close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

...оказалось, что процентов 40, если не ошибусь;doc

код для вставкиСкачать
ВСЕСОЮЗНЫЙ
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ИНСТИТУТ САХАРНОЙ
химия и
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
ТЕХНОЛОГИЯ
ПРОДУКТОВ
Сборник научных т р у д о в
Киев 1988
ПИЩЕВЫХ
Уда 663.541.22
- 66 -
ОБ ЭТАНОЛЬНОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ С РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ
ДРОЯЖЕВОЙ БИШАССЫ
Левандовский Л . В . , Коваленко А.Д.
Одним из путей эволюции биотехнологических производств является многократное использование (рециркуляция)
микроорганизмов,
применяемых в качестве продуцентов ценных для народного хозяйства
веществ Д , 2 , 3 , 4 / .
Известно, что в процессе ферментации сахаросо держащих с у б с т ратов до этанола дрожжами ЗиссА селялмихе.
последовательно
сочетаются два биотехнологических процесса, целевая направленность
которых различна / 4 , 6 / .
В первом - аэробном - преобладает превращение Сахаров в цикле Кребса, сопровождающееся накоплением дрожжевой биомассы и о б р а зованием определенного количества вторичных продуктов ферментации
/5/.
Во втором процессе преимущественно протекает анаэробный
распад Сахаров с образованием этанола.
Аэробно выращенные дрожжи, будучивведенными в анаэробные у с ловия брожения, постепенно перестраивают ферментные системы в с о с тояние наивысшей спиртообразующей направленности / 6 / .
После накопления в начальном периоде брожения определенного
количества ацетальдегида начинается стациональный период брожения,
в котором основным акцептором водорода от НАД.Н2 является сам
ацетальдегид, восстанавливающийся в этанол.
В проведенном нами исследовании ставилось целью изучить влияние рециркуляции дрожжей в анаэробной стадии этанольной ферментации на направленность катаболизма Сахаров и экономичность использования субстрата, перерабатываемого в этанол.
Исследования проводили на непрерывно действующей у с т а н о в к е ,
состоящей из трех дрожжегенераторов (объем по 30 м 3 кавдый) и
десяти последовательно объединенных бродильных аппаратов
(по
40 м 3 ) , предназначенных для спиртовой ферментации мелассы и с а хара-сырца в соотношении 3 0 : 7 0 .
Меласса характеризовалась содержанием сухих веществ 7 8 - 7 9 $ ,
- 67 -
инвертного сахара 0 , 8 - 0 , 9 $ ,
сбраживаемых углеводов 4 9 , 5 $ .
Выращенные в аэробной стадии засевные дрожжи
ьгьцсгл.
аппарат.
сжелгыл.иЛ'
штамма М-5
Зиххкало-
вносили в первый бродильный
Сбраживаемая с р е д а , перемещаясь о т головного аппарата к
хвостовому, подвергалась ферментации, в результате ч е г о в ней и с черпывались углеводы и накаливались продукты брожения.
В опытном режиме количество аэробно выращиваемой дрожжевой
биомассы сокращали в 3 р а з а , т . е . для ее приготовления и с п о л ь з о в а ли лишь один дрожжегенератор, а остальную ч а с т ь с у б с т р а т а , предназначавшуюся для питания в т о р о г о и т р е т ь е г о дрожжегенераторов, з а давали в головной аппарат анаэробной стадии п р о ц е с с а .
Туда же
направляли и рециркулируемую из пятого бродильного аппарата дрожжевую суспензию, предварительно сгущенную в специальном у с т р о й с т в е
до концентрации 100-150 г / л .
Для повышения скорости разбавления
среды в анаэробном брожении вводили дополнительное количество с у б страта.
Для
кислоту и
4 , 6 кг на
ментации
обогащения питательной среды использовали ортофосфорную
карбамид, вносимые в к о л и ч е с т в е , с о о т в е т с т в е н н о , 2 , 6 и
I т сырья. Для создания требуемой величины рН при фер(4,6-4,9)
задавали серную кислоту.
Согласно существующей технологии
80$ полученной смеси р а з бавляли водой до концентрации сухих веществ равной 1 3 - 1 4 $ и направляли в дрожжегенераторы для накопления клеточной биомассы.
Остальные 20$
в неразбавленном виде вводили в два головных бродильных
аппарата, что обеспечивало оптимальную ( 8 - 9 об.%)
концентрацию
этанола в конце п р о ц е с с а .
В аэробной и анаэробной стадиях ферментации определяли с о держание биомассы дрожжей, концентрацию этанола, количество о с т а точных Сахаров / 7 / .
Содержание некоторых вторичных продуктов
брожения (ацетальдегида и глицерина)
устанавливали химическими
и газохроматографическими способами / 7 , 8 / .
Удельную с к о р о с т ь образования этанола дрожжами
рассчитывали по формуле:
_
(
Р
"
Р
о}
•
Д
( сь , м л / г . ч )
- 68 -
где:
Р и Р0
-
концентрация этанола в ферментере я на входе
в ферментер, об./?;
Д
X
-
скорость разбавления среды, ч - 1 ;
концентрация дрожжевой биомассы в среде,
г/л.
Приведенные в таблице данные, характеризуют различные варианты процессов ферментации по содержанию биомассы дрожжей, концентрации образующегося этанола и количеству остаточных Сахаров в
среде.
В контроле происходило постепенное нарастание дрожжевой биомассы в среде начиная с 25,2 г / л в аэробной стадии до 27,4 и 31,9
г / л в начале и конце анаэробной.
Применение частичной рециркуляции дрожжей при ферментации без
изменения других условий (опыт I ) позволило накопить в головном
аппарате 4 3 , 8 г дрожжей в I л среды, уменьшив тем самым их концентрацию в хвостовом (восьмом) аппарате (до 28,2 г / л ) ,
находящемся
вне контура рециркуляции. Поэтому вполне объяснимо повышение концентрации этанола в первом ферментере до 5,85 против 5,12 о б . $ в
контроле за счет интенсификации процесса, следствием чего явилось
также и более глубокое усвоение дрожжами Сахаров питательной с р е ды. Их содержание в хвостовом ферментере составило 1,80 г / л по
сравнению с контролем ( 2 , 0 9 г / л ) .
Опыт 2 проведен со значительным сокращением количества а э р о бно выращенных дрожжей: из трех дрожжегенераторов, работавших в
контроле и опыте I , функционировал лишь один. Лроме т о г о , в г о ловной ферментер анаэробной стадии вводили дополнительное количество питательной среды, в результате чего скорость разбавления ее
в аппаратах возрастала до 0,57 ч - 1 , т . е . на 27$. Таким образом,
здесь основное количество сырья (более 80$) поступало в анаэробную стадию процесса и подвергалось ферментации аэробно выращенными и рециркулируемыми дрожжами, которые задавали в соотношении
1 : 2 ( в опыте I - 3 : 2 ) .
Как следствие, произошло изменение характера распределения
биомассы в аппаратах, связанное с уменьшением общего количества
дрожжей, вносимых в головной аппарат, а также из-за повышения
скорости разбавления. Последний фактор предопределил увеличение
продуктивности установки по целевому веществу (этанолу).
- 69 -
Несмотря на снижение содержания биомассы в хвостовом ферментере ( д о 1 0 , 8 г / л ) ,
в головном этот показатель поддерживался в е с ь ма высоким - 3 5 , 1 г / л ,
причиной чему была непрерывная рециркуляция дрожжей.
Спиртообразующую активность дрожжевой популяции в головном
ферментере устанавливали по удельной скорости образования этанола
дрожжами. Величина этого показателя объективно отражает искомую
активность, поскольку позволяет сравнить процессы, отличающиеся
скоростью разбавления, количеством биомассы и содержанием этанола
в головном ферментере.
Как видно из рис. I ,
только применение анаэробно рециркулируемых дрожжей в процессе ферментации без изменения всех других
параметров (опыт I ) привело к возраствнию э т о г о показателя с 4 , 1 2
(контроль) до 4,46 м л / г . с у т . ,
т . е . на 8 , 3 $ . Увеличение же притока субстрата в опыте № 2 усилило этот эффект, свидетельством чему
было дальнейшее повышение удельной скорости биосинтеза этанола
дрожжами до 4 , 9 8 м д / г . с у т . или на 1 7 , 0 $ .
На рис. 2 б представлены данные о содержании глицерина в
проведенных исследованиях. Анализируя эти результаты можно заключить, что процессы с рециркуляцией биомассы отличаются меньшим о б разованием глицерина в пусковом периоде ферментации ( в головном
аппарате): 3 , 4 1 (опыт I )
и 3 , 1 5 (опыт 2) по сравнению с контролем ( 3 , 8 2 г / л ) .
Примечательно, что эти величины коррелируют с удельной с к о ростью биосинтеза этанола дрожжами - чем выше указанная скорость,
тем меньше образуется глицерина, что подтверждает предположение о
сокращении индукционного периода этанольной ферментации при использовании дрожжей, рециркулируемых в анавробной стадии процесса.
Данные по содержанию ацетальдегида, демонстрируемые на
р и с . 2а, могут быть интерпретированы таким образом, что интенсификация начального периода ферментации способствует также и быстрому превращению ацетальдегида. Если в головном ферментере к о н т рольного варианта его содержалось 0,0190 о б Д ,
то в опытах I и 2
- соответственно, 0,0166 и 0,0129 об.%.
При изучении состава конечного продукта ферментации
(зрелой
бражки) установлено преимущество процессов с рециркуляцией дрож-
- 70 -
т
II
щ 2
£*
1 *
114
О О ч
ее
II
КОНТРОЛЬ
опыт 1
опыт 2.
Рис.1 .Влияние рециркуляции дрожжей в анаэробной стадии
ферментации на удельную скорость биосинтеза этанола дрожжами
в головном аппарате
ГОЛОВНОЙ
<р-р
хвостовой
ГОЛОВНОМ
хвостовой
Рис.2. Соде ржание ацетальдегида ( а ) и глицерина ( £ ) в
головном и хвостовом ферментерах анаэробной стадии брожения
с рециркуляцией дрожжей:
1 - контроль б е з рециркуляции,
2 - опыт I ,
3 - опыт 2 .
71 -
і і
о
«
0 5 го
О S CD
Q.O,
ЙЯ
я CD
гаОя>е<ін
сл
о
8
и
Ъ~"вГ"
'S
і
ca
Єн
CO
s.
•о
а
ш
g §
о о
И S3
Ч _ œ о, я
O S E ® сока R
Рн О 0,0,03 О со
!А CD CD M В) Е-1
m mot* гою о
1
j-———
ш
°< 4сою 1=1я
о œOfflOH
о ола го
и чаго s о
о"*- '
О2ш
..
,о,
й § а,?
О ф CD
m to&t«
о
а.
O E S ® cote Î.
Сч о о,о,го О го
a CD ® Щ
Я я>в<8чгоюО
Т® ®Юі " " Sя " '
о. ч с> ч
О
О О , « го
® о со о
я чиго a о
о _ щ'
B S CD
1)Ю
Г *
СП fr!
а о
ч о
го S й
о шя
О 13« Ч
g оm
о
К g >5
иик
а
a я
S о
я H
О Я
ч а
о о
t>>
s a
я a
Єн CD
a Ч
го ш
s я
о. о
го а.
да а
m Q,o,
Ого®
Я нв^
a
CD
a.
o s a ® в»'** ^
о o,o,ro о да
a CDдаa a EH
га я>&бн гою о
і о і «s s
CD О CO О Я
о,агоa ч
о
ю го
(D О О Н
PQ ЧЧ 0,0
о
1 -»
І
см
со
ю
N
N
со
о
СТ1
H
й
s
см
СМ
со
оо
г*
ю
со
s
00
см
м
ID
со
сСП
8
СМ
ю
СМ
й
ю
8
со
со
СМ
оо«
о
со
LO
со
ю
см
LO
см
- 72 -
ней по меньшему содержанию глицерина ( 4 , 9 0 в опыте I я 4 , 5 9 в
опыте 2 против 5 , 4 5 г / л в контроле) (рис. 26) и ацетальдегида
(0,0063 и 0,0054 об.% против 0,0087 об.% в контроле) (рис. 2 а ) .
Снижение расхода Сахаров сырья на указанные продукты явилось
резервным источником для повышенного образования этанола в зрелой
бражке до 8,32 о6.% (опыт I )
и 8,44 об.% (опыт 2) в сравнении с
8,21 о б . $ в контроле (табл.
).
Приведенные экспериментальные данные убеждают в эффективности применения для ферментации анаэробно рециркулируемых дрожжей,
обладающих более высокой биохимической активностью и спиртообразующей способностью. При этом сокращается потребность в непрерывно
выращиваемой биомассе, уменьшается доля аэробно ассимилируемых С а харов и снижаются их потери при дрожжегенерировании. Вместе с тем,
ускорение начального периода анаэробной ферментации способствует
ингибированию биосинтеза глицерина, на который расходуется наибольшее количество сахара среди всех вторичных продуктов.
Следовательно, использование в качестве засевных дрожжей,
рециркулируемых в анаэробиозе, может служить средством регуляции с
целью повышения выхода этанола и является действенным средством
повышения эффективности процесса.
Л и т е р а т у р а
1 . Биотехнология микробного синтеза / М.Е.Бекер, М.Ж.Кристапсонс, У.Э.Виестур и д р . ; под ред. М.Е.Бекера. -Рига: Зинатне,
1980. - 350 с .
2. JLbiUiO'v В., Кошп, Л.
1978, 82, * 1703, р . 3 7 - 5 4 .
з.
mcviycvvLtii
£.,
lUUe
^еюпміі&ь
cU/іід^Уь лші
- 73 -
4.
Коновалов С.А.
Биохимия дрожжей. 4 1 . :
Пищевая пром-сть,
1980. - 271 с .
5.
Мецлер Д.
Биохимия, т . 2 . - М . : Мир, 1980. - 606 с .
6 . Никитин Г . А . Биохимические основы микробиологических
производств. -Киев: Вища школа, 1981. - 311 с .
7 . Рухлядева А.П. Технохимический контроль спиртового п р о изводства. - М . : Пищевая пром-сть, 1974. - 355 с .
8 . Унифицированные методы газохроматографического контроля
спиртового производства / В.А.Усенко, Л.Г.Сапронова, Т.Т.Бакуменко, Т.Л.Баленко. - В р е ф . с б . : Спиртовая и ликеро-водочная пром-сть,
М.: ЦЩШТЭИпищепром, 1982, вып. 4 , с . 4 - 6 .
9 . Левандовский Л . В . , Коваленко А . Д . , Яровенко В.Ж. Влияние рециркуляции дрожжевой суспензии на сбраживание мелассного
сусла. - Ферментная и спиртовая пром-сть, 1984, № 7 , с . 2 7 - 3 0 .
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа