Производство кормовых дрожжей на сахаросодержащих средах гидролизатах растительной биомассы

Введение

ГОСТ 20 083–74.Дрожжи кормовые Схема производства кормовых дрожжей

1. Сырье для производства кормовых дрожжей

2. Получение гидролизата и подготовка его к выращиванию дрожжей

2.1 Способы гидролиза

2.2 Технологические схемы и режимы гидролиза

2.3 Технологические схемы и режимы подготовки гидролизата к выращиванию дрожжей

3. Выращивание дрожжей

3.1 Подготовка чистой культуры засевных дрожжей

3.2 Технологические режимы и схемы выращивания дрожжей

3.3 Обеспечение воздухом

3.4 Влияние концентрации сахара в питательной среде

3.5 Влияние температуры среды

3.6 Влияние и допустимые пределы содержания вредных примесей в среде

3.7 Влияние рН и кислотности среды

3.8 Выход кормовых дрожжей

3.9 Технологические схемы

4. Выделение биомассы дрожжей из отработанной среды и концентрирование ее до товарной продукции

4.1 Флотирование дрожжей и деэмульгирование готовой бражки с дрожжами

4.2 Сепарирование и промывка дрожжей

4.3 Упаривание дрожжевой суспензии

4.4 Сушка дрожжей

5. Отходы производства

5.1 Фурфурол

5.2 Лигнин

5.3 Промышленные стоки

Во всех странах мира и в нашей стране отмечается большой дефицит кормового белка. В последние годы в рацион кормления животных и птиц все больше входят кормовые дрожжи, полученные на гидролизных и целлюлозных предприятиях, используя для этой цели углеводы, содержащиеся в гидролизатах и сульфитных щелоках. Эти дрожжи являются биологически полноценным кормом, источником белка, витаминов и минеральных веществ. Кормовые дрожжи повышают биологическую ценность белков других кормов за счет содержащихся в них незаменимых аминокислот. По содержанию аминокислот кормовые дрожжи близки к белкам животного происхождения.

Комбикормовая промышленность предъявляет большой спрос на кормовые дрожжи. В рецептуре комбикормов для различных видов сельскохозяйственных животных кормовые дрожжи составляют 3−20%.

Кормовые дрожжи с успехом используются во всех отраслях животноводства и птицеводства, поэтому потребность в них ежегодно возрастает. Получение гидролизных и сульфитных кормовых дрожжей является одним из направлений крупного промышленного производства кормового белка и витаминов.

ГОСТ 20 083–74. Дрожжи кормовые

Настоящий стандарт распространяется на кормовые дрожжи, получаемые из технически чистых культур дрожжей, выращенных на различных субстратах гидролизно-дрожжевых, спиртовых, ацетоно-бутиловых и сульфитно-щелоковых производств. Кормовые дрожжи используют при производстве комбикормов, а также в качестве добавки в кормовые рационы сельскохозяйственных животных, птицы и пушных зверей.

Технические условия

1. Комовые дрожжи производят в гранулированном или порошкообразном виде.

2. В зависимости от показателей качества кормовые дрожжи подразделяют на четыре группы: высшую, первую, вторую и третью.

3. По органолептическим и физико-химическим показателям кормовые дрожжи должны соответствовать требованиям, указанным в таблице 1.

Таблица 1

Схема производства кормовых дрожжей

При нормальной температуре и в чистой воде реакция гидролиза полисахарадов по существу не происходит. Гидролиз целлюлозы и гемицеллюлоз в целях ускорения реакции проводится в присутствии катализатора (минеральные кислоты), а также при повышенной температуре. Таким образом, в результате гидролиза полисахаридов можно получить гидролизный сахар в виде раствора (гидролизат). Содержащиеся в гидролизате сахар состоит из гексозного (глюкоза, манноза и галактоза) и пентозного (ксилоза, арабиноза).

По схеме растительное сырье подвергается гидролизу разбавленной до 0.5 — 0.6%-ной серной кислотой в гидролизаппаратах при температуре 175 — 190? С. Образующийся попутно при этом фурфурол выводится в виде фурфуролслдержащего конденсата, а часть его остается в гидролизате. Оставшийся после гидролиза лигнин удаляется из аппарата. Полученный гидролизат с содержанием сахара до 3 — 3.5% подвергается инверсии и нейтрализации известковым молоком или аммиачной водой. Полученный в результате известковой нейтрализации гипс вместе со всем шламом удаляется из раствора методом осаждения в отстойниках или сепарированием в циклонах. После очистки от механических примесей нейтрализованный гидролизат охлаждается до 31 — 32? С и подается

Гексозный сахар при биохимической переработке может быть использован на получение этилового спирта, а пентозный, не применяемый для получение спирта методом брожения, — для получения кормовых дрожжей. По таклй комплексной схеме использования сырья работают многие действующие гидролизные заводы.

По этой схеме на гидролизных предприятиях из 1 т абс. сухой хвойной древесины можно получить:

· Дрожжи кормовые (влажностью 10%) — 225 — 235 кг;

· Метанол — 2,0 кг;

· Фурфурол-сырец (94%) — 5,6 кг;

· Лигнин (абс. сухой) — 380 кг;

· Гипс — 225 кг.

1. Сырье для производства кормовых дрожжей

При накоплении биомассы дрожжей источниками углерода могут служить: глюкоза, ксилоза, мальтоза, сахароза, манноза, арабиноза, а также уксусная кислота, этиловый спирт и другие органические вещества. Некоторое количество углеводов содержится в отходах пищевой промышленности, которые можно использовать для выращивания дрожжей. К таким отходам следует отнести послеспиртовую барду заводов производства этилового спирта биохимическим способом из мелассы, зерна и картофеля, соковые воды крахмальных заводов, отбросный щелок, получаемый при известковой сепарации меласса, отходы некоторых других пищевых производств. Количество дрожжей, которое можно получить на этих заводах, определяется количеством отходов.

Для выработки кормовых дрожжей используются также и отходы целлюлозно-бумажной промышленности: послеспиртовая барда, предгидролизаты и щелока. Например, некоторые виды сульфитного щелока нецелесообразно перерабатывать на этиловый спирт ввиду незначительного содержания в них гексоз. Однако потребность в кормовых дрожжах за счет использования вышеперечисленных отходов промышленности не может быть удовлетворена лишь в незначительной степени.

Большое количество дрожжей может быть получено при использовании растительных источников сырья: отходы древесины хвойных и лиственных пород и сельского хозяйства (подсолнечная лузга, кукурузная кочерыжка, рисовая шелуха и т. д.).

Растительное сырье очень разнообразно по свойствам и гранулометрическому составу. По происхождению его можно разделить на две группы: древесное сырье (многолетние растительные ткани); растительные отходы сельского хозяйства (однолетние растительные ткани). Древесное сырье поступает на гидролизные предприятия в виде отходов лесопиления, дров, баланса и технологической щепы. Требования к качеству сырья, поставляемого гидролизным предприятиям, определяется соответствующими ГОСТами: на поставку балансовой древесины ОСТ 13−76 — 79; на поставку «щепы технологической» ГОСТ 15 815– — 83 и «опилок технологических для гидролиза» ГОСТ 18 320– — 78. Перечень нормируемых показателей к качеству сырья и их величины показаны в таблице 2.

Таблица 2

2. Получение гидролизата и подготовка его к выращиванию дрожжей

2.1 Способы гидролиза

Основная задача технологического процесса гидролиза и подготовки гидролизата — получение доброкачественного сахаросодержащего раствора для выработки из него кормовых дрожжей.

Полисахариды, содержащиеся в растительной ткани, для усвоения дрожжами должны быть превращены в моносахара, что производится химическим способом в процессе гидролиза. Для ускорения гидролиза применяют катализаторы, наиболее активными из которых являются минеральные кислоты: серная, сернистая и соляная. Гидролиз можно проводить с применением концентрированных кислот или их водных растворов низкой концентрации. В связи с этим различают гидролиз разбавленными и концентрированными кислотами.

Для гидролиза разбавленными кислотами применяется серная кислота. Разбавленная соляная кислота не применяется из-за ее сильной агрессивности. Для гидролиза концентрированными кислотами можно использовать серную и соляную кислоты. Гидролиз проводят при низких температурах, а следовательно с незначительным распадом сахаров и без затрат тепла. Высокая доброкачественность гидролизатов обеспечивает повышенный выход готовой продукции.

Гидролиз может осуществляться периодическим и непрерывным способами. Аппараты периодического действия проще в изготовлении. Однако при непрерывном способе гидролиза можно значительно сократить требуемый суммарный объем гидролизаппаратов. Создаются благоприятные условия для получения более высоких удельных выходов редуцирующих веществ (до 56% абс. сухой древесины) и повышения доброкачественного гидролизата.

Перколяционный гидролиз. Из известных способов гидролиза применяется перколяционный гидролиз: жидкая фаза двигается сверху вниз через слой неподвижной фазы (гидролизуемое сырье). Обязательным условием является полное погружение твердой фазы в жидкость. Этот способ получил широкое промышленное применение.

В процессе гидролиза одновременно происходят две параллельно идущие реакции: гидролитическое расщепление полисахаридов и распад образовавшихся моносахаридов. Реальный выход моносахаридов (РВ) является разностью между образовавшимися и разложившимися моносахаридами. В модифицированных способах и режимах гидролиза предусматриваются меры для снижение распада моносахаридов. Критерий распада сахара R₂ определяется по следующему уравнению:

R₂=дk₂t

В уравнении t — длительность пребывания образовавшихся моносахаров в сфере реакции; коэффициент д отражает наличие в смеси моносахаров, которые имеют константу скорости распада k₂, отличающуюся от константы скорости распада глюкозы. Например, для гемицеллюлозного сахара хвойной древесины д=1,9, а для ксилозы д=4,4 — 4,5. В процессе гидролиза в первую очередь происходит деструкция гемицеллюлоз, а образовавшиеся сахара представляют собой смесь глюкозы и пентоз с преобладанием последних. Модифицированный режим получил название «двухстадийный гидролиз».

В первой стадии создаются мягкие условия процесса, при которых распад продуктов гидролиза (РВ минимален, но в то же время достаточные для деструкции основной массы легкогидролизуемых полисахаридов. В гидролизируемом сырье перед началом второй стадии гидролиза практически остаются только трудногидролизуемые полисахариды (целлюлоза), а образовавшиеся моносахара в основном представлены глюкозой.

Однородность гидролизуемого материала и благоприятное соотношение величин констант скорости гидролиза целлюлозы k₁ и распада глюкозы k₂ позволяют осуществить вторую стадию гидролиза также в оптимальном режиме. Кроме повышения удельных выходов РВ и доброкачественности гидролизата можно снизить расход пара на брагоректификационный аппарат. Это достигается раздельной переработкой гидролизата: гидролизат от второй стадии идет на производство спирта, а от первой стадии, совместно с послеспиртовой бардой, для выработки дрожжей.

Парофазный метод гидролиза. Наряду с перколяционным методом гидролиза на гидролизных предприятиях находит применение так называемый парофазный метод гидролиза. При парофазном гидролизе в отличие от перколяционного жидкость содержится только внутри частиц сырья, между частицами находится пар. Сырье смачивается раствором кислоты перед поступлением в гидролизаппарат, а затем нагревается паром до заданной температуры и выдерживается до 20 мин. В частицах сырья при выдержке происходит деструкция гемицеллюлоз (целлюлозы) с образованием моносахаров. Следующая операция (экстракция) имеет назначение вывести в раствор из частиц сырья образовавшиеся сахара. Для этого в гидролизаппарат подают слабый раствор кислоты или гидролизат с более низкой температурой, чем имеет содержимое гидролизаппарата. Это снижает или полностью предотвращает распад образовавшихся моносахаров.

Парофазный гидролиз позволяет проводить гидролиз постадийно, например, в две стадии: в первой осуществляется гидролиз гемицеллюлоз, во второй — целлюлозы. Предпосылкой для получения более высоких доброкачественности гидролизата и выходов РВ является наличие благоприятных условий по сравнению с перколяционным методом гидролиза.

Критерий распада моносахаров при парофазном методе гидролиза будет иметь меньшее значение, чем при перколяционном. При равных прочих условиях соотношение критериев образования и распада моносахаров будет определяться длительностью пребывания образовавшихся моносахаров в сфере реакции. Операция нагрева сырья в начале процесса и при переходе от первоначальной стадии гидролиза к последующей при перколяционном методе происходит при наличии в аппарате значительных количеств жидкой фазы. При парофазном методе гидролиза сырье только смочено ограниченным количеством жидкости. Длительность пребывания образовавшихся моносахаров в сфере реакции при перколяционном гидролизе определяется длительностью пребывания жидкости в гидролизаппарате и в конечном счете зависит от скорости выдачи. Кроме того, необходимо учитывать неравномерность вытеснения гидролизата, содержащего РВ, варочным раствором, которая приводит к тому, что часть сахаров задерживается в гидролизаппарате более длительное время. Следовательно, с увеличением объема аппарата повышается длительность пребывания моносахаров в сфере реакции, а также увеличивается доля сахаров, пребывающих в гидролизаппарате более длительный срок по сравнению со средним значением длительности пребывания.

На выход РВ оказывает влияние гранулометрический состав сырья, и это должно учитываться при выборе параметров режима гидролиза. При гидролизе частиц сырья размером менее 2,5 мм не наблюдается изменения выхода сахара. Заметное влияние оказывает длина щепы. Например, щепа с длиной волокна 4 — 5 мм уменьшает выход РВ на 4 — 5%, при длине 30 — 40 мм на 5 — 10%, а при более длинной щепе выход снижается на 30 — 40%. Чем меньше сырье, тем выше плотность загрузки гидролизаппарата и тем выше его производительность.

Перед перколяцией сырье, смоченное слабым раствором серной кислоты, прогревают путем впуска острого пара. Следует иметь ввиду, что во время прогрева происходит и гидролиз легкогидролизуемых полисахаридов. Поэтому в последующий за прогревом период (начальная стадия перколяции) необходимо принять меры для предупреждения деструкции образовавшихся сахаров, например вести прогрев до давления 0,5МПа, подавать воду на начальную стадию перколяции не выше 175? С и другие меры. При этом следует обратить внимание на то, что часть полисахаридов не подвергается полному гидролизу и находится в гидролизате в виде дисахаров и осколков полисахаридов. Для превращения их в моносахара требуется проведение дополнительного гидролиза (инверсии). Вещества, для использования которых проводится инверсия, в практике называют неинвертированным сахаром. Инверсию проводят не только для получения дополнительного количества усваиваемых дрожжами моносахаридов, но и с целью повышения биологической доброкачественности гидролизата и улучшения состава сточных вод по БПК. В процессе инверсии снижается количество декстринов и стабилизируется коллоидный состав гидролизата. При этом выпадает довольно значительное количество осадка, содержащего смолистые вещества. Инверсия улучшает качество сточных вод, позволяет несколько уменьшить объем биологических очистных сооружений.

2.2 Технологические схемы и режимы гидролиза

Технологическая схема гидролиза состоит из следующих операций процесса гидролиза, проводимого в периодически действующих гидролизаппаратах: подачи на гидролиз серной кислоты и воды, частичного охлаждения полученного гидролизата на испарителях, инверсии (дополнительного гидролиза) (рис. 2).

Гидролиз. Производственный процесс гидролиза, проводимый в периодически действующих аппаратах, состоит из целого ряда основных и вспомогательных операций. Процесс гидролиза для разных видов сырья различен. Он начинается с загрузки сырья в гидролизаппарат и оканчивается выгрузкой лигнина. Последовательно проводятся следующие операции: загрузка сырья с его смачиванием, подогрев сырья и удаление воздуха, перколяция, промывка лигнина, его сушка и удаление из аппарата.

Конструкции гидролизаппаратов различных объемов аналогичны (рис. 3). Через верхнюю горловину загружается сырье, а также спускаются или поднимаются материалы во время ремонта. Горловина закрывается механизированной крышкой, управляют крышкой дистанционно при помощи электродвигателя. К нижней горловине крепится стальной переходной фланец. К переходному фланцу присоединен быстродействующий выгрузной клапан, который открывается при выгрузке лигнина из гидролизаппарата.

Для уменьшения потерь тепла наружная поверхность гидролизаппарата покрывается теплоизоляцией.

При вертикальной перколяции раствор варочной кислоты подают сверху, а гидролизат отбирают через фильтр, расположенный в нижнем конусе. Для горизонтальной и совмещенной перколяции в верхнем конусе сделан штуцер для подачи раствора варочной кислоты в трубу, расположенную вертикально по центру аппарата. На поверхности трубы, входящей внутрь аппарата, для распределения жидкости высверлены отверстия, которые размещаются на участках трубы выше уровня сырья, а также на участках, погруженных в сырье (лигнин). По периметру аппарата расположен четырехлучевой трубчатый фильтр для отбора гидролизата. Высота лучей фильтра подбирается таким образом, чтобы заглушенный верхний конец выступал из конусной в цилиндрическую часть на 1,8 — 2 м. Гидролизаппарат снабжен необходимым количеством штуцеров (продуктовый, сдувочный и др.). Сырье в гидролизаппарат подают загрузочным конвейером, расположенным выше горловины аппарата. Вытесняемые сырье воздух и водяные пары противотоком сырью удаляются через загрузочную течку и отводятся в атмосферу. Одновременно с сырьем в аппарат подают воду и кислоту, так как смачивание увеличивает плотность загрузки.

Число гидролизаппаратов n, необходимых для обеспечения заданной производительности, определяется по формуле:

n=Bm/(OKb1440)

где В — количество перерабатываемого абс. сухого сырья, т/сут; m — длительность оборота, мин; К — коэффициент использования полезного объема гидролизаппарата, равный 0,90; О — полезная вместимость гидролизаппарата, м³; b — удельная загрузка сырья, т/м³.

После загрузки гидролизаппарат закрывается верхней крышкой и через нижний штуцер подается пар для подогрева. В период подогрева давление поднимается до 0,5МПа и производится 2 -3-минутная сдувка воздуха, отводимого через верхний вентиль и сдувочную линию в ловушку для сдувочного пара. Этим приемом удаляется воздух и другие неконденсирующиеся газы. Присутствие этих газов неблагоприятно сказывается на гидродинамических процессах. Кроме того, присутствие воздуха искажает показания манометра, внося разницу в обычное для водяного пара соотношение давления и температуры. При сдувке частично удаляются скипидар, метанол, фурфурол и другие вещества, вредные для выращивания дрожжей.

Начальный период перколяции проводится в мягких условиях, т. е. при пониженной температуре (около 150? С). Температура подаваемой в гидролизаппарат воды постепенно повышается до 188 — 190? С. Соответственно этому изменяется и температура внутри гидролизаппарата. Температура выравнивается примерно через 60 минут от начала перколяции.

Промывка. Промывку лигнина водой проводят таким же способом, как и перколяцию, т. е. сверху вниз, но при этом не подают серную кислоту. После подачи заданного количества воды промывку прекращают, а гидролизат продолжают отбирать. Этот период называют сушкой. Затем выгружают лигнин. Для этого при давлении в гидролизаппарате 0,7 — 0,8МПа открывают быстродействующий клапан, установленный на нижнем конусе аппарата. Выгрузка («выстрел») продолжается несколько секунд. Выгруженный лигнин попадает в циклон, где от него вследствие самоиспарения отделяется пар, а лигнин оседает на дне циклона. Для выгрузки лигнина в циклоне предусмотрено выгребное устройство.

Охлаждение гидролизата. Гидролизат выводится из гидролизаппаратов по отдельным трубам, сведенным к коллектору выдачи гидролизата, далее по общей линии он поступает в первый испаритель трехступенчатой установки для охлаждения гидролизата.

Испаритель (рис. 4) представляет собой стальной сварной сосуд цилиндрической формы. Внутренняя поверхность защищена термокислотоупорными керамическими плитками. Для улучшения отделения пара от жидкости предусмотрена тангенциальная подача гидролизата в испаритель через диффузор. В верхней части имеется штуцер для отвода паров самоиспарения. Вне испарителя перед поступлением пара в решоферы устанавливаются паросушители. Охлажденный гидролизат отбирается из нижней части испарителя через штуцер и поступает в испаритель следующей ступени испарения или в сборник гидролизата.

Давление в испарителях от ступени к ступени понижается: в первой ступени 0,45МПа, а в последней около 0,1МПа. Соответственно этому гидролизат на выходе будет иметь температуру 150, 130 — 135 и 100 — 103? С. Пары с каждой ступени испарения направляются для конденсации в соответствующую группу решоферов. Образующийся конденсат от решоферов направляется в сборник-испаритель конденсата. Далее конденсат направляется для переработки в цех ректификации фурфурола.

Инверсия. При «мягких» условиях начальной фазы перколяции в гидролизате будут содержаться неинвертированные сахара и необходимо подвергать их дополнительному гидролизу — инверсии. Инверсия может осуществляться при температуре 100? С и при более высоких температурах. Длительность процесса при 100? С составляет 6 — 8 часов, а при 130? С требуется всего лишь 0,5 ч. Для инверсии под избыточным давлением используют испаритель второй ступени, где имеет место требуемый уровень температуры. Для этой цели разработана конструкция испарителя-инвертора. Инвертор представляет собой стальной цилиндр с конусным днищем и крышкой. Изнутри сталь защищена футеровкой. В конусной части инвертора скапливается осадок в виде смолы и лигнина, который необходимо периодически выгружать.

2.3 Технологические схемы и режимы подготовки гидролизата к выращиванию дрожжей

В гидролизате наряду с РВ присутствуют вещества, отрицательно влияющие на ход процесса выращивания дрожжей, такие как фурфурол, оксиметилфурфурол, фенол, минеральные соли азота и калия. Концентрация ингибиторов в культуральной среде не должна превышать ПДК, величина которого специфична для каждого вещества. Для обеспечения нормальных условий процесса выращивания необходимо соответствующим образом подготовить гидролизат. Для этой цели требуется осуществить ряд последовательных технологических операций: самоиспарение гидролизата, нейтрализацию, очистку от взвешенных веществ, охлаждение самоиспарением, аэрацию воздухом.

Нейтрализация. Основной задачей при подготовке гидролизата является удаление ингибиторов, а учитывая наличие в среде нескольких ингибиторов, необходимо удалять каждый из них по возможности полнее. Кроме этого необходимо освободить гидролизат от серной кислоты, снизить температуру до 28 — 32? С и максимально снизить количество взвешенных и коллоидных веществ.

Серная кислота удаляется методом нейтрализации с использованием двух нейтрализующих агентов: известкового молока и аммиачной воды. При нейтрализации известковым молоком происходит реакция с образованием гипса:

H₂SO₄ + Ca (OH)₂ = CaSO₄ + 2H₂O

Находящиеся в растворе органические кислоты также частично нейтрализуются.

Гипс плотностью 2,3 г/см³ выпадает в осадок. Этим свойством пользуются, выделяя его из раствора осаждением.

При нейтрализации кислоты аммиачной водой образуется сульфат аммония:

H₂SO₄ + 2NH₄OH = (NH₄)₂SO₄ + 2H₂O.

Образующийся сульфат аммония полностью растворим и осадка не образует. Если для нейтрализации известковым молоком необходимо устанавливать специальные аппараты, то для нейтрализации аммиачной водой достаточно подавать ее во всасывающую линию насоса, откачивающего гидролизат. Кроме того, у каждого из методов есть свои недостатки. Для известкового метода характерна трудоемкость транспортировки, складирования и приготовления известкового молока. Азот, связанный с серной кислотой, не может быть использован для образования белков. Таким образом, почти весь сульфат аммония остается в последрожжевой бражке, что приводит к значительным затратам при очистке промышленных стоков. Кроме того, аммонийный азот является ингибитором процесса выращивания дрожжей.

На гидролизных предприятиях применяют последовательную нейтрализацию вначале известковым молоком с донейтрализацией аммиачной водой. При этом расход аммиачной воды должен быть таким, чтобы содержание азота в последрожжевой бражке было бы в пределах 80 — 100 мг/л.

Цель нейтрализации состоит не только в осуществлении самого процесса нейтрализации, но и в получении такого нейтрализата, который позволил бы провести отстаивание при минимальном количестве оборудования. Для этой цели нейтрализацию проводят при температуре 75 — 85? С с применением гипсовой затравки, подаваемой совместно с известковым молоком. Эта операция носит название направленной кристаллизации гипса. Гипс получается в виде мелких кристаллов, имеющих большую удельную поверхность, которые служат центрами кристаллизации крупных кристаллов гипса.

Нейтрализованный гидролизат называется нейтрализатом. Образовавшийся гипс выделяется путем отстоя. Совместно с гипсом из раствора выделяется часть содержащихся в нем коллоидных и взвешенных веществ. Температура нейтрализата после нейтрализации и отстоя обычно равна 80 — 85? С.

Нейтрализацию гидролизата проводят непрерывным способом в двух последовательно соединенных нейтрализаторах. В первый нейтрализатор подают гидролизат, а в его струю — известковое молоко. Нейтрализат последовательно сверху вниз проходит оба нейтрализатора, и из последнего насосом перекачивается в отстойники.

Нейтрализатор (рис. 5) оборудован мешалкой лопастного типа. Также используются аппараты, оснащенные устройством «Газлифт», при котором перемешивание среды осуществляется за счет подачи воздуха. Вместо лопастной мешалки по центру нейтрализатора по вертикали соосно размещены четыре отрезка трубы. Диаметр труб увеличивается снизу вверх, а высота труб уменьшается. Уровень жидкости в нейтрализаторе примерно на 900 мм выше верхнего обреза четвертой трубы. При подаче сжатого воздуха в нижнюю трубу устанавливается интенсивная циркуляция (эффект эрлифта) жидкости. Преимуществом данной системы является отсутствие движущихся частей. Нейтрализатор снабжен необходимыми штуцерами для подачи гидролизата, известкового молока, нейтрализата из головного нейтрализатора и отбора нейтрализата. Для вытяжки паров и гзов в крышке нейтрализатора есть штуцер, к которому присоединена вытяжная труба.

Осветление. Осветление нейтрализата производится на непрерывно действующих отстойниках. Отстойник представляет собой цилиндрический сосуд с коническим днищем и закрытый плоской крышкой (рис. 6). Нейтрализат через успокоитель поступает в центральную часть отстойника. Шлам осаждается на дне отстойника, а нейтрализат, осветляясь, поднимается вверх по сечению отстойника и сливается в желоб, расположенный по окружности отстойника, а из него направляется в сборник осветленного сусла. Для очистки от осадка внутренней поверхности и кромки желоба предусмотрен скребок. Осадок, скапливающийся на дне отстойника, выгребным механизмом сгребается к центру конусного днища и через штуцер направляется в выгружатель шлама.

Осветленный нейтрализат из желоба отстойника поступает в сборник и оттуда насосом подается на вакуум-охладительную установку (рис. 7). Она состоит из одного четырехступенчатого вакуум-испарителя и четырех поверхностных конденсаторов. Вакуум-испаритель представляет собой цилиндрический аппарат, разделенный по вертикали на четыре отдельные секции — четыре испарителя, поставленные друг на друга. Нейтрализат поступает в верхнюю и последовательно проходит все четыре секции. Охлажденный нейтрализат из последней секции откачивается насосом. Пары самоиспарения из каждой секции поступают в межтрубное пространство своего трубчатого конденсатора.

Коагуляция. Однако описанная схема подготовки гидролизата оказывается недостаточной из-за недоброкачественности нейтрализата, поэтому необходима дополнительная обработка, цель которой — максимально снизить содержание в нейтрализате коллоидных веществ. В процессе выращивания дрожжей происходит окисление и коагуляция лигногуминовых веществ, на что затрачивается кислород воздуха. За счет коагуляции увеличивается содержание взвешенных веществ.

Операцию коагуляции стали производить перед процессом выращивания путем продувки воздухом с использованием эрлифтных аппаратов для выращивания дрожжей. В процессе аэрации содержание взвешенных веществ увеличивается и их необходимо выделить из нейтрализата. Для этой цели используют такие же отстойники, как и для отстоя горячего нейтрализата.

3. Выращивание дрожжей

В технологической схеме дрожжевого производства стадия выращивания дрожжей — главная операция, основанная на микробиологическом синтезе. Для накопления биомассы дрожжей надо иметь соответствующую емкость, т. е. аппарат для выращивания товарных кормовых дрожжей, засевные дрожжи чистой культуры, питательную среду и воздух. Каждый из указанных факторов влияет на процесс выращивания дрожжей. После выращивания дрожжи необходимо выделить из отработанной среды, промыть и довести до сухого состояния. Выделяют и обезвоживают дрожжи фильтрованием, сепарированием, фильтрацией, упариванием и сушкой. Таким образом, технологические операции получения дрожжей разделяются на биохимические, механические и тепловые (рис. 8).

Подготовка чистой культуры засевных дрожжей.

Под понятием засевные дрожжи принято понимать начальный или дополнительный приток дрожжей чистой культуры в основные производственные дрожжерастильные аппараты. Под чистой культурой в производстве следует понимать 100%-ную биомассу дрожжей, рекомендуемую производству для культивирования на перерабатываемом в данный период времени сырье.

Засевные дрожжи чистой культуры приготавливаются по особому режиму, начиная от лабораторной пробирки и кончая производственным дрожжерастильным аппаратом — ферментатором. Установка для их приготовления работает периодически или непрерывно, в зависимости от потребности.

Перед процессом выращивания дрожжей в пусковой период перерабатываемый субстрат должен быть засеян определенным количеством активных дрожжей урожайной чистой культуры. Опыт показал, что в начальный период в субстрате количество биомассы засевных дрожжей, содержащей до 75% влаги, не должно превышать половины массы сахара, предназначенного для загрузки аппарата. При непрерывном выращивании товарных дрожжей в случае неустойчивости производственной культуры рекомендуется постоянно добавлять 10% засевных дрожжей от биомассы дрожжей, находящихся в аппарате.

Исходя из этого, определяется состав и производительность установки приготовления засевных дрожжей чистой культуры.

Процесс выращивания засевных дрожжей разбивается на ряд операций, основными из которых являются:

· выращивание чистой культуры дрожжей в лабораторных условиях,

· выращивание засевных дрожжей в малой и большой дрожжанках,

· выращивание засевных дрожжей в малом дрожжерастильном аппарате.

Схема установки приготовления засевных дрожжей чистой культуры показана на рис. 9. Выращивание чистой культуры дрожжей в лабораторных условиях осуществляется в несколько стадий в колбах или бутылях различной вместимостью. В качестве питательной среды на всех стадиях установки чистой культуры применяют нейтрализованный гидролизат или сульфитный щелок. Питательную среду приготавливают в специальном аппарате, так называемом стерилизаторе-нейтрализаторе, к которому подведены пар, воздух, известковое молоко, раствор сульфата аммония и водная вытяжка суперфосфата. Аппарат, заполненный нейтрализованным гидролизатом, с целью стерилизации среды нагревают до 80? С и дополнительно нейтрализуется до рН 5,5 — 5,8 при непрерывном воздушном или механическом перемешивании. При этом добавляются питательные соли: раствор сульфата аммония, водная вытяжка суперфосфата и хлористый калий. В питательную среду желательно добавить дрожжевой автолизат. Добавка автолизата ускоряет процесс размножения дрожжей и делает их физиологически активными.

Питательную среду можно употреблять после отстаивания и охлаждения. Отстаивание обычно продолжается 5 — 8 ч. Для очистки от осадка в стерилизаторе-нейтрализаторе предусмотрены декантационные устройства, а для механической выгрузки осадка из аппарата — боковой и верхние люки.

Первая стадия выращивания засевных дрожжей в производственных условиях осуществляется в малой дрожжанке общей вместимостью 500 л. Вначале в дрожжанку набирают 180 л кипяченой воды, затем подают 40 л подготовенной питательной среды. В этот субстрат засевают выращенные в лаборатории дрожжи в количестве 120 — 140 г в пересчете на прессованные, вместе со средой, на которой они выращивались. Питательная среда в малой дрожжанке должна содержать РВ в пределах 0,4 — 0,5%.

Все содержимое дрожжанки интенсивно продувается воздухом в течение 12 — 14 ч с постепенной за это время добавкой питательной среды с таким расчетом, чтобы к концу периода объем жидкости был 310 л. При выращивании поддерживается рН 4,0 — 5,5 путем подачи аммиачной воды. На первой стадии за один цикл получают 3,5 — 4,5 кг биомассы дрожжей, содержащих 75% влаги.

Вторая стадия осуществляется в больщой дрожжанке общей вместимостью 4,5 — 5 м³. Весь процесс второй стадии аналогичен процессу первой стадии: в дрожжанку подается 1300 л кипяченой воды, 200 л питательной среды, все засевные дрожжи вместе с отработанной средой с первой стадии. Процесс протекает в течение 10 — 11 ч.

Третья стадия осуществляется в малом дрожжерастильном аппарате вместимостью 12 — 15 м³. Аппарат заполняют кипяченой водой (1500 л), засевными дрожжами вместе с отработанной средой со второй стадии (2500 л) и свежей средой (500 л). Засевных дрожжей должно быть не менее 7,5 — 15% от массы РВ. Процесс протекает в течение 8 — 9 ч. За это время в малом аппарате в соответствии с режимом дозировки питательной среды накапливается 6000 л среды с содержанием в ней до 90 -100 кг биомассы дрожжей. В 1 л среды накапливается 15 — 20 г дрожжей, содержащих 75% влаги.

При накоплении этого количества дрожжей начинается непрерывный отбор по 1 — 1,5 м³/ч засевных дрожжей вместе с отработанной средой из малого аппарата в производственный дрожжерастильный аппарат, где выращиваются товарные дрожжи. Одновременно в малый аппарат подается такое же количество свежей питательной среды. Непрерывная работа малого аппарата продолжается 5 — 7 сут. На восьмые сутки следует повторить процесс выращивания чистой культуры засевных дрожжей, начиная с лабораторного размножения отобранных наиболее эффективных производственных дрожжей, полученных от первого оборота. Этим приемом повторной селекции достигается получение высокоурожайной и устойчивой в производственных условиях культуры дрожжей.

3.2 Технологические режимы и схемы выращивания дрожжей

Состояние культуры кормовых дрожжей, а также нормальное выращивание биомассы дрожжей в промышленных условиях зависит от очень многих факторов и обстоятельств, основными из которых являются: подбор необходимой и соответствующей производственным требованиям культуры дрожжей, обеспечение процесса выращивания дрожжей нужным количеством кислорода, сахаром необходимой концентрации и качества, питательными веществами (азотом, фосфором, калием), поддержание температуры среды при выращивании, соответствующей условиям размножения, поддержание постоянства рН, соблюдение стерильных производственных условий.

Наиболее распространенными видами кормовых дрожжей являются Candida scottii, Candida tropicalis и Candida utilis. Эти культуры дрожжей широко применяются в различных средах, в зависимости от изменения которых дрожжи получили свое разнообразие и различную эффективность по выходу биомассы. В производственных условиях наиболее широкое применение получили дрожжи Candida scottii. По сравнению с другими видами Candida scottii дает наибольший выход биомассы, но и не менее устойчивы в среде с повышенным содержанием фурфурола. Иногда целесообразно смешивать различные культуры дрожжей, т.к. при этом расширяется диапазон ассимиляции различных видов углеводов.

Нормальным следует считать выход кормовых дрожжей (в сухом виде) 40 — 50% от использованного сахара.

3.3 Обеспечение воздухом

Одним из важнейших условий выращивания аэробных культур микроорганизмов для накопления белка является подача воздуха, являющегося источником кислорода. Истинное определение потребности воздуха при выращивании биомассы имеет большое значение, так как недостаток его приводит к снижению выхода биомассы, а значительное его превышение — к сооружению сложных воздуходувных и воздухораспределительных устройств.

Расход кислорода на получение абсолютно сухой биомассы может быть найден по уравнению:

V=0,25gK_k

V — расход кислорода, кг; 0,25 — содержание сухих веществ в биомассе, кг/кг; g — прирост сырой биомассы, кг/ч; K_k — коэффициент расхода кислорода, кг на 1 кг абс. сухой биомассы.

Диспергирование воздуха в жидкости, на которой выращиваются дрожжи, может быть осуществлено различными путями, в соответствие с чем в технике производства кормовых дрожжей существует большое разнообразие воздухораспределительных систем, установленных в дрожжерастильных аппаратах. Имеются общеизвестные барботажные системы, системы с механическими средствами распыления воздуха, аэрлифтные и ряд других.

Воздух, подаваемый в дрожжерастильные аппараты, должен быть максимально чистым, не зараженным посторонними микроорганизмами. Для этого забор воздуха необходимо осуществлять с мест, удаленных от гнилостных и запыленных участков. Воздух забирают вне здания через индивидуальные всасывающие воздухозаборные трубопроводы или через коллектор. Индивидуальные всасывающие воздухозаборные трубопроводы лучше всего применять тогда, когда не требуется осуществлять тонкую очистку воздуха от механических примесей. Такую очистку допускают турбовоздуходувки, работающие с большим числом оборотов и для них ставится условие: содержание механических примесей в воздухе, поступающем на всасывание, не должно превышать 10 мг в 1 м³ воздуха. В связи с этим необходимо очищать воздух на масляных фильтрах.

3.4 Влияние концентрации сахара в питательной среде

Кормовые дрожжи легче всего и в первую очередь усваивают гексозы. Общее содержание в гидролизатах моносахаридов составляет 3,72 г в 100 мл раствора. На скорость накопления биомассы дрожжей больше всего влияет концентрация сахара в субстрате и количество взятых на засев дрожжей. В промышленных условиях при высоком (более 1,5 — 1,7%) содержании РВ выращивание дрожжей идет замедленно с неполной утилизацией углеводов. Для того, чтобы увеличить утилизацию углеводов, необходимо достичь высокой степени диспергирования воздуха и циркуляции жидкости, что возможно только в лабораторных условиях. Весьма важным условием глубокой утилизации сахаров является наличие всех необходимых для выращивания биомассы стимуляторов роста. Разбавляют гидролизат водой или отработанной послеспиртовой культуральной жидкостью, доводя содержание РВ в нем до 1 — 1,8%.

Для достижения максимального выхода кормовых дрожжей из гидролизата, имеющего повышенное содержание РВ (выше 2%), необходимы специальные меры.: разбавление гидролизата отработанной дрожжевой жидкостью, двухступенчатое выращивание дрожжей, при котором на первой ступени осуществляется выращивание биомассы на неразбавленных гидролизатах с недобродом до 1 — 1,2%, а после отделения дрожжей — выращивание биомассы на второй ступени с окончательной утилизацией остаточных сахаров; увеличение времени выращивания дрожжей с введением в дрожжерастильные аппараты соответствующей культуры дрожжей, усваивающей все виды сахаров. Самым лучшим приемом использования неразбавленного гидролизата может быть подбор соответствующей культуры дрожжей, до конца усваивающей все виды сахаров.

3.5 Влияние температуры среды

Выращивание кормовых дрожжей обычно проводят при температуре от 32 до 40? С. Различия в температурном режиме зависят не только от культуры дрожжей, но и степени ее адаптации к более высоким и низким температурным условиям.

При выращивании кормовых дрожжей происходит значительное выделение тепла (2500 — 3500 кал на 1 кг сухой массы дрожжей). Это тепло повышает температуру среды, следовательно его необходимо отвести. В дрожжерастильных аппаратах небольшой емкости (до 250 м³) для охлаждения используются змеевики. В аппаратах большего объема используется отвод тепла через поверхность диффузора, а также с помощью наружного орошения. Разбавление сусла холодной водой также используется как средство охлаждения среды в аппарате.

С увеличением емкости, а также производительности одного дрожжерастильного аппарата отбор выделяющегося тепла приобретает большую трудность. Конструктивно невозможно разместить внутри аппарата необходимую поверхность охлаждения. В связи с этим в отдельных случаях охлаждение жидкости осуществляется на специально сооружаемых выносных теплообменниках с циркуляцией через них отбираемой из дрожжерастильного аппарата дрожжевой суспензии при помощи центробежного насоса. В этом случае требуется дополнительная затрата электроэнергии на циркуляцию суспензии через теплообменник.

3.6 Влияние и допустимые пределы содержания вредных примесей в среде

Качество среды, в которой выращиваются дрожжи определяется также содержанием ингибиторов, задерживающих жизнедеятельность клеток.

Сильно вредят жизнедеятельности дрожжей продукты карамелизации, разложения сахаров и в особенности вещества гуминово-лигнинового комплекса, находящиеся в гидролизате в коллоидном состоянии. Эти вещества при интенсивной аэрации коагулируют, выпадают из субстрата и примешиваются к дрожжевой массе.

Для снижения степени разложения сахара нужна такая конструкция гидролизаппарата и фильтрующей его части, при которой бы свободно, без задержки выводился образующийся гидролизный сахар за пределы происходящих внутри аппарата реакций. Для очистки от красящих и коллоидных веществ рекомендуется применять коагулянты (сульфат алюминия, хлорное железо).

Фурфурол — неизбежный продукт процесса гидролиза растительных материалов. Он влияет на активность дыхания дрожжей. В гидролизате древесины содержание фурфурола составляет 0,035 — 0,1%, тогда как оптимальное его содержание в среде около 0,03%. Для снижения фурфурола в сусле, подаваемом на выращивание дрожжей, необходимо прежде всего стремиться к минимальному его образованию во время процесса гидролиза, а затем уже к максимальному удалению фурфурола в процессе подготовки гидролизата к выращиванию дрожжей.

Медь также относится к группе веществ, оказывающих вредное действие на развитие микроорганизмов. Ионы меди ухудшают обмен веществ дрожжей. Медь оказывает тормозящее действие на дыхание дрожжей даже при низких концентрациях: 0,15; 0,175 и 0,3 мг/л, а на накопление биомассы влияют более высокие ее концентрации.

3.7 Влияние рН и кислотности среды

Получаемый из гидролизаппаратов кислый гидролизат с показателем рН = 2 — 2,5, непригоден для роста дрожжей. Допустимым пределом рН, в котором кормовые дрожжи разных культур могут нормально жить и размножаться, является 3,5 — 5,5. Отклонения в ту или иную сторону резко снижают жизнедеятельность дрожжевых клеток.

При размножении дрожжей на гидролизате происходит повышение кислотности среды. Во время бурного размножения дрожжи усваивают из аммонийных солей радикал NH₃ и оставляют в среде радикал SO₃ в виде серной кислоты, в результате чего рН среды снижается. В этом случае очень хороший эффект дает использование аммиака в виде аммиачной воды. Аммоний уравнивает значение рН и одновременно доставляет дрожжам азотное питание.

3.8 Выход кормовых дрожжей

Основным веществом питания дрожжей является сахар, содержащийся в растворе гидролизата. Поэтому выход дрожжей считают по степени утилизации сахара относительно потребленных редуцирующих веществ. Практически выход дрожжей из РВ меньше, чем из такого же количества глюкозы. К определяемым в растворе РВ относятся не только усваиваемые дрожжами сахара, но и другие вещества: неутилизируемые сахара, метилпентозы, фурфурол, некоторые органические кислоты. Кроме того, в производственных условиях не полностью утилизируются доброкачественные сахара, протекают посторонние микробиологические процессы, использующие сахара, наблюдаются потери дрожжей на различных стадиях производственного процесса (на флотаторах, сепараторах, в сушилках). При микробиологическом синтезе выделяется тепло, на которое также расходуется часть энергетического материала.

Наилучшие показатели выхода дрожжей со 100 кг РВ по дрожжерастильному чану равны 48 — 50 кг сухой массы. Если в питательной среде содержатся органические соединения — несахара, за их счет можно увеличить выход дрожжей. К таким соединениям относятся этиловый спирт, уксусную, молочную и лимонную кислоты, углерод которых в присутствии подходящих стимуляторов роста и сильной аэрации быстро усваивается дрожжами с образованием нового клеточного вещества.

На увеличение выхода дрожжей влияет возврат на разбавление сусла отработанной последрожжевой бражки, содержащей остаточное количество РВ и дрожжевые клетки.

3.9 Технологические схемы

Кормовые дрожжи в промышленных условиях выращивают в специальных дрожжерастильных аппаратах. Для достижения глубокой степени утилизации сахара и получения наибольших выходов дрожжей необходимо в каждом отдельном случае правильно выбрать технологическую схему процесса выращивания дрожжей.

На рис. 10 показаны различные схемы включения дрожжерастильных аппаратов. В одночленной батарее осуществляется в одном аппарате полный цикл утилизации сахара с получением дрожжей. Подается в аппарат сусло, воздух и питательные соли, отводится из него дрожжевая суспензия.

В двухчленной батарее с последовательным потоком осуществляется дробная утилизация сахара, поданного с суслом. В головном аппарате в таком случае обычно утилизируется 70 — 80% сахара и в концевом остальной сахар. В двухчленной батарее с параллельным потоком предполагается дробная утилизация сахара с одновременным и равномерным распределением нагрузки по наращиванию биомассы между всеми аппаратами и включая концевой.

Каждая из приведенных схем имеет свои преимущества и недостатки.

· В одночленной батарее наиболее полноценно утилизируются сахара в растворах с низкой концентрацией, но с ее увеличением степень утилизации сахара, как правило, снижается.

· В двухчленной батарее с последовательным потоком удается достичь более глубокой степени утилизации сахара, но вэтом случае производительность дрожжерастильных аппаратов заметно снижается, так как концевой аппарат работает с весьма низкой производительностью. В головном аппарате происходит основное сбраживание сахара и интенсивное накапливание дрожжевой массы, которая перетекает в концевой аппарат и оказывается в условиях недостаточности питания, что сказывается на состоянии дрожжей.

· В батарее со смешанным потоком питание дрожжей осуществляется в нескольких параллельно работающих аппаратах, а переток из них направляется в один концевой аппарат как дображивающий. Такая схема дает возможность увеличить нагрузку по утилизации сахара на концевой аппарат. Однако схема имеет следующий недостаток: в концевом аппарате скорость потока жидкости увеличивается во столько раз, сколько имеется параллельно работающих с одинаковой нагрузкой головных аппаратов. Продолжительность пребывания жидкости в концевом аппарате соответственно сокращается, в связи с чем не хватает времени для полного использования сахара и для роста дрожжей.