Levelezős csapatverseny – 1. feladatsor – megoldások

I. feladat

Pontozás: 10 pont (az I.8 részfeladat nélkül, ez a VI. biológia feladattal együtt volt pontozva)

Gyümölcslepárló berendezés vizsgálata. Hogyan működik egy egyszerű lepárló, milyen technológiával lehetséges töményebb italok előállítása?

Egy jó barátod, Pistike nagypapájának a testvérének a lányának az unokaöccsének a vejének a bátyja gyümölcsfeldolgozó üzem tulajdonos. Mivel érdekelnek a részletek, ezért elmentek hozzájuk egy üzemlátogatásra. A következőket látjátok, halljátok.
A legtöbb anyag, amellyel találkozunk, nem kémiailag tiszta anyag. Néha szükség van különböző elegyek szétválasztására, vagy legalábbis valamelyik alkotórész arányának növelésére.

Az ábrán egy lepárló berendezés vázlata látható.

I.1 Miután alágyújtanak a berendezésnek, az A jelű rézcső egy órán keresztül legfeljebb langyosodik, majd hirtelen elég forró lesz ahhoz, hogy megégesse a kezedet.
Újabb pár perc múlva B csonkon valami elkezd csepegni. Mi a jelenség magyarázata?

Megoldás: Mielőtt az üstben levő folyadék felforr, a cső csak hővezetés révén melegszik, ami túl lassú folyamat ahhoz, hogy jelentősen felmelegedjen. A forrás megindulásakor hirtelen nagy mennyiségű gőz kezd a csövön átáramlani, ami részben hőátadás, részben exoterm halmazállapot-változás (lecsapódás) révén gyorsan melegíti fel a környezetét, azaz a csövet.

I.2 Miért érdemes a csövet rézből készíteni?

Megoldás: A legfontosabb ok, hogy a réz felületén gázfázisban ízanyag-képződéssel járó katalitikus reakciók mennek végbe (például észterezés, terpének izomerizációja.) Ennek megemlítése volt a jó megoldás (1 pont). Ennek hiányában egyéb, elvileg helyes indokok (például a réz kémiai ellenállóképessége vagy kiemelkedő hővezetése) részpontokat értek.

I.3 A D és C csonkok a hozzájuk csatlakozó csövekkel a hűtővíz keringtetését szolgálják. A jó hatásfokú hűtés érdekében melyiken érdemes a vizet be- illetve kivezetni?

Megoldás: A D csonkon kell bevezetni, a C-n pedig kivezetni a vizet. Indoklás: így jobb a hűtés hatásfoka (azaz adott hűtővíz-áram mellett jobban felmelegszik a víz és jobban lehűl a párlat), mivel ekkor a hűtő minden pontján van a kettő között hőmérséklet-különbség, ami a hőátadás hajtóereje. Egyirányú áramlásnál ez a hűtőben lefelé haladva folyamatosan csökkenne, majd megszűnne a termikus egyensúly beállásával.

I.4 10 kg 8 m% cukrot tartalmazó gyümölcs erjesztésével kapott cefréből kétszeres desztillációval mennyi 50 V% alkoholtartalmú pálinka készíthető, ha a desztilláció hatásfoka 60%? (ρ_etanol = 0,789 g cm^-3)

Megoldás: 10 kg cefre ekkor 800 g cukrot tartalmaz. Az alkoholos erjedés egyenlete: C₆H₁₂O₆ = 2 C₂H₅OH + 2 CO₂
Tehát a 800 g cukorból m = 800⋅2⋅46/180=408,9 g etanol keletkezik, melynek térfogata: V = m/ρ = 408,9/0,789 = 518,2 cm³. Ennek a 60%-a kerül a pálinkába: V’ = 0,6⋅V = 310,9 cm³. Mivel a pálinka 50 térfogat% alkoholt tartalmaz, ezért térfogata ennek éppen a kétszerese lesz: Vp = V’⋅2 = 621,9 cm³ = 0,62 l.
Megjegyzés: a szövegből nem derült ki egyértelműen, hogy a 60% hatásfok a kétszeres desztillációra összességében vonatkozik-e vagy külön-külön a 2 lépésre. Az ebből származó hibáért nem járt pontlevonás, egyébként rossz végeredményre durva elvi hibától mentes levezetéssel a teljes feladat pontjának fele járt.

I.5 A főzés kezdetén az első pár csepp pálinkának általában kellemetlen, Technokolra emlékeztető szaga van, a vége felé pedig enyhe zavarosodása figyelhető meg (ezt néha szűréssel el is szokták távolítani.) Mely vegyület(ek) tehetők ezért felelőssé és mivel magyarázható a jelenléte/jelenlétük? Honnan lehet a főzés során tudni, hogy mikor alkalmas a lecsapódó elegy emberi fogyasztásra alkalmas?

Megoldás: Az előpárlat kellemetlen szagát főleg etil-acetát okozza, mely az etanol oxidációjából képződő ecetsav és etanol reakciójából jön létre. Az etanolnál alacsonyabb forrpontú, tehát előbb desztillál át. A zavarosodásért nagyobb szénatomszámú alkoholok (például propanol, izopropanol, butanol) tehetők felelőssé, melyek vízzel korlátozottan elegyednek és így előfordulhat, hogy kolloidális eloszlásban külön fázist képeznek. Forráspontjuk magasabb, így az utópárlatban dúsulnak. A fogyaszthatóság legegyszerűbben szaglás útján állapítható meg: az előpárlatban etil-acetátot érezni, az utópárlatban pedig égett, kozmás szagot, ami a kettő között jön, az jó. Egyéb módszereket, például sűrűség- vagy törésmutató-mérést is használnak az összetétel becslésére.

I.6 Egy átlagos, rendes pálinkafőzde 300 l alatti cefremennyiségekkel nem foglalkozik. Miért?

Megoldás: Ilyen mennyiségű cefrét üzemi méretben nem gazdaságos kifőzni, ugyanis túl nagy például az az energiaveszteség, ami az ott használt nagyméretű lepárlók átmelegítésére fordítódik.

I.7 Újabban elterjedő eljárás a cefre kénsavazása. 1-2 példával illusztráld a kénsav hatását!

Megoldás: A kénsav legfontosabb hatása, hogy a cefre pH-ját megfelelő adagolásnál leviszi 3 körüli értékre, ami megfelelő az alkoholos erjedéshez, viszont a káros mikroorganizmusok elszaporodását meggátolja.

I.8 A Berendezés nélkül alkoholos italokból max. 16 %-osat tudsz készíteni. Miért is?
A Saccharomyces cereviseae élesztőnek milyen sejttani folyamat feltárásában volt kiemelkedő szerepe? Milyen tulajdonságai miatt válhatott modell szervezetté, milyen hátrányai vannak más modell szervezetekkel szemben?

Megoldás: Még a szelektált, leginkább alkohol toleráns élesztő fajok is csak kb 16%-os alholhol-tartalom mellett maradnak életképesek.
A genetikai, és sejttani kutatások fontos modell szervezete a Saccharomyces cerevisiae, mint egy nagyon egyszerű felépítésű és működésű, gyorsan osztódó, egy-sejtes, de már eukarióta szervezet. Leginkább a sejtciklus, és szabályozásának feltárásában volt kiemelkedő szerepe (2001-es Nobel díj). Ugyanakkor hátránya egyben az egyszerűsége is, mivel sok folyamatot nem lehet vizsgálni, amelyet az intenzívebben kutatott többsejtű, vagy akár gerinces állati modellszervezetekben igen.

Mivel Pistike csak távoli rokona az üzem tulajdonosának, így részt vehettetek a cég sorsjátékán. Mondanom sem kell, érdemes volt benevezni, hiszen csodák csodájára ti viszitek el a főnyereményt, egy űrutazást.

A verseny kereteit a TÁMOP - 4.2.2/B-10/1-2010-0030
„Önálló lépések a tudomány területén” pályázat biztosította.