Получение углеводно-белковых кормов гетерофазной ферментацией растительного сырья

Шакир, Ирина Васильевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Получение углеводно-белковых кормов гетерофазной ферментацией растительного сырья
ВАК РФ 03.00.23, Биотехнология

Автореферат диссертации по теме "Получение углеводно-белковых кормов гетерофазной ферментацией растительного сырья"

на правах рукописи

1ИАКИР ИРИНА ВАСИЛЬЕВНА

ПОЛУЧЕНИЕ УГЛЕВОДНО-БЕЛКОВЫХ КОРМОВ ГЕТЕРОФАЗНОЙ ФЕРМЕНТАЦИЕЙ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

03.00.23. - Биотехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА -1995

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

Научные руководители: доктор химических наук, профессор Михаил Николаевич Манаков;

кандидат технических наук, доцент Виктор Иванович Панфилов.

Официальные оппоненты : доктор технических наук

Александр К^ьевич Винаров;

кандидат технических наук Николай Алексеевич Жуков. Ведущая организация : Московская Государственная

Академия химического машиностроения (107884, г.Москва, ул.Старая Басманная, д.21/4)

/¿7

Защита состоится /с/ 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-информационном центре Российского химико-технологического университета им.Д.И. Менделеева. л

Автореферат разослан и</ " 1995 г.

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

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 053.34.13 кандидат биологических наук

И.И. Гусева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность теми. Одним из перспективных путей снижения дефицита белка в рационах сельскохозяйственных животных является получение кормового белка культивированием дрожжей на растительных гидролизатах. Такой процесс можно считать перспективным, поскольку растительное сырье является возобновляемым. Однако, невысокая эффективность процесса получения кормового белка на таких субстратах в значительной степени обусловлена сложностью и высоким» энерго-ватратами стадий концентрирования микробных суспензий, традиционно включавших флотацию, сепарацию и вакуум-выпаривание.

Предыдущими работами [Быков В. А. Прищепов Ф.А., 19893 было показано, что одним из способов интенсификаили процесса в целом является вовлечение твердых продуктов гидролиза в кормовые смеси путем проведения глубинного культивирования дрожжей на жидких гидролизных средах в присутствии неутилизируемой твердой фазы в виде лигнина или целлолигнина с получением хорошо фильтрующихся суспензий. При реализации такой технологии получаемый продукт представляет собой готовый растительный углеводно-белковый корм (.РУБК), имеющий в своем составе дрожжевой белок, углеводы и клетчатку. Подобный процесс позволяет получить ценный кормовой продукт по более простой технологии. Одновременно с получением РУЕК в этом варианте решается проблема утилизации лигнина.

Перспективным дополнительным источником углеводов может явиться сельскохозяйственное растительное сырье и его отходы, переработке которых на белковые кормовые добавки в настоящее время уделяется повышенное внимание, хотя рассредоточенность сырья делает строительство крупных заводов такого типа экономически нецелесообразным.

Поэтому нами Сило разработано получение РУБК по энергосберегающей технологии на модульных у> гановках.

Целые настоящей работы явилась разработка способа полуения РУБК методом гетерофазной глубинной ферментации дрожжей рода Candida на модульной установке по малоотходной и энергосберегающей технологии с использованием наиболее эффективного в средней полосе России углеводсодержащего растительного сырья - сахарной, кормовой свеклы и свекловичного жома.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: - разработка способов подготовки сырья к ферментации; выбор штамма- продуцента и подбор условий проведения гетеро-фаэного глубинного культивирования;

- е -

- изучение процесса культивирования в периодическом и отьемно-доливном режимах в лабораторных и опытно-промышленных условиях;

- изучение особенностей процесса выделения продукта по малоэнергоемкой технологии при использовании стадии фильтрации;

- проверка процесса получения РУЕК на основе корнеплодов свеклы в заводских условиях;

- разработка малоотходной технологии получения РУБК на модульной установке.

Научная новизна. Проведено системное исследование роста дрожжей рода Candida на углеводных средах, полученных гомогенизацией корнеплодов сахарной и кормовой свеклы и свекловичного жома беэ отделения твердой фазы. Разработан режим культивирования дрожжей С.tropicalis CK-4 и C.scottil КСБ, позволяющий получать плотные популяции до 600 млн.кл./мл с содержанием белка в готовом продукте, включая увердую фазу, до 4КДСВ. Подобраны режимы культивирования, позволявшие фильтровать получаемые суспензии через нетканые текстильные материалы с эффективностью не ниже 90*. Показана принципиальная ворможность и разработаны технологические нормы возврата Фильтрата на предварительные стадии процесса.

Практическая значимость. Разработаны основы малоотходной технологии получения РУБК, включающей гетерофазную глубинную ферментацию дрожжей р.Candida на углеводных средах с использованием стадии фильтрации дрожжевых суспензий и рециркуляции фильтрата, что позволяет исключить из технологической схемы энергоемкие стадии сепарации и вакуум-выпаривания. Показано, что разработанная технология применима для различных видов угл^водсодержащего растительного сырья и может быть реализована на модульных установках, работающих при крупных животноводческих комплексах, кормоцехах.или заводах, хранящих и перерабатывающих сельскохозяйственную продукцию.

Реализация результатов исследований. В условиях Береговского завода сухих кормовых дрожжей были проведены Z опытных пробега, в процессе которых переработано 300 т корнеплодов сахарной свеклы, наработало 42,0 т кормового углеводно-белкового продукта с содержанием сырого протеина 33-44,0Т. вес.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на Республиканской конференции "Биотрансформация растительного белка в белковые кормовые продукты" (Тбилиси,1987), Международном симпозиуме "Микробиальный протеин - производство и применение "(НРБ, София, 1988), Всесоюсной конференции "Лимитирование и ин-гибиропание роста микроорганизмов" (Пущино,1989), Всесоюзной кон-

ференции "Концепция создания экологически чистых регионов'ЧВолгог-рад, 1991),3-rd German-Russian Workschop Biotectmology ,Ber 1 In, 1U94.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных раСот и получено 5 авторских свидетельств.

Объем и структура работы. Работа состоит иа введения, обзора литературы, описания методики исследований, ? глав с наложением экспериментальных результатов и их обсуждением, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 213 стр. машинописного текста и содержит 30 таблиц и 19 рисунков. Список литературы включает 2УЗ наименования работ, из них 69 работ зарубежных авторов,

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано общее представление о решаемой в работе ва-даче, обоснована необходимость и показана актуальность создания установок для получения РУБК по малоотходной технологии с исполъ-вованием возобновляемого растительного сырья.

В главе 1 представлен обзор научных публикаций, посвященных проблеме получения кормовых белковых продуктов с использованием растительного сырья. На основании анализа и в соответствии с выводами из литературного обзора и имеющейся информации показано, что главными недостатками существующих технологических процессов переработки растительного сырья являются высокая энергоемкость, и низкая экологичность процесса. Сформулированы цели и задачи настоящей работы.

В главе 2 описаны методы проведения экспериментов, иооснован выбор объектов исследований и дана подробная характеристика сырья - корнеплодов кормовой и сахарной свеклы, свекловичного жома , а также питательных сред. Определены способы подготовки выбранного сырья с учетом высокого выход* редуцирующих ьещесто (РВ) и хорошей фильтруемости получаемой водной суспензии.

Первичный отбор продуцентов для гетерофааного культивирования проводили среди штаммов дрожжей рода Candida - С', tropicalis,C.uti-lls, C.scottil, широко применяемых при промышленном получении кормового белка из гидролизатов растительного сырья. В каче^'ве критерия для сравнительной оценки использовали удельную скорость роста, полноту потребления РВ, длительность лаг-фазы и накопление белка в биомассе. Всего тестировано в лабораторных условиях на среде Ридер с свекловичной пульпой IV штаммов, 5 из которых отобраны для последующего исследования в лабораторном ферментере АН-

КУМ-2 с рабочим объемом 1,5л. Одновременно в экспериментах, ре-рультати которых предстзвлены в табл.1, определяли скорость фильтрации и задерживающую способность фильтра для различных дрожжевых суспензий.

Таблица 1.

Результаты тестирования некоторых штаммов дрожжей p.Candida при выращивании в присутствии твердой флзы в периодическом режиме.

1 IC.utllis i ВСБ-8011 i 0.71 1 1,3-1 ,5 i 1 32,3 1 58 |

|С.scot til ВСБ-5921 0,67 1 0,5-1 .0 1 34,8 1 336 |

IC.scottll ВСБ-6721 23,31 0.44 1 1,5-1 .7 1 24,9 1 385 |

IC.scott11 КСВ | 95,11 0,65 1 0,5-1 .0 1 35,1 1 320 |

|C. tropical Is CK-41 < 1 94,51 i 0.66 1 0,5-1 i ,0 1 34,8 I 282 | > '

Из табл.1 видно, что высокая удельная скорость роста 0,65-0,71 час"1 характерна для большинства исследованных штаммов. Продолжительность лаг-фазы у штаммов ВСБ-592, КСВ и СК-4 не превышала 1 часа. Наиболее высокая скорость потребления РВ составляла 3,5-4,0 г/л • час при степени их потребления 95-97%отн. Наибольшее содержание истинного белка определено в биомассе штаммов КСБ, ВСБ-592 и СК-4. При оценке скорости Фильтрации и степени осветления дрожжевых суспензий , получаемых при культивировании с твердой фазой, наибольшая скорость фильтрации (3?0-380 л/м'-час) выявлена для C.scottll, однако при фильтрации С.tropicalls СК-4 достигается более высокая степень осветления культуральной жидкости.

Содержание сырого протеина в готовом продукте составляло 39-45ZACB ДЛЯ штаммов КСБ, ВСЕ-592, ВСВ-801.

Процесс культивирования в водной суспензии измельченных корнеплодов свеклы или свекловичного жома в лабораторных условиях осуществляли в качалочных колоах со 100 мл питательной среды при перемешивании 120-160 об/мин., температуре 32-34°С, а также в лабораторном ферментере АНКУМ-2, снабженном барботером с подачей воздуха до 35 л/час, турбинной мешалкой, обеспечивающей гнтенсив-ность перемешивания 800-1200 об/мин., и термостатом, при рабочем объеме 1,5л. Значение рН на заданном уровне (4,5-4,8) поддерживали

добавлением в ферментационную среду 5%-ного водного раствора аммиака. служившего одновременно и дополнительным источником азота в среде. Доза посевного материала составляла 5%об. Культивирование отъемно-доливным способом проводили в тек же условиях, отбирая примерно 1/10 часть ферментационной среды и добавляя свежую питательную среду - "пульпу" - до первоначального уровня.

В промышленных условиях культивирование проводили в аппаратах объемом 5.0 и 320 м3 при коэффициенте заполнения 0,5-0,6 и начальном значении рН 4,4-4,5.

По результатам экспериментов рассчитывали экономический коэффициент потребления субстрата и удельную скорость роста клеток. Истинный белок определяли методом Барнштейна, содержание редуцирующих веществ - фенол-серным методом, общего фосфора - методом Бриггса, нуклеиновых кислот - по методу Спирина, титр клеток дрожжевой суспензии, а также содержание клеток в фильтрате культураль-ной жидкости - методом прямого подсчета в камере Горяева. Проницаемость фильтра (ХД) и эффективность фильтрации оценивали по изменению титра клеток в нативной суспензии (МСУСп.) и фильтрате (Мфильтр). скорости процесса фильтрации 10,л/мгчас), а также но степени осветления культуральной жидкости ' К=100/Х; или К= МСусп.: Мфильтр., где Х-проницаемость фильтра, N - количество клеток культуры в суспензии и фильтрате соответственно).

Культивирование осуществляли в температурном диапазоне 30-34°0, рн 4,5 , аэрации 1,0 л/л среды. Дозу посевного материала варьировали в количестве 5-10% от объема питательной среды .

Подготовка растительного сырья для проведения глубинного ге-терофазного культивирования дрожжей включала такие стадии как мойка, измельчение, получение суспензии измельченных корнеплодов в водопроводной воде (пульпы), а также термообработку полученной суспензии.

Были исследованы 4 способа измельчения корнеплодов :

- 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 картофелетерсчной машине;

- измельчение с помощью гомогенизатора 5Т-2, что обеспечивало степень измельчения до получения частиц размером 1-3 мм.

На основании сравнения степени измельчения, энергозатрат и

фильтруемости суспензий после их термообработки был выбран способ немельчения клубней на крупной терке. Предварительными экспериментами было показано,что после термообработки щелочных (рН выше 8,5) суспензий получаются плохо Фильтрующиеся пульпы, поэтому изучение влияния режимов термообработки и кислотности исходной пульпы проводилось в интервапе рН -1,0-7,1; Р »0,1-0,3 МРа и Т -10-40 мин. 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 термообработки и кислотности суспензии с учетом их Фильтруемости представлены в табл.2.

Таблица 2.

Влияние термообработки (время экспозиции 30 мин.) и кислотности суспензии (гидромодуль 10) кормовой свеклы на выход РВ и фильтруемость "пульпы".

1---'

Скорость фильтрования,л/м2час

I I

I РН Н

Выход РВ, X стн.

|сус-|нач. | после термообработки

пен-1

|ЗИИ | 20° I121° I 128°

134е

нач.

20е

после термообработки

121

128е

134е

|7,1 |32,5 |53,7 | 60,0

|4,0 |32,5 |53,7 | 60,0

|2,0 |32,5 |Г7,1 | 60,0

|1,0 |32,5 |58,7 | 50,5

I__1_I--1___

51.5 59,3 62,7 76,1

630 570 520 440

510 450

305 260

435 390 295 190

325 310 145 95

Из табл.2, видно, что при измельчении корнеплодов в раствор переходит до 32,5?отн, углеводов свеклы. Применение серной кислоты обеспечивает частичный гидролиз гемицеллюлозной и целлюлозной составляющей сырья, ' что поселяет увеличить выход углеводов до 76.*отн. при заметном снижении скорости фильтрации "пульпы". Это определяет выбор параметров термообработки - р.Ч не ниже 2,0, температура не выи? 128°С, гидромодуль 10, время обработки 10-30 мин. Установлено, что предварительное отделение водорастворимых углеводов - "промывка пульпы"- пер«'Д каждой следующей стадией термообработки при 120-134°С и рН 6,6-4.0 вызывает незначительное увеличение выхода РВ, что, вероятно, связано с уменипением доли разлагаемых моносахаридов. *

Учитывая, что культивирование с использованием этих суспензии в качестве питательней среды проводится при pH 4,5, для дальнейших исследований термообработке при температуре 121°-128°С в течение 30 мин. подвергались суспензии измельченных корнеплодов СЕеклы и свекловичного дома с pH - 4,0-5,0 и гидромодулем в-10.

В главе 3 представлены результаты изучения основных закономерностей глубинной гетероДОной ферментации штаммз дродлей С. tropicalis CK-4 и отработки оптимальных условий культивирования в периодическом и оттекно-долпенсц реллмах.

При подборе оптимального состава питательной среды для данного вида сырья за основу был принят минеральный состав среды Ридер. Учитывая, что в раствор переходит до 2'3 минеральных компонентов корнеплодов, исследовалась возможность использования обедненной среды Ридер, соответственно сред А,В,С и D, содержащих (в г/л.•: среда А-(NH4)2ИРО4-1,0; (NH4)2SO4-£,О;MfSOi'V Н2О-О,?; K2S04-0,74; среда B-(NH4)2S04 -3,0; MeS04-?Ho0-0,7; KH2PO4-I,0; среда С- (NH4) 2НРО4- 2,0; №504 • 7НоО-0,7; K.2SO4- 0,74; среда D- (МНд)¿НРО4-1,0; MffSO4'7 Н £0-О,V; K2SO4-O.74.

Необходимо отметить, что лучшие результаты были получены при введении источников азотного и фосфорного питания в виде диашоний ■фосфата. Результаты изучения влияния минерального состава среды на активность роста дрожжей С.tropicalis CK-4 представлены в табл.З.

Таблица 3.

Влияние минерального состава среды активность роста дрожжей С.tropicalis CK-4.'

1 1 | Ридер*I 10 1 11,0-1,5 0,64 1 3,1 |

1 А I 10 10,5-1,0 0,62 1 3,0 1

! В 1 10 12,0-3,0 0,44 1 3,4 1

I С I 10 11.0-1,5 0,45 1 2,2 (

1 D | 1 , ... 1 10 11.0-1.5 1 0,56 i 3.3 | 1 .

Нами было установлено, что для обеспечения максимальной скорости роста культуры в экспоненциальной фазе достаточно иметь минеральный состав среды Б, который и использовался во всех дальнейших эко-*

иериментах.

Проведение глубинного гетерофззного культивирования предполагает необходимость оценки влияния содержания твердой фазы в фермента-'Н'г,нной среде и определения эффективности Фильтрации получаемых дрожжевых суспензии. При изучении влияния повышения концентрации твердой фазы от 1,3 до ^.Е^мзсс. на показатели активности роста дрожжей наблюдалось увеличение продолжительности лаг-фазы в 1,5-2.0 ¡'а<?а и увеличение скорости потребления углеводного субстрата в экспоненциальной фазе роста с 2,5 до 5,5 г'л'час. Показано,что глубина потребления РВ не зависела от содержания твердой фазы, составляя во всех экспериментах 94-95*. Это связано с процессами сорбции клеток гультуры нз поверхности частиц твердей фазы и частичной десорбции вновь образующихся клеток с поверхности ТЕердои фазь: б ферментационную среду. Можно предположить, что увеличение лаг-фазы в данном случае является мнимым и скорее Е-гего связано с увеличением количества центров сорбции при повышении содержания твердой фазы и, соответственно, увеличением количества сорбированных клеток, измерить которое не представлялось возможным. Результаты экспериментов по периодическому культивированию дрожжей и фильтрации получаемых суспензий через фильтровальную бумагу представлены нз рис.1, 2 и в табл.4.

Таблица 4.

Влияние содержания твердой фазы е среде на процесс-ферментации дрожжей С. tropicalis СК-4 и фп.-ьтруемости получаемых суспензии.

i-i--1-;-:-¡--1

|Ссдер- ¡Еремя ¡Лаг-фаза,¡Содержа- ¡Удельная 'Скорость | ¡жание (процесса! час. (нпе сырого!скорость ¡фильтрации,I

IТЕердой| час. ¡фазы," I

I-1-

|протеина,\!роста,час

Л/М'- чзс |

п, ,0 | I 8- 10 1 0, 6 ¡ 40 ! 0,41 1 -

li ,3 | 1 6- 9 Ю,5 - 1.51 34-35 1 0, ,42-0, ,44 ! 270

2, ,6 i 1 8- 10 10,75- 2,0| 35 -32 ! 0, ,45-0, ,4? I 280

э ,9 1 8- 10 11,3 - 3,0! 3-8-42 l 0, ,56-0, ,58 | 320

5 ,2 1 8- 10 12,4 - 3,0! 40-44 ! Г: t \ ,61-0, ,64 ¡ 340

Ч ' J ,5 .! ! 8- 10 12,4 - 3,0! 38-41 1 0, ,40-0, ,43 ¡ 250

Как.водно из табл.4, нанбогьшпи пра.'-гигческий интерес представляет Г ежим глубинного гетерофззного культивирования при-содержанки тверда фазы от 3,9 до 5,2% АСЕ, при котором обеспечив затея высокие пока-

вателн продуктивности на стадии фермеьтации и хорошая фильтруемость получаемых суспенэпй.

Культивирование дрожжей р.Candida ы лабораторных условиях осуществляли как в периодическом, так и в отъемно-долнвном режимах, переход к которому производили при снижении содержания углеводов в ферментационной среде до уровня 1,0-2,0 г/л и титре меток 260-StO млн. ' МЛ.

Все параметры ферментации поддерживали на заданном уррвне в течение всего процесса. Сравнение результатов культивирования в периодическом и отъемно-доливном режиме представлены в табл.5 .

Таблица 5.

Результаты культивирования С.tropicalis CK-4 в периодическом и отъемно-доливном режимах при содержании твердой фазы 4.57.АСВ.

О Р

Д а

М :

периодический / сгьемно-доливной

Время ферментации, час

РВ.гЛл

Скорость -i роста,

начальн. |кенечн.

час

-1

Титр клеток, млн./МЛ

Число циклов

Рид ер А

10'28 9-'35

ю /за

10/32

£5-'25 | 1,6.'1,6| 0,64

19 '19 | 1,4/1,5| 0.Б4

£0/20 | 0,9/1,5! 0,64

20/20 | 1,0/1,21 0,32

325/310 270/260 470/465 26С/260

0/7 0/9 0/13 0/11

Из таОл.5 еидно, что пр: проведениие ферментации в течение 36 чао. без повторного внесения инокулята практически не изменял^ титра клеток, а число почкующихся находилось на уровне 60-65Хотн.

Таким образом, была показана возможность глубинного гетерофаэ-ного культивирования дрожжей ь отгемно-додивном режиме Ое? снижения качества готового продукта. Зти режимы были алроСированы в опытно-промышленных испытаний.

РВ,г/л

ео

16 12 8

Рис.1. Культивирование С.tropicalis СК-4 в лабораторных условиях в отъемно-доливном режиме | - подача свежей питательной среды, -о- потребление РВ;

Рис.2. Эависш.гасть скорости роста культуры от концентрации твердой фзгы.

- u -

Глава 4 посвящена отработке режимов процесса фильтрации пооле-ферментационнсй суспензии и рециркуляции получаемого фильтрата -основных технологических стадий, обеспечивающих получение РУЕК по малоотходной и энергосберегающей технологии.

При подборе режимов концентрнроеэния суспензий дрожжей C.Lropi-calis СК-4 с трердой фазой были использованы ворлнка Еохнера диаметром 105 мм и емкостной Еакуум-фильтр (S -120 смг) о набором различных фильтрующих материалов.

Б ряде экспериментов при повышенном содержании остаточных FB (РВос1.> J>0 r/JI- в конце процесса ферментации получали суспензии, фильтрование которых было затруднено. Поэтому были проведены эксперименты по оценке эффективности фильтрации суспензий дрожжей от фазы роста и степени утилизации редуцирующих веществ в процессе периодического культивирования.

Результаты данных исследований представлены в табл.б.

Таблица 6.

влияние условий культивирования дрожжей на фильтруемость дрожжевых суспензий через бумажный фильтр

1 I Время 1 роста. 1 час Содержание РВ, г л 1 I Титр кле iI в сусленз тек,млн. -'мл 1 ии|в фил1трате 1 1 1 Скорость | Нфильтрации,I |(3, л'мгчзе I 1 Проница- 1 емость 1 V Т I

1 0 1 2,0 ! 1 1 1 - 1 I

| 1?,0 1 48,0 О! М 1 120 I 10,8 1

1 5 е,4 ! 108,9 1 6,1 | 200 1 5,6 |

! 8 1,2 i 198,0 1 4,0 1 300 | 2,1 I

1 ю У.? 1 2'_Ч, 0 1 i,e 1 ! 24П | I 1 1,1 1

Как видно и? табл.", лучянми показателями фильтруемости ( как по скорости фильтрования, так и по проницаемости фильтра) обладают суспензии, отобранные в конце логарифмической и начале стационарной Фазы, при лямнтигсвашт роста углерсдньи субстгзтсм. Р связи с этим все дальнейшие эксперименты пс кз'/чени^" фильтруемсгти дрожжевых суспензий проведши после снижения содержания РЕ в среде культивирования до концентрации менее 1,0 г'л, что свидетельствовало о переходе к замедленной фазе рогта культуры.

Подбор фильтрующих материалов проводили на основе наиболее распространенных, которые оценивали по таким технологическим пара-

- ifi -

метрам как удельная скорость фильтрации, их проницаемость и степень осветления культуральной жидкости, значения которых приведены в табл.7.

Таблица 7.

Результаты использования различных фильтрующих материалов для фильтрования суспензий С.tropicalis СК-4.

1 П. Фильтровальная | 1 1 1 1 1 1

1 бумага, 1 слой | 338,0 | 20,2 16,7| 5,9 I 320 |

12. Фильтровальная | 1 1 1

1 бумага, 2 слоя | 338,0 | 16,0 21.11 4,7 | 270 |

13. Еельтинг | 338,0 | 130,1 2,6| 38,6 | 440 |

14. Шелк | 338,0 | 65,3 3.61 27,7 I 550 |

16. Шерсть | 338,0 | 110,0 3,11 32,3 1 520 |

16. ПФК 7017, ВТИЛП| 338,0 | 35,0 9,7| 10,3 I 770 |

\7. ПФК 7017, ВТИЛП| 338,0 | 45,0 7,5| 13,3 I 820 |

18. L ПФК 38017,ЕТИЛП1 _____,_ _____ . 1 338,0 | 1 123,0 2,8| 1 35,7 1 680 | ' »

Как видно из табл.7, практический интерес представляют фильтры на основе нетканы/, текстильных материалов ВТ11ПП ПФК 7017, имеющие высокие технологические показатели и позволяющие пооле фильтрования получать пасту с содержанием 1Б-17ХСВ.

Для разработки г айкнутого цикла недоиспользования исследовано влияние вэеврата большей части фильтрата , образующегося после отде-. лешш биомассы при получении кормового продукта, на технологически? показатели фильтрата и параметры процесса ферментации.

Оценка количества получающегося фильтрата показывает, что при 4-х кратной его рециркуляции достигается практически полная его замена; анализ характеристик фильтратов при 4-х кратной его рециркуляции без добавления технологической воды показал, что на четвертой стадии процесса количество сухих веществ в фильтрате возрастает на 6\отн., сульфатов - на «г.отн., растворимого белка - на 16?;, а количество летучих органических кислот увеличивается почти вдвое. Результаты экспериментов представлены в табл.8 .

Таблица 8,

Результаты экспериментов по использованию Фильтрата

куль'гуральной жидкости при приготовлении питательной среди для гетерофазного культивирования.

Стадии п р о ц е с с- 3

Показатели

1.Концентрация РВ.г/л

I | 11 I 111 \ IV

2Э,0'1,4| '¿4,6/2,9 | 26,6/3,61 29,0/4,8

начальн./конечн.

2.Потребление РН, %

3.Титр меток млн.''мл:

94,0 | 88,1

ее,о | ез,4-

нзчзльн./конечн. 4.Время удвоения

7,9/281 | 7,2/270 | 7,0/254 | 8,4/247

биомассы, час.

5.Лаг-фага, час.

6.Скорость роста, чае

1,23 I 1,38 1,00 I 1,00

0,55! О.50

1,44 | 1,50 | 1,10 | 1,20 |

0,49 | 0,46 |

„I

Изменение концентрации субстрата и минеральных компоненте'' питания по стадиям Ферментации представлены на рис.-?,

Кг приведенных данных видно, что наиболее технологически оптимальным еэрсэятсм является 3-4-х кратная рециркуляция фильтрата при незначительном снижении держания сырого протеина (с 41 до 39'АСЕ) в готов-.« продукте.

При проведении же куль тарирования дро.».«ей СДгор1са11з СК-4 на среде- с фильтратом и добавкой технологической воды до исходного обгема в лабораторных условиях, в течение б циклов скорость потребления редуцирующих веществ составляла в среднем 5,5-9,0 г/л час при начал* ной концентрации РР 20,0 г'л, концентрация сырого протеина -40, о V. СЕ?,' з скорость Фильтрации ферментационной суспензии через ДВУХСЛОЙНЫЙ бумажный ФИЛЬТР - ?20 Л/М?'Ч2С,

В результате проведенных экспериментов показана принципиальная вогюжноегь согдания процегса получения кормового углеводно-.белково-го продукта с замкнутым циклем водоисполь ?свэння при многократном возврате фильтрата на стадию приготовления питательной среды.

В главе 5 приведены результаты проверки процесса получения РУБК на сонове корнеплодов сахарной свеклы в промышленных условиях, з также разработки малоотходной технологии его получения из углеводсо-держащего сырья на модульной установке.

тго

Белок

Объем Фильтрата

Рискасса

ТОО

100

1У

Рис.З. Изменение обгема фильтрата, концентрации биомассы и растворимого белка по стадиям ферментации при использовании фильтрата для приготовления среды.

I, П, Ш, 1У - стадии процесса

С, *

I ГО»

ЮО

X п Ш 1У 1. II ш ТГ

I — г 3

Рио.4. Изменение концентрации минеральных компонентов в фильтратах, полученных с разных стадий процесса 1- 5042"; 2- Р043"; 3- К1".

Опытно-промышленные испытания процесса, получения РУБК. с использованием измельченных корнеплодов сахарной свеклы проводили на Еере-гоеском зэЕоде сухих кормовых дрожжей. Глубинно? гетерофззное культивирование дрожжей е периодическом режиме осуществляли последовательно в 2-х аппаратах объемами 5 м5 (рабочий оЗъем -2,5 м3) и 320 м3 (рабочий объем 120-1Э0 м3). В аппарате объемом 5 м3 в течение 6-7 часов при рЧ 4,5 и начальном содержании РВ 20-35 г/л ( начальный титр клеток культуры ?7-<з,з члн.кл. 'мл } нзкг,плвнг® бкпмтгсн достигало 300-400 млн.кл./мл при потреблении РВ до 95*.; продолжительность лаг-фаеы 2,0 часа, удельная скорость роста 0,3-0,4 час"1, а скорость потребления РВ в экспоненциальной фазе роста от 2,7 до 4,3 г'л чао. Готовый продукт содержал 42,0-45,ОХ АСВ сырого протеина.

В ферментере объемом 320 м3 за 6-8 часов культивирования концентрация клеток возрастала с 20,0 млн.кл./мл до 400-600 млн.кл./мл, время лаг-фазы не превышало 1,5 часов, скорость потребления редуцирующих веществ составляла 4,1-4,5 г/л час, а скорость роста в экспоненциальной фазе 0,49 - 0,57 час'1. При работе в отъемно-доливном реяиме процесс проводили как в одном, так и в двух параллельно работающих аппаратах. Время непрерывной работы составило 240 часов, причем подачу "пульпы" осуществляли с постепенным повышением содержания в ней '-ухих Е^це'-тв от 1,8 до 7,5ХАСР, что обеспечило содержание твердой фазы с дрожжами в послеферментационнсй суспензии до 4,5*АСВ. Результаты продленных испытаний представлены в табл.9 и рис.5 ,6.

Таблица 9.

Куль тивировччге р прс'/кш.ленном аппарате ( V «

Э20 м3)

Время РВ, |Титр клетск| ООъем ! Концентрация | 1 Сырой |

М" 1 к'сус;,. . ! спеды пульпы,*ЛСР | протеин, (

43'-. кг | млн. мл | 1 1 1.3 1 1 *.АСВ |

п 30 п 1 20 | ео 4,4 | 1

7* 0 п ! 190 I 65 4,5 I |

14** 1 э 1 310 I 120 5,0 | 38,6 |

40 1 б 1 230 1 115 ! 6,0 | 39,5 |

60 1 р ! 47 0 ! 120 7,0 | 42,9 |

120 1 2 ! 490 ! 150 7,Л | 44,3 |

1"0 п о 1 4"0 ! ;?о 7.0 | 43,8 |

0 о ! 450 ; 140 7,2 | 43,2 |

240 п з ! 450 . | 120 ?,5 1 42,2 |

* продолжение заполнения аппарата; ** начало работы в отгемно-доливном режиме.

В связи с тем, что при проведении испытаний не было технической возможности отделять продукт методом фильтрации, суспензия из ферментера поступала на стадию плазмолиза (содержание РВ не более 1,0 г/л), а затем - на распылительную сушилку. Готовый продукт представлял собой порошок светло-коричневого цвета с приятным хлебным запахом, влажностью 8-10£, зольностью 10-12?. В оптимальных условиях содержание сырого протеина достигало 44,0?АС'В, истинного белка 29-33?. Всего в ходе двух испытаний было переработано около 300 т сахарной свеклы, получена 42,0 тонны готового продукта. Усредненный расход корнеплодов сахарной свеклы составил 7,0 тонн на 1,0 тонну РУБК.

По итогам второго опытного пробего получено 35,5 т РУБК с содержанием сырого протеина 38-44%АСВ; проведена технико-экономическая оценка предлагаемой схемы процесса; рэгработано техническое задание; определен перечень основного оборудования для модульной установки по переработке 10000 т корнеплодов свеклы в сезон. В этом случае количество сухого РУБК состзеит 1500 - 1900 т в зависимости от вида сырья, которого по расчетам специалистов Агропромышленного комплекса Белгородской области и РХТУ им. Д.И.Менделеева [Моргунов А.Н., Маркина Н.С.,1990] достаточно для создания балансированных кормовых рационов в свинокомплексе для 15 - 20 тыс. голов.

Предлагаемая модульная установка по выпуску РУБК, блок-схема которой представлена на рис.7, позволяет использовать не только местное сырье, но и применить технологическое оборудование, имеющееся в регионе и используемое в основном при производстве кормов на комбикормовых еаводач или в кормоцехах.

В Зависимости от типа используемого сырья сухой готовый продукт (Р3п&) характеризуется следующими показателями, 7.АСВ:

растительное углеводсодержащие

сырье отходы

10-12 10-12

28-43 12-18

10-15 10-15

8-12 8-12

влажность сырой протеин углеводы волз

Рис.5. Потребление РВ при культивировании С.tropicalis СКв промышленных аппаратах объемом 5 м3 (-о-) и 320 м3 (-х-).

врет, пао.

Рис.б. Накопление биомассы при культивировании в промышленных аппаратах объемом б м3 (-о-) и гго м3 (-о-).

на V утилизацию

| пульпа *-. пар

| гидролиаат т воздух

Исходное сырье

успензия-п |

пар п

I Ь

V жидкий РУБК

сухой РУБК

Рис.?. Блок-схема получения РУБК на основе углеводеодержащего растительного сырья

1-измельчение; 2-термообработка; 3-гетерогенная глубинная ферментация; 4-флпьтрация; 5,Б*- термоплазмолиз; в-сушка,Фасовка.

FVBK может выпускался как в сухом, тчк и жидким виде, щтп? и случа? получения жидкого продукта срок em реялизшши не должен пре-рыязть 6 ч^ов.

Полученный на модульной установке по малоотходной технологии РУЕК монет бь'ть использован в качестве белокгодер*зщ°Л доярки, поз-Р'""!пгщей снизить расходы комбикормов и сбапэн -ировзть по белку кормовые рзшстгы для сельскохозяйственных животнык и птицы и повысить vtv срвлносутпччые привесы. Использование F/БК позволяет получать до-ип.цнител!но до 70-90 кг свишжы на каддув тонну п^реробчтнт'т^мыг корнеплодов свеклы. Срок окупаемости одного модуля [Маркина U.C.,1992 J , перерабатывающего 10000 т корнеплодов свеклы за сезон и обеспечивающего крупный свиноводческий комплекс , не превышает 2-х лет

Выводы:

1. Подобраны условия подготовки корнеплодов свеклы и свекловичного жома к Ферментации и отобрзны штаммы-продуценты кормового белка

для г^тарофазного глубинного культивирования дрожжей p.Candida.

? Рэррэботэн процесс глубинного гетерофазного кулмивироррния дро».»ей p. Candida в пери-эдичегком и отгемно-доливном режимах, п*>д£# раны оптимальные условия его проведения с учетом хорошей фильтру0 мс'-ти по.т.'чаемых после ферментационных суспензий.

?. Изучен прспе-'- фильтрэшп* дрожжевых суспензий о твердой Фазой, подобраны фильтр1,та!-3 материалы и условия ее проведения,

4. Покззанз лриншпш<донзя вэзможносп практически полной ре-lUTT.wjm фил! rp-чтз KY.it турггьнсй жидкости в технологическом процессе, что позволяет получать готовый продукт по малоотходной техно

в. ПроЕедснз опыт но- пр' и шеннзя «проверка neuves тяу^ипя РУЬК на Еерегонсгом зчрпде су1 их кстчсрк» дрожжей, где ра два npoçp гз переработано ЭСЮ т корнеплодов сахарной свеклы и получено 42 т готоеого продукта с содержанием сырого протеина 38-44"АСВ.

б. На основе опытного пробега проведена те;:нико~экономическая ■:пенка '* под'-ср сановного до-рг»ия для с здания модульной у'-тч норки по перерялп—jnr.vi т корнеплодов свеклы •» с^а^н или -ww г'!ч""го количества свекловичного на сахарном заводе) с получением Р'-'НК по малоотходной и ?нерг-<-?лг*гчг№?й t^h:» тии, • «^¡»рл-чо техническое еадзик? па ее прэектиромни«.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы !

1. Шакир И.В., Панфилов В.И., Маркина Н.С., Манаков М.Н. Использование возобновляемого растительного сырья для получения белка одно-киеточных.// Биотехнология, 1992, N 2, с. 19-22.

2. Панфилов В.И., Шакир И.В., Кураков В.В., Манаков М.Н. Способ получения кормовой биомассы дрожжей. А.о.СССР N 1459235 от 26.11.8?.

3. Панфилов В.И., Манаков М.Н., Правдин В.Г., Шакир И.В, и др.Способ получения кормовой бпомзссы дрожжей.А.с.СССР N1512127 от30.08.68.

4. Манаков М.Н., Панфилов В.И., Маркина Н.С., Гнилицкий А.Т., Моргунов А.Н., Шакир И.В. Способ получения биомассы кормовых дрожжей. А.с.СССР N 1623202 от 4.01.90.

Б. Манаков M.Н..Борискина Г.Я., Шакир И.В. и др. Способ получения кормовой микробной биомассы. А.с.СССР N 1440024 от 31.08.87.

6. Манаков М.Н., Правдин В.Г., Панфилов В.И., Шакир И.В. и др. Способ получения кормовой дрожжевой биомассы. А.о. СССР N 1566720 от £5.04.89.

7. Панфилов В.И., Манаков М.Н., Шакир И.В., Правдин В.Г. и др. Получение нового белково-углеводного корма./'Тезисы докладов Республиканской конференции "Еиотрансформация растительного сырья в белковые кормовые продукты", Тбилиси, 1987.

8. Борискина Г.Я.,Манаков М.Н., Правдин В.Г.,Шакир И.В. и др. Получение кормовой микробной биомассы на гидролизатах свекловичного жома. Там же.

9. Панфилов В.К..Марквичев Н.С., Борискина Г.Я.,Шакир И.В., Манаков М.Н. Использование сахарной свеклы как источника белково-уг-леводной (кормовой добавки. Там же.

10. Манаков М.Н., Панфилов В.И., Шакир И.В., Борискина Г.Я. Проблемы производства микробного белка на углеводных средах с замкнутым циклом водоиспользоваиия. Международный симпосиум"Микроб-ный протеин-производство и применение", НРЕ, София, 1988.

11. Панфилов В.И., Шакир и.В., Бидлева Е.А., Манаков М.Н. Влияние твердой фазы на кинетические характеристики процесса культивирования дрожжей p.Candida. Тезисы Всесоюзной конференции "Лимитирование и кнгибирсЕание роста мпкроорганигмоЕ", Пущино, 1989 .

12. Монаков М.Н., Панфилов В.И.,Шакир И.В. Замкнутый цикл водоис-польгования в производстве растительно-белковых продуктов. Международный спитеiryw "Ингег0иотех-90", ЧССР, Братислава, 1990.

15. MruiSKOB H.H., Панфилов В.И., Шакир И.В. Использование замкну-

T~rZ IlîîKJIS £Л1 ?CBEKIÍH 5 ПрСКВЕСДСТБ1? УТЛ®БОДНО~С'^ЛКСВЫХ ТТрО~

-дуктов. Тезисы ■ Всесоюзной конференции "Концепция создания вкологи-

т-1 СKÎ* ЧАСТЫХ реГКСКСВ". В0ЛГГГр2£. .

¿4, ';",а.К1'Г . í . . ПНН^'ИГЮ^ ~. И, , МЗНЭКОВ М.Н. H--,«ZIYu'='Hií0

JSIJS тгит"r-jtjc j* T^PÎ'^h?

Till' У.г р"г НЩ'И ".vJÎ?rlî'!H И 7~У.НСЛ~ГИЯ ZЛЧЗр'"ТВ6*HНЪГ*' "Тс " ,

15. Manatov М., Psníiiov V., Krilcv I., Schaklr I. Mi:robiai aid

gy, Berlin, 1994.

15. Manakov M., Msrkvichev N.. Par.filev v., Korostelev v., Schakir I. Nev< rnethods cf ruling fermentation processes. 3-rd Эеггзп-Pesiar. WerKschop Eictechr.oioey, Berlin, 1994.

.4/

Информация о работе

Шакир, Ирина Васильевна
кандидата технических наук
Москва, 1995
ВАК 03.00.23

Автореферат

Похожие работы