Утилизация отходов переработки растительного сырья в биореакторах для твердофазной ферментации

УДК 663.18

Б. А. Кулишов, Ле Ань Туан, А. В. Канарский

УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ ПЕРЕРАБОТКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

В БИОРЕАКТОРАХ ДЛЯ ТВЕРДОФАЗНОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ

Ключевые слова: биореактор, субстрат, микроорганизмы, твердофазная ферментация, переработка отходов,

биопродукты.

Показано, что для утилизации отходов переработки растительного сырья успешно применяются биореакторы твердофазной ферментации. Химический состав отходов и их физическое состояние обуславливают применения соответствующих по конструкции биореакторов.

Keywords: bioreactor substrate, microorganisms, solid state fermentation, recycling, bio-products.

It is shown that for waste processing plant raw materials are successfully used solid-state fermentation bioreactors. The chemical composition of the waste and their physical condition cause application of appropriate types of constructions.

Актуальность. Развитие пищевой биотехнологии, как прогрессивного направления в пищевой промышленности, определяется не только технологическими способами интенсификации ферментации, но и аппаратурным совершенством процесса, что особенно важно при больших объемах производства. Повышение качества изготовления аппаратов, решение вопросов контроля и способов управления параметрами процессов ферментации является весомым фактором, влияющим в итоге на производительность и качество получаемых продуктов, которые выгодно отличаются от традиционных химических тем, что сырьем для их получения служат возобновляемое сырье животного и растительного происхождения [1,2].

Также следует отметить, что оптимальная конструкция аппаратов оказывает существенное влияние на кинетику и производительность процессов ферментации [3].

Существует шесть типов твердофазных ферментеров:

1. биореактор типа лотка,

2. биореактор с уплотненным слоем,

3. биореактор типа вращающегося барабана,

4. качающийся твердофазный биореактор,

5. биореактор в виде емкости, снабженной мешалкой,

6. твердофазный биореактор с псевдоожиженным слоем [4].

Первый тип - биореактор типа лотка, где ферментируемый субстрат распределяется в емкости, специально предназначенной для этой цели, и выдерживается в помещении со специальным воздушным кондиционированием [5], и который может использоваться для производства больших количеств биопродукта. Однако в нем допускается возможность небольшого загрязнения контаминантами. Кроме того, такой реактор и способ культивирования требуют большого пространства и больших трудозатрат. Ферментируемый субстрат необходимо

перемешивать вручную. Данный биореактор не подходит для культивирования мицелиальных грибов в больших объемах. Примером такого типа может служить биореактор, предназначенный для

утилизации стоков свиноферм [6]. Устройство представляет собой корпус с перегородками камер кислого, нейтрального, щелочного, метанового брожения, снабженных смесительными насосами. Камера кислого брожения сообщена со сборником стоков, а камера метанового брожения - со сборником биогаза, снабженного колоколом. Корпус биореактора вдоль его продольной оси выполнен в виде короба с откидными стенками. Ферментатор имеет канал сообщения с нагнетателем воздуха из помещения свинофермы, с перфорированными отводами в средней части, а верхняя часть сообщена насосом подачи твердой составляющей остатка после брожения из камеры метанового брожения. Нижняя часть короба сообщена со сборником осветленной жидкости для гидросмыва и гидросплава навоза.

В биореакторе с уплотненным слоем влажный гранулированный субстрат, размещенный в замкнутой емкости, засевается микроорганизмами, которые там развиваются без перемешивания субстрата. Субстрат должен постоянно продуваться воздухом. Возникают некоторые проблемы с эксплуатацией такого биореактора, которые не позволяют использовать большие количества субстрата. Микроорганизмы выделяют теплоту в количестве 300 кДж на 1 кг сухого веса в час [7], которую можно удалять либо через наружную стенку емкости, либо циркуляцией воздуха. С увеличением объема биореактора применение циркуляции становится нецелесообразным, рост микроорганизмов замедляется и с выделением теплоты прекращается.

Постоянная аэрация приводит к потере влаги из субстрата. В результате в массе формируются воздушные каналы. Их наличие не может обеспечить дальнейшей равномерной аэрации субстрата. Постепенное высушивание также приводит к замедлению роста микроорганизмов.

Биореактор типа вращающегося барабана обычно состоит из цилиндрической емкости, которая расположена горизонтально и вращается. Емкость заполняется не более чем на одну треть своего объема гранулированным субстратом для

выращивания микроорганизмов. Теплота, выделяемая при росте, может удаляться через охлаждаемую оболочку биореактора. Охлаждение происходит при вращении цилиндра с малой скоростью, что приводит к тому, что субстрат снова и снова контактирует с оболочкой и отдает ей теплоту. Недостатком способа является то, что внутри движущегося субстрата действуют усилия сдвига, что приводит к разрушению мицелиальных грибов. С помощью такого типа биореактора для многих видов культур грибов невозможно добиться высокой спорулезности. Также в данном типе биореактора существует проблема обезвоживания, которая устраняется аэрацией влажным воздухом ввиду отсутствия необходимости испарять воду из субстрата. Возможным вариантом является применение распылительных насадок. Кроме того, распылительные насадки могут способствовать увлажнению субстрата, обеспечивая хорошее распределение свободной влаги.

Однако, большие количества субстрата для выращивания микроорганизмов приводят к другим проблемам в ферментерах такого типа:

• они имеют дорогостоящую конструкцию;

• непрерывное вращение ферментера может вызвать слипание влажного субстрата;

• необходимы поверхности для сообщения с внешней средой (патрубок для ввода воздуха и патрубок для отвода воздуха, патрубок подачи воды), которые могут привести к появлению сторонней микрофлоры и нарушить стерильность процесса.

Данный тип биореактора может быть применен для утилизации пестицидов микробиологическим способом [8]. Предложенный способ утилизации пестицидов заключается в смешивании продуктов органического синтеза и микроорганизмов, разлагающих эти вещества. Пестициды могут быть представлены веществами органического синтеза, в частности сим-триазиновой группы. Для утилизации пестицидов используют бактериальный препарат, включающий консорциум микроорганизмов. Биореактор для реализации 'этого способа представляет собой цилиндрический барабан, установленный горизонтально; барабан вращается от привода. В биореакторе предусмотрен люк и система аэрации с воздуховодом и отверстием для выхода отработанного воздуха. Соотношение длины барабана к его диаметру находится в диапазоне 1:3,0-4,0. В барабане имеется два люка: первый -загрузочный, расположенный на цилиндрической поверхности около торцевой стенки, и второй люк -разгрузочный, который расположен в торцевой стенке на противоположном конце барабана.

Качающийся твердофазный биореактор имеет недостатки, аналогичные биореакторам барабанного типа. Различие между этими типами заключается в том, что перемешивание субстрата происходит не при вращательном движении, а при встряхивающем движении. Кроме того, объем этого типа ферментера ограничен, так как усложняется конструкция механизма встряхивания при обработке больших количеств субстрата.

Биореактор в виде емкости, снабженной мешалкой, обычно имеет конструкцию в виде закрытой емкости с движущейся в нем мешалкой. Для этого типа реактора неизбежны проблемы, возникающие при использовании больших объемов субстрата, так как эти объемы не могут перемешиваться равномерно без разрушения структуры субстратов. Такая конструкция, несмотря на свои недостатки, широко распространена, например модуль - ферментер [9], содержит корпус, систему термостатирования, перемешивающее устройство, аэратор, контрольно-измерительное и запорное устройства, впускные и выпускные патрубки. Корпус выполнен в виде цилиндра. Верхнее и нижнее днища корпуса выполнены в виде усеченного конуса. Необходимость применения нержавеющей стали в качестве материала емкости обусловлена потребностью в химической инертности оболочки и недопустимостью коррозии [10]. Модуль - ферментер имеет в своей конструкции силовой каркас, который представляет собой продольный и поперечный наборы, выполненные из профилированного проката и сваренные между собой. Таким образом, статическое усилие от веса субстрата и динамическое от перемешивания и аэрации будет воспринимать силовой каркас, выполненный из конструкционной, сравнительно недорогой, стали.

В биореакторе с псевдоожиженным слоем субстрат для выращивания микроорганизмов находится в состоянии псевдоожижения. Это состояние обеспечивается противоточным движением твердой фазы вниз под действием силы тяжести (дрожжей или микроорганизмов, нанесенных на твердые носители) и газа или жидкости снизу вверх. Встречный поток газа или жидкости не дает твердым частицам достичь дна аппарата, поэтому они как бы висят в этом потоке и создают таким образом «псевдоожиженный» слой.

В случае использования в качестве противотока воздуха, он должен иметь точно заданное содержание влаги. В проекте AiF [11] доказано, что выращивание дрожжей можно также осуществлять в псевдоожиженном слое. Однако, твердофазный биореактор с псевдоожиженным слоем для таких процессов имеет малую удельную производительность. Выращивание мицелиальных грибов на больших количествах гранулированных субстратов (более 100 кг на партию) в течение нескольких недель с использованием этой технологии возможно только при очень высоких затратах.

Большое распространение в различных видах промышленности имеют башенные реакторы с псевдоожиженным слоем с использованием в качестве среды противотока потока жидкости. Частицы нерастворимого биокатализатора (скопления микроорганизмов, частицы

иммобилизованных ферментов или клеток) суспендируются, увлекаемые восходящим потоком жидкости. Вовлеченные в этот поток частицы катализатора в верхней части реактора прекращают подъем и затем вновь возвращаются в башню. Если

тщательно подобрать режим работы реактора с учетом характеристик организма, то биокатализатор удается удерживать в реакторе, несмотря на то, что через реактор непрерывно протекает среда.

Например, в башенных ферментерах, использующихся в непрерывных процессах пивоварения, создается определенный градиент концентрации дрожжевых клеток по высоте башни, причем вблизи от дна реактора концентрация микроорганизмов может достигать 35 %, а в верхней части башни этот параметр снижается до 5 - 10 %.

Биореактор такого типа может применяться не только в пищевой промышленности, но и при переработке отходов целлюлозы. Например, таким способом осуществляется процесс непрерывного брожения гидролизованного сырья на основе целлюлозы в присутствии штамма микроорганизмов Clostridium. Указанный штамм иммобилизован на твердом носителе - полипропилене, цеолите, керамике, полиэфирном волокне, стеклянных гранулах, тефлоне, и др. Гидролизованное сырье непрерывно подают в биореактор в течение всего периода брожения, а микроорганизмы превращают гидролизованное сырье в биопродукт [12].

Другие известные ферментеры имеют слишком малый объем для получения с их помощью экономически выгодного количества биомассы [13,14] или в ферментере с достаточной емкостью невозможно предотвратить загрязнение субстрата сторонней микрофлорой в течение долгого времени

[15].

Несмотря на выявленные недостатки в типовых конструкциях основных видов биореакторов, эти неудобства могут быть устранены или же частично сглажены некоторыми конструктивными решениями. Например, для реактора с уплотненным слоем [4] авторами предлагаются следующие технические решения. Биореактор содержит емкость с крышкой 1 и днищем, в которой установлен ряд модульных оснований 4, расположенных одно над другим, имеющих отверстия и соединенных с внутренней стенкой емкости для предотвращения прохождения сбоку воздуха и воды. На полки загружается субстрат 5. Субстрат имеет гранулированную структуру, чтобы обеспечить достаточную проницаемость для воздуха. Он может состоять из зерен, отрубей в гранулах или других продуктов органических отходов, отходов от производства сахара или пропитанных раствором гранулятов. В крышке предусматривается патрубок 2 для сброса избыточного давления и патрубок 3 для засева культур микроорганизмов. Количество полок зависит от условий культивирования конкретных штаммов микроорганизмов, условий аэрации. Слишком большое количество полок может нарушить равномерность распределения кислорода в верхние слои субстрата, также ухудшаются условия эксплуатации ферментера.

Полки соединены со стенкой емкости герметично во избежание циркуляции воздуха и утечек воды в зазорах между стенкой и полками. Расстояние между полками зависит от оптимальной

толщины слоя субстрата, которая определяется оптимальными условиями культивирования культур микроорганизмов.

В конструкции предусмотрен узел охлаждения 6, который расположен под полками. Теплообменники могут быть выполнены либо как охлаждающие змеевики, либо как охлаждающие пластины. Узел 6 охлаждения соединен с трубами отвода и подачи охлаждающей жидкости, которые расположены снаружи емкости. Конструктивное исполнение соединения позволяет быстро и легко отсоединять и подсоединять охлаждающие теплообменные элементы.

Основание емкости содержит патрубок 7 для ввода стерильного увлажненного воздуха в ферментер. Воздух циркулирует через все слои субстрата и выходит из ферментера через патрубок 2 для отвода воздуха, установленный на крышке.

Если в ферментаторе не может использоваться влажный воздух для аэрации, воздух может осушаться внутри ферментера. Это достигается тем, что нижняя полка заполняется не субстратом, а гранулированным материалом, который может адсорбировать воду, содержащуюся в воздухе, прежде чем воздух поступает в ферментатор. Если необходимым условием культивирования является интенсивное увлажнение, в ферментаторе на определенных расстояниях могут быть установлены несколько модулей для увлажнения воздуха. Расход воздуха зависит от потребности выращиваемого штамма

микроорганизмов в кислороде. Ферментер стерилизуется до самого верхнего слоя субстрата перед засевом (инокуляции) микроорганизмами, предназначенными для выращивания. Для этого установлен патрубок 8 для подачи воды, в котором присутствует стерильный фильтр. Патрубок для подачи воды также может быть установлен в другом месте ферментера, например, на крышке. После заполнения водой вводится посевной материал через предназначенное для этого отверстие в крышке. Распределение посевного материала в ферментере осуществляется исключительно введением воды через отверстие 9 в днище ферментера. Принципиальная схема устройства изображена на рисунке 1.

Рис. 1 - Схема реактора с уплотненным слоем

Конструкция биореактора предыдущих авторов [15] была усовершенствована. В работе [16] представлен способ культивирования

микроорганизмов для данного типа реактора, а усовершенствованная конструкция описана в патенте [17]. Биореактор имеет следующую конструкцию. Емкость реактора закрыта крышкой 1, снабженной, в случае необходимости, патрубком 2 для отвода воздуха (в патрубке присутствует фильтр 3, обеспечивающий стерильность воздуха), а также отверстием 4 для засева. Крышка может быть прикреплена к емкости посредством винтового соединения 5 с использованием уплотнения 6. В емкости размещено множество модульных оснований в виде полок 7. На модульных основаниях размещается субстрат 8 для выращиваемых культур микроорганизмов. Пар может подаваться через патрубок 9 для подачи пара.

Полки 7 соединены со стенкой 10 емкости с использованием уплотнений 14 в целях герметичности. Кроме того, полки 7 имеют отверстия 11, через которые проходят расположенные вертикально охлаждающие трубчатые элементы 12, которые позволяют удалять выделяемую метаболическую теплоту. Следует также отметить, что основание 13 полки выполнено в виде перфорированных листов.

Между полками 7 размещены уплотнения 14 (на рис.2 также показано уплотнение 14а в разнесенном виде), которые прижимаются к стенке 10 емкости полками 7, расположенными над уплотнениями 14. Уплотнение представляет собой упругий, теплостойкий материал (например, кремнийорганическое соединение). При сжатии уплотнение расширяется в стороны и прижимается к внутренней стенке биореактора. За счет этого обеспечивается необходимая воздухо- и влагонепроницаемость. Чрезмерное сжатие уплотнения можно обеспечить с помощью прокладок, которые обеспечивают равный зазор между полками. Уплотнение можно установить либо на верхнем крае нижней полки, либо на крае под основанием верхней полки, например, при помощи паза.

Основание емкости содержит патрубок 15 для ввода воздуха в биореактор, куда подается стерильный увлажненный воздух (стерильность обеспечивается наличием фильтра 16). Воздух циркулирует через все слои субстрата и выходит из биореактора через патрубок 2 для отвода воздуха, установленный на крышке.

Как и в биореакторе предыдущей конструкции, предусматривается возможность установки устройств увлажнения воздуха, если есть такая необходимость.

После стерилизации содержимого биореактора он заполняется стерильной водой до самого верхнего слоя субстрата для засева (инокуляции) микроорганизмами,

предназначенными для выращивания. Для этого установлен патрубок 17 для подачи воды, где также присутствует фильтр 18. После заполнения водой вводится посевной материал через предназначенное

для этого отверстие 4 в крышке. Отверстия для засева могут располагаться между модульными основаниями, особенно если полок очень много. В первом случае распределение посевного материала в биореакторе осуществляется исключительно подачей воды через отверстие в днище биореактора. Дополнительно биореактор имеет слив 19, расположенный в днище, и предохранительный вентиль 20, расположенный на крышке 1. Схема представлена на рис. 2.

14а

Рис. 2 - Схема усовершенствованного реактора

Для типовой конструкции лоточного биореактора авторы предлагают свой вариант совершенствования его конструкции на примере ферментатора для получения биогаза из отходов растительного и животного происхождения. Предлагаемый аппарат содержит следующие конструктивные элементы: корпус 1 с патрубками для подачи 2 перерабатываемой биомассы, и слива 3 готового удобрения, находящиеся на торцовой стенке 4 корпуса, отвода биогаза 5, устройство для прогрева биомассы 6, барботажное устройство 9. Конструкция барботажного устройства представляет собой вертикальный газопровод 8, переходящий в горизонтальные отводы 10, снабженные форсунками 11. Патрубки для подачи биомассы и слива готового удобрения размещены на одной торцовой стенке корпуса, устройство прогрева биомассы выполнено в виде узкого прямоугольного бака, заполненного подогреваемой водой с высотой, превышающей уровень заполнения корпуса биомассой. Узкий прямоугольный бак установлен по продольной оси корпуса, торцовой стенкой примыкая к торцовой стенке корпуса со стороны загрузки и выгрузки на равном расстоянии от боковых стенок корпуса, совпадающем с расстоянием между вторыми торцовыми стенками узкого прямоугольного бака и корпуса. Горизонтальные отводы барботажного устройства установлены в нижней части прямоугольного бака вдоль боковых его стенок, а форсунки размещены равномерно по длине горизонтальных отводов. При этом узкий прямоугольный бак делит днище корпуса на два участка, выполненных с наклоном в

противоположные стороны под углом естественного схода массы. Изобретение позволяет повысить интенсивность, стабильность и полноту биохимических процессов в биореакторе и упростить его обслуживание [18]. Схема представлена на рис. 3.

биогаза

Выводы

Для утилизации отходов переработки растительного сырья успешно применяются биореакторы твердофазной ферментации. Химический состав отходов и их физическое состояние обуславливают применения

соответствующих по конструкции биореакторов.

Литература

1. Ю.А. Винаров, Л.С. Гордеев, А.А. Кухаренко, В.И. Панфилов, Ферментационные аппараты для процессов микробиологического синтеза, ДеЛи Принт, Москва, 2005. 278 с.

2. К.А. Смирнов, Ю.Д. Алашкевич, Н.С. Решетова, Химия растительного сырья, 3 ,161-164

3. М.В. Харина, Р.Т. Валеева, С.Е. Орлова Вестник Казан. технол. унив., 15, 18, 220-222

4. Пат. РФ 2235767 (1999).

5. Koji-Raum, Ramana Murthy, M.V. Karanth, N.G.; Raghava Rao, K.S.M.S., Advance in Applied Microbiology, 38, 99-147 (1993).

6. Пат. РФ 95105226/13 (1995).

7. G. Saucedo-Castaneda, M.Gutierrez-Rojas, G. Bacquet, M. Raimbault, G. Viniegra-Gonzalez. Biotechnologie and Bioengeniering, 35, 802-808 (1990).

8. ЗИ 2002114831/13

9. Колесникова Н.Н., Луканина Ю.К., Хватов А.В., Лихачев А.Н., Попов А.А., Заиков Г.Е., Абзальдинов Х.С. Вестник Казан. технол. унив., 15, 1, 167-170 (2013).

10. Пат. W02012067547 A1

11. D. Bahr, M. Menner, BlOforum, 18, 16-21 (1995).

12. ЗИ США 2011153546/10

13. ЕР-А1-0683815

14. FR 8508555 (1994).

15. DE 4406632 (1995).

16. WO 99/57239А (2004).

17. Пат. РФ 2359026 (2004).

18. Пат. РФ 2208004 (2001).

19.

© Б. А. Кулишов, магистр кафедры пищевой инженерия малых предприятий КНИТУ, nosfera-tu@mail.ru; Ле Ань Туан, аспирант кафедры пищевая биотехнологии КНИТУ, letuan.tnvn@gmail.com; А. В. Канарский, доктор технических наук, профессор той же кафедры, alb46@mail.ru.

© B. A. Kulishov, Master of the Department of Food Engineering in small businesses KNRTU, nosfera-tu@mail.ru; Le Anh Tuan, a graduate student of the Department of Food Biotechnology KNRTU, letuan.tnvn@gmail.com; A. V. Canarskiy, Doctor of Technical Sciences, Professor of Food Biotechnology KNRTU, alb46@mail.ru.