Процесс выращивания кормовых дрожжей на обогащенной барде в биореакторе с дисковыми мешалками

УДК 66.063

Р. Б. Хабибрахманов, С. Г. Мухачев, Р. Т. Валеева

ПРОЦЕСС ВЫРАЩИВАНИЯ КОРМОВЫХ ДРОЖЖЕЙ НА ОБОГАЩЕННОЙ БАРДЕ В БИОРЕАКТОРЕ С ДИСКОВЫМИ МЕШАЛКАМИ

Ключевые слова: кормовые дрожжи, фильтрованная барда, мешалка, энергетическая эффективность массообмена кислорода.

В экспериментах по культивированию кормовых дрожжей Rhodosporidium diobovatum ВКПМ Y-3158 на фильтрованной барде, обогащенной редуцирующими веществами, показано, что угол наклона рабочей поверхности мешалки не влияет на энергетическую эффективность процесса абсорбции кислорода культуральной жидкостью. Повышение доли фильтрата барды в среде выше 50% приводит к снижению энергетической эффективности массопереноса кислорода.

Keywords: fodder yeast, thin stillage, agitator, energy efficiency of oxygen mass transfer.

In the experiments on cultivation of fodder yeast Rhodosporidium diobovatum VKPM Y-3158 on thin stillage enriched with reducing substances, it is shown that the angle of inclination of working surface of agitator has no effect on energy efficiency of oxygen absorption by culture fluid. Increasing the proportion of thin stillage in nutrient media above 50% leads to decreasing of energy efficiency of oxygen mass transfer.

Введение

С целью снижения затрат энергии в расчете на единицу кормового белка барда подвергается переработке с использованием различных штаммов кормовых дрожжей. Однако при культивировании дрожжей на барде невозможно получить высокую концентрацию биомассы в культуральной жидкости, поскольку в барде содержится не более 8 - 10 % сухих веществ, из которых только часть может являться субстратом для питания дрожжей [1].

Нами было предложено обогащение барды фильтратом сусла [1-4], что позволяет снизить затраты энергии при производстве сухого кормового продукта на стадии сушки.

Целью настоящей работы являлась оценка влияния различных факторов на скорость наращивания дрожжевой биомассы.

Экспериментальная установка

В установке использован биореактор разборной конструкции, позволяющий устанавливать различные типы мешалок с цанговыми зажимами. Геометрический объем аппарата составлял 6 л. Внутренний диаметр аппарата - 150 мм [1].

В процессах использована двухъярусная дисковая мешалка диаметром 100 мм. Отверстия перфорации конические, с наименьшим диаметром 3 мм и углом конусности 90 градусов. Угол наклона рабочих поверхностей дисков к горизонтальной плоскости составлял: в экспериментах №1 и №2 - 35°, а в эксперименте №3 -10°. Расстояние от нижнего яруса мешалки до днища биореактора составляет половину диаметра мешалки, а между ярусами равно диаметру мешалки.

В реакторе установлены 4 отражательные перегородки, имеющие суммарную поверхность 25 % от площади вертикального сечения рабочего объема аппарата [4].

Термостабилизация культуральной жидкости обеспечивалась подачей воды заданной температуры в рубашку аппарата из ультратермостата т^ Ш. Подача стерильных жидких компонентов и титрующего агента в биореактор осуществлялась перистальтическими насосами из емкостей, установленных на элек-

тронных весах типа МК-6.2-А21, погрешность измерения массы составляет ± 6 г. В качестве пеногасите-ля применялся пропинол Б400. Подача воздуха на аэрацию осуществлялась компрессором УК40-2М через ротаметр РС3 и стерилизующий фильтр. Отработанный газ поступал на барабанный газовый счетчик Р7000. Часть газового потока отводилась в ячейку с установленным датчиком концентрации кислорода Oxygen sensor КЕ-25 и затем возвращалась в линию сброса газа. При этом избыточное давление в ячейке изменялось в ходе всего процесса незначительно (от 4 до 8 см водяного столба по U-образному манометру). В режиме on-line замерялась кислотность культураль-ной жидкости, ее температура и концентрация растворенного кислорода с использованием анализатора Мультитест ИПЛ-513. В отбираемых пробах определялось содержание РВ [5] и биомассы (по оптической плотности) с использованием фотоэлектроколоримет-ра КФК-3-«30М3». Обработка информации велась в среде табличного процессора Excel [1].

Питательные среды

С целью корректного измерения оптической плотности культуральной жидкости в экспериментах для приготовления сред использованы фильтраты спиртовой барды и зернового сусла, полученные с Мама-дышского спиртзавода. Фильтрация барды и сусла осуществлялась через полотняную ткань. Наличия визуально определяемых взвесей не допускалось [1].

Минеральный состав всех питательных сред был одинаковым во всех экспериментах: (NH4)2SO4 - 3 г/л, MgS047H20 - 0,7 г/л, NaCI - 0,5 г/л, KH2PO4 - 1,0 г/л, К2НРО4 - 0,1 г/л, Ca(NO3)2 - 0,4 г/л, также вносился дрожжевой автолизат в количестве 10 г/л [1].

В качестве дополнительного субстрата использовалась глюкоза.

Подпиточная среда использовалась только во втором эксперименте с 13 по 15 час культивирования. Она состояла из фильтратов сусла с 20% РВ и фильтрата спиртовой барды, взятых в равных количествах, и имела указанный минеральный состав.

Основные компоненты культуральных сред и жидкостей представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Содержание компонентов в средах и исходных культуральных жидкостях

Компоненты Содержание в литре, мл

№1 №2 №3

Исходная культуральная жидкость

Фильтрат сусла, 20% РВ 0 200 0

Посевная культура 167 142 218

Вода дистиллированная 417 0 174

Фильтрат спиртовой барды остальное

Глюкоза, % 2,0 - 3,7

Общее содержание РВ, % 2,0 4,7 3,7

Результаты и их обсуждение

Параметры процесса культивирования дрожжей Rhodosporidium diobovatum ВКПМ Y-3158 приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Параметры процесса культивирования дрожжей, усредненные на 15-ти часовом интервале

Показатели Эксп. 1 Эксп.2 Эксп.3

Доля фильтрата спиртовой барды в исходной среде, % масс. 50 76 73

Средняя скорость вращения мешалки, мин-1 682 919 603

Средний выходной расход воздуха, л/л^мин 0,78 0,71 0,56

Средняя концентрация растворенного кислорода, мг/л 3,50 3,94 3,90

Среднее значение рН 6,39 6,40 5,76

Включение подачи подпитки, час от начала процесса - 13 -

Прирост оптической плотности на 8 час культивирования 1,40 1,30 0,60

Прирост оптической плотности на 15 час культивирования - 1,90 1,50

Энергетическая эффективность, гО2/вгчас 1,24 0,80 0,82

Рост культуры дрожжей в экспериментах №№ 1 -3 представлен на рисунке 1.

Интересным результатом является то, что при одинаковом росте культуры в экспериментах 1 и 2 энергетическая эффективность транспорта кислорода существенно различна. При этом в аппарате в обоих случаях установлены мешалки с наклоном рабочих поверхностей 35° к горизонтальной плоскости. А в третьем процессе, в отличие от второго, рост замедлен, но при этом энергетические эффективности одинаковы.

Из всех факторов, которые могли бы оказать влияние на процесс, на наш взгляд существенным является концентрация компонентов фильтрата барды в среде.

2,5

1,5

0,5

-

-Эксп.1

10

Время,час

>—Эксп.2 —,

15

-Эксп.3

20

Рис. 1 - Рост биомассы в процессах культивирования дрожжей

Во втором и третьем процессе, в отличие от первого, использована среда с фильтратом барды, количество которого в 1,5 раза больше, чем при проведении первого процесса. В зависимости от условий эксперимента это может создавать различные ингибирую-щие эффекты (снижение удельной скорости роста, повышение удельного расхода энергии и др.). Выводы

В ходе проведенных экспериментальных исследований дисковой многоярусной мешалки была выявлена прямая зависимость энергоэффективности от величины удельной аэрации [6]. Кроме того, показано, что важным фактором является концентрация питательных веществ. Так, превышение содержания веществ барды (органические кислоты и другие продукты брожения и неполного окисления сахаров) может приводить к повышению расхода энергии на мас-соперенос кислорода практически без снижения скорости роста в условиях стабилизации концентрации растворенного кислорода.

Литература

1. С.Г. Мухачев, В.М. Емельянов, И.С. Владимирова, Н.К. Филиппова, Р.Т. Валеева, Вестник Казанского технологического университета, 1 - 2, 147-155 (2004).

2. С.Г. Мухачев, В.Н. Мельников, Современные ресурсо- и энергосберегающие технологии в спиртовой и ликеро-водочной промышленности (Казань). Татспиртпром. Казань, 2000. С. 47-48.

3. С.Г. Мухачев, Р.Т. Валеева, Производство спирта и ли-кероводочных изделий, 1, 8 - 9, (2007).

4. Р. Б. Хабибрахманов, С. Г. Мухачев, Вестник Казанского технологического университета, 11, 172-174 (2012).

5. И.З. Емельянова, Химико-технологический контроль гидролизных производств, Лесная промышленность, Москва, 1976, 405 с.

6. Р. Б. Хабибрахманов, С. Г. Мухачев, Р.Т. Валеева, Вестник Казан. технол. ун-та, 17, 14, 423-425 (2014).

© Р. Б. Хабибрахманов - аспирант, ст. преп. кафедры химической кибернетики КНИТУ, habib13@mail.ru; С. Г. Мухачев -канд. техн. наук, доцент той же кафедры; Р. Т. Валеева - канд. техн. наук, доцент той же кафедры.

© R. B. Khabibrakhmanov - graduate student, teacher of department of chemical cybernetics, KNRTU, habib13@mail.ru; S. G. Mukhachev - candidate of technical sciences, associate professor of the same Department; R. T. Valeeva - candidate of technical sciences, associate professor of the same Department.

2

0