Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Разработка ресурсо- и энергосберегающей технологии обогащения растительных отходов микробным белком

ВАК РФ 03.00.23, Биотехнология

Автореферат диссертации по теме "Разработка ресурсо- и энергосберегающей технологии обогащения растительных отходов микробным белком"

На правах рукописи

ОД

КУЛИНЕНКОВ ДМИТРИИ ОЛЕГОВИЧ ц

* 2 2 МАЙ 2000

РАЗРАБОТКА РЕСУРСО- И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ОБОГАЩЕНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОТХОДОВ МИКРОБНЫМ БЕЛКОМ

03.00.23. - Биотехнология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА-2000

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

Научные руководители:

кандидат технических наук, доцент Панфилов Виктор Иванович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент Шакир Ирина Васильевна

доктор технических наук, профессор член-корреспондент Международной Инженерной Академии Винаров Александр Юрьевич

доктор химических наук, профессор Сульман Эсфирь Михайловна

Вятский государственный технический университет

(610046, г. Вятка, ул. Коммуны, 36)

Защита состоится в /О-"-' 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.

Автореферат разослан " " 2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 053.34.13./ кандидат биологических наук С* / И. И. Гусева

Л и п

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время из-за высоких затрат на сырье и энергию традиционное производство кормового белка не является рентабельным. Поэтому в качестве субстратов для биосинтеза кормовых дрожжей вновь рассматривается возобновляемое растительное сырье как источник углеводов. При этом желательно использовать не только сельскохозяйственные культуры, но и образующиеся побочные продукты их переработки или отходы. В этом случае возможно получение дополнительного микробного белка для животноводства и одновременное решение проблемы утилизации отходов, загрязняющих окружающую среду.

Исследования последних лет показали, что процесс получения микробного белка может осуществляться только по ресурсо- и энергосберегающим малоотходным технологиям. К ним необходимо отнести гетерофазное глубинное культивирование дрожжей на углеводсодержащих субстратах как отходах растительного сырья. Улучшить технико-экономические показатели производства дрожжей возможно, если использовать стадию фильтрования вместо широко известных энергоемких процессов сепарации и вакуум-концентрирования микробных суспензий, с возвратом фильтрата на стадию приготовления питательной среды.

Проведенные ранее на кафедре биотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева исследования (Шакир И. В.) показали, что при гетерофазном культивировании дрожжей на отходах переработки сахарной свеклы клетки совместно с твердой фазой возможно отделять фильтрованием. Однако оптимальные режимы подготовки растительных субстратов и культивирования в конкретных условиях каждый раз должны уточняться для вносимых в среду источников углеводов, твердой фазы и продуцента с целью обеспечения наиболее эффективного проведения процесса. При таком подходе к технологии получения микробного белка представляется актуальным изучение вышеуказанных процессов.

Целью настоящей работы являлось определение основных закономерностей процессов подготовки субстратов и культивирования промышленных штаммов кормовых дрожжей в среде, содержащей твердую фазу, фильтрования микробных суспензий и разработка энергосберегающей малоотходной технологии получения кормового продукта, обогащенного белком.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: - изучение фильтрационных свойств суспензий, образующихся при гетерофазном глубинном культивировании дрожжей на подготовленных

субстратах;

- оценка влияния структуры субстрата на фильтруемость готовых микробных суспензий;

- разработка малоотходной энергосберегающей технологии получения углеводно-белкового кормового продукта при использовании различных по природе источников углеводного сырья;

- расчет технико-экономических показателей эффективности возможного производства кормового продукта на модульной установке.

Научная новизна работы. Установлены общие закономерности и причины изменения фильтрационных свойств дрожжевых суспензий при глубинном культивировании дрожжей на подготовленном углеводном сырье в присутствии неутилизируемой твердой фазы.

Показано влияние градиента концентрации субстрата в твердой и жидкой фазе при гетерофазном культивировании на эффективность прикрепления клеток дрожжей к твердым частицам сырья и, как следствие, на фильтрационные свойства ферментационной среды.

Выявлено преобладающее влияние структуры растительного сырья, используемого для приготовления питательных сред, на фильтрационные свойства получаемых дрожжевых суспензий.

Практическое значение работы. Разработана энергосберегающая малоотходная технология получения углеводно-белкового корма из клубней картофеля и кукурузной мезги на основе гетерофазного глубинного культивирования дрожжей с последующим фильтрованием и сушкой готового продукта и рециркуляцией фильтрата. Она исключает применение энергоемких стадий концентрирования продуктов ферментации сепарацией и вакуум-концентрирования суспензии и значительно сокращает отвод традиционных технологических стоков.

Выявлены общие закономерности процессов биосинтеза дрожжей на подготовленных углеводных субстратах и фильтрования, которые позволяют рекомендовать разработанную технологию к использованию на модульных установках как в составе крупных промышленных предприятий или кормоцехах, так и непосредственно на местах сбора растительного сырья или отходов его переработки-.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на 11 и 12 Международных конференциях молодых ученых по химии и химической технологии МКХТ-97 и МКХТ-98 (Москва, 1997, 1998), Международной конференции ISEB'97 Meeting: Bioremediation (Лейпциг, 1997) и ISEB'99 Meeting:

Biopolimers (Лейпциг, 1999), 13 Международном конгрессе по химии и химической технологии CHISA'98 (Прага, 1998), 3 и 4 международном конгрессе «Окружающая среда для нас и будущих поколений: экология, бизнес и экологическое образование» (Самара, 1998, 1999).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания методики исследований, 3 глав с изложением экспериментальных результатов и их обсуждением, выводов и списка литературы (135 наименований). Материал изложен на 152 страницах машинописного текста и содержит 27 таблиц, 18 рисунков и 1 приложение (23 страницы).

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены общие представления о решаемой в работе задаче, обоснована необходимость и показана актуальность исследования процесса получения микробного белка в целом, а также фильтрационных свойств ферментационных сред, полученных при гетерофазном культивировании в присутствии неутилизируемой твердой фазы.

В главе 1 представлен обзор научных публикаций по теме диссертации. В ней обсуждаются различные способы биотрансформации растительного сырья с получением белковых кормов, вопросы адсорбции микроорганизмов при культивировании, способы выделения биомассы, опыт исследователей по рециркуляции культуральной жидкости (КЖ). Отмечена перспективность и экономическая целесообразность применения культивирования в присутствии неутилизируемой твердой фазы с последующей фильтрацией полученной суспензии. На основании анализа литературных данных показана актуальность исследований по снижению энергоемкости и повышению экологичности процессов получения белковых кормов, изучения фильтруемости микробных суспензий, полученных при гетерофазном культивировании. Сформулированы цели и задачи настоящей работы.

В главе 2 описаны используемые в работе методы проведения анализов и приведены способы подготовки питательной среды, культивирования микроорганизмов, фильтрования дрожжевой суспензии.

В главе 3 представлены результаты экспериментов по исследованию зависимости фильтруемости дрожжевой суспензии от различных физико-химических и технологических параметров проведения процесса (фазы роста микроорганизмов, вида используемого сырья).

Анализируя данные, полученные на кафедре биотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева по использованию в качестве субстратов различного растительного сырья, такого, как свекла (кормовая, сахарная), багаса сахарного тростника и некоторые другие, а также результаты наших предварительных экспериментов на средах на основе послеспиртовой барды, было показано, что наиболее эффективные параметры фильтрования ферментационной среды достигаются в конце логарифмической - начале стационарной фазы роста микроорганизмов.

Одновременно прослеживается зависимость производительности фильтрования ферментационной среды от природы используемого сырья. По эффективности фильтрования микробной суспензии используемое растительное сырье было условно разделено нами на «малоструктурированное», для которого сложно добиться высоких значений фильтруемости, и «высокоструктурированное», обеспечивающее хорошую фильтруемость получаемых суспензий. Следует отметить, что такое разделение достаточно неоднозначно и зависит от целого ряда факторов. В качестве критерия разделения субстратов по структурированности нами использовалась эффективность осаждения суспензии после термообработки - скорость ее полуосветления.

Поэтому на первом этапе работы было изучено влияние присутствия и структуры частиц твердой фазы в среде на фильтруемость дрожжевых суспензий.

Для выполнения поставленной задачи проводили эксперименты по культивированию штамма дрожжей Candida tropicalis СК-4 на питательной среде Ридер с содержанием Сахаров 2% (среда Ф). В качестве твердой фазы в среду вносили отруби или свекловичный жом как «малоструктурированную», а также торф или волокнистую целлюлозу как «высокоструктурированную» твердую фазу в количестве 0,5-1,0% СВ. Результаты экспериментов представлены в табл. 1.

Таблица 1.

Производительность фильтрования (С|, л/(м2*ч)) дрожжевой суспензии с добавками твердой фазы.

Среда Время п роцесса, ч

0 I 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ф (Go) 850 850 840 840 820 815 800 780 750 715 650

Ф + торф 940 940 940 940 940 945 945 950 970 970 800

Ф + целлюлоза 980 980 990 990 990 995 1020 1020 1050 1050 870

Ф + отруби 830 825 820 810 800 795 790 780 770 760 610

Ф + свекл, жом 855 850 845 840 830 830 820 810 810 800 670

Как видно из табл. 1, добавление твердой фазы на стадии подготовки среды

существенно влияет на производительность фильтрования, причем «высокоструктурированное» сырье заметно улучшает параметры процесса.

Поскольку на предварительных этапах работы было показано, что наиболее эффективно фильтрование протекает в конце логарифмической ~ начале стационарной фазы роста, на следующем этапе изучалось влияние внесения на этой фазе роста микроорганизмов (8-ой час культивирования) добавок твердой фазы в среду без твердых частиц (среда Ф) на фильтруемость микробной суспензии. В первой серии экспериментов вносилась твердая фаза, не содержащая редуцирующих веществ (РВ), а концентрация РВ в среде в этот момент составляла 2-3 г/л (производительность фильтрования Оо')- В следующей серии экспериментов в ферментационную среду на той же фазе роста дрожжей вносилась твердая фаза, содержащая РВ в концентрации, равной их первоначальному содержанию в питательной среде (Со")- Полученные обобщенные результаты, а также результаты для одной из добавок (целлюлоза) представлены на рис. 1 и 2.

Из рис. 1 и 2 видно, что добавление твердой фазы в целом приводило к улучшению фильтруемости среды, что, по-видимому, происходит вследствие образования намывного слоя при фильтровании. Однако улучшение фильтрационных свойств дрожжевой суспензии может нивелироваться «малоструктурированностью» вносимой твердой фазы.

Внесение на 8-ом часу культивирования твердой фазы, содержащей РВ, независимо от ее структурированности, приводит к заметному повышению производительности процесса фильтрования.

Нам представляется, что в данных условиях улучшение фильтруемости ферментационной среды обуславливается наличием градиента концентрации РВ между жидкой и твердой фазой. В этом случае клетки дрожжей находятся в лимите по субстрату и интенсивно прикрепляются к частицам твердой фазы, увеличивая средний размер фильтруемых частиц, что приводит к улучшению фильтрационных свойств среды.

Для подтверждения влияния градиента концентрации РВ на фильтруемость дрожжевой суспензии были проведены эксперименты, когда твердая фаза вносилась в ферментационную среду через 0,5-1 час после начала стационарной фазы роста микроорганизмов при значительном падении фильтруемости. В этом случае в среду, содержащую твердую фазу, на 10-м часу культивирования вносили дополнительную твердую фазу, не содержащую и содержащую РВ. Результаты экспериментов представлены в табл. 2.

30 25 20 15 10 5 О

: ' ; | х-А

: I : I ' /! ' _ / ... !

! ! ! ! ! !./

' ' ' 1 1 |

I ! . 1 |_ . __ ■ 1 г '

! ! 1 | 1(-щ-я-»-■-щ-щ-_1 1

1 2 3 4 5 6 7 Время, час

-♦-Торф -А-Целлюлоза -•-Отруби -Ж-Св.жом

8 9 10

Рис. 1. Изменение фильтруемости среды при внесении твердой фазы, не содержащей (О0') и содержащей (Со") РВ.

Время, час

НВ-(С1-С0)/в0*100% (ЭО'-СОуСОЧ 00% -*-(С0"-С0)«30*100%

Рис. 2. Влияние внесения целлюлозы как твердой фазы на фильтруемость среды.

Таблица 2.

Производительность фильтрования (в, л/(м2*ч)) дрожжевой суспензии с внесением дополнительной твердой фазы.

Среда Дополнительная тв. фаза Время процесса, ч

0 2. 4 6 8 9 10* 10,2 11

Ф (бо) — 850 840 820 800 750 715 650 600 520

Ф+торф Без РВ 940 940 940 945 970 970 800 920 930

сРВ 940 940 940 945 970 970 800 960 970

Ф+целлю-лоза БезРВ 980 990 990 1020 1050 1050 870 980 1000

сРВ 980 990 990 1020 1050 1050 870 1040 1055

Ф+отруби БезРВ 830 820 800 790 770 760 610 600 580

сРВ 830 820 800 790 770 760 610 640 640

Ф+св. жом безРВ 855 845 830 820 810 800 670 700 670

сРВ 855 845 830 820 810 800 670 800 810

* - внесение дополнительной твердой фазы

Из табл. 2 видно, что внесение в среду с невысокой фильтруемостью (микроорганизмы находятся в стационарной фазе роста) дополнительной твердой фазы, содержащей РВ, восстанавливает фильтруемость суспензии до максимального уровня в случае использования «высокоструктурированного» сырья. При внесении «низкоструктурированного» сырья (жом, отруби), содержащего РВ, фильтруемость также повышается, однако свойства сырья в данном случае делают эти изменения менее значительными и заметными.

Таким образом, показано, что градиент концентрации РВ, помимо структурированности сырья, является определяющим фактором в процессе прикрепления клеток микроорганизмов к твердой фазе.

На основе проведенных экспериментов нами было установлено, что при глубинном гетерофазном культивировании микроорганизмов на средах, содержащих твердую фазу, максимально высокие параметры фильтрования наблюдаются в конце логарифмической - начале стационарной фазы роста микроорганизмов. Данная закономерность в значительной степени объясняется прикреплением клеток продуцента к частицам твердой фазы, которое в первую очередь обусловлено наличием градиента концентраций РВ между твердой и жидкой фазой.

Показано влияние структуры твердой фазы на фильтруемость ферментационной среды. Так, «малоструктурированная» твердая фаза может снижать производительность фильтрования микробной суспензии даже в оптимальных условиях. В подобных случаях общие параметры фильтруемости

среды остаются невысокими, что требует изучения дополнительных способов повышения эффективности процесса фильтрования.

В главе 4 приведены результаты экспериментов по получению хорошо фильтрующихся ферментационных сред для каждого типа сырья -«малоструктурированного» и «высокоструктурированного» как основы реализации предлагаемой энергосберегающей малоотходной технологии получения растительного углеводно-белкового корма (РУБК) на любом виде сырья. В качестве первого использовались клубни картофеля, второго -кукурузная мезга. Такое сырье имеется в достаточном количестве и может быть использовано для обогащения его микробным белком.

В работе использовался постадийный вариант изучения и оптимизации процесса, который может быть рекомендован для других исследований.

Сначала изучалась стадия подготовки среды - приготовление суспензии измельченного сырья в воде и ее термообработка с учетом получения хорошо фильтрующихся суспензий при наиболее полном выходе РВ.

Затем подбирался штамм-продуцент для гетерофазного культивирования среди используемых при получении кормового белка на растительном сырье. При сравнительной оценке определяли удельную скорость роста (р, час"1), полноту потребления РВ (%), накопление белка в биомассе (% АСВ), а также удельную скорость фильтрации (в, л/(м2*ч)) и проницаемость фильтра (X, %).

Гетерофазное культивирование проводили на ферментационной установке АНКУМ-2 с рабочим объемом 1,5л. Особое внимание уделялось влиянию фазы роста дрожжей, рН, температуры КЖ на фильтруемость получаемых суспензий, оцениваемой по скорости процесса и проницаемости фильтра.

При изучении стадии фильтрования проводили подбор условий осуществления процесса и фильтрующих материалов. В опытах использовали лабораторный нутч-фильтр, работающий под вакуумом. Для сушки осадка предполагалось использовать ленточную сушилку, работа которой имитировалась высушиванием в сушильном шкафу на противнях.

Разработка замкнутого цикла водоиспользования включала изучение влияния многократного повторного использования фильтрата, образующегося после отделения биомассы, на общие технологические показатели процесса.

В разделе 4.1 представлены результаты экспериментов по исследованию возможности использования клубней картофеля, как примера «малоструктурированного» сырья, для получения белкового кормового продукта по энергосберегающей малоотходной технологии.

В работе использовали картофель с содержанием сухих веществ 30%.

Клубни измельчали, проводили термообработку суспензии картофельной стружки в воде в лабораторном автоклаве ВК-75 при повышенном давлении. Значение pH среды устанавливалось концентрированной серной кислотой.

На первом этапе определяли оптимальные условия подготовки среды с учетом не только выхода РВ, но и фильтруемости полученных суспензий. По данным предварительных экспериментов при температуре обработки 120-125°С до 90%отн РВ накапливается в растворе в течение первых 30 минут и далее практически не изменяется, а повышение температуры процесса снижает фильтруемость суспензии. Обработка измельченного картофеля при пониженной кислотности среды показала, что при рН=1,0 и ниже обеспечивается высокий процент выхода РВ и хорошие фильтрационные свойства среды. Однако проверка сред на доброкачественность выявила, что наилучшие параметры накопления биомассы и удельной скорости роста наблюдаются на средах после термообработки при рН=1,0-1,2. Поэтому данные условия подготовки среды использовались в дальнейшей работе.

Далее осуществлялся подбор штаммов-продуцентов белка среди дрожжей, широко применяемых в промышленности. На заключительном этапе комплексную оценку проводили для 5 штаммов: Candida tropicalis СК-4, С. utilis ВСБ-801, С. scottii КСБ, С. maltosa 542 с высокими параметрами роста на растительном сырье, а также Endomycopsis fibuligera С-2 с максимальными показателями фильтруемости. Полученные результаты представлены в табл. 3.

Таблица 3.

Культивирование различных штаммов-продуцентов на средах на основе клубней картофеля.

Штамм-продуцент Потребление РВ, % (NmM-N0), млн. кл/мл Скорость роста, (i, час"1 Истинный белок, %СВ Произв-сть фильтрования, G, л/(м2*ч)

C.tropicalis СК-4 95 690 0,48 39,1 75

C.utiiis ВСБ-801 93 470 0,38 37,9 80

С .scottii КСБ 87 430 0,42 36,9 75

C.maltosa 542 89 310 0,40 36,0 85

End.fibuligera С-2 93 440 0,45 38,4 280

Из табл. 3 видно, что максимальная величина скорости роста (0,48час"') была отмечена у штамма С. tropicalis СК-4. Относительно высокая фильтруемость для дрожжей End. fibuligera вероятно связана со способностью культуры

образовывать мицелий в фазе замедленного роста. Производительность процесса в этом случае достигает 280 л/(м2*ч) при проницаемости фильтра не более 1-2%.

Поэтому в последующих экспериментах использовали штамм End. fibuligera С-2, для которого отмечали наилучшие параметры фильтрования при достаточно высоком потреблении РВ, накоплении белка и скорости роста, а также штамм С. tropicalis СК-4, показавший низкую скорость фильтрования, но превосходивший другие штаммы по накоплению биомассы и содержанию белка в продукте.

На следующем этапе работы исследовалось влияние содержания твердой фазы на параметры культивирования дрожжей и фильтруемость ферментационной среды. Результаты экспериментов представлены в табл. 4.

Таблица 4.

Влияние содержания твердой фазы в среде на процесс культивирования дрожжей ЕпсЬтусорэха ПЬи^ега С-2.

Содержание исходной твердой фазы, % 0,0 3,0 4,5 6,0 7,5 9,0 10,5

Накопление биомассы, СКпах^о), МЛН.КЛ/МЛ 155 165 200 305 330 350 110

Потребление РВ, % 89 91 91 88 86 79 70

Удельная скорость роста, ц, час"1 0,40 0,42 0,45 0,46 0,45 0,44 0,42

Сырой протеин, %СВ 48,8 54,3 52,0 49,4 49,2 44,6 43,4

Производительность фильтрования, в, л/(м2*ч) 150 230 250 210 160 60 45

Как видно из табл. 4, при увеличении содержания твердой фазы в среде процент потребления РВ снижается с 91 до 70, накопление биомассы увеличивается вплоть до 9% твердой фазы, затем резко снижается из-за затруднения массообмена. Наибольший показатель скорости роста составлял 0,46 час"' при 6,0% тв. фазы. Содержание сырого протеина понижалось с увеличением концентрации твердой фазы вследствие повышения концентрации непрогидролизованного остатка картофеля в готовом продукте. Эффективность фильтрации была наибольшей при содержании твердой фазы от 3 до 6%.

Таким образом, наибольший практический интерес, с точки зрения продуктивности ферментации и фильтруемости дрожжевых суспензий, представляет культивирование при содержании твердой фазы от 4,5 до 6%.

Одним из способов повышения эффективности стадии ферментации

является использование отъемно-доливного культивирования. В экспериментах переход к отъемно-доливному процессу производили путем отбора 10%об. в час, начиная с 9-10-го часа ферментации - начала фазы замедленного роста.

Культивирование в отьемно-доливном режиме не приводило к снижению эффективности процесса выращивания дрожжей. Содержание сырого протеина в полученном в экспериментах готовом продукте оставалось на уровне 49-51%. Следует отметить, что производительность фильтрования в этом случае была практически неизменной и составляла 250-270 л/(м2*ч).

Аналогичные результаты были получены и при изучении влияния содержания твердой фазы на процесс культивирования дрожжевого штамма СДгорюаПБ СК-4 как в периодическом, так и в отъемно-доливном режиме.

При изучении стадии фильтрования проводили подбор фильтрующих материалов среди нетканых текстильных материалов "ВТИЛП", которые в предварительных экспериментах показали высокую скорость фильтрования и низкую проницаемость для дрожжевых клеток. Результаты экспериментов представлены в табл. 5.

Таблица 5.

Результаты экспериментов по подбору фильтрующих материалов.

Фильтрующий материал End.fibululi géra С-2 C.tropicalis СК-4

Производительность фильтрования, G, л/(м2*ч) Проницаемость фильтра, Х,% Производительность фильтрования, G, л/(м2*ч) Проницаемость фильтра, Х,%

Фильтр, бумага 270 1,2 80 0,4

Технический шелк 275 0,9 95 2,2

Шерсть 365 8,7 560 34,5

Бельтинг 1 210 0,7 195 4,6

Бельтинг 2 330 3,7 180 9,0

ПФК 38.0.17. 350 7,1 300 22,0

Как видно из табл. 5, некоторые фильтрующие материалы (бельтинг, шелк, шерсть, ПФК) позволяют получить большую степень осветления КЖ при высокой скорости процесса. Во всех экспериментах дрожжевые суспензии давали на фильтре плотный осадок с содержанием сухих веществ не менее 18%АСВ.

Затем проводилось исследование влияния параметров среды на ее фильтрационные свойства, включавшее эксперименты по определению зависимости фильтруемости дрожжевой суспензии от рН и температуры, результаты которого представлены на рис. 3 и 4. Показано, что оптимальными с

рН среды

- С.ЬорюаПэ -ш~ Епс1.йЬи1|'дега !

Рис. 3. Зависимость фильтруемости дрожжевой суспензии СДгор^аПэ СК-4 и ЕшШЬи^ега С-2 через бумажный фильтр отрН среды.

Температура, С

-С.&ордаПз -»-ЕгкЗ.АЬиПдега

Рис. 4. Зависимость фильтруемости дрожжевой суспензии СЛгорюаНэ СК-4 и Еп(1.йЬи^ега С-2 через бумажный фильтр от температуры среды.

точки зрения фильтрации являются значения рН=4,0-5,5, соответствующие pH культивирования. Повышение температуры среды положительно влияет на скорость фильтрования, но не приводит к существенному увеличению проскока клеток (для культуры С. tropicalis не более 3%, а для End. fibuligera - 0,5%).

Таким образом, рабочая температура процесса может составлять 60-70°С, что соответствует 1 стадии нагрева суспензии перед термоплазмолизом.

Для обеспечения замкнутого цикла водопользования исследовали процесс культивирования дрожжей с рециркуляцией фильтрата КЖ, получаемого при выделении продукта. Образующийся фильтрат направлялся на стадию приготовления питательной среды. Было осуществлено 7 циклов культивирования дрожжей Endomycopsis fibuligera С-2 при полном возврате фильтрата. Поскольку объем фильтрата составляет 80% от общей потребности в воде для подготовки среды последующих стадий, го 5-6 циклов достаточно для полного обмена жидкой фазы в ферментере. Полученные результаты представлены в табл. б.

Таблица 6.

Параметры процесса культивирования дрожжей Епёотусорз!з ЯЬи^ега С-2 при полной рециркуляции фильтрата.

Параметры Номер цикла

1 2 3 4 5 6 7

Накопление биомассы, 450 415 370 375 355 350 365

О^тах-Ио), МЛН.КЛ/МЛ

РВ, нач/кон, г/л 15,0/ 15,2/ 16,0/ 15,8/ 16,2/ 16,5/ 16,6/

1,8 2,3 2,5 2,4 2,7 2,4 2,5

Удельная скорость 0,46 0,46 0,44 0,43 0,43 0,42 0,43

роста, р., час"1

Сырой протеин, %СВ 50,9 50,2 49,9 46,0 44,8 45,1 45,4

Экономический коэф., 34,0 32,2 27,4 28,0 26,3 25,0 25,9

У, 109кл./г.РВ

Производительность фильтрования, в, л/(м2*ч) 280 270 250 245 250 240 245

Как видно из табл. 6, при рециркуляции происходит некоторое повышение начального содержания РВ из-за наличия остаточных углеводов в фильтрате. Скорость роста незначительно снижается и стабилизируется после 3-го цикла (0,42-0,43 час'1). Степень утилизации РВ (83-88%) и содержание сырого протеина (44,8-50,9%) оставались достаточно высокими в течение всего эксперимента. Величина экономического коэффициента несколько понизилась, однако после

и

4-го цикла стабилизировалась и составила 25-26* 109 кл./г.РВ. Концентрации ионов Ш»+ и БО/" в среде несколько повышаются вплоть до 3-го цикла, а далее практически не изменяются и составляют соответственно 6 и 14 г/л.

Таким образом, показано, что основные параметры процесса после 3-4 цикла стабилизируются на достаточно высоком уровне, что позволяет сделать вывод о возможности использования замкнутого цикла водоиспользования при получении РУБК на субстратах на основе клубней картофеля.

На основании полученных результатов были проведены эксперименты по использованию огьемно-доливного режима с одновременной рециркуляцией фильтрата. При этом были получены популяции с высокой плотностью, а процесс фильтрации протекал без снижения эффективности. Содержание сырого протеина в готовом продукте, полученном из суспензий, отобранных во время огьемно-доливного режима, оставалось на уровне 49-50%.

Таким образом, на основании проведенных экспериментов были определены основные технологические параметры отдельных стадий процесса получения РУБК на основе клубней картофеля, как примера «малоструктурированного» растительного сырья, по малоотходной энергосберегающей технологии. Полученные результаты позволяют провести разработку и расчет технологической схемы получения РУБК, а также подбор основного оборудования для реализации процесса на модульной установке.

В разделе 4.2 приведены результаты изучения процесса обогащения микробным белком кукурузной мезга как примера «высокоструктурированного» сырья гетерофазным глубинным культивированием. В работе использовались образцы отжатой кукурузной мезги смешанного состава, содержащей 30%СВ.

На первом этапе работы был проведен подбор режимов предварительной обработки кукурузной мезги по технологии, аналогичной используемой при подготовке клубней картофеля. Результаты представлены в табл. 7.

Как видно из табл. 7, проведение процесса термообработки при давлении 1,5ати и рН=3,5-4,5 в течение 30 мин. дает возможность получать хорошо фильтрующиеся суспензии кукурузной мезги, содержащие от 9,5 до 11,0 г/л РВ. Это составляет до 11% СВ кукурузной мезги, а значение кислотности среды позволяет использовать для термогидролиза глютеновую воду - отход крахмалопаточного производства. Дальнейшее повышение температуры, увеличение продолжительности и понижение рН термообработки не приводит к увеличению выхода РВ, однако существенно ухудшает фильтруемость сред, одновременно вызывая ухудшение фильтруемости получаемой микробной суспензии.

Таблица 7.

Изучение процесса термообработки кукурузной мезги._

Давление, ати pH обработки Выход Сахаров (РВ/СВ), %отн. Производительность фильтрования, G, л/(м2*ч)

1,0 7,0 5,1-5,7 220

4,5 6,7-7,4 480

3,5 8,4-9,1 490

1,5 7,0 8,1-9,1 280

4,5 9,7-10,3 600

4,0 10,4-10,9 610

3,5 11,2-11,8 630

2,0 7,0 10,3-11,1 230

4,5 11,0-11,5 500

3,5 11,2-11,7 520

Таким образом, для изучения процесса культивирования дрожжей с использованием кукурузной мезги был принят режим термообработки среды при давлении 1,5 ати, рН=4,0-4,5 в течение 30 мин., с получением 10,0-10,5 г/л РВ при 9,0-9,3%отн. СВ в среде, что обеспечивало содержание в конечном продукте не менее 20% сырого протеина.

Скрининг дрожжевых штаммов-продуцентов, активно растущих на углеводных средах, показал, что наиболее быстрорастущими и высокоэффективными штаммами при культивировании на данной среде являются С. tropicalis СК-4 и С. scottii КС-2 (табл. 8).

Таблица 8.

Культивирование продуцентов белка на средах на основе кукурузной мезги.

Штамм-продуцент Потребление РВ, % OWNo) млн кл/мл Скорость роста, (I, ч"1 Произв-ность фильтрования, G, л/(м2*ч)

С. tropicalis СК-4 90 130 0,35 340

С. utilis ВСБ-651 88 95 0,33 300

С. scottii КС-2 92 110 0,37 330

С. maltosa ВСБ-779 89 90 0,33 290

End. fibuligera С-2 89 85 0,31 380

Следует отметить, что практически во всех проведенных экспериментах дрожжевые суспензии после их пропускания через бумажный фильтр давали плотный осадок с содержанием сухих веществ не менее 18% СВ.

Максимальные показатели производительности фильтрования в данном

случае отмечались у штамма End. fibuligera С-2, однако, учитывая хорошую фильтруемосгь и высокие параметры культивирования, в качестве основных были отобраны штаммы С. tropicalis СК-4 и С. scottii КС-2.

При выращивании дрожжей в отъемно-доливном режиме на средах на основе кукурузной мезги периодическую подпитку ферментера осуществляли суспензией мезги с содержанием РВ 10,5-11,0 г/л, которая добавлялась в аппарат после снижения содержания РВ до 0,8-1,3 г/л с последующим отбором 10% дрожжевой суспензии. За время ферментации (30-36 часов) количество повторяемых циклов достигало 20-25, причем после первых грех циклов содержание биомассы стабилизировалось на уровне 130-150 млн. кл/мл. При этом производительность фильтрования дрожжевой суспензии на фильтровальной бумаге составляла 330-340 л/(м2*ч), а проницаемость фильтра - 1-2%.

Культивирование в отъемно-доливном режиме с использованием этих штаммов-продуцентов обеспечило получение хорошо фильтрующихся суспензий с содержанием сырого протеина в готовом продукте 20-24% АСВ.

Эксперименты по оценке технологических параметров фильтрации дрожжевых суспензий показали, что использование нетканых текстильных материалов "ВТИЛП" обеспечивает высокую скорость процесса при низкой проницаемости фильтра. Эффективная фильтрация послеферментационных суспензий может осуществляться без какой-либо дополнительной подготовки. Результаты экспериментов по исследованию фильтруемости суспензий на различных материалах представлены в табл. 9.

Таблица 9.

Фильтруемость дрожжевых суспензий Candida tropicalis СК-4, полученных на средах на основе кукурузной мезги.

Фильтрующий материал Параметры

Производительность фильтрования, G л/(м2*ч) Проницаемость фильтра, X %

Фильтровальная бумага, 1 слой 340 1,9

Фильтровальная бумага, 2 слоя 270 1,2

Технический шелк 550 7,8

Шерсть 620 10

Бельтинг 430 7,0

ПФК 38.0.17- 530 5,0

Полученные в экспериментах суспензии на промышленных фильтрах давали пасту с содержанием сухих веществ 18-19%. В этом случае скорость фильтрования практически в два раза выше, чем при использовании

фильтровальной бумаги. Таким образом, правильный подбор фильтрующего материала позволяет существенно повысить производительность процесса.

На следующем этапе работы исследовали возможность рециркуляции фильтрата КЖ на стадию приготовления питательной среды.

Осуществлено 7 циклов культивирования при полном возврате фильтрата, составлявшем около 80% от потребности в воде для подготовки питательной среды последующих стадий. Полученные результаты приведены в табл. 10.

Таблица 10.

Параметры культивирования дрожжей С. tropicalis СК-4 при полной рециркуляции фильтрата.

Параметры Номер цикла

1 2 3 4 5 6 7

Накопление биомассы, 140 140 130 125 125 125 125

(Нтх-Мо), МЛН.КЛ/МЛ

РВ, нач/кон, 10,0/ 10,2/ 10,8/ 10,6/ 10,5/ 10,6/ 10,6/

г/л 1,0 1,3 1,5 1,6 1,4 1,4 1,5

Удельная скорость 0,35 0,34 0,33 0,33 0,32 0,32 0,33

роста, ц, час"1

Сырой протеин, %СВ 24,1 23,6 22,9 22,5 21,9 22,4 22,4

Экономический коэф., 15,6 15,7 14,0 13,9 13,7 13,6 13,7

У, 109кл./г.РВ

Из приведенных данных видно, что при рециркуляции фильтрата происходит некоторое снижение основных параметров процесса, величина которых, однако, стабилизируется после 4-5 циклов.

Таким образом, показано, что с практической точки зрения при получении кормового белкового продукта на подготовленных средах на основе кукурузной мезги по малоотходной энергосберегающей технологии можно использовать в качестве штаммов-продуцентов как С. tropicalis СК-4, так и С. scottii КС-2. В случае затруднений при осуществлении теплосъема в промышленных условиях, предпочтительнее культивировать штамм С. scottii КС-2, имеющий оптимальную температуру культивирования на 2-3° выше, чем С. tropicalis СК-4.

В главе 5 приведено описание аппаратурно-технологической схемы получения РУ-БК по энергосберегающей и малоотходной технологии на основе кукурузной мезги и клубней картофеля, включающая следующие основные стадии:

- подготовка, измельчение и приготовление водной суспензии из растительного сырья и его отходов;

- термообработка полученной суспензии (разваривание);

- приготовление раствора питательных солей;

- получение посевного материала в отделении чистой культуры;

- гетерофазное культивирование дрожжей в основном аппарате;

- фильтрование послеферментационной среды;

- деэмульгирование и плазмолиз полученной пасты;

- гранулировка и сушка пасты;

- упаковка и хранение готового продукта (РУБК).

Предлагаемая схема применима как для крупнотоннажного, так и малотоннажного производства, а также позволяет использовать модульные установки при перерабатывающих или корбикормовых заводах.

В зависимости от типа используемого сырья сухой готовый продукт характеризуется следующими показателями (%СВ):

Параметры Клубни картофеля Кукурузная мезга

Влажность 10-12 10-12

Сырой протеин 42-50 20-25

Углеводы 10-15 10-15

Зола 8-12 8-12

Расчет модульной установки был проведен применительно к мощностям Городищенского крахмалопаточного завода (Белгородская область). При производстве крахмала на заводе образующейся кукурузной мезги достаточно для обеспечения производства РУБК на ее основе в объеме около 5000 т/год. Такое количество сухого РУБК обеспечивает балансировку белкового состава кормов для свинокомплекса на 30-35 тыс. голов.

На основании полученных данных выполнен подбор основного оборудования установки и проведена технико-экономическая оценка процесса получения РУБК в количестве 5000т в год.

Показано, что общая величина единовременных затрат (строительство здания, приобретение и монтаж оборудования для выпуска РУБК) составляет 24,3 млн. руб. (около 840 тыс. долл. США).

При этом себестоимость одной тонны продукта на основе кукурузной мезги (содержание сырого протеина) 25%АСВ составит 2004 руб., а при использовании некондиционного картофеля - 3428 руб. (42-50% сырого протеина).

При получении РУБК по предлагаемой ресурсо- и энергосберегающей технологической схеме на модульной установке рентабельность производства составит 19-34% при сроке окупаемости инвестиций 3-5,5 лет.

Выводы.

1. На основе результатов работы разработана энергосберегающая малоотходная технология получения растительного углеводно-белкового корма с использованием глубинного гетерофазного культивирования и последующей фильтрацией микробных суспензий, предусматривающая замкнутый цикл водоиспользования путем возврата фильтрата на стадию приготовления питательных сред. Технологический процесс исключает из производства энергоемкие способы концентрирования продуктов ферментации (сепарацию и вакуум-концентрирование микробной суспензии), сокращает водопотребление и объем технологических стоков на 80%. Такая технология может быть реализована на модульных установках разной мощности как в составе крупных промышленных предприятий по производству кормовых продуктов, так и в малом масштабе непосредственно на местах скопления растительного сырья или отходов его переработки.

2. Проведен расчет технологической схемы получения РУБК на основе кукурузной мезги и клубней картофеля, а также выполнен подбор основного оборудования для модульной установки с производительностью 5000т РУБК в год. Проведенная технико-экономическая оценка показала, что данное производство является рентабельным и имеет срок окупаемости от 3 до 5,5 лет, а себестоимость 1 тонны продукта в пересчете на 100% содержание белка составляет 9,8-10 тыс. руб.

3. Установлено влияние структуры растительного сырья, используемого для приготовления питательных сред при гетерофазном глубинном культивировании микроорганизмов и способов его подготовки на фильтрационные свойства ферментационной среды. Показано, что вне зависимости от природы сырья, возможно подобрать оптимальные условия стадий подготовки среды, культивирования, фильтрования, штамм-продуцент, позволяющие использовать энергосберегающую малоотходную технологию получения растительного углеводно-белкового корма.

4. Установлено, что производительность фильтрования ферментационной среды достигает максимальных значений в конце логарифмической - начале стационарной фазы роста микроорганизмов под влиянием градиента концентрации-редуцирующих веществ в среде. В этом случае клетки дрожжей находятся в лимите по субстрату и интенсивно прикрепляются к частицам твердой фазы, что улучшает фильтрационные свойства среды.

Основные из работ, опубликованных по материалам диссертации:

1. Кулиненков Д.О., Манцурова И.В., Шакир И.В., Панфилов В.И., Манаков М.Н. Получение углеводно-белкового кормового продукта на гидролизатах картофеля II Биотехнология. - 1997. - №5. - С. 22-27.

2. Кулиненков Д.О., Шакир И.В., Панфилов В.И., Манаков М.Н. Предварительная очистка послеспиртовой барды с использованием гетерофазного глубинного культивирования // Биотехнология. -1997. -№6. - С. 43-46.

3.1. Shakir, V. Panfilov, D. Kulinenkov, M. Manakov. Liquid waste purification under biomass producing by energysaving process of heterophase fermentation. // Summaries 1,2nd Symposium on Environmental and Safety Engineering, 13th International congress of Chemical and Process Engineering "CHISA'98". - Praha, 1998. - p. 107.

4. D. Kulinenkov, I. Shakir, V. Panfilov, M. Manakov. Complex processing of potato tubers for food and fodder products // Summaries 1, 2nd Symposium on Environmental and Safety Engineering, 13th International congress of Chemical and Process Engineering "CHISA'98".-Praha, 1998.-p. 108.

5. Кулиненков Д.О., Шакир И.В., Панфилов В.И., Манаков М.Н. Использование углеводсодержащих отходов для обогащения микробным белком // Тез. докл. III международного конгресса «Окружающая среда для нас и будущих поколений: экология, бизнес и экологическое образование». - Самара, 1998. - С. 51.

6. Кулиненков Д.О., Гречина Н.Е., Шакир И.В., Панфилов В.И., Манаков М.Н. Получение кормового белка с использованием рециркуляции культуральной жидкости // Тез. докл. 12 Международной Конференции МКХТ-98. М, 1998. С. 47. 7.1. Shakir, V. Panfilov, D. Kulinenkov, M. Manakov. Energy-saving process of fodder biomass production by heterophase submerged fermentation // Abstracts ISEB'99 Meeting: Biopolimers. - Leipzig, 1999. - p. 37.

8. Кулиненков Д.О., Шакир И.В., Панфилов В.И., Манаков М.Н. Утилизация углеводсодержащего сырья с получением микробного кормового белкового продукта // Тез. докл. IV международного конгресса «Окружающая среда для нас и будущих поколений: экология, бизнес и экологическое образование». - Самара, 1999.-С. 38-39.

9. Кулиненков Д.О., Прохоров А .А., Шакир И.В., Панфилов В.И., Манаков М.Н. Фильтрационные свойства дрожжевой суспензии, полученной гетерофазной глубинной ферментацией // Биотехнология. - 2000. - №2. - С. 45-52.

10. I. Shakir, V. Panfilov, D. Kulinenkov and M. Manakov. Processing of Vegetable Raw Material and Its Waste by Energy-Saving Nature-Preserving Technology to Obtain Carbohydrate-Protein Fodder // In: D.L.Wise, et al. (Ed.), Remediation of Hazardous Waste Contaminated Soils, 2nd Ed. Marcel Dekker, N - p. 931 -948.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Кулиненков, Дмитрий Олегович

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1. Получение микробного кормового белкового продукта.

1.2. Взаимодействие микроорганизмов с твердой фазой.

1.3. Отделение биомассы от культуральной жидкости.

1.4. Замкнутый цикл использования технологической воды.

1.5. Анализ литературы.

Глава 2. Материалы и методы исследования.

2.1. Характеристика используемого сырья.

2.1.1. Добавки твердой фазы в ферментационную среду.

2.1.2. Клубни картофеля и кукурузная мезга как перспективное сырье для выращивания микроорганизмов.

2.2. Культивирование микроорганизмов.

2.2.1. Краткая характеристика основных продуцентов.

2.2.2. Методы культивирования микроорганизмов.

2.3. Методы анализа.

Глава 3. Исследование влияния присутствия твердой фазы в ферментационной среде на ее фильтруемость. 3.1. Культивирование микроорганизмов в присутствии твердой фазы.

3.2. Влияние добавок твердой фазы в ферментационную среду на ее фильтрационные свойства.

3.3. Изучение зависимости фильтруемости гетерофазной среды от разности концентраций редуцирующих веществ.

Глава 4. Получение углеводно-белкового корма на основе растительного сырья.

4.1. Получение углеводно-белкового корма на основе клубней картофеля.

4.1.1. Исследование гетерофазного глубинного культивирования дрожжей на подготовленных средах на основе клубней картофеля.

4.1.2. Изучение фильтрационных свойств дрожжевой суспензии, полученной на основе клубней картофеля, и использование фильтрата в рецикле.

4.2. Получение углеводно-белкового корма на основе кукурузной мезги.

4.2.1. Исследование гетерофазного глубинного культивирования дрожжей на подготовленных средах на основе кукурузной мезги.

4.2.2. Изучение фильтрационных свойств дрожжевой суспензии, полученной на основе кукурузной мезги, и использование фильтрата в рецикле.

Глава 5. Расчет модульной установки производства РУБК по малоотходной энергосберегающей технологии.

5.1. Получение растительного углеводно-белкового кормового продукта на растительном сырье и отходах его переработки.

5.2. Описание предлагаемой технологической схемы.

5.3. Оценка технико-экономических показателей производства РУБК по предлагаемой ресурсо- и энергосберегающей схеме.

Выводы.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Разработка ресурсо- и энергосберегающей технологии обогащения растительных отходов микробным белком"

В настоящее время из-за высоких затрат на сырье и энергию традиционное производство кормового белка не является рентабельным. Поэтому в качестве субстратов для биосинтеза кормовых дрожжей вновь рассматривается возобновляемое растительное сырье как источник углеводов. При этом желательно использовать не только сельскохозяйственные культуры, но и образующиеся побочные продукты их переработки или отходы. В этом случае возможно получение дополнительного микробного белка для животноводства и одновременное решение проблемы утилизации отходов, загрязняющих окружающую среду.

Исследования последних лет показали, что процесс получения микробного белка может осуществляться только по ресурсо- и энергосберегающим малоотходным технологиям. К ним необходимо отнести гетерофазное глубинное культивирование дрожжей на углеводсодержащих субстратах как отходах растительного сырья. Улучшить технико-экономические показатели производства дрожжей возможно, если использовать стадию фильтрования вместо широко известных энергоемких процессов сепарации и вакуум-концентрирования микробных суспензий, с возвратом фильтрата на стадию приготовления питательной среды.

Проведенные ранее исследования (Шакир И. В.) показали, что при гетерофазном культивировании дрожжей на отходах переработки сахарной свеклы клетки совместно с твердой фазой возможно отделять фильтрованием. Однако оптимальные режимы подготовки растительных субстратов и проведения процесса культивирования в конкретных условиях каждый раз должны уточняться для вносимых в среду источников углеводов, твердой фазы и продуцента с целью обеспечения наиболее эффективного проведения процесса. При таком подходе к технологии получения микробного белка представляется актуальным изучение вышеуказанных процессов.

Целью настоящей работы являлось определение основных закономерностей процессов подготовки субстратов и культивирования промышленных штаммов кормовых дрожжей в среде, содержащей твердую фазу, фильтрования микробных суспензий и разработка энергосберегающей малоотходной технологии получения кормового продукта, обогащенного белком.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- изучение фильтрационных свойств суспензий, образующихся при гетерофазном глубинном культивировании дрожжей на подготовленных субстратах;

- оценка влияния структуры субстрата на фильтруемость готовых микробных суспензий;

- разработка малоотходной энергосберегающей технологии получения углеводно-белкового кормового продукта при использовании различных по природе источников углеводного сырья;

- расчет технико-экономических показателей эффективности возможного производства кормового продукта на модульной установке.

Научная новизна работы. Установлены общие закономерности и причины изменения фильтрационных свойств дрожжевых суспензий при глубинном культивировании дрожжей на подготовленном углеводном сырье в присутствии неутилизируемой твердой фазы.

Показано влияние градиента концентрации субстрата в твердой и жидкой фазе при гетерофазном культивировании на эффективность прикрепления клеток дрожжей к твердым частицам сырья и, как следствие, на фильтрационные свойства ферментационной среды. 6

Выявлено преобладающее влияние структуры растительного сырья, используемого для приготовления питательных сред, на фильтрационные свойства получаемых дрожжевых суспензий.

Практическое значение работы. Разработана энергосберегающая малоотходная технология получения углеводно-белкового корма из клубней картофеля и кукурузной мезги на основе гетерофазного глубинного культивирования дрожжей с последующим фильтрованием и сушкой готового продукта и рециркуляцией фильтрата. Она исключает применение энергоемких стадий концентрирования продуктов ферментации сепарацией и вакуум-концентрирования суспензии и значительно сокращает отвод традиционных технологических стоков.

Выявлены общие закономерности процессов биосинтеза дрожжей на подготовленных углеводных субстратах и фильтрования, которые позволяют рекомендовать разработанную технологию к использованию на модульных установках как в составе крупных промышленных предприятий или кормоцехах, так и непосредственно на местах сбора растительного сырья или отходов его переработки.

Заключение Диссертация по теме "Биотехнология", Кулиненков, Дмитрий Олегович

Выводы. г

1. На основе результатов работы разработана энергосберегающая малоотходная технология получения растительного углеводно-белкового корма с использованием глубинного гетерофазного культивирования и последующей фильтрацией микробных суспензий, предусматривающая замкнутый цикл водоиспользования путем возврата фильтрата на стадию приготовления питательных сред. Технологический процесс исключает из производства энергоемкие способы концентрирования продуктов ферментации (сепарацию и вакуум-концентрирование микробной суспензии), сокращает водопотребление и объем технологических стоков на 80%. Такая технология может быть реализована на модульных установках разно.й мощности как в составе • крупных промышленных предприятий по производству кормовых продуктов, так и в малом масштабе непосредственно на местах скопления растительного сырья или отходов его переработки.

2. Проведен расчет технологической схемы получения РУБК на основе кукурузной мезги и клубней картофеля, а также выполнен подбор основного оборудования для модульной установки с производительностью 5000т РУБК в год. Проведенная технико-экономическая оценка показала, что данное производство является рентабельным и имеет срок окупаемости от 3 до 5,5 лет, а себестоимость 1 тонны продукта в пересчете на 100% содержание белка составляет 9,8-10 тыс. руб.

3. Установлено влияние структуры растительного сырья, используемого для приготовления питательных сред при гетерофазном глубинном культивировании микроорганизмов и способов его подготовки на фильтрационные свойства ферментационной среды. Показано, что вне зависимости от природы сырья возможно подобрать оптимальные условия стадий подготовки среды, культивирования, фильтрования, штамм-продуцент, позволяющие использовать энергосберегающую малоотходную

118 технологию получения растительного углеводно-белкового корма.

4. Установлено, что производительность фильтрования ферментационной среды достигает максимальных значений в конце логарифмической - начале стационарной фазы роста микроорганизмов под влиянием градиента концентрации редуцирующих веществ в среде. В этом случае клетки дрожжей находятся в лимите по субстрату и интенсивно прикрепляются к частицам твердой фазы, что улучшает фильтрационные свойства среды.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата технических наук, Кулиненков, Дмитрий Олегович, Москва

1. Adhesion of microorganisms to surfaces. / Ed. D.C. Ellwood, T. Meiling. Acad. Press, 1979, p. 216.

2. Adsorption of microorganisms to surfaces. / Ed. Bitton G., Marshall K.C., T. Wiley and Sons, 1980, p. 439.

3. Althena F.W., Beifort G. Lateral migration of spherical particles in porous flow channels: application to membrane filtration. Chem. Eng. Science, 1984, 39, 343-355.

4. Bacterial adherence. / Ed. E.H. Beachey. Receptors and Recogmiton, ser. B, Y.G. Chapman and Hall, 1980, p. 466.

5. Balz W. Einflüsse der Zusammensetzung der organische Substanz auf Umfang und Verlauf der alkalischen Schlammfaulung. Diss, an der TH Stutgart, 1966.

6. Cheryan M., Mehaia M.A. Ethanol production in a membrane recycle reactor. Process biochem., 1984.

7. Cook W.B. Colonization of artificial bare arias by microorganisms. // Bot. Rev., Vol. 22, №9,1956, p. 613-638.

8. Devendra, C. Ruminant nutrition and productivity in the ASEAN region, Seminar on Animal Health and Nutrition in the Tropics. AD AB. James Cook Univ., Queensland, Australia, 1979, pp. 169-189.

9. Gasperik J., etc. Production of extracellular amylase by Endoycopsis fibuliger on complex starch substrates. // Biologia, CSSR, 1985, №11, 11671174.

10. O.Hess Wolfgang F., Gersternkorn Burkhard. Eignung von Filtermaterialien fur die Hochdruck Prebfiltration von Hefen und Bakterien. // Chem. Ing. Techn. 1988, №3.

11. Ho Chester S. An understanding of the forces in the adhesion of microorganisms to surfaces. // Process Biochem., №5, 1986, p. 148-152.

12. Hoffman H., Scheper Т., Schugerl К. Use of membranes to improve bioreactor perfomance. Chem. Eng., 1987, 34.

13. Kavanagh P.R., Brown D.E. Crossflow separation of yeast sell suspensions using sintered stainless steel filter tubes. Chem. Technol. Biotechnol, 1987, 38.

14. Kreger van Rij N. The yeast a taxonomic study. Amsterdam, Elseviers cs. pub., 1984.

15. Lodder I., Kreger van Rij N. The yeast a taxonomic study. Amsterdam, 1952.

16. Matsumoto K., Katsuyama S., Ohya H. Separation of yeast by cross-flow filtration with backwashing. Ferment. Technol., 1987,65.

17. Microbial adhesion and aggreration. / Ed. K.C. Marshall. Report of the Dahlem Worksshop. Berlin, 1984.

18. Microbial adhesion to surfaces. / Ed. P.R. Rutter, T. Melling, D.C. Ellwood, E. Horwood, LTD Publisher, 1981.19.0fsthum N.J. Crossflow membrane filtration of cell suspensions. Ph.D. Thesis, Massach. Inst, of Technol., 1989.

19. Pethica B.A. The physical chemistry of cell adhesion. // Exp. Cell Research., Suppl., Vol. 8, 1961.

20. Redkar S., Davis R. Crossflow micofiltration of yeast suspensions in tubular filters. Biotechnol. Prog., 1993, 9, 625-634

21. Szlag D.C. Factors affecting yeast flocculation. M.S. Thesis, Univ. of Colorado, Boulder, CO, 1998.

22. Tengerdy R.P., Johnson Т.Е., Hollo J., Toth T. Denitrification and removal of heavy metals from waste water by immobilized microorganisms. // Appl. Biochem. and Biotechnol. Vol.6, №1, 1981, p.3-13.

23. A.C. СССР №1566720, 22.01.90.

24. Бабьева И.П., Чернов И.Ю. Биология дрожжей. М., МГУ, 1992, 96с.

25. Беленький М.Г. Методические рекомендации по биологической оценке продуктов животноводства и кормов с использованием организма Tetrahymena piryformis. М., 1977, 20с.

26. Белозерский А.И., Проскуряков И.И. Практическое руководство по биохимии растений. М., 1951.

27. Биотрансформация вторичного растительного сырья в белковые кормовые продукты. // Тезисы докладов республиканской конференции, Тбилиси, 1987, 133с.

28. Бобровник Л.Д., Лезенко Г.А. Углеводы в пищевой промышленности. Урожай, Киев, 1991, 112с.

29. Богданов Г.А. Кормление сельскохозяйственных животных. М., Агропромиздат, 1990, 63с.

30. Борников И.И., Босенко A.M. Машины и аппараты микробиологических производств, Минск, 1982г.

31. Быков В.А. Проблемы и перспективы промышленной биотехнологии. // Биотехнология, 1987, N6, с. 692-700.

32. Быков В.А., Винаров А.Ю., Шерстобитов В.В. Расчет процессов микробиологических производств. Киев, Техника, 1985, 245с.

33. Быков В.А., Манаков М. Н., Панфилов В. И., Свитцов А. А. Производство белковых веществ. // Биотехнология, вып. №5, М., Высшая школа, 1987.

34. Быков В.А., Прицепов Ф.А., Манаков М.Н. Культивирование дрожжей рода Candida на гидролизатах древесины в присутствии неутилизируемой твердой фазы. // Прикл. биохимия и микробиология. 1985, №2, с. 252-254.

35. Васин М.Д., Тамнева Р. В. Лесотехническая академия им. С. Н. Кирова // Гидролизная и лесотехническая промышленность, 1990, №2.

36. Величко Т.А., Ваганова Г.В. и др. Переработка нетрадиционных растительных отходов сельского хозяйства в кормовой белок. Тез. докл. Всес. конф., Черновцы, 1991, т.2, 96с.

37. Вечер A.C., Гончарик М.Н. Физиология и биохимия картофеля. Минск, 1973.

38. Вечер A.C., Левицкая М.В. Изменение углеводного комплекса картофельной мезги при кислотном гидролизе. Изв. вузов СССР, Пищевая технология, 1972, №5.

39. Вечер A.C., Левицкая M.B. Кислотное и ферментативное осахаривание крахмала картофельной мезги. Весщ АН БССР, сер. Б ¿ял навук, 1974, №5.

40. Вечер A.C., Проказов Г. Ф. Изв. вузов СССР. Пищевая технология, 1962, 6, 8.

41. Вечер A.C., Проказов Г.Ф. Накопление биомассы кормовых дрожжей на средах из отходов картофелекрахмального производства. Биохимия. Межведомственный сборник. Минск, 1973.

42. Вечер A.C., Проказов Г.Ф. Получение белков из отходов при производстве картофельного крахмала. В сб. Картофель, Минск, 1966, 68с.

43. Выговская Е.Л. Разработка условий гетерофазного культивирования дрожжей. Автореф. на соик. ученой степени к.т.н., Киев, 1988г.

44. Выслоух В.А., Воробьева Г.И., Винаров А.Ю., Кантере В.М. Биотехнология утилизации сельскохозяйственных отходов. Тез. докл. Всес. конф. Волгоград, 1991, 53с.

45. Головлев Е.Л., Скрябин Т.К. Обогащение растительных кормов микробным белком. В кн.: Биотехнология. М., Наука, 1984.

46. Голубев В.И. Реидентификация штаммов дрожжей, используемых в гидролизно-дрожжевых производствах. // Биотехнология, 1994, №6.

47. Голубев В.Н., Волкова И.В., Кушалаков Х.М. Топинамбур: состав, свойства, способы переработки, области применения. М., 1995, 82с.

48. Горюнов К.Е. К вопросу об использовании процесса фильтрования для сгущения дрожжевой суспензии в производстве кормовых дрожжей. Процессы и аппараты микробиол. пр-в, тез. докл. Всес. конф., Грозный, 1989, 93с.

49. Грачева И.М., Иванова Л.А., Кантере В.М. Технология микробных белковых препаратов, аминокислот и биоэнергия. М., 1992.

50. Гриченко A.A., Путинцев С.А., Елыпин А.И. Фильтрационные свойства дрожжевой суспензии производства БВК. // Биотехнология, 1988, №4.

51. Громов С.И., Устинников Б.А. Переработка некондиционного сырья на спиртовых заводах. М., Агропромиздат, 1989, 200с.

52. Далин М.В., Флин Н.Г. Адгезины микроорганизмов. Итоги науки и техники. ВНИИТИ. Микробиология, 1985, с. 3-107.

53. Двойченкова Е.Ю., Кантере В.М. Биотехнологическая утилизация отходов хранения и переработки плодоовощной продукции. Обз. инф. Минмедмикробиопрома СССР. М.,1987, вып.2.

54. Елыпин А.И. Сгущение суспензии микробиологических производств и способы интенсификации процесса. // Процессы и аппараты микробиологических производств, обз. инф., вып. 3, М., ЦБНТИ Минмедбиопрома СССР, 1987, с.25.

55. Елынин А.И., Гриченко A.A. Преимущества использования трикотажной синтетической ткани для фильтрования дрожжевой суспензии. Биотехнология, 1986, №5.

56. Емельянова И.З. Химико-технологический контроль гидролизных производств. М., Лесная пр-сть, 1976, 405с.

57. Ефремов А.Б., Грачева И.М., Гернет М.В. и др. Конверсия кислотных и ферментативных гидролизатов целлюлозосодержащего сырья в этанол иммобилизованными дрожжами. //Биотехнология, №6, 1985.

58. Заявка Франции №2509748,1983.

59. Звягинцев Д.Г. Адсорбция микроорганизмов поверхностью стекла. // Микробиология, т. 28, вып. 1,1959, с. 112-115.

60. Звягинцев Д.Г. Некоторые закономерности адсорбции микроорганизмов на ионообменных смолах. // Микробиология, т. 31, вып. 2, 1962, с. 339343.

61. Звягинцев Д.Г. Почва и микроорганизмы. Москва, МГУ, 1987, 256с.

62. Звягинцев Д.Г., Асеева И.В., Бабьева И.П., Мирчинк И.Т. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М., МГУ, 1980, с. 224.

63. Звягинцев Д.Г., Боев A.B. О десорбции микроорганизмов с твердых поверхностей. // Вестн. Моск. унив. Сер. биол., почвовед. №3, 1967, с. 100-104.

64. Звягинцев Д.Г., Гузев B.C., Гузева И.С. Адсорбция микроорганизмов в связи с этапами их развития. // Микробиология, т. 46, вып. 2, 1977.

65. Звягинцев. Д.Г. Взаимодействие микроорганизмов с твердыми поверхностями. М., МГУ, 1973.

66. Зуев Б.Г. Тимашков В.К. Фильтрование микробиологических суспензий. Концентрирование, выделение и очистка продуктов микробиологического синтеза, тез. докл. Всес. совещ., М., ВНИИСЭНТИ, 1985.

67. Иванова В.П. и др. Получение и опыт применения медицинского лигнина. В сб.: Проблемы комплексного использования древесного сырья. Тез. докл. Всес. конф. Рига, 1984, с. 84-90.

68. Калунянц К. А., Голгер Л.И., Балашов В.Е. Оборудование микробиологических производств. М., Агропромиздат, 1987, 398с.

69. Канарский A.B. Фильтровальные виды бумаги и картона для промышленных технологических процессов. М., Экология, 1991, 272с.

70. Кантере В.М., Мосичев М.С., Дорошенко М.И. и др. Проектирование предприятий. М., Агропромиздат, 1990, 304с.

71. Кестельман В.Н., Бедлинская М.С., Остротухова Л.Г. Исследование влияния полимерных материалов на процесс ацетонобутилового брожения. //Микробиологический синтез, 1969, №2.

72. Комбикорма, кормовые добавки и ЗЦМ для животных (состав и применение). Под ред. В.А. Крохиной. М., Агропромиздат, 1990, 304с.

73. Кудрявцев В.И. Систематика дрожжей. Издательство АН СССР, М.,1954.

74. Кулаковский И.В., Кирпичников Ф.С., Резник Е.И. Машины и оборудование для приготовления кормов. М., Агропромиздат, 1998, 286с.

75. Кулиненков Д.О., Манцурова И.В., Шакир И.В., Панфилов В.И., Манаков М.Н. Получение углеводно-белкового кормового продукта на гидролизатах картофеля. // Биотехнология, 1997, №5.

76. Кураков В.В., Свитцов А. А., Манаков М.Н. Культивирование парафинассимилирующих дрожжей p. Candida с использованием ультрафильтрации для рецикла культуральной жидкости. Труды МХТИ им. Менделеева, М., 1987, вып. 149, с. 108-112.

77. Курдина P.M., Борукаева М.Р. Влияние наполнителей на интенсивность микробиологических процессов. // Труды института микробиологии, вирусологии АН КазССР, 1962, т.6.

78. Курсанов Л.И., Наумов НА., Красильников Н.А., Горленко М.В. Определитель низших растений. Под редакцией Курсанова JI. И., Москва, 1954.

79. Лейчкис И.Н. Фильтрование с применением вспомогательных веществ. К., Техника, 1975.

80. Лиштван И.И., Базин Е.Т., Косов В.И. Физические свойства торфа и торфяных залежей. Минск, 1985.

81. Малашенко Ю.Р., Гринберг Т. А., Пирог Т.П., Карпенко В.И. Образование экзополисахаридов иммобилизированными клетками Micrococcus sp., растущими на этаноле. // Биотехнология, т.З, №3, 1987, с. 386-390.

82. Малиновская Т. А. и др. Разделение суспензий в химической промышленности. Москва, Химия, 1983, 267с.

83. Манаков М.Н., Победимский Д.Г. Теоретические основы технологии микробиологических производств. М., Агропромиздат, 1990, 272с.

84. Маркина Н.С., Гнилицкий А.Т., Панфилов В.П., Моргунов А.Н., Манаков М.Н. Пути оптимального использования мощностей заводов сухих кормовых дрожжей в условиях Белгородской области. // Биотехнология, 1990, №3.

85. Мендельсон Л.Н., Рахмонов Н.Р. и др. Замкнутая система водоиспользования в производстве этанола, ферментов, диоксида углерода и кормовых дрожжей на предприятиях пищевой промышленности. Тез. докл. Всес. конф., Черновцы, 1991, т.2, с.11.

86. Мироненко A.B. Природные ресурсы кормовых белков. М., Наука и техника, 1988.

87. Михайловский C.B., Швец В.Н., Дыль Д.А. и др. Исследование адсорбции клеток Saccaromyces cerevisiae углеродными сорбентами. // Микробиологический журнал, т.49, №1,1987.

88. Мишустин E.H., Емцов В.Т. Микробиология. М., 1987г.

89. Морфология и физиология микроорганизмов продуцентов биологически активных веществ. Методические указания для студентов специальности 1015. Московский технологический институт пищевой промышленности. М., 1978.

90. Нетканые текстильные полотна. Под ред. Бершева E.H., М., Легпромбытиздат, 1987, 400с.

91. Никовская Г.Н., Гордиенко A.C., Глоба Л.И. Сорбция микроорганизмов волокнистыми материалами. // Микробиология, т. 55, вып. 4, 1986.

92. Огарков В.И., Киселев О.И., Быков В. А. Биотехнологические направления использования растительного сырья. // Биотехнология, 1985, №3, с. 1-15.

93. Определение сорбционной способности медицинского лигнина. В сб.: Проблемы комплексного использования древесного сырья. Тез. докл. Всес. конф. Рига, 1984.

94. Пазирук К.И. Использование отходов при комплексной переработке картофеля. М.,1964.

95. Патент США №3640845, 1972.

96. Патент США №4048013, 1977.101. Патент США №4439523,1984.

97. Патент Японии №28512, 1978.

98. Перцовская А.Ф., Звягинцев Д.Г. Адсорбция бакткрий на стекле, модифицированных поверхностях стекла и полимерных пленках. // Биологические науки, вып. 3,1971.

99. Подгорская В. С., Иванова В. Н. Биотехнологическое использование отходов растениеводства. Киев, Наукова Думка, 1990.

100. Пономарев А.Ф. Интенсификация кормопроизводства. М., Росагропромиздат, 1988,110с.

101. Практикум по кормлению сельскохохяйственных животных. Под ред. О.Ю. Калугина, М., Агропромиздат, 1990, 253с.

102. Практикум по микробиологии. Под ред. Егорова М.И., М., МГУ, 1976,150с.

103. Приступа A.A. Основные сырьевые растения и их использование. Наука, 1973, 132с.

104. Прицепов Ф.А. Интенсификация процесса получения биомассы микроорганизмов на углеводах растительного происхождения. Автореф. на соиск. уч. ст. к.т.н. М., 1986, 21с.

105. Промышленная микробиология, общ. ред. проф. Егоров Н.С., М., Высшая школа, 1989.

106. Процессы и аппараты микробиологических производств. Обзорная информация. М., вып. 3, 1987.

107. Работнова И.Л., Позмогова И.Н. Хемостатное культивирование и ингибирование роста микроорганизмов. М., Наука, 1979, 207с.

108. Романовен Е.С., Михеева А.Д. и др. Институт микробиологии АН БССР// Гидролизная промышленность, 1989, №7.

109. Свитцов A.A., Гартман Т.Н., Софенина В.В., Маркина Н.С. Методические указания по технологическому проектированию вмикробиологической промышленности. М., МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1986, 52с.

110. Сельскохозяйственная биотехнология. Под ред. B.C. Шевелухи, М., Высшая школа, 1998, 416с.

111. Синицина А.П., Райнина Е.И., Ефремов A.B. и др. Иммобилизация дрожжей Sacharomyces cerevisiae на аллюмоборосиликатных стекловолокнах. // Биотехнология, №3, 1986.

112. Соловьева Т.Ю. Исследование резервных нетрадиционных сырьевых ресурсов и разработка технологии получения хлебопекарных дрожжей на инулинсодержащем сырье. // Автореферат дисс. на соиск. учен, степени к.т.н., Москва, 1994,18 с.

113. Состояние и перспективы развития микробного белка. // Биотехнология, вып. 5, 1986.

114. Справочник по планированию и экономике сельскохозяйственного производства. Сост. Г.В. Кулик, H.A. Окунь, Ю.М. Пехтерев. М., Россельхозиздат, 1987, 512с.

115. Стахеев И.В. Биологически активный биотин картофеля. Минск, 1975.

116. Стахеев И.В. Культивирование дрожжей и грибов-продуцентов протеина на отходах переработки картофеля. Минск, 1978.

117. Стахеев И.В., Коломиец Э.И. Дрожжевой белок из отходов переработки растительного сырья. Минск, 1984.

118. Торф в народном хозяйстве. Обз. инф., М., 1988.

119. Тутова Э.Г., Куц П.С. Сушка продуктов микробиологического синтеза. М., Агропромиздат, 1987.304с.

120. Фам Ань Кыонг. Получение белка одноклеточных из растительного сырья по малоотходной и энергосберегающей технологии. Автореф. диссертации на соиск. уч. степени к.т.н., Москва, 1998.

121. Фильтры для жидкостей микробиологической промышленности. // Обзорная информация, М., изд. ВНИСЭНТИ, 1985.

122. Холькин Ю.И. Технология гидролизных производств. М., Лесн. пром-сть, 1989, 496с.

123. Шакир И.В. Получение углеводно-белковых кормов гетерофазной ферментацией растительного сырья. // Автореф. диссертации на соиск. уч. степени к.т.н., М., 1995, 21с.

124. Шакир И.В., Панфилов В.И., Маркина Н.С., Манаков М.Н. Использование возобновляемого растительного сырья для получения белка одноклеточных. // Биотехнология, 1992, №2.

125. Шарков В.И., Куйбина Н.И., Соловьев Ю.П., Павлова Т.А. Количественный анализ растительного сырья. М., Лесная пр-сть, 1976, 72с.

126. Шкоп Я.Я., Фомченко Н.В., Гуславский А.И. Совершенствование технологии разделения и концентрирования в производстве продуктов микробиологического синтеза. // Биотехнология, 1986, №5.

127. Щеглов В.В., Боярский Л.Г. Корма: приготовление, хранение, использование. М., Агропромиздат, 1990.

128. Эрнст Л.К. Перспективы использования в животноводстве кормовых продуктов из нетрадиционного сырья. В сб: Нетрадиционные корма и добавки, Л., СЗНИИСХ, 1984.

129. Ягодин Г.А., Быков В.А., Манаков М.Н. Некоторые проблемы научных исследований по биотехнологии в высшей школе. // Битехнология и промышленная экология, М., МХТИ, 1985.

130. Яровенко В.Л., Белов Н.И. Схема безотходной технологии спирта. // Пищевая пром-сть, №2, 1993.