СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА КОРМОВОГО БЕЛКОВОГО ПРОДУКТА НА ФЕРМЕНТОЛИЗАТЕ ЗЕРНОВОГО СЫРЬЯ
METHOD OF PRODUCING FORAGE PROTEIN PRODUCT ON GRAIN RAW MATERIAL FERMENTOLYSAT

1. Область техники
Изобретение относится к области биотехнологии, в частности, получению кормовых белковых продуктов путем микробиологического синтеза.
2. Уровень техники
В настоящее время намечается тенденция возрождения заводов по производству кормового белка. Ранее действовавшие заводы по крупнотоннажному производству кормового белка в качестве сырья использовали гидролизаты древесины (гидролизные заводы общей мощностью до 300 тыс. тонн в год), сульфитные щелока (целлюлозно-бумажные комбинаты-ЦБК общей мощностью до 30 тыс. тонн в год), послеспиртовая барда (Кировский завод мощностью 10 тыс. тонн в год) и очищенные жидкие углеводороды (заводы по производству белково-витаминного концентрата-БВК общей мощностью до 1 млн. тонн в год). В настоящее время функционирует только несколько цехов ЦБК мощностью около 5 тыс. тонн в год.
В связи с изложенным вопрос по восстановлению микробиологического производства кормового белка является актуальным и решение его может быть достигнуто путем создания новых производств либо реконструкции действующих заводов, в частности спиртовых, с использованием новейших технологий и новых видов сырья.
В качестве нового вида сырья в последние годы значительное развитие получила разработка способов и технологий производства кормового белка на основе отходов мукомольной промышленности (зерна, муки, отрубей) и смеси барды с отходами зернового сырья (патент РФ №2159287; патент РФ №2140449; авторское свидетельство СССР №1595900; авторское свидетельство СССР №1571061; авторское свидетельство СССР №1532580; авторское свидетельство СССР №1507787; патент РФ №2054881; патент РФ №2220590, Франции №2646435; патент Франции №2646436; авт. свид. СССР№1677057; №1742320; №1575570 ДСП; патент США №4379845).
Недостатки известных разработок заключаются в том, что некоторые из них пригодны только для камеральных условий, так как требуют стерильных условий культивирования. Кроме того, в большинстве способов получения кормового белка в качестве культур-продуцентов используют несовершенные дрожжеподобные грибы рода Candida, относящиеся к условно патогенным микроорганизмам, что не соответствует современным возрастающим требованиям санитарной гигиены.
Наиболее целесообразным для обеспечения экологической безопасности производства является использование в качестве культур-продуцентов совершенных грибов (дрожжей) рода Saccharomyces (сахаромицетов), которые традиционно применяют в хлебопекарской и спиртовой промышленностях.
Однако все известные штаммы сахаромицетов, которые предлагают применять для производства кормовой биомассы в соответствии с выше перечисленными патентами, не отвечают требованиям, предъявляемым к промышленным штаммам микроорганизмов. В частности, они требуют стерильных условий культивирования и не являются конкурентоспособными в нестерильных условиях длительных непрерывных процессов выращивания, вытесняясь посторонними штаммами микроорганизмов.
Наиболее близким аналогом (прототипом) к предлагаемому способу является патент РФ №2220590 «Способ получения кормового белкового продукта на основе зернового сырья».
Сущность известного способа заключается в том, что выращивание микроорганизмов - продуцентов кормового белкового продукта проводят в условиях аэрации на питательной среде, содержащей в качестве источника углерода отруби и/или муку злаковых культур, обработанных кавитационным аппаратом РПА в течение 20-50 минут при гидромодуле (соотношении сырья и воды) 1:5-1:8. В качестве продуцентов кормового белка используют смесь (в различных соотношениях и композициях) дрожжей - сахаромицетов Saccharomyces cerevisiae (S.diastaticus) ВКПМ-Y-1218, совершенного гриба Endomycopsis fibuligera ВСБ-12 и/или бактерий Acinetobacter calcoaceticus 0-1, обладающих амилолитическими ферментами, а также несовершенных грибов Trichosporon cutaneum ВСБ-775, Polyporus sguamosus ВСБ-917, утилизирующих продукты метаболизма дрожжей, грибов и бактерий, и которые составляют 20-30% от общего числа микроорганизмов.
Технические новшества, согласно известному способу, включают низкий гидромодуль (1:5-1:8), что позволяет вести процесс ферментации при концентрации сухих веществ в среде 10-11%; кавитационную обработку зернового сырья (не менее 20 мин), которая делает доступным для микроорганизмов углеводы (редуцирующие вещества-РВ без инверсии 0,7-1,3%) и минеральные элементы растительного сырья; использование смеси микроорганизмов - продуцентов белка, в которой дрожжи, совершенные грибы и бактерии осуществляют разложение крахмала зернового сырья до углеводов при одновременном их потреблении, обеспечивая прирост биомассы; несовершенные грибы утилизируют органические кислоты - продукты метаболизма дрожжей и бактерий с одновременным приростом биомассы и снижением кислотности среды и конечного продукта.
Недостатком известного способа являются: низкое (0,7-1,3%) содержание свободных углеводов - редуцирующих веществ после кавитационной обработки сырья; отсутствие указания оптимального значения гидромодуля (дается интервал в пределах 1:5-1:8), что затрудняет реализацию данного технологического приема в условиях производства; отсутствие оптимальных параметров термообработки зернового сырья, в частности температуры и времени выдерживания; использование в качестве культур-продуцентов кормового белкового продукта нескольких штаммов дрожжей, совершенных и несовершенных грибов, а также бактерий, которые имеют различное таксономическое положение и различные, часто не совпадающие параметры роста, в частности температуру и рН.
В связи с вышеизложенным, цель настоящего изобретения состоит в интенсификации способа получения кормового продукта за счет более оптимального режима размалывания зернового сырья; оптимизации показателя гидромодуля, то есть оптимального подбора соотношения зернового сырья и воды, обеспечивающего наибольшее разбухание получаемой суспензии; введения стадий термообработки и ферментолиза, обеспечивающих максимальное разложение крахмала до глюкозы; использования в качестве культуры-продуцента непатогенного штамма дрожжей (сахаромицетов) пищевого назначения, обладающего амилазной активностью, то есть способностью ассимилировать крахмал, содержащийся в зерновом сырье.
3. Раскрытие изобретения
Технический результат при осуществлении заявленного способа с использованием штамма дрожжей Saccharomyces cerevisiae ВКПМ ВСБ-193 (Y-3585), обладающего способностью расти при повышенной скорости на крахмале, что позволяет сократить сроки выращивания дрожжей Saccharomyces cerevisiae, увеличить выработку продукта, увеличить содержание сырого протеина, увеличить содержание истинного белка и увеличить доминирование культуры-продуцента в составе промышленной микробной популяции на стадии выращивания.
В ближайшем аналоге сроки выращивания культуры-продуцента составляют 8 часов, в заявленном способе - 5,5 часа. Выработка продукта в ближайшем аналоге - 70 т/сутки, в заявленном способе - 100 т/сутки. Содержание сырого протеина в ближайшем аналоге составляет 43-58,2%, истинного белка - 32,4%. В предложенном способе содержание сырого протеина составляет 63%, истинного белка 40%. В ближайшем аналоге культура-продуцент в биоценозе ферментера сохраняется на 70%, в заявленном способе - 100%.
Технический результат достигается за счет оптимизации параметров процесса, подобранных для использования нового штамма дрожжей Saccharomyces cerevisiae ВСБ-193 (ВКПМ Y-3585) путем:
- введения стадии подготовки зернового сырья (отрубей, зерна и дерти) путем максимально возможного размалывания с помощью мельницы, принцип действия которой основан на высоком давлении и деформационном сдвиге (ВДиДС), с образованием частиц размером 1-20 микрон, что ускоряет и повышает эффективность процесса ферментолиза (разложения крахмала);
- применения нового способа приготовления питательной среды в виде водной суспензии зернового сырья, представляющего собой размолотые отруби, и/или зерно, и/или дерть, а также и/или муку, при гидромодуле 1:5 с концентрацией сухих веществ в питательной среде 15-16%, что позволяет улучшить стадию набухания зернового сырья и исключить стадию сепарации после процесса выращивания дрожжей;
- проведения термообработки в течение 1 часа при температуре 85°С и рН 6,0, совмещенного с первой стадией ферментолиза, путем добавления в суспензию зернового сырья термоустойчивого фермента альфа-амилазы, обеспечивающей частичное разложение крахмала до глюкозы;
- проведения 2-й стадии ферментолиза, который осуществляется в течение 1 часа при температуре 55°С и рН 5,0 с использованием жидкого фермента глюкоамилазы, обеспечивающей практически полное разложение крахмала до глюкозы;
- осуществление процесса непрерывного культивирования дрожжей в многосекционном аппарате при рассредоточенной и одновременной подаче питательной среды по отдельным секциям, что позволяет равномерно распределять ее в общем объеме аппарата;
- оптимизации технологии и удешевления готового продукта за счет экономии пара на стадиях вакуум-выпарки и сушки, на которых применен замкнутый цикл, позволяющий повторно использовать пар, высвобождающийся на стадиях вакуум-выпарки и сушки, и направлять его на стадию приготовления питательной среды;
- использования в качестве продуцента монокультуры непатогенного штамма дрожжей пищевого и кормового назначения Saccharomyces cerevisiae ВСБ-193, обладающего амилазной и глюкоамилазной активностями и характеризующегося активным ростом на минеральной среде с растворимым (амилозой) и нерастворимым (амилопектином) крахмалом. Штамм способен расти в условиях длительного непрерывного процесса выращивания в нестерильных условиях. Доминирование штамма в биоценозе промышленного аппарата составляет 100%. Штамм идентифицирован на основе генетического анализа последовательности оснований 16S РНК и депонирован во Всероссийской Коллекции Промышленных Микроорганизмов (ВКПМ) под номером Y-3585.
4. Реализация заявленного способа
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что процесс непрерывного культивирования штамма дрожжей Saccharomyces cerevisiae ВСБ-193 осуществляют в нестерильных условиях в многосекционном аппарате с аэрацией и перемешиванием, в который непрерывно и одновременно по нескольким секциям поступает питательная среда.
Подготовка питательной среды включает несколько стадий: подготовку зернового сырья; приготовление водной суспензии зернового сырья определенного гидромодуля; проведение ферментолиза крахмала до декстринов и глюкозы; внесения в приготовленный ферментолизат источников азота и фосфора. В качестве источников аммония и фосфора могут быть использованы аммоний фосфорнокислый, аммоний сернокислый, калий фосфорнокислый одно- и двузамещенный, а также удобрения в виде аммофоса или диаммофоса или нитрофоски.
Подготовка зернового сырья заключается в размалывании отрубей и зерна на мельнице с образованием частиц размером 1-20 микрон. Размалывание зернового сырья осуществляли на мельнице высокого давления и деформационного сдвига. Размалывающие элементы мельницы сначала сжимают частицы сырья до величин 10-15 Гигопаскалей, затем следует деформационный сдвиг между перемалывающими элементами, в результате сжатая частица разрывается на мелкие части.
Изучен состав муки пшеничной, характеризующейся различными размерами частиц после размола, который представлен в таблице №1
Таблица №1
Химический состав муки пшеничной коммерческой и молотой
№№
Компонент сырья
Мука коммерческая,
Мука молотая
пп
размер частиц 40-120 мкм
размер частиц 1-20 мкм
1
Жир
2,9
4,3
2
Белок
14,99
16,28
3
Клетчатка
4,66
4,7
4
Крахмал
45,44
45,35
5
Зола
3,91
6,72
Как видно из таблицы №1, химический состав зернового сырья мало меняется при его размалывании. Однако, выращивание дрожжей, проведенное с использованием нативного и размолотого зернового сырья, выявили существенное различие.
В таблице №2 представлены результаты выращивания дрожжей Saccharomyces cerevisiae ВСБ-193 (ВКПМ Y-3585) на муке пшеничной нативной с размером частиц 40-120 мкм и муке размолотой с размером частиц 1-20 мкм.
Таблица №2
Показатели процесса выращивания дрожжей Saccharomyces cerevisiae ВСБ-193 (ВКПМ Y-3585) в периодическом и непрерывном режимах
№№ пп
сырье
Аппрат Vобщ/Vpaб.
Накопление/отлив-долив
рВ исх., %
рВ кон., %
СВ Нач., %
СВ Кон., %
Расходный коэффициент
1
Мука пшеничная нативная
Биотрон 50/10
Периодический
2,6
0,36
4,9
2,6
1,88
2
Мука пшеничная нативная
Биотрон 50/10
Непрерывный
2,2
0.3
4,9
2.6
1,88
3
Мука пшеничная молотая
Биотрон 50/10
Периодический
2,0
0,11
2,6
2,0
1,1
4
Мука пшеничная молотая
Биотрон 50/10
Непрерывный
2,4
0.6
2,75
2,45
1,1
Из таблицы №2 следует, что расходный коэффициент, который характеризует отношение массы готового продукта к массе исходного сырья, составляет 1,88 при выращивании на муке пшеничной нативной. При выращивании на муке пшеничной молотой расходный коэффициент составляет 1,1, то есть практически почти в 2 раза меньше. Это свидетельствует о том, что при крупных размерах частиц на единицу продукции затрачивается гораздо больше зернового сырья, что экономически не выгодно. Выращивание дрожжей на муке размолотой увеличивает таким образом производительность ферментатора. Улучшение технологических показателей было подтверждено в промышленных условиях, которое представлено в таблице №3.
Таблица №3
Показатели процесса выращивания дрожжей Saccharomyces cerevisiae ВСБ-193 (ВКПМ Y-3585) в промышленных условиях
№№ пп
Зерновой сырье
Время выращивания, час
Скорость роста, час<sup>-1</sup>
Выработка, т/сут.
Содержаниесырого протеина, %
Содержание истинного белка, %
Доминирование культуры-продуцента, %
1
Отруби нативные, размер частиц 120-300 мкм
8
0,13
70
41,0
35,3
70
2
Отруби размолотые, размер частиц 15-20 мкм
5.5
0,18
100
43,7
38,1
100
-1
Из таблицы №3 видно, что выращивание дрожжей на отрубях, подвергнутых размолу с размером частиц 15-20 мкм, приводит к сокращению времени выращивания с 8 до 5,5 часов, увеличению скорости роста с 0,13 до 0,18 час, увеличению выработки продукта с 70 до 100 т/сутки, увеличению содержания сырого протеина с 41,0% до 43,7%, увеличению содержания истинного белка с 35,3 до 38,1%; доминирование культуры-продуцента увеличилось с 70 до 100%.
Приготовление водной суспензии зернового сырья осуществляли путем смешивания (с использованием перемешивающего устройства например, мешалки) размолотых отрубей и/или зерна, и/или дерти, а также и/или муки с водой в соотношении (гидромодуле) 1:5, что обеспечивает концентрацию зерносырья в питательной среде 15-16% и наилучшее набухание зернового сырья.
Приготовленная водная суспензия зернового сырья подвергается термообработке при температуре 85°С, которая протекает при рН 6,0 и добавлении в суспензию 0,16 г/кг зернового сырья фермента альфа-амилазы-«вискоферм» (производства Дании, фирмы «Новозайм»), представляющего собой смесь ксиланазы, бета-глюканазы, альфа-амилазы, целлюлазы. Продолжительность стадии термообработки, совмещенной с одновременным частичным процессом ферментолиза (1-я стадия ферментолиза), составляет 1 час. При этом происходит разжижение и частичное разложение крахмала до декстринов и глюкозы. Далее проводится вторая стадия ферментолиза с использованием фермента «диазим ССФ» (производства Дании, фирмы «Danisko»), который содержит глюкоамилазу, разлагающую крахмал до глюкозы. Фермент вносится в количестве 0,48 г/кг зернового сырья. Ферментолиз протекает при рН 5,5 и температуре 55°С в течение 1 часа. Содержание глюкозы (редуцирующих веществ) в ферментолизате составляет до 13%.
В таблице №4 представлены данные промышленных испытаний по выращиванию дрожжей Saccharomyces cerevisiae ВКПМ Y-3585 на отрубях и муке размолотых, а также подвергнутых термообработке и термообработке, совмещенной с ферментолизом.
Таблица №4
Показатели процесса выращивания дрожжей Saccharomyces cerevisiae ВСБ-193 (ВКПМ Y-3585) в промышленных условиях
№№ пп
Зерновое сырье
Вариант обработки
Содержание редуцирующих веществ, %
Содержание сырого протеина, %
Содержание истинного белка, %
1
Отруби размолотые
Теромобработка при 80°С в течение 1часа
до 1
39-40
25-27
2
Отруби размолотые
Теромобработка при 80°С в течение 1 часа+частичный ферментолиз альфа-амилазой
1,5-2,0
41-43
30-31
3
Отруби размолотые
Теромобработка при 80°С в течение 1 часа+полный ферментолиз альфа-амилазой с глюкоамилазой
до 7-8
45-47
35-38
4
Мука размолотая
Теромобработка при 80°С в течение 1 часа
2-3
42-44
31-34
5
Мука размолотая
Теромобработка при 80°С в течение 1 часа+частичный ферментолиз альфа-амилазой
5-7
45-50
35-37
6
Мука размолотая
Теромобработка при 80°С в течение 1 часа+полный ферментолиз альфа-амилазой с глюкоамилазой
7-10
55-63
38-40
Из таблицы №4 видно, что введение, помимо термообработки, стадии ферментолиза зернового сырья приводит к более глубокому разложению крахмала с образованием большого количества глюкозы (редуцирующих веществ) с 1 до 13%, увеличению содержания сырого протеина с 39% до 63%, увеличению содержания истинного белка с 25 до 40%.
В подготовленный ферментолизат вносят источники азота и фосфора в виде минеральных солей или удобрений, например аммоний фосфорнокислый одно- или двузамещенный, аммофос или диаммофос, карбамид, из расчета, что на синтез одного грамма биомассы необходимо 90 мг азота и 45 мг фосфора. Таким образом, получается полноценная питательная среда для выращивания дрожжей.
-1
Выращивание дрожжей осуществляется в непрерывном режиме в промышленном многосекционном аппарате импульсного действия, при этом в аппарат питательная среда поступает в разные секции одновременно, что обеспечивает равномерное ее распределение в аппарате. Температура выращивания составляет 32-34°С и рН 4,0-4,5. Процесс выращивания проводится в непрерывном режиме при коэффициенте разбавления среды Д=0,12-0,14 час.
После процесса выращивания суспензия, обогащенная биомассой дрожжей, из аппарата выращивания направляется, минуя стадию сепарации, на вакуум-выпарку для сгущения до концентрации сухих веществ 40%. Пар, образующийся на вакуум-выпарке, конденсируется и направляется на приготовление питательной среды.
После вакуум-выпарки сконцентрированная суспензия направляется на сушилку, сушится и таким образом получается готовый продукт. Содержание сырого протеина в готовом продукте 39%-63% в зависимости от вида зернового сырья.
В качестве культуры-продуцента белка используется непатогенный штамм дрожжей пищевого и кормового назначения Saccharomyces cerevisiae ВКПМ Y-3585, полученный путем селекции из накопительных культур биоценоза зернового сырья. Штамм дрожжей активно растет на минеральной среде с нативным растворимым и нерастворимым крахмалом (амилозой и амилопектином соответственно). Штамм дрожжей ВКПМ Y-3585 способен расти в широком диапазоне рН среды 4,0-6,0, оптимальное значение 5,0-5,5. Температура выращивания 30-35°С, оптимальная температура 30-32°С.
5. Примеры реализации способа
Пример 1.
Отруби пшеничные подвергали размалыванию на мельницах различной конструкции (шаровой и высокого давления со сдвигом) до размера частиц 1-20 микрон, что обеспечивает устойчивое состояние суспензии при смешивании отрубей и воды и оптимизирует в дальнейшем процесс ферментолиза.
Характеристика молотых отрубей после размалывания представлена в таблице №5.
Таблица №5
образец
размер мкм частиц,
отруби нативные (контроль)
300-600
отруби, обработанные на шаровой мельнице
1-20
отруби, обработанные на мельнице высокого давления со сдвигом
1-20
Согласно полученным данным, мельницы обеих конструкций обеспечивают размалывание отрубей с размером частиц 1-20 микрон.
Проведено выращивание дрожжей Saccharomyces cerevisiae ВКПМ Y-3585, обладающих амилолитической активностью, на минеральной среде, рН 5,5 с 0,5% отрубей нативных (размер частиц 300-600) и молотых (размер частиц 1-20) в колбах на качалке 180 об/мин, при температуре 30°С в течение 20 часов. Активность роста оценивали по изменению величины рН после процесса выращивания, которая снижается тем интенсивнее, чем выше активность роста культуры и прирост биомассы выше. Так, при использовании в качестве источника углерода нативных (неразмолотых) отрубей значение рН культуральной суспензии составило 5,0; при использовании молотых отрубей 3,5.
2
4
2
Состав минеральной среды (г/л): аммоний сернокислый 5; калий фосфорнокислый однозамещенный 0,85; калий фосфорнокислый двузамещенный 0,15; натрий хлористый 0,1; CaCl×2HO - 0,1; MgSO×7HO - 0,1; дрожжевой экстракт 0,1.
Пример 2.
Пшеничные отруби размалывали на мельнице до размера частиц в диапазоне 1-20 микрон и использовали для приготовления водной суспензии при различных значениях гидромодуля 1:9, 1:5 и 1:3, то есть при различных соотношениях отрубей и воды. Получали суспензии с концентрацией отрубей по сухому весу 10, 16,5 и 25% соответственно. Далее водные суспензии отрубей выдерживали 30 и 60 минут на качалке при температуре 50°С и перемешивании 100 об/мин. Состояние суспензии оценивали визуально и путем измерения величины надосадочной жидкости. Содержание редуцирующих веществ (глюкозы) определяли методом Бертрана. Характеристики суспензий представлены в таблице №6.
Таблица №6
вариант
отруби, г
вода, мл
гидромодуль, соотношение отрубей и воды
конц. отрубей, %
состояние суспензии; величина надосад. жид., мм
рН
темп., °С
рВ, % через 30 мин
рВ, % через 60 мин
1
10
90
1:9
10
устойчивое (в виде киселя); 2 мм
6,1-6,4
50
0,33
0,4
2
20
100
1:5
16,6
устойчивое (в виде киселя); отс.
6,1-6,4
50
0,7
0,7
3
30
90
1:3
25
устойчивое (в виде
6,1-6,4
50
0,42
0,7
густого теста); отс.
Согласно полученным данным, наиболее технологичной является суспензия с гидромодулем 1:5, при котором достигается устойчивое состояние суспензии без образования надосадочной жидкости или минимальной ее величине и содержание глюкозы 0,7% через 60 минут выдерживания при температуре 50°С за счет ферментолиза собственными ферментами, имеющимися в отрубях. Гидромодули 1:9 и 1:3 нетехнологичны. Так при гидромодуле 1:9 образуется мало редуцирующих веществ (0,4%), при высокой концентрации отрубей в суспензии (гидромодуль 1:3) содержание глюкозы не превышает 0,7%.
Кроме того, стадия набухания является первой важной стадией процесса ферментолиза, обеспечивающей ускорение и глубину разложения крахмала до глюкозы.
Пример 3.
Суспензию пшеничной муки с гидромодулем 1:5 подвергали термообработке и предварительному ферментолизу (1-я стадия). Термообработку и ферментолиз осуществляли в аппарате «Биотек» объемом 50 л. Для этого, в аппарат при перемешивании 500 об/мин, вносили 30 л воды и 6 кг муки (гидромодуль 1:5). Получали концентрацию муки в суспензии 15,0% по сухому весу. Далее проводили нагрев до 85°С, устанавливали рН 6,0 и вносили жидкий фермент «вискоферм» (производства фирмы «Новозайм», Дания) в количестве 1,0 мл (расход фермента 0,16 г на 1 кг зернового сырья) и выдерживали в течение 1 часа. Содержание глюкозы в конце процессов термообработки при одновременном частичном ферментолизе составило 2,8%. Далее проводили окончательный процесс ферментолиза (2-я стадия). Для этого снижали температуру до 55°С, устанавливали рН 5,0 и вносили жидкий фермент «Диазим ССФ» (производства фирмы «Danisco», Дания) в количестве 3,0 мл (расход фермента 0,48 г на 1 кг зернового сырья) и выдерживали в течение 1 часа. Содержание глюкозы в конце процесса ферментолиза составило 13,3%.
Пример 4.
Процесс выращивания дрожжей Saccharomyces cerevisiae ВКПМ Y-3585 проводили в двухсекционном аппарате импульсного действия, в котором перемешивание осуществлялось путем перекачивания суспензии из одной секции в другую с помощью подающего в аппарат воздуха. Объем аппарата составлял 60 л при рабочем объеме 36 л. В аппарат вносили воду в количестве 28 л, 6 л ферментолизата муки, приготовленного по примеру 3. Устанавливали температуру 32°С и рН 4,5, далее вносили 25,5 г сульфата аммония и 12,2 г калия фосфорнокислого однозамещенного. Далее в аппарат вносили 2 л засевной биомассы в виде суспензии чистой культуры штамма дрожжей Saccharomyces cerevisiae ВКПМ Y-3585, выращенной предварительно в качалочных колбах на жидком сусле. Выращивание проводили отъемно-доливным способом при автоматическом поддержании рН и температуры. Результаты процесса выращивания представлены в таблице №7.
Таблица №7
РВ (глюкоза), % исходн.
РВ (глюкоза), % в конце процесса
СВ исходн., %
СВ в конце процесса, %
Отбор суспензии, л
Доливка ферментолизата, л
Расходный коэффициент, СВ исходн./СВ конечн.
2,0
0,11
2,8
2,6
-
-
1,1
2,6
0,36
4,9
2,6
10
10
1,9
2,4
0,21
3,5
3,0
10
10
1,2
2,5
0,1
5,6
3,75
10
10
1,5
Согласно полученным данным, оптимальными режимами выращивания были те, в которых содержание сухих веществ (субстрата) составляло 2,8-3,5% и показатели расходного коэффициента были 1,1 и 1,2 соответственно.
Далее суспензию подвергали концентрированию путем центрифугирования, отделяли надосадочную жидкость и уплотненный осадок сушили. Содержание сырого протеина в готовом продукте составило 63,0%.
Пример 5
3
3
Процесс непрерывного выращивания проводили в промышленном многосекционном аппарате для выращивания микроорганизмов (по патенту РФ №2144952) общим объемом 90 м при рабочем объеме 50 м.
3
-1
3
Процесс выращивания осуществляли следующим образом. Рабочий объем аппарата 50 м заполняли по нескольким секциям аппарата ферментолизатом пшеничных отрубей, приготовленным по примерам 1, 2, 3, или пшеничной муки или их смесей в произвольном соотношении с концентрацией сухих веществ 10-15% и глюкозы 8-13%. В среду вносили источники минерального питания из расчета, что на 1 г биомассы требуется 90 мг азота и 45 мг фосфора. В качестве источников азота и фосфора использовали аммофос, либо диаммофос, либо нитрофоску, либо аммоний фосфорнокислый однозамещенный. Коэффициент разбавления среды (скорость роста) составил 0,1 час. Культуральную суспензию после выращивания подвергали вакуум-выпарке и далее сушке на распылительной сушилке. Производительность была на уровне 8-13 кг/м/час. Содержание сырого протеина в готовом продукте в пределах 48,3-50,7%.
Пример 6
Замкнутый цикл водопотребления воспроизведен в промышленных условиях при производительности 1 т/час готового сухого продукта с влажностью 10%.
Потребность в воде на приготовление 1 тонны питательной среды с концентрацией 15% зернового сырья составляет 850 кг. Эта суспензия поступает в промышленный аппарат для выращивания дрожжей и выходит из аппарата с концентрацией 10-13%, так как 5-2% расходуется на дыхание дрожжей в процессе их роста. То есть, 1-1,3 тонны суспензии, поступающей на вакуум-выпарку, состоит из 100-130 кг сухого продукта и 900-870 кг воды. После вакуум-выпарки эта суспензия концентрируется до содержания сухих веществ 40%, исходя из мощности современных вакуумных установок, то есть сгущается в 4 раза. Таким образом, 1 тонна сконцентрированной суспензии состоит из 100-130 кг сухого продукта и 150 кг воды: одну тонну входящей на вакуум-выпарку суспензии с концентрацией 10-13% делим на 4, получаем 250-325 кг. Таким образом, высвобождающаяся вода составляет 750-720 кг, которая направляется на стадию приготовления питательной среды.
Недостающие 100 кг воды, требуемых для приготовления питательной среды, направляются со стадии сушки. Расчет водооборота на стадии сушки складывается следующим образом: со стадии вакуум-выпарки 1 тонна суспензии с концентрацией сухих веществ 40% поступает на сушку, то есть суспензия включает 400 кг сухих веществ и 600 кг воды. Со стадии сушки выходит готовый продукт с 10% влажности, то есть 1 тонна готового продукта включает 900 кг сухого продукта и 100 кг воды. Таким образом, освобождающаяся вода составляет 500 кг (600 кг-100 кг). 100 кг воды поступает на стадию приготовления питательной среды и 400 кг воды уходит на другие технологические нужды (мойку оборудования, коммуникаций, растворов солей и т.д.).
Таким образом, замкнутый цикл водопотребления полностью на 100% обеспечивает завод технологической водой, при этом экономия водопотребления составляет 90%, исходя из того, что на производство 1 т готового продукта с влажностью 10% требуется 9 т воды. Кроме того, за счет замкнутого цикла водопотребления обеспечивается экологическая безопасность производства.
Пример 7
Замкнутый цикл оборота пара воспроизведен в промышленных условиях при работе трехкорпусной вакуум-выпарки, для работы которой необходимо 2,5 т/час пара для получения готового продукта с влажностью 10%.
Расход пара на получение готового продукта складывается из расхода пара на стадиях вакуум выпарки и сушки. На стадии вакуум-выпарки для сгущения 1 т 10% суспензии, поступающей из аппарата выращивания, выпаривается 750 кг воды, которая конденсируется и возвращается на стадию приготовления питательной среды. На стадии сушки для высушивания поступающей из вакуум-выпарки 250 кг суспензии необходимо выпарить 140 кг воды, которая в виде пара возвращается на вакуум-выпарку. Таким образом, для получения готового продукта с влажностью 10% требуется испарить 890 кг воды. Для испарения 750 кг воды на стадии вакуум-выпарки требуется 250 кг пара; для испарения 140 кг воды на стадии сушки требуется 140 кг пара. Дефицит подачи пара, с учетом 140 кг пара, возвращаемого на вакуум-выпарку, составляет 110 кг, который пополняется поступлением пара из котельной. Это составляет 44% от потребленного пара и таким образом на эту же величину сокращаются потери пара на сушке. Кроме того, за счет замкнутого цикла оборота пара обеспечивается экологическая безопасность производства и энергосберегающая технология.
Пример 8.
2
2
Штамм дрожжей Saccharomyces cerevisiae ВКПМ Y-3585 выращивали в колбах (800 мл) на качалке 180 об/мин, на минеральной среде с растворимым (амилозой) и нерастворимым (амилопектином) крахмалом для выявления наличия амилолитических ферментов, способных разлагать крахмал до глюкозы. Состав минеральной среды (г/л): аммоний сернокислый 5; калий фосфорнокислый однозамещенный 0,85; калий фосфорнокислый двузамещенный 0,15; натрий хлористый 0,1; кальций хлористый на 2HO - 0,1; магний сернокислый на 7 HO - 0,1; дрожжевой экстракт 0,1; рН 5,5-6,0. В приготовленную минеральную среду вносили 1% растворимого (амилозу) и нерастворимого (амилопектин) крахмала. Стерилизовали питательную среду при 0,5 атм. в течение 20 минут. Выращивание проводили при температуре 32°С в течение 48 часов. Активность роста оценивали по оптической плотности суспензии на приборе фотоэлектроколориметре (ФЭК-56М) при зеленом светофильтре (длина волны 560 нм), которая составила 5,6 ед. при росте на крахмале растворимом и 4,8 ед. при росте на нерастворимом крахмале.
Таким образом, штамм дрожжей Saccharomyces cerevisiae Y-3585 обладает амилолитическими ферментами и может быть рекомендован в качестве культуры-продуцента для получения кормового продукта.
Пример 9
Штамм дрожжей Saccharomyces cerevisiae ВКПМ Y-3585 выращивали в колбах (800 мл) на качалке 180 об/мин, на ферментолизате смеси пшеничных отрубей (70%) и пшеничной муки (30%), приготовленной по примеру 3. рН питательной среды 5,5, температура 32°С, время выращивания 20 часов. Активность роста оценивали по оптической плотности суспензии на приборе фотоэлектроколориметре (ФЭК-56М) при зеленом светофильтре (длина волны 560 нм), которая составила в пределах 28,5-31,0 ед. для различных повторностей.
Таким образом, штамм дрожжей Saccharomyces cerevisiae ВКПМ Y-3585 обладает амилолитической активностью и может быть рекомендован в качестве культуры-продуцента для получения кормового продукта.
6. Выводы
- Оптимизаия размола зернового сырья с образованием частиц 1-20 мкм ускоряет образование глюкозы при разложении крахмала на стадии ферментолиза.
- Оптимизация гидромодуля 1:5 обеспечивает наилучшее набухание зернового сырья и последующее его разжижение, существенно ускоряющее стадию ферментолиза.
- Введение стадии ферментолиза позволяет повысить выход редуцирующих веществ до 10-13%.
- Увеличивается выход сырого протеина до 63%.
- Введение замкнутых циклов водо- и паропотребления обеспечивает экономию пара на 44% и воды на 90%.
- Использование монокультуры-штамма дрожжей сахаромицетов.