Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Аэробное культивирование чистой культуры спиртовых дрожжей

ВАК РФ 03.00.23, Биотехнология

Автореферат диссертации по теме "Аэробное культивирование чистой культуры спиртовых дрожжей"

На правах рукописи

ФИЛИППОВА НАДЕЖДА КОНСТАНТИНОВНА

АЭРОБНОЕ КУЛЬТИВИРОВАНИЕ ЧИСТОЙ КУЛЬТУРЫ СПИРТОВЫХ ДРОЖЖЕЙ

03.00.23 - Биотехнология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань - 2004

Работа выполнена на кафедре химической кибернетики Казанского государственного технологического университета

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Емельянов Виктор Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шатифуллин Вилен Насибович

доктор биологических наук, профессор Багаева Татьяна Вадимовна

Ведущая организация: Российский химико-технологический университет им. Д И. Менделеева

Защита диссертации состоится 22 декабря 2004 г. в 14.00 часов на заседании специализированного совета Д 212.080.02 при Казанском государственном технологическом университете по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68 (зал заседаний Ученого совета, А-330)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технологического университета

Автореферат разослан

«19ч>Нб-0<!/&т г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук

А.С. Сироткин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Анализ ситуации на мировом рынке показывает, что при существующей технологии российский спирт не сможет составить конкуренцию без улучшения качества продукции и повышения рентабельности производства. В условиях рыночной экономики перед спиртовой отраслью стоят сложные задачи, в первую очередь, это снижение себестоимости продукции за счет создания и внедрения принципиально новых современных ресурсосберегающих технологий, обеспечивающих увеличение выпуска этанола при максимальной степени утилизации крахмалистого сырья и отходов производства, разработки новых способов интенсификации процессов дрожжегенерации, брожения и соответствующей реконструкции предприятий отрасли.

Назрела необходимость совершенствования действующих

технологических схем, имеющих комплекс недостатков, основными из которых являются низкая засевная плотность дрожжевой культуры и высокая вероятность заражения посевного материала посторонней микрофлорой, что существенно влияет на протекание процесса брожения, выход и качество спирта.

Одним из направлений решения задачи модернизации спиртового производства является интенсификация процесса наращивания чистой культуры спиртовых дрожжей с высокой концентрацией клеток.

Интенсификация процессов дрожжегенерации, поддержание культуры спиртовых дрожжей в активном состоянии с высокой плотностью дрожжевой популяции позволит повысить эффективность спиртового производства, ускорить процессы разбраживания и главного брожения сусла, сократить потери спирта и сырья.

В связи с этим представляется перспективной и актуальной разработка аэробной технологии получения чистой культуры спиртовых дрожжей, позволяющая в стерильных условиях нарастить высокую концентрацию засевных дрожжей*.

Цель работы. Целью настоящей работы явилось создание новой технологии получения чистой культуры спиртовых дрожжей с высокой плотностью, выращенной в аэробных условиях на стерильной питательной среде

Снабжение дрожжей кислородом при культивировании способствует интенсивному накоплению биомассы, а стерильные условия ведения процесса сохраняют физиологические свойства исходного промышленного штамма,

*Соруководителем диссертационной работы по вопросам расчетов энергоматериального баланса являлся к.т.н., докторант Мухачев С.Г.

РОС НАЦИОНАЛЬНА)! 3 вИБЛ НОТИСА

¿ГВЧ^Я

препятствуют вытеснению высокопродуктивной части популяции малопродуктивной - снижают вероятность инфицирования инокулята посторонней микрофлорой, что повышает качество засевной культуры.

В соответствии с поставленной целью требовалось решить следующие задачи:

- определить состав питательной среды, оптимальный для роста и размножения дрожжевых клеток в аэробных условиях с учетом простоты приготовления, дешевизны и доступности выбранных компонентов;

- изучить влияние физико-химических параметров (скоростей подачи воздуха и перемешивания, температуры, активной кислотности среды) на процесс культивирования спиртовых дрожжей в лабораторных условиях;

- исследовать влияние подпиток на процесс дрожжегенерации;

- сформулировать требования к аппаратурному оформлению участка чистой культуры;

- выбрать оптимальные условия аэробного культивирования спиртовых дрожжей в биотехнологическом комплексе участка чистой культуры;

-.провести опытно-промышленные испытания аэробной технологии с определением микробиологической чистоты дрожжевой культуры;

- рассчитать материальный баланс процесса аэробного выращивания дрожжевой культуры и оценить экономию субстрата;

Научная новизна. Разработана и запатентована новая технология получения биомассы чистой культуры спиртовых дрожжей в аэробных условиях на стерильной питательной среде в биореакторах интенсивного массообмена.

Впервые в производственных условиях показана возможность десятикратного увеличения концентрации дрожжевой культуры, выращенной по новой аэробной технологии дрожжегенерации. Сформулированы основные требования к аппаратурному оформлению участка чистой культуры бродильного отделения, разработан биотехнологический комплекс для промышленного участка получения чистой культуры.

Экспериментально показано, что спиртовые дрожжи, выращенные по аэробной технологии, сохраняют физиологические свойства исходного промышленного.штамма, что препятствует вытеснению высокопродуктивной части дрожжей.

Практическая значимость. Выращено требуемое для спиртового производства количество дрожжевых клеток за короткое время с существенно меньшим расходом сырья.

Выбраны оптимальный состав питательной среды, доступный для спиртового производства, и условия культивирования спиртовых дрожжей в аэробных условиях.

Создана высокоэффективная технология, для ее реализации разработано оборудование участка чистой культуры бродильного отделения.

Изготовлен опытный экземпляр установки, на которой в промышленных условиях наработана чистая культура спиртовых дрожжей с концентрацией клеток более 1200 млн кл/мл.

Проведены опытно-промышленные испытания аэробного выращивания чистой культуры спиртовых дрожжей на Александровском и Шумбутском спиртовых заводах Республики Татарстан.

Разработан технологический регламент по наращиванию чистой культуры спиртовых дрожжей в аэробных условиях.

Показано, что за счет повышения продуктивности дрожжевой системы достигается эффективное сбраживание осахаренного сусла, наблюдается ускорение процесса брожения, как на начальной стадии, так и всего процесса в целом.

Установлено, что использование аэробной технологии генерации спиртовых дрожжей позволит сэкономить примерно 389 тонн зерна для спиртового предприятия производительностью 2600 дал спирта в сутки.

Апробация работы. Основные положения и материалы диссертационной работы были доложены на научно-практической конференции «Современные ресурсо- и энергосберегающие технологии в спиртовой и ликеро-водочной промышленности (Казань, 2000г.), Третьей международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в спиртовой и ликеро-водочной отрасли» (Москва, 2001г.), на ежегодных научно-технических конференциях Казанского государственного технологического университета 2000-2004г.г.

Публикации По материалам диссертации опубликовано 14 работ, получен патент.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, включающего 102 наименования

источников. Работа изложена на 114 страницах, проиллюстрирована 14 рисунками и 14 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены общие представления о решаемой в работе задаче, обоснована необходимость и показана актуальность разработки новой технологии аэробного культивирования чистой культуры спиртовых дрожжей.

В первой главе представлен обзор научных публикаций по новым способам интенсификации бродильных производств. На основе анализа и в соответствии с выводами из литературного обзора показано, что главными недостатками существующих технологических процессов является низкая засевная плотность дрожжевой культуры, высокая вероятность инфицирования

дрожжей, что в конечном счете существенно влияет на протекание процесса брожения, скорость сбраживания сусла и выход целевого продукта. Сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе представлен комплекс экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных условиях, по определению состава питательной среды (ПС), оптимальной для роста и размножения дрожжевых клеток в аэробных условиях с учетом простоты приготовления, дешевизны и доступности используемых компонентов для спиртового производства.

В главе рассматривается влияние физико-химических параметров -условий культивирования (температуры, активной кислотности среды, массообменных характеристик аппарата) на процесс роста спиртовых дрожжей, определяется время, состав и количество вносимых подпиток для получения высоких концентраций клеточной массы. Сформулированы основные требования к аппаратурному оформлению аэробного процесса получения чистой культуры спиртовых дрожжей.

В третьей главе рассмотрено аппаратурное оформление промышленного участка чистой культуры спиртовых дрожжей, обоснован выбор оптимальных условий аэробного культивирования, изложены результаты опытно-промышленных испытаний аэробной технологии культивирования спиртовых дрожжей в периодическом режиме на биотехнологическом комплексе. Приведены исследования микробиологической чистоты выращенной по аэробной технологии дрожжевой культуры путем высева на плотную питательную среду.

В четвертой главе представлены исследования по использованию чистой культуры спиртовых дрожжей, выращенных по аэробной технологии, в технологической цепочке - дрожжанка - возбраживатель - бродильные чаны, показана перспективность и целесообразность применения аэрации при выращивании чистой культуры. Приведен расчет экономической эффективности применения аэробной дрожжегенерации в бродильном производстве.

В пятой главе рассмотрен материальный баланс процесса аэробного выращивания посевной культуры спиртовых дрожжей, дана оценка величины экономии субстрата при переходе к процессу аэробного выращивания спиртовых дрожжей и ее доля в стоимости конечного продукта.

Разработка технологии аэробного культивирования спиртовых дрожжей

На первом этапе работы были проведены экспериментальные исследования по выбору для аэробного культивирования спиртовых дрожжей питательных сред, содержащих необходимые для клеточного материала соединения при соблюдении основных требований - простоты приготовления и дешевизны используемых компонентов. Исследованы разнообразные составы питательных

сред, как синтетические, так и натуральные, в которых проводилось выращивание спиртовых дрожжей: среда Ридер; модифицированная среда Ридер; сусло, карбамид, дрожжевой автолизат; сусло, фильтрат послеспиртовой барды и т.д., определены концентрации основных компонентов, а также условия культивирования спиртовых дрожжей: температура, активная кислотность, массообменные характеристики аппарата.

Опыты проводили в лабораторных условиях на культуре спиртовых дрожжей Sacchaгomyces ceгevisiae раса XII. Питательные среды предварительно подвергали стерилизации в автоклаве при 1 избыточной атмосфере в течение 0,5 часа. Дрожжи, выращенные в пробирках на сусло-агаре, стерильно засевали в колбы. Рост культуры определяли подсчетом клеток в камере Горяева, физиологическое состояние дрожжей - микроскопированием. Пробы для анализа отбирали сразу после засева и по истечении 4 часов через каждые 2 часа. Для контроля брали процессы анаэробного выращивания дрожжей на пастеризованном сусле с содержанием редуцирующих веществ 11-12% масс, в соответствии с действующим на сегодня технологическим регламентом для спиртового производства. Усредненное по трем контрольным ферментациям значение концентрации спиртовых дрожжей на 15 час роста составило 130,5 млн.клУмл при остаточных редуцирующих 4,3% масс.

В ходе эксперимента рассмотрена возможность использования в качестве основного компонента питательной среды фильтрата послеспиртовой барды богатого аминокислотами, витаминами, минеральными веществами. Это позволило с одной стороны утилизировать отходы спиртового производства, с другой - упростить и удешевить питательную среду.

Результаты экспериментов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты культивирования спиртовых дрожжей Sacchaгomyces ceгevisiae раса XII на различных питательных средах в качалочных колбах на 15-й час

роста

X» Состав питательной среды РВ,% Концентрация дрожжевых клеток, млн/мл, нач /кон

1 Среда Ридер, дрожжевой автолизат 2% 2,0 14,0/112,0

2 Среда Ридер модиф дрожжевой автолизат 4% 2,1 18,0/197,0

3 Сусло, среда Ридер модиф (без глюкозы), дрожжевой автолизат 4% 2,0 10,0/101,0

4 Сусло, среда Ридер (без глюкозы), дрожжевой автолизат4%, карбамид 0,2% 2,6 16,0/175,0

5 Сусло, фильтрат барды, карбамид 0,2% 2,1 144,0/302,0

6 Сусло, фильтрат барды, карбамид 0,2% 4,2 11,0/540,0

7 Сусло, фильтрат барды, карбамид 0,2% 6,0 10,0/575,0

8 Сусло, фильтрат барды, карбамид 0,2% 8,1 18,0/200,0

Проведенный сравнительный анализ полученных экспериментальных данных показал, что интенсивное усвоение питательных веществ и более высокое накопление биомассы дрожжей при прочих равных условиях происходит на питательной среде, состоящей из сусла, разбавленного фильтратом послеспиртовой барды до содержания редуцирующих веществ 4 -6% масс, с добавлением 0,2% масс, карбамида. Низкие концентрации сахара позволили направить процесс в сторону накопления биомассы дрожжей. Для приготовления питательной среды использовали осахаренное сусло (РВ более 10% масс.) с высоким содержанием сухих веществ (СВ не менее 18% масс). Фильтрат послеспиртовой барды получали из грубой барды после отделения дробины на ситах с отверстиями 1,0-1,2 мм.

В результате на качалочных колбах в аэробных условиях выращена популяция спиртовых дрожжей с концентрацией клеток 500-600 млн.кл/мл, что в 4 - 5 раз больше концентрации заводской маточной культуры, выращенной в анаэробных условиях. Выбранная питательная среда является полноценной средой, содержит комплекс веществ, необходимый для выращивания дрожжей, доступна для спиртового производства, проста в приготовлении.

Изучено влияние температуры и активной кислотности на рост дрожжевой культуры 8ассИаготусе8 еегеу1$1ае раса XII в аэробных условиях.

Исследование влияния температуры и активной кислотности на рост дрожжевой клетки проводили в диапазоне изменения температур от 26 до 34 °С, активной кислотности - от 4,4 до5,4.

Установлено, что интенсивный рост и размножение спиртовых дрожжей в аэробных условиях происходит при температуре 28-30°С и активной кислотности среды, поддерживаемой в пределах 4,8-5,0 ед. рН.

Проведена серия экспериментов с выбранной питательной средой и условиями культивирования на культурах, широко используемых в спиртовом производстве, 8ассИаготусе$ сегеу1$1ае раса XII, раса М и раса У717. Результаты исследований обобщены в таблице 2.

Таблица 2

Культивирование различных рас спиртовых дрожжей 8ассИаготусе$ сегеу1в1ае за 17 часов роста

Из таблицы видно, что при выбранных условиях культивирования активный рост и накопление биомассы спиртовых дрожжей характерны для всех исследуемых культур.

Исследования, связанные с выбором массообменных характеристик процесса, обеспечивающих высокое накопление биомассы спиртовых дрожжей, при оптимальных значениях температуры и активной кислотности, проведены на лабораторной установке. Установка снабжена системой автоматизированного управления технологическим процессом, включает контуры термостатирования, статирования активной кислотности, оксистатирования, измерения и управления расходом жидких и газообразных потоков. Лабораторная установка обеспечивала проведение периодического культивирования в асептических условиях с высокой точностью стабилизации параметров.

На первом этапе исследований сульфитным методом изучали влияние гидродинамических факторов - скорости вращения мешалки и удельного расхода воздуха на скорость абсорбции кислорода в аппарате. На рис Л представлены зависимости сульфитных чисел аппарата от удельного расхода воздуха и оборотов перемешивающего устройства.

Рис 1. Влияние скорости перемешивания на сульфитные числа аппарата при различных скоростях подачи аэрирующего воздуха, где 1 - 0,3 л/л мин; 2 - 0,5 л/л мин; 3-1,0 л/л мин;

4-1,5 л/л мин; 5 - 2,0 л/л мин;

Разведение чистой культуры дрожжей осуществляли путем последовательного пересева культуры из пробирок в качалочные колбы и затем в ферментер. Культивирование проводили сериями по три процесса. Из приведенного графика следует, что в исследуемых диапазонах расхода воздуха и оборотов мешалки можно добиться четырехкратного увеличения сорбции кислорода.

Разведение чистой культуры дрожжей осуществляли путем последовательного пересева культуры из пробирок в качалочные колбы и затем в ферментер. Культивирование проводили сериями по три процесса

Все три процесса, как правило, выполняли при одинаковых условиях с целью получения достоверных данных о параметрах процесса.

Стерильную питательную среду заливали в аппарат, засевали спиртовые дрожжи из расчета 10% от объема питательной среды. Культивирование вели при температуре 28-30°С; активной кислотности равной 4,8-5,0 ед. рН. Температуру культивирования поддерживали с помощью термостата, рН культуральной жидкости в требуемом диапазоне обеспечивали автоматическим титрованием 5% водным раствором аммиака. Физиологическое состояние клеток определяли микроскопированием, концентрацию редуцирующих веществ (РВ%) в культуральной жидкости - по методике Бертрана, количество дрожжевых клеток - подсчетом клеток в камере Горяева, биомассу дрожжевой суспензии - фотоколориметрическим и весовым методами.

Режим оксистатирования в процессе культивирования позволил снять лимитацию дрожжевой культуры кислородом. Уровень растворенного кислорода в процессе культивирования не опускался ниже 10% от насыщения, что достигалось увеличением массообменных характеристик аппарата по мере роста дрожжевой популяции. В таблице 3 представлены усредненные по трем ферментациям результаты культивирования, для сравнения через дробную черту приведены характеристики процесса, проведенного при неизменной скорости сорбции кислорода. Во время культивирования дрожжей в лабораторном аппарате, начиная с 3 часа роста, через каждый час проводили отбор проб, микроскопию культуральной жидкости, следили за физиологическим состоянием дрожжей, количеством мертвых и почкующихся клеток, ветвистых и одиночных форм.

Таблица 3

Влияние массообменных характеристик аппарата на рост культуры спиртовых дрожжей Sacchaгomyces ceгevisiae раса XII в лабораторном

биореакторе

Час п, Титр Биомасса, N.

роста РВ, % об/мин л/л мин клеток, г/л г02/л час

млн/мл

0 4,1 300 0,3 74,0 5,2 0.65

3 3,9 300 0,3 126,8 9,2 0,65

4 3,2 400 0,3 232.0 16,0 0,80

5 2,6 500 0,3 400,0 26,0 0,97

6 2.3 600 0,3 547,0 39,2 1,20

7 0.6 700 0,3 612,0 41,8 1,50

Как показали исследования, вначале ферментации дрожжи не нуждались в интенсивной аэрации, и только по мере накопления биомассы дрожжей требовалось увеличение массообменных характеристик аппарата.

Режим оксистатирования, примененный в лабораторном эксперименте, позволил определить не только характер изменений массообменных характеристик в процессе роста дрожжевой культуры, но и время внесения подпиток в процесс культивирования. При повышении уровня растворенного кислорода с минимального значения 7-10% от насыщения до 30% от насыщения, обусловленного исчерпыванием субстрата в среде, подавали концентрированную подпитку, состоящую из сусла с РВ не менее 10% масс, в различных количествах. Исходили из того, чтобы количество поданного сусла, а значит и РВ культуральной жидкости, не превышало верхней границы по редуцирующим веществам, определенной в 6%. Исследования проводили на выбранной ранее питательной среде и при оптимальных условиях культивирования. Использовали смесь культур спиртовых дрожжей Saccharomyces cerevisiae paca XII и раса М, применяемую на Александровском спиртзаводе Республики Татарстан.

В таблице 4 представлены средние данные по трем ферментациям с подпиткой культуральной среды суслом.

Таблица 4

Культивирование дрожжей Saccharomyces cerevisiae раса XII и раса М с

подпитками в лабораторном аппарате

Час РВ, п. Q. N, Титр Подпитка,

роста % об/мин л/л Юг/л час клеток, сусло.

мин млн/мл

0 6,1 300 0,3 0,65 74,0

3 5,8 300 0,3 0,65 232,5

5 2,0 300 0,3 0,97 400,0

Подпитка

6,5 5,4 600 0,5 1,50 322,0

7,5 3,5 600 0,5 1,50 434,1

8 2,3 700 0,5 1,90 606,0

Подпитка

9,5 4,8 700 0,5 1,90 662,0

10 4,0 700 0,5 1,90 700,0

11 2,5 700 0,5 1,90 881,0

12 1.6 700 0,5 . 1,90 1100,0

13 - 700 0,5 1,90 1280,0

14 0,3 700 0,5 ' 1,90 1410,0

Микроскопирование культуральной жидкости в течение всего процесса культивирования показало, что в экспоненциальной фазе роста количество почкующихся клеток составило 80-85%, мертвые клетки встречались крайне редко (менее 1%). Следует отметить, что для получения высокой биомассы дрожжей оптимальным являлось внесение подпиток в количестве, не допускающем субстратного ингибирования и спиртообразования, возвращающем содержание редуцирующих веществ в среде к начальным значениям (РВ 4 - 6 % масс).

Таким образом, на основании выполненных экспериментов подобраны режимы основных технологических параметров аэробного процесса культивирования спиртовых дрожжей.

Экспериментально установлено, что выбранные условия ведения процесса одинаково эффективны как для смеси культур Sacchaгomyces ceгevisiae раса XII и раса М, так и для каждой культуры отдельно.

На рис. 2, 3 представлена динамика накопления биомассы спиртовых дрожжей раса XII и раса М соответственно в условиях ведения процесса с подпитками суслом.

Рис. 2. Динамика

роста биомассы дрожжей БассИаготусез сегеу1$1ае расы XII при

Рис. 3. Динамика роста биомассы дрожжей БассЬагошусез сегеу1з1ае расы М при подпитках суслом

Таким образом, культивирование спиртовых дрожжей в лабораторном ферментере с аэрацией при оптимальных температуре и активной кислотности среды, а также при своевременном внесении соответствующих подпиток позволило получить концентрации дрожжевых клеток более 1200 млн/мл, что в 8-10 раз превысило концентрацию биомассы дрожжей, выращенных анаэробно в соответствии с действующим технологическим регламентом спиртового производства.

На основании проведенных исследований выданы рекомендации на оборудование для реализации предложенной технологической схемы аэробного культивирования спиртовых дрожжей. Разработано аппаратурное оформление промышленного участка чистой культуры спиртовых дрожжей в виде каскада биореакторов с автоматическим регулированием основных параметров процесса. Комплекс по наработке чистой культуры спиртовых дрожжей интегрирован с технологическими линиями спиртового производства и представлен на рисунке 4.

Рис.4. Схема участка получения чистой культуры

Биотехнологический комплекс участка чистой культуры включает в себя: малый ферментер объемом 5,5 литров (А1); большой ферментер объемом 300 литров (А2); емкости под подпитки и аммиак; системы дозирования аммиака и питательной среды; системы аэрации стерильным воздухом; системы измерения и управления расходом жидких и газообразных потоков Комплекс был установлен на Александровском спиртзаводе Республики Татарстан.

Проведены эксперименты по изучению скорости сорбции кислорода в зависимости от гидродинамических условий в малом и большом ферментерах. Определены оптимальные условия аэробного культивирования дрожжей в промышленном комплексе участка чистой культуры и проведены опытно-

промышленные испытания аэробной технологии. В стерильных условиях выращена культура спиртовых дрожжей с концентрацией клеток более 1200 млн.кл/мл, что в 8-10 раз больше концентрации заводской маточной культуры, выращенной по регламенту, действующему на предприятиях спиртовой отрасли.

Промышленный эксперимент по выращиванию посевной культуры сахаромицетов в аэробном режиме был реализован в дрожжегенераторе объемом 16 м3 Шумбутского спиртзавода на культуре Sacchaгomyces ceгevisiae раса 1986 (штамм используется в настоящее время в спиртовом производстве завода). Проведено три ферментации. Технологический режим работы дрожжегенератора включал в себя следующие стадии: залив осахаренного сусла; добавление барды; засев посевного материала не менее 30% об. Продолжительность каждого процесса культивирования составляла 6-8 часов. По результатам анализа опытно-промышленных испытаний аэробной технологии выращивания сахаромицетов расы 1986 в дрожжегенераторе плотность дрожжевой популяции составила 1200 - 1500 млн.кл/мл. Микроскопирование клеток показало хорошее физиологическое состояние культуры дрожжей.

В таблице 5 проведено сравнение усредненных величин экономического коэффициента (У/,) и доли затрат субстрата в энергетическом обмене двух аэробных режимов выращивания дрожжей Sacchaгomyces ceгevisiae раса 1986 (№1, реализованный в 16-ти кубовом аппарате Шумбутского спиртзавода) и дрожжей Sacchaгomyces ceгevisiae раса XII и раса М (№2, проведенный на Александровском спиртзаводе в 300 литровом аппарате).

Таблица 5

Усредненные характеристики аэробных режимов культивирования дрожжей Sachaгomyces ceгevisiae

Переход к новому штамму спиртовых дрожжей Sacchaгomyces ceгevisiae раса 1986, а также режимные параметры, реализуемые в аппарате (процесс №1), приводят к снижению величины дыхательного коэффициента и

соответственно, к существенному уменьшению расхода субстрата в энергетическом обмене.

Для определения микробиологической чистоты спиртовой культуры, выращенной по аэробной технологии на промышленном участке чистой

культуры спиртовых дрожжей, со всех стадий культивирования, начиная с качалочных колб, малого и большого ферментеров проводили высев на плотную питательную среду в чашки Петри. В результате высева были получены однородные колонии дрожжей, посторонней микрофлоры обнаружено не было, все это подтверждало, что условия стерилизации аппаратов, подпиточных емкостей и коммуникаций, а также ведение технологии без нарушения условий асептики позволяют получить чистую культуру спиртовых дрожжей.

В главе 5 приведен энерго-материальный баланс процесса аэробного выращивания спиртовых дрожжей, способ расчета величины дыхательного коэффициента, на основании чего дана оценка затрат субстрата в энергетическом обмене.

Таким образом, новая аэробная технология дрожжегенерации решает проблему сохранения селективных свойств исходного промышленного штамма и в десять раз увеличивает концентрацию дрожжевой популяции. На аэробную технологию наработки чистой культуры нами получен патент РФ «Способ культивирования дрожжей для спиртового производства».

Разработан технологический регламент на выращивание чистой культуры спиртовых дрожжей.

На Александровском спиртзаводе Республики Татарстан проведены опытно-промышленные испытания процесса генерации спиртовых дрожжей, выращенных по аэробной технологии, в дрожжанке, возбраживателе, бродильных чанах.

Производственную дрожжанку, заполненную стандартной регламентной средой, засевали дрожжами, выращенными с аэрацией. Параллельно опытному процессу дрожжегенерации контрольный процесс проводили во второй дрожжанке в аналогичных условиях на рециркуляционных дрожжах, полученных путем отсева части культуральной среды из предыдущей дрожжанки - «дрожжевом отъеме», в соответствии с регламентом спиртового производства. При снижении концентрации сухих веществ в сусле до 1/3 от первоначального значения выращенные в дрожжанке производственные дрожжи направлялись в возбраживатель.

Было осуществлено 3 периодических цикла брожения в дрожжанках (объемом 8 м ) и возбраживателе (объемом 30 м3).

На рис.5, 6 представлены графики динамики накопления, биомассы (усредненные по трем процессам) при сбраживании зернового сусла с массовой долей сухих веществ СВ 16%, при рН=3,4 смесью япиртовых дрожжей 8ассЬаготусе$ сегеу1$1ае раса XII и раса М в дрожжанках и возбраживателе. Сусло сбраживали при температуре 30°С до отброда по сухим веществам равным 1/3 от первоначальной концентрации сусла.

О б 10 15 20

час роста

! —♦—опыт—В—контроль

Рис. 5. Динамика накопления биомассы в дрожжанке

о

О 5 10 15 20

Час роста

опыт -Ш- контроль

Рис.6. Динамика накопления биомассы спиртовых дрожжей в возбраживателе

Как следует из приведенных результатов, дрожжи, выращенные по аэробной технологии в биотехнологическом комплексе и пересеянные далее в дрожжанку и возбраживатель, продолжают интенсивно расти и размножаться, что выражается в увеличении как общего количества клеток, так и почкующихся клеток (более 70%). В возбраживателе в опытном процессе была получена дрожжевая суспензия с концентрацией клеток 540 млн.кл/мл. И, напротив, контрольные дрожжи, «дрожжевой отъем», несмотря на адаптацию клеток к условиям сбраживаемой среды, имеют более низкую активность, что подтверждено кривой динамики накопления биомассы дрожжей. Биомасса спиртовых дрожжей в контрольном процессе выросла до 210 млн.кл/мл.

Анализ результатов показал, что дрожжи выгоднее готовить с аэрацией среды, это увеличивает производительность дрожжегенераторов, поскольку при прочих равных условиях биомасса дрожжей, чистая культура которых выращена аэробно, возрастет в 2 - 2,4 раза.

Проведено 3 контрольных и 3 опытных процессов брожения в бродильных чанах.В таблице 6 представлены усредненные характеристики процессов брожения в бродильных чанах.

Таблица 6

Результаты процессов брожения дрожжей 8ассИагошусе8 сегеушае раса XII и раса М в бродильных чанах, чистая культура которых выращена по аэробной (опыт -О) и анаэробной регламентной технологии (контроль-К).

Час бро же ния С СВ, % РВ, % Титр клеток, млн.кл/мл Несброженные углеводы, г/100 мл Крепость бражки, %

К О К О К 0 к 0 К О К 0

0 26 26 11,3 11,0 6,1 5,8 60 115

24 28 30 4,6 4,1 2,2 1,65 102 211

36 30 28 2,6 2,1 - - - -

40 30 28 - - 1,89 1,35 186 262

44 29 28 1,9 1,6 - - - -

48 29 26 - - 1,65 0.9 180 271

52 28 26 1,7 1,6 1,4 0,64 - -

56 28 26 - - - - 176 183

60 27 26 1,7 1,6 1,2 - - -

64 26 25 - - . - 128 120

68 25 25 - - 0,99 - - -

72 25 25 1,6 1,6 - 115 118 0,38 0,25 7,6 7,8

Максимум брожения опытного чана приходился на 24-й час (быстрый рост температуры брожения до 30°С, снижение СВ с 11 до 4,1%, высокая степень утилизации углеродсодержащих субстратов - уменьшение РВ с 5,8 до 1,65% масс), в то время как для контрольного чана максимум брожения приходился на 36-ой час. В опыте концентрация несброженных углеводов в бражке составила 0,25 г/100 мл, в контроле - 0,38 г/100 мл. Крепость бражки в опыте составила - 7,8%, в контроле - 7,6%.

Используя аэробную технологию культивирования чистой культуры спиртовых дрожжей удалось сократить потери спирта на 0,58 дал с тонны крахмала, так как потери спирта при повышении содержания несброженнцх углеводов в бражке на 0,1 г/100мл составляют 0,45 дал с тонны крахмала.

В контроле при использовании возвратных засевных дрожжей происходит замедление процессов, связанных с утилизацией основных компонентов сусла, брожение длится дольше на 20-25%.

Таким образом, применение аэрации при выращивании спиртовых дрожжей создает возможность повышения производительности бродильного отделения Александровского спиртзавода за счет сокращения продолжительности процессов дрожжегенерации и брожения примерно на 20% при экономии зерна примерно на 389 тонн в год. При стоимости зерна 3000 руб/т. (данные на 2 квартал 2004 г.) годовой экономический эффект для спиртзавода с выпуском 2600 дал спирта в сутки составит 1 167 000 рублей.

ВЫВОДЫ

1. Впервые предложен новый способ культивирования спиртовых дрожжей в стерильных условиях, позволяющий быстро и эффективно нарастить чистую культуру с высокой плотностью клеток, выбран оптимальный состав питательной среды для аэробной дрожжегенерации, доступный для спиртового производства, дешевый и простой в исполнении.

2. Экспериментально определены основные технологические параметры процесса аэробного культивирования спиртовых дрожжей. При этом исследовано влияние на выход дрожжевой массы таких параметров как температура, активная кислотность среды, аэрация, перемешивание, режим подачи подпиток.

3. Сформулированы основные требования к аппаратурному оформлению участка чистой культуры. Показано, что выбранные условия ведения процесса одинаково эффективны как для Sacchaгomyces ceгevisiae раса XII, так и для Sacchaгomyces ceгevisiae раса М, раса У717, раса 1986, а также для смеси культур рас XII и рас М, применяемой в спиртовом производстве. По данным лабораторных исследований выполнен рабочий проект опытно-промышленной установки, уточнены технологические параметры ведения процесса. Биотехнологический комплекс с автоматическим регулированием основных параметров процесса смонтирован в цехе спиртового производства Александровского завода Республики Татарстан.

4. При разработке технологии и аппаратурного оформления участка чистой культуры решена задача доступности технологического процесса для заводского применения. Разработана интенсивная технология наработки чистой культуры спиртовых дрожжей, оформлен технологический регламент для участка чистой культуры.

5. По аэробной технологии наработки чистой культуры спиртовых дрожжей получена концентрация клеток более 1200 млн.кл/мл, что в 10 раз больше, чем в анаэробных условиях по регламенту, действующему на сегодня в спиртовой промышленности. Требуемое для спиртового производства

количество дрожжевых клеток выращено за короткое время и с существенно меньшими затратами.

6. Рассчитан энерго-материальный баланс процесса аэробного выращивания посевной культуры спиртовых дрожжей, дана оценка величины экономии субстрата при переходе на аэробную технологию.

7. Проведены испытания по определению микробиологической чистоты культуры, наработанной на биотехнологическом комплексе, путем высева на плотную питательную среду. Установлено, что условия стерилизации аппаратов, подпиточных емкостей и коммуникаций, а также ведение технологического процесса без нарушений условий асептики, позволяют вырастить чистую культуру спиртовых дрожжей.

8. Технологический процесс прошел опытно-промышленную проверку. На способ получения чистой культуры получен патент.

Достигнутые технологические показатели и экономическая эффективность ставят разработку технологического процесса аэробного культивирования чистой культуры спиртовых дрожжей в приоритетное положение по сравнению с имеющимися на сегодняшний день разработками.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Культивирование дрожжей ,на отходах спиртового производства / В.М. Емельянов, P.P. Шайхутдинов, И.С. Владимирова, Н.К. Филиппова, Р.Т. Валеева, И.Е.Табаков // Ш Международный конгресс «Окружающая среда для нас и будущих поколений»: Тез. докл. - Самара, 1998.-С.26-28.

2. Разработка интенсивной технологии аэробного культивирования спиртовых дрожжей /В.М. Емельянов, И.С. Владимирова, P.P. Шайхутдинов, Н.К. Филиппова, Р.Т. Валеева // Научно-практическая конференция «Современные ресурсо- и энергосберегающие технологии в спиртовой и ликеро-водочной промышленности»: Тез.докл. - Казань, 2000. - С. 17 - 18.

3. Интенсивная аэробная технология культивирования спиртовых дрожжей / И.С. Владимирова, Н.К. Филиппова, В.М. Емельянов, Р.Т.Валеева // Ш международная научно-практич. конф. «К 70-летию создания ВНИИ пищевой биотехнологии»: Тез.докл. - М.: Пищпром, 2001. - С. 63-71.

4. Патент РФ № 2136746 от 10.09.99. приоритет 17.08.98. Способ культивирования дрожжей для спиртового производства. Емельянов В.М., Шайхутдинов P.P., Владимирова И.С., Филиппова Н.К., Валеева Р.Т., Табаков И.Е. по заявке №98115662.

5. Аппаратурно-технологическое оформление участка аэробной генерации спиртовых дрожжей / В.М.Емельянов, Ю.П. Александровская, Р.Ш. Еналеев, И.С. Владимирова, Н.К. Филиппова, Р.Т. Валеева // Ш междунар.научно-практич. конф. «К 70-летию создания ВНИИ пищевой биотехнологии»: Тез.докл - М.: Пищпром, 2001. - С. 72-76.

¿23897

6. Интенсивная технология дрожжегенерации / И.С. Владимирова, Н.К. Филиппова, В.М. Емельянов, Р.Т. Валеева // 1-Международный конгресс «Биотехнология - состояние и перспективы развития»: Тез.докл. - Москва, 2002. -С. 64-70.

7. Филиппова Н.К., Емельянов В.М., Владимирова И.С. Разработка интенсивной технологии аэробного культивирования чистой культуры спиртовых дрожжей 8ассИ. сегеу. // Биотехнология. - 2002. -№1. - С. 49-53.

8. Аэробная технология генерации спиртовых дрожжей / Н.К. Филиппова, В.М. Емельянов, Ю.П. Александровская, И.С. Владимирова, Р.Т. Валеева // XVII Менделеевсий съезд по общей и прикладной химии. « Биомолекулярная химия и биотехнология»: Тез.докл. - Казань, 2003. - С. 310.

9. Аэробная дрожжегенерация в мембранном биореакторе / С.Г.Мухачев , Ю.П. Александровская, Н.К. Филиппова, В.М. Емельянов // Научная конф. «Постгеномная эра в биологии и проблемы биотехнологии»: Тез.докл. - Казань, 2004.-С. 64-65.

10. Биотехнологический комплекс участка чистой культуры спиртовых дрожжей / В.М. Емельянов, И.С.Владимирова, Ю.П. Александровская, Н.К. Филиппова, Р.Ш. Еналеев, Р.Т. Валеева // 1-Международный конгресс «Биотехнология - состояние и перспективы развития»:, Тез.докл. - Москва, 2002. - С. 45-47.

11. Кинетика аэробного культивировния спиртовых дрожжей в мембранном биореакторе / С.Г. Мухачев, Ю.П. Александровская, Н.К. Филиппова, В.М. Емельянов // Вестник Казанского технологического университета. - 2003, № 2. - С. 168-172.

12. Повышение производительности цеха сухих кормовых дрожжей Шумбутского спиртзавода / В.М. Емельянов, С.Г. Мухачев, И.С.Владимирова , Н.К.Филиппова, Р.Т.Валеева // «Аннотации сообщений «Научной сессии КГТУ» - Казань, 2004. - С. 103.

13. Исследование процесса дрожжегенерации в мембранном биореакторе / В.М. Емельянов, Ю.П. Александровская, Н.К.Филиппова, И.С. Владимирова, Р.Т. Валеева // Научная конф. «Постгеномная эра в биологии и проблемы биотехнологии»: - Тез.докл. - Казань, 2004. - С. 36-37.

14. Аэробное культивирование чистой культуры спиртовых дрожжей / Н.К.Филиппова, В.М. Емельянов, И.С. Владимирова, Р.Т.Валеева

// КГУ 200 лет. Секция «Новые направления исследований в биологических науках»: Тез.докл. -. Казань, 2004. - С. 78-81.

Соискатель

Филиппова Н.К.

Заказ 5 __Тираж 100

Издательство Казанского государственного технологического университета

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Филиппова, Надежда Константиновна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ, ЗНАЧЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД К РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ДРОЖЖЕГЕНЕРАЦИИ В СОВРЕМЕННОМ СПИРТОВОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

1.1. Новые способы интенсификации бродильных производств

1.2. Наработка чистой культуры спиртовых дрожжей

1.3. Дрожжегенерация в спиртовом производстве

1.4. Питательная среда для выращивания дрожжей

1.5. Аэробное дыхание 3 О

1.6. Постановка задачи исследования

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ. АЭРОБНОЕ КУЛЬТИВИРОВАНИЕ СПИРТОВЫХ ДРОЖЖЕЙ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ

2.1. Методы контроля микробиологического процесса

2.1.1. Микроскопия физиологического состояния клеток

2.1.2. Определение количества мертвых клеток

2.1.3. Определение степени бактериальной инфекции

2.1.4. Определение количества живых клеток

2.1.5. Определение биомассы дрожжей

2.1.6. Методика определения концентрации биомассы весовым методом

2.1.7. Определение содержания Сахаров по Бертрану

2.2. Изучение влияния условий культивирования на накопление биомассы спиртовых дрожжей и обоснование требований к технологическому оформлению участка чистой культуры

2.2.1. Определение оптимальных физико-химических условий выращивания дрожжей в качалочных колбах

2.2.1.1. Выбор состава питательной среды для аэробного культивирования спиртовых дрожжей

2.2.1.2. Выбор активной кислотности среды для культивирования спиртовых дрожжей

2.2.1.3. Выбор оптимальной температуры аэробного культивирования спиртовых дрожжей

2.2.2. Описание экспериментальной лабораторной установки

2.2.3. Определение массообменных характеристик аппарата с помощью сульфитной методики

2.2.4. Выбор условий аэробного культивирования спиртовых дрожжей

2.2.5. Выбор условий ведения процесса с подпитками для получения высоких концентраций клеточной культуры

2.2.6. Основные требования к аппаратурному оформлению участка чистой культуры спиртовых дрожжей

Выводы

ГЛАВА 3. ПРОВЕДЕНИЕ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ АЭРОБНОЙ ТЕХНОЛОГИИ НА БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ КОМПЛЕКСЕ УЧАСТКА ЧИСТОЙ КУЛЬТУРЫ

3.1. Аппаратурное оформление участка чистой культуры

3.2. Исследование массообменных характеристик ферментеров комплекса

3.3. Отработка аэробной технологии по наращиванию спиртовых дрожжей на биотехнологическом комплексе

3.4. Определение микробиологической чистоты дрожжевой культуры путем высева на плотную питательную среду 82 Выводы

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГЕНЕРАЦИИ СПИРТОВЫХ ДРОЖЖЕЙ, ВЫРАЩЕННЫХ ПО АЭРОБНОЙ ТЕХНОЛОГИИ В ДРОЖЖАНКЕ, ВОЗБРАЖИВАТЕЛЕ И БРОДИЛЬНЫХ ЧАНАХ

4.1. Дрожжегенерация в дрожжанке и возбраживателе

4.2. Исследование поведения дрожжей выращенных с аэрацией в бродильных чанах

ГЛАВА 5. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА АЭРОБНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ ПОСЕВНОЙ КУЛЬТУРЫ СПИРТОВЫХ ДРОЖЖЕЙ И ОЦЕНКА ЭКОНОМИИ СУБСТРАТА

5.1. Энерго-материальный баланс процесса роста спиртовых Дрожжей

5.2. Способ расчета величины дыхательного коэффициента в условиях аппаратурного и приборного оформления промышленного участка посевной культуры

5.3. Оценка затрат субстрата в энергетическом обмене

5.4. Промышленный эксперимент по выращиванию посевной культуры Saccharomyces cerevisiae

5.5. Сравнительная оценка аэробных процессов выращивания посевных дрожжей Saccharomyces cerevisiae

5.6. Экономический эффект при переходе на аэробную технологию дрожжегенерации

Введение Диссертация по биологии, на тему "Аэробное культивирование чистой культуры спиртовых дрожжей"

Анализ состояния спиртовой отрасли ставит перед наукой и промышленностью, особенно в условиях рыночной экономики, сложные задачи. В первую очередь это задачи по снижению себестоимости продукции за счет создания принципиально новых технологий, обеспечивающих увеличение выпуска пищевого этанола высокого качества при сокращении энергозатрат и уменьшении экологической опасности производства, а также высокую степень утилизации крахмалистого сырья, отходов и полупродуктов [ 1 ].

Сопоставление уровня технического развития спиртовой отрасли дальнего и ближнего зарубежья, к сожалению, не в нашу пользу. Расходы энергоресурсов на единицу продукции на российских спиртовых заводах в 2 - 2,5 раза выше в сравнении с зарубежными предприятиями. Следует отметить низкий уровень технологических процессов, как следствие, нестабильное качество продукции, крайне медленное внедрение ресурсосбрегающих технологий в спиртовое производство [2].

Анализ ситуации на мировом рынке показывает, что при существующей технологии российский спирт не может составить конкуренцию импортной продукции без внедрения новых современных технологий и соответствующей реконструкции предприятий отрасли [3].

В сложившихся условиях практически для любого спиртового завода первоочередными задачами являются улучшение качества продукции и повышение рентабельности производства. Недостаточное выполнение даже одной из них в конечном итоге снижает конкурентоспособность предприятия на рынке со всеми вытекающими отсюда последствиями. Основная доля затрат в себестоимости спирта приходится на сырье и вспомогательные материалы.

Рис.1. Структура себестоимости спирта (70% составляют затраты на зерно; 30% расходов составляют: ферменты, пар, электроэнергия, вода, амортизационные отчисления, зарплата, текущий ремонт).

Затраты на зерно составляют большую часть затрат, причем цены не намного уступают мировым, а иногда и превосходят их [4].

Проблема разработки и внедрения ресурсосберегающих технологий, новых способов интенсификации процессов дрожжегенерации, брожения, является актуальной задачей спиртовой отрасли. Назрела необходимость совершенствования действующих технологических схем, имеющих комплекс недостатков: низкая засевная плотность дрожжевой культуры (100-120 млн.кл/мл), высокая вероятность заражения посевного материала посторонней микрофлорой и т.д., что в конечном счете снижает съем и качество спирта.

Хорошо известно, что такой важный фактор, как физиологическая активность дрожжевых клеток определяет эффективность спиртового производства [5]. Интенсификация процессов дрожжегенерации, поддержание культуры спиртовых дрожжей в активном состоянии с высокой плотностью дрожжевой популяции позволит повысить эффективность спиртового производства, сократить потери спирта и сырья.

Настоящая работа посвящена разработке интенсивной аэробной технологии дрожжегенерации, позволяющей в стерильных условиях вырастить активные спиртовые дрожжи с высокой плотностью.

Новый подход к проблеме выращивания чистой культуры спиртовых дрожжей заключается в наращивании биомассы дрожжевой популяции в аэробных условиях на стерильной питательной среде. Снабжение дрожжей кислородом является одним из основных факторов, способствующих накоплению биомассы и повышению экономического коэффициента процесса роста, а стерильные условия ведения процесса снижают вероятность инфицирования засевной культуры, повышая ее качество. Кроме того, аэробная технология получения посевного материала позволит сохранить селективные свойства исходного промышленного штамма в производственной цепочке дрожжанка - возбраживатель - бродильный чан, препятствуя вытеснению высокопродуктивной части популяции малопродуктивной.

Работа выполнялась в соответствии с межрегиональными научно-техническими программами «Биотехнология» (1996-1997 гг.) и «Научные исследования высшей школы по технологии живых систем (2000г.), подпрограмма «Механизмы формирования безопасности и качества сельскохозяйственного сырья и пищевых продуктов», проект «Разработка интенсивной технологии и аппаратурного оформления аэробного культивирования спиртовых дрожжей».

Автор выражает глубокую признательность за научное руководство профессору Емельянову Виктору Михайловичу, к.т.н., ведущему программисту ЦНИТ Владимировой Ирине Сильвестровне, благодарит за помощь в работе над диссертацией инженера кафедры ХК Валееву Р.Т., к.т.н., докторанта Мухачева С.Г., инженера кафедры ХК Сафонова A.M.

Заключение Диссертация по теме "Биотехнология", Филиппова, Надежда Константиновна

Выводы:

1. На основании выданных рекомендаций разработано аппаратурное оформление аэробного процесса наращивания чистой культуры спиртовых дрожжей. Комплекс с автоматическим регулированием основных параметров процесса установлен и запущен в эксплуатацию в цехе спиртового производства Александровского завода РТ [97, 98,99].

2. Изучены и определены возможности аппаратов комплекса по массопереносу кислорода, выбран обоснованный режим аэрации.

3. Изучены оптимальные условия аэробного культивирования спиртовых дрожжей в биотехнологическом комплексе, определено время подачи подпиток, состав и количество, не допускающее субстратного лимитирования и ингибирования процесса [80].

4. Выращена стерильная культура спиртовых дрожжей с высокой концентрацией клеток, в 8-10 раз превышающей концентрацию заводской маточной культуры, полученной по анаэробной технологии, действующей на предприятиях спиртовой отрасли [100].

5. Разработан технологический регламент на выращивание чистой культуры спиртовых дрожжей.

6. Получен патент на способ культивирования спиртовых дрожжей [101].

7. Проведены испытания по определению микробиологической чистоты культуры путем высева на плотную питательную среду. Установлено, что условия стерилизации аппаратов, подпиточных емкостей и коммуникаций, а также ведение технологического процесса без нарушений условий асептики, позволяют получить монокультуру спиртовых дрожжей.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГЕНЕРАЦИИ СПИРТОВЫХ ДРОЖЖЕЙ, ВЫРАЩЕННЫХ ПО АЭРОБНОЙ ТЕХНОЛОГИИ В ДРОЖЖАНКЕ, ВОЗБРАЖИВАТЕЛЕ, БРОДИЛЬНЫХ ЧАНАХ

4.1. Дрожжегенерация в дрожжанках, возбраживателе

Опытно-промышленные испытания по наработке чистой культуры спиртовых дрожжей по аэробной технологии на каскаде биореакторов [93] проведены на Александровском спиртзаводе Республики Татарстан. Выращенную аэробно чистую культуру спиртовых дрожжей Saccharomyces cerevisiae p. XII и р. М в количестве 1300 млн.кл/мл избыточным давлением воздуха передавливали в производственную дрожжанку, заполненную стандартной регламентной средой. Параллельно опытному процессу дрожжегенерации контрольный процесс проводили во второй дрожжанке в аналогичных условиях на рециркуляционных дрожжах, полученных путем отсева части культуральной среды из предыдущей дрожжанки, так называемом «дрожжевом отъеме». Дрожжи считали зрелыми при отброде, составляющем 1/3 от первоначальной концентрации сусла (согласно заводского технологического регламента [73]). Часть из них отбирали в качестве засевных дрожжей для следующего дрожжевого отъема, а оставшееся количество дрожжей передавливали в возбраживатель.

Было осуществлено 3 периодических цикла брожения в дрожжанках л ^ объемом Ь м ) и возбраживателе (объемом 30 м ).

На рис. 4.1. и 4.2. представлены графики динамики накопления биомассы (усредненные по трем процессам) при сбраживании зернового сусла с массовой долей сухих веществ СВ 16 %, при рН=3,4 смесью спиртовых дрожжей Saccharomyces cerevisiae p. XII и р. М в дрожжанках и возбраживателе. Сусло сбраживали при температуре 30 °С до отброда по сухим веществам равным 1/3 от первоначальной концентрации сусла.

450

400 с 350

X с; z 300 ьс о 250

D 5 200 о. W s 150

100 50 *

20 Ряд1

Ряд2

Рис. 4.1. Динамика накопления биомассы в дрожжерастильном аппарате, где ряд 1 - опыт; ряд 2 - контроль

Рис. 4.2. Динамика накопления биомассы спиртовых дрожжей в возбраживателе, где ряд 1 - опыт; ряд 2 - контроль

Как следует из приведенных результатов, дрожжи, выращенные по аэробной технологии в биотехнологическом комплексе и пересеянные далее в дрожжанку и возбраживатель, продолжают интенсивно расти и размножаться, что выражается в увеличении как общего количества клеток, так и почкующихся клеток (более 70%), т.е. выращенная аэробно чистая культура спиртовых дрожжей имеет активное физиологическое состояние. И, напротив, контрольные дрожжи, «дрожжевой отъем», несмотря на адаптацию клеток к условиям сбраживаемой среды, имеют более низкую активность, что подтверждено кривой динамики накопления биомассы дрожжей. Вероятнее всего, продолжительная генерация промышленных рас дрожжей приводит к ослаблению культуры и утрате ее технологических возможностей.

График работы дрожжевого отделения составлен таким образом, что каждые 36 часов зрелые дрожжи, выращенные в дрожжанке и возбраживателе, передаются в бродильный чан. Согласно регламента по производству спирта из крахмалистого сырья [73], концентрация клеток в зрелых дрожжах должна быть на уровне 100 млн.кл/мл. В возбраживателе в опытном процессе была получена дрожжевая суспензия с концентрацией клеток 540 млн/мл. Анализ результатов показал, что дрожжи выгоднее готовить с аэрацией среды, это увеличивает производительность дрожжегенераторов, поскольку при прочих равных условиях биомасса дрожжей, чистая культура которых выращена аэробно, возрастет в 2 - 2,4 раза.

4.2. Исследование поведения дрожжей, выращенных в условиях аэрации в бродильных чанах

Следует отметить, что схема бродильного производства Александровского спиртзавода такова, что из возбраживателя примерно через 18-20 часов брожения дрожжевая масса передается в головной бродильный чан батареи из 3 чанов. Заполнение чана суслом идет в течение 7-10 часов. Рабочий

Л Л объем чана - 86 м . Затем из головного чана примерно 5,5 м бродящей массы переливается во второй чан, который заполняется суслом и далее 5 м3 дрожжевой суспензии передается в третий чан, куда одновременно с дрожжами подается сусло. Содержание СВ в бражке бродильных чанов составляет примерно 11-12 % масс.

Проведено 3 опытных процессов брожения в бродильных чанах. В таблице 4.1. представлены усредненные значения по 3 процессам брожения в бродильных чанах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ ситуации, сложившейся в спиртовой промышленности на мировом рынке показывает, что при существующих технологиях без внедрения новых современных технологий и реконструкции под них предприятий отрасли [3], российский спирт не может составить конкуренцию.

Проблема разработки и внедрения ресурсосберегающих технологий, новых способов интенсификации процессов дрожжегенерации, брожения являются актуальными задачами спиртовой отрасли.

Поддержание культуры спиртовых дрожжей в активном состоянии с высокой плотностью дрожжевой популяции позволит повысить рентабельность спиртового производства, сократить потери зерна.

Перспективы интенсивной дрожжегенерации чистой культуры спиртовых дрожжей определяются следующими аспектами: аэробная дрожжегенерация чистой культуры спиртовых дрожжей позволит устранить основной недостаток действующих на сегодня технологических схем - низкую засевную плотность дрожжевой культуры, поскольку аэрация культуральной жидкости способствует интенсивному накоплению биомассы дрожжей; стерильные условия ведения процесса аэробного культивирования снизят вероятность инфицирования засевной культуры, повысят ее качество, за счет сохранения селективных свойств исходного высокопродуктивного штамма; аэробная технология получения чистой культуры спиртовых дрожжей позволит сократить продолжительность процесса наращивания дрожжевой массы, что также снизит уровень инфицированности спиртового производства, потерь крахмалсодержащего сырья, повысит качество конечного продукта.

Все отмеченные аспекты имеют чрезвычайно важное значение для повышения физиологической активности дрожжевых клеток, что в конечном итоге определяет эффективность спиртового производства.

В настоящей работе проведены исследования аэробного культивирования спиртовых дрожжей и разработана новая интенсивная технология получения чистой культуры дрожжей для спиртового производства.

К основным выводам из результатов проведенных исследований можно отнести следующие:

1. Выбран оптимальный состав питательной среды для аэробной дрожжегенерации, доступный для спиртового производства, дешевый и простой в исполнении;

2. Впервые экспериментально определены основные технологические параметры процесса аэробного культивирования спиртовых дрожжей. При этом установлено влияние на выход дрожжевой массы таких параметров как температура, рН среды, аэрация, перемешивание.

3. По данным лабораторных исследований выполнен рабочий проект опытно-промышленной установки, на которой уточнены технологические параметры ведения процесса;

4. При разработке технологии и аппаратурного оформления участка чистой культуры решена задача доступности технологического процесса для заводского применения. Разработана интенсивная технология наработки чистой культуры спиртовых дрожжей, написаны технологические регламенты для участка чистой культуры;

5. Выращена стерильная культура спиртовых дрожжей с концентрацией клеток 1000 - 1200 млн/мл, что в 10 раз больше, чем выращиваемая сегодня в спиртовой промышленности;

6. По аэробной технологии наработки чистой культуры спиртовых дрожжей получено требуемое для спиртового производства количество дрожжевых клеток за короткое время и с существенно меньшим расходом сырья;

7. Технологический процесс прошел опытно-промышленную проверку. На способ получения чистой культуры получен патент.

Достигнутые технические показатели, экологическая безопасность и экономическая эффективность ставят разработку технологического процесса аэробного культивирования чистой культуры спиртовых дрожжей в приоритетное положение по сравнению с имеющимися на сегодняшний день разработками.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата технических наук, Филиппова, Надежда Константиновна, Казань

1. Богатырев А.Н, Тужилкин В.И. Приоритеты развития науки и научного обеспечения в пищевых и перерабатывающих отраслях АПК: Механизм формирования и реализация. М.: Издательский комплекс МГАПП, 1995. -С. 51-53.

2. Калинина О.А., Леденев В.П. Комплексная переработка зерна -эффективный путь повышения рентабельности спиртового производства // III Межд. научно-практ. конф.: Тез.докл. - М.: 2001. - С. 53-62.

3. Римарева JI.B. Создание микробных ферментных препаратов и их роль в повышении эффективности спиртового производства // III Межд. научно-практ. конф.: Тез.докл. - М.: 2001. - С. 26-36.

4. Поляков В.А. Состояние и перспективы развития спиртовой отрасли //III Межд. научно-практ. конф.: Тез.докл. -М.: 2001. - С. 5-22.

5. Стабников В.Н. Этиловый спирт. М.: Пищевая промышленность, 1976. -271 с.

6. Ярмош В.И. Научно-технический прогресс в спиртовой и ликероводочной отрасли // Ш Международная научно-практ. конф. «Научно-технический прогресс в спиртовой и ликероводочной отрасли». -Тез. докл. М.: Пищепромиздат, 2001. - С. 3-5.

7. Левандовский Л.Л. Биотехнология спирта в Украине //Ш Международная научно-практ. конф. «Научно-технический прогресс в спиртовой и ликероводочной отрасли». Тез. докл. - М.: Пищепромиздат, 2001. - С.77-83.

8. Крикунова. Л.Н, Колпакова В.В. Комплексная ресурсосберегающая . технология переработки зерна /ЛИ Международная научно-практ. конф. .

9. Научно-технический прогресс в спиртовой и ликероводочной отрасли». -Тез. докл.: М.: Пшцепромиздат, 2001. - С.126-132.

10. Виестур У.Э., Кузнецов A.M., Савенков В.В. Системы ферментации. -Рига «Зинатне», 1986. 365 с.

11. П.Куршева Н.Г., Федоров А.Ф. Осахариваие крахмала и ускорение брожения. Ферментная и спиртовая промышленность // 1970. №7. С. 14-17.

12. Патент 2151794, Россия, МПК7 С 12 N 1/16, С 12 R Способ активации дрожжей/ Шабурова JI.H., Ильяшенко Н.Г., Садова А.И. №99101648/13

13. Регламент по производству спирта из крахмалистого сырья. Часть 1: Утв.Упрспирт МПП СССР 1979.

14. А.С.СССР № 566872 кл С 12С 11/08 В.Л.Яровенко, А.Н.Лазарева, В.В.Яровенко. Способ производства дрожжей для спиртового брожения. 20.10.1977.

15. Фертман Г.И., Шойхет М.И. Биохимические и технологические основы бродильных производств. М.: Пищ. пром., 1970. - 248 с.

16. Матвеев В.Е. Основы асептики в технологии чистых микробиологических препаратов. М.: Пищ.пром., 1981. - 311 с.

17. Андреев А.А., Брызгалов Л.И. Производство кормовых дрожжей. М.: Лесная промышленность, 1970. - 296 с.

18. Фробифер М. Основы микробиологии М.: Мир, 1965. 678 с.

19. Suomalainen Н., Nurminen J., Oura Е. (1973) Aspect of cytology and metabolism of yeast, Progress in Industrial Microbiology, 109-167.

20. Rose A.N. (1977) Economic microbiology. Alcoholic Beverages, Academic Press.

21. Бекер M.E. Новые перспективы процессов брожения. известия Ан ЛатвССр, 1979, №11, - С.98-107.

22. Иерусалимский Н.Д. Основы физиологии микроорганизмов. М.: Наука, 1967.-210 с.

23. Берри Д. Биология дрожжей М.: Мир, 1985. 95 с.

24. Климовскай Д.Н., Смирнов Д.Н., Стабников В.Н. Технология спирта -М.: 1967.-452 с.

25. Перт С.Дж. Основы культивирования микроорганизмов и клеток. М.: Мир, 1978.- 331 с.

26. Инге-Вечтомов С.Г. Дрожжи. // Итоги науки и техники. Серия общие проблемы биологии. ВИНИТИ. 1981.1 С. С.148-192.

27. Лиепныш Г.К., Дунце М.Э. Сырье и питательные субстраты для промышленной технологии. Рига, Зинатне, 1986. 137 с.

28. Грачева И.М., Гаврилова Н.Н., Иванова Л.А. Технология микробных белковых препаратов, аминокислот и жиров. М.: Пищпром, 1980. - 447 с.

29. Гунзалус И. Шустер Ц. Обменные реакции являющиеся источником энергии у бактерий. Метаболизм бактерий. М.; Изд-во иностр литер. 1963. -С 9-55.

30. Решетник О.А. Лабораторный практикум по курсу «Общая микробиология. 1984.- Казань: КГТУ, 1984. 67 с.

31. Мосичев М.С., Складнев А.А., Котов В.Б. Общая технология микробиологических производств. М.: 1982. - 263 с.

32. Решетник О.А. Основы процесса ферментации в производстве кормового белка. / Решетник О.А. Войнов Н.А., Николаев Н.А. //- Казань: КГТУ, 1994. -52 с.

33. Фертман Г.И., Шульман М.С. Физико-химические основы производства спирта. М.: Пищепромиздат, 1960. - 246 с.

34. Квасников Е.И. Дрожжи. Биология. Пути использования. М.: Пищевая пром-ть, 1991.- 328 с.

35. Смирнов Т.А. Кострова Е.И. Микробиология зерна и продуктов его переработки Учеб. Пособие для вузов. -М.: Агропромиздат, 1989. 159 с.

36. Семихатова Н.М. Малыгина М.В., Папок С.П. Производство дрожжей. М.; Пищевая пром-ть, 1967. 155 с.

37. Игнатенко Ю.Н., Сахарова З.В.Доврычев М.П. и др.// Микробиология. -1983 т.52, Вып.5 - С.716-718.

38. Виестур У.Э., Кристапсонс М.Ж., Былинкина Е.С. Культивирование микроорганизмов. М.: Пищпром, 1980, - 231 с.

39. Бекер М.Е. Введние в биотехнологию. М.: Пищевая пром-ть, 1978. - 225 с.

40. Работнова И.Л. Роль физико-химических условий (рН, Н2) в жизнедеятельности микроорганизмов. М.: Наука, 1979. 207 с.

41. Мишустин Е.Н. Емцев В.Т. Микробиология. М.: Наука, 1987. - 367 с.

42. Шлегель Г. Общая микробиология. М.: Мир, 1972. - 480 с.

43. Селга С.Э. Роль кислорода, аэрации и перемешивания в ферментационных процессах. Биотехнология микробного синтеза. Рига, Зинатне, 1980.-С. 138-166.

44. Коновалов С.Ф. Биохимия дрожжей. 2 изд. М.; Пищевая пром-ть, 1980.284 с.

45. Франков Н.Н., Былинкина Е.С. Масштабирование массопередачи при биосинтезе антибиотиков. Хим. фарм. журнал -1983.- №10. С. 12 -48.

46. Hartwell L.H. (1974) Saccharomyces cerevisiae: cell cycle,Dacteriological Reviews, 164-198.

47. Гуревич Ю.Л. О зависимости кинетики роста микроорганизмов от условий внешней среды. Лимитирование и ингибирование процессов роста и микробиологического синтеза. Пущино, 1976. 81 с.

48. Виестур У.Э. Аэрация и перемешивание в процессах культивирования микроорганизмов. Обзор -М.: ОНТИТЭИмикробиопром, 1972. 67 с.

49. Гапонов К.П. Кислород в ферментационных средах / Гапонов К.П., Чугасова В.А., Поздняков В.М.// М.: 1984. - 240 с.

50. Бабурин Л.А., Швинка Ю.Э. Растворимость кислорода в жидких ферментационных средах. Ферментционная аппаратура. Рига, Зинатне, 1980. -С. 89-93.

51. Шапошников В.Н. Основные физико-химические закономерности физиологического обмена веществ микроорганизмов. М.: Наука, 1968. 268 с.

52. Friedlander S.K. Aerosol Filtration by Fibrous Filters, in Biochemical and Biochemical Engineering Science, Blakebrobgh N. (ed.), vol. 1, p. 49, Academic Press, New York, 1967.

53. Калунянц К.А. Оборудование микробиологических производств / Калунянц К.А., Голгер Л.И., Балашов В.Е.// М.; Агропромиздат, 1987. -280 с

54. Иерусалимский Н.Д. Биохимические основы регуляции скорости роста микроорганизмов. Изв. АН СССР 1967, №3, С.339-350

55. Минкевич И.Г., Ерошин В.К. Закономерности внутриклеточного материально-энергетического баланса роста микроорганизмов. Успехи соврем.биологии, 1976, т.82 вып.1(4), -С.103-116

56. Виестур У.Э., Аболинь Т.К. Влияние кислорода на рост и размножение Saccharomyces cerev. -Изв. Ан Латв.ССР, 1966, № 12, С. 81-86.

57. Швинка Ю.Э., Виестур У.Э. Альтернативные пути окисления в дыхательной цепи Brevibacterium flavum. Микробиология 1979, т. 48. вып. 1,-С.10-16.

58. Штоффер А. Д. Определение оптимальных условий аэрации и масштабирования процесса биосинтеза ферментов / Штоффер А.Д., Игнатов В.Н., Юдина О.Д // Хим. фарм. Журнал, 1975, № И, - С. 31-38.

59. Способ активации дрожжей. Патент 2151794 Россия МПК C12N 1/16 1/18 опубликовано 27.06.00г. Шабурова Л.Н., Ильяшенко Н.Г.

60. Мальцев П.М. Технология бродильных производств. М.: Пшцепромиздат. 1960.-284 с.

61. Емельянова И.З. Химико-технологический контроль гидролизных производств. -М.: Лесная промышленность, 1976. 405 с.

62. Афанасьева О.В. Микробиологический контроль хлебопекарного производства. М.: Пищевая промышленность, 1976. -131 с.

63. Работнова И.Л., Иванова И.И. Рост и развитие микробных культур. М.: Успехи микробиологии. 1971. вып. 7. 67-107 с.

64. Безбородов A.M. Биохимические основы микробного синтеза М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. - 304 е.

65. Матвеев В.Е. Научные основы микробиологической технологии М.: Агропромиздат, 1985. - 224 с.

66. Фостер К.Ф. Экологическая биотехнология: пер. с англ. Л.; Химия, 1990.-384 с.

67. Брухман Э.Э. Прикладная биохимия. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. - С. 42-147.

68. Манаков М.Н., Победимский Д.Г. Теоретические основы технологии микробиологических производств. М.: МГУ, 1990. -320 с.

69. Производство спирта из крахмалистого сырья: технологический регламент. М.: ЦНИИТЭИ, Пищпром. 1979.

70. Климовский Д.Н. Смирнов Т.А., Стабников В.Н. Технология спирта -М.: Мир, 1978.-331 с.

71. Гусев М.В. Микробиология. М.: Пищевая промышленность. 1978. - 364 с.

72. Янчевский В.К. Утилизация и использование отходов спиртовых заводов в промышленности и сельском хозяйстве / Янчевский В.К., Кошель М.И., Каранов Ю.А., Дудник А.А. // Ш Международная научно-практ. конф. .

73. Научно-технический прогресс в спиртовой и ликероводочной отрасли». -Тез. докл.: М.: Пищепромиздат, 2001. - С.166-174.

74. Инструкция по технохимическому и микробиологическому контролю спиртового производства: Утв. Отделением спирт., дрожж. И ликеро-водочной пром-ти Мин-ва пищ.пром РСФСР 15.01.86. М.: Агропромиздат, 1986.

75. Филиппова Н.К Аэробная технология генерации спиртовых дрожжей. /Филиппова Н.К., Емельянов В.М.,Александровская Ю.П., Владимирова И.С. // XVII Менделеевсий съезд по общей и прикладной химии. Биомолекулярная химия и биотехнология. Казань, 2003. С. 67-70.

76. Гриневич А.Г., Босенко A.M. Техническая микробиология. Минск. Вышэйшая школа, 1986. - 281 с.

77. Егоров Н.С.,Самуилов В.Д. Биотехнология. М.: Высшая школа, 1988. -293 с.

78. Семенихина П.М. Производство хлебопекарных дрожжей М.: легкая и пищ. Пром. 1987. - 272 с.

79. Фаустов B.C., Коржин В.И., Попов В.Г. Методы и аппаратура для культивирования клеток. М.: ВНИИСЭНТИ. 1986. - 302 с.

80. Еналеев Р.Ш., Автоматизированный учебно-исследовательский комплекс / Еналеев Р.Ш., Сеченков Ю.А., Емельянов В.М., Белоглазов А.Б. Шагидулин

81. А.А., Сафронов A.M. // Современная учебная техника и образовательные технологии. Тезисы докл. Науч.-практич. конф. Нижний Новгород, 1996. С. 25-26.

82. Шевченко В.Т., Печуркин Н.С. Гидромеханический способ гашения пены в ферментерах. В сб.: Управляемый биосинтез и биофизика популяций. Красноярск. 1969. - С. 230-231.

83. Аиба Ш., Хемри А., Миллис Н. Исследование насыщения кислорода эмульсией ФУ И Вопросы медицинской химии. 1980. - С. 19-24.

84. Мухачев С.Г. Кинетика аэробного культивирования спиртовых дрожжей в мембранном биореакторе / Мухачев С.Г., Александровская Ю.П., Филиппова Н.К., Емельянов В.М. //.Весник КГТУ. Тез. докл. 2003, № 2. -С. 168-172.

85. Филиппова Н.К. Аэробное культивирование чистой культуры спиртовых дрожжей / Филиппова .Н.К, Емельянов В.М.,.Владимирова И.С„Валеева Р.Т // Тез.докл. КГУ 200лет. Секция «Новые направления исследований в биологических науках» Казань, 2004. С. 78-81.

86. Яровенко B.JI. Справочник. Пищпром., 1977. 324 с.

87. Еникеев Ш.Г. Автоматизированный исследовательский комплекс «Биотрон» / Еникеев Ш.Г., Валеев Р.И., Мухачев С.Г /ЯП симп. Социал. Стран по биотехнологии: Сб. тезисов. Братислава, 1983. А 4-17.

88. Еналеев Р.Ш., Сеченков Ю.А., Симукова А.В., Емельянов В.М, (Россия) Бергер М., Нойман В., Фольк Н. (ФРГ). Патент ФРГ Р402 8871.4, дата приоритета 12.09.1990 г. Патентовладелец Высшая техническая школа (ФРГ, г. Мерзебург).

89. Патент № 2136746 от 10.09.99. приоритет 17.08.98. Способ культивирования дрожжей для спиртового производства. Емельянов В.М., Шайхутдинов P.P., Владимирова И.С., Филиппова Н.К., Валеева Р.Т., Табаков И.Е.

90. Получение микробной биомассы на основе этилового спирта: Методические указания к учебно-исследовательскому лабораторному практикуму / Сост. Ш.Г.Еникеев, З.М.Билялова , Ю.Л.Рындовская; КХТИ -Казань, 1983.-31 с.