RŽA Na procesiranje rža vplivajo pentozani. Visoka vsebnost pentozanov v ržu vodi do visoke viskoznosti, ki poteka skozi celoten drozgalni proces in fermentacijo. Temu se lahko izognemo z uporabo pentozanas, ki pa so precej drage. Rž se zmelje skozi 4 mm sita, prečrpa v drozgalno posodo skupaj z vročo vodo in doda ustrezno količino bakterijske alfa-amilaze za utekočinjenje. Temperaturo se med razkrojitvenim procesom vzdržuje pri 50 C in ph vrednosti 5,0.Nato se pusti vsaj še pol ure, da pride do čimboljše razgradnje pentozanov s pomočjo lastnih encimov. Nato drozgo segrejemo na 60 C za najmanj pol ure, kjer pride do popolne razgradnje škroba. Nato se brozgo prečrpa v fermentor PREDELAVA KORUZE Pri proizvodnji koruze za proizvodnjo etanola so potrebne visoke temperature za utekočinjenje in zgostitev škroba. Koruza vsebuje tudi endosperme, ki povzročijo elastičnost, ta pa povzroča probleme pri mletju. Lahko zmanjšamo sita, vendar je prehod skozi sita potem zelo majhen zaradi maščob, ki jih vsebuje koruza. Nezmleti koščki, ki ostanejo se razkrojijo pri drozganju in fermentaciji le to pa zmanjša izkoristek pri proizvodnji etanola. Celotna razgradnja škroba v koruzi je zagotovljena z HPCP, vendar so tudi tu izgube zaradi Maillardove reakcije in karamelizacije. Utekočinjeno drozgo je treba segravati na C za najmanj 30 min. Do 50% vode, ki jo potrebujemo lahko nadomestimo z recikliranim destilacijskim ostankom, če delamo s tako metodo. Na 80 C pustimo toliko časa, dokler nam hidrosyzer ne pokaže potrebne razgradnje škroba. Maščobe, ki so nam delale preglavice pri mletju so dobrodošle pri fermentaciji. Tu preprečujejo penjenje in tako lahko fermentor napolnimo skoraj do konca ZAPRTA FERMENTACIJA Fermentacija se lahko začne s kvasovkami na dva načina. Prva možnost je, da dodamo drozgi kvasni inokulum v drozgalno cisterno pri 33 C.To pohladimo na nastavljeno temperaturo in

15 Proizvodnja alkoholov, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, prečrpamo v fermentor k surovini. Druga možnost pa se lahko izvede, če vsebuje destilerija zunanji toplotni izmenjevalec. Najprej prečrpamo kvasni inokulum v fermentor. Med tem časom črpamo tudi drozgo skozi toplotni izmenjevalec v fermentor, da dosežemo temperaturo, ki je nastavljena na 34 C. Med glavno fermentacijo temperatura ne sme preseči 36 C. Količino ekstrata, ph in temperaturo je potrebno meriti vsaj enkrat dnevno. Običajno po 24ih urah sfermentira 50% surovine in dosežemo 4 vol. % etanola. Na začetku je ph vrednost 5,2 po 24ih urah pade na vrednost 4,6-4,8 na koncu na 4,2-4,5. Če ph vrednost pade pod 4,0 je vzrok kontaminacija. Na uspešnost fermentacije vplivajo drozgalni proces, surovina, uporaba destilacijskega ostanka in količina ekstrata v drozgi. Uporaba ostanka destilacije pri drozganju vodi do dodatne uspešnosti pri fermentaciji(senn, 1988). Njena uporaba vidno pospeši fermentacijo in zmanjša lag fazo za več kot 4 ure. Uporaba 50% destilacijskega ostanka namesto vode nam zmanjša lag fazo za približno 1,5 do 2 uri, če pa uporabimo samo destilacijski ostanek, fermentacija lahko začne tudi brez lag faze. Tako je fermentacija prej končana in manj možnosti je, da pride do kontaminacije. Tako lahko fermentacijo pšenice, rža in triticala zaključimo v 40ih urah, pri nastavljeni temperaturi 28 C pa je možno fermentacijo zaključiti že v 30ih urah DESTILACIJA IN REKTIFIKACIJA ŠPIRITA Zaradi porabe energije pri destilaciji in rektifikaciji je pomembno, da uporabimo kontinuirno in kombinirano destilacijo in rektifikacijo. Leta 1993 je bila ta metoda izpopolnjena in destilerije, ki so hotele proizvajati lasten užiten alkohol so si priskrbele ta način pridobivanja. Fermentirana drozga se prečrpa na vrh rektifikacijske kolone, kjer se segreje in nato se jo vodi na vrh destilacijske kolone. Ko se drozga spušča po koloni ji odvzamemo etanol, destilacijski ostanek pa zapusti kolono na dnu. Razplinjevalna posoda na vrhu služi za odvzem visoko hlapnih komponent, ki gredo v deflegmator kjer se kondenzirajo. Od tu ločimo še komponente z nižjim vreliščem, kot so aldehidi, ki se vodijo v poseben zbiralnik. Etanol pa vodimo na rektifikacijsko kolono. Odvisno od surovine nastavimo refluksno razmerje. Poleg rektifikacijske kolone imamo še eno kolono v katero vodimo destilat po rektifikaciji. V njej se destilat očisti nezaželjenih arom. Dobimo destilat z največ 96 vol% etanola. 4. EKOLOŠKI ASPEKT BIOPROCESA Več kot 30% surovin, ki se vključujejo v tehnološki proces predelave v živilski industriji postane odpadek, ki potrebuje dodatno obdelavo ali predelavo(leonard in Schaub,1996). Kvasovke, plesni, bakterije in alge so mikroorganizmi, ki sodelujejo v različnih bioprocesih transformacije sekundarnih surovin in odpadkov. Z industrilizacijo pivovarske, vinske, žganjarske in drugih industrij ob koncu 18.stoletja, je prihajalo do odvečne kvasne biomase oz.odvečnih kvasovk in te so predstavljale velik del odpadnega materiala.ker v tistem času še niso vedeli kaj vse se da pridobiti iz teh oz. s temi kvasovkami, so jih preprosto odlagali na kmetijske površine, kjer so služile kot gnojilo.ob koncu

16 Proizvodnja alkoholov, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, devetnajstega stoletja pa so številne študije pokazale, da ostanki kvasne biomase vsebujejo veliko količino proteinov, ki zadovoljijo človeške in živalske prehrambene potrebe. Odpadne surovine vinarske, pivarske in žganjarske industrije vsebujejo ostanke tropin, žitaric, odpadnega kvasa, ogljikov dioksid in fermentacijske ostanke.nekatere od surovin se lahko vključujejo v prehrano živali ali pa reciklirajo.značilnosti sekundarnih surovin in odpadkov definira kemijska poraba kisika (KPK), ki obsega vrednosti od 1500 do 3910 mg O 2 /L (Wheatley,1994).S primerno predobdelavo so te odpadne surovine zaradi visoke vsebnosti škroba zanimive za proizvodnjo alkohola in bioplina-metana.z uporabo aerobnih postopkov lahko dobimo proizvod, ki je primerljiv s sojo in ima visoko vsebnost vitaminov. Glavni odpadek pri pridobivanju etanola je destilacijska drozga. Glavni načini uporabe odpadne drozge so : za gnojilo (če je v bližini dovolj polj) uparevanje in uporabo koncentrata za krmo uparevanje in sežig koncentrata anaerobno čiščenje in uporaba metana za kurjavo Kombinacija prve in zadnje točke je ugodna zlasti pri nižjih koncentracijah raztopljenih snovi v drozgi.druga in tretja točka pa sta ugodni predvsem pri visokih koncentracijah snovi v drozgi. Z uveljavljanjem sistemov z velikim vračanjem drozge se bo pri predelavi melase (Melasa je stranski proizvod v procesih pridobivanja sladkorja. ) in podobnih surovin uveljavila predvsem uporaba zgoščene drozge za kurjavo,ker se bo s tem povečala energetska anatomija postopka, pepel pa se bo še vedno lahko uporabljal za gnojilo. Drugi odpadki so še : - lahka etanolna frakcija, ki vsebuje aldehide, - višji alkoholi, - ogljikov dioksid. Lahke etanolne frakcije ni treba ločevati,če rabimo etanol za gorivo in za dodatek nekaterim topilom.višje alkohole uporabimo kot topilo ali dodatek gorivu.ogljikov dioksid pa lahko zelo učinkovito očistimo in je potem čistejši in cenejši kot tisti, pridobljen iz dimnih plinov.(perdih,1992) Tabela 1: Sestava destilacijske drozge(perdih,1992) Surovina Melasa Sulfitna luž. Koruza Določitev BPK-5(g/l) Suha snov(%) 8,5 10 7,5 Pepel(%) 2,5 2,1 1,5 Sladkor(%) 0,9 0,8 0,5 Proteini(%) 0,8 0,1 2,3 Vitamini Mnogo Malo Mnogo

17 Proizvodnja alkoholov, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, UPORABA ETANOLA V PROIZVODNJI HRANE Prisotnost etanola v hrani je zelo običajna-najdemo ga lahko v fermentiranih živilih, v katerih je nastal zaradi fermentacijskih procesov. Znano je, da etanol vpliva tako na senzorične lastnosti kot na obstojnost živil. Dodajamo ga lahko na različne načine, najpogosteje pa živila pred nadaljno obdelavo potapljamo vanj. Opravljenih je bilo več raziskav, kakšen je vpliv potapljanja živil v etanolne raztopine, na hitrost sušenja in končno kvaliteto. Ugotovitve kažejo, da etanol v živilih ne vpliva le na njihovo mikrobiološko in kemijsko stabilnost, marveč tudi na senzorične in fizikalne lastnosti, kot parni tlak vode in s tem na aktivnost vode(aw). Pri eni izmed raziskav, ki so jo opravili na univerzi v Vidmu (I), oddelek za Ž. Tehnologijo, so ocenjevali vpliv impregnacije z etanolom na hitrost sušenja in kvaliteto suhih jabolk. Jabolčne kocke so potapljali v različno koncentrirane vodne raztopine etanola različno dolgo. Koščke sadja, surove in predhodno obdelane, so sušili v laboratorijski pilotni napravi s presesavanjem pri standardnih pogojih dela. V vseh vzorcih so določili vsebnost vode, Aw, polifenol oksidazno aktivnost in preostanek etanola. Rezultati so pokazali, da potapljanje v etanolne raztopine močno poveča hitrost sušenja in zmanjša polifenoloksidazno aktivnost, kar se je poznalo pri manjšem porjavenju tako obdelanih vzorcev. Ugotovili so tudi, da v vzorcih, ki so bili predhodno potopljeni v raztopine z nizkimi koncentracijami etanola (5-10%) ni bilo preostanka etanola. Kljub razširjeni uporabi etanola kot antimikrobnega sredstva je le malo objav raziskav, ki so se ukvarjale z mehanizmom tega delovanja. Direktni vpliv etanola na mikroorganizme je pripisan etanolnim hlapom in ne deležu raztopljenega etanola v mediju. Ve se, da je parni tlak etanola odvisen od koncentracije in, da tudi aktivnost vode in temperatura vplivata na porazdelitev etanola med tekočo in plinasto fazo. V raziskavah v Vidmu, oddelek za Ž.tehnologijo, so spreminjali vpliv aktivnosti vode na parni tlak etanola pri različnih temperaturah v modelnih sistemih živil. Ugotovitve kažejo, da voda in temperatura močno vplivata na parni tlak etanola. Tako se z naraščajočo temperaturo kot z znižanjem Aw poviša parni tlak etanola. Iz tega lahko zaključimo, da pri živilih s srednjo veliko vsebnostjo vode, že majhne spremembe v Aw vrednosti močno vplivajo na parni tlak etanola v ravnotežju. Podobno se dogaja med fermentacijskim procesom, ko nastajanje etanola znižuje Aw, da se vrednost parnega tlaka etanola močno spreminja z Aw medija in temperaturo. Za podaljšanje obstojnosti živil dodajamo etanol neposredno v embalažo, saj ga v postopku toplotne obdelave uparimo in se v parni fazi porazdeli po celotnem živilu. Nekaj let je od tega odkar so v prodaji kruha in slaščičarskih izdelkov ugotovili postopek za podaljšanje roka trajnosti. V času te večmesečne trajnosti ne pride do sprememb v masi proizvodov, ker je bil med proizvodnim ciklom neposredno v konfekcijsko vrečko razpršen etanol kot konzervans. Ti proizvodi velikokrat deklarirajo na embalaži prisotnost sorbinske kisline ali njene soli kot konzervansa. V veliko primerih je količina teh aditivov resnično najdena v proizvodih a je z vidika analize zanemarljiva. Na verifikacijskih pregledih narejenih pri nekaterih proizvajalcih so ugotovili, da so proizvodi poškropljeni z alkoholno raztopino z točno določeno opremo, ki je vključena k linji za embaliranje. Prisotnost etanolnih ostankov fermentacije v končnem proizvodu je normalna, vendar na embalaži ni navedena dodatna uporaba etanola. Po zakonu bi morala biti, ker etanol in sorbinska kislina ne smeta biti skupaj.

18 Proizvodnja alkoholov, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, Paradižnik smo izpostavili etanolnim hlapom (2mg etoh/kg paradižnika) za 6 ur pri 20 C pred skladiščenjem pri 5 in 20 C. Med skladiščenjem smo vsake tri do sedem dni pregledovali spremembe barve, trdosti in kompozicije. Rezultati so pokazali, da obdelava z etanolom pred skladiščenjem ugodno vpliva na barvo in mehčanje. Ko smo v skladišču dvignili temperaturo iz 5 C na 20 C je proces dozorevanja hitro narastel, vendar ne do take stopnje, kot če bi bil ves čas skladiščen pri 20 C. Končni rezultati pokažejo, da obdelava paradižnika z etanolom ugodno vpliva na njegovo skladiščenje. 6. IMPLIKACIJE DRUGIH TEHNOLOGIJ IN IMPLIKACIJE NA DRUGE TEHNOLOGIJE 6.1 KIS Alkoholni kis (špiritni ali beli kis) se lahko proizvaja tudi iz alkoholnih destilatov. Alkoholni destilat je produkt alkoholne fermentacije naravnih sladkornih raztopin. V nekaterih deželah se kot alkoholni substrat uporablja sintetični etanol, razredčen na % (v/v). Alkoholni kis je brezbarven in ga zato nekateri obarvajo s karamelom. Je zelo kisel in aromatičen. Pri razredčitvi na 9 % kislost, se lahko uporablja kot kis za konzerviranje. 6.2 VINO S fermentacijo grozdnega soka dobimo vino, ki vsebuje okoli 12 vol% alkohola. V večini držav je prepovedano dodajanje sladkorja grozdnemu soku pred fermentacijo, zato je vsebnost alkohola v vseh vinih približno enaka. Pri šampanjcih, ki jih pridobivamo z 2x fermentacijo je vsebnost alkohola nekoliko višja(14 vol%). Tudi ostalo sadje lahko fermentiramo v vino, vendar najbol se uporablja samo jabolčnik. 6.3 DESTILATI Destilati imajo visoko vsebnost alkohola. Proizvajamo jih iz žit (viski, vodka), melase (rum) ali vina(brandy) in so razrečeni na primerni vol% alkohola, ki je 40 vol%. 6.4 PIVO Surovine za pripravo piva lahko pripravimo samo v pivovarni. Brozga za pripravo piva vsebuje Brix in ima izkoristek med 60-90%. Tipična vsebnost alkohola v pivu je 5 vol%.

19 Proizvodnja alkoholov, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, GLICEROL Glicerol je enostaven alkohol,ki ima dve primarni in eno sekundarno alkoholno skupino. Primarni alkoholni skupini sta bolj reaktivni kot sekundarna alkoholna skupina. 1. ZGODOVINA Glicerol je odkril Scheele leta 1779 s saponifikacijo olivnega olja. Leta 1813 je Chevreul dokazal, da so maščobe estri glicerola in maščobnih kislin. Pasteur je že vedel, da je glicerol vedno prisoten kot stranski produkt alkoholnega vrenja. Leta 1872 je Friedel je prvi iznašel kemično sintezo glicerola. Kemično se glicerol proizvaja iz propilena, preko vmesnih spojin, kot alilklorid,akroelin,propilen oksid. V glavnem je bil glicerol sekundarni produkt hidrolize maščob v proizvodnji mila. Prvi biotehnološki proces proizvodnje glicerola je bil razvit in uporabhjen v Nemčiji leta Kasneje so ga uporabili tudi v Angliji in v ZDA. 2. MIKROBIOLOŠKE LASTNOSTI Saccharomyces cerevisiae proizvede nekaj procentov glicerola skozi alkoholno vrenje. Glicerol proizvajajo tudi ozmotorelantne kvasovke, kot so Zygosaccharomyces acidifaciens, Saccharomyces rouxii, S.mellis, Pichia etchelsii, in drugi primerni mikroorganizmi. Večina izmed osmotolerantnih organizmov proizvaja tudi druge polihidroksi alkohole. Proizvodnja glicerola lahko poteka tudi s pomočjo bakterij pod ugodnimi pogoji. Bakterije, ki proizvajajo glicerol so Bacillus subtilis, Lactobacillus lycopersici Produkcija glicerola poteka tudi z halotolerantno marine alga (Dunaliella tertiolecta), Ta proces so opisali Craigie in Mclachlan (1944) in Ben-Amotz (1982). 3. BIOKEMIJSKE OSNOVE Glicerol se sintetizira med fruktoza biofosfatno potjo. Neuberg in Reinfurth sta dodala kvasnim celicam sulfid in ugotovila, da acetaldehid zgradi s sulfidi kompleks, ki ne more reagirati z NADH 2. Ta NADH 2 reagira z dihidroksiacetonfosfatom in preko vmesnega produkta glicerol-3-fosfata nastane glicerol. Ta regulacija ni popolna, ker vzporedno nastaja tudi etanol, vendar v nižji koncentraciji. Fermantacijska pot se imenuje Neubergov drugi tip fermentacije. Poznamo pa tudi Neubergov tretji tip fermentacije. Pod vplivom alkalnih soli, karbonatov, bikarbonatov in fosfatov se iz dveh molov glukoze proizvede dva mola glicerola, en mol ocetne kisline, en mol etanola in dva mola CO 2.

20 Proizvodnja alkoholov, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, CH3 C O Glicerol dehidrogenaza CH2 NADH + H NAD O PO3H2 Dihidroksiaceton fosfat CH2 Glicerol posfataza HOCH CH2 O PO3H2 Glicerolfosfat CH2 HOCH CH2OH Glicerol + H3PO4 Shema: Biokemijski postopek tvorbe glicerola Avtorja Neuberg in Hirsch (1919) sta predpostavila reakcijo v kateri se ena molekula acetaldehida oksidira v acetat, med tem, ko se druga molekula reducira do etanola. Spencer (1956) je ugotovil, da v metabolični poti nastajanja glicerola z ozmotolerantnimi kvasovkami v katerih nastajajo tudi drugi polihidroksi alkoholi enaka, kot s Saccharomyces cerevisiae. Dunaliella tertiolecta mora premagovati izredne razlike tlakov v svojem okolju. Glicerol igra pomembno vlogo v zaščiti celice pred spremembami koncentracije soli. Frank in Wegmann (1974) sta preučila pot nastanka glicerola. Med fotosintezo v prisotnosti NaHCO 3 in v mediju z visoko koncentracijo soli celice Dunaliella proizvajajo velike količine glicerola. Nizka koncentracija NaCl povzroči nastajanje mlečne kisline v večjih količinah. Pri nizki koncentraciji NaCl intermedianti Calvinovega cikla, kot so gliceraldehid fosfat, dihidroksiaceton fosfat lažje zapustijo kloroplast in se v citoplazmi pretvorijo v laktate, aminokisline, karbohidrate in druge sestavine. Z povečanjem koncentracije NaCl so encimi v citoplazmi več ali manj inaktivirani. Tako v citoplazmi poteka samo nekaj reakcij in zaradi tega se v kloroplastu poveča sinteza glicerola. 4. BIOINŽENIRSKE OSNOVE 4.1 PRODUKCIJA GLICEROLA OB DODATKU SULFITA Produkcija glicerola s prostimi celicami kvasovk Je najpomembnejši mikrobiološki proces za produkcijo glicerola ob dodatku sulfita. Kultura v kateri rastejo Sacharomyces cerevisiae vsebuje 10 % sladkorja, 3% NaSO 2 in sol. Po sterilizaciji dodajo še 1% pekovskega kvasa. Anaerobna fermentacija je končana po dveh do treh dneh pri 30-35ûC. Ob koncu fermentacije masa vsebuje 3% glicerola, 2% etanola in približno 1% acetaldehida. Najboljši izkoristek pridobivanja glicerola dobimo iz sladkorja in znaša okrog 20 %. Skozi proces se proizvede tudi velika količina celične mase S.cerevisiae. Kvas se lahko znova uporabi za cepitev po acetifikaciji celične mase. Kvasne celice, ki jih lahko centrifugiramo ali kako drugače ločimo, lahko uporabimo kot krmni kvas.

21 Proizvodnja alkoholov, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, Poznamo tudi podoben proces, kjer uporabljamo kislinsko hidroliziran koruzni škrob z dodatkom Na 2 SO 3. Izkoristek tega procesa je okoli 30% (Lees 1944) Produkcija glicerola z imobiliziranimi celicami Saharomyces cerevisiae Produkcija glicerola, lahko poteka tudi s celicami S. cerevisiale, ki so imobilizirane v κ- karagenanu. Proces poteka v reaktorju pri 30ûC in po 118 urah je bilo proizvedeno 27,4 g/l glicerola. Končna koncentracija Na 2 SO 3, je bila 55 g/l in prirast celic je bil samo 5-krat 10 4 celic/ml. Κ-karagenan je stabilen ob prisotnosti sulfita, vendar je predrag za praktično uporabo. 4.2 PRODUKCIJA GLICEROLA OB PRISOTNOSTI KISLIN Proces poteka po tretji Neubergovi poti. Ta proces še ni bil komercializiran. 4.3 PRODUKCIJA GLICEROLA Z OSMOTOLERANTNIMI KVASOVKAMI Veliko poskusov je bilo narejenih, kako bi z osmotorelantnimi kvasovkami pridobivali glicerol. Kvasovke dosežejo visoko produkcijo glicerola in drugih poliolov ob prisotnosti sulfitov. 4.4 BAKTERIJE Proizvodnja glicerola v mediju, ki vsebuje glukozo-pepton-kvasni ekstrakt, ob prisotnosti Lactobacillus Iycopersici, ki proizvede 20 kg glicerola, 19 kg etanola, 40 kg mlečne kisline in 100 kg glukoze. Proces zahteva veliko časa in v praksi se ne uporablja (Nelson in Werkman, 1935). 4.5 ALGE Zelena vrsta alge Dunaliella tertiolecta proizvaja glicerol v mediju z visoko koncentracijo NaCl. Koncentracija glicerola v celici je linearno-proporcionalna koncentraciji soli v mediju. Proces je izredno zanimiv zaradi uporabe obnovljivih virov. V tem primeru CO 2 in sončna svetloba. Pri tem procesu obstaja tudi možnost izolacije visokovrednih sekundarnih produktov kot so proteini v 70% primerov in β-karoten. 4.6 IZOLACIJA GLICEROLA Izolacija glicerola iz drozge je zelo zahtevna, čeprav je glicerol topen v vodi. Izolacijo nam onemogoča tudi visoko vrelišče glicerola. Najpomembnejše metode izolacije glicerola so: 1. Kvasovke ločimo iz mase z centrifugiranjem. Etanol destiliramo, sulfate, sulfite in fosfate pa oborimo s kalcijevimi solmi. Tako dobimo drozgo, ki je filtrirana, nevtralizirana in

22 Proizvodnja alkoholov, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, vakuumsko destilirana. S ponovno destilacijo dobimo čisti glicerol, ki ga lahko uporabljamo v proizvodnji dinamita. Po drugi vakuumski destilaciji lahko izgubimo do 40 % glicerola. Vakuumska destilacija ni vedno potrebna. Glicerol lahko izoliramo direktno iz drozge po ločbi iz anorganskih soli z ionskimi izmenjevalci, z razbarvanjem z aktivnim ogljem in koncentriranjem. Izolacija lahko poteka tudi z drugimi očiščevalnimi postopki. 2. Direktna izolacija glicerola s parno destilacijo. S tem procesom uničimo okrog 50% glicerola. 3. Koncentrirana drozga je razpršena pri visoki temperaturi in glicerol lahko izoliramo iz razpršenega medija. 4. Ekstrakcija drozge z različnimi raztopinami ( eter,dioksan, butanol, iso-amilni alkohol). Drozga mora biti očiščena pred ekstrakcijo. 5. IMPLIKACIJE Surov produkt, ki vsebuje okoli 78 do 85 odstotkov glicerola se uporablja v industriji, kot intermedianti za produkcijo barv, kot osnova za kozmetiko in v druge namene. V kemični industriji se uporablja destiliran glicerol za produkcijo gliceroltrinitrata (dinamit), za mazila v farmacevtski industriji, za povečanje vlažnosti tobaka, kot raztopina antifriza. Estri glicerola so pomembni za maščobno in oljno industrijo. Zelo pomemben stranski produkt, ki nastaja kot posledica alkoholnega vrenja, je glicerol. Produktom alkoholnega vrenja (pivo, vino, alkoholni destilati) daje polnost okusa. Glicerol je trivalentni alkohol brez barve in vonja ter sladkobnega okusa. SLADKORNI ALKOHOLI Sladkorni alkoholi nastanejo z redukcijo enostavnih sladkorjev po katerih izhajajo tudi njihova imena.večina jih ima splošno formulo HOCH 2 (CHOH) n CH 2 OH, n =2-5. Polioli vsebujejo ravne ogljikove verige in vsak C atom običajno nosi hidroksilno skupino.glede na število OH skupin jih delimo na tetriole,pentitole (arabinitol, ribitol, ksilitol), heksitole (sorbitol, iditol, manitol).vsaka skupina vsebuje tudi izomere.največji pomen v industriji imata šestvalentna alkohola-heksitola sorbitol in manitol. SORBITOL ( D GLUCITOL ) Prvič so ga odkrili v svežem soku jagode jerebike leta 1872.Našli pa so ga v sadju (jabolki, češnji, hruški, dateljnih, breskvi, marelici), v cvetu (jablan, sliv, češenj), v listih in lubju (jablan, sliv).v zelo mali količini so ga našli v grozdju, pri analizi so ugotovili, da se poslabša

23 Proizvodnja alkoholov, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, z drugimi sadnimi vini ali jabolčnikom.sorbitol se nahaja tudi v jajčecih evropske rdeče pršice, kjer deluje kot zaščita proti zmrzovanju.sorbitol je reducirana oblika glukoze, reducira se aldehidna skupina v D-glucitol.Če hidriramo D-glukozo z vodikom v prisotnosti Nikatalizatorjev pri 150 C in 150 barih nastane D-SORBITOL (D-GLUCITOL).Katalizatorji so še magnezijeva sol, Ni-fosfat, železo; drugi heterogeni katalizatorji za hidrogenacijo glukoze so kobalt, platina.glukoza je običajno hidrirana v sorbitol pri ph 4-8.Najpomembnejša surovina za glukozo je koruzni sladkor, lahko pa tudi drugi npr.hidroliziran škrob. CHO HCOH HOCH HCOH HCOH H 2 COH glukoza H 2 H 2 COH HCOH HOCH HCOH HCOH H 2 COH sorbitol Sorbitol je bel, kristaliničen prašek s sladko-hladnim okusom, s tališčem pri 110 C.Njegova sladna moč je pogosto zelo pomembna karakteristika.le-ta je v vodi dobro topen, v etanolu pa slabo. Sorbitol je oksidiran z fermentacijo Acetobacter suboxydans v L-sorbozo.V tehničnem pomenu je sorbitol izhodna surovina za sintezo askorbinske kisline in sorbitanov.pri segrevanju na C tvori D-sorbitol pri intramolekularni dehidraciji monociklična notranja etra 1,4-sorbitan in 3,6-sorbitan v razmerju 4:1. V organizmu nastane iz sorbita fruktoza, ki se v jetrih (neodvisno od insulina) hitreje od glukoze pretvori v glikogen in s tem praktično ni povezano nobeno večanje krvnega sladkorja.zaradi tega lahko v nekaterih primerih s sorbitolom celo odstranimo hipoglikemijo, ki jo je povzročil insulin.v prehrani ima prednost, ker se z njim ravna tako kakor s sladkorjem.delovanje višjih temperatur njegove sladne moči prav nič ne zmanjša. UPORABA V ŽIVILSTVU Zaradi prej navedenih lastnosti ga že dlje časa uporabljajo kot nadomestno snov za sladkor za diabetike.torej je sorbitol zelo pomemben za živilsko industrijo.pri vnosu 35g sorbitola v telo ga zdrav in malo diabetičen človek izloči le 1,5-2,7% v urin in s tem vidimo, da ga telo

24 Proizvodnja alkoholov, Seminar, Biotehniška fakulteta, Študij živilske tehnologije, ugodno izkoristi.dnevna največja poraba znaša 50g, saj če ga apliciramo peroralno v večjih količinah deluje sorbitol odvajalno, aplicirano introvenozno pa poveča diurezo. Sorbitol ima okoli 60% sladne moči saharoze(z dodatkom 0,11% kristala saharina ima popolno sladno moč sladkorja).uporablja se v zmrznjenih desertih za diabetike, kjer sledi počasna absorbcija in pretvorba v fruktozo v jetrih.da pa tako dobro obliko in teksturo zmrznjenim desertom kot druga sladila. Sorbitol se uporablja tudi za diabetično čokolado in v proizvodnji brezsladkornih žvečilnih gumijev. UPORABA V FARMACIJI V farmaciji se uporablja v koncentrirani raztopini kot mehčalec in vlažilec(vzdrževalec vlage) lahko se uporablja namesto glicerola v mazilih in podobnih zdravilnih oblikah. D-sorbitol je izhodna surovina za sintezo spanov(če zaestrimo sorbitane z višjimi maščobnimi kislinami v razmerju 1:1 dobimo zmesi estrov sorbitana in maščobnih kislin, ki jih imenujemo spani-neionogeni emulgatorji) in tween-ov(polisorbati), ki so znani kot neonogeni tenzidi. D MANITOL Od d-sorbitola se razlikuje samo po položaju hidroksi skupine na C-2.Uporablja se kot diuretik Heksaacetilmanitol. Nahaja se v mnogih rastlinah in naravnih produktih, je glavna sestavina otrdelega soka, ki ga dobimo pri vrezu skorje nekaterih tropskih dreves; nahaja se tudi v gobah, olivah, algah Nahaja se tudi v seču, kjer nastanejo iz sladkorjev s posebno fermentacijo. Manitol je kristalinična snov s tališčem C. Prekurzor manitola pri biosintezi iz gobe Agaricus bisporum je fruktoza.manitol se proizvaja v 44% prirasti po 6 dneh z aerobno fermentacijo z Aspergillus candidus in v 30% prirasti po 10 dneh z Torulopsis mannitofaciens. Male količine manitola so našli tudi v vinu.prvi metabolični produkt od manitola in sorbitola je glukoza. METANOL (ALCOHOL METHYLICUS) Metanol je brezbarvna tekočina ostrega okusa, ima hidrofilne lastnosti in opravlja funkcijo topila. Je izrazito polaren in se meša z vodo v vsakem razmerju. Pridobiva se pri suhi destilaciji lesa (lesni cvet), tehnično iz ogljikovega dioksida in vodika pri 380 stopinj C in tlaku 200 bar v navzočnosti katalizatorja ZnO ali pa pri 270 stopinj C in tlaku 50 bar v navzočnosti aktiviranega bakrovega oksida kot katalizatorja. Shema: Kemijska strukturna enačba razgradnje pektina