STARGEN TM : Процес без изпичане подходящ за дребно зърно

Барт КупсМениджър по

техническите продажби

Етанолово гориво

STARGENTM: Процес без изпичанеподходящ за дребно зърно

Теми

Въведение – защо процес без изпичане

Хидролизиращи ензими за гранулирано нишесте

Процесът STARGENTM при дребно зърно

Положителни ефекти на процес без изпичане

Процесът STARGENTM при царевица

Изводи

Предимства и недостатъци на традиционните процеси с изпичане

Предимства Недостатъци

Доказана технология Голяма консумация на топлинна енергия

Стерилна каша Висока изходна концентрация на захар

Добро извличане на нишестето Нежелани странични реакции

Оптимизирани процеси Големи разходи

Пик на вискозитета

Традиционен процес за производство на етанол -Консумация на енергия

* Source: Lurgi 2004

В зависимост от схемата на процеса:•Температура на втечняване •Възобновяване на енергията При традиционния процес 10-15% от общото количество на енергията се консумира по време на втечняването.

Оборудването за изпичане и охлаждане е скъпо.

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

% о

т ц

ял

ата

енер

гия

н

а п

ро

цес

а*

Смилане

Подг. на

каш

ата

Фер

мента

ция

Дести

лация

Съхран

ение

Сепар

ация

Изпар

яван

е

DDGS суш

ене

Процесът без изпичане пести енергия и средства

Fresh water

Milled Grain

60°C 90°C

32°C

SACCHARIFICATION

60ºC60ºC

LIQUEFACTIONSLURRY TANK FERMENTATION

10-15% of Total Energy

55°C

32°C

РЕЗЕРВОАР ЗА КАШАТА ФЕРМЕНТАЦИЯ

Смляно зърно

Прясна вода

Как се хидролизира нишесте без изпичане?

Conventional, Liquefaction Традиционно, втечняване

Хидролизиращ ензим за гранулирано нишесте

(Granular Starch Hydrolysing Enzyme - GSHE)

Няма пик на вискозитета, възможност за по-голямо DS

Хидролизата на гранулирано нишесте не е нещо ново

Тя се извършва ежедневно в природата!!

Природата не познава втечняванетоПреработката на суровото нишесте е описана още през

1944 г.(Sigmund Schwimmer J. Biol. Chem. 156(1),203-204 (1944).

Никога не имала търговско приложениеВарене на японско саке или преобразуване на нишесте

награнули за получаване на малтоза (Leach, USP 4,113,509 and USP 3,922,196).

Настоящ процес на изпичане, използващ

традиционен GA

Гранулирано нишесте с традиционен GA

DP>3 w/v

DP3 w/v

DP2 w/v

Глюкоза w/v

EtOH v/v

Часове

% Е

танол

[V

/V]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 20 40 60 80 1000

2

4

6

8

10

12

0 20 40 60 80

Часове

% Е

танол

[V

/V]

EtOH v/v

Традиционни ензими при процеса без изпичане

Теми






Изводи

Глюкоаамилази с GSHE действие

1 640300 400

500100 200

620

16727 550

Литература: Ueda et al (1984), Microbiol. Sci. 1, 21-24 Hayashida et al (1989), Agric. Biol. Chem. 53, 923-929 Ashikari et al (1986), Agric. Biol. Chem. 50, 957-964 Allison et al, (1992), Curr. Genet 21, 225-229 Balls et al (1945), JBC 156, 203-210.

Humicola Glyco-hydro-15

A. niger Glyco-hydro-15

SBD

SBD

SBD R.oryzae RSH

Примери:Гъби

Aspergillus niger Yamazaki et al (1951), Nippon Nogeikagaku Kaishi 24, 181-185

Aspergillus kawachi Kaneko et al (1996), J. Ferm & Bioeng.81, 292-298

Rhizopus niveus Yamamoto et al (1990), Denpun Kagaku 37, 129-136

БактерииBacillus circulans Ho et al (1992), J. Microbiol. & Biotechnol. 2, 56

Bacillus polymixa Sohn et al, J.Microbiol. & Biotechnol. 2, 183.

Каталитична област

SBD

Алфаамилази с GSHE действие

Синергизъм между двата ензима

Глюкоамилаза + Алфаамилаза

pH 4.5, 32 oC, 4 hrs

A. kawachi

Alpha Amylase

A. nig

er

Gluco

amyl

ase

Ензими STARGEN™

Патентована смес

за хидролизиране на нишесте

от алфаамилаза от A. kawachi

и

глюкоамилаза от A. niger

Ферментация на пшеница без изпичане(34% DS, 1.2 kg/MT STARGENTM001)

Нишестено-йоден тест

02468

1012141618

0 10 20 30 40 50 60 70

Време за ферментация [h]

Ета

но

л %

[v

/v]

Глюкоза

Малтоза

Глицерол

DP3+

Етанол

Теми






Изводи

Процесът STARGEN™ при дребно зърно

55°C

32°C

АКТИВАЦИЯ ФЕРМЕНТАЦИЯ



СМИЛАНЕ / СМЕСВАНЕ

Дребното зърно (пшеница, ръж, тритикал & ечемик) не изисква специални параметри на смилане, макар че дребното смилане (под 20% с големина над 1 mm) е за предпочитане.Целите царевични зърна изискват много фино смилане(95% с големина под 0.6 mm).

Смилане

Анализ на ситото MBE

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Размер на ситото (mm)

% п

рез

си

тото

12 април: линия 1, 1.8mm, 6000kg/h

12 април: линия 2, 1.5 mm, 8000kg/h

13 април: линия 2, 1.5 mm 15000 kg/h

14 април: линия 2, 1.5 mm 17000kg/h

Смесване



СМИЛАНЕ / СМЕСВАНЕ

Изпарителен кондензат

Фин дестилат

Киселинна амилаза

OPTIMASHTM

Киселинна протеаза

Сярна киселина

Ензими, добавени с прясна вода

Различни комбинации за

Пшеница

Ръж

Ечемик

Тритикал

(Царевица)

55°C

32°C

Етап на активация

По време на етапа на активация:

Ензимът, намаляващ вискозитета, хидролизира влакната- намалява вискозитета

Алфаамилазата хидролизира разтвореното нишесте- намалява вискозитета

Протеазата хидролизира протеините - генерира свободен аминоазот за маята

52-58°CpH 3.2-4.0

Условията зависят от изходния материалТипични условия: pH 3.2-4.0

Температура 52ºC – 55ºC

MicrobialGrowth

Gelatinization

Каша: 25 % DSБез ензими

Preferredmixing temperature

Оптимални температури на активация

Пшеница 55 oCРъж 52 oCТритикал 54-55 oC

Прозорец с температурата на активация

Тритикал

0

500

1000

1500

2000

2500

48 50 52 54 56 58 60 62

Температура [oC]

Ви

ско

зите

т н

а к

аш

ата

[m

Pa

s]

Редуциран растеж

на лактобацила

Редуциран растеж

на лактобацила

L. amylovorus

L. pontis

Контрол на лактобацилачрез подходящ контрол на температурата

* Адаптация от Георг Волфрум ( 2002)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

25 30 35 40 45 50 55

Температура [oC]

Ско

ро

ст н

а р

асте

ж

Ферментация

32°C

STARGENTM

Дозировката на STARGENTM, добавен след охлаждане до температурата на ферментация, зависи от изходната суровина.

14.0

14.5

15.0

15.5

16.0

16.5

17.0

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9

Начално pH при ферментация

Ета

но

л [

% о

б.

пр

и 6

6 ч

аса]

Особености на ферментациятаВлияние на ферментационното pH

Субстрат : пшеницаSTARGEN™ : 0.9 kg/tFERMGEN™ : 60 g/tУрея : 500 ppmТвърди частици: 34%

Ензимът (и маята) толерират ниското pH, което гарантира антимикробна устойчивост.

Reduced Lactobacillus growth

Контрол на лактобацила чрезферментация при ниско pH

L. amylovorus

L. pontis

* Адаптация от Георг Волфрум ( 2002)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

3 4 5 6 7

pH

Ско

ро

ст н

а р

асте

ж

Особености на ферментациятаПроцес без изпичане

1. По време на етапа на активация се образуват около 60-80 грама разтворими декстрини/литър чрез прибавянето на киселинна алфаамилаза (±200-240 за традиционния вариант).

2. По време на етапа на пълнене на ферментатора тези декстрини се преобразуват в глюкоза и се ферментират (начало на ферментацията). Свободната глюкоза обикновено е от порядъка на 20 грама/литър.

3. Веднага след като завърши пълненето на ферментатора свободната глюкоза спада до и под 0.05 %, като запазва тези стойности през цялото време на ферментацията.

4. Гранулирането нишесте постепенно се преобразува в глюкоза и се ферментира.

5. Около 20-30 часа след началото на ферментацията (в зависимост от дозата на ензима и температурата на предварителното третиране) кашата става отрицателна спрямо нишестето.

6. Броят на клетките на маята и нейната жизнеспособност са значително по-високи, отколкото при процеса с изпичане (няма загуба на фактори на растежа, витамини и др.)

Теми






Изводи

ПОДГОТОВКА

НА КАШАТА

ВТЕЧНЯВАНЕ

“ИЗПИЧАНЕ”

ЗАХАРИФИКАЦИЯ

& ФЕРМЕНТАЦИЯ

Икономия на енергия и по-малък брой машини

По-малко пара

(без изпичане)

и по-малко вода

за охлаждане.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0

0.3

0.5

0.8

1.1

1.4

1.7 2

2.3

2.6

2.9

3.2

3.5

3.8

Време [часове]

Тем

пер

атур

а [o

C]

С изпичане

Без изпичане

Втечняване

88 oC


31 oC

ПАРА: 290 MJ/t зърно Охлаждаща вода: -690 MJ/t зърно

Зърно



Кондензат

Сравнение на енергийно изпичане с “изпичане & охлаждане” и преработка без изпичане

Традиционен процес

Активация

55 oC


31 oC

Охлаждаща вода: -290 MJ/t зърно

Зърно


Процес “STARGEN™”


Кондензат

• Няма допълнителна пара, по-малко охлаждаща вода• Може да се използва по-висок % на финия дестилат

Традиционен процес за производство на етанол - етап на печене с консумация на енергия

При стойност на парата 15 евро/тон това прави0.33-0.75 евроцента залитър етанол

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

A-царевица B-пшеница C-царевица D-пшеница

Пар

а [k

g з

а л

итъ

р е

тан

ол

]

Ролята на ензимите

Добавените или ендогенните зърнени ензими не се активират и са активни през цялото време на процеса на ферментация.

Ендогенни ензими

Зърнена фитаза (ръж, тритикал, пшеница и ечемик)

Зърнена протеаза

Зърнена екзо-фруктаназа

Технически ензими

OPTIMASH™ (Намаляване на вискозитета и частично разграждане на целулозата)

STARGEN™001

FERMGEN™ (киселинна протеаза)

GC626 (киселинна алфаамилаза)

Ендогенна фитаза

Дребното зърно, като ръж, пшеница,

тритикал е богато на фитаза. Този

ензим не се активира по време на

процеса без изпичане.

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

Ръж Пшеница Ечемик

Фи

тат-

P [

%]

Преди активация

След активация

Фитат-> Фосфат

Подобрява се храненето на маятаПодобрява се качеството на DDGS

УсловияТемпература : 55 oCВреме на третиране

: 2 часаpH : 3.4

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Начал

на ст

ойно

ст

След

“вте

чняв

ане”

24 h

фер

мента

ция

48 h

фер

мента

ция

68 h

фер

мента

ция

Фр

уктан

[g

/10

0 g

каш

а]

Традиционен процес

Процес без изпичане

Ръж:Фруктан: 4.38% dsbТвърди частици в кашата:22.1 % dsb

Влияние върху ферментируемите NS полизахариди

0.15 g/100g фруктозаструва доста пари

14

14.2

14.4

14.6

14.8

15

контрол +0.06 kg /ton +0.12 kg/ton +0.18 kg/ton

Доза на FERMGEN

Ета

но

л [

% v

/v]

пр

и 4

4 ч

ас

аВлияние на киселинната протеаза

При процеса без изпичане зърното

с голямо количество на ендогенна

протеаза (ръж, тритикал) не изисква

добавяне на протеаза, урея и амоняк.

Добавката е полезна при VHG

ферментация на пшеница и царевица.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 4

Етап на процеса

Ви

ско

зите

т н

а к

аш

ата

[m

Pa

s]

25% DS27% DS29% DS31% DS

Смесване Охл.на кашата Край на ферм.

48 o C

32 o C

32 o C

Намаляване на вискозитета на ръжената каша

Добавените ензими за намаляване на вискозитета са активни по време на целия процес. При процес без изпичане ензимът не се активира.

По-добро действие на стъкления съд.По-голямо количество твърди частици в мократа пулпа.

*OPTIMASH™ VR

Добавен ензим*

Препоръки по отношение на процеса

Изходен материал

Температура

(ºC)

Време

(min)

pH Ензими Доза

Kg/MT зърно

Пшеница 55-56 40-120 3.4-3.8 OPTIMASH BG

GC 626

STARGEN (40 h)

FERMGEN

0.05-0.10

0.13

1.57

0.05

Ръж 50-52 120 3.4-3.8 OPTIMASH VR

GC 626

STARGEN (40 h)

0.19

0.13

1.57

Тритикал 54-55 120 3.4-3.8 OPTIMASH VR

GC 626

STARGEN (40 h)

0.10

0.13

1.57

Ечемик 56-58 90 3.4-3.8 OPTIMASH BG

GC 626

STARGEN (40 h)

FERMGEN

0.15-0.20

0.13

1.40

0.06

Преобразуване на дребното зърно при различните видовес помощта на STARGENTM 001

Пшеница

Ечемик

Тритикал

0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.0

10.011.0

0 10 20 30 40 50 60

Часове след зареждане

EtO

H v

ol.%

Ръж

Ферм.пшеница № 108-133Доза на STARGEN - 1.56 kg/t зърно

y = 0.000039x3 - 0.007258x

2 + 0.407978x + 4.044656

0

2

4

6

8

10

12

14

0 10 20 30 40 50 60 70

Време на ферм. [h]

EtO

H [

vol.

%]

y = 2E-05x3 - 0.0047x2 + 0.341x + 3.3877

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

0 10 20 30 40 50

Време [h]

Eth

ano

l [vo

l. %

]

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Време на ферм. [h]

EtO

H [

% v

/v]

Добив на етанол

Добив на етанол в l/MT зърно

Зърно STARGEN Традиционен

Пшеница 380 375

Тритикал 373 365

Ръж 365 357

Ечемик 339 330

Сравнение на цената при използване наSTARGENTM и традиционния метод

Цена в €/1000 литра етанол

Променлива Традиционен STARGEN 001

Пара* 68.00 64.03

Ензими 8.00 20.00-25.00

Сярна киселина* 0.40 2.40

По-висок добив* 0.00 -17.08

Общо 76.40 69.35-74.35

* Дипломна работа за магистърска степен: Хелена Ставклинт, Разграждан на гранулирано нишесте с помощта на STARGENTM в производството на биоетанол, Университет в Линкьопингс, Швеция, 2006.

Теми






Изводи

Преобразуване на царевицата

За напълно стрита царевица:

Необходимо стриване – много фино (> 95% под 0.6 mm)

Доза на STARGEN™001 – сравнително висока (2.5 kg/t зърно)

Време на ферментация – доста голямо

Добавяне на протеаза - помага

Активация – не е необходима

Преобразуване на царевицата

За разделяне на царевицата на фракции (ендосеме):

Необходимо стриване - нормално

Доза на STARGEN™001 - нормална (1.5-1.8 kg/t зърно)

Време на ферментация - средно

Добавяне на протеаза - съществено

Активация – не е необходима

Ендосеменни процеси

При разделяне на зърното на фракции от него се отнемат ценни хранителни вещества. Тези хранителни вещества са: свободен аминоазот, албумин, малки количества минерали и мастноразтворими витамини.

Протеазата играе важна роля в заместването на тези хранителни вещества. За целта, обаче, трябва да се използва подходящ тип протеаза.

Има много видове протеаза. Повечето от тях действат при неутрално или основно pH. При ферментацията, обаче, pH е киселинно (3.8-5.8). Киселинната гъбична протеаза е по-подходяща за етаноловата индустрия.

Освен това, протеазата разгражда по-голямо количество от нишестено-протеиновата матрица, което води до увеличаване на количеството на нишестето, което ще се преобразува в етанол.

Влияние на различните видове протеаза върху ендосеменната STARGEN ферментация при царевица

Киселинно-гъбичната протеаза (Acid fungal protease - AFP) е най-ефикасна в сравнение с останалите видове протеаза.

AFP е предназначена да действа при такова pH. Механизмът на действието й е различен от този на другите видове протеаза; той създава по-ценни хранителни вещества за маята.

Ползата от добавянето на други видове протеаза в сравнение със случая, когато не се добавя никакво хранително вещество, е твърде малка.

% [

v/v

]

% Етанол

30% ds, 4.3 pH, 32°C

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

20.00

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Време [h]

Без протеаза

Киселинно-гъбична протеаза

Неутрална протеаза №1

Неутрална протеаза №2

Алкална протеаза №1

Алкална протеаза №2

Реакция в зависимост от дозата на протеазата при нискоенергиен процес

С увеличаване на дозата на протеазата количеството на произведения етанол също се увеличава.

Ефектът при доза на протезата 1.0 kg/MT показва незначително подобрение в сравнение с доза 0.75.

Този ефект зависи и от дозата на GA, времето във ферментатора, % ds, и др.

Повишаването на дозата на протеазата над 1.0 kg/MT е безсмислено.

% Етанол

30% ds, 4.3 pH, 32°C

1.25 kg/MT STARGEN 001

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

20.00

0 10 20 30 40 50 60 70

Време [h]

% [

v/v

]

FERMGEN 0 kg/MT dsFERMGEN 0.25 kg/MT dsFERMGEN 0.50 kg/MT dsFERMGEN 0.75 kg/MT dsFERMGEN 1.0 kg/MT ds

Теми






Изводи

Предимства на процеса без изпичане

По-малко количество необходима топлинна енергия

По-ниска изходна концентрация на захар

(маята не изпитва осмотично налягане)

По-малко странични реакции

(не се наблюдават реакции на Мейар-Браунинг)

Отлично развитие & жизнеспособност на маята

(ниско количество глицерол)

Липсата на пик във вискозитета дава възможност за обработка

при по-голямо количество на твърдите частици

Възможност за добавяне на по-голямо количество фин дестилат

Процесът е характеризира с по-малко етапи и съответно –

по-малко разходи

По-висок добив на етанол

Благодарим за

вниманието !

Documents

STARGEN TM : Процес без изпичане подходящ за дребно зърно