wykorzystanie obierek ziemniaczanych do produkcji etanolu

ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2008 z. 530: 397-403
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
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 CO2 w czasie trwania procesu. Ilość wydzielonego CO2
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 CO2 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 CO2 w czasie trwania procesu. Dane ilustrujące ilości wydzielonego CO2 w czasie fermentacji obierek ziemniaczanych pokazano na rysunku 1.
Rys. 1.Dynamika wydzielania CO2 podczas fermentacji zacieru z obierek ziemniaczanych
Fig. 1.
Dynamics of CO2 release during fermentation of mash prepared from potato peels
Po 96 godzinach fermentacji obserwowano maksymalnie 70% całkowitej ilości
wydzielonego CO2. 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.
WYKORZYSTANIE OBIEREK ZIEMNIACZANYCH ...
399
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.
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.
WYKORZYSTANIE OBIEREK ZIEMNIACZANYCH ...
401
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. 2003. Wykorzystanie wysokoenergetycznych odmian kukurydzy do produkcji
biopaliw. Przem. Ferm. i Owoc.-Warzyw. 11: 19.
CZUPRYŃSKI B., KOTARSKA K. 2003. Badania zmian lepkości podczas zacierania i fer-
mentacji zacieru Ŝytniego i kukurydzianego sporządzonego metodą bezciśnieniowego
uwalniania skrobi (BUS). Aktualne problemy gorzelnictwa rolniczego: 11-17.
GRAJEK W. 1991. Kierunki prac nad mikroorganizmami rekombinowanymi przeznaczonymi do produkcji Ŝywności. Przem. SpoŜ. 12: 303-306.
JAROSZ K. 1995. Perspektywa produkcji w Polsce bioetanolu jako składnika paliw
silnikowych. Przem. Ferm. i Owoc.-Warzyw. 9: 11.
KAPELA T., SOLAREK L. 2004. Enzymy Novozymes dla gorzelnictwa - nowoczesne preparaty scukrzające z grupy SAN® oraz enzymy pomocnicze. Przem. Ferm. i Owoc.Warzyw. 5: 26-28.
KAWA-RYGIELSKA J. 2004. Obtaining hybrids of distillery yeasts characterized by ability
J. Kawa-Rygielska
402
of ferment starch. Electronic J. of Polish Agricultural Universities, Biotechnology 2(7).
KAWA-RYGIELSKA J. 2007. Bioetanol z kukurydzy - czy warto produkować? Przem. Ferm.
i Owoc.-Warzyw. 5: 38-39.
KŁOSOWSKI G. 2003. Technologie przyjazne środowisku. IX seminarium gorzelnicze
SPG IBPRS 12 VI, Przem. Ferm. i Owoc.-Warzyw. 7-8: 66.
NOWACKI W. 2006. Ziemniaki - alternatywnym surowcem do produkcji bioetanolu.
Chemia przemysłowa BMP 4: 23-26.
SŁOMIŃSKA L., WIŚNIEWSKA D., GRZEŚKOWIAK A. 2003. Liquefaction of starch by thermostable alpha-amylase. Acta Scientiarum Polonorum. Technologia Alimentaria 2(2):
17-26.
SOLAREK L. 2001. 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. 1996. Energooszczędna technologia
produkcji spirytusu surowego. Przem. Ferm. i Owoc.-Warz. 10: 15-19.
STECKA K., MILEWSKI J., GRZYBOWSKI R., MIECZNIKOWSKI A., ŁABĘTOWICZ J. 1998.
Technologia produkcji spirytusu z surowców skrobiowych przyjazna środowisku,
energooszczędna i bezodpadowa. Przem. SpoŜ. 10: 39-42.
WÓJCIK M., CZUPRYŃSKI B. 2003. Sprawność energetyczna produkcji bioetanolu.
Aktualne problemy gorzelnictwa rolniczego: 25-29.
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
WYKORZYSTANIE OBIEREK ZIEMNIACZANYCH ...
403
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 25
50-375 WROCŁAW
e-mail: [email protected]