Биоконверсия осветлённых субстратов из растительного сырья

В промышленном производстве с целью интенсификации процессов ферментации (сокращения времени ферментации, повышения производительности биореакторов, получения непосредственно биомассы микроорганизмов с высоким содержанием белка) в большинстве случаев используют ферментацию нейтрализованных осветлённых сернокислотных гидролизатов растительных отходов и сульфитного щёлока.

Биоконверсия осветлённых субстратов из целлюлозосодержащего и пентозансодержащего сырья. Процессам ферментации в промышленном производстве предшествуют физические, химические и различные комбинированные процессы конверсии растительного сырья с целью получения нейтрализованных гидролизатов растительного сырья. Примерами таких производств являются производства этилового спирта на основе древесины хвойных пород, мелассы, некондиционного зерна и кормовых дрожжей.

Для развития животноводства в России необходимо создавать и расширять производство кормовых белковых продуктов. Одним из направлений в развитии базы кормовых белковых продуктов является производство микробиологического белка (кормовые дрожжи). Кормовые дрожжи производят на гидролизных заводах на нейтрализованных гидролизатах растительного сырья, на послеспиртовой барде или на послеспиртовой барде с добавками гидролизного сусла, а также на целлюлозно-бумажных комбинатах на сульфитных щелоках.

Технология производства кормовых дрожжей мало зависит от используемого растительного сырья, поэтому технологическая схема их производства из всех видов сырья одинакова и состоит из основных технологических стадий:

- подготовки питательной среды,

- получения посевного материала,

- ферментации,

- выделения биомассы,

- плазмолиза,

- концентрирования,

- сушки,

- фасовки и упаковки.

Рассмотрим каждую из технологических стадий.

Подготовка питательной среды на основе растительного сырья. Эффективность процесса выращивания кормовых дрожжей зависит от качества питательной среды. Питательные среды, полученные на основе растительного сырья, как правило, отличаются непостоянством состава. Компонентами их кроме моносахаридов являются примеси различного происхождения. Часть из них не оказывает никакого влияния на рост дрожжей, а некоторые примеси оказывают ингибирующее действие. К ингибиторам относятся продукты распада моносахаридов, такие, как фурфурол, оксиметилфурфурол, лигногуминовые вещества, муравьиная и левулиновая кислоты. Продукты неполного гидролиза полисахаридов – декстрины, расщепления лигнина – метанол, формальдегид и другие также подавляют рост дрожжей. Допустимое содержание фурфурола в питательной среде – не более 0,03%, оксиметилфурфурола – не более 0,07%, лигногуминовых веществ – 0,15-0,20%.

Поэтому режиму подготовки питательной среды к процессу выращивания биомассы дрожжей необходимо уделять большое внимание. Подготовка питательной среды основана на технологических процессах удаления легколетучих веществ (продувка воздухом и паром) и труднолетучих компонентов (инверсия, нейтрализация, окисление кислородом воздуха, отстаивание). Питательная среда должна содержать РВ=1,5-1,8%. Для этого гидролизат растительного сырья разбавляют отработанной культуральной жидкостью, полученной после флотатора, в процессе нейтрализации. При этом отработанная культуральная жидкость проходит термическую обработку (70-80^оС). Подготовленную к биохимической переработке питательную среду обогащают питательными солями, охлаждают и подают на ферментацию.

Подготовка посевного материала. В промышленном производстве кормового белка основными продуцентами белка являются различные штаммы дрожжей видов Candida scottii, Candida utilis и др. Для повышения выхода биомассы дрожжей и ускорения их роста в производстве используют смешанные культуры. В состав смешанных культур микроорганизмов кроме выше перечисленных входят дрожжи вида Hansenula anomala и гриб вида Trichosporon cutaneum. Ассоциации микроорганизмов позволяют более глубоко утилизировать субстрат. Кроме того, продукты метаболизма данных видов микроорганизмов стимулируют рост друг друга. Это особенно важно при использовании отработанной культуральной жидкости в замкнутых циклах водопользования.

Подготовка посевной культуры микроорганизмов заключается в их размножении в стерильных условиях, начиная от пробирок и кончая производственными биореакторами отделения чистой культуры. Микроорганизмы чистой посевной культуры должны быть адаптированы к промышленному субстрату. Чистая культура микроорганизмов в пробирках с агаризованным питательным субстратом (приготовлен на основе среды, используемой в промышленных биореакторах), содержащим РВ=1,5%, пересевают не менее десяти раз через 1-2 суток для того, чтобы привести микроорганизмы в активное состояние. В процессе пересева засевной биомассы на агаризованном субстрате – нейтрализованном гидролизате растительного сырья – происходит адаптация дрожжей к таким веществам, как фурфурол и оксиметилфурфурол, содержащимся в гидролизном субстрате и подавляющим развитие дрожжевых клеток. Далее выращивание микроорганизмов продолжают в колбах объёмом 750 см³ в два этапа. На первом этапе в 50 колб задают по 100 см³ агаризованного стерильного питательного субстрата, на втором этапе в 50 колбах используют жидкую питательную среду (РВ=0,4%, КН₂РО₄-0,5%, КСl-0,05%). Выращенную биомассу вносят в лабораторный биореактор объёмом 20 дм³. После 6-10 часов выращивания биомассу дрожжей передают в биореактор (старое название дрожжанка), V=0,7-1м³, а затем в малый биореактор V=50 м³ отделения чистой культуры. Выращивание микроорганизмов в отделении чистой культуры осуществляют отъёмно-доливным методом. Разбраживание чистой культуры проводят два раза в неделю.

Чистую культуру микроорганизмов используют для разбраживания биореакторов V=320 м³ или V=600 м³, которые работают в нестерильном непрерывном режиме не более месяца, после чего их освобождают, моют и стерилизуют паром. В процессе ферментации в биореакторы два раза в неделю засевают чистую культуру дрожжей. Используемая ассоциация микроорганизмов должна быть устойчивой к вытеснению посторонней микрофлорой. Содержание основных культур микроорганизмов не должно быть ниже 50-60%. Дрожжевую суспензию из биореакторов V=320 м³ или V=600 м³ используют для подсева культуры в промышленные биореакторы V=1300 м³. Обычно работает несколько промышленных биореакторов. Подсев в них культуры проводят последовательно, длительность подсева составляет не менее 4-х часов.

Ферментация. Процесс выращивания дрожжей проводят в промышленных биореакторах с эрлифтной системой воздухораспределения типа УкрНИИСп, V=320-1300 м³. В биореактор подают питательную среду с содержанием РВ не более 1,5-1,8%. Содержимое биореактора аэрируют воздухом, скомпримированным турбовоздуходувкой. Для аппаратов V=1300 м³ используют две турбовоздуходувки ТВ-175-1,6 производительностью 10000 м³/ч. Удельный расход воздуха составляет 32 кг на 1 кг товарных дрожжей [10].

Биореакторы оборудованы системой очистки выбрасываемого воздуха: четырьмя полочными скрубберами или многоколпачковыми системами очистки, находящимися под заливом водой. Вода сливается в биореактор, расход её составляет 5-7 м³/ ч для биореакторов V=1300 м³.

В процессе ферментации происходит постоянное подкисление среды в связи с образованием органических кислот. Для нейтрализации органических кислот в культуральной жидкости в биореактор подают 25%-ный раствор гидроксида аммония, который также является и источником азота. Ферментацию проводят при рН 4,2-4,5 с целью снижения инфицирования.

При ферментации поддерживают температуру 37-39^оС. Процесс выращивания дрожжей сопровождаются выделением значительного количества тепла. Отводят тепло путём подачи воды в теплообменники циркуляционных труб или в змеевики диффузоров, а также путём орошения водой наружной поверхности биореактора.

Для обеспечения максимального выхода дрожжей от РВ кроме оптимальных параметров процесса ферментации необходимо соблюдать оптимальный интервал нагрузок по РВ. Для биореакторов V=1300 м³ он составляет 900-1200 кг/час.

Из биореактора отбирают два жидкостных потока: дрожжевую суспензию и из нижней части аппарата – отработанную культуральную жидкость. Из полученной дрожжевой суспензии (концентрация прессованных дрожжей 35-40 г/дм³) биомассу дрожжей выделяют путём флотирования и сепарирования. Отработанную культуральную жидкость направляют на биоокисление.

Выделение биомассы дрожжей. Дрожжевую суспензию из биореактора самотёком отводят во флотатор. В центральном стакане флотатора дрожжевую пену гасят механическим и химическим пеногасителями. Сгущение дрожжей осуществляют до концентрации 80-120 г/дм³. Сгущённую дрожжевую суспензию через газоотделитель насосом откачивают в сборник.

Отфлотированную отработанную культуральную жидкость собирают в сборнике, откуда насосом подают на биоокисление. Биоокисление осуществляют в одну, две или три ступени в биореакторах V=1300 м³ с аналогичными системами воздухораспределения. Дрожжевую суспензию также сгущают на флотаторе и подают в сборник дрожжевой суспензии, после чего вся дрожжевая суспензия поступает на сепараторы. Сепарацию осуществляют в одну или две ступени с промывкой водой или без промывки. Дрожжевую суспензию с концентрацией дрожжей 300-400 г/дм³ (8-12% а.с.в.) подают на плазмолиз.

Отсепарированная отработанная культуральная жидкость содержит пеногаситель и не может проходить очистку в биоокислителях, поэтому её сбрасывают в канализацию и подают на очистные сооружения.

Термолиз. Отсепарированную дрожжевую суспензию плазмолизуют глухим паром при t=75-80^oC в течение 30-40 мин. В процессе этой операции погибают дрожжевые клетки и вся сопутствующая микрофлора. Плазмолизованную дрожжевую суспензию направляют на вакуум-выпарную установку.

Концентрирование дрожжевой суспензии. Вакуум-выпаривание осуществляют на двух- или трёхкорпусной установке при температуре 50-85^оС. Дрожжевой концентрат с содержанием абсолютно сухих веществ 20-25% собирают в сборнике и подают на сушилку.

Сушка. После выпарной установкиконцентрат подают на распылительную сушилку. В производстве кормовых дрожжей применяют сушилки марок СРЦ-3200, СРЦ-6300, СРЦ-12,5/1500 производительностью 4, 6, 10, 15 т/ч (испаряемой влаги). В качестве теплоносителя используют мазут или природный газ. Дымовые газы после сушки проходят группу циклонов и газоочистную установку с целью улавливания дрожжей и предотвращения загрязненя окружающей среды. Дрожжи сушат до влажности 7-10%. При более высокой влажности они слёживаются. Высушенные товарные дрожжи представляют собой порошок. Из сушильного отделения пневмотранспортом их подают в приёмный бункер. При необходимости дрожжи гранулируют.

На заводах малой производительности применяют одно- и двухвальцовые сушилки марки ВСГ и СДА 1200/3600 погружного типа. Основной недостаток этих сушилок – высокая температура сушки 140-150^оС, что приводит к разложению белка и аминокислот.

Фасовка, упаковка. Кормовые дрожжи из бункера поступают в упаковочно-взвешивающие машины марки ВРА производительностью 2 т/ч. Товарные дрожжи фасуют в бесклапанные мешки. Бумажный бесклапанный мешок вручную надевают на течку и заполняют товарными кормовыми дрожжами. Мешок снимают вручную и складывают на поддон. Поддоны с мешками автопогрузчиком транспортируют на склад готовой продукции, где их устанавливают штабелями в два-три ряда по высоте. Транспортировку кормовых дрожжей потребителю осуществляют в вагонах. Загрузку вагонов мешками с товарными кормовыми дрожжами осуществляют также с помощью автопогрузчика.

Гранулированные кормовые дрожжи хранят в бункерах, которые находятся над железной дорогой. Транспортировку их осуществляют насыпью в железнодорожных вагонах.

Ферментация осветлённых субстратов из крахмалсодержащего сырья. Кислотный гидролиз зерновых культур и отрубей хорошо известен [56,69].

Изучен химический состав кислотного гидролизата отрубей (таблица 1.8).

1.8. Химический состав гидролизата пшеничных отрубей

Абсолютно сухие вещества, %	9,4
Редуцирующие вещества, %	7,3
Азотистые вещества, %	1,47
N-аммиачный, %	0,04
N-органический, %	1,40
Зола, %, в т.ч.:	0,68
фосфор	0,07
калий	0,34
Тиамин, мкг/мл	1,50
Биотин, мкг/мл	0,34

Исследованы интервалы концентрации кислоты от 0,5 до 5%, температуры от 20^оС до 160^оС, времени гидролиза от 20 мин до 6 ч и гидромодули 1:4-10 при сернокислотном гидролизе зерносырья.

Сернокислотный гидролиз некондиционного зерна используют на предприятиях гидролизной промышленности в спиртовом производстве [56], что позволило расширить сырьевую базу и повысить технико-экономические показатели производства спирта.

С целью отбора наиболее эффективных штаммов микроорганизмов на нейтрализованных гидролизатах зерна Олешко было исследовано 78 штаммов дрожжей и дрожжеподобных грибов. Установлено, что дрожжи и дрожжеподобные грибы растут и накапливают биомассу в количестве 1,1-11,8 г/дм³ на нейтрализованном гидролизате с РВ=1,6%. Активный рост наблюдается у микроорганизмов родов Candida, Torulopsis, Cryptococсus, Trichosporon, Endomуcoрsis, Hansenula и др. Сырой протеин на гидролизатах ржи у Candida – Тул-1 составил 51,38% и у Tr. cutaneum – 50,94%. Наиболее высокое содержание сырого протеина в биомассе культуры C.curvata Б-7 – 54-57%.

При биоконверсии зерновой пульпы из биоценоза промышленного биореактора выделен новый штамм дрожжей S. cerevisiae (diаstaticus) ВКПМ-3124. В лабораторных условиях на качалке и в непрерывном процессе в лабораторном биореакторе с использованием ассоциации микроорганизмов (S. cerevisiae (diаstaticus) ВКПМ-3124 и Trichosporon cutaneum ВКПМ-3125), на фугате ферментолизата отрубей (а.с.в.=3,4%, РВИ=3,4%, РВ=0,98%) при времени роста 12,5 ч достигнута степень биоконверсии РВИ фугата 82-91% и выход дрожжей 56,8%. Содержание сырого протеина и белка в биомассе дрожжей было 53,2% и 48,1% соответственно [92].

Дата добавления: 2015-10-02