Технология подготовки растительного сырья для биоконверсии. Учебное пособие

сочетание с другими методами в зависимости от физико-химических особенностей используемого субстрата.

Анализ новых процессов гидролиза и предгидролиза растительного сырья показывает, что такие процессы, как термолиз, радиолиз, гидролиз парами углекислого газа и некоторые другие, имеют много общего по характеру получаемого продукта, который может быть применен как в качестве растительно-углеводного корма и эффективно усваиваться жвачными животными, так и для последующего обогащения микробным белком. Такие подходы составляют основу развития кормового направления биотехнологии и комплексного использования растительного сырья на безотходной основе.

По мнению целого ряда исследователей, белок, получаемый микробиологическим путем, будет в основном нарабатываться на возобновляемом углеводсодержащем сырье, так как ежегодные ресурсы углеводсодержащих отходов в мире составляют около 30 млн т.

Исследователями из Белоруссии разработан процесс получения белка с использованием отходов переработки картофеля. По их экономическим расчетам стоимость кормовых белковых продуктов определяется главным образом энергетическими затратами.

Исследования по гидролизу багассы перколяционным методом в лабораторных и промышленных условиях в Болгарии позволили получить гидролизаты с выходом редуцирующих веществ до 42,3 % от перерабатываемой абсолютно сухой массы сырья или до 70 % от теоретически возможного. В этом случае двухстадийный перколяционный гидролиз с целью получения отдельно пентозного (для производства фурфурола или микробного белка) и гексозного (для производства белка одноклеточных или спирта) гидролизатов оказывается более выгодным. Такие гидролизаты обладали высокой микробиологической доброкачественностью. Были разработаны режимы основного гидролиза багассы концентрированной серной кислотой при модуле 0,4 с последующей инверсией гидролизатной массы. Получаемый гидролизат содержал 6,83 % PB и отличался высокой микробиологической доброкачественностью.

В последнее время из-за большого накопления отходов переработки сахарного тростника исследователями тропических стран мира большое внимание уделяется использованию багассы для получения белковых кормов для животных. При этом предпочтительными продуцентами белка считают различные виды дрожжей рода Candida.

Эксперименты по получению микробного протеина из багассы сахарного тростника были проведены в Египте. Биомасса содержала

31

35,5 % сырого протеина и все заменимые и незаменимые аминокислоты в соответствии со стандартами Организации Объединенных Наций по питанию и сельскому хозяйству (The Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO – ФАО).

Вторичное растительное сырье – различные выжимки, отходы переработки зерновых культур, виноделия – также может служить неиссякаемым источником для производства микробного белка. Так, при переработке винограда образуется значительное количество выжимок. Грузинскими исследователями разработан и внедрен способ получения белкового концентрата и белковой кормовой добавки, содержащих 40–50 и 13–20 % сырого протеина соответственно. Продуцентом является C. tropicalis.

Таким образом, кормовые белково-углеводные продукты на основе растительных отходов (субстратов) можно получать, используя

как твердофазное культивирование, так и глубинную ферментацию. Однако глубинное культивирование дрожжей на углеводных субстратах широко применяется в мире и является более перспективным по сравнению с твердофазной ферментацией в производстве белка одноклеточных для кормовых целей. В то же время глубинное культивирование дрожжей на углеводных субстратах характеризуется большими энергическими затратами и образованием значительного количества стоков, что требует дополнительных затрат на их очистку. Поэтому разработка новой технологии его проведения, которая требует меньших энергических затрат и обеспечивает меньшее образование отходов, является весьма актуальной технологической задачей.

При культивировании микроорганизмов на гидролизатах растительного сырья и его отходов развитие микробной популяции происходит в присутствии твердой фазы, но она может и не служить источником углерода и энергии. Исследования процесса культивирования дрожжей рода Candida в присутствии лигнина показали, что в процессе роста микроорганизмы активно сорбировались на частицах лигнина, причем данная суспензия хорошо фильтровалась совместно с частицами лигнина на обычных промышленных фильтрах. При этом твердая фаза может либо присутствовать изначально в среде культивирования, либо специально вноситься в культуральную жидкость после ферментации перед стадией фильтрации. Эти опыты подтверждают возможность замены в производстве белково-витаминного концентрата (БВК) стадий сепарации и выпарки фильтрацией. Однако необходимость понимания механизма прикрепления клеток к твердой фазе при гетерофазном культивировании для оптимизации процесса

32

фильтрования дрожжевой суспензии, полученной в результате осуществления такого процесса, требует дальнейших исследований в этой области.

Контрольные вопросы и задания

1.Укажите факторы, сдерживающие биотехнологическую переработку углеводсодержащего сырья с получением белковых кормовых продуктов.

2.Оцените возможность повышения рентабельности производсва белковых продуктов.

3.Приведите классификацию растительного сырья и отходов его переработки.

4.Сравните эффективность различных методов предварительной подготовки растительного сырья для биоконверсии.

5.Почему именно биотрансформация растительного сырья является одним из самых перспективных путей расширения кормовой базы?

6.Дайте характеристику микроорганизмов-продуцентов кормового белка.

7.Приведите классификацию способов биотрансформации растительного сырья.

8.Назовите достоинства и недостатки глубинной ферментации дрожжей на углеводных субстратах.

33

2. СУБСТРАТЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ БЕЛКОВЫХ КОРМОВЫХ ДРОЖЖЕЙ

Микробиологический способ производства кормового белка в отличие от производства растительного и животного белков не зависит от природно-климатических условий и основывается на использовании различных видов технического сырья, запасы которого в природе велики.

Для производства кормовых дрожжей применяют культуры С. scottii, C. tropicalis, C. utilis, в качестве основного сырья используют отходы различных производств, содержащие сахара – глюкозу, ксилозу, мальтозу, сахарозу, галактозу, арабинозу, а также уксусную кислоту, этиловый спирт и другие органические соединения.

2.1. РАСТИТЕЛЬНАЯ БИОМАССА КАК ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ СЫРЬЕ

Как уже отмечалось в гл. 1, все используемые в производстве кормовых дрожжей отходы можно разделить на пять групп: 1) отходы от переработки растительного сырья (древесина, кукурузная кочерыжка, подсолнечная лузга, рисовая шелуха, хлопковая шелуха, сульфитный щелок и отчасти предгидролизат сульфат-целлюлозного производства); 2) отходы пищевой промышленности (барда спиртовых заводов, перерабатывающих зерно, картофель и мелассу, соковые воды крахмальных заводов и молочная сыворотка); 3) продукты переработки нефти (жидкие очищенные парафины, нефтяные дистилляты и т. д.); 4) отходы животноводства; отходы переработки плодов и овощей.

Производство кормовых дрожжей на основе двух первых видов сырья можно считать традиционным, так как оно существует уже не один десяток лет. В зависимости от вида используемого сырья дрожжи имеют определенный состав. Наиболее ценным компонентом их является протеин. Содержание его в дрожжах одного и того же рода, вида и даже штамма, но выращенных на различных средах и по разным режимам колеблется от 35 до 55 %. Несмотря на существенное различие в составе исходного сырья, технология производства кормовых дрожжей не имеет значительных отличий и может быть представлена в виде следующей схемы (рис. 1).

В гидролизном производстве в качестве сырья используют отходы лесопиления и деревообработки, а также низкокачественную стволовую древесину, непригодную для механической переработки.

34

Отходами производства называются остатки сырья, материалов и полуфабрикатов, образующиеся в процессе производства основной продукции и утратившие частично или полностью свою потребительную стоимость.

Получение субстрата

Выращивание дрожжей

Выделение и сгущение дрожжей

Сушка дрожжей

Кормовые дрожжи (товарные)

Рис. 1. Подготовка субстратов

квыращиванию дрожжей

Ккусковым отходам лесопиления и деревообработки относятся горбыли, рейки, отрезки бревен и пиломатериалов и пр. Горбыль – это отпиленная периферийная часть бревна. Рейки получаются при обрезке и раскрое пиломатериалов по ширине, отрезки – при поперечном раскрое.

Кмягким отходам относятся опилки, стружка и шлифовальная древесная пыль. К отходам лесозаготовок, образующимся на лесосеках, верхнем и нижнем складах, – малоценная древесина (маломерная древесина, здоровый валежник, обломки стволов), отходы кроны (сучья, ветки, вершины, древесная зелень), а также пни и корни.

Если отходы могут использоваться в качестве сырья для последующей переработки, их рассматривают как вторичные материальные ресурсы. Все ресурсы древесных отходов подразделяют на потенциальные, реальные и экономически доступные ресурсы. Потен-

35

циальные ресурсы включают все отходы и потери при заготовке леса

ипереработке древесины. Реальные ресурсы – это потенциальные ресурсы за вычетом неизбежных и технологических потерь при заготовке, транспортировке, хранении и переработке древесины (опилки при валке деревьев, потеря сучьев, усушка, распыл и т. д.). Экономически доступные ресурсы древесных отходов могут быть переработаны в конечные продукты с надлежащим экономическим эффектом. Экономически доступных отходов значительно меньше, чем потенциальных

иреальных ресурсов этого сырья.

Общая схема, характеризующая пути образования гидролизного сырья при заготовке и механической переработке древесины, приведена на рис. 2.

Рис. 2. Общая схема образования гидролизного сырья

При химической переработке растительного сырья методом гидролиза основное значение имеет углеводный состав сырья. С этой точки зрения различают два вида сырья: древесину хвойных пород и пентозансодержащее сырье. К пентозансодержащему сырью относят: древесину лиственных пород, отходы ее механической переработки и одубину – отход получения дубильных экстрактов; расти-

36

тельные отходы переработки сельскохозяйственного сырья; дикорастущие растения (тростник, камыш и др.); малоразложившийся торф.

Пентозансодержащее сырье содержит в два-три раза больше пентозанов, чем древесина хвойных пород (табл. 2). Кроме того, углеводные компоненты гемицеллюлоз этих видов сырья отличаются по химическому строению и составу. По суммарному содержанию углеводов древесина хвойных и лиственных пород примерно равноценна.

Таблица 2

Химический состав окоренной древесины различных пород, % от абсолютно сухого сырья

37

Теоретически возможный выход моносахаридов при гидролизе составляет 66–72 % от абсолютно сухой древесины. В частности, гемицеллюлозы древесины хвойных пород в основном состоят из галактоглюкоманнанов и арабиноглюкуроноксиланов, в то время как для древесины лиственных пород характерны глюкуроноксиланы.

Гемицеллюлозы древесины лиственницы отличаются содержанием арабиногалактана.

В практических условиях на переработку поступают отходы со значительным количеством коры, отличающейся пониженным содержанием полисахаридов. Содержание полисахаридов в древесном сырье и качество гидролизатов снижаются при наличии в сырье коры, однако по экономическим и техническим причинам окорка сырья в гидролизном производстве не осуществляется.

Общее содержание полисахаридов в технологической щепе и древесных опилках составляет 55–65 %, в связи с чем выход целевых продуктов гидролиза из технического сырья всегда ниже, чем из окоренной древесины соответствующих пород. Кондиционное сырье должно содержать не менее 60 % полисахаридов.

Зольность древесного сырья обычно составляет 0,2–0,5 %,

всвязи с чем дополнительный расход серной кислоты при гидролизе древесного сырья обычно в два-три раза ниже, чем при гидролизе растительных отходов сельскохозяйственного производства. В частности, дополнительный расход моногидрата для нейтрализации зольных веществ достигает при гидролизе древесного сырья с указанной выше зольностью 5–12 кг на 1 т абсолютно сухого сырья, при гидролизе стержней кукурузных початков – 24 кг, подсолнечниковой лузги – 44 кг.

Наряду с рассмотренными видами пентозансодержащего сырья

вкачестве сырья можно применять гречневую и просяную лузгу, солому пшеницы, ржи, риса и других зерновых культур, костру льна, конопли и кенафа, стебли табака, подсолнечника, хмеля, клещевины, хлопчатника (гуза-пайя), виноградную лозу, ветви фруктовых деревьев (древесно-садовых обрезков), малоразложившийся торф, тростник и камыш, ореховую шелуху, косточки абрикосов и другие виды растительного сырья. Некоторые из перечисленных видов сырья находят ограниченное применение в смеси с основным сырьем. В перспективе возможно их более широкое использование в композиции с основными видами сырья. Определяющую роль в этом вопросе будут играть

экономические факторы, связанные со сбором, транспортировкой и подготовкой сырья.

38

На скорость процессов гидролиза, на состав промежуточных

иконечных продуктов влияют не только химический состав сырья, но

иего физическая структура, плотность, гранулометрический состав

идругие технологические свойства.

Растительное сырье представляет совокупность клеточных оболочек, связанных между собой межклеточным веществом. Внутренние полости отмерших клеток в сырье заполнены воздухом или водой. Вариации в размерах трахеид и древесных волокон – основных составляющих растительных тканей – оказывают большое влияние на плотность древесины, которая является показателем ее качества.

Плотность древесины определяется массой древесины в единице объема, т. е. плотность – это объемная масса древесины.

Плотность натуральной древесины зависит от объема пор, на долю которых приходится 40–77 % от общего объема древесины отечественных пород. Пористость древесины различных пород существенно отличается, так плотность натуральной абсолютно сухой древесины лежит в пределах 350–700 кг/м3.

Насыпная плотность (насыпная масса) измельченного сырья – масса сырья в единице геометрического объема складируемого сырья. При повышении влажности насыпная плотность сырья возрастает.

Плотность загрузки сырья – количество абсолютно сухого сырья в 1 м3 полезного объема гидролизаппарата.

Плотность древесины влияет не только на величину загрузки сырья в гидролизаппарат, но и на физико-механические показатели древесины. В гидролизном производстве большое значение имеет механическая прочность сырья на сжатие поперек волокон. Этот показатель во многом определяет степень спрессовывания сырья в условиях перколяционного гидролиза и изменение гидравлического сопротивления слоя сырья. В частности, с повышением плотности образцов древесины различных пород в пределах 300–600 кг/м3 наблюдается линейное возрастание предела пропорциональности при сжатии поперек волокон в среднем от 2 до 8 МПа. Глубина разрушения физической структуры древесины в условиях гидролиза зависит от прочности межволоконных связей в растительной ткани, однородности анатомической структуры и условий проведения гидролиза.

Рассмотрим основные характеристики технологического сырья, применяемого в гидролизном производстве.

Основными видами древесного сырья в гидролизной промышленности являются мягкие древесные отходы, технологическая щепа и дрова, которые подвергаются измельчению непосредственно на за-

39

воде. Щепа должна быть достаточно однородна по гранулометрическому составу, т. е. древесные частицы должны быть одинаковы по длине и толщине. Размер щепы по длине волокна должен быть 5–35 мм (оптимальный размер 20 мм), а по толщине – не более 5 мм. По ширине размер щепы не нормируется. Фактическое содержание коры в сырье достигает 15–20 %, гнили – 15–18 %, некондиционной щепы – до 20 %.

Важной технологической характеристикой сырья является насыпная плотность, от величины которой зависит количество сырья, загружаемого в гидролизаппарат. Наиболее высокой насыпной плотностью отличается смесь опилок и щепы при содержании щепы приблизительно 60 %. В зависимости от породы дерева, из которого получают сырье, плотность загрузки может меняться в широких пределах.

Влажность применяемого сырья действующими стандартами не ограничивается. На величину влажности сырья оказывают влияние многие факторы: условия транспортировки и хранения, климатические условия и время года. В среднем влажность сырья из отходов лесопиления в течение года колеблется в пределах 30–65 %. При проектировании гидролизно-дрожжевых предприятий влажность древесины лиственных пород обычно принимают 50 %, хвойных пород – 45 %.

Ресурсы использования лесосечных отходов в нашей стране велики. Из вершин и крупных сучьев толщиной более 70 мм можно получать кондиционную технологическую щепу. Щепа из сучьев меньшего диаметра является низкосортным сырьем, так как при его гидролизе выход сахара на 10–12 % ниже, чем из обычного сырья.

Все виды гидролизного сырья на основе вторичных сырьевых ре-

сурсов сельскохозяйственного растениеводства можно разделить на следующие группы:

1)растительные отходы промышленной переработки сельскохозяйственного сырья на предприятиях пищевой (масложировой, крахмалопаточной, крупяной и др.) и легкой промышленности;

2)растительные отходы, образующиеся непосредственно в условиях сельскохозяйственного производства (солома, гуза-пайя, виноградная лоза и др.).

Хлопковая шелуха – это побочный продукт получения хлопкового масла, отжимаемого из ряда хлопковых семян. Она состоит из твердой лигнифицированной оболочки семян хлопчатника (лузги) и покрывающего ее делинта (почти из чистой целлюлозы). В частности, содержание делинта в шелухе обычно колеблется в пределах 10–35 %,

40