WYKORZYSTANIE OBIEREK ZIEMNIACZANYCH DO PRODUKCJI ETANOLU

Transkrypt

1 ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2008 z. 530: WYKORZYSTANIE OBIEREK ZIEMNIACZANYCH DO PRODUKCJI ETANOLU Joanna Kawa-Rygielska Katedra Technologii Rolnej i Przechowalnictwa, Zakład Technologii Fermentacji, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Wstęp Istotną rolę w procesie produkcji etanolu na cele paliwowe odgrywa dobór surowca oraz sposób jego przygotowania [JAROSZ 1995; STECKA i in. 1998; SOLAREK 2001; CZUPRYŃSKI, KOTARSKA 2003; SŁOMIŃSKA i in. 2003]. O wyborze surowca decyduje wysokość plonów, zawartość substancji węglowodanowych w jednostce masy oraz cena rynkowa i koszty produkcji [BORTKUN 2003]. PoniewaŜ koszty surowca stanowią 50-60% ceny produktu finalnego dlatego istotną rolę w procesie produkcji etanolu na cele paliwowe odgrywa moŝliwość zagospodarowania surowców o obniŝonej wartości technologicznej, nieprzydatnych do celów konsumpcyjnych czy przetwórczych, a w szczególności moŝliwość zagospodarowania odpadów przemysłu ziemniaczanego. Co roku w skali kraju powstają duŝe ilości odpadów ziemniaków jadalnych, sadzeniaków czy surowców niespełniających kryteriów rynkowych [NOWACKI 2006]. Ponadto znaczne ilości odpadów powstają takŝe w wyniku przetwarzania ziemniaków odmian jadalnych w przemyśle spoŝywczym między innymi na chipsy czy frytki. Surowce te nieprzydatne do celów konsumpcyjnych, a często nawet paszowych stanowią odpad obciąŝający środowisko naturalne. Zagospodarowanie produktów odpadowych przemysłu ziemniaczanego stanowi istotny problem, a moŝliwość ich wykorzystania do produkcji etanolu wydaje się być pomysłem oryginalnym i nowatorskim, chociaŝ wymaga opracowania procesu technologicznego oraz doboru odpowiednich szczepów droŝdŝy [GRAJEK 1991; KŁOSOWSKI 2003; KAPELA, SOLAREK 2004]. W badaniach własnych podjęto próbę zagospodarowania obierek ziemniaczanych do produkcji etanolu stosując niekonwencjonalne szczepy droŝdŝy o uzdolnieniach amylolitycznych. Celem pracy była ocena moŝliwości przeprowadzenia fermentacji etanolowej zacierów przygotowanych z obierek ziemniaczanych. Materiał i metody Materiałem uŝytym do badań były obierki ziemniaczane stanowiące produkt uboczny firmy produkującej chipsy. Zacier z obierek ziemniaczanych, o zawartości skrobi 5% wag. przygotowano w warunkach przemysłowych z zastosowaniem preparatu upłynniającego Termamyl 120L firmy Novo Nordisk w dawce zgodnej z zaleceniami producenta [SOLAREK 2001]. Zaciery przygotowano z pominięciem etapu scukrzania. Testy fermentacyjne prowadzono metodą fermentacji okresowej w temperaturze 30 C z uŝyciem droŝdŝy wykazujących zdolność do produkcji enzymów amylolitycznych. Materiał biologiczny stanowiły droŝdŝe: 1 - Schwanniomyces

2 398 J. Kawa-Rygielska occidentalis (Sc) oraz hybrydy: S2 i S3, R1, P1, 5.1 uzyskane w zakładzie Technologii Fermentacji UP we Wrocławiu [KAWA-RYGIELSKA 2004]. Jako kryterium oceny aktywności fermentacyjnej przyjęto dynamikę fermentacji wyraŝoną ilością wydzielonego CO 2 w czasie trwania procesu. Ilość wydzielonego CO 2 oznaczono wagowo. Próby waŝono do momentu w którym róŝnica pomiędzy dwoma kolejnymi pomiarami była mniejsza niŝ 0,1 g. Moment ten traktowano jako zakończenie procesu fermentacji. Wynik wyraŝono w % ilości wydzielonego CO 2 w czasie, w stosunku do całkowitej ilości wydzielonego gazu. Po zakończeniu procesu fermentacji próby poddano dwukrotnej destylacji i oznaczono zawartość etanolu metodą piknometryczną. Na podstawie uzyskanych wyników obliczono wydajność praktyczną procesu fermentacji w stosunku do teoretycznej. Ponadto oznaczono ph płynów pofermentacyjnych oraz mikroskopowo stan fizjologiczny komórek droŝdŝy po fermentacji wyraŝony jako % udział komórek pączkujących i barwiących się błękitem metylenowym. Wyniki Jednym ze sposobów oceny przebiegu fermentacji etanolowej jest analiza dynamiki wydzielania CO 2 w czasie trwania procesu. Dane ilustrujące ilości wydzielonego CO 2 w czasie fermentacji obierek ziemniaczanych pokazano na rysunku 1. Rys. 1. Dynamika wydzielania CO 2 podczas fermentacji zacieru z obierek ziemniaczanych Fig. 1. Dynamics of CO 2 release during fermentation of mash prepared from potato peels Po 96 godzinach fermentacji obserwowano maksymalnie 70% całkowitej ilości wydzielonego CO 2. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, Ŝe czas fermentacji zacierów przygotowanych z obierek ziemniaczanych wynosił ponad 140 godzin. Jednym z najistotniejszych kryteriów oceny efektów fermentacji jest ilość wytworzonego etanolu oraz obliczona na tej podstawie wydajność procesu. Wydajność praktyczną etanolu w stosunku do wydajności teoretycznej po zakończonej fermentacji zacierów przygotowanych bez dodatku enzymów scukrzających z odpadów zawierających skrobię ziemniaczaną przedstawiono na rysunku 2.

3 WYKORZYSTANIE OBIEREK ZIEMNIACZANYCH Rys. 2. Wydajność etanolu po fermentacji zacierów z obierek ziemniaczanych Fig. 2. Ethanol yield after potato peel mashes fermentation Wydajność fermentacji była bardzo zróŝnicowana i uzaleŝniona od stosowanego szczepu, uzyskane wartości omawianego parametru mieściły się w przedziale od 14 do 72%. Najlepszą wydajność etanolu w stosunku do teoretycznej (71,4%) uzyskano podczas fermentacji badanego zacieru z udziałem droŝdŝy Schwanniomyces occidentalis ATCC 48086, a następnie szczepu hybrydowego P1 (52%). Wydajność fermentacji prowadzonej przez pozostałe szczepy droŝdŝy była bardzo niska i nie przekraczała 30%. Wydajność dla najlepszego wariantu była prawie 7 krotnie wyŝsza od najsłabszego. Istnieje zaleŝność między wartością ph płynów pofermentacyjnych, a ilością powstałych produktów fermentacji (głównie etanolu i kwasów organicznych). W trakcie przebiegu procesu fermentacji wartość ph ulega stopniowemu obniŝeniu. Zbyt niska wartość ph moŝe negatywnie wpływać na procesy Ŝyciowe droŝdŝy. Wartości ph przefermentowanych zacierów z obierek ziemniaczanych przedstawiono na rysunku 3 i wynosiły one od 3,6 do 4,5. Istotną rolę w procesie fermentacji etanolowej odgrywa materiał biologiczny. Podstawowym parametrem charakteryzującym kondycję droŝdŝy po zakończonej fermentacji jest ich stan fizjologiczny wyraŝony procentowym udziałem komórek pączkujących i nieaktywnych, co zobrazowano na rysunku 4. Po zakończonej fermentacji badanego surowca droŝdŝe charakteryzowały się wysokim udziałem komórek nieaktywnych (powyŝej 15%), zaś udział komórek pączkujących kształtował się na poziomie od 9 do 20%. Zaciery przygotowane z obierek ziemniaczanych były fermentowane przez wszystkie zastosowane w badaniach droŝdŝe, przy czym przebieg fermentacji oraz efekty końcowe były bardzo zróŝnicowane i uzaleŝnione od rodzaju zastosowanego szczepu droŝdŝy.

4 400 J. Kawa-Rygielska Rys. 3. Wartość ph płynów pofermentacyjnych Fig. 3. The ph value after the fermentation Rys. 4. Udział komórek droŝdŝy pączkujących i nieaktywnych w przefermentowanych zacierach z obierek ziemniaczanych Fig. 4. The number of budding and inactive yeast cells after potato peel mashes fermentation Dyskusja W Polsce, bazą surowcową do produkcji etanolu są przede wszystkim: zboŝa, w niewielkim stopniu ziemniaki oraz inne produkty rolnicze (w tym równieŝ odpadowe) [BORKTUN 2003; KAWA-RYGIELSKA 2007]. Stosowanie takich surowców pozwala z jednej strony na zmniejszenie kosztów produkcji etanolu, poniewaŝ odpady produkcji rolnej czy przemysłowej odbierana są przez gorzelnie po obniŝonej cenie, z drugiej eliminuje je z bezpośredniego obrotu handlowego, co ma wymierny aspekt nie tylko ekonomiczny, ale takŝe ekologiczny.

5 WYKORZYSTANIE OBIEREK ZIEMNIACZANYCH Obierki ziemniaczane wykorzystane w badaniach własnych stanowiły produkt odpadowy powstający przy produkcji chipsów. Ich wykorzystanie jako surowca do produkcji etanolu na cele paliwowe okazało się ciekawym i niekonwencjonalnym rozwiązaniem problemu ich zagospodarowania. Jak wynika z przeprowadzonych analiz obierki ziemniaczane posiadły dobrą wartość gorzelniczą przy czym efekty końcowe fermentacji etanolowej z udziałem tego surowca były uzaleŝnione od zastosowanego szczepu droŝdŝy. Wykorzystanie do badań droŝdŝy o uzdolnieniach amylolitycznych pozwoliło na skrócenie czasu fermentacji, wyeliminowanie dodatku enzymów scukrzających oraz uzyskanie dobrej wydajności powyŝej 70%, podczas fermentacji surowca z udziałem droŝdŝy Schwanniomyces occidentalis. Czas fermentacji z udziałem wszystkich droŝdŝy wynosił blisko 140 godzin. Nieco dłuŝszy czas fermentacji był związany prawdopodobnie z dłuŝszą fazą adaptacji droŝdŝy w dość trudnym i niestandardowym środowisku fermentacyjnym jakim są obierki ziemniaczane. Surowce odpadowe bardzo często nie spełniają standardów i wymagań jakościowych warunkujących łatwość i powtarzalności procesu technologicznego. Wiele czynników, takich jak obecność obcej mikroflory czy mikotoksyn moŝe negatywnie wpływać na przebieg procesu technologicznego, aktywność fermentacyjną droŝdŝy oraz jakość produktów finalnych. Dlatego teŝ moŝliwość wykorzystania czy zagospodarowania surowców odpadowych do produkcji bioetanolu wiąŝe się z koniecznością doboru optymalnych warunków procesu warunkujących opłacalność ich zagospodarowania [STECKA i in. 1996; WÓJCIK, CZUPRYŃSKI 2003]. Wnioski 1. Czas fermentacji zacierów przygotowanych z obierek ziemniaczanych wynosił ponad 140 godzin. 2. Najlepszą wydajność etanolu w stosunku do teoretycznej (71,4%) uzyskano podczas fermentacji badanego zacieru z udziałem droŝdŝy Schwanniomyces occidentalis. 3. Po zakończonej fermentacji badanego surowca droŝdŝe charakteryzowały się wysokim udziałem komórek nieaktywnych (powyŝej 15%), zaś udział komórek pączkujących kształtował się na poziomie od 9 do 20%. Literatura BORTKUN O Wykorzystanie wysokoenergetycznych odmian kukurydzy do produkcji biopaliw. Przem. Ferm. i Owoc.-Warzyw. 11: 19. CZUPRYŃSKI B., KOTARSKA K Badania zmian lepkości podczas zacierania i fermentacji zacieru Ŝytniego i kukurydzianego sporządzonego metodą bezciśnieniowego uwalniania skrobi (BUS). Aktualne problemy gorzelnictwa rolniczego: GRAJEK W Kierunki prac nad mikroorganizmami rekombinowanymi przeznaczonymi do produkcji Ŝywności. Przem. SpoŜ. 12: JAROSZ K Perspektywa produkcji w Polsce bioetanolu jako składnika paliw silnikowych. Przem. Ferm. i Owoc.-Warzyw. 9: 11. KAPELA T., SOLAREK L Enzymy Novozymes dla gorzelnictwa - nowoczesne preparaty scukrzające z grupy SAN oraz enzymy pomocnicze. Przem. Ferm. i Owoc.- Warzyw. 5: KAWA-RYGIELSKA J Obtaining hybrids of distillery yeasts characterized by ability

6 402 J. Kawa-Rygielska of ferment starch. Electronic J. of Polish Agricultural Universities, Biotechnology 2(7). KAWA-RYGIELSKA J Bioetanol z kukurydzy - czy warto produkować? Przem. Ferm. i Owoc.-Warzyw. 5: KŁOSOWSKI G Technologie przyjazne środowisku. IX seminarium gorzelnicze SPG IBPRS 12 VI, Przem. Ferm. i Owoc.-Warzyw. 7-8: 66. NOWACKI W Ziemniaki - alternatywnym surowcem do produkcji bioetanolu. Chemia przemysłowa BMP 4: SŁOMIŃSKA L., WIŚNIEWSKA D., GRZEŚKOWIAK A Liquefaction of starch by thermostable alpha-amylase. Acta Scientiarum Polonorum. Technologia Alimentaria 2(2): SOLAREK L Kleikowanie i upłynnianie surowców skrobiowych niesłodowanych z zastosowaniem enzymów mikrobiologicznych Novozymes. Przem. Ferm. i Owoc.- Warzyw. 12: 10. STECKA K., MILEWSKI J.A., MIECZNIKOWSKI A.H Energooszczędna technologia produkcji spirytusu surowego. Przem. Ferm. i Owoc.-Warz. 10: STECKA K., MILEWSKI J., GRZYBOWSKI R., MIECZNIKOWSKI A., ŁABĘTOWICZ J Technologia produkcji spirytusu z surowców skrobiowych przyjazna środowisku, energooszczędna i bezodpadowa. Przem. SpoŜ. 10: WÓJCIK M., CZUPRYŃSKI B Sprawność energetyczna produkcji bioetanolu. Aktualne problemy gorzelnictwa rolniczego: Słowa kluczowe: obierki ziemniaczane, fermentacja, etanol Streszczenie Celem pracy była ocena przebiegu i efektów końcowych fermentacji etanolowej zacierów przygotowanych z obierek ziemniaczanych. Czas fermentacji zacierów przygotowanych z obierek ziemniaczanych wynosił ponad 140 godzin. Najlepszą wydajność etanolu w stosunku do teoretycznej (71.4%) uzyskano podczas fermentacji badanego zacieru z udziałem droŝdŝy Schwanniomyces occidentalis. Po zakończonej fermentacji badanego surowca droŝdŝe charakteryzowały się wysokim udziałem komórek nieaktywnych (powyŝej 15%), zaś udział komórek pączkujących kształtował się na poziomie od 9 do 20%. THE USE OF POTATO PEELS FOR ETHANOL PRODUCTION Joanna Kawa-Rygielska Department of Food Storage and Technology, University of Environmental and Life Sciences, Wrocław Key words: potato peels, ethanol, fermentation Summary The aim of the work was the determination of the course and final effect of

7 WYKORZYSTANIE OBIEREK ZIEMNIACZANYCH ethanol fermentation of potato peels mashes. The time of fermentation was about 140 hours. The best yield of ethanol in relation to the theoretical value (71.4%) was observed during the fermentation using Schwanniomyces occidentalis yeast. After the fermentation the amount of inactive cells was higher then 15%, and the amount of budding cells was from 9 to 20%. Dr inŝ. Joanna Kawa-Rygielska Katedra Technologii Rolnej i Przechowalnictwa Uniwersytet Przyrodniczy ul. C.K. Norwida WROCŁAW Joanna.Kawa-Rygielska@wnoz.up.wroc.pl