Биоконверсия растительного сырья и его отходов

ФГОУ  ВПО

БУРЯТСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ  СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

им. В.Р. Филиппова 
 
 

кафедра органической и биологической химии 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа

по дисциплине «Теоритические основы» 

тема: «Биоконверсия растительного сырья и его отходов» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                            Выполнила: студентка 2 курса

                                                            экономического факультета

                                                            заочного обучения по специальности:

                                                              «Экономика и управление на  п/п АПК»

                                                            Базарова А.А. (шифр 2100224)

                                                            Проверил: Балдаев  
 
 
 
 
 
 
 

г. Улан-Удэ

2011 г.

Содержание: 

1. Введение 
2. Глава 1. Биоконверсия жировых отходов пищевой промышленности в биомассу кормового назначения
3. Глава 2. Биоконверсия отходов масложировой промышленности липазой дрожжей YARROWIA LIPOLYTICA
4. Глава 3. Обоснование возможности использования жировых отходов рыбоперерабатывающих производств в составе антифрикционной композиции
5. Глава 4. Переработка отходов сельского хозяйства, пищевой и зерноперерабатывающей промышленности в кормовые добавки и комбикорма по технологии микробиологической биоконверсии
6. Литература

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

    Переработка промышленных отходов является одной  из важнейших задач, решению которых  уделяется большое внимание. Ежегодно в нашей стране в ходе работы предприятий  пищевой промышленности накапливаются  огромные количества жиросодержащих отходов. Необходимо отметить, что данные отходы отличаются многокомпонентностью состава, который может существенно варьироваться  в зависимости от режима работы предприятия. Это является одной из основных проблем, встающих перед исследователями  при разработке методов конверсии  отходов предприятий пищевой  промышленности, поэтому большинство  существующих технологий применимы  только с рядом ограничений.  

Глава 1. БИОКОНВЕРСИЯ ЖИРОВЫХ  ОТХОДОВ ПИЩЕВОЙ  ПРОМЫШЛЕННОСТИ В  БИОМАССУ КОРМОВОГО  НАЗНАЧЕНИЯ 

    В качестве одного из наиболее перспективных  путей, позволяющих решить указанную  проблему, можно рассматривать биологическую  конверсию жировых отходов, поскольку  микроорганизмы способны высокоэффективно ассимилировать широкий спектр различных  органических соединений, кроме того, они могут адаптироваться к изменению состава используемого сырья, а микробиологические процессы в сравнении с технологиями традиционной химии протекают в более мягких условиях, причем образующаяся микробная биомасса может быть использована в качестве ценной кормовой добавки, а также в качестве сырья для получения аминокислот и других продуктов.

    Установлено, что дрожжевая культура Yarrowia lipolytica способна ассимилировать вышеуказанные отходы в качестве единственного источника углерода, причем образующаяся биомасса может быть отнесена к высокобелковым. В ходе проведенной работы обнаружено, что повышение эффективности процесса культивирования дрожжей на жировых субстратах может быть достигнуто за счет проведения ультразвуковой предобработки питательной среды, которая осуществляет диспергирование и частичное окисление субстрата, тем самым, повышая его биодоступность. Кроме того, ультразвуковая обработка жировых отходов способна заменить техническую стерилизацию и существенно снизить содержание жизнеспособных микроорганизмов естественной микрофлоры, а биомасса, полученная указанным путем, обладает высокой кормовой ценностью, поскольку богата незаменимыми аминокислотами, в частности такой ценной аминокислотой, как лизин.

    Также установлено, что воздействия мягким ультрафиолетом и перекисью водорода на дрожжевые клетки Yarrowia lipolytica при подготовке посевного материала существенно увеличивают эффективность ассимиляции жиросодержащих субстратов и качество получаемой микробной биомассы.

    Согласно  предварительной технико-экономической  оценке реализация данной технологии позволяет получить конкурентноспособный продукт. Это свидетельствует о том, что исследования, направленные на переработку жировых отходов пищевой промышленности с использованием дрожжей Yarrowia lipolytica. 

Глава 2. БИОКОНВЕРСИЯ ОТХОДОВ  МАСЛОЖИРОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ЛИПАЗОЙ ДРОЖЖЕЙ YARROWIA LIPOLYTICA 

    Липолитические ферменты широко применяются в различных отраслях промышленности. Однако их использование ограничивается гидролизом субстрата, представляющего собой водную эмульсию жира. Это связано с тем, что при гидролизе эмульсии типа «жир? вода» дисперсионная среда берется в избытке для достижения практически полной степени деструкции глицеридов за счет смещения равновесия в сторону образования конечных продуктов. Получаемые при этом гидролизаты представлены в виде водного раствора, и для их дальнейшего использования необходимы стадии отделения воды, сушки, а также очистки сточных вод, что нерентабельно. Литературных данных, описывающих применение липаз для расщепления триглицеридов в условиях обратной эмульсии, крайне мало.

    Биодеструкция жира при использовании эмульсии «вода? жир» позволит избежать вышеуказанных недостатков, а также осуществить переработку крупнотоннажных отходов масложирового производства, содержащих кроме масел и жиров минеральные компоненты, препятствующие эмульгированию глицеридов в воде. Полученные при этом гидролизаты ? моно-, ди- и триацилгилцериды, жирные кислоты ? могут быть в дальнейшем использованы в производстве резино-технических изделий (РТИ)в качестве вторичных активаторов вулканизации, диспергаторов ингредиентов и мягчителей резиновых смесей и др.

    Основным  требованием к применяемым в  технологии РТИ добавкам является их влажность, значение которой не должно превышать 0,5?1 %, в связи с чем была поставлена цель: подбор оптимальных условий биодеструкции отходов масложировой промышленности с низким содержанием воды (до 10 %). Для этого в реакционную среду дополнительно вносили оксид кальция.

    Гидролиз  проводили в лабораторных реакторах  объемом 15 см3. Предварительно усредненную  навеску отхода 10 г (содержание жира 50?55 % мас.) помещали в реактор, где при 40°С и постоянном перемешивании с использованием лабораторной двухлопастной мешалки расплавляли до однородной массы. Далее в реактор добавляли CaO в виде мелкодисперсного порошка. Фермент растворяли в фосфатно-цитратном буферном растворе (pH 7,0) и, предварительно нагрев до 40°С, вносили в реакционную смесь. Перемешивание осуществляли в течение первых 10 минут. Дальнейшее перемешивание при данной температуре затруднялось из-за образования в смеси более высокоплавких продуктов: моно- и диацилглицеридов. Гидролиз продолжали в статических условиях при комнатной температуре (23±3°С) в течение 1-5 суток.

    Об  эффективности протекания процесса судили по кислотному числу, характеризующему содержание свободных жирных кислот и определяемому по ГОСТ 52 110-2003 с  предварительной экстракцией жировой  фазы смесью растворителей (диэтиловый эфир и этиловый спирт в соотношении 2 : 1), по массовому количеству кальциевых солей жирных кислот, характеризующему содержание связанных жирных кислот и определяемому по ГОСТ 5480-59 с предварительной экстракцией карбоксилатов горячим толуолом. Общий выход жирных кислот (сумма свободных и связанных в кальцевые соли кислот) в результате гидролиза оценивали по объему соляной кислоты (0,05 моль/дм3, ацетоновый раствор), пошедшему на титрование избытка добавленного спиртового раствора KOH (2 моль/ дм3, спиртовой раствор) в ацетоновой среде в присутствии тимолфталеина.

    Оценку  липидного состава проб осуществляли методом тонкослойной хроматографии. Анализ проводили на пластинках марки  «Sorbfil-ПТСХ-АФ-А» (100Ч100 мм). Система растворителей: петролейный эфир (40-70): диэтиловый эфир : уксусная кислота = 80 : 20 : 1. Проявление хроматограмм осуществляли в эксикаторе, насыщенном парами йода. Проявленные хроматограммы сканировали при разрешении 600 dpi (точек на дюйм). Обработку хроматограмм проводили с использованием программы «ТСХ-Менеджер 4.0.1».

    Подбор  концентраций и дозировок компонентов  для проведения ферментативного  гидролиза осуществляли по методу латинского квадрата 4Ч4 [1]. Рассматривалось влияние  следующих факторов: фактор «A» ? масса вносимого в реакционную среду оксида кальция, фактор «B» ? объем вносимой воды (объем буферного раствора), фактор «C» ? дозировка липазы. Об эффективности протекания гидролиза судили по общему выходу жирных кислот (в % от теор.) через двое 2 суток проведения процесса. Результаты эксперимента обрабатывались на ПЭВМ с использованием метода регрессионного анализа (таблица).

    Из  таблицы следует, что все из исследуемых  факторов оказывали влияние на степень  ферментативного гидролиза жира в заданных условиях. Увеличение дозировки  оксида кальция способствовало росту  выхода конечного продукта гидролиза. Однако увеличение концентрации CaO свыше 20 % к массе отхода не позволяло получить однородную массу в заданных условиях, поэтому за оптимальное значение приняли дозировку оксида 20 % к массе отхода. Меньшее влияние на процесс оказывал другой из исследуемых факторов - дозировка воды. Зависимость выхода жирных кислот от фактора «B» носила нелинейный характер, и при увеличении дозировки воды с 9 до 12 % к массе отхода выход кислот возрастал менее чем на 1 %. Учитывая цель настоящего исследования ? проведение ферментативного гидролиза при низком содержании воды, за оптимальную концентрацию приняли 9 % воды к массе отхода. Наибольшее влияние на выход жирных кислот оказывал фактор «C». Увеличение количества вносимого фермента в реакционную смесь с 7 до 14 ед. Е/ г жира приводило к возрастанию выхода жирных кислот более чем в 1,5 раза. Дальнейшее повышение концентрации липазы с 14 до 21 ед. Е/г жира увеличивало выход продукта гидролиза лишь на 10 %, что говорит о нецелесообразности повышения дозировки фермента свыше 14 ед. Е/г жира.

    Выход жирных кислот в зависимости от исследуемых  факторов

 

    Для определения продолжительности  гидролиза отхода исследовали динамику процесса в течение 5 суток при  комнатной температуре в статическом  режиме (рис. 1). Реакционная смесь  содержала: 20 % CaO и 10 % H2O к массе отхода. Дозировка липазы дрожжей Yarrowia lipolytica ? 14 ед. Е/г жира.  

Рис. 1. Динамика изменения состава реакционной массы: