Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Получение белка одноклеточных из растительного сырья по малоотходной и энергосберегающей технологии

ВАК РФ 03.00.23, Биотехнология

Автореферат диссертации по теме "Получение белка одноклеточных из растительного сырья по малоотходной и энергосберегающей технологии"

на правах рукописи

РГ6 од

с у ФЕВ 1998

ФАМ АНЬ КЫОНГ

ПОЛУЧЕНИЕ БЕЛКА ОДНОКЛЕТОЧНЫХ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ ПО МАЛООТХОДНОЙ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ

03.00.23. - Биотехнология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискашге ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1998

Работа выполнена в Российском химико-технологическом университете им. Д.И. Менделеева.

Научные руководители: доктор химических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ, Михаил Николаевич Манаков;

кандидат технических наук, доцент Виктор Иванович Панфилов.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

академик МИА Александр Юрьевич Винаров;

доктор химических наук, профессор Эсфирь Михайловна Сульман

Ведущая организация: Московский Государственный

Университет пищевых производств, кафедра биотехнологии. (125080, Москва А-80, Волоколамское шоссе, 11)

Защита состоится в часов на

заседании диссертационного Совета Д. 053.34.13 в Российском химико-технологическом университете по адресу: 125047, г. Москва, Миусская площадь, д. 9, конференц - зал. С диссертацией можно ознакомиться в Научно-информацинном центре Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева. Автореферат разослан " ía'^/7-í^ 1998 г.

Отзывы на автореферат, заверенные гербовой печатью, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного Совета.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д. 053.34.13. кандидат технических наук И.И. Гусева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Важнейшим условием успешного развития животноводства является создание надежной кормовой базы, сбалансированной по содержанию белковых веществ. Одним из перспективных путей решения этой задачи, которому в настоящее время уделяется повышенное внимание, является осуществление биотрансформации растительного сырья, отходов сельского хозяйства, обогащение их белком для повышения кормовой ценности. В странах Юго-Восточной Азии, как и во всех других районах мира, накапливается большое количество углеводсодержащих растительных отходов, таких как остатки маниока, рисовая шелуха и багасса сахарного тростника, которые могут быть использованы для обогащения их микробным белком. Однако в настоящее время широко используемые в промышленности технологии производства белка одноклеточных характеризуются невысокой эффективностью, обусловленной сложностью аппаратуры и энергоемкостью стадии концентрирования микробных суспензий, традиционно включающих флотацию, сепарацию, вакуум-выпаривание, а также низкой экологичностью из-за выделения большого количества твердых отходов и стоков в процессе производства.

Предыдущими работами [Быков В. А., Прищепов Ф. А., 1989 г.] было показано, что проведение глубинного культивирования дрожжей в присутствии твердой фазы позволяет в определенных условиях получить хорошо фильтрующиеся микробные суспензии. В этом случае получаемый продукт представляет собой растительный углеводно-белковый корм (РУБК), содержащий помимо дрожжевого белка, неутилизируемый лигнин или целолигнин. Таким образом, одновременно с получением РУБК решается проблема утилизации лигнина, а при использовании рециркуляции культуралыгой жидкости процесс становится прогрессивным с экологической и экономической точек зрения. Однако, в литературе отсутствуют данные по целому ряду технологических показателей, таких как режимы подготовки растительного сырья и его отходов, условия культивирования и фильтрования получаемых суспензий, фильтрующие материалы, рециркуляция ОКЖ (отработанной культуральной жидкости) и использование огьемно-доливного способа проведения глубинного культивирования микроорганизмов.

Поэтому нами были изучены основные закономерности процессов подготовки сырья, глубинного гетерофазного культивирования и фильтрования полученных суспензий, а также разработана энергосберегающая малоотходная технология получения РУБК на модульной установке.

Целью настоящей работ явилась разработка способа получения РУБК методом гетерофазной глубинной ферментации дрожжей и дрожжеподобных микроорганизмов с использованием перспективного растительного сырья -

топинамбура и крупнотоннажного растительного отхода - багассы сахарного тростника, а также создание эскизного проекта модульной установки, использующей энергосберегающую и малоотходную технологию.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

• оптимизация способов предварительной подготовки сырья к ферментации;

• подбор штамма-продуцента и оптимизация условий проведения глубинного гетерофазного культивирования;

• изучение основных закономерностей процесса культивирования в периодическом и отьемно-доливном режимах;

• изучение особенностей процессов фильтрования дрожжевых суспензий и рециркуляции образующегося фильтрата;

• разработка энергосберегающей и малоотходной технологии получения РУБК на модульной установке.

Научная новизна. Проведено комплексное исследование роста дрожжей родов Candida и Endomycopsis на углеводных средах, полученных измельчением топинамбура и багассы сахарного тростника без отделения твердой фазы.

Экспериментально обоснованы режимы глубинного гетерофазного культивирования дрожжей С. tropicalis СК-4 и С. scottii КСБ, позволяющие получать хорошо фильтрующиеся клеточные суспензии, содержащие до 320млн.кл/мл, что обеспечивало содержание белка в готовом продукте, включающем твердую фазу, до 35 %АСВ в случае топинамбура и 18 %АСВ в случае багассы.

Подобраны режимы фильтрования, позволяющие проводить фильтрацию послеферментационных суспензий через нетканые текстильные материалы с эффективностью не менее 90%. Доказана принципиальная возможность и обоснованы нормы рециркуляции фильтрата в технологическом процессе получения РУБК.

Практическая значимость. Разработана энергосберегающая малоотходная технология получения РУБК на основе топинамбура и багассы сахарного тростника с использованием глубинного гетерофазного культивирования с последующей фильтрацией микробных суспензий и рециркуляцией получаемого фильтрата. Эта технология позволяет исключить из производства энергоемкие способы концентрирования продуктов ферментации и значительно сократить количество стоков. Она может быть реализована на модульных установках разной мощности как в составе крупных промышленных предприятий, так и в малом масштабе непосредственно на месте накопления растительного сырья или отходов его переработай.

Проведен расчет технологической схемы получения РУБК на основе багассы сахарного тростника и выполнен подбор основного оборудования для модульной установки, перерабатывающей 18 ООО т багассы в сезон.

Апробация работы. Результаты исследования были представлены на "10-Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии, МКХТ-96" (1996) и "11-Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии, МКХТ-97" (1997), а также опубликованы в журнале "Биотехнология", №12, 1996, М., с. 44-49 "Получение белка одноклеточных из багассы сахарного тростника".

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания методики исследований, 3 глав с изложением экспериментальных результатов и их обсуждением, выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 144 страницах машинописного текста и содержит 44 таблицы и 13 рисунков. Список литературы включает 120 наименований работ, из них 37 работ зарубежных авторов.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены общие представления о решаемой в работе задаче, обоснована необходимость и показана актуальность разработки энергосберегающей малоотходной технологии получения РУБК с использованием растительного сырья и его отходов и ее реализации на модульной установке.

Глава 1 представляет собой обзор научных публикаций по теме диссертации. В ней обсуждены различные способы биотрансформации растительного сырья и его отходов для получения белка одноклеточных, включая производство РУБК. Проведено сравнение существующих поверхностных и глубинных способов обогащения растительного сырья микробным белком. На основании анализа литературных данных показано, что главными недостатками существующих технологий получения белка одноклеточных из возобновляемого растительного сырья являются высокая энергоемкость И низкая экологичность процесса. Сформулированы цели и задачи настоящей работы.

В главе 2 обоснован выбор объектов исследования и приведены подробные характеристики сырья - топинамбура и багассы сахарного тростника. Приведены способы культивирования микроорганизмов и изложены используемые в работе методики проведения анализов.

В главе 3 представлены результаты исследований процесса получения углеводно-белкового корма на основе топинамбура.

В главе 4 изложены результаты исследований по получению РУБК на основе багассы сахарного тростника, проведенные по схеме, аналогичной исследованиям по получению РУБК на основе клубней топинамбура.

Глава 5 посвящена разработке аппаратурно-технологической схемы получения РУБК на основе багассы сахарного тростника.

Разработка технологии получения РУБК ш основе клубней топинамбура.

На первом этапе работы были определены условия подготовки сырья, которая включает такие стадии как мойка, измельчение, получение суспензии измельченных корнеплодов в воде (пульпы) и термореагентная обработка полученной суспензии, а также их влияние на параметры последующих стадий. Были исследованы 4 способа измельчения клубней топинамбура:

• измельчение на крупной терке, что моделировало вариант измельчения на свеклорезке центробежного типа;

• измельчение на электромясорубке с крупными отверстиями в дисковом ноже, аналогично измельчению на молотковой дробилке;

• истирание на мелкой терке, что моделировало вариант измельчения на картофелетерочной машине;

• измельчение с помощью гомогенизатора 8Т-2, что обеспечивало степень измельчения до получения частиц размером 1-3 мм.

С учетом энергических затрат, степени измельчения и филыруемости пульпы, был выбран способ измельчения клубней на крупной терке с получением частиц клубней длиной 5-20 мм, шириной 4-6 мм и толщиной 0,51,5 мм, что моделированного промышленный способ измельчения клубней.

Получаемые пульпы клубней в воде (гидромодуль 6,25) имели исходное значение рН 6,5 и подвергались реагентной и термообработке при различных температурах и значениях рН. Предварительными экспериментами было показано, что после термообработки щелочных (рН выше 8,5) суспензии получались плохо фильтрующиеся пульпы, поэтому изучение влияния режимов термообработки и кислотности исходной пульпы проводилось в интервале рН=1,0-7,0; при давлении 0,1-0,3 МРа в течение 10-40 мин. Изменение величины рН достигалось внесением в суспензию минеральной серной кислоты. Все суспензии после термообработки были отфильтрованы на нутч-фильтре через фильтровальную бумагу с определением скорости фильтрования и степени осветления суспензии.

Результаты экспериментов по подбору оптимальных параметров подготовки сырья с учетом выхода РВ и филыруемости получаемых суспензий представлены в табл. 1.

Таблица 1.

Влияние термообработки (время экспозиции 30 мин.) и кислотности суспензий (гидромодуль 6,25) клубней топинамбура на выход редуцирующих веществ (РВ) и скорость фильтрования (в) получаемых суспензий до и после гидролиза.

pH Выход РВ, г/л. ■"Скорость фильтрации, л/м .ч.

суспензии до гидролиза Исходное Значение После термообработки Исходное значение После термообработки

20иС 12ГС 128 С 20"С 121иС 128"С

1,0 4,9 27,8 28.5 490 80 60

2,0 3.9 21,7 22,9 430 100 80

2,5 1,2 20,5 21,7 370 150 130

3,0 0,9 17,0 18,6 350 190 170

3,5 0,9 6,0 7,5 390 210 200

4,5 0,8 2,0 2,5 420 240 210

6,5 0.8 1,6 1,6 430 290 230

Из табл. 1 видно, что обработка суспензии при t° = 121°С и рН=6,5 приводит к двукратному увеличению выхода редуцирующих веществ (РВ), однако дальнейшее увеличение температуры не привело к существенному повышению выхода РВ, но снизило фильтруемость пульпы. Изменение pH добавлением серной кислоты и температурная обработка позволили резко повысить выход РВ, что можно объяснить сильным распадом фрукгозанов и частичным распадом гемицеллюлозной и целлюлозной части сырья. Таким образом, с учетом выхода РВ, составляющего 65-75% отн. и скорости фильтрования получаемых суспензий, оптимальными условиями термообработки были выбраны: рН=2,0-3,5; t°=121°C, время 30 мин.

Результаты оценки влияния кислотности суспензий при их термообработке на доброкачественность получаемого субстрата показывают, что наиболее высокие показатели степени потребления РВ (82-95%) и глубины ферментации дрожжей С. tropicalis СК-4 наблюдались при значении pH гидролиза 2,0-3,5.

После первичного тестирования в качалочных колбах 12 штаммов-продуцентов белка второй этап оценки проводили среди штаммов дрожжей Candida tropicalis СК-4, Candida scottii КСБ, Candida utilis ВСБ-801 и Endomycopsis fibuligera в лабораторном ферментере АНКУМ-2 с рабочим объемом 1,5 л. В качестве критерия для сравнительной оценки использовали удельную скорость роста, фильтруемость послеферментационной суспензии через бумажный фильтр и нетканый материал ПФК и содержание сырого протеина в конечном продукте. Результаты этих исследований представлены в табл. 2.

Таблица 2.

Результаты сравнения выбранных штаммов дрожжей рода Candida и дрожжеподобных Endomycopsis fibuligera при гетерофазном выращивании (3,7%АСВ клубней топинамбура) в ферментере АНКУМ-2 в периодическом режиме.

Штамм дрожжей ч Gmax, л/м л Сырой Проскок через ПФК, % отн.

Бумажный фильтр ПФК протеин, % АСВ

С. tropicalis СК-4 0,55 260 750 32 20

С. scottii КСБ 0,52 250 6Ö0 33 12

С. utilis ВСБ-801 0,48 180 450 29 25

End. fibuligera 0,50 50 120 33 4

Как видно из табл. 2, все исследованные штаммы дрожжей являются хорошими продуцентами белка с высокой удельной скоростью и высоким содержанием сырого протеина в готовом продукте, причем наиболее высокие показатели наблюдались у двух штаммов С. tropicalis СК-4 и С. scottii КСБ. Однако при фильтровании через промышленный фильтр ПФК штамм С. scottii КСБ дает меньший процент проскока клеток через фильтр, поэтому в дальнейших исследованиях мы использовали С. scottii КСБ как основной штамм-продуцент белка. Дрожжи Endomycopsis также имеют высокие показатели по всем приведенным параметрам, за исключением эффективности фильтрования на промышленных фильтровальных материалах.

Учитывая, что при подготовке суспензии клубней топинамбура в раствор переходит большая часть минеральных компонентов клубней, исследовали возможность использования обедненной питательной среды без добавления солей при культивировании в ферментере АНКУМ-2. Результаты этих исследований представлены в табл. 3.

Таблица 3.

Ферментация дрожжей С. scottii КСБ в ферментере АНКУМ-2 в периодическом режиме со средой Ридер и обедненной средой.

Показатели процесса Минеральный состав фер. среды

Среда Ридер Без добавления солей

1. РВ нач/кон., г/л 12,8/2,0 12,8/2,5

2. Потребление РВ, % 84 80

3. N нач./кон., млн. кл./мл 10/310 10/290

4. Время удвоения биомассы, ч 1,0-1,5 1,0-1,5

5. ц, ч- 0,50 0,56

6. О, Скорость фильтрования, л./м^.ч 200 270

6. Время процесса, ч. 6,5-7,5 7,0-7,5

7. Содержание сыр. протеина, % АСВ 36 32

8. Эконом, коэф., (млн.кл./гРВ) 27,7 27,2

Из табл.3 видно, что проведение гетерофазного культивирования дрожжей С. ясоШ ЬССБ на минимальной минеральной среде практически не уступает варианту с использованием полного минерального состава среды Ридер по накоплению биомассы, времени удвоения биомассы, содержанию сырого протеина, степени потребления РВ, экономическому коэффициенту и времени процесса. Сравнивая удельные скорости роста и скорости фильтрования видно, что они выше при ферментации дрожжей С. зсоНп без добавления минеральных солей. Поэтому все дальнейшие эксперименты проводили на обедненной среде. Это позволяло нам не только экономить минеральные соли, но и облегчило в дальнейшем решение задачи рециркуляции культуральной жидкости.

На следующем этапе работы была проведена оценка влияния содержания твердой фазы в ферментационной среде на основные показатели процесса. Результаты экспериментов по периодическому культивированию дрожжей С. хсоПи в ферментере АНКУМ-2 при различном содержании твердой фазы в ферментационной среде представлены в табл. 4 и рис. 1.

в, л/м^ч

И, Ч

300

0.6 0.4 0.2

2 4

Содержание твердой фазы, АСВ, %

Рис.1. Зависимость удельной скорости роста клеток (д - ) и

скорости фильтрования (в - _о_ ) послеферментационной суспензии дрожжей С. .чсоПН КСБ от (С) содержания твердой среды.

Таблица 4.

Влияние содержания твердой фазы в ферментационной среде на процесс культивирования дрожжей С. зсоИп КСБ.

Содержание твердой фазы до гидролиза, %АСВ Время процесса ч. л/м .4 Степень утилизации РВ, % Время удвоения биомассы, ч. Сырой протеин %АСВ

0 5,5-6,0 0,48 220 85 1,0-1,5 45-50

2,0 6,0-6,5 0,50 210 70 1,5-2,0 22-24

3,7 6,0-6,5 0,52 250 76 1,5-2,0 28-30

4,4 6,5-7,0 0,56 280 85 1,5-2,0 32-35

5Д 7,0-7,5 0,52 270 80 2,0-2,5 32-35

6,0 7,5-8,0 0,50 170 80 2.0-2,5 30-32

Как видно из рис. 1 и табл. 4, наиболее высокие значения удельной скороста роста клеток и скорости фильтрования дрожжевой суспензии наблюдались при содержании твердой фазы 4,4%АСВ. Такое содержание твердой фазы обеспечивается при гидромодуле 5,25.

Таким образом, учитывая ранее полученные данные по подготовке субстрата, для всех дальнейших экспериментов подготовку суспензии проводили при рН 3,0-3,2, температуре 121-122°С и гидромодуле 5,25 в течение 30 мин. В этом случае выход РВ составлял 72% отн.

На следующем этапе работы были подобраны оптимальные условия процесса культивирования дрожжей в периодическом режиме. Показано, что наилучшей фильтруемостыо обладают суспензии, полученные в конце логарифмической фазы роста, когда содержание РВ снижается ниже 3,5-4,0г/л.

Основным способом повышения эффективности стадии ферментации, да и всего процесса в целом является переход от периодического культивирования к отьемно-доливному и непрерывному выращиванию микробных клеток. Результаты экспериментов по исследованию отъемно-доливного режима культивирования дрожжей С. зсоНи КСБ на углеводной среде, содержащей 4,4% АСВ твердой фазы, выполненных в ферментере АНКУМ-2 при разовом отборе 10%отн. дрожжевой суспензии, представлены в табл. 5.

Таблица 5.

Результаты экспериментов по культивированию дрожжей С. .чсоПН КСБ на суспензии клубней топинамбура (4,4 % АСВ) в ферментере АНКУМ-2 в отьемно-доливном режиме (* начало отьемно-доливного режима).

Время рН Объем N, РВ (нач./кон.), G, л/м2.ч

процесса, ч аммиака, мл млн. кл/мл г/л.

0 4,3 0 3,7 15,4 200

1 4,4 1,0 4,7 14,8 150

2 4,4 1,0 5,7 14,3 150

3 4,4 1,0 10,4 13,3 160

4 4,3 1,0 32,3 12,3 180

5 4,4 4,0 55,5 10,7 220

6 4,3 9,0 96,5 8,0 250

* 7 4,2 18 250/220 2/3,8 270

7,9 4,3 20 255/225 2,0/3,9 260

8,7 4,3 29 265/230 1,9/3,7 260

9,5 4,4 37 260/220 1,8/3,8 250

10,4 4,3 46 265/225 1,9/3,9 250

11?3 4,4 53 260 1,9 250

Как видно из табл. 5, проведение отъемно-доливного режима позволяет получать хорошо фильтрующиеся суспензии с титром клеток 250-260млн,кл/мл в течение длительного времени без снижения эффективности процесса.

Изучение процесса фильтрования дрожжевых суспензий, содержащих твердую фазу, включало определение эффективности фильтрации в зависимости от возраста культуры и значения рН дрожжевой суспензии на различных фильтрующих материалах. Все измерения были проведены на лабораторной установке, состоящей из колбы Бунзена и воронки Бюхнера, снабженной кольцом, прижимающим фильтрующий материал, что имитировало работу емкостных фильтров.

Ранее было показано, что наибольшая скорость фильтрации дрожжевой суспензии наблюдалась в конце логарифмической и при переходе к стационарной фазе роста при начале лимитирования роста культуры углеводным субстратом. Поэтому для фильтрования были взяты дрожжевые суспензии в конце логарифмической фазы роста. Исследование влияния значения рН дрожжевой суспензии на ее фильтруемость на различных фильтрующих материалах показало, что в интервале рН от 2,5 до 7,5 скорость фильтрации дрожжевых суспензий С. 5соШ КСБ менялась незначительно, а наибольшая степень осветления фильтрата была достигнута при рН суспензий от 4,0 до 5,5, что совпадало со значениями рН послеферментационных суспензий. Среди исследованных фильтрующих материалов нетканые текстильные материалы ВТИЛП ПФК 7017 имеют наиболее высокие технологические показатели: высокую скорость фильтрования и низкую проницаемость для дрожжевых клеток. Таким образом было показано, что эффективная фильтрация послеферментационных суспензий может осуществляться без какой - либо дополнительной подготовки, и подобран фильтрующий материал для дрожжевых суспензий С. ¡ШШ.

При исследовании процесса ферментации с рециркуляцией отфильтрованной жидкости на стадию подготовки суспензии было осуществлено 6 циклов культивирования дрожжей С. ясоНИ КСБ (4,4%АСВ) в ферментере АНКУМ-2. В этом случае весь фильтрат предыдущей ферментации был использован для подготовки субстрата следующей ферментации. Корректировку ферментационного объема до 1,5л проводили добавлением водопроводной воды (-30% отн.). Результаты этих экспериментов представлены в табл. 6.

Из табл. 6 видно, что при рециркуляции происходит некоторое повышение начального содержания РВ, которое можно объяснить наличием остаточных углеводов в фильтрате, при некотором снижении скорости роста. Вместе с тем степень утилизации РВ и содержание сырого протеина оставались высокими в течение всего эксперимента.

Таблица 6.

Результаты процесса культивирования дрожжей С. хсоИй КСБ при полной рециркуляции фильтрата.

Показатели процесса Стадии процесса

I 11 Ш IV V VI

1.РВ нач/кон., г/л 18,0/2,8 21,0/3,1 23,4/3,2 23,4/3,3 24,7/3,4 25,4/3,6

2.Потребление РВ, % 84,4 85,2 ¿6,3 -86,0 86,2 85,5

З.И нач./кон., млн. кл./мл 12/330 12/490 13/560 13/490 9/490 9/470

4.Время удвоения биомассы, ч. 1,5 1,5-2,0 2,0-2,5 2,0-2,5 2,0-2,5 2,5-3,0

5.Ц,ч-1 0,56 0,50 0,50 0,50 0,48 0,45

6. Содержание сырого протеина, %АСВ 32 34 36 35 35 35

7.Эконом, коэффициент, млн.кл./гРВ 20,7 28,2 27,1 23,8 22,70 20,0

8.0, л./м2.ч 270 270 250 260 250 240

Важно отметить, что за все время экспериментов скорость фильтрации дрожжевых суспензий, несколько понижаясь в начале, потом оставалась практически постоянной для всех остальных стадий процесса.

Учитывая, что максимальное количество фильтрата, которое может быть использовано повторно, не превышало 70 % отн. от потребности суспензии в воде, можно сделать вывод о возможности полного рецикла образующегося фильтрата на стадию приготовления ферментационной среды без заметного снижения технико-экономических показателей процесса.

Таким образом, на основании выполненных экспериментов, подобраны режимы основных технологических стадий процесса, позволяющие получать РУБК на основе топинамбура по энергосберегающей малоотходной технологии.

Технологические нормы получения РУБК на основе багассы

сахарного тростника.

На первом этапе работы экспериментально были определены условия подготовки сырья и их влияние на параметры последующих технологических стадий с целью получения доброкачественного субстрата при высоком выходе РВ с учетом энергических затрат на его подготовку и фильтруемости как полученных суспензий, так и послеферментационной среды. Получаемые пульпы багассы в воде (гидромодуль 7,60) имеют исходное значение рН 5,5 и подвергаются реагентной и термообработке при различных значениях рН и температурах. Согласно полученным данным (см. рис. 2), оптимальными условиями подготовки багассы для ферментации были выбраны следующие: рН = 2,1-3,0; ? = 121-128°С; время 30-50 мин.; гидромодуль 7-8, что

обеспечивало выход РВ 60-70% отн. При значении рН гидролиза ниже 2,1 наблюдалось снижение показателей потребления РВ и удельной скорости роста дрожжей, что можно объяснить накоплением ингибиторов в гидролизованных суспензиях.

Выход РВ, г/л

G, лЛ/.ч

30 25 20 15 10 5 0

1 2 3 4 5 6

Значения рН суспензий багассы

Рис. 2. Влияние термообработки (время экспозиции 30 мин.) и кислотности суспензий багассы (гидромодуль 7,6) на выход РВ и скорость фильтрования (С) получаемых суспензий, выход РВ: ^ 20 °С -1°=128 °С -

Оценка влияния содержания твердой фазы в ферментационной среде на основные показатели процесса показала, что максимальные значения удельной скорости роста дрожжей и фильтруемости дрожжевой суспензии наблюдались при концентрации твердой фазы 8 % АСВ.

При подборе штамма - продуцента кормового белка было отмечено, что объективно лучшие показатели имеют штаммы С. tropicalis СК-4 и С. scottii КСБ, однако при фильтрации С. tropicalis СК-4 достигается более высокая степень осветления культуралыюй жидкости. Поэтому в дальнейших исследованиях рассматривали и использовали С. tropicalis СК-4 как основной штамм-продуцент белка, а С. scottii КСБ - как принципиально возможный.

Миниминизацшо минеральной среды, приняв за основу минеральный состав среды Ридер, проводили в периодическом режиме в качалочных колбах и в ферментере АНКУМ-2. Исследование влияния обедненного минерального состава питательной среды на процесс ферментации показало, что багасса, в отличие от топинамбура, обладает недостаточным набором минеральных солей, необходимых для нормального развития дрожжей. В то же время было отмечено, что использование среды Ридер несколько увеличивает время лаг-фазы. Поэтому были проведены эксперименты, направленные на подбор минеральной среды, обеспечивающей эффективное проведение

культивирования. Результаты этих экспериментов, проведенных в ферментере АНКУМ-2, представлены в табл. 7.

Таблица 7.

Подбор минерального состава питательной среды для глубинной гетерофазной ферментации дрожжей С. tropicalis СК-4.

Питательная среда А В С

Время лаг-фазы, ч. 1,5-2,0 0,5-1,0 1,0-1,5

д,Удельная скорость роста, ч."1 0,42 0,43 0,36

Скорость потребления РВ в экспоненциальной фазе роста, г/(л.ч.). 2,1 2,6 2,7

Содержание сырого протеина, %АСВ. 16-1S 16-18 12-14

Время процесса, ч. 9-11 8-10 8-10

Где, А - среда Ридер;

В - среда - (Ш4)2НР04 -1,0 г/л и М§804.7Н20 - 0,7 г/л; С - среда - (Ж4)Н2Р04 -1,0 г/л и 1^В04.7Н20 - 0,7 г/л.

Из табл. 7 видно, что среды В и С характеризовались недостатком фосфора и азота, который затем поступал в виде 5 %-ного раствора аммиака при поддержании требуемого уровня pH среды в ходе ферментации. Среда В с наименьшим количеством фосфора обеспечила наилучшие показатели процесса: время лаг-фазы 0,5-1,0 час, удельная скорости роста 0,43 ч."1, скорость потребления РВ в экспоненциальной фазе 2,6 г/л.ч и содержание сырого протеина в конечном продукте 16-18%АСВ. Эта среда и была использована нами во всех последующих экспериментах.

Дальнейшие эксперименты по изучению процесса получения РУБК проводили, используя дрожжи С. tropicalis СК-4 в уже подобранных условиях на пульпе багассы в периодическом режиме на установке АНКУМ-2 в течение 10 часов при 30-32° С, pH 4,3-4,5, постоянной аэрации 0,6-0,8 л/л.мин. и перемешивании 500-800 об./мин. В ходе ферментации наблюдали за изменением содержания РВ, фосфора, потреблением титранта, накоплением биомассы и также за изменением фильтруемости дрожжевой суспензии. После подбора основных технологических параметров процесса были проведены балансовые опыты с наработкой образца готового продукта. В лабораторных условиях из 1,60 кг свежей багассы (49% СВ) было получено 1,90 кг пасты с содержанием 36% СВ, а после сушки - 0,75 кг сухого РУБК. Готовый продукт представляет собой порошок с приятным хлебным запахом и содержанием сырого протеина 18% АСВ.

Интенсификация всего процесса получения РУБК требует использования отъемно-доливпого режима культивирования, который позволит (при наличии нескольких параллельно работающих аппаратов) реализовать практически непрерывный поток дрожжевой суспензии на стадии выделения (фильтрация,

плазмолиз, сушка). Изучение процесса культивирования в отъемно-доливном режиме проводили в лабораторном ферментере АНКУМ-2 с определением следующих параметров: оптимальное время перехода от периодического к отьемно-долявному режиму, периодичность циклов и объем отбираемой суспензии, а также повышение содержания твердой фазы в дрожжевых суспензиях.

Показано, что лучшими показателями фильтруемости обладают суспензии, отобранные в конце логарифмической фазы роста и при переходе к замедленному росту, т.е. в начале лимитирования процесса углеводным субстратом. Это достигается при снижении содержания РВ до концентрации 2,0-2,5 г/л и титре клеток 250-320 млн.кл/мл, именно в это время осуществляли переход от периодического к отъемно-доливному режиму. Результаты экспериментов по исследованию отъемно-доливного режима культивирования при разовом отборе 10% отн. дрожжевой суспензии представлены в табл.8 и рис. 3.

Результаты, представленные в табл. 8 и на рис. 3, показывают, что при проведении культивирования дрожжей С. tropicalis СК-4 в отъемно-доливном режиме, скорость фильтрования суспензии и титр клеток оставались практически неизмененными в течение всего процесса.

РВ, г/л

20 х

Ы.млн.кл/мл ------Г 400

^Цзм

-- 250 -- 200 -- 150

•W^M-Ki 50°

0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 t, время процесса (ч.)

Рис.3. Использование багассы (8,0 %АСВ) для отъемно-доливной ферментации дрожжей С. tropicalis СК-4 в ферментере АНКУМ-2. д - N, млн.кл/мл - на стадии периодического режима ферментации. -EL- N, млн.кл/мл - на стадии отъемно-доливного режима ферментации. _©_r РВ, г/л - на стадии периодического режима ферментации. _о_- РВ, г/л - на стадии отъемно-доливного режима ферментации.

Таблица 8.

Результаты экспериментов по культивированию дрожжей С. tropicalis СК-4 на суспензии багассы (8,0 % АСВ) в ферментере АНКУМ-2 в

отьемно-доливном режиме.

Время процесса, ч. pH Объем аммиака, мл N, Количество клеток, млн. кл/мл РВ, (нач./кон.), г/л. G, Скорость фильтрования, п/ж.ч

0 4,4 0 6 19,0 300

1 4,4 0 5 18,5 300

2 4,4 0 10 18,0 220

3 4,5 0,5 18 17,5 220

4 4,3 1,0 22 17,0 240

5 4,5 2,5 60 15,0 240

6 4,4 3,5 75 14,0 270

7 4,3 8,5 150 12,0 270

8 4,5 14,5 220 8,0 290

9 4,5 20,0 290 3,5 300

*10 4,5 24,0 340/300 2,5/4,3 300/280

И 4,5 30 330/305 2,5/4,2 270

12 4?3 36 335/300 3,4/4,1 280

13 4,4 40 335/295 3,6/4,0 270

14 4,4 47 340/305 3,5/3,7 270

15 52 345/305 3,4/3,8 250

16 - - 340 1,8 250

* начало отъемно-доливного режима (отбор и долив 1/10 от рабочего объема)

В ходе изучения процесса фильтрования послеферментационных суспензий, содержащих твердую фазу, были проведены эксперименты по определению эффективности фильтрации в зависимости от возраста культуры и значения рН дрожжевой суспензии на различных фильтрующих материалах. Результаты экспериментов по подбору промышленного фильтрующего материала представлены в табл. 9.

Таблица 9.

Результаты фильтрования с использованием наиболее распространенных

фильтрующих материалов.

Фильтрующий материал Титр клеток, млн.кл/мл XN, % KN G, л/м^.ч

Ncycn. Фильтр.

1. Фильтровальная бумага 300 2,5 0.8 120 300

2. Бельтинг 300 90,0 30,0 з,з 680

3. Шелк 300 45,0 15,0 6,7 820

4. Шерсть 300 50,0 16,7 6,0 750

5. ПФК 7017, ВТИЛП 300 20,0 6,7 15,0 1700

6. ПФК 38017, ВТИЛП 300 15,0 5,0 20 1050

Как видно из табл.9, среди исследованных фильтров, нетканые текстильные материалы ВТИЛП ПФК 7017 имеют наиболее высокие технологические показатели: высокую скорость фильтрования и низкую проницаемость для дрожжевых клеток, которые значительно превосходят величины, достигнутые при фильтровании суспензий топинамбура. Это можно объяснить более жесткой структурой багассы, которая образовывала хороший намывный фильтрующий слой на фильтре.

При осуществлении максимального возврата образующегося фильтрата на стадию подготовки субстрата для глубинной гетерофазной ферментации дрожжей рода Candida было проведено 6 циклов. В этом случае весь фильтрат предыдущей ферментации был использован для подготовки субстрата следующей ферментации, корректировку ферментационного объема до 1,5л проводили добавлением водопроводной воды (-30% отн.). Результаты этих экспериментов представлены в табл. 10 и рис. 4а и 46.

Таблица 10.

Результаты процесса культивирования дрожжей С. scottii КСБ при полной рециркуляции фильтрата.

Показатели процесса Стадии процесса

I П III IV V VI

1.РВ нач./кон., г/л 21,0/2,8 21,7/3,0 22,5/3,6 23,8/4,2 24,0/4,4 25,0/4,8

2.Потребление РВ, % 86,7 86,2 84,0 82,0 82,0 81,0

З.И нач./кон., млн. кл./мл 4,7/250 4,8/240 4,6/200 5,6/180 4,5/170 4,5/170

4.Время удвоения биомассы, ч. 1,5-2,0 2,0-2,5 3,0-3,5 3,0-3,5 3,0-3,5 3,0-3,5

5-й, ч-1 0,44 0,43 0,38 0,38 0,37 0,37

6. Содержание сырого протеина, %АСВ 18 19 18 16 16 16

7.Экономический коэффициент, млн.кл./г РВ 13,5 12,6 10,3 9,0 8,4 8,4

8.а л./мг.ч 300 300 280 280 280 270

Из табл. 10, рис. 4а и 46 видно, что в процессе рециркуляции произошло небольшое повышение начального содержания редуцирующих веществ и, соответственно, некоторое снижение уровня их потребления. Это, наверное, частично было обусловлено возвратом с фильтратом части трудноути-лизуемых углеводов. Произошло также некоторое снижение удельной скорости роста и экономического коэффициента процесса ферментации при возрастании времени удвоения биомассы с 2,5 до 3,5 часов. Однако все эти

изменения произошли только на первых 3 циклах, а после 4-го цикла все основные параметры ферментации стабилизировались на одном уровне, что доказывает возможность полной рециркуляции образующегося фильтрата, общее количество которого не превышает 70% отн. от всего объема исходной суспензии.

Кэ, млн. кл / г РВ. г/л

— - - - __ __ _____

в i Н В 1 1

I II III IV V VI

Стадии процесса

Стадии процесса

Рис. 4а. Изменение экономического коэффициента (Кэ) в процессе полной рециркуляции фильтрата по стадиям ферментации С. tropicalis СК-4 (твердая фаза - 8%АСВ багассы)

Рис. 46. Изменение содержания РВ в процессе полной рецикуляции фильтрата по стадиям ферментации дрожжей С. tropicalis СК-4 (твердая фаза - 8,0%АСВ багассы).

а Начальное количество РВ ■ Конечное количество РВ

Таким образом, на основании проведенных экспериментов был подобран штамм-продуцент белка и определены основные технологические параметры отдельных стадий процесса получения РУБК на основе багассы сахарного тростника, наработан образец готового продукта. Полученные результаты исследований позволяют провести разработку и расчет технологической схемы процесса получения РУБК, а также выполнить подбор основного оборудования.

Апгаратурно-тешологическая схема получения РУБК па оаювс (игассьг сахарного тростника по энергосберегающей и малоотходной технологии.

На основании анализа литературных данных и полученных в работе экспериментальных результатов для получения РУБК была предложена модульная установка, включающая следующие основные стадии:

• подготовка, измельчение и приготовление водной суспензии из багассы с содержанием 8 % АСВ;

• термообработка полученной суспензии (разваривание);

• приготовление раствора питательных солей;

• выращивание засевной культуры дрожжей (размножение посевного материала) в отделении чистой культуры;

• культивирование дрожжей в основном аппарате в присутствии твердой фазы;

• деэмульгирование и плазмолиз полученной дрожжевой суспензии;

• фильтрование послеферментационной среды;

• сушка полученной пасты до гранулированного продукта;

• упаковка и хранение готового продукта (РУБК).

В случае использования жидкого кормового продукта (содержание сухих веществ 7-8% АСВ, в том числе 2-3% сырого протеина) из технологической схемы исключаются стадии фильтрования, сушки и упаковки готового продукта. Однако в этом случае время от плазмолиза до скармливания жидкого углеводно-белкового продукта не должно превышать 6 часов.

Предлагаемая схема применима как для крупнотоннажного производства, так и для малотоннажного производства, позволяет использовать не только местное сырье, но и применять технологическое оборудование, используемое при производстве кормов на комбикормовых заводах или в кормоцехах.

Расчет модульной установки был проведен применительно к сахароперерабатывающему заводу Ван Дьен (Ханой, Вьетнам) с количеством отходов стеблей сахарного тростника — багассы 18 тыс. т. за год, что позволяет получать 8400 т сухого РУБК. В результате выполненного расчета были получены данные, необходимые для подбора основного оборудования, наиболее важными из которого являются:

1. Приемный бункер емкостью 50-100 м3-1 шт.

2. Бункер - питатель емкостью 20-25 м3- 1 шт.

3. Багассорезка - измельчитель центробежного типа -I шт.

4.- Установка для термообработки 40-50 м3/ч водной суспензии багассы -1 шт.

5. Ферментер посевной рабочим объемом 5 м3 из нержавеющей стали, отношение Н/Д >2:1, снабженный системами подвода суспензии, воздуха, пеногасителя, питательных солей, измерения и поддержания температуры,

рН, отводом отходящего воздуха и дрожжевой суспензии, а также обеспечивающий активное перемешивание придонного слоя суспензии и выдерживающий повышение давления до 0,2 МРа - 2 шт.

6. Основной ферментер рабочим объемом 100 м3, снабженный теми же системами, что и посевной аппарат - Зшт.

7. Воздуходувка производительностью 150 нм3/мин., обеспечивающая активное аэрирование среды - 3 шт.

8. Ленточный (или барабанный) фильтр с фильтрующим материалом ПФК 7017 и поверхностью фильтрования 25 м2-! нгг.

9. Гранулятор-плазмолизатор типа ГФШ-200-2 производительностью 3,5-4,0 т. пасты/час, используемый при сушке травы в процессе получения кормов - 3 шт.

10.Ленточная или барабанная сушилка производительностью по испаряемой влаге 3,0-3,5 т./ч - 2 шт.

11 .Сборник-дозатор готового продукта с дозировочным устройством для наполнения крафт-мешков - 2 шт.

Все перечисленное оборудование должно быть обвязано в соответствии с технологической схемой, представленной на рис. 5, иметь необходимую запорную арматуру, промежуточные емкости, КИП и насосы.

Описание технологической схемы. Багасса из приемного бункера подается в багассорезку, а затем в приемную емкость-смеситель 1, где смешивается с раствором питательных солей. Значение рН полученной пульпы доводится до 1,5-3,0 подачей серной кислоты. Полученная пульпа насосом 2 непрерывно подается на установку термообработки 3, где нагревается острым паром до t°120-122°C и выдерживается в теплообменнике-выдерживателе 4 в течение 25-35 мин., затем охлаждается до t° 40-45°С. Охлажденная пульпа вместе с солями периодически поступает в аппарат чистой культуры 5 для выращивания чистой культуры, или в промежуточную емкость 8, из которой насосом 9 подается в основной ферментер 10.

Процесс ведут при непрерывном перемешивании и интенсивной аэрации. После набора 30-40 м3 пульпы в аппарат 10 вносят 2-3 м3 засевной культуры дрожжей из аппарата 5 и объем пульпы доводят до 100 м3. Ферментер переводят в безотборный режим работы.

Поддержание рН среды в обоих ферментерах осуществляют подачей аммиачной воды из сборника 6, а температуры - подачей охлаждающей воды в теплообменники.

Культивирование в безотборном режиме ведут до снижения концентрации углеводов менее 3,0 г/л, после чего переходят на отьемно-доливной режим. Когда дрожжевая суспензия в количестве 12-14 м3 периодически перекачивается из ферментера 10 в деэмульгатор 12 объемом 15м3, а в ферментер 10 подается новая порция исходной пульпы из сборника 8.

багасса

Рис. 5. Технологическая схема получения РУБК из багассы сахарного тростника.

ГВВ на утилизацию

г

Резка

Воздух

Готовый продукт на упаковку и на склад

Дрожжевая суспензия с твердой фазой из сборника 12 поступает на ленточный фильтр 13 на фильтрование. Фильтрат насосом 17 откачивается в емкость 18 для приготовления питательной среды.

Паста, полученная в результате фильтрования, содержащая до 36 % АСВ, проходит через гранулягор-плазмолизатор 14, обогреваемый глухим паром, где биомасса инактивируется и формируются гранулы. Они поступают на ленточную сушилку 15, где их сушат горячим воздухом. Сухие гранулы поступают в бункер-накопитель 16, затариваются в крафт-мешки и направляются на склад готовой продукции.

Технико-экономическая оценка процесса показывает, что общее количество получаемого РУБК составляет 8400 т. в сезон. Общая величина единовременных затрат (строительство здания, приобретение и монтаж оборудования для выпуска сухого РУБК) составляет 750 тыс. у.е. (при получении жидкого продукта - 500 тыс. у.е.), себестоимость одной тоны РУБК - 132 у.е. Учитывая, что при скармливании 8000т/год готового продукта можно получать в хозяйстве за счет сбалансированности рационов дополнительно от 2000 до 4000 т. свинины при снижении ее себестоимости на 10-15 %, то с учетом затрат на строительство и эксплуатацию установки обеспечит срок окупаемости модуля около 2 лет.

Выводы:

1. Подобраны условия подготовки клубней топинамбура и багассы сахарного тростника, обеспечивающие хорошую фильтруемость получаемых суспензий и выход РВ 65-70% отн.; отобраны штаммы-продуценты кормового белка р. Candida для глубинной гетерофазной ферментации.

2. Экспериментально обоснованы режимы глубинного гетерофазного культивирования дрожжей С. tropicalis СК-4 и С. scottii КСБ в периодическом и отъемно-доливном режимах, позволяющие получать хорошо фильтрующиеся клеточные суспензии, содержащие до 320млн.кл/мл, что обеспечивало содержание белка в готовом продукте, включающем твердую фазу, до 35 %АСВ в случае топинамбура и 18%АСВ в случае багассы.

3. Подобраны режимы фильтрования, позволяющие проводить фильтрацию послеферменгациоиных суспензий через нетканые текстильные материалы с эффективностью не менее 90%. Доказана принципиальная возможность и обоснованы нормы рециркуляции фильтрата в технологическом процессе получения РУБК.

4. Разработана энергосберегающая малоотходная технология получения РУБК на основе топинамбура и багассы сахарного тростника с

использованием глубинного гетерофазного культивирования с последующей фильтрацией микробных суспензий и рециркуляцией получаемого фильтрата, которая позволяет исключить из производства энергоемкие способы концентрирования продуктов ферментации и значительно сократить количество стоков. Эта технология может быть реализована на модульных установках разной мощности, как в составе крупных промышленных предприятий, так и в малом масштабе непосредственно на месте накопления растительного сырья или отходов его переработки.

Проведен расчет технологической схемы получения РУБК на основе багассы сахарного тростника и выполнен подбор основного оборудования для модульной установки, перерабатывающей 18 ООО т багассы в сезон. Проведенная технико-экономическая оценка показала, что данное производство является высокорентабельным и имеет срок окупаемости не более 2 лет.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Фам Ань Кыонг, Шакир И.В., Панфилов В.И., Маиаков М.Н. голучение белка одноклеточных из багассы сахарного тростника. Биотехнология 1996, № 12, с. 44-49.

2. Фам Ань Кыонг, Шакир И.В., Панфилов В.И., Манаков М.Н. олучение белка одноклеточных из сахаросодержащего сырья по зергосберегающей технологии. //Тезисы докладов на "10-Международной энферснции молодых ученых по химии и химической технологии, МКХТ-5", 1996, с. 254.

3. Фам Ань Кыонг, Шакир И.В., Панфилов В.И., Манаков М.Н. ециркуляция культуралыюй жидкости при получении белка одноклеточных з растительного сырья. //Тезисы докладов "11-Международной конференции олодых ученых по химии и химической технологии, МКХТ-97", 1997, ч. 2, 73.

С

Заказ _Объем 1.Ы п. л._Тираж 100 экз.

Издательский центр РХТУ им. Д. И. Менделеева