Česká zemědělská univerzita v Praze

Agronomická fakulta

Katedra mikrobiologie a biotechnologie

AUTOREFERÁT Dizertační práce

Fermentace cukrovky k nenutričním účelům

Ing. Lucie Kunteová

Školitel: Prof. ing. Karel Voříšek, CSc.

Praha 2002

Úvod

Cukrová řepa je v našich výrobních podmínkách produkčně nejvýkonnější plodinou. Navzdory tomu, že je to zlepšující hlubokokořenící rostlina s důležitým místem v osevním postupu úrodných oblastí, došlo v ČR za posledních deset let k výraznému poklesu jejích osevních ploch.

K opětovnému rozšíření cukrovky může pomoci její zahrnutí do lihobenzínového programu, který předpokládá využití zemědělské půdy nepotřebné k produkci potravin pro pěstování energetických plodin. Mělo by jít o cukrovku a obilí, které se budou průmyslově zpracovávat na líh, určený pro palivové účely. Tento program má silný sociální efekt vytvořením pracovních míst a stabilizací venkova. Jeho ekologický dopad se promítá do zachování kulturní krajiny a omezení skleníkového efektu, navíc respektuje celoevropský trend náhrady fosilních paliv obnovitelnými zdroji energie. Program stimuluje národní hospodářství a omezuje závislost na dovozech ropy a zemního plynu. Funguje v mnoha zemích světa jako je Francie, Brazílie, USA, Polsko, Švédsko, Itálie, Holandsko, Kanada aj. (MACEDO, 1998; ALBRECHT, 2000; POKORNÝ, 1994; DIVIŠ, 2001).

Způsobů využití palivového lihu v energetice je mnoho a podle DIVIŠE (2001) je k těmto účelům možné spotřebovat v naší republice až 1 800 000 hl absolutního etanolu (hla) ročně. Dnes představuje roční výroba lihu v ČR asi 600 000 hla a využívá se kromě potravinářství hlavně ve farmacii a v chemickém průmyslu.

Vzhledem k perspektivě nových odbytišť je pro výrobu lihu nutné najít nové suroviny. Středem zájmu rigorózní práce je cukrová řepa, jejíž zásobní látkou je dobře zkvasitelná sacharóza. Tento disacharid není třeba před fermentací hydrolyzovat jako škrob, navíc jeho hektarové výnosy poskytují dvojnásobné množství lihu než hektarový výnos škrobu z pšenice.

V bulvách cukrovky je zkvasitelná sacharóza uložena uvnitř buněk, tedy za polysacharidickými buněčnými stěnami, kde je pro lihovarnické kvasinky Saccharomyces cerevisiae nedostupná. Nabízí se řešení využít některé meziprodukty cukrovaru, ve kterých je již sacharóza volně přístupná. Jedná se o materiály v různém stupni čistoty (čistota Q vyjadřuje podíl sacharózy v sušině) a s různou koncentrací sacharózy (vyjádřeno polarizací P, která představuje hmotnostní procenta sacharózy v materiálu) (BRETSCHNEIDER, 1980). V tabulce 1. jsou některé tyto materiály popsány.

Tab. 1.: Vlastnosti a ceny cukrovarnických materiálů (podle Cukrovarnických kalendářů, průměr let 1996 - 2000)

Materiál	Polarizace (%)	Čistota (%)	Stručná charakteristika	Cena sacharózy (Kč/t)
cukrová řepa, bulvy	16,8	67,0	k fermentaci nevhodná	5 875
surová šťáva	14,4	89,4	bohatá cizí mikroflóra aj. příměsi, nelze ji skladovat	7 591
těžká šťáva	59,0	92,1	tepelně zpracovaná, stabilní	9 146
sirob B	62,0	77,5	podobná melase	6 000
melasa	52,2	62,9	tradiční surovina	4 000

Surová šťáva, těžká šťáva a sirob B jsou brány v úvahu jako potenciální suroviny pro výrobu lihu, pro srovnání je v tabulce uvedena také cukrová řepa a dosud tradičně používaná melasa. Ceny odpovídají relacím roku 2000, u surové a těžké šťávy jsou stanoveny pomocí ekonometrického počítačového modelu EkoCu pro cukrovar se zpracovatelskou kapacitou 6000 t řepy za den, u obchodovaných materiálů (řepa, melasa) odpovídají reálným cenám. U sirobu B jde o kvalifikovaný cenový odhad.

S uvažovanými materiály dosud nejsou ve výrobě lihu potřebné zkušenosti a neexistuje objektivní srovnání jejich fermentací. Předkládaná dizertační práce má tyto technické podklady poskytnout, aby bylo možné vybrat pro výrobu palivového lihu nejvhodnější z nich.

CÍl práce

Experimentální práce: „Fermentace cukrovky k nenutričním účelům“ si vzala za cíl porovnat surovou šťávu, těžkou šťávu, sirob B a tradičně využívanou melasou jako kvasné substráty. Pomocí dosažené výtěžnosti etanolu ze sacharózy a koncentrace zbytkových cukrů v prokvašené zápaře má odpovědět na otázku, který z nich je pro tvorbu etanolu kvasinkami Saccharomyces cerevisiae nejvhodnější.

Pro získání těchto údajů proběhly provozní zkoušky a laboratorní pokusy.

Cílem práce bylo najít způsob, jak zařadit nové materiály do výrobního programu melasových lihovarů s minimálními investicemi. Nezabývá se proto novými trendy v lihovarnictví (kontinuální fermentace, systémy s imobilizovanými buňkami, využití jiných mikroorganismů a pod.), které by znamenaly výrazné zásahy do stávající technologie. V českých lihovarech je to diskontinuální přítokovaný způsob (fed-batch systém) s recyklací kvasinek (podle DYRA, 1956). Jak publikoval KOSARIC (1996), tento způsob je dosud i ve světě nejrozšířenější a vyprodukuje se jím asi 80 % veškerého etanolu.

Metodika

1. Provozní zkoušky

Těžká šťáva

Zkoušky probíhaly v průmyslovém lihovaru s kapacitou 320 hla za den, v němž byla melasa při výrobě lihu zcela nahrazena těžkou šťávou. Prokvasilo celkem 124 t sacharózy, fermentované objemy zápar byly 73 m³.

Do kvasné kádě se načerpalo 10 m³ preparační lázně (pH 2,2; připravovala se z vody, kyseliny sírové a suspenze kvasinek) a 1,5 m³ těžké šťávy. Provozní vodou se objem doplnil na 30 m³ a přidalo se 5,5 kg hydrogenfosforečnanu amonného. Po rozkvašení zápary se periodicky každou hodinu zápara doplňovala zředěnou těžkou šťávou. Po doplnění celého objemu zápara dokvášela, provázená poklesem sacharizace.

Když se pokles sacharizace zastavil, byl odebrán vzorek na stanovení lihovitosti a koncentrace zbytkových cukrů. Po odseparování kvasinek provozní talířovou odstředivkou byla zápara vedena do sběrné kádě, odkud odcházela na destilaci.

Surová šťáva, doslazovaná B sirobem

Při sestavování provozní technologie byla v popředí snaha dodat maximální množství sacharózy surovou šťávou, tedy minimalizovat množství přidávané vody a sirob B použít jen pro zvýšení polarizace surové šťávy.

Během pokusu prokvasilo celkem 61 t cukru, poměr cukru v surové šťávě a v B sirobu byl 6 : 4. Kvasné objemy byly 40 m³, jednou 67 m³. Při stabilním objemu 65 m³ (plná káď) by se poměr vložené sacharózy ještě více vychýlil ve prospěch surové šťávy.

Surová šťáva byla v cukrovaru odebírána přídavným potrubím za sítem extraktoru a čištěna na spádovém sítě s velikostí otvorů 1 mm, určeném jinak pro čištění řízkolisové vody. V lihovaru se šťáva ještě jednou filtrovala, a to přes síto s velikostí otvorů 0,8 mm. Touto poslední filtrací se oddělil podíl drti asi 0,2 % obj. šťávy.

Preparační lázeň se připravovala na pH 2,2, kvasinky se v ní nechávaly 30 min. Objem preparace byl 10 m³, smíchal se s 15 až 18 m³ surové šťávy a technologickou vodou se doplnil na 30 m³. Přidalo se 2,8 kg hydrogenfosforečnanu amonného (pro výsledný objem 40 m³) a zaznamenala se aktuální sacharizace. Když zápara rozkvasila (pokles sacharizace), byl zahájen přítok koncentrátu, který v tomto případě tvořila směs surové šťávy a sirobu B. Polarizace této směsi byla pokaždé jiná, poměr obou složek se stanovoval podle aktuální polarizace surové šťávy. Pohybovala se většinou kolem 30 %, její objem byl 10 m³. Přítok mixu se reguloval tak, aby sacharizace zápary zůstávala konstantní, tj. asi 8,5 %. Po doplnění celého objemu připraveného mixu se přítok zastavil a zápara dokvášela provázená poklesem sacharizace. Přesné množství sacharózy, vložené do procesu, bylo možno sledovat díky nainstalovanému průtokoměru SIMA FC2.

Když se pokles sacharizace zastavil (zpravidla kolem hodnoty 2 %), odebral se vzorek pro stanovení zbytkových cukrů a lihovitosti a káď se vypustila. Po odseparování kvasinek odcházela zápara do sběrné kádě a z ní na destilaci. Používaným separačním zařízením byla provozní talířová odstředivka firmy Alfa Laval, typ FESX 510 S-34C.

2. Laboratorní pokusy

Nejprve byla vybrána kvasná kultura, a to z provozních kultur kvasinek Saccharomyces cerevisiae ze tří průmyslových lihovarů. Metodikou experimentů (viz. dále) proběhla fermentace, po jejímž ukončení se porovnaly výsledky lihovitosti a koncentrace zbytkových cukrů, dosažené jednotlivými kulturami. Nejlepších a nejvyrovnanějších výsledků dosáhla kultura z lihovaru Kolín, proto byla pro další experimenty použita.

Kvasné zkoušky probíhaly ve čtyřech sériích, a to na jaře roku 1999, na jaře a na podzim roku 2000, a na jaře roku 2001. Na jaře se vždy zpracovávaly materiály, které lze skladovat (těžká šťáva, sirob B a melasa), a na podzim roku 2000 se kvasila čerstvá surová šťáva, odebíraná přímo z výroby. Celkem tedy proběhlo devadesát fermentací každého materiálu, což bylo devět cyklů vždy s desetinásobnou recyklací kvasinek. Pomocí recyklace byl sledován dlouhodobější vliv substrátu na kvasinky. V roce 2000 a 2001 nebylo možné udržet recyklaci kvasinek v melase (úhyn kvasinek), proto se od ní upustilo a melasová zápara se zakvášela vždy novými kvasinkami.

Složení zápary a podmínky fermentace

Celkové množství sacharózy v zápaře bylo u všech substrátů jednotně 16,67 g/100 ml zápary, konkrétní navážka vycházela z polarizace každého substrátu. Kvasné objemy byly 300 ml. Na 1 l zápary se dávkovalo jednotně 0,08 g síranu amonného a 0,077 g hydrogenfosforečnanu amonného; pH se kyselinou sírovou upravovalo na 4,0.

Aby měly fermentace všech substrátů navzájem stejnou koncentraci kvasinek, před každou inokulací se v Bürkerově komůrce spočítala koncentrace buněk v kvasničné suspenzi příslušného substrátu a do zápary se jí dávkovalo tolik, aby koncentrace buněk v zápaře byla 60 mil./ml (podle DYRA, 1956). Stejně probíhalo počítání buněk a dávkování kvasničné suspenze i při kvašení surové šťávy.

Při fermentaci surové šťávy se ke zvýšení polarizace používal B sirob, jeho množství se při každé fermentaci počítalo z aktuální polarizace surové šťávy.

Fermentace probíhaly v 500 ml Erlenmeyerových baňkách s kvasnými uzávěry v termostatu při teplotě 30 ^oC. Ve snaze co nejvíce se přiblížit přítokovanému systému, který je velmi příznivý pro využití substrátu kvasinkami, byl zvolen postup s jednorázovým doplněním zápary.

Postup

Při kvašení skladovatelných materiálů (těžká šťáva, B sirob a melasa) se v baňkách nejprve zaočkovalo 200 ml zápary s kompletní dávkou živných solí a s obsahem sacharózy 9 g/100 ml, což mělo umožnit rychlejší rozkvašení zápary. Po 4 až 5 hodinách, kdy zápara začala kvasit (tvorba bublin při promíchání baňky), se dolilo 100 ml koncentrované zápary příslušného materiálu s dodatkem zbylých dvou třetin sacharózy (koncentrace 32 g/100 ml).

Při kvašení surové šťávy byla počáteční dávka tvořena 155 ml surové šťávy a 45 ml preparační lázně s kvasinkami. Zbývajících 100 ml bylo připraveno z B sirobu, jehož dávka se podle polarizace surové šťávy pohybovala od 12 do 20 g, a z 80 ml surové šťávy. Do 100 ml se směs doplnila vodou. Vzhledem k velmi dynamickému průběhu fermentace, doprovázené pěněním zápary s tendencí k přetékání baněk, bylo nutné do zápary přidávat odpěňovací olej. Byl použit Glanapon DG 121 v dávce 0,1 ml/l zápary (nižší dávkování nebylo provozně možné).

V průběhu fermentace byly kvasné baňky dvakrát denně váženy, úbytek hmotnosti sloužil jako nepřímý ukazatel intenzity kvašení. Fermentace byla považována za ukončenou, když rychlost úbytku klesla pod 0,125 g/h.

Po odstředění kvasinek byla čirá zápara podrobena rozborům podle metodik provozní lihovarnické praxe: lihovitost byla stanovena z destilátu refraktometricky, koncentrace zbytkových (redukujících) cukrů (tj. glukózy a fruktózy) titračně metodou podle Schoorla (viz. níže). U některých vzorků byla pro srovnání stanovena koncentrace zbytkových cukrů také chromatograficky.

Kvasinky, odstředěné ze zápar po prokvašení, byly odděleně podle substrátů převedeny do suspenze ve fyziologickém roztoku (0,9% roztok NaCl), podrobeny 30min. preparaci v roztoku o pH 2,2 a použity k dalšímu kvašení téhož materiálu.

Stanovení lihovitosti zápar refraktometricky

Princip: Metoda využívá rozdílného indexu lomu světelného paprsku při průchodu fázovým rozhraním (kapalina – hranol) pro etanol a pro vodu. Index lomu etanolového roztoku závisí na jeho koncentraci, pro jednotlivé indexy lomu jsou příslušné lihovitosti tabelizovány (index lomu destilované vody je 1,3383038; index lomu 15,02% etanolu 1,3408525).

Postup: Do 250 ml destilační baňky se odměřilo 100 ml prokvašené zápary a 50 ml vody. V topném hnízdě se z ní oddestilovalo do 100 ml odměrné baňky asi 70 ml destilátu. Objem odměrné baňky se doplnil po rysku destilovanou vodou a promíchal. Na refraktometru MEOPTA Přerov s hranolem T₁ (index lomu 1,32651 až 1,37133) se při konstantní teplotě 20 ^oC stanovil index lomu destilátu a v tabulce se vyhledala příslušná lihovitost.

Stanovení redukujících cukrů podle Schoorla

Princip: Redukující cukry vylučují varem z alkalického roztoku oxid měďnatý, který lze jodometricky stanovit.

Postup: Do 300 ml Erlenmeyerovy baňky se odměřilo 10 ml roztoku Soxhlet I (6,93 g CuSO₄ x 5 H₂O ve 100 ml) a Soxhlet II (36,4 g vinanu draselno-sodného a 10 g NaOH ve 100 ml). K nim se přidalo takové množství vzorku, aby obsahoval méně než 0,1 g redukujících cukrů. Objem směsi se destilovanou vodou doplnil na 50 ml.

Baňka se přiklopila hodinovým sklíčkem a na plameni zahřívala tak, aby v ní kapalina za 3 min vřela. Mírný var se udržoval po dobu 2 min. Poté se baňka pod tekoucí vodou rychle zchladila na teplotu místnosti, přidalo se 10 ml 30% roztoku KI a poté se směs okyselila 10 ml 25% H₂SO₄. Přidalo se 5 ml 1% škrobového mazu a titrovalo roztokem 0,1 molárního thiosíranu sodného (Na₂S₂O₃) až do vymizení modrého zbarvení. Zůstala žlutá barva jodidu měďnatého, která se již neměnila.

Stejným způsobem proběhl slepý pokus se stejným množstvím vody místo vzorku. K rozdílu obou titrací se v tabulce vyhledalo příslušné množství cukru a přepočetlo se na obsah v původním vzorku.

Stanovení zbytkových cukrů kapalinovým chromatografem

Koncentrace zbytkových cukrů metodou HPLC byla stanovena s použitím kolony Watrex naplněné katexem Ostion LG-KS 0800 Ca²⁺ formy o rozměrech 250 x 40 mm. Kolona byla temperována na 80 ^oC, průtok byl nastaven na 0,80 ml/min. Jako mobilní fáze byla používána demineralizovaná voda, připravená z destilované vody na přístroji Millipore – Milli – Q (Francie) s gradientem 18,2 MΩ*cm. Vzorky byly nastřikovány pomocí šesticestného dávkovacího ventilu Rheodyne (USA).

Látky, obsažené ve vzorku, byly na výstupu z kolony detekovány refraktometrem RIDK 101. Tento přístroj byl propojen s počítačem, kde byly analýzy vyhodnocovány pomocí počítačového programu CSW. Koncentrace látek byla stanovena z plochy píků (integrál plochy pod křivkou v jednotkách mV*s) na základě kalibrační křivky pro rozsah koncentrací glukózy a fruktózy od 0 do 2 % (odděleně).

Metodu blíže popisuje ONDROUŠEK a BASAŘOVÁ (1986).

Výsledky a diskuse

1. Provozní zkoušky

Výsledky provozních zkoušek nejsou statisticky vyhodnotitelné, neboť jejich nákladnost je vysoká a nelze je mnohokrát opakovat. Podávají však cennou představu o chování materiálů při fermentaci ve výrobním měřítku.

Těžká šťáva

Koncentrace zbytkových cukrů se ve srovnání se záparami melasovými snížila o 27 %. Výtěžnost etanolu ze sacharózy sledována nebyla, protože provozní výtěžnosti u melasy nebyly k dispozici. Z průběhu fermentací však lze zvýšení výtěžnosti u těžké šťávy očekávat.

V technologii lihovaru došlo během pokusu k těmto změnám: doba kvašení se zkrátila o 20 %; snížila se pěnivost zápary, takže dávky odpěňovacího oleje (Glanapon DG 121) bylo možno snížit o 30 %; o 30 % se snížila i spotřeba kyseliny sírové, používané pro přípravu preparační lázně. Vzhledem k tomu, že zápary z těžké šťávy jsou řidší, čistší a světlejší než melasové, došlo ke zlepšení i při destilaci etanolu ze zápary a očekává se asi o 30 % nižší frekvence sanitací destilační kolony.

Sacharizace (podíl sušiny) melasové zápary klesá po prokvašení veškeré sacharózy přibližně na 8 %, zápara z těžké šťávy prokváší až na sacharizaci 1 %. Tato skutečnost má vliv na charakter výpalků. Nebude možné je na stávajících zařízeních zahušťovat na 40 až 60 % sušiny, jak je obvyklé. Je třeba najít jiný způsob jejich úpravy a dalšího využití.

Surová šťáva, doslazovaná B sirobem

Výsledky provozní fermentace surové šťávy rovněž předčily výsledky kvašení melasových zápar. Během pokusu bylo dosaženo průměrné objemové výtěžnosti lihu 64,69 %, což je 95,5 % teoretické výtěžnosti. Koncentrace zbytkových cukrů se oproti melasové zápaře snížila o 23 % a cyklus kádě byl oproti kvašení melasy kratší o 25 %. Průběh fermentací surové šťávy byl díky jejímu charakteru poměrně bouřlivý s tendencí k vyšší pěnivosti. Spotřeba odpěňovacího oleje se nicméně nezvýšila.

Kromě dobrých výsledků kvašení se prokázala i bezproblémová separace kvasinek ze surové šťávy na stávajících zařízeních, což umožňuje zachování recyklace kvasinek. Při výše popsaném čištění surové šťávy zůstávaly filtrační koše před odstředivkou čisté a kvasinkovou suspenzi potřebných parametrů bylo bez problémů možno získat sadou trysek, používanou pro melasovou záparu.

Zápara ze surové šťávy a B sirobu prokvášela na hodnotu sacharizace 2 %, proto lze pro výpalky z ní získané říci totéž, co pro výpalky z těžké šťávy.

Díky tomu, že surová šťáva neprochází v cukrovaru působením vyšších teplot, jsou v ní zachovány biologicky aktivní látky jako některé vitamíny a enzymy. Zároveň neobsahuje soli, zvyšující osmotický tlak, ani vysokomolekulární sloučeniny, vzniklé během výroby sacharózy a hromadící se v melase. Proto je surová šťáva pro kvasinky velmi vhodným živným prostředím. Ovšem nejen pro ně - díky příznivé koncentraci sacharózy je surová šťáva velmi náchylná ke kažení. Čerstvě vyrobená surová šťáva obsahuje mezofilní baktérie a kvasinky v koncentraci řádově miliony buněk v mililitru a plísně v koncentraci řádově tisíce buněk v mililitru. (KUNTEOVÁ, 1997) Je nutné ji ihned zpracovávat, ale i tak její průmyslové využití v lihovarnictví představuje riziko kontaminace provozu.

1. Laboratorní pokusy

Průběh fermentací

Průběh a rychlost kvašení lze dobře sledovat pomocí úbytku hmotnosti kvasných baněk (g) a pomocí z něj vypočítané rychlosti úbytku hmotnosti (g/h). Rozdíl mezi materiály je dobře patrný. K výrazně nejrychlejšímu prokvášení sacharózy docházelo v surové šťávě. Její zápara většinou prokvasila za 60 hodin, zatímco zápara ostatních substrátů až o 12 hodin později. Celkový úbytek hmotnosti kvasných baněk se u dobře prokvašených baněk pohyboval kolem 23 g, což zhruba odpovídá množství uvolněného oxidu uhličitého.

Ve 22. hodině fermentace, kdy rychlost prokvášení všech substrátů kulminovala, dosahovala surová šťáva hodnoty 1 g/h, zatímco u nejpomalejší melasy byla rychlost méně než poloviční.

Důvodem, proč se ke kvasným zkouškám nepoužívala zahuštěná surová šťáva, byly předchozí špatné zkušenosti s její fermentací, kdy docházelo během kvašení k enormnímu vypadávání kalu a k následnému zhoršování kvasného procesu. (RYCHTERA, 1997)

Objemové výtěžnosti a koncentrace zbytkových cukrů

Výsledky rozborů ukazuje tabulka 2. Každá číselná hodnota v ní je průměrem devíti kvašení s ohledem na pozici kvašení při recyklaci; u melasy se částečně jedná o kvašení bez recyklace. V tabulce jsou použity tyto zkratky: TŠ = těžká šťáva, BS = B sirob, M = melasa a SŠ = surová šťáva.

Tabulka 2.: Objemová výtěžnost lihu a koncentrace zbytkových cukrů, průměry

Tyto výsledky byly statisticky zpracovány počítačovým programem Statgraphics, verzí 5.1. Fermentace, které z důvodu úhynu kvasinek či z důvodů jiných neproběhly, do statistického hodnocení zahrnuty nebyly. V souboru celkem 352 výsledků byl hodnocen vliv kvasného substrátu a pořadí fermentace, ale také roku, v němž kvašení probíhalo.

Analýza rozptylu trojného třídění prokázala, že všechny tři posuzované vlivy jsou na hladině významnosti 0,01 statisticky průkazné. Zdaleka nejvyšší je vliv materiálu, zatímco vliv roku je velmi nízký a vliv pořadí nejnižší. Lze tedy předpokládat, že při použití zkoušených substrátu bude možné zachovat recyklaci kvasinek.

Výpočet minimální průkazné diference ukázal, že statisticky významný rozdíl výtěžností existuje mezi všemi zkoušenými materiály. Největší rozdíl je mezi těžkou šťávou a melasou a mezi B sirobem a melasou. Rozdíl mezi těžkou šťávou a B sirobem je průkazný jen těsně.

Největší rozdíl v koncentraci zbytkových cukrů byl prokázán mezi melasou a všemi ostatními materiály. Jako neprůkazný vyšel rozdíl mezi B sirobem a surovou šťávou; rozdíl mezi surovou a těžkou šťávou byl na hranici průkaznosti.

Lze konstatovat, že v obou sledovaných znacích (výtěžnost etanolu a koncentrace zbytkových cukrů) je nejlepší těžká šťáva. Ve výtěžnosti je jí nejblíže B sirob, zatímco surová šťáva zaostává. V koncentraci zbytkových cukrů je těžké šťávě nejblíže surová šťáva a B sirob je horší, nikoliv ale výrazně.

Jelikož dosahované výtěžnosti jsou stěžejní pro ekonomiku výroby lihu, zatímco množství zbytkových cukrů do určité míry pouze dává představu o přístupnosti sacharózy kvasinkám, druhým nejlepším materiálem je sirob B a surová šťáva je až třetí.

Výsledky kapalinové chromatografie, jejich srovnání s titrační metodou

Největší rozdíl mezi oběma metodami je u rozborů melasy. Metodou podle Schoorla patrně došlo ke stanovení některých dalších redukujících látek, jejichž koncentrace byla zahrnuta do obsahu zbytkových cukrů. Výsledky HPLC jsou zřejmě v tomto případě spolehlivější.

Výsledky obou metod byly statisticky porovnány párovým t-testem. Prokázal, že rozdíly mezi nimi jsou na hladině významnosti 0,05 statisticky významné, a to i tehdy, když se do porovnávaných souborů nezahrnou výsledky melasových zápar.

Chromatografické rozbory jednoznačně odliší obsah glukózy a fruktózy od jiných redukujících látek, přesto bývají pro kvantitativní stanovení dosud častěji používány klasické analytické metody.

Závěr

Rigorózní práce poskytla možnost zmapovat ve srovnatelných podmínkách lihotvorný proces kvasinek Saccharomyces cerevisiae při použití různých cukrovarnických materiálů a s vysokou přesností a četností odzkoušet míru využití v nich obsažené sacharózy.

Provozní zkoušky i laboratorní pokusy ukázaly, že výsledky fermentací všech zkoušených materiálů jsou lepší než výsledky melasy. Z hlediska výtěžnosti etanolu ze sacharózy i koncentrace zbytkových cukrů je nejlepším materiálem těžká šťáva, jen o málo horší je sirob B a třetí je surová šťáva.

V přístupu k řešené problematice bylo od začátku ve středu zájmů ekonomické hledisko výroby lihu, protože důležitou vlastností materiálů je i jejich cena. Díky tomu nebyly do pokusů zahrnuty drahé materiály s vysokou čistotou jako kléry či sirob A. Velké cenové rozdíly však existují i mezi zkoušenými materiály.

Těžká šťáva, která dává naději na 20 až 30% snížení provozních nákladů a na vyšší výtěžnosti, je zároveň suverénně nejdražší. Sacharóza v ní je téměř dvaapůlkrát dražší než cukr v melase, což je rozdíl, který předpokládané úspory nemohou vyrovnat. Využití těžké šťávy k výrobě palivového lihu by mohly umožnit například nižší výkupní ceny cukrovky pro nenutriční využití.

Výroba lihu ze surové šťávy naráží na mnohé obtíže. Jde o riziko kontaminace provozu, variabilní polarizaci šťávy, kladoucí vyšší nároky na přípravu zápary s odpovídajícím obsahem sacharózy, a konečně i sezónní dostupnost tohoto materiálu. Vzhledem k tomu, že i cena surové šťávy je velmi vysoká, její využití k výrobě palivového lihu se zatím nezdá reálné.

Nejlepší poměr mezi cenou a parametry fermentace nacházíme u sirobu B. Jeho výtěžnost je zhruba o 27 % vyšší než výtěžnost melasy a jeho odhadovaná cena je asi o 50 % vyšší než cena melasy. Pokud by některý cukrovar přistoupil k rekonstrukci spojené se zrušením zadinových varů, což by přineslo značné zrychlení a zefektivnění výroby cukru, mělo by to na cenu B sirobu příznivý vliv.

Vzhledem k výsledkům fermentací, ceně jednotlivých materiálů a podmínkám oboustranné výhodnosti vybraného materiálu pro cukrovar i lihovar se jako nejvhodnější substrát jeví sirob B.

Seznam použité literatury

Ø Albrecht, W.: EU a světový obchod lihem. Branntweinwirtschaft, 140, č. 1, 2000

Ø Bretschneider, R.: Technologie cukru. SNTL, Praha, s. 35 – 61, 1980

Ø Diviš, J.: Obnovitelné zdroje energie a zemědělství České republiky. Zemědělský týdeník, č. 35, 2001

Ø Dyr, J. ; Grégr, V.: Lihovarství I. SNTL, Praha, s. 24 – 223, 1956

Ø Hladíková, I.; Rözlerová, K.; Marek, B.: Cukrovarnický kalendář. Ročenky, VUC Praha a.s., 1960 – 2000

Ø Kosaric, N.: Ethanol – potential source of energy and chemical products

in: Biotechnology, Vol. 6 (Rehm, H. – J-; Reed, G., Eds), London, 1996, p. 118 – 173

Ø Kunteová, L.; Loučka, Z.: Výroba motorových paliv ze zemědělských plodin, závěrečná zpráva výzkumného projektu NAZV: RE 093095 RV 06. VUC Praha, a. s., 1997

Ø Macedo, C., I.: Greenhouse gases and bio-ethanol in Brazil. Int. sugar journal, no. 1189, 1998

Ø Ondroušek, S.; Basařová, G.: Analytické metody. Sborník ÚVTIZ – Potravinářské vědy, č. 4, 91, 1986

Ø Pokorný, Z.; Kozák, J.: Biopaliva a nová agrární politika evropské unie. Mechanizace zemědělství, 44, č.3, 1994

Ø Rychtera, M.: Kvasné zkoušky surové šťávy v simulovaných podmínkách s ohledem na recirkulaci kvasinek pro lihovarské účely. Ve: Výroba motorových paliv ze zemědělských plodin, (Kunteová, L.; Loučka, Z.), závěrečná zpráva výzkumného projektu NAZV: RE 093095 RV 06. VUC Praha, a. s., 1997

seznam vlastních publikací

KUNTEOVÁ, L.: V hlavní roli bioetanol. Listy cukrovarnické a řepařské, 112, č. 2, 1996, s. 44 - 48

KUNTEOVÁ, L.: The potential role of Bioethanol. Int. Sugar Jnl., VOL. 98, NO. 1173B, s. 448 – 452, 1996, p. 448 - 452

KUNTEOVÁ, L.: Bioetanol z cukrovky a obilí do motorových paliv. Zemědělec, IV, č. 27, 1996

KUNTEOVÁ, L.: Perspektivy a možnosti využití řepy cukrové k výrobě etanolu jako motorového paliva. Seminář pro Centrum pro zemědělské soustavy, 1996

KUNTEOVÁ, L.: Využití cukrovky k výrobě bioetanolu. Listy cukrovarnické a řepařské, 113, č. 2, 1997, s. 47 - 49

KUNTEOVÁ, L.: Co přináší řepa - využití řepných řízků a melasových výpalků. Listy cukrovarnické a řepařské, 113, č. 10, 1997, s. 259 - 262

KUNTEOVÁ, L.: Energetický potenciál cukrovky. Úroda, č. 9, 1997

KUNTEOVÁ, L.: Cukrovka jako energetická plodina. Nový venkov, 1, č. 9, 1997, s. 31 - 33

KUNTEOVÁ, L.: Cukrovka k nenutričním účelům – výroba lihu. Sborník konference Řepařství 1998, ČZU Praha, 1998

KUNTEOVÁ, L.: Biotechnologie v cukrovarnictví: cukrovka pro energetické účely, výroba bioetanolu. Sborník cukrovarnického kursu „Nové směry v technologii cukru“, VŠCHT Praha, 1997

KUNTEOVÁ, L.: Bioetanol. Konference „Biomasa pro energii v obcích a městech ČR s využitím zahraničních zkušeností“, CZ Biom, 1998

KUNTEOVÁ, L.: Perspektivy využití cukrovky k výrobě bioetanolu. Den Zemědělce – Pěstování cukrovky (cukrovarnické řízky ve výživě skotu), 1999

KUNTEOVÁ, L..: Cukrovka k výrobě bioetanolu. Zemědělský týdeník, 2., č. 14, 1999

LOUČKA, R.; MACHAČOVÁ, E.; TYROLOVÁ, Y; KUNTEOVÁ, L.: Silážování cukrovarnických řízků, metodiky pro praxi. ÚZPI Praha, č. 15, 1999

KUNTEOVÁ, L.: Zemědělské plodiny jako obnovitelný zdroj energie. Listy cukrovarnické a řepařské, 115, č. 7/8, 1999, s. 199 - 202

KUNTEOVÁ, L.: Biotechnologie v cukrovarnictví – výroba lihu. Listy cukrovarnické a řepařské, 116, č. 7/8, 2000, s. 207 - 208

HOFFMAN, P.; KUNTEOVÁ, L.: Model cukrovaru s odběrem meziproduktů na výrobu bioetanolu. Konference CHISA 2000 (Chemické inženýrství, strojírenství a automatizace)

KUNTEOVÁ, L.: Zemědělské plodiny k výrobě bioetanolu (1. část). Úroda, č. 11, 2000, s. 10 - 11

KUNTEOVÁ, L.: Zemědělské plodiny k výrobě bioetanolu (2. část - dokončení). Úroda, č. 12, 2000, s. 28 - 29

KUNTEOVÁ, L.: EP 7126 Výroba a využití bioetanolu z cukrovky. Prezentační poster na konferenci „Výsledky výzkumu v oblasti výroby potravin a zpracování zemědělských produktů“, MZe, 2000

DUFFEK, K.; KUNTEOVÁ L.: Bioetanol a vysoce energetická cukrová řepa. Zemědělec, č. 13, 2001

KUNTEOVÁ, L.: Technický líh z cukru a škrobu. Listy cukrovarnické a řepařské, 117, č. 7/8, 2001, s. 185 - 187

HOFFMAN, P.; KUNTEOVÁ, L.: Kombinovaná výroba cukru a bioetanolu, Část 1. Optimalizace systému cukrovar-lihovar z hlediska energetického a ekonomického. Listy cukrovarnické a řepařské, 117, č. 9/10, 2001, s. 273 - 277

KUNTEOVÁ, L.; HOFFMAN, P.: Kombinovaná výroba cukru a bioetanolu, Část 2. Využití cukrovarnických meziproduktů v lihovaru. Listy cukrovarnické a řepařské, 117, č. 11, 2001, s. 239 - 244

Summary

The main objective of the thesis is to compare three intermediate products of sugar factory (raw juice, thick juice and syrup B – the intermediate run-off) and molasses as fermentable substrates for a fuel spirit production. Used microorganism were yeasts Saccharomyces cerevisiae.

For this verifying we were used two parameters: an ethanol yield and a residual (reducing) sugars content in fermented liquor. The first parameter (the ethanol yield) is for the ethanol production rentability essential.

A large number of laboratory experiments and also some industrial tests were realized.

In one large-scale test, performed in one industrial molasses distillery, were 124 t of sucrose in thick juice (instead in molasses) processed into ethanol. It has brought many improves in technology. One of the most important was reducing of residual sugars content in 27 % and shortening of fermenting period in 20 %.

In another large-scale test 61 t of sucrose in raw juice with addition of syrup B were femrented. Results of this fermentation was also very optimistic. There was reached the 95,5 % ethanol yield of theoretical yield. In this case there was found a 23% lowering of residual sugars content and 25% shortening of fermentation period in comparison with molasses.

In laboratory experiments a producing strain of yeast from distillery Bioferm Kolín was used. 360 fermentations were performed, what means 90 fermentations in each material. It was 9 series of 10 fermentations with yeast recycling.

The fermentation time took about 72 hours, for raw juice 60 hours only.

Using the ANOVA test the differences of ethanol yield and residual sugars content by each material were verified. It documents the differences of ethanol yield among all mentioned materials are significant. There was also found a negativ influence of yeast recycling, but in a very slight size only.

Results by molasses were considerebly worse than results by all other materials, thick juice was the best substrate. The ethanol yield in it reached in experiments 131 % of molasses’s yield and syrup B 127 % of molasses’s yield. It showes the syrup B is only a little bit worse than thick juice. Owing to the much lower price, syrup B seems to be the most usefful material for a fuel spirit production.