Микробиология и основы биотехнологии

Рис. 8.1. Производство вина

– старения — выдержки, при которой происходит формирование окончательного вкуса и «букета» вина.

Оценка качества вина сложна и включает дегустацию — оценку вкусовых качеств (кислотности, сахаристости, крепости и терпкости, обусловленной наличием танина), внешнего вида — органолептики (цвета, прозрачности, наличия осадка), аромата и букета, который может создаваться за счет купажа (фр. conpage — смешение нескольких сортов виноградных вин), а также послевкусия (сложный показатель, включающий определение остающегося привкуса).

Мировое производство вин сосредоточено в основном в европейских странах (около 80 %). На американском континенте производится только 15 % вин. Вина производятся самыми различными предприятиями — от крупномасштабных до очень мелких («семейного» типа) [3].

Производство вина представлено на рис. 8.1 [19].

8.3.Производство пекарских дрожжей

Âкачестве сырья для производства дрожжей используют мелассу — отход сахарной свеклы при ее переработке в сахар. Мелассу предварительно разбавляют водой в соотношении 1:4, обрабатывают хлорной известью для дезинфекции, подкисляют серной кислотой.

Для улучшения роста культуры используют добавки азота и фосфора в виде неорганических солей в пересчете их на необходимое содержание азота и фосфора. Полученную смесь нагревают до кипения и после осаждения коллоидов через 10–12 ч декантируют и отфильтровывают прозрачный раствор.

Чистая культура дрожжей подвергается процессу полиферации на солодовом сусле и из лаборатории передается в цех чистых культур, из которого дрожжевая биомасса поступает в дрожжерастительный аппа-

131

Рис. 8.2. Производство пекарских дрожжей

рат для производства маточных дрожжей. Дрожжевые клетки размножаются в несколько стадий, причем в каждой последующей количество их биомассы увеличивается в несколько раз. Необходимую концентрацию питательных веществ в процессе ферментации среды регулируют путем добавления сусла. Продолжительность притока мелассового сусла и питательных солей составляет от 7 до 10 ч. В зависимости от стадии накопления дрожжевой биомассы подается воздух через воздухораспределительную систему, установленную на дне ферментера, расход которого составляет от 60 до 80 м3/÷ íà 1 ì3 жидкости. Для поддержания оптимальной температуры среды через змеевики, установленные в аппарате, пропускают холодную воду.

Процесс наращивания товарной биомассы дрожжей продолжается 12 ч. Дрожжевую массу из сброженного сусла отделяют при помощи сепараторов производительностью 12–20 м3/ч. Полученное густое дрожжевое молоко разбавляют холодной водой и вторично сепарируют. Влагу из дрожжевого концентрата удаляют при помощи фильтр-прессов или ваку- ум-фильтров. Прессованные дрожжи перемешивают в тестосмесительной машине для получения однородной массы и расфасовывают в формовоч- ной машине на бруски весом по 50, 100 и 1000 г, упаковывают, охлаждают в холодильной камере до –2 °С и отправляют потребителю.

Представленное на рис. 8.2 [19] производство пекарских дрожжей является примером производства живого биопрепарата. С целью сохра-

132

нения живых клеток культуры при сушке дрожжей необходима относительно низкая температура. Сточные воды, полученные в процессе производства, не используются в нем, а поступают на очистные сооружения.

8.4. Производство биогаза

Биометаногенез или метановое «брожение» — процесс превращения биомассы в энергию. Биогаз, образующийся в процессе метанового сбраживания биомассы, представляет собой смесь, состоящую из 65 % метана, 30 % диоксида углерода, 1 % сероводорода и незначительного количества соединений азота, кислорода, водорода и оксида углерода. Биогаз не имеет запаха. Энергия, заключенная в 28 м3 биогаза, эквивалентна энергии 16,8 м3 природного газа, 20,8 дм3 нефти или 18,4 дм3 дизельного топлива [21].

Блок-схема, отражающая последовательность технологических стадий производства биогаза, представлена на рис. 8.3 [19].

Рис. 8.3. Производство биогаза

Биохимический и микробиологический характер процесса биометаногенеза

Биометаногенез — сложный микробиологический процесс, в котором органическое вещество разлагается до двуокиси углерода и метана в анаэробных условиях. В анаэробном процессе биометаногенеза, протекающем с участием более 190 видов различных микроорганизмов, выделяют три последовательные стадии:

–растворение и гидролиз органических соединений, ацидогенез;

–ацетогенез;

–метаногенез.

Ацидогенез. Первая стадия никогда не завершается метанизацией отходов, т. к. на ее завершение требуется слишком много времени. В энергоконверсию вовлекается только половина органического материала

133

(1800 ккал/кг сухого вещества по сравнению с 4000 ккал/кг при термохими- ческих процессах). Остатки или шламы метанового брожения используются в сельском хозяйстве в качестве удобрения.

Процесс биометаногенеза происходит с участием трех групп микроорганизмов. Первая группа — это бактерии-гидролитики, которые превращают сложные органические субстраты в органические кислоты: масляную, пропионовую и молочную.

На второй стадии (ацетогенез) участвуют две группы микроорганизмов: ацетогенные и гомоацетатные. Ацетогенные (водород продуцирующие) ферментируют моносахариды, спирты и органические кислоты с образованием водорода, двуокиси углерода, низших жирных кислот, в основном ацетата, спиртов и других низкомолекулярных соединений. Деструкция бутирата, пропионата, лактата с образованием ацетата происходит при совместном действии ацетогенных водородпродуцирующих и водородутилизирующих бактерий. Гомоацетатные микроорганизмы усваивают водород и двуокись углерода, а также некоторые одноуглеродные соединения через стадию образования ацетил-КоА и превращения его в низкомолекулярные кислоты, в основном в ацетат.

На заключительной третьей стадии анаэробного разложения (метаногенеза) образуется метан. Метаногенные бактерии восстанавливают диоксид углерода до метана с поглощением водорода, который может ингибировать уксусно-кислые бактерии.

Â1967 г. Брайант и другие ученые [3] установили, что метаногенные

èуксуснокислые бактерии образуют симбиоз. Ранее считалось, что этот симбиоз образовывался одним видом метаногенных бактерий —

Methanobacillus omelanskii.

С биохимической точки зрения метановое «брожение» — это анаэробное дыхание, в процессе которого электроны с органических веществ переносятся на диоксид углерода, который затем восстанавливается до метана. При собственно брожении терминальным акцептором электронов служит органическая молекула, которая восстанавливается, образуя характерный продукт брожения (например, при спиртовом брожении ацетальдегид восстанавливается в спирт).

Кроме различных органических субстратов (таких, как уксусная кислота), донором электронов для метаногенных бактерий служит водород, который в почве продуцируется несколькими типами анаэробных бактерий.

Âусловиях строгого анаэробиоза метан можно получить из аромати- ческих соединений. Этот процесс широко распространен в природе, ис-

134

пользуется для переработки и утилизации органических отходов и очи- стки сточных вод, а также при конверсии некоторых биоцидов. В этом процессе участвуют несколько видов микроорганизмов, ответственных за различные стадии восстановления ароматических колец до ацетата, который является одним из субстратов для метаногенных бактерий (его дегидрогенирование дает электроны, требующиеся для восстановления двуокиси углерода в метан):

4Ñ6Í5ÑÎÎÍ + 24Í2Î 12ÑÍ3СООН + 4НСООН + 8Н2;

(бензоат)

12ÑÍ3ÑÎÎÍ 12ÑÍ4 + 12ÑÎ2;

(ацетат)

4НСООН 4СО2 + 4Í2;

(формиат)

3ÑÎ2 + 12Í2 3ÑÍ4 + 6Í2Î;

4Ñ6Í5ÑÎÎÍ + 18Í2Î 15ÑÍ4 + 13ÑÎ2.

Среди метаногенных видов бактерий превалируют Methanobakterium formicikum è Methanospirillum hungati. Под действием грамотрицательных микроорганизмов бензольное кольцо вначале восстанавливается и затем распадается на алифатические кислоты. Последние превращаются в субстраты, используемые метаногенными бактериями. Образующиеся электроны, вероятно, способствуют образованию водорода, который восстанавливает СО2 è ÑÍ4. Разложение бензольного кольца в метан в процессе анаэробиоза не является правилом. Например, в рубце жвачных животных бензоат и ароматические кислоты, образующиеся в процессе деструкции целлюлозы, не приводят к образованию метана. В природных условиях ароматические соединения получаются при медленном разложении танинов и лигнина благодаря экзоферментам микроорганизмов. Танины и лигнины составляют значительную часть органического вещества почвы, метаногенез этих полимеров — важный процесс в углеродном цикле биосферы.

Для всех метаногенных бактерий характерен рост в присутствии водорода и двуокиси углерода, высокая чувствительность к кислороду и ингибиторам производства метана. Однако для этого сообщества бактерий, в которое входят и другие по морфологии группы: сарцины, кок-

135

ки, бациллы и спириллы — характерна гетерогенность. Из шести видов метаногенных бактерий четыре вида принадлежат к хемолитоавтотрофам; для синтеза метана и собственно клеточного вещества они восстанавливают двуокись углерода за счет водорода.

Новый штамм Methanobakterium kadomensis St 23, полученный исследователями фирмы «Мацусита электрик индастрил К0», осуществлял метаногенез за восемь дней — вместо двадцати, требующихся для этого процесса.

В природных условиях метаногенные бактерии тесно связаны с водородобразующими бактериями. Эта трофическая ассоциация выгодна для обоих типов бактерий: первые используют газообразный водород, продуцируемый последними, в результате концентрация водорода снижается и становится безопасной для водородобразующих бактерий.

Анаэробные процессы производства метана

При анаэробных процессах превращения субстратов углеводно-цел- люлозной природы (преимущественно отходов сельскохозяйственных производств) в метан в биогазе содержится: метана 50–60 %, двуокиси углерода 35–50 %, воды 30–160 г/м3, сероводорода 1,5–12 г/м3. На самых крупных предприятиях по производству биогаза в Америке себестоимость его составила 2,61–2,74 долл. за 1 гигаджоуль (ГДж) теплотворной способности, а себестоимость природного газа в 1980 г. была равна 3 долл. за ГДж теплотворной способности. Если побочные продукты этого процесса использовать в качестве корма для домашних животных (по цене 60 долл. за тонну), то даже совсем небольшое предприятие по производству биогаза будет вполне конкурентоспособным. В табл. 8.1 приведена экономика процесса биохимической технологии: сравнительные затраты на производство биогаза (вариант А) и метана (биогаза после поглощения двуокиси углерода) (вариант Б).

Реализация микробиологического процесса зависит как от техниче- ских, так и от экономических факторов. Анализ экономики одного процесса может служить моделью для изучения экономических аспектов любого другого процесса. Экономика микробиологического процесса определяется его типом. Например, существенные различия наблюдаются в экономике тонких биотехнологических процессов, процессов получения хими- ческих продуктов массового производства, спиртных напитков, белка одноклеточных организмов и анаэробных процессов производства метана.

136

Способы производства биогаза

Метановое «брожение» происходит в водонепроницаемых цилиндрических цистернах (дайджестерах) с боковым отверстием, через которое вводится ферментируемый материал. Над дайджестером находится стальной цилиндрический контейнер, который используется для сбора газа; нависая над бродящей смесью в виде купола, контейнер препятствует проникновению внутрь воздуха, т. к. весь процесс должен происходить в строго анаэробных условиях.

Ò à á ë è ö à 8 . 1

Расходы на производство биогаза (вариант А)

и метана (вариант Б) в процессах анаэробной ферментации навоза крупного рогатого скота при 55 °С

Для отвода биогаза в газовом куполе имеется трубка. Дайджестеры изготавливают из глиняных кирпичей, бетона, стали. Купол для сбора

137

газа может быть изготовлен из нейлона, в этом случае его легко можно прикреплять к дайжестеру. Газ надувает нейлоновый мешок, который соединен с компрессором для повышения давления газа.

В случае использования отходов домашнего хозяйства или жидкого навоза соотношение между твердыми компонентами и водой должно составлять 1:1 (100 кг отходов на 100 кг воды), что соответствует общей концентрации твердых веществ 8–11 % по весу.

Сбраживаемые субстраты инокулируют ацетогенными и метановыми бактериями или отстоем из другого дайджестера. Кислая реакция среды (рН) подавляет рост метаногенных бактерий и снижает выход биогаза; такой эффект называют перегрузкой дайджестера. Закисление среды устраняют с помощью извести. Для оптимального процесса сбраживания реакция среды должна быть близкой к нейтральной (рН от 6,0 до 8,0). Максимальная температура процесса зависит от мезофильности или термофильности микроорганизмов (30–40 °С или 50–60 °С); резкие изменения температуры нежелательны.

Дайджестеры заглубляют в почву с целью использования ее изоляционных свойств. В странах с холодным климатом их нагревают при помощи устройств, применяемых при компостировании сельскохозяйственных отходов. Избыток азота (при использовании жидкого навоза) способствует накоплению аммиака, который подавляет рост бактерий. Для оптимального ведения процесса соотношение С:N должно быть порядка 30:1 (по весу). Это соотношение можно изменять, смешивая субстраты, богатые азотом, с субстратами, богатыми углеродом. Так, С:N навоза можно изменить, добавляя солому или жом сахарного тростника (отход производства сахара из сахарного тростника).

Отходы пищевой промышленности и сельскохозяйственного производства характеризуются высоким содержанием углерода. Так, при перегонке свеклы на 1 дм3 отходов приходится до 50 г углерода, поэтому такие отходы являются лучшим субстратом для метанового «брожения».

Для предотвращения расслаивания, которое подавляет процесс брожения, желательно перемешивать суспензию сбраживаемых субстратов. Твердый материал необходимо раздробить, т. к. крупные комки препятствуют образованию метана. Обычно длительность переработки навоза крупного рогатого скота составляет от двух до четырех недель. Этого времени переработки при температуре 35 °С достаточно для уничтожения патогенных энтеробактерий и энтеровирусов, а также 90 % популяции Ascaris lumbricoides è Ancólostoma.

138

8.5.Производство спирта в качестве топлива

Âпоследнее десятилетие стали уделять большое внимание производству этанола в качестве топлива. Резкое повышение цен на нефть заставило пересмотреть отношение к биотехнологическим способам получения этанола и практически всех простых кислотосодержащих органических соединений (ацетона, бутанола, уксусной кислоты и т. п.) путем брожения.

Потенциальная ценность этанола в качестве моторного топлива обусловлена четырьмя причинами. Во-первых, этанол представляет собой легко транспортируемую жидкость. Во-вторых, он обладает довольно высокой теплотворной способностью, которая составляет около двух третей от теплотворной способности бензина. В-третьих, при добавлении к этанолу 10 % бензина не нужно изменять регулировку двигателя и теплотворная способность топлива не изменяется. В-четвертых, этанол повышает октановое число бензина, не содержащего тетраэтилсвинец. Однако следует учитывать, что во многих странах этанол в качестве топлива может лишь частично заменить импортируемые нефть и нефтепродукты.

Сырьем для биохимического производства этанола служат сахара (сок сахарного тростника, маниоки, мелассы), крахмал (зерновые культуры), древесина и отходы сельскохозяйственных производств (солома зерновых культур), а также промышленные и бытовые отходы, в том числе отходы лесной промышленности (газетная бумага, сульфит- но-спиртовая барда), отходы предприятий пищевой промышленности (молочная сыворотка, отходы фруктов и овощей).

При выборе конкретного сырья для производства этанола необходимо искать компромиссное решение между легко ферментируемым более чистым, но более дорогим субстратом, и дешевым, но более гетерогенным. В последнем случае значительно возрастают расходы на предварительную обработку субстрата. Оценка экономических затрат при производстве спирта из кукурузной соломы и стоимость оборудования для предварительной обработки субстрата составляет более 50 % от всех капитальных затрат предприятия. Операции по предварительной обработке кукурузной соломы для производства этанола, используемого в качестве топлива, представлены на рис. 8.4.

Для крупномасштабного завода по производству этанола из целлюлозы капитальные затраты распределяются следующим образом: на подготовку сырья — 5 %, гидролиз — 19 %, регенерация кислоты — 29,4 %, брожение и очистка — 19,2 %, водо-, паро- и энергоснабжение, а также внезаводские системы — 27,4 %.

139

Обычная промышленная операция получения спирта из отходов представляет собой периодический процесс брожения продолжительностью около 50 ч при начальной реакции среды (рН) 4,5 и температуре 20–30 °С. Выход этанола в этом случает составляет около 90 % от теоретического, рассчитанного по содержанию сахаров. Конечная концентрация этанола в культуральной жидкости составляет 10–16 % (по объему); в дальнейшем этанол выделяют из культуральной жидкости.

Рис. 8.4. Схема процесса предварительной обработки кукурузной соломы на предприятии по производству этанола в качестве топлива

140