Утилизация послеспиртовой барды в качестве жидкой фазы при биоконверсии пульпы отрубей

При создании безотходного производства спирта с замкнутой системой водопользования большой интерес представляет процесс прямой биоконверсии зерносырья с использованием послеспиртовой барды в качестве водно-минеральной основы для получения кормовых белковых продуктов. Процесс прямой биоконверсии зерносырья имеет ряд преимуществ по сравнению с процессом получения кормовых дрожжей:

· отсутствие энергоёмкого процесса сернокислотного гидролиза;

· исключение из технологической схемы таких энергоёмких стадий производства как флотирование, сепарирование и вакуум-выпаривание биосуспензии;

· возможность переработки концентрированного зернового субстрата с гидромодулем 1:5-1:10 и содержанием а.с.в. не менее 8-10 %.

На Кировском биохимическом заводе ФГУП ГОСНИИСинтезбелок совместно с инженерными работниками завода была впервые разработана, создана и освоена отдельная технологическая схема получения кормового белкового продукта на основе биоконверсии пульпы зерносырья.

Отруби ржаные (РО) и пшеничные (ПО) доставляли на завод машинами и складировали насыпью в груды. Со склада элеватором через скребковый транспортёр отруби подавали в сборник с мешалкой. Одновременно с подачей отрубей в сборник поступала вода или послеспиртовая барда, а также фурфурольный и спиртовый лютеры, гидромодуль при этом был 1:5-1:10. Подогрев зернового субстрата осуществляли острым паром. На циркуляционной линии был установлен РПА. С целью измельчения пульпы отрубей в течение всего времени термообработки (3 ч) осуществляли её циркуляцию через РПА.

Изменяли температуру термообработки: в первом случае она составила 60-65^оС, во втором случае – 70-80^оС и в третьем – 80-90^оС. Химический состав водной пульпы отрубей после термообработки представлен в таблице 4.12 [33].

4.12 Химический состав водной пульпы отрубей, полученной в промышленных условиях путём термообработки

Состав субстрата	Т, ^оС	Пульпа	Фугат	рН	Степень конвер-сии РВИ, %
А.с.в,%	РВИ, %	РВ, %	РВИ, %	Азот, мг/дм^3	Р2О5мг/ дм^3
общий	минеральный
Барда, ПО	60-65	13,3	7,27	0,68	3,35	-	-	-	-
Барда, ПО, РПА	70-80	8,52	4,28	0,71	2,58		730,7		5,6	60,3
Вода,ПО, РПА	70-80	8,51	4,58	0,05	2,32				6,5	50,7
Вода,ПО, лютер,РПА	80-90	8,42	4,92	-	2,82				4,7	57,0

Из представленных в таблице данных можно сделать вывод, что субстрат, содержащий послеспиртовую барду, имеет более высокую степень конверсии РВИ за счёт большего содержания моносахаридов, вносимых с послеспиртовой бардой. Увеличение температуры обработки также способствует повышению степени конверсии крахмала отрубей. Но наибольший эффект достигнут при измельчении зерносырья с использованием РПА (14%).

Таким образом, впервые в промышленных условиях была реализована схема приготовления водной пульпы отрубей с измельчением их на РПА и разработан технологический режим получения питательного субстрата путём термообработки (t=80-90^оС) смеси отрубей и жидких отходов гидролизного производства, обеспечивающие степень конверсии крахмала и других углеводов пшеничных отрубей не менее, чем на 57%.

Прямую биоконверсию смешанного субстрата (послеспиртовая барда и зерносырьё) в промышленных условиях осуществляли на биореакторе V_ф=50 м³ с барботажной системой воздухораспределения отъёмно-доливным способом. Применяли как пшеничные отруби, так и ржаные. В качестве продуцента белка использовали штамм дрожжей Saccharomyces cerevisiae (diastaticus) ВКПМ Y-1218. Результаты по прямой биоконверсии пульпы отрубей в биореакторе V=50 м³ представлены в таблице 4.13 [33].

4.13. Средние данные по процессу прямой биоконверсии пульпы отрубей в биореакторе V=50 м³

Состав субстрата	Биосуспензия, %	Фугат, мг/дм^3	Степень биоконверсииРВИ, %
а.с.в.	РВИ	протеин	белок	РВ, %	N2	Р2О5
Барда, ПО	10,9		36-42		-	-	-	-
Барда, РО	6,2	2,28	34,3	18,55	0,08
Барда, РО, РПА	6,4	1,98	37,9	23,5	0,08			58,3

При биоконверсии ржаных отрубей на смешанном субстрате с измельчением отрубей РПА наработана партия кормового продукта в количестве 25 т с содержанием сырого протеина 37,9% и белка 23,5%. При этом степень биоконверсии была 58,3%. Без кавитационной обработки содержание сырого протеина в биомассе было 34,3% и белка 18,55%. Степень биоконверсии составила 52%.

В промышленных условиях на Кировском бмохимическом заводе была проведена проверка прямой биоконверсии зернового субстрата дрожжами сахаромицетами при глубинном выращивании в биореакторе V=600 м³ с реконструированной эрлифтной системой воздухораспределения (длина циркуляционных труб сокращена на 800 мм). При приготовлении пульпы отрубей в качестве жидкой фазы использовали как воду, так и послеспиртовую барду.

В таблице 4.14 представлены максимальные результаты испытаний процесса прямой биоконверсии пульпы отрубей.

4.14. Показатели процесса прямой биоконверсии пульпы отрубей в биореакторе V=600 м³

№	Состав субстрата	Условия биоконверсии	Биосуспензия, %	Степень биокон-версии, %	Производительность по продукту, кг/ч
нагрузка по отру-бям, кг/ч	t, ч	рН	а.с.в	РВИ	сырой проте ин	бел- ок
	Барда, ПО	690-720	18,5	5,8	6,85	1,75	32,7	31,4	63,8	510-530
	Вода, ПО	600-650	19,6	6,0	5,87	1,67	40,3	31,5	64,0	440-480

Сравнивая показатели прямой биоконверсии смешанного субстрата (испытания №1) и водной пульпы отрубей (испытания №2), можно увидеть преимущества процесса прямой биоконверсии с использованием послеспиртовой барды (ПСБ): меньше время выращивания, больше нагрузка по отрубям и производительность по абсолютно сухому готовому продукту. С послеспиртовой бардой в питательный субстрат вносят пентозы, которые являются дополнительным источником углеродного питания для микроорганизмов, и это способствует сокращению времени их роста до 18,5 ч. Удельная производительность при прямой ферментации смешанного субстрата составила 3,0-3,1 кг/м³ч. В процессах прямой биоконверсии на смешанном субстрате в биореакторе V=600 м³ и последующей термообработки и сушки было наработано кормового белкового продукта 105 т. Продукт – кормовая белковая добавка содержала сырого протеиа 32-32,7% и белка 25,8-31,4%.

В промышленных испытаниях процесса прямой биоконверсии смешанного субстрата на основе пульпы отрубей и послеспиртовой барды дрожжи сахаромицеты показали большую устойчивость, нежели при биоконверсии субстрата, приготовленного на основе воды.

Таким образом, установлено, что использование послеспиртовой барды в процессе прямой биоконверсии смешанного субстрата не только является одним из способов утилизации жидких отходов производства гидролизного спирта, но и способствует интенсификации процесса биоконверсии зерносырья.

При разработке технологической схемы безотходного производства гидролизного этилового спирта биосуспензию после прямой биоконверсии смешивали с суспензией гидролизных кормовых дрожжей в соотношениях 59:41% и 54,6:45,4%. Были наработаны промышленные партии смешанных кормовых белковых продуктов 180 т и 875 т.

На Кировском биохимическом заводе была отработана технология биоконверсии пульпы пшеничных отрубей (биоконверсии ферментолизата отрубей) с использованием ассоциации микроорганизмов Saccharomyces cerevisiae (diastaticus) ВКПМ Y-1218 и Trichosporon cutaneum ВКПМ Y-3125 (раздел 3.3.4). Данная технология также предусматривает использование послеспиртовой барды в качестве жидкой водно-минеральной основы.

Для предотвращения возможности ухудшения качества биосуспензии в процессе ферментации ферментолизата зерносырья особое внимание необходимо уделять следующим параметрам:

· длительности непрерывного процесса ферментации (не более 17 ч));

· оптимальным значениям рН и температуры в процессе ферментации;

· состоянию посевной культуры;

· основным параметрам постферментационной обработки.

Качество кормовых белковых добавок, полученных в промышленных условиях. Качество всех промышленных партий кормовых белковых продуктов, полученных с использованием послеспиртовой барды и воды, без гидролизных дрожжей и в смеси с ними (кормовая смесь 1 с приготовлением пульпы зерносырья на послеспиртовой барде и кормовая смесь 2 − на воде), представлено в таблице 4.15.

4.15. Качество кормовых белковых продуктов, полученных в промышленных условиях (в пересчёте на а.с.в., %)

Наименова-ние продукта	Массо-вая доля сырого протеина	Массовая доля белка поБарн-штейну	Массовая доля углеводов	Метал-ломаг-нитная приме-сь,мг/кг	Массовая доля золы	Массовая доля клетч-атки	Массо-вая доля сырого жира
раство-римых	ЛГ
Кормовая до- бавка на ПСБ	32- 32,7	25,8- 31,4	2,4- 3,6	5,0- 7,5	8,7	9,5- 10,2	12,0- 15,3	2,34- 4,8
Кормовая смесь 1	31,5- 42,3	28,7- 36,7	2,6- 5,7	4,6- 10,0	3,3-10,6	6,2- 9,3	-	1,23- 1,78
Кормовая до- бавка на воде	36,1	25,6	2,6	3,1	11,0	6,8	16,2	4,7
Кормовая смесь 2	35,2- 45,4	28,3- 39,1	0,9- 7,6	2,2- 10,8	3,0-12,4	5,3- 7,4	-	-

Из данных таблицы следует, что все белковые кормовые продукты, получаемые на основе процесса прямой ферментации дрожжей на смешанном субстрате (зерносырьё и послеспиртовая барда) или на субстрате с водой, а также при смешивании этих продуктов с гидролизными дрожжами (кормовые смеси), обладают высоким качеством по содержанию сырого протеина и белка. Легкорастворимые полисахариды были достаточно глубоко ассимилированы культурой дрожжей, и их содержание в кормовом продукте на послеспиртовой барде было 2,4-3,6%. Содержание клетчатки составляло 12,0-15,3%. Массовая доля сырого жира изменялась в интервале 2,34-4

Качество кормовых белковых добавок исследовано ФГУП НИИСинтезбелок. В таблице. 4.16 представлен химический состав кормовых белковых добавок, полученных на основе послеспиртовой барды [13,33].

4.16. Показатели качества кормовых белковых продуктов

Наименование показателей	Кормовые белковые продукты микробиологического синтеза	Шрот подсол- нечный	Шрот сое- вый
кормовые дрожжи	из отрубей	смесь этих продуктов
Перевариваемость белка, %		-	-
Обменная энергия, ккал/кг		-	-
Сырой жир, %	3,4-14,0	4,8	4,7-6,2	1,7	2,7
Сырой протеин,%	47-50	32,7		38-42	43-45
Белок по Барнштейну, %	45-48	31,4	34,4	-	-
Общие углеводы,% а.с.в	-	38,1	42,7	-	-
в т.ч.- водорастворимые углеводы	-	3,6	3,9	-	-
-легкогидролизуемые углеводы	-	7,5	2,6	-	-
-сырая клетчатка	1,03	12,0	10,1	12,5	4,9
Зола, %, не более	15,0	9,5	9,4	13,0	16,0
Кальций, г/кг	3,8-2,9	6,78	5,44	3,65	2,70
Фосфор, г/кг	13,4-28	18,2	17,4	11,2	6,8
Калий, г/кг	13,05	13,85	14,87	8,0	19,6
Натрий, г/кг	1,015	1,37	1,09	-	-
Магний, г/кг	0,79	5,44	3,82	5,0	3,2
Марганец, мг/кг
Цинк, мг/кг	935,5
Медь, мг/кг	5,5	17,9	15,5
Железо, мг/кг
Витамины, мг/кг:
В1 (тиамин)	5,5-36	1,5	1,4	5,26	2,25
В2 (рибофлавин)	42,5-98		21,7	3,14	3,45
В3 (пантотеновая к-та)	27-128		80,0	12,6	14,0
В4 (холин)				-	-
В5 (никотиновая к-та)	245-583				42,4
H	0,2	0,2	0,2	-	-
альфа-каротин	0,06-0,2	9,1	5,8	3,01	0,2
бета-токоферол	2,45-54,7	35,2	18,2	3,14	3,10
Сумма аминокислот,% от а.с.в.	40,1	20,5	20,3	15,1
гистидин	0,44-1,76	0,77	0,78	1,30	1,35
аргинин	1,9-2,45	1,43	1,32	3,80	1,36
аспаргиновая кислота	3,2-3,6	1,81	1,85	-	-
треонин	1,8-2,3	0,89	1,00	2,25	1,60
серин	1,5-1,8	1,00	1,03	-	-
глутаминовая кислота	4,0-5,66	4,16	3,57	-	-
пролин	0,6-2,2	1,49	1,04	-	-
глицин	1,3-2,27	1,10	1,07	-	-
аланин	2,8-3,47	1,28	1,43	-	-
цистин	0,2-0,60	0,34	0,32	-	-
валин	1,8-2,55	1,03	1,05	1,90	1,95
метионин	0,8-1,4	0,46	0,53	2,40	3,00
изолейцин	1,3-1,93	0,74	0,77	1,60	2,00
лейцин	2,2-3,17	1,46	1,50	-	-
тирозин	1,26-1,5	0,65	0,67	-	-
фенилаланин	1,0-1,7,4	1,04	1,24	1,85	1,50
лизин	2,0-2,85	0,87	1,07	-	-
Тяжёлые металлы, мг/кг: Pb	1,4		не обн.	0,17	0,63
Cd	не обн.		не обн.	2,3	1,3
As	0,05		1,3	-	-
Cr	не обн.		не обн.	0,18	0,12
Ni	8,5		не обн.	3,8	4,4-21
Hg	0,05		не обн.
Фтор, мг/кг				3,5	3,9
Нитраты, мг/кг			12,6	<200	<200
Нитриты, мг/кг			1,3	<10	<10
Металломагнитные примеси, мг/кг	3,2	не обн.	не обн.
Общая бактериальная обсеменённость, кл/г	8∙10^4	-	2∙10^4
Токсичность	отсутствует

По питательной ценности данные белковые добавки не уступают растительным белковым добавкам, напр., подсолнечному и соевому шротам. Обменная энергия составляет 2800 ккал/кг, сырой протеин – 45-50%.

Содержание витаминов группы В превышает содержание их в шротах. Основным показателем качества белковых добавок является сумма аминокислот, которая для белковых добавок из зерносырья составляет около 20%, для гидролизных дрожжей - около 40%.

Микроэлементы – Fe, Mn и Zn содержатся в данных добавках в большом количестве, но концентрации Си и Р – на том же уровне.

В промышленных условиях на Кировском БХЗ при биоконверсии ферментолизатов отрубей полученную биосуспензию смешивали с дрожжевой суспензией, полученной на основе послеспиртовой барды. При первых испытаниях с использованием кормового продукта, полученного на основе ферментолизата отрубей и ассоциации дрожжей S. cerevisiae (diastaticus) ВКПМ Y-1218 и Tr. cutaneum ВКПМ Y-3125, в смеси с гидролизными дрожжами в соотношении 1:1,1 было наработано кормовой белковой смеси 221 т с влажностью 8,3%. Смесь белковых продуктов по качеству удовлетворяла требованиям ТУоп 9232-030-0047-9934-00. Усреднённые качественные показатели товарной кормовой белковой смеси представлены в таблице 4.17.

4.17. Усреднённые качественные показатели кормовой смеси

Наименование ферментного препарата	Массовая доля влаги, %	Массовая доля сырого протеина, %	Массовая доля белка по Барнштей ну, %	Металло-магнитные примеси, мг/кг	Массовая доляЛГ углево-дов, %	Кислот ность, ^оН
Зимаджунт НТ-340 С^+	7,5	39,5	35,3	4,6	4,6	28-32
Амилаза НТ-4000	7,7	40,8	36,0	6,0	3,5	28-29

Из данных таблицы видно, что в среднем содержание сырого протеина составило 39,5%, белка по Барнштейну – 35,3%. За счёт снижения времени выращивания дрожжей до 17 ч и расхода питательных солей удалось снизить кислотность кормовых белковых продуктов до 28-32^оН.

При повторных испытаниях с ферментом «Амилаза НТ-4000» наработана опытная партия кормовой белковой смеси (1:1,18) в количестве 311 т с влажностью 7,8%, из которых 245 т были получены в виде гранул. Длительность непрерывной работы биореактора при культивировании ассоциации микроорганизмов на ферментолизате зерносырья составляла 10 суток. Кормовая белковая смесь соответствовала по качеству 3-ей группе ГОСТ 20083 – 74 «Кормовые дрожжи» и требованиям ТУоп 9296-030-0047 9994-00. Массовая доля сырого протеина была 40,8% и массовая доля белка по Барнштейну - 36,0%.

Аналогичная технологическая схема получения кормовой белковой добавки на основе ферментолизата зерносырья организована на Новополоцком заводе БВК.

Химический состав кормовой белковой смеси Кировского БХЗ и кормовой белковой добавки Новополоцкого завода на основе ферментолизата отрубей был исследован в ФГУП НИИСинтезбелок. Результаты этих исследований представлены в таблице 4.18.

4.18. Химический состав кормовых белковых продуктов, полученных с использованием ферментов

Наименование показателей	Кормовая белковая смесь	Кормовая белковая добавка из ферментолизата отрубей
ТУоп9296-030-0047994-00 с изм.№1	Кировский БХЗ
Новополоцкий завод
Влажность, %	12,0. не более	9,9	9,8
Массовая доля сырого протеина, %	33,0, не менее	44,0	42,8
Массовая доля белка по Барнштейну, %	не нормируется	33,6	32,6
Массовая доля азота аммонийного, %	---«---	0,33	-
Массовая доля жира, %	---«---	6,2	3,2
Массовая доля общих углеводов, %	---«---	35,5	26,0
Массовая доля клетчатки	---«---	9,5	8,2
Массовая доля золы	---«---	7,0	7,2
Содержание макро- и микроэлементов, мг/кг:
фосфор	---«---
калий	---«---
натрий	---«---
кальций	---«---
магний	---«---
железо	---«---
медь	---«---	21,6	9,1
цинк	---«---	99,5
марганец	---«---
Сумма аминокислот, % от а.с.в. в т.ч.	---«---	23,33	29,2
лизин	---«---	1,21	3,2
гистидин	---«---	0,88	0,89
аргинин	---«---	1,50	2,31
аспарАгиновая кислота	---«---	2,09	2,35
треонин	---«---	1,13	1,27
серин	---«---	1,17	1,09
глутаминовая кислота	---«---	4,05	4,43
пролин	---«---	1,18	1,32
глицин	---«---	1,21	1,31
цистин	---«---	0,36	0,46
валин	---«--	1,19	1,41
метионин	---«---	0,60	0,63
изолейцин	---«---	0,87	1,21
лейцин	---«---	1,70	1,84
тирозин	---«---	0,76	1,01
фенилаланин	---«---	1,41	2,04
триптофан	---«---	0,40	0,83
Содержание витаминов, мг/кг:
:Е	---«---	18,2	40,0
В1	---«---	1,4	6,8
В2	---«---	21,7	4,2
В3	---«---	80,0	77,0
В4	---«---
В5	---«---
В6	---«---	10,0	4,2
В9	---«---	17,6	3,8
Н	---«---	0,2	0,28
Тяжёлые металлы, мг/кг:
Pb	5, не более	не обн.	1,2
Cd	0,3, не более	не обн.	0,2
As	2, не более	1,04	не обн.
Cr	не нормируется	не обн.	1,7
Ni	не обн.	2,0
Hg	0,1, не более	не обн.	не обн.
F	200, не более	-	-
Количество дрожжевых клеток в 1г продукта	1∙10^2, не более	в норме	в норме
Общая бактериальная обсеменённость, тыс.кл/г	100, не более	---«---	---«---
Токсичность (на тест культуре инфузорий Тетрахимена пириформис)	не допускается	не выявлена	не выявлена

Из данных таблицы видно, что образец кормовой белковой смеси, полученный путём смешения кормовой добавки на основе ферментолизатов отрубей и гидролизных дрожжей также обладает высокой питательной ценностью. По сравнению с кормовой белковой смесью, полученной при смешивании биосуспензии из зерносырья и биомассы гидролизных дрожжей (таблица 4.11), кормовая смесь, полученная на ферментолизате зерносырья имеет большее количество сырого протеина (44,0%), большую сумму аминокислот (23,3%), меньшее количество углеводов (35,5%), клетчатки (9,5%) и зольных элементов (7,0%).

Кормовая белковая добавка Новополоцкого завода на основе ферментолизата отрубей и без смешивания с гидролизными дрожжами также обладает высокой питательной ценностью.

Исследован гранулометрический состав кормового белкового продукта, содержащего гидролизные дрожжи Кировского БХЗ. Средние результаты анализа 12 проб представлены в таблица 4.19.

4.19. Гранулометрический состав кормовой белковой добавки из зерносырья с гидролизными дрожжами

Гранулометрический состав по фракциям (остаток на сите), %	Общий остаток на сите, %
0,5 мм	1 мм	2 мм	3 мм	>0,5 мм	> 1 мм	> 2 мм	> 3 мм
9,3	14,0	0,9	0,2	24,4	15,3	1,1	0,2

Согласно полученным данным, основной гранулометрический фракционный состав кормовой белковой смеси представлен фракцией размером менее 0,5 мм – 75,6% и фракцией размером 0,5-1 мм – 14%, остальную часть составляют хлопья неразваренных отрубей.

Была исследована питательная ценность и биопротекторные свойства этих кормовых продуктов в институте ВНИТИП на цыплятах-бройлерах. Было отмечено, что средняя живая масса опытных цыплят на 5,45% выше, чем контрольных, а также среднесуточный прирост живой массы каждого цыплёнка был выше контрольного на 5,1%. При этом затраты корма на единицу прироста живой массы в опытной группе были на 1,7% ниже, чем в контрольной. Это свидетельствует о том, что испытуемые кормовые белковые добавки обладают высокой питательной ценностью. Кроме того сохранность цыплят в опытной группе была на 1,6% выше, чем в контрольной, т.е. данные кормовые белковые добавки обладают также и биопротекторными свойствами.

Проведены производственные испытания кормовой белковой смеси на телятах в возрасте 1-6 месяцев. Кормовую белковую смесь использовали из расчёта 5% к основному корму, скармливая её 1 раз в сутки в составе кормосмеси. Установлено, что применение кормовой белковой смеси повышает усвояемость комбикорма, а также увеличивает потребление грубых кормов и способствует увеличению среднесуточных привесов.

Производственные испытания кормовой белковой смеси на поросятах показали, что применение кормовой смеси в количестве 5% к основному корму повышает усвояемость корма и даёт увеличение среднесуточных привесов.

Дата добавления: 2015-10-02