Технология подготовки растительного сырья для биоконверсии. Учебное пособие

кания ферментационного процесса в сусло необходимо вводить соли марганца и цинка (расход МnС12·4Н2О – 0,36 г/м3 сусла и ZnSO4·7H2O – 16 г/м3). Метод замещающей нейтрализации имеет и другие недостатки – повышенный расход фосфатов, интенсивное пенообразование субстрата при нейтральной среде. Однако возможность выведения из субстрата сульфата кальция, фтора и солей тяжелых металлов позволяет рассматривать этот метод нейтрализации гидролизата как перспективный для гидролизных производств.

3.3.4. Значение минеральных питательных веществ при культивировании дрожжей

Гидролизаты растительного сырья содержат необходимое количество микроэлементов, но бедны соединениями Р, N и K, которые вводят в субстрат в виде питательных солей. Повышенной зольностью обладают растительные отходы сельскохозяйственного производства. В получаемые при их переработке гидролизаты обычно не вводят соли калия.

Помимо Р, N, K, спектроскопическими методами в гидролизном субстрате определены Са, Si, Mg, Fe, Na, Al, Mn, Sr, Zn, Cu, Ti, Cr, Ni, I, V, La, Pb, Ag, Mo, Co, Zr, Gd, Yb (элементы расположены в порядке убывания их концентрации). Среднее содержание необходимых микроэлементов в нейтрализатах, полученных по двухступенчатой схеме нейтрализации, мг/л: 90–110 Mg; 24–30 Fe; 14–17 Mn; 6,0–6,4 Zn и 0,4–0,6 Сu.

Растворы питательных солей в гидролизном производстве обычно подаются в нейтрализатор из расчета на 1 т дрожжей 90 кг азота, 48 кг фосфора (в пересчете на Р2О5) и 35 кг калия.

В качестве источников Р, N и K используют соответствующие минеральные удобрения, реже технические продукты или минеральные кормовые добавки. В качестве фосфорного питания на большинстве предприятий применяют суперфосфат, реже аммофос и двойной суперфосфат. Как дополнительное фосфорное питание на некоторых предприятиях используют ортофосфорную кислоту, диаммонийфосфат, монокальцийфосфат, а также в небольшом количестве тринатрийфосфат и динатрийфосфат.

Двойной суперфосфат отличается повышенным содержанием усвояемого фосфата. Аммонизированный суперфосфат получают аммонизацией простого суперфосфата, а основное количество простого суперфосфата – сернокислотным разложением апатитового концентрата.

81

Аммофос в основном состоит из смеси дигидрофосфата аммония NH4H2PO4 и гидрофосфата аммония (NH4)2HPO4. Аммофос является источником как фосфорного, так и азотного питания. Этот продукт отличается высокой растворимостью по сравнению с суперфосфатами.

Для повышения качества кормовых дрожжей рекомендуется применять обесфторенные фосфаты, используемые в животноводстве как минеральные кормовые добавки. Кормовые фосфаты необходимо применять в дрожжевом производстве при замкнутых схемах водопользования, где возможно накопление в системе токсичных компонентов питательных солей и снижение качества товарной продукции.

Кальция фосфат кормовой вырабатывается в виде товарной продукции трех марок: монокальций-, дикальций- и трикальцийфосфата. Монокальцийфосфат – это дигидрофосфат кальция Са(Н2РО4)2, растворим в воде. Основным веществом дикальцийфосфата является бигидрат гидрофосфата кальция СаНРО4·2Н2О. Трикальцийфосфат преимущественно состоит из нерастворимого в воде ортофосфата кальция Са3(РО4)2.

Вгидролизном производстве предпочтительно использование монокальцийфосфата, который имеет повышенное содержание фосфора по сравнению с другими фосфатами. Его хорошая растворимость в воде облегчает процесс приготовления раствора питательных солей.

Диаммонийфосфат кормовой (или гидрофосфат аммония

(NH4)2HPO4) полностью растворим в воде. Его получают при взаимодействии термической фосфорной кислоты и аммиака и применяют для подкормки животных.

Кормовой диаммонийфосфат приблизительно в два раза дороже монокальцийфосфата. Но диаммонийфосфат является источником как фосфорного, так и азотного питания, полностью ассимилируется дрожжами и с ним не вносится в субстрат дополнительное количество растворенного кальция.

Вкачестве источника фосфорного питания с технологической точки зрения по сравнению с твердыми фосфатами удобна жидкая ортофосфорная кислота. При этом следует применять термическую или обесфторенную экстракционную фосфорную кислоту.

Вкачестве источника азотного питания в большинстве случаев

применяют сульфат аммония (NH4)2SO4. В нем массовая доля азота должна быть не менее 21 %.

82

Врезультате ассимиляции азота дрожжами выделяется свободная серная кислота, которую приходится нейтрализовать аммиачной водой в процессе ферментации для поддержания оптимального значения рН. При этом вновь образуется сульфат аммония. Следовательно, практически весь сульфат аммония, вводимый в субстрат в качестве питательной соли, переходит в состав отработанной культуральной жидкости, а затем и в сточные воды, загрязняя их. С экологической точки зрения более целесообразно в качестве питательных солей применять полностью ассимилируемые микроорганизмами соединения.

Вкачестве дополнительного источника азотного питания на ря-

де предприятий применяют карбамид H2N–СО–NH2. В нем должно содержаться более 46 % азота; регламентируется содержание свободного аммиака, железа, сульфатов и других примесей.

3.4.ОЧИСТКА И ОХЛАЖДЕНИЕ НЕЙТРАЛИЗАТА

Врезультате нейтрализации гидролизата содержание взвешенных веществ возрастает примерно в 10 раз и составляет 0,5–0,7 %

(5–7 г/л) в нейтрализатах древесины хвойных пород и 0,9–1,1 % в нейтрализатах древесины лиственных пород. Взвешенные вещества состоят приблизительно на 80 % из CaSO4·2H2O, остальное приходится на мелкодисперсный лигнин и лигногуминовый комплекс. При аммиачной нейтрализации гидролизата содержание взвешенных веществ составляет 0,1–0,2 %; в основном они состоят из органических веществ.

Для удаления взвешенных веществ применяют стальные цилиндрические отстойники непрерывного действия диаметром 8, 12 и 18 м со средней удельной производительностью 0,6–0,8 м3/(ч·м2). Скорость седиментации зависит от размеров и удельной массы взвешенных частиц и колеблется в пределах 0,025–2,50 мм/с. В промышленных условиях частицы осаждаются со скоростью более 0,3–0,4 мм/с. На долю таких частиц приходится около 90 % от массы взвешенных веществ. В среднем степень очистки нейтрализата на отстойниках составляет 80–90 %.

Нейтрализат поступает в центральную часть отстойника через барабанный успокоитель. В отстойнике обеспечивается медленное движение жидкостных потоков в следующем направлении: в центральной части аппарата – сверху вниз, в нижней части периферии аппарата и у стенок – снизу вверх (см. рис. 7). Шлам осаждается на

83

коническое днище отстойника, а осветленный нейтрализат равномерно сливается в желоб, расположенный по окружности отстойника, откуда отбирается в сборник осветленного нейтрализата.

Удаление шлама из отстойников непрерывное с помощью выгребного механизма либо периодическое при остановке отстойников. Выгребной механизм сгребает шлам в центральную часть конического днища, где расположен штуцер для отбора шламовой суспензии с влажностью 60–75 %.

Для сокращения потерь РВ со шламом проводится его промывка водой в мешалке объемом 100–280 м3. Промывные воды декантируют и направляют в основной поток нейтрализата. При этом достигается сокращение потерь РВ до 3 % от общего содержания в нейтрализате.

Для повышения эффективности отделения шлама и сокращения количества промывных вод, разбавляющих субстрат, предложено проводить фильтрацию шлама на автоматических фильтрах-прессах ФПАКМ (см. рис. 7) или на ленточных вакуум-фильтрах. Использование фильтров позволяет сократить потери РВ, снизить влажность шлама, облегчить организацию его переработки на органоминеральные удобрения или вывоз в отвал.

3.4.1. Вакуум-охлаждение нейтрализата

Осветленный нейтрализат необходимо охладить до 45 °С либо до температуры ферментации, если аэрация нейтрализата не проводится.

Осветленный нейтрализат охлаждается путем непрерывного последовательного вакуум-испарения в четырех ступенях испарителя (см. рис. 7). Давление, МПа, по ступеням последовательно снижается: на I ступени – 0,03, на II – 0,015, на III – 0,01 и на IV – 0,006–0,008, что приводит к падению температуры нейтрализата от 76 °С на I ступени до 45 °С (или 38 °С) после IV ступени. Реже применяют трехступенчатые вакуум-охладительные установки. Выдача нейтрализата из IV ступени установки 14 производится в сборник 15 по барометрической трубе, высота которой с учетом остаточного давления в этой ступени должна составлять 9–10 м. Требуемая глубина разрежения в каждой ступени испарения обеспечивается с помощью пароэжекторных вакуумных насосов 17. Образовавшиеся на каждой ступени вторичные пары конденсируются в конденсаторах 16, фурфуролсодержащие конденсаты собираются в сборнике 18 и затем направляют-

84

ся (совместно с конденсатом паров самоиспарения гидролизата) в фурфурольное отделение для получения товарного фурфурола в качестве побочного продукта производства.

Таким образом, на вакуум-охладительной установке происходит не только снижение температуры нейтрализата, но и его облагораживание путем испарения фурфурола (на 33–40 %), метилфурфурола (на 20–30 %), терпенов (на 10–20 %) и других легколетучих примесей. Выход конденсата при вакуум-охлаждении нейтрализата составляет 7–8 % от количества исходного нейтрализата.

Неконденсирующиеся пары и газы поступают на пароэжекторные насосы 17 и далее в систему конденсаторов смешения. Охлаждающая вода последовательно проходит через конденсаторы IV → III → II → I ступеней и нагревается примерно до 60 °С. Эта вода направляется в бак оборотной воды гидролизного отделения и используется для приготовления варочной кислоты. Производительность применяемых вакуум-охладительных установок составляет 50, 100, 150, 200 и 250 м3/ч нейтрализата.

3.4.2. Аэрация нейтрализата и холодный отстой

Коллоидно-растворенные лигногуминовые вещества отрицательно влияют на ферментационные процессы в дрожжевом производстве. Сорбируясь на поверхности дрожжевых клеток, эти вещества нарушают обменные процессы, а также загрязняют товарную продукцию. Повышение рН гидролизата при нейтрализации способствует коагуляции коллоидных веществ. При дальнейшем охлаждении процесс коагуляции продолжается, в результате чего содержание взвешенных веществ возрастает примерно на 0,03 % при охлаждении нейтрализата от 80–85 до 35–45 °С. Однако при этом коагуляция коллоидов не заканчивается.

Эффективным методом дестабилизации коллоидной системы является аэрация нейтрализата воздухом.

Для коагуляции лигногуминовых коллоидных веществ охлажденный нейтрализат направляется в аэратор 19 (см. рис. 7), где обеспечивается его продувка воздухом при рН 4 в течение 4 ч. При рН > 4 возрастает пенообразующая способность субстрата и возможность его инфицирования посторонней микрофлорой, хуже отстаиваются взвешенные вещества. Развитию посторонней микрофлоры препятствует повышенная температура (45 °С) нейтрализата при его аэрации.

В результате аэрации концентрация взвешенных веществ в сусле возрастает в 1,5–2 раза (до 1,0–1,2 г/л). Их удаление происходит в те-

85

чение 3,5 ч на отстойнике 21 до остаточного содержания 0,3–0,5 г/л. Холодильник 23 служит для охлаждения сусла до температуры ферментации. В результате аэрации с последующим холодным отстоем из гидролизата удаляется 30–35 % лигногуминовых коллоидных веществ от их первоначального содержания; при горячем отстое нейтрализата удаляется 20–25 %. Суммарные потери РВ на всех стадиях очистки и охлаждения нейтрализата составляют 3–6 %.

Помимо коагуляции лигногуминового комплекса, в процессе аэрации в результате испарения происходит частичное удаление фурфурола (примерно на 10 %) и других летучих примесей.

Аэрация субстрата позволяет повысить выход дрожжей на 1–3 % от ассимилированных сахаров.

Завершающей стадией подготовки субстрата в дрожжевом производстве является разбавление сусла свежей или оборотной водой для снижения содержания токсичных примесей. При разбавлении сусла концентрация РВ снижается с 3,0–3,2 до 1,2–1,6 %, т. е. сусло разбавляется примерно в 2 раза. Соответственно, снижается концентрация вредных примесей. Разбавление сусла – процесс нежелательный, так как увеличение жидкостного потока требует соответствующего повышения производительности оборудования, расхода электроэнергии при сепарации, увеличивает количество сточных вод. Для исключения разбавления сусла из технологической схемы необходима глубокая его очистка от примесей и применение ферментаторов

синтенсивным массообменом, рассчитанных на переработку неразбавленных субстратов.

Использование полной типовой технологической схемы позволяет получать питательные среды для ферментационных процессов

сдостаточной биологической доброкачественностью. Однако более глубокая очистка субстрата от примесей дает возможность повысить выход и качество дрожжей.

3.5.МЕЛАССНАЯ БАРДА КАК СУБСТРАТ

ВПРОИЗВОДСТВЕ ДРОЖЖЕЙ

Вкачестве субстрата в производстве белковых кормовых дрожжей можно использовать мелассную барду, которая является отходом спиртового производства. Ее получают после переработки на спирт зернового, картофельного сырья, свеклосахарной мелассы.

Состав мелассной барды непостоянен и зависит в основном от качества мелассы и технологии ее получения.

86

Обычно мелассная барда содержит 7–10 % сухих веществ. Органические вещества составляют около 70–74 %, а неорганические соединения – 20–30 % от общего содержания сухих веществ. По содержанию азотистых веществ барда является неполноценной. Большая часть общего азота приходится на бетаин. В мелассной барде в небольших количествах содержатся многие усваиваемые дрожжами аминокислоты. Однако преобладает среди них пирролидонкарбоновая кислота, которая не ассимилируется дрожжами. В небольших количествах в барде содержатся глюкоза, фруктоза, арабиноза и другие сахара. Глицерин и небольшое количество этилового, изоамилового и некоторых других высших спиртов остаются в ней при перегонке бражки.

Остаток несброженных спиртовыми дрожжами свободных редуцирующих веществ не превышает 1,5–6,6 %, общих – 2,2–9,7 %. Из общего количества РВ немногим больше половины приходится на сахар, остальную часть составляют несбраживаемые гуминовые, меланоидиновые и глюкозидные соединения, не усваиваемые дрожжами.

Наиболее ценными в барде являются органические кислоты, состоящие на 1/3 из летучих (муравьиной и уксусной) и на 2/3 из нелетучих кислот (молочной, глюконовой, яблочной, винной, янтарной).

На долю зольных элементов приходится примерно 30 % сухих веществ барды, из которых 36–55 % K2О и 6,5–7,5 % Na2O. Остальные элементы содержатся в небольшом количестве. В барде присутствуют также микроэлементы, мг % на сухие вещества: марганец – 0,3–9,0; никель – 0,6–1,9; титан – 0,3–5,9; медь – 0,3–18,3; ванадий – 0,3–6,0; кобальт – 0,06–0,64; барий – 0,3–12,7 и др.

Для производства кормовых дрожжей практическое значение имеют лишь те вещества барды, которые усваиваются дрожжами рода Candida: моно- и дисахара, карбоновые кислоты и оксикислоты, спирты, аминокислоты, глюкозиды, органические и неорганические азотистые соединения, соли калия, магния, фосфора и железа, микроэлементы, витамины.

Недостатками барды являются низкое содержание фосфора и высокое количество зольных элементов и других не усваиваемых дрожжами веществ. Повышенная концентрация сухих веществ барды приводит к увеличению осмотического давления, тормозящего жизнедеятельность дрожжей.

Во избежание развития посторонней микрофлоры в процессе культивирования кормовых дрожжей горячую барду, поступающую на производство, направляют в стерилизатор-выдерживатель

87

на 45–60 мин. При переработке барды, содержащей клетки дрожжей сахаромицетов, стерилизатор обязательно должен быть снабжен мешалкой. В стерилизаторе барда освобождается от спорообразующих микроорганизмов и твердых примесей, периодически удаляемых при чистке аппарата.

Если барда содержит значительное количество СаО (более 0,3 %), то выделение гипса проводят в отстойниках, предварительно подкисляя барду до рН 3,5–3,8 серной кислотой.

Для приготовления питательной среды охлажденную до нужной температуры барду смешивают с растворами солей, содержащих азот и фосфор в таком количестве, чтобы обеспечить содержание в сухих дрожжах 8 % N2 и 4,0–4,5 % Р2О5. Эта операция осуществляется в смесителях (сусловых чанах), вместимость которых соответствует 30-минутной производительности цеха. В смеситель непрерывно поступают охлажденная барда и растворы солей. Готовая питательная среда постоянно перекачивается в дрожжерастильные аппараты.

Контрольные вопросы и задания

1.Какие факторы влияют на состав гидролизата?

2.Дайте определение химической и биологической доброкачественности гидролизата.

3.Какую роль играют компоненты гидролизата и барды при биохимической переработке?

4.Оцените различные методы нейтрализации гидролизата с точки зрения доброкачественности получаемого субстрата.

5.Как предотвратить введение токсичных примесей в субстрат

снейтрализующими агентами и питательными солями?

6.Сравните эффективность выведения легколетучих примесей по отдельным стадиям подготовки гидролизата.

7.Как повысить глубину выведения из субстрата коллоидных и взвешенных веществ?

8.Обоснуйте последовательность стадий подготовки гидролизата и мелассной барды к биохимической переработке.

88

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Внедрение комплексной переработки большинства видов исходного сырья должно предполагать наряду с увеличением выпуска

в том числе за счет расширения кормовой продукции для сельскохозяйственных животных, а также привлечения и гибкого использования разнообразных видов растительного сырья и получаемых на его основе углеводсодержащих материалов.

Во всех странах мира накапливается большое количество неиспользованных и неэффективно использованных растительных отходов. Поэтому рациональное использование этих природных ресурсов

иих отходов с помощью биоконверсии в полноценные углеводнобелковые корма для животных имеет актуальное значение. Направлениями их рационального использования являются применение прогрессивных технологических процессов, утилизация отходов производства, а также рациональное использование водных ресурсов.

Существуют различные варианты биоконверсии растительного сырья, среди которых наиболее эффектными считаются способы твердофазной ферментации и глубинного культивирования смешанной культуры грибов и дрожжей.

Процессы биотрансформации сельскохозяйственных растений

ипродуктов их микробиологической переработки являются высокоэффективными как с технической, так и с экологической точки зрения. Решение этих вопросов отчасти облегчается тем, что отпадает

необходимость создания крупных производственных комплексов с аппаратами большой мощности и высокими энергозатратами. Утилизировать отходы производства можно несколькими путями, в том числе используя их в качестве субстрата после предварительной подготовки.

В этой связи магистру будут необходимы знания химического состава углеводсодержащего сырья и отходов его переработки, методов предварительной подготовки растительного сырья для микробиологической конверсии и микроорганизмов – продуцентов кормового белка на углеводных средах растительного происхождения, которые он получит в результате освоения дисциплины «Технология подготовки растительного сырья для биоконверсии».

89

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Воронина, Т. Ю. Совершенствование технологии гидролизного производства с использованием крахмалсодержащего сырья : автореф. дис. … канд. техн. наук : 05.21.03 / Т. Ю. Воронина. – Красноярск : КГТА, 1997. – 26 с.

2.Дорофеева, Л. А. Комплексная переработка вегетативной части топинамбура : автореф. дис. … канд. техн. наук : 11.00.11 /

Л.А. Дорофеева. – Красноярск : СибГТУ, 2000. – 24 с.

3.Емелина, Т. Н. Комплексная переработка вегетативной части топинамбура с получением продуктов микробного синтеза : автореф. дис. … канд. техн. наук : 05.21.03 / Т. Н. Емелина. – Красноярск : СибГТУ, 2003. – 20 с.

4.Технология биоконверсии растительного сырья : в 2 ч. Ч. I. Биологические агенты и субстраты в процессах биоконверсии растительного сырья : учеб. пособие / П. В. Миронов [и др.]. – Красноярск : СибГТУ, 2016. – 176 с.

5.Технология биоконверсии растительного сырья : в 2 ч. Ч. II. Перспективные технологии микробиологической конверсии растительной биомассы : учеб. пособие / П. В. Миронов [и др.]. – Красноярск : СибГТУ, 2016. – 150 с.

6. Шарков, В. И. Технология гидролизных производств /

В.И. Шарков. – М. : Лесн. пром-сть, 1973. – 496 с.

7.Корольков, И. И. Перколяционный гидролиз растительного сырья / И. И. Корольков. – М. : Лесн. пром-сть, 1978. – 156 с.

8.Холькин, Ю. И. Технология гидролизных производств / Ю. И. Холькин. – М. : Лесн. пром-сть, 1989. – 496 с.

9.Резников, В. М. Теория перколяционного гидролиза растительного сырья / В. М. Резников. – М. : Лесн. пром-сть, 1964. – 132 с.

10.Синицин, А. П. Биоконверсия лигноцеллюлозных материалов : учеб. пособие / А. П. Синицин, А. В. Гусаков, В. М. Черноглазов. – М. : Изд-во МГУ, 1995. – 224 с.

11.Биотехнологическое использование отходов растениеводства / А. И. Осадчая [и др.] ; под ред. В. С. Подгорского, В. Н. Иванова. – Киев : Наук. думка, 1990. – 96 с.

12.Леспроминформ. Запас лесосырьевых ресурсов в Красноярском крае увеличивается [Электронный ресурс]. – 2013. – Режим доступа: http://lesprominform.ru/jarchive/articles/itemprint/3201.

90