Технология подготовки растительного сырья для биоконверсии. Учебное пособие

средственного образования отходов с использованием модульных установок. Предложено следующее разделение используемых в производстве кормовых дрожжей видов сырья:

1)крупнотоннажные отходы переработки растительного сырья – древесина, кукурузные кочерыжки, подсолнечная лузга, рисовая и хлопковая шелуха;

2)отходы пищевой промышленности – послеспиртовая барда спиртовых заводов, перерабатывающих зерно, картофель и мелассу, соковые воды крахмального производства, молочная сыворотка;

3)продукты переработки нефти;

4)отходы животноводства;

5)отходы переработки плодов и овощей.

Сейчас наибольший интерес исследователи проявляют к переработке сырья первого и второго типов, куда относят отходы переработки зерновых, масличных, лубяных и прочих технических культур (листья и стебли кукурузы, кукурузные стержни, солома, шляпки

истебли подсолнечника, рисовая лузга и солома, свекловичная ботва

ижом, ботва картофеля), отходы виноделия, обрезки ветвей плодовых деревьев и виноградной лозы, отходы табачного и чайного производств, лесные отходы (листья, хвоя, древесная зелень), а также самих углеводсодержащих продуктов.

Унас накоплен богатейший опыт по использованию растительного сырья для крупнотоннажного производства сахаров, дрожжей, этанола и продуктов на их основе. России принадлежит приоритет в области создания крупнотоннажного производства кормового белка, а обеспечение сельскохозяйственных животных белком животного происхождения (мясокостной или рыбной мукой), а также соей покрывает только около 6 % потребности в нем. Поэтому проблема укрепления кормовой базы в стране особенно актуальна.

На сегодняшний день весьма актуальным является дальнейшее совершенствование процесса микробиологического синтеза с целью повышения экологической безопасности производства, сочетающее экологический аспект с экономической целесообразностью технологических изменений.

Наиболее перспективными направлениями в технологии биоконверсии растительного сырья в разнообразные продукты, необходимые народному хозяйству, считаются технологии, обеспечивающие комплексность переработки исходного сырья и безотходность производства, увеличение выхода и повышение качества промежуточных продуктов при наиболее простом аппаратурном оформлении

11

и возможности автоматизации. В этом случае производство углеводнобелковых кормов и других пищевых продуктов на основе ежегодно возобновляемого растительного сырья – один из путей решения проблемы снижения дефицита белка.

Можно культивировать углеводсодержащее растительное сырье (кормовую или сахарную свеклу, картофель, кукурузу, топинамбур) с целью последующего дообогащения белком для получения полноценных кормовых продуктов по аналогии с уже существующей технологией культивирования сои, рапса, гороха, люцерны. Исследования по переработке корнеплодов сахарной и кормовой свеклы, а также свекловичного жома показывают, что в этом случае эффективность использования гектара пашни как основы для получения кормового белка может быть сравнима с результатами выращивания сои. Результаты расчета возможного прироста сырого протеина с учетом средней урожайности основного сырья и норм образования отходов, принятых в промышленности, представлены в табл. 1.

Как видно из табл. 1, наибольшее обогащение микробным белком может быть достигнуто при использовании таких видов сочных кормовых культур, как корнеплоды свеклы, клубни и зеленая масса топинамбура.

Таким образом, для ряда регионов, где климатические условия не позволяют культивировать и получать растительные культуры с высоким содержанием белка, в частности сою, производство микробного белка на растительных углеводах является перспективным.

Также перспективным вариантом считается сочетание известных технологий получения пищевых продуктов на основе сельскохозяйственных культур с микробиологической утилизацией отходов –

обогащением отходов белком с получением ценных кормов. На примере использования некоторых видов растительного сырья и его отходов в качестве субстрата показана возможность получения кормов, обогащенных микробным белком.

Клубни топинамбура – ценный источник инулина. Отходы производства по выделению инулина, а также зеленая масса топинамбура могут легко быть обогащены микробным белком и использоваться

вживотноводстве. Известно, что по питательной ценности силос из ботвы топинамбура превосходит силос из подсолнечника. Еще

в1959 году использовали зеленую массу топинамбура в качестве субстрата для выращивания дрожжей. Стебли после бланширования

вавтоклаве подвергали кислотному гидролизу, затем гидролизат нейтрализовали, отстаивали, отфильтровывали и использовали для куль-

12

тивирования. На основе листьев топинамбура и гидролизата стеблей получен белково-витаминный минеральный комплекс.

Таблица 1

Получение дополнительного белка при биотрансформации сельскохозяйственных растений и отходов их переработки

При производстве пищевого сахара образуются отходы – меласса и сахаристые выжимки (жом). Жом, как известно, плохо хранится и имеет низкую кормовую ценность, однако его гидролитическая обработка на заданную глубину позволяет повысить кормовую ценность.

Одним из наиболее перспективных отходов кукурузокрахмального производства, содержащего значительное количество углевод-

13

ных компонентов, является кукурузная мезга. Специальная микробиологическая обработка этого отхода может также повысить содержание в нем сырого протеина.

При выделении пищевого крахмала из картофеля технологические отходы достигают 25 % массы сырья. Поэтому актуальным и практически значимым является комплексное решение проблемы – получение крахмала и одновременная переработка картофельной мезги на кормовой продукт, обогащенный микробным белком.

В настоящее время на спиртовых заводах в качестве отходов при отгонке спирта получают около 60 млн т послеспиртовой барды, которая представляет значительную кормовую ценность, но используется далеко не полностью: частично сливается в реки или выбрасывается на окрестные поля, загрязняя атмосферу, воду и пахотные земли. Поскольку послеспиртовая барда имеет высокое содержание органических веществ, прямая биохимическая очистка ее сильно затруднена. Одним из путей ее переработки является использование барды в качестве среды для выращивания кормовых дрожжей.

Большинство существующих вариантов промышленной переработки растительного сырья включают его предобработку разбавленной серной кислотой. Среди их недостатков – низкая технологичность, образование большого количества лигнина (до 30 % перерабатываемого сырья). Кроме того, в этой области явно недостаточно глубоких технологических разработок процессов мягкого, управляемого гидролиза или другого способа деполимеризации лигноцеллюлозных полисахаридных цепей, обеспечивающих получение смесей моносахаридов заданного состава, а также с высоким содержанием в гидролизатах нежелательных примесей типа фурановых соединений, ингибирующих процесс ферментации и ухудшающих качество готового продукта. Помимо этого, невысокая эффективность процесса получения кормового белка на гидролизных средах в значительной степени обусловлена сложностью и высокими энергозатратами концентрирования дрожжевых клеток, традиционно включающего флотацию, сепарацию и вакуум-выпаривание микробной суспензии.

Таким образом, получение дополнительного количества кормового белка с помощью производства растительных углеводнобелковых кормов на модульных установках с использованием в качестве регионального сельскохозяйственного сырья корнеплодов сахарной или кормовой свеклы, а также свекловичного жома или клубней топинамбура, несомненно, является перспективным.

14

1.2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Микробиологическая промышленность, использующая растительное сырье как источник углеводов для проведения процессов ферментации с получением кормового белка, является одной из основ в развитии некоторых направлений биотехнологии, так как она обеспечивает извлечение и использование в промышленных масштабах энергии, аккумулированной в компонентах растительных тканей в процессе фотосинтеза. Этот источник энергии и материалов имеет очевидные преимущества, так как он существует до тех пор, пока существует источник солнечной радиации. Анализ исследований и проектов в области биоконверсии растительного сырья свидетельствует о том, что точное сочетание методов физико-химической предобработки растительного материала, ферментативной и микробиологической его конверсии даст совершенный и высокоэффективный процесс комплексного использования этого источника энергии и вещества в будущем.

Ключевым звеном в обеспечении эффективного крупнотоннажного процесса биоконверсии растительного сырья является стадия его подготовки к этому процессу.

Растительное сырье, используемое в качестве субстрата для биоконверсии в кормовой белок, отличается разным химическим составом и разной степенью доступности углеводсодержащей составляющей для действия микроорганизмов. Поэтому эффективность переработки растительного сырья во многом зависит от степени доступа к полисахаридам, входящим в его состав, и эффективности воздействия химических или биологических деполимеризующих агентов.

Получение микробного белка из отходов агропромышленного комплекса и различных видов растительного сырья начинается с предобработки субстрата. Данная стадия особенно важна при использовании на стадии получения микробного белка микроорганизмов, не обладающих или обладающих низкой деполимеризующей способностью.

Методы предварительной подготовки весьма условно можно разделить на четыре группы.

1.Механическая обработка подразумевает сухое или влажное измельчение на мельницах различных типов, истирание, экструзию, вальцевание и др.

2.Химическая обработка предусматривает взаимодействие сырья с кислотами или щелочами, обработку перекисью водорода или

15

озоном, диоксидом серы или окислами азота, хлоридом натрия или аммиаком.

3.Физические методы предобработки – это облучение, термообработка, паровой взрыв и т. д.

4.Биологические методы – ферментативный гидролиз.

К механическим методам предобработки растительного сырья, способствующим деструкции входящих в его состав биополимеров, относятся измельчение, дефибрация, экструзия, вальцовка на валиках и др. Наиболее широко применяется измельчение полисахаридного субстрата в сухом или влажном виде на мельницах различных типов. Механические методы значительно увеличивают гидратацию и насыпную массу субстратов, что обусловливает их более приемлемую структуру для ферментации и последующего воздействия различных реагентов. Основным недостатком механических методов предобработки является их высокая энергоемкость, влияющая на стоимость готового продукта.

Однако практически всегда первой стадией предобработки растительного сырья служит его измельчение, так как это увеличивает насыпную плотность и обуславливает эффективность дальнейшей химической или физической предобработки, улучшает использование оборудования. Так, ботву картофеля измельчают, проводя дезинтеграцию машиной предварительного скручивания, используемой в чайной промышленности. Дезинтеграция ботвы содействует сохранению дренажных свойств зеленой массы и высокому выходу сока.

Эффективность использования углерода и энергии субстратов может быть значительно повышена при их предварительной химической обработке. На практике широко используют два основных способа: щелочную обработку и кислотный гидролиз.

Минеральные кислоты и щелочи являются наиболее активными и часто применяемыми химическими катализаторами реакции гидролиза полисахаридов. Под действием щелочей происходит омыление межмолекулярных эфирных связей целлюлозного комплекса и набухание волокон выше показателей, достигаемых при набухании в воде. При этом увеличивается проницаемость тонкой структуры целлюлозы для химических и микробных деполимеризующих агентов. Величина эффекта обработки зависит от природы субстрата. Так, отходы производства апельсинового сока обрабатывают едкой щелочью и используют для сбраживания дрожжами Candida utilis с целью получения кормового продукта для животных. Содержание белка в конечном продукте достигает 18,5 %.

16

По мнению некоторых исследователей, гидролиз растительных материалов серной кислотой по скорости процесса, выходу моносахаров и основным экономическим показателям является наиболее перспективным, несмотря на наличие таких существенных недостатков, как значительный расход энергии и катализаторов из-за жестких условий гидролиза, невозможность получения концентрированных растворов сахаров из-за соотношения водной фазы и твердой (субстрата), образования значительного количества трудногидролизуемых отходов (лигнина), трудности разделения продуктов гидролиза, так как это требует больших затрат энергии и сопровождается потерями.

Традиционным способом гидролиза растительного сырья является перколяционный, использующий в качестве катализатора разбавленные растворы серной кислоты. Сравнение методов гидролиза растворами минеральных кислот низких концентраций как отечественных, так и реализуемых за рубежом периодически и в непрерывно действующих установках показало, что средний выход моносахаридов составляет 35–40 % от абсолютно сухого сырья или 55–70 % от потенциального содержания сахара, т. е. перколяционный способ достиг своего теоретического предела.

Периодичность, а также сложность аппаратурного оформления, высокая энергоемкость и продолжительность процесса, низкая концентрация сахаров в растворе и пониженная их доброкачественность за счет образования фурфурола и 5-оксиметилфурфурола, получение сильно конденсированного лигнина (что снижает возможность более квалифицированного его использования) – все это недостатки, заставляющие искать принципиально новые технические решения. Такой принципиально новой технологией может стать гидролиз концентрированными растворами минеральных кислот, характеризующийся возможностью осуществления процесса при низких температурах и позволяющий получить выход продуктов, близкий к теоретически возможному, а также реализовать его по непрерывной схеме.

Значительное число работ посвящено гидролизу растительного материала и целлолигнина соляной кислотой и НС1-газом. Однако более перспективен способ гидролиза с применением концентрированной серной кислоты, имеющей по сравнению с соляной ряд преимуществ: меньшая коррозия аппаратуры, нелетучесть катализатора, отсутствие необходимости регенерировать ее, а также возможность непрерывного осуществления процесса.

В последнее время много внимания уделяется разработке технологии непрерывной конверсии растительного сырья с получением

17

углеводных кормовых добавок на установках «горячего размола». В этом случае возможно получение кормовой осахаренной древесины или после ферментации – углеводно-белкового кормового продукта. Такую технологию переработки отходов древесины рекомендовано осуществлять на деревообрабатывающих комбинатах.

При гидролизе малоразложившегося торфа в аппаратах шнекового типа применяют способ механохимической деструкции, включающий статическое и динамическое давление, растирание в механической ступке, на бегунах и вальцах, а также обработку на вибромельнице, степень деструкции полисахаридов достигает 70–75 %. Однако попытки применить разработанную для торфа технологию при гидролизе однолетних растительных отходов сельского хозяйства нельзя назвать успешными, так как выход сахаров составил 48,7 и 50,4 % от их содержания в сырье, т. е. трудногидролизуемые полисахариды этим способом затрагиваются незначительно.

В качестве самостоятельной операции перколяционный гидролиз намечено применять и при комплексной переработке сырья, при которой гемицеллюлозные гидролизаты используются для получения с помощью дрожжей кормовой биомассы, а оставшийся целлолигнин – для производства растительно-углеводного корма. Кислотный гидролиз полисахаридов гемицеллюлоз реализуется как при гидролизе всех полисахаридов растительного сырья, так и в виде самостоятельной операции.

Гидролиз полисахаридных субстратов с целью подготовки их для биотрансформации продуцентами белка проводят также газообразным и жидким аммиаком. При этом не только открывается доступ микроорганизмов к структурным углеводам, но и возрастает количество органического азота.

Известны также способы кислотного гидролиза растительного

сырья с использованием этиленгликоля, спиртов, однако эти методы не нашли практической реализации. Спиртовые растворы соляной кислоты (2–10 %) использовали для предварительной обработки дефибрилированного сырья с последующим ферментативным гидролизом. Гидролизующая способность сырья составляет 36 %, т. е. целлюлоза в этом случае также затронута лишь частично.

Предложен процесс обработки растительного сырья углекислым газом, диссоциированным в парах воды при 200 °С. При этом создаются условия мягкого гидролиза, продукты диссоциации углекислого газа способствуют разрыву гликозидных связей целлюлозы.

При всех положительных сторонах использования концентрированных или разбавленных растворов минеральных кислот их приме-

18

нение не является в конечном счете рациональным, так как минеральный компонент не используется в микробном синтезе и должен быть удален из сточных вод. С этих позиций перспективными являются такие процессы гидролиза, в которых количество неутилизируемого катализатора было бы минимальным либо он вообще отсутствовал.

Такие цели преследуют процессы автогидролиза, основанные на гидролизе без добавки минеральных кислот. Автогидролиз позволяет провести осахаривание растительного материала в первую очередь за счет отщепления ацетильных групп самого сырья и гемицеллюлоз. Расщепление части целлюлозы может быть достигнуто при существенном ужесточении процесса (температура 225 °С, продолжительность 120 мин). Естественно, что при таких условиях ведения процесса закономерно образование большого количества продуктов распада моносахаридов, что определенным образом затрудняет использование осахаренного материала в виде корма.

С целью снижения расхода минеральной кислоты и повышения экономичности процесса было предложено использовать такие каталитические системы, которые выступают как катализаторы и как дополнительные источники углеводного питания микроорганизмов. Применение в качестве растворителя минеральной кислоты и таких органических соединений, как уксусная кислота и спирты, способствует более глубоким изменениям в структуре целлюлозы. Их использование позволяет также снизить количество минерального компонента в катализаторе, сохранив при этом каталитическую активность последнего, а уксусная кислота, этанол и метанол могут быть использованы микроорганизмами в качестве источников питания. Применение таких бисубстратных катализаторов, содержащих кроме минеральной кислоты усвояемые микроорганизмами органические вещества, дает возможность снизить количество неутилизируемого катализатора и тем самым повысить экономичность процесса в целом за счет появления в гидролизате дополнительных источников питания.

Более эффективным способом предобработки растительного сырья многие ученые считают сочетание нескольких методов обработки.

К физическим методам подготовки растительного сырья необходимо отнести обработку ускоренными электронами, что способствует увеличению выхода сахарозы в пшеничной соломе, кукурузной кочерыжке и виноградных выжимках. Для стерилизации субстратов, используемых при получении микробной биомассы, а также как метод предобработки может применяться ионизирующее излучение. Лучевая стерилизация из-за недостатка источников излучения, а также

19

крайне негативного отношения к ней в целом не нашла пока широкого применения в народном хозяйстве. Установлено, что при использовании ионизирующего излучения в качестве агента стерилизации и предобработки отходов сельскохозяйственного производства не требуется дополнительного времени на охлаждение субстратов, ее можно осуществлять на медицинском оборудовании и оборудовании для пищевых производств. Важным фактором в пользу ионизирующего излучения является то, что при его воздействии на полисахариды сельскохозяйственного сырья происходят процессы деполимеризации. Компоненты такой среды легче усваиваются микроорганизмами. Необходимо отметить экологичность данного способа предобработки.

В связи с тем что полисахариды гемицеллюлоз содержатся в растительном сырье в довольно большом количестве и отличаются высокой реакционной способностью, гидролиз их в практике работы соответствующих производств имеет огромное значение, так как в этом случае образование моносахаров осуществляется с очень высоким выходом при сравнительно небольших энергетических затратах.

Особый интерес в последние десятилетия вызывает ферментативный гидролиз, цели которого весьма разнообразны: получение глюкозы, фруктозы, ферментативный синтез этанола, обогащение растительных продуктов белком и т. п. Но каждый из этих процессов сталкивается со следующими проблемами – низкой скоростью гидролиза и недостаточной способностью ферментных систем разрушать кристаллическую структуру целлюлозы, особенно при наличии лигноцеллюлозных связей. С целью ускорения ферментативного гидролиза и увеличения выхода низкомолекулярных соединений целлюлозосодержащее сырье подвергают разнообразным предварительным обработкам, что сдерживает широкое применение ферментативного гидролиза в промышленных масштабах, а использование ферментных препаратов, особенно очищенных, для предварительной обработки субстратов ограничивается их высокой стоимостью.

При переработке плодоовощных отходов более перспективен не предварительный гидролиз, а изыскание микроорганизмов, которые, синтезируя комплекс ферментов, усваивали бы негидролизованные полисахариды с накоплением полноценной белковой биомассы или расщепляли бы их до моносахаров, тем самым подготавливая осахаренные субстраты для микроорганизмов – продуцентов белка.

Ферментативная обработка отходов томатов, содержащих до 40 % целлюлозы, и последующая микробиологическая трансформация гид-

20