Биоконверсия растительного сырья ферментами и микроорганизмами

Биоконверсия целлюлозо- и пентозансодержащего сырья. К процессам биоконверсии можно отнести силосование целлюлозо- и пентозсодержащего сырья: травы, соломы, мякины, хлопковой шелухи, гузапаи; лигнинцеллюлозного сырья: подсолнечной лузги, костры лубоволокнистых культур и пектинсодержащих отходов − плодовоягодных выжимок. Силосование можно рассматривать как процесс анаэробной биоконверсии полисахаридных субстратов карбогидразами и энзиматическим комплексом нативной микробной ассоциации с получением молочной кислоты в качестве конечного продукта.

Для повышения эффективности биоконверсии в процессе силосования используют не только целлюлазы. В состав коммерческих препаратов для силосования включают ферменты, гидролизующие крахмал, гемицеллюлозу и пектин. Например, дерасил или мультиэнзимные композиции (МЭК).

В России пока отсутствуют высокоэффективные препараты специального назначения для силосования трудно- и несилосуемого растительного сырья и отходов сельскохозяйственного производства.

В зарубежных странах комплексные препараты ферментов делают не только из различных ферментов, но в них добавляют бактерии, дрожжи, витамины и минеральные вещества. В Великобритании выпускают более 70 ферментных препаратов. В их состав входят амилолитические ферменты и инокулянты штаммов Lac. acidophilum, Streptococcus cremoris, Str. diacetilactis. В качестве бактерий, расщепляющих полисахариды, применяют грамотрицательные бактерии Pectobacterium herbicola, Enterobacter aglomerans [68].

Другой анаэробный процесс, который используют за рубежом − получение жидкого топлива. Целлюлозосодержащие отходы (бумажная макулатура, солома, кукурузные початки, багасса, отходы текстильной промышленности и другие отходы) подвергают ферментативному гидролизу. Ферментотивные гидролизаты целлюлозосодержащего сырья (концентрация сахаров 7-33%) в основном используют для производства этанола (гексозные моносахариды) и бутанола (пентозные моносахариды). Сбраживание сахаров в этанол осуществляют с использованием следующих культур микроорганизмов: Candida brassicae, смеси культур – анаэробных бактерий С. thеrmohydrosulfuricum и S. cerevisiae; в бутанол – C. acetobutylicum. Время ферментации концентрированных растворов сахаров составляет 7 суток.Cпиртовая бражка содержит спирт в концентрации 3,5-5%.

Ведутся работы по ферментативной изомеризации ксилозы в ксилулозу и последующего сбраживания ксилулозы совместно с глюкозой в этанол.

В аэробном процессе биоконверсии растительного сырья получают кормовой белковый продукт. При выращивании микроорганизмов на ферментолизатах отходов консервных и виноградельческих предприятий (виноградные, яблочные выжимки и т.д.) можно увеличить содержание белка в сырье до 20% [68].

Успешно было проведено культивирование дрожжей на ферментолизатах пивной дробины, шелухи хлопчатника, свекловичного жома, льняной костры, подсолнечной лузги [68].

Институтом ВНИИбиотехника предложен способ получения соломоконцентрата, заключающийся в выращивании пекарских дрожжей на ферментолизатах соломы и гузапаи [68,89]. В полученном корме содержалось 7-11,98% белка, 18,25-18,31% сырого протеина и 6-8% моносахаридов. Корм прошёл испытания на животных.

Биоконверсия крахмалсодержащего сырья. Ферментативный гидролиз зерносырья широко используют в спиртовом производстве и производстве пива. Объём исследований по ферментации микроорганизмов на фермен-толизатах крахмалсодержащего сырья с целью получения кормовых белковых продуктов ограничен.

Качество кормовых белковых продуктов зависит от используемых культур микроорганизмов, а также режима предобработки сырья. Содержание сырого протеина колеблется от 27 до 50% и белка от 21 до 34%. Наивысшие показатели (содержание сырого протеина 52%) получены при использовании бактериальных культур: Acеtobacter methylicum и Acetobacter methylovorans в смеси с S. cerevisiae (diаstaticus) ВКПМ-1218 – на пульпе ферментолизата отрубей с концентрацией а.с.в. 11% [90]. При ферментации культуры дрожжей Саndida blankii на ферментолизате зерна, полученном путём двухступенчатого ферментативного гидролиза термостабильной α-амилазой и глюкоамилазой, сырой протеин в отсепарированной биомассе дрожжей и зерна (концентрация а.с.в. 10%) составлял 50%. Условия культивирования при этом были следующие: рН 4,5, концентрация РВ в субстрате 4%, скорость ферментации 0,25 ч^-1 [91]. Авторы не представляют данных по содержанию белка в продуктах. Описанные способы биоконверсии не были проверены в промышленных условиях.

Биоконверсия зерносырья в промышленном производстве. В промышленных условиях проверялась эффективность режимов ферментативного гидролиза отрубей и биоконверсии ферментолизатов с использованием ассоциативной культуры микроорганизмов (Saccharomyces cerevisiae diastaticus ВКПМ-1218 и Trichosporon cutaneum ВКПМ-3125) в биореакторе V=320 м³ с реконструированной эрлифтной системой воздухораспределения типа УкрНИИСп [33].

Технологическая схема производства кормовой белковой добавки, получаемой с использованием ферментных препаратов для подготовки субстрата из зерносырья, представлена на рисунке 3.16.

Зерносырьё машинами доставляют на завод и складируют насыпью в груды в закрытом складе. Оттуда норией 1 подают на транспортёр 2 и в ёмкость с перемешивающим устройством 3¹. Одновременно с подачей зерносырья в ёмкость 3¹ закачивают послеспиртовую барду или варочную смесь (t=95-100^оС) с гидромодулем 1:5, а также дозируют ферментный препарат, содержащий термостабильную альфа-амилазу. С целью измельчения зерносырья осуществляют циркуляцию пульпы через роторно-пульсационный аппарат (РПА) 4. По истечении 3 ч ферментолизат перекачивают в ёмкость с перемешивающим устройством 3², где разбавляют его послеспиртовой бардой (t=55-60^оС) или варочной смесью до гидромодуля 1:10. Для увеличения производительности биореактора повышают содержание РВ в пульпе (РВ=1,4-1,8%) путём добавления зерна после загрузки отрубей (1:6 соответственно) в ёмкость 3¹ или дополнительно вводят гидролизат зерна в ёмкость 3² (18-20 об.%). Подготовленную пульпу ферментолизата зерносырья (а.с.в.8,5-10%) насосом 5 подают в биореактор для ферментации.

Возможен двухступенчатый ферментативный гидролиз зерносырья. При двухступенчатом гидролизе вторую стадию ферментолиза проводят в ёмкости 3², куда задают ферментный препарат целловиридин. Температуру 60^оС поддерживают холодной водой, подаваемой в рубашку ёмкости 3².

В биореактор подают чистую культуру дрожжей и аммиачную воду для поддержания рН 4,2-4,5. Время выращивания составляет 15-17 ч. Биосуспензию (а.с.в. 7-8%) плазмолизуют в плазмолизаторе 7 и насосом 5 подают на сушку.

По данной технологической схеме было проверено два варианта ферментативного гидролиза полисахаридов отрубей:

1. ферментным препаратом «Зимаджунт НТ-340 С⁺» с добавлением гидролизата древесины в количестве 20-36% в качестве дополнительного углеродного питания;

2. ферментным препаратом «Амилаза НТ-4000» с добавлением гидролизата зерна в количестве 18 об.% в качестве дополнительного углеродного питания.

Подготовку ферментолизата проводили по следующему режиму: t=85-90^оС, рН 5,5-6,0, расход ферментного препарата 0,3 л на 1 т крахмала сырья, время ферментолиза 3 ч. Для ферментолиза использовали ферментные препараты, содержащие термостабильную альфа-амилазу. Для измельчения зерносырья использовали РПА, в качестве жидкой фазы применяли варочную смесь, содержащую спиртовый лютер в количестве 20%.

Биоконверсию ферментолизатов зерносырья осуществляли в биореакторе V=320 м³ с реконструированной эрлифтной системой воздухораспределения (рабочий объём - V_р=96 м³) при следующих параметрах: t=32-34^оС, рН 4,0-4,5. В качестве питательных солей использовали диаммонийфосфат и сульфат аммония, которые задавали периодически. Наиболее высокие показатели при непрерывной ферментации были получены при следующих технологических параметрах: содержание сухих веществ в зерновой пульпе в пределах 8,5-10% и в биосуспензии 7,0-7,5%, содержание в исходной пульпе минерального азота 250-600 мг/дм³, фосфора (Р₂О₅) - 100-200 мг/дм³. Результаты процессов биоконверсии при оптимальных условиях представлены в таблице 3.6.

3.6. Результаты биоконверсии ферментолизатов отрубей

№	Условия биоконверсии	Биосуспензия, %	Фугат, %	Степень биокон-версии,%	Производи-тельность по продукту, кг/ч
нагрузка по а.с.в., кг/ч	t, ч	рН	а.с.в	РВИ	сырой протеин	бел-ок	РВ	РВИ
	360-440	17,5	4,24,4	6,8	1,89	33,5	28,0	0,08	0,52	59,0	310-340
	500-560	16,5	4,24,5	6,7	1,77	39,8	32,4	0,09	0,43	71,5	360-408

По данным, представленным в таблице, видны преимущества второго варианта биоконверсии ферментолизата отрубей с добавлением сернокислотного гидролизата зерна: меньшее время выращивания (16,5 ч) и более высокая производительность по готовому продукту (360-408 кг/ч). Удельная производительность по второму варианту составила 3,7-4,2 кг/м ч. При этом биосуспензия содержала сырого протеина 39,8%, белка - 32,4%. Максимальная степень биоконверсии углеводов пульпы ферментолизата отрубей была 68-71,5%.

Таким образом, сравнивая все выше рассмотренные способы биоконверсии растительного сырья, можно сделать вывод, что в настоящее время в промышленных условиях достигнуты максимальные результаты с использованием ассоциации микроорганизмов (Saccharomyces cerevisiae (diastaticus) ВКПМ-1218 и Trichosporon cutaneum ВКПМ-3125).

Дата добавления: 2015-10-02