8416072620

Laboratorium - biotechnologia ogólna - dla studentów kierunku biotechnologia wersja 1.2 PRODUKCJA BIOMASY CZ 4.

Gorzeinictwo

Przemysł fermentacyjny dostarcza na rynek duże ilości wyrobów takich jak: wino, piwo i spirytus (z którego otrzymuje się wódki). Przy wyrobie tych napojów wykorzystuje się funkcje życiowe komórek drożdży, przekształcających cukry w etanol. Surowce, z których otrzymuje się alkohol muszą zatem zawierać odpowiednie cukrowce. Roztwory sacharozy mogą być bezpośrednio poddane fermentacji z udziałem drożdży, natomiast wielocukry (np. skrobia) nie ulegają fermentacji i muszą być uprzednio poddane hydrolizie do tzw. cukrów fermentujących, głównie cukrów prostych i dwucukrów - metabolizowanych przez drożdże. Gorzeinictwo jest to gałąź przemysłu fermentacyjnego obejmująca produkcję spirytusu surowego na drodze fermentacji alkoholowej cukrów, a następnie wydzielenie tego spirytusu z odfermentowanego zacieru.

Do produkcji spirytusu wykorzystuje się wiele surowców roślinnych zawierających różne węglowodany. Można je podzielić na dwie grupy:

surowce zawierające wielocukry: ziemniaki, zboża, odpady krochmalnictwa, mąki, kasze, otręby

surowce zawierające cukry bezpośrednio fermentujące, głównie sacharozę, glukozę, fruktozę: melasa, buraki cukrowe, trzcina cukrowa, marchew, owoce świeże i suszone, odpady przemysłu owocowego.

W gorzelnictwie ziemniaczanym i zbożowym produkcja spirytusu obejmuje następujące etapy: parowanie surowca, zacieranie, fermentację zacieru i odpęd spirytusu.

Parowanie ma na celu rozluźnienie substancji międzykomórkowych, rozerwanie błon komórkowych, uwolnienie skrobi, skleikowanie jej i w maksymalnym stopniu przeprowadzenie jej w stan rozpuszczony. Odbywa się to w aparatach zwanych parnikami pod ciśnieniem około 390 kPa (4 atm).

Zacieranie - do uparowanych surowców dodaje się słód jęczmienny w postaci rozdrobnionej lub tzw. mleczka słodowego i poddaje zacieraniu obejmującemu szereg procesów enzymatycznych. Do najważniejszych należą procesy hydrolizy skrobi, potocznie określane jako scukrzanie skrobi. W temperaturach zbliżonych do 60°C amylaza oraz inne enzymy słodu mają wystarczającą aktywność (optimum dla słodu jęczmiennego mieści się w przedziale 52-55°C), oraz zostaje ograniczony rozwój niepożądanych drobnoustrojów.

Fermentacja zacieru - do scukrzonego zacieru (zacieru słodkiego) dodaje się zawiesinę drożdży po wcześniejszym wychłodzeniu do temperatury fermentacji. W gorzelnictwie stosuje się specjalne rasy drożdży należące do gatunku Saccharomyces cerevisiae. Są to drożdże górnej fermentacji, silnie rozmnażające się, szybko fermentujące (glukozę, fruktozę, sacharozę, maltozę, niektóre rasy: mannozę, galaktozę, laktozę i rafinozę), dające stężenie alkoholu etylowego do 10 -11%. Zacier słodki po zadaniu drożdżami poddaje się fermentacji. W skrócie proces fermentacji obejmuje elikolize prowadzącą do powstania z cukrów kwasu piroeronowego CH₃COCOOH, następnie jego nieoksydacyjną dekarboksylacje do aldehydu octowego oraz redukcję tego ostatniego do etanolu pod wpływem współdziałającej z NAD dehydrogenazy alkoholowej.

W czasie fermentacji wyróżniamy 3 okresy: zafermentowanie. fermentację główna (burzliwa) i dofermentowanie.

W fazie zafermentowania następuje intensywne rozmnażanie drożdży, które ulega osłabieniu w miarę zmniejszania się zawartości tlenu i wzrostu stężenia alkoholu etylowego.

Okres fermentacji głównej charakteryzuje zahamowanie rozmnażania drożdży i intensywna fermentacja (zmniejszenie gęstości zacieru o l°Blg na godzinę). Po zakończeniu fermentacji głównej poziom zacieru opada i rozpoczyna się najdłuższy okres — dofermentowanie (gęstość zacieru spada do 3,5—5°Blg). Ma on duże znaczenie dla wydajności alkoholu, ponieważ dopiero teraz następuje ostateczna hydroliza dekstryn pod wpływem enzymów i odfermentowanie powstałych cukrów redukujących.

Proces fermentacji trwa zwykle 2 (temp. 25-28°C) lub 3 (temp. 20-25°C) doby, w tym zafermentowanie 10-15 godzin, fermentacja główna 12-18 godzin, dofermentowanie ok. 30 godzin.

Powyżej zawartości 5% alkoholu w fermentującym zacierze następuje zahamowanie rozmnażania drożdży. Fermentacja ustaje przy stężeniu alkoholu ok. 10%.

( glukoza )c.

2 ATP

2 ADP -2 ATP

(glukozo-1,6 difosforan) C„

(2 aldehyd 3-foBforogllcei-ynowy) C.,

Cl

o:

2 NAD 2 NADH,

4 ADP ATP

( 2 kwas plrogronowy ) c.

y

NADH ■ NAD

(alkohol etylowy)

Wydajność teoretyczna etanolu

100 kg skrobi

100 kg maltozy, sacharozy

100 kg glukozy

100 kg owoców

56.82    kg = 71,54 dm³

53.83    kg = 67,77 dm³ 51,14 kg = 64,39 dm³ 3,5 kg = 6,0 dm³

Prowadzący: dr Sławomir Wierzba