Биотехнология производства кормовых дрожжей

Процесс приготовления  среды заключается в кондиционировании барды, приготовлении растворов питательных солей, пеногасителей, кислот, их стерилизации и смешивании с бардой.

Кондиционирование барды. Суть процесса заключается в поддержании равномерной температуры, порядка 20-23 °C, и влажности около 90 % во всем объеме барды для хранения и поддержания её свойств на максимально возможное время.

Стерилизация барды. Для предотвращения развития посторонней микрофлоры в процессе культивирования дрожжей, горячую барду перед поступлением на производство выдерживают при температуре 120-130 °C в целях стерилизации при непрерывном размешивании (во избежание образования осадка спиртовых дрожжей). Температура стерилизации не должна превышать 142 °C, выше которой начинается распад сахаров, аминокислот, а так же витаминов.

Охлаждение. Горячую барду охлаждают до температуры 20-25 °C на пластинчатых теплообменниках в противотоке с холодной водой.

Отдувка летучих веществ. В зависимости от качества свеклы и технологии ее переработки на сахар в мелассе и барде содержатся в разных количествах вредные вещества (ингибитор), угнетающие рост дрожжей: сернистые соединения, нитриты, муравьиная, пропионовая и масляная кислоты. При их повышенных концентрациях клетки дрожжей гибнут, процесс выращивания неожиданно прекращается без видимых причин. Большинство ингибиторов (SO₂, NO₂ Н-СООН, CH₃-CH₂-COOH, CH₃-CH, -CH₂-COOH) летучие и при отдувке воздухом удаляются из барды. При подкислении барды соляной кислотой до pH 3,5 указанные вещества, связанные с зольными элементами, переходят в свободное состояние и при отдувке воздухом выделяются в большем количестве и полнее, чем без подкисления. Расход воздуха при отдувке барды 25-30 м³/ч на 1 м³ барды [6].

Пеногасящие эмульсии. Олеиновую кислоту, соапсток, фосфатиды, фуз и растительные масла смешивают с 8-10 кратным количеством воды или конденсата и в подогретом состоянии превращают в эмульсию с помощью аппаратов-эмульгаторов. 
Эмульсии фосфатидных концентратов готовят при температуре 50 °С, смешивают с водой в соотношении 1:25 с добавлением 0,2 % диаммоний фосфата и размешивают до полного растворения. Эмульсия устойчива в течение суток. Эмульсия олеиновой кислоты готовится смешиванием с горячей водой температурой 60 °C при оборотах мешалки 2000-3000 об/мин. С добавлением 0,5-1 % эмульгатора (фосфатидов). Размешивают 1,5-2 ч. 
Эмульсия олеата натрия готовится при перемешивании 60-10 об/мин. Нагревают с водой в соотношении 5:1 до 80 °С, добавляют холодный 20 % раствор едкого натрия (1,4 кг на 100 кг кислоты) и размешивают 30 мин. Эмульсия соапстока готовится при смешивании соапстока с горячей водой в соотношении 1:5, кипятят 1,5—2 ч, добавляют едкий натрий (3—4 кг на 100 кг соапстока), охлаждают до 30-40 °C. 
Из мерника дозатора эмульсию небольшой струей непрерывно приливают в деэмульгатор с мешалкой для разрушения пены культуральной среды, поступающей на сепараторы.

Смешивание компонентов питательной  среды. Питательная среда получается при добавлении к охлажденной барде растворов солей, содержащих фосфорные и азотистые вещества, усваиваемые дрожжами. Быстрое размножение дрожжей и высокий их выход достигается при содержании в питательной среде азота и фосфора в концентрациях, достаточных для получения в готовом сухом продукте азота не менее 7,5-8,0 % и фосфора (P₂O₅) не менее 3,5-4,0 %. Охлажденную до 20-25 °C барду в строго определенном соотношении смешивают с раствором питательных солей в непрерывно действующем смесителе, в который непрерывно и равномерно поступает в заданных объемах барда, вода или оттоки от сепараторной установки, для получения питательной среды с концентрацией сухих веществ 6,8-7,2 % [7].

В условиях использования  гидролизатов, как источников углерода – все стадии подготовки питательной среды схожи, за исключением подготовки непосредственно гидролизата перед смешиванием с другими компонентами питательной среды. В них входят: получение гидролизатов; нейтрализация и отстаивание; охлаждение гидролизата и отделение фурфурола.

При культивировании  кормовых дрожжей на основе источника  углерода в виде природного газа, питательная  среда представляет собой раствор минеральных солей, через который непрерывно пропускается газовая смесь – природный газ и воздух.

 

1.4 Приготовление растворов солей  и кислот

В качестве питательных веществ, содержащих азот и фосфор, применяют карбамид в сочетании с ортофосфорной  кислотой или диаммоний фосфатом. Карбамид растворяют в 5-6 кратном количестве воды (или охлажденного конденсата) при перемешивании 40-60 об/мин. К отстоявшему раствору приливают ортофосфорную кислоту. Для подкисления питательной и культуральной сред применяют неразбавленную техническую соляную и серную кислоты.

 

1.5 Способы выращивания кормовых дрожжей

Технологические схемы производства кормовых дрожжей различны, в зависимости от сырьевых источников, культуры дрожжей, принятой для культивирования, особенностей режимов и устройства оборудования [8].

Можно разделить такие методы ферментации, как глубинный и поверхностный. В большей степени распространен глубинный метод (рис. 1), хотя и поверхностный имеет место быть в некоторых видах биотехнологической промышленности.

 Дрожжи выращивают на мелассе тремя способами: одностадийным, двухстадийным и с рециркуляцией (возвратом) оттоков от сепарации.

Одностадийное выращивание, продуцентом являются дрожжи рода Candida. По одностадийному способу, питательная среда используется в дрожжерастительном процессе однократно. Сепарированная от биомассы культуральная жидкость (дрожжевая бражка) является отходом производства. При одностадийном способе используются только легкоусвояемые вещества барды (сахара, аминокислоты, карбоновые кислоты), а трудноусвояемые вещества (пирролидоновая кислота, пептиды, липиды) ассимилируются дрожжами частично или остаются неиспользованными. При одностадийном способе выращивания не достигается ожидаемого выхода дрожжей — недостаток этого способа.

Двухстадийное выращивание. По этому способу дрожжи выращивают на питательной среде дважды. Образовавшуюся в первой стадии биомассу выделяют на сепараторах и на оттоке повторно выращивают дрожжи другой культуры, чем и достигается более полное использование углеродсодержащих веществ барды и увеличение выхода биомассы. 
По этому способу в первой стадии выращивают дрожжи Candida utilis (штамм Л-35) и Torulopsis pinus (штамм Л-52), а во второй стадии Trichosporon cutaneum (штамм Л-52), глубоко использующий трудно усваиваемые вещества, оставшиеся после первой стадии. 
Отделенную от культуральной среды биомассу присоединяют к биомассе от первой стадии, совместно концентрируют и после термолиза высушивают. Оптимальную температуру во второй стадии выращивания регулируют добавлением 5-10 % свежей горячей барды, либо подогревают оттоки путем промывания дрожжей водой температурой 40-50 °C.

Режим выращивания в первой стадии.

Питательная среда:

■ концентрация CB 6,8-7,2 %;

■ pH 4,0-4 2;

■ расход воздуха на аэрацию 55-60 м/ч;

■ продолжительность пребывания в  аппарате 7 ч,

■ температура среды 33-35 °C (регулируют наружным орошением дрожжерастительного аппарата) [9].

Режим выращивания во второй стадии. Во второй стадии дрожжи выращивают на оттоке, то есть на отделенной от биомассы культуральной жидкости от первой стадии.

Питательная среда:

■ концентрация 5-2-5,5 %;

■ pH 4,0-4,5;

■ температура 32-33 °С;

■ продолжительность пребывания среды в аппарате 6,5-7 ч.

Для поддержания оптимальной температуры  выращивания и повышения активности дрожжей в дрожжерастильный аппарат  добавляют 5-10 % послеспиртовой барды  и фосфорное питание. Температуру  среды регулируют подачей теплых оттоков (35-40 °С), получаемых промывкой дрожжевой суспензии теплой водой (40-50 °С).

Выращивание с рециркуляцией  оттоков. Для такого выращивания пригодны дрожжи родов Saccharomyces и Trichosporon. По этому способу сепарированную культуральную жидкость (отток) подкисляют соляной кислотой до pH 1,8-2,2 (или серной кислотой до pH 3,3-3,5), выдерживают 1,5-2,0 для подавления инфекции и подают в количестве 70-80 % от исходной барды в дрожжерастильные аппараты на повторное выращивание. Концентрация питательных веществ среды, поступающей в аппарат, на столько же процентов снижается. Соответственно уменьшается и численность дрожжевых клеток в единице объема среды и ослабляется лимитирующее влияние кислорода на их размножение, а также уменьшается продолжительность пребывания среды в аппарате. Уменьшение концентрации питательных веществ в культуральной среде оттоками, возвращаемыми в аппарат, ускоряет размножение дрожжей, что весьма существенно. По этому способу можно перерабатывать неразбавленную барду (8-9 % и даже 10-12 % СВ), прибавляя к ней оттоки в таком количестве, чтобы содержимое усваиваемых дрожжами веществ в питательной среде не превышало 2,5 %, т.е соответствовало бы разрешающей способности применяемых дрожжерастильных аппаратов. Выращивание дрожжей на концентрированной среде помимо увеличения производительности позволяет повысить содержание CB в последрожжевой бражке и тем самым снизить расход пара на ее упаривание. При разбавлении исходной барды оттоками, уменьшается концентрация ингибирующих веществ, что также положительно сказывается на процессе выращивания дрожжей. Еще одно преимущество этого способа - уменьшение количества сточных вод, так как не используется вода при разбавлении барды [10].

 

Рис. 1 Принципиальная технологическая  схема получения кормовой биомассы

 

 

 

 

 

 

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

Производство жидких кормовых дрожжей, как источника кормового белка, на основе переработки коричневого сока из растений и гидролизата зерноотходов культурой Candida scottii.

 

2.1 Сырье для культивирования кормовых дрожжей

Сырьем для производства кормовых дрожжей служит коричневый сок, образующийся при комплексной переработки трав (лецерна и клевер), кукурузы, ботвы сахарной свеклы, а так же гидролизат зерноотходов.

Данный сок представляет собой депротеинезированную фракцию зеленого сока растений. Содержит в 1 кг около 400 мг  калия и 350 фосфора, азот; является благоприятной средой для выращивания дрожжей. Включает 6-10 % СВ (сухих веществ), в том числе 0,6-6 % РВ (редуцирующих веществ), способных усваиваться дрожжами. Количество РВ в соке сильно изменяется в зависимости от вида и степени зрелости растений: в пределах 0,5-3 % – для люцерны и 2-6 % – для сока ботвы сахарной свеклы. Кроме того, в коричневый сок входят антоцианины, аспаргин, каротиноиды, витамины С, D, Е, К и группы B, минеральные вещества (калий, кальций, фосфор, магний, марганец, железо, цинк, медь, фтор. В процессе выращивания кормовых дрожжей на соке в среду вносят дополнительное минеральное питание.

Гидролизат зерноотходов. При использовании в качестве субстрата для дрожжей зерноотходов их измельчают и подвергают мягкому гидролизу в гидролизной установке при давлении 0,15 МПа в течение 40 мин. Культивирование дрожжей осуществляется на грубом фильтрате гидролизата, разбавленного водой до содержания РВ 2-2,5 %. Концентрированный грубый фильтрат имеет рН 1,2, в нем имеется 15-18 % СВ, в том числе 11-13 % РВ.

Меласса. Используется в качестве углеводного питания при получении чистой культуры дрожжей, её так же рекомендуется добавлять в питательную среду на стадии получения товарных дрожжей для увеличения их выхода и, следовательно, повышения содержания истинного белка в готовом продукте.

Сульфат аммония. Применяется в качестве дополнительного азотного питания. К использованию рекомендуется сульфат аммония капролактамового производства или медицинский. Применение сульфата аммония коксохимического производства не допускается.

Карбамид. Выпускается промышленностью в кристаллическом или гранулированном виде, содержит около 46 % азота. Имеет хорошую растворимость в воде. Вносится в виде водного раствора в концентрации, необходимой для достижения в питательной среде азота не менее 7,5-8 % в пересчета на сухое вещество.

25 % раствор гидроксида аммония  применяется для поддержания  кислотности среды в процессе генерации дрожжей. При использовании аммиачной воды расход аммонийных солей сокращается при приготовлении питательной среды уменьшается в соответствии с количеством азота, введенного с аммиачной водой.

Серная кислота. Применяется для поддержания рН среды в процессе выращивания засевной и товарной стадий кормовых дрожжей, а так же для гидролиза зерноотходов.

Хлорная известь. Применяется как сильный окислитель для дезинфекции продуктовых емкостей, трубопроводов и помещения цеха кормовых дрожжей. Так же для мойки аппаратов и оборудования используются формалин и гидроксид натрия.

Пеногасители. Для гашения пены, образующейся при выращивании дрожжей, может быть использован один из перечисленных пеногасителей:

• Олеиновая кислота;
• Кашалотовый жир [11].

 

Олеиновая кислота. Содержится во многих растительных и животных жирах в виде сложных эфиров – глицеридов, к примеру, содержание олеиновой кислоты в оливковом масле  - до 81 %.

Кашалотовый жир. Получается путем вытапливания из жировых, мускульных и соединительных тканей туловища и головы кашалота. В этом жире содержится 60-70 % воска и лишь 30-40 % собственно жиров.

Применение того или иного пеногасителя обусловлено масштабами производства и доступностью конкретного пеногасителя, но в последнее время жирные кислоты вытесняют из промышленности натуральные пеногасители.

 

2.2 Характеристика культивируемых микроорганизмов, используемых для производства кормового белка

Для получения жидкого кормового продукта на высококонцентрированных средах из гидролизатов крахмалосодержащего сырья (фуражного зерна, зерноотходов, дефектного и нестандартного картофеля, картофельной мезги картофельного производства с добавлением свеклосахарной мелассы и без неё и коричневого сока) предложено использовать осмофильный штамм Candida scottii Д – 137. Этот штамм получен путем длительной адаптации штамма Candida scottii Тул – 1 к субстрату из агаризованного гидролизата зерноотходов с содержанием РВ выше 5 % и многократного отбора в условиях периодического роста на качалке, а так же автоселекции при полунепрерывном выращивании в лабораторных ферментаторах.

Белок, представляющий собой смесь  зерновой дробины и вырасших на гидролизате  дрожжей Candida scottii Д – 137 по сумме незаменимых аминокислот превышает норму ФАО. Осмофильный штамм Candida scottii Д – 137 предложено культивировать на гидролизатах, содержащих 10-14 % РВ, при рН 5-5,5 и температуре 28-30 ^оС [12].