Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. и др. Прикладная экобиотехнология. Учебное пособие. В 2-х томах

Таблица 3.12.

Cравнительные показатели конверсии растительного корма в белок коров, свиней, кур и дрожжей р. Candida

Таблица 3.13.

Сравнительная экономическая эффективность сельскохозяйственного и промышленного микробного белка (в бывшем СССР в ценах 1989 г.)

* Приведены минимальная и максимальные цены.

В США опыт производства кормового микробного белка показывал его боqльшую стоимость по сравнению с соевым и другими источниками белка (табл. 3.14).

Основной стадией производства кормового микробного белка (белкововитаминного концентрата, БВК), налаженного в СССР, являлась переработка органического сырья (н-алканов, природного газа, этанола, метанола, гидролизатов древесины и др.) в биомассу дрожжей (товарные продукты «паприн», «эприн», «гиприн») или бактерий (продукты «гаприн», «меприн») путем непрерывного аэробного культивирования микроорганизмов на водно-минеральной среде с органическим субстратом. Выращенная биомасса микроорганизмов концентрировалась и высушивалась.

Таблица 3.14.

Сравнение отпускной цены белковых продуктов в США, получаемых из некоторых одноклеточных организмов, растительных и животных источников

322 Глава 3

Окончание таблицы 3.14.

Таблица 3.15.

Структура затрат по стадиям технологического процесса для производства БВК на парафинах в условиях бывшего СССР

(в ценах 1970-х гг.)

Развитие крупнотоннажных производств стимулировалось относительно низкой стоимостью сырьевых и энергетических ресурсов: н-парафинов нефти, природного газа, спиртов, растительного сырья, электроэнергии, нефти и нефтепродуктов. В бывшем СССР при высокой доле сырья и энергоресурсов в себестоимости продукции, расходах на стадию ферментации около 60–90% от всех затрат на технологический процесс (табл. 3.15, 3.16) и невысокой доле затрат на заработную плату (в 2–5 раз ниже, чем на аналогичных зарубежных производствах, табл. 3.17) это приводило в целом к меньшим затратам на производство микробного белка по сравнению с растительным.

Таблица 3.16.

Расходы на производство паприна (в бывшем СССР на 1 т в ценах конца 1970-х гг.)

Таблица 3.17.

Структура затрат (в %) для производства БВК на различных субстратах в бывшем СССР и ее сравнение с зарубежными аналогами (в ценах 1970-х гг., руб.)

С переходом России к новым экономическим условиям и ростом цен на невозобновляемое сырье крупнотоннажное производство кормового белка одноклеточных организмов стало нерентабельным, что привело к остановке и ликвидации большинства отечественных производств. В ныне существующих условиях цена возобновляемого растительного сырья, различных углеводсодержащих отходов и вторичных сырьевых ресурсов остается невысокой, что при одновременном решении экологических задач создает основу для увеличения

те, содержанию примесей, строится и вся технологическая схема производства. Типовая схема, основные стадии и реализующие их технологические процессы представлены на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Типовая схема, основные стадии и реализующие их технологические процессы в биотехнологических производствах

При получении кормовых продуктов не используются дорогостоящие питательные среды, методы выделения, очистки и концентрирования продукта. Технология получения кормового продукта с использованием микроорганизмов включает (рис. 3.5) стадии подготовки сырья, воздуха, посевного материала, другие вспомогательные операции, стадию ферментации, выделения и концен-

Ключевая стадия технологического процесса – ферментация в биореакторе (ферментере). На рис. 3.6 представлена схема типичного биореактора для культивирования микроорганизмов глубинным способом с подачей основных технологических потоков в аппарат и контролем параметров ферментации. Системы стерилизации, перемешивания, пенорегулирования, автоматизации

ибиореактор в целом должны соответствовать морфофизиологическим свойствам продуцентов, их чувствительности к посторонней микрофлоре, потребностям в кислороде, чувствительности питательной среды к тепловой стерилизации.

Процесс выделения продукта должен обеспечивать сохранность его качества

ибиологических свойств: предотвратить потери белка, незаменимых аминокислот, витаминов в связи с нагревом, механическим и химическим воздействием, наличием микрофлоры загрязнений.

Выбор биологических продуцентов

Микроорганизм, используемый как продуцент белка, должен отвечать ряду требований, среди которых наиболее важные следующие:

Высокий коэффициент выхода продукта или продуктов из сырья (высокий коэффициент конверсии).

Высокая удельная скорость роста.

Высокий конечный уровень накопления целевого продукта в среде культивирования.

Высокое сродство продуцента к углеродным энергетическим субстратам.

Стабильность и неприхотливость.

Способность доминировать в биоценозе ферментера при нестерильных условиях культивирования.

Устойчивость штамма к собственным продуктам метаболизма. Это особенно важно для процессов с рециркуляцией культуральной жидкости.

Устойчивости штамма к условиям культивирования, изменяющимся в широких пределах.

Способность штамма обеспечивать необходимые качества готового продукта: высокое содержание белка, незаменимых аминокислот; наличие определенного количества витаминов в микробной клетке, небольшое количество нецелевых метаболитов в среде культивирования.

Технологические требования: хорошая фильтруемость, сепарируемость, флотируемость, подходящая температура культивирования.

Безвредность для животных.

Непатогенность для человека. У некоторых людей возможна аллергия к определенным видам микроорганизмов, но этот признак не означает их патогенность.

Если есть возможность выбора между бактериями, дрожжами или грибами, то учитывают всю совокупность факторов. Бактерии быстрее растут, могут содержать больше белка (до 80%), но менее технологичны – хуже фильтруются, сепарируются по сравнению с дрожжами. Мицелиальные плесневые грибы, в отличие от дрожжей и бактерий, содержат значительно меньше нуклеиновых

кислот, высокое содержание которых снижает качество кормового продукта1, а также способны утилизировать более широкий ряд углеводов, могут лучше расти на твердых субстратах (сено, солома и другое растительное сырье), что позволяет использовать для их выращивания дешевые отходы сельского хозяйства и пищевой промышленности. Волоконная структура мицелия дает возможность применять дешевые методы фильтрации. Однако грибы медленно растут – 3–7 сут, образуют мицелий, который склонен к лизису и сильно загрязняет среду продуктами лизиса и токсинами.

При промышленной переработке растительных, углевод- и целлюлозосодержащих отходов чаще всего используют дрожжи (жидкие субстраты) и плесневые грибы (твердые растительные субстраты).

Выбор метода культивирования для стадии основной ферментации

Если цель ферментации – получение кормового продукта, максимально обогащенного белком микроорганизмов, конверсию проводят в аэробных условиях. Выход биомассы организмов в этих условиях в несколько раз выше, чем в анаэробных.

Используются периодические и непрерывные ферментационные процессы. Непрерывные процессы более производительны, более стабильны во времени,

для них меньше расходы на эксплуатацию оборудования, их легче регулировать

иавтоматизировать. В производстве биомассы для кормовых целей они используются в крупномасштабных технологиях переработки гидролизатов древесины, торфа, сульфитных щелоков, спиртов, углеводородов, органических кислот, когда ферментацию можно проводить в неасептических условиях. Если процесс основной ферментации ведут непрерывным способом, то его обычно организуют в виде одноступенчатого реактора или каскада реакторов. Каскад реакторов может представлять собой один аппарат, разделенный на секции. Многоступенчатый процесс целесообразен для переработки трудноокисляемых субстратов, смеси последовательно потребляемых субстратов (например, гексоз и пентоз) и в случае высокого остаточного содержания субстратов при одноступенчатой ферментации.

Впериодическом процессе используется один или несколько параллельно

инезависимо работающих аппаратов. Если аппаратов несколько, то организуется их работа в циклическом режиме. Б;ольшая часть из них находится в режиме ферментации, а меньшая – в режиме мойки и стерилизации.

Вкрупномасштабных процессах непрерывного культивирования на гидролизатах древесины, торфа, щелоках, барде ферментация проводится в неасептических или нестрого асептических условиях, поскольку в проточных режимах при крупнотоннажном производстве сложно обеспечивать стерильность в течение длительного времени. В маломасштабных процессах с использованием легкоинфицируемых посторонней микрофлорой субстратов – плодоовощных соков, молочной сыворотки и других – необходимо поддерживать условия стерильности: обеспечить герметизацию аппаратуры, ввод чистой культуры в аппа-

1 У многих животных, в частности у птиц, высокое содержание нуклеиновых кислот в кормах приводит к нежелательным изменениям в обмене веществ, повышенному образованию мочевой кислоты, что выражается в угнетении роста молодняка или понижении продуктивности взрослых животных.

рат, защиту от посторонней микрофлоры. В этом случае требования к квалификации обслуживающего персонала, оборудованию и уровню технологии выше, чем в неасептических процессах.

Технология получения микробиологического продукта сильно зависит от того, используется ли глубинное, глубинное гетерофазное или поверхностное культивирование.

Глубинное культивирование проводят внутри водной фазы. В среду вносят посевной материал, органический субстрат в растворенном состоянии, растворы солей (см. рис. 3.6). Глубинное культивирование используется в большинстве промышленных биотехнологических процессов. Методом глубинного культивирования перерабатываются сульфитный щелок, гидролизаты древесины, торфа, спиртовая барда, молочная сыворотка и другие субстраты, не содержащие твердой фазы.

Вэтих случаях в качестве продуцента белка чаще всего используются дрожжи.

Втабл. 3.18 приведены сравнительные технико-экономические показатели получения некоторых кормовых продуктов методом глубинной ферментации и их кормовой эффективности.

Таблица 3.18.

Технико-экономические показатели крупнотоннажных производств кормового микробного белка и его кормовой эффективности

1 Условное топливо — принятая при технико-экономических расчетах единица, служащая для сопоставления тепловой ценности различных видов топлива. Теплота сгорания 1 кг твердого условного топлива (или 1 м3 газообразного) 29,3 МДж.

330 Глава 3

Окончание таблицы 3.18.

Типичные показатели глубинной ферментации и содержание наиболее важных компонентов в биомассе кормовых дрожжей при выращивании на углеводсодержащих средах:

– концентрация микроорганизмов 0,5–2% (по асб) после ферментации

–концентрация углеводов в ис- 1–5% ходной среде

–выход биомассы с единицы суб- 0,4–0,5 страта (углеводов)

4% от массы белка – при выращивании дрожжей на барде

Глубинное гетерофазное культивирование проводят в жидкой фазе с внесением и суспендированием в качестве субстратов дробленого зерна кукурузы, картофеля, различных плодоовощных отходов. Питание микроорганизмов при этом способе может осуществляться на поверхности, но сами микроорганизмы находятся в толще жидкости. В качестве микроорганизмов используют дрожжи р. Candida, плесневые грибы рр. Fusarium, Chrysosporium, Aspergillus, Myrothecium, совместные культуры бактерий р. Cellulomonas, обладающих целлюлолитической