Проектирование цеха по получению кормового дрожжевого белка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

В данной работе рассмотрены различные технологии производства кормового белка методом промышленного микробиологического синтеза. Представлен химический состав дрожжей, являющихся наиболее распространенными продуцентами белка, описано влияние различных факторов на рост культуры дрожжей и содержание в них белка. Описаны режимы культивирования дрожжей и выделения их биомассы из культуральной жидкости. Изложены методы контроля содержания белка в продукции.

Произведен конструктивный расчет циклона.

Работа состоит из пояснительной записки, включающей 70 страниц, 4 рисунка, 12 таблиц, 8 источников литературы.

Содержание

1. Введение

2. Обзор литературы

2.1 Химический состав кормовых дрожжей

2.2 Сырье для производства белка методом микробиологического синтеза

2.3 Другие микроорганизмы-продуценты белка

2.4 Стадии получения кормовых дрожжей

2.5 Методы гидролиза

2.6 Оптимальные условия культивирования кормовых дрожжей на мелассной барде

3. Технологическая схема выращивания кормовых дрожжей

3.1 Подготовка чистой культуры засевных дрожжей

3.2 Технологические режимы и схемы выращивания дрожжей

3.3 Варианты технологических схем выращивания дрожжей

4. Выбор оборудования для линии производства кормового дрожжевого белка

4.1 Дрожжерастильный аппарат

4.2 Насосы для суспензии и бражки

4.3 Сепараторы

4.4 Газоотделители

4.5 Флотаторы

4.6 Турбовоздуходувка

4.7 Водоструйный насос

4.8 Плазмолизатор

4.9 Выпарная установка

4.10 Барометрический конденсатор

4.11 Распылительная сушилка

4.12 Вентилятор

5. Расчет циклона

6. Методы определения содержания белка в продукте

Выводы

Список использованных источников

Приложения

1. Введение

Для увеличения производства продуктов животноводства необходима надежная кормовая база. Корма, не содержащие в достаточном количестве белков и витаминов, не могут удовлетворить животноводство и птицеводство.

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, в том числе незаменимых, кормовые дрожжи близки к белкам животного происхождения [1].

Промышленное производство микробной белковой биомассы организовано на основе переработки углеводного и углеводородного сырья. Кормовые дрожжи вырабатываются с использованием следующих видов углеводного сырья: гидролизатов древесины и растительных отходов сельскохозяйственного производства и обесспиртованной барды гидролизно-спиртового производства, сульфитных щелоков и предгидролизатов сульфатно-целлюлозного производства.

Производство дрожжей на гидролизатах позволяет решить как проблему утилизации сельскохозяйственных отходов или отходов лесообрабатывающей промышленности, так и получить кормовой продукт, пригодный для использования в животноводческой промышленности [2].

Ввиду актуальности исследования и разработки технологий микробиологического производства кормовых белковых препаратов целью данной работы является проектирование линии производства дрожжевого белка.

Задачи работы:

1. Рассмотреть различные технологии получения кормового белка микробиологическим способом

2. Подобрать аппаратуру и оборудование для линии производства кормового белка

3. Рассчитать циклон, необходимый для очистки отработанных производственных газов.

2. Обзор литературы

2.1 Химический состав кормовых дрожжей

Биомасса дрожжевых клеток состоит из 75 - 80% воды и 25 - 20% сухих веществ. Органические вещества дрожжей состоят из протеина, полисахаридов, безазотистыъх экстрактивных соединений и липидов. Наиболее ценным компонентом является протеин. Наибольшее количество протеина содержится в кормовых дрожжах, выращенных на зерно-картофельной и мелассной барде.

Таблица 1 - Химический состав кормовых дрожжей

Вещества, %	Дрожжи, выращенные на
	Сульфитном щелоке и гидролизной барде	Зерно-картофельной барде	Мелассной барде
Протеин	45-52	48-56	47-55
Углеводы	13-16	22-25	14-17
Жиры	2-3	2-5	3-5
Безазотистые вещества	20-37	22-30	22-33
Зола	8-11	7-9	8-12

По ГОСТ 18 - 15 - 70 на дрожжи кормовые сухие, вырабатываемые на спиртовых заводах, протеина в них должно быть не менее 45%, а усвояемого белка не менее 35%. По содержанию лизина и метионина (г/кг) дрожжи уступают только рыбной муке. В кормовых дрожжах содержится: лизина - 32,8 г/кг; метионина - 8,2 г/кг; триптофана - 6,3 г/кг.

Кроме основных веществ дрожжевые клетки содержат в небольших количествах различные биологически важные вещества, катализирующие процессы обмена, т. е. ферменты, окислительно-восстановительные системы, вещества роста, витамины, порфи-рины Часть ферментов катализирует дыхание. Основную окислительно-восстановительную систему дрожжевых клеток представляют цитохромы [3].

Биологическая ценность дрожжей обусловлена высоким содержанием витаминов группы В. По этому показателю дрожжи превосходят все кормовые продукты. Витаминный состав дрожжей приведен в таблице 2.

Таблица 2 - Содержание витаминов в клетках дрожжей

Витамин	Содержание, мг/кг
Тиамин	6,2 - 8,0
Рибофлавин	44 - 130
Пантотеновая кислота	28 - 44
Пиридоксин	23 - 30
Цианкобаламин	0,2
Никтотинамид	500 - 504
Фолиевая кислота	11 - 23
Холин	1 660 - 2 910
Н-биотин	1,0 - 1,1
Эргостерин	2 080

Основными фракциями неорганических веществ являются фосфорная кислота (около 50%) и калий (около 25%).

Химический состав дрожжей зависит от состава перерабатываемого сырья, расы дрожжей, технологии производства, способа сушки. Самый низкий уровень протеина отмечается у пекарских дрожжей, культивируемых на сульфитных щёлках, наиболее высокий - у дрожжей рода Candida, культивируемых на углеводородных субстратах: до 60% от сухого вещества биомассы. По качеству белка дрожжи значительно превосходят растительные корма и приравниваются к кормам животного происхождения.

По данным Г.Ф. Гринкиной, кормовые дрожжи (эприн, паприн, гаприн и др.) характеризуются достаточно высоким содержанием протеина (в среднем 61,4% с колебаниями 59-63,7% в абсолютно сухом веществе) и превосходят все высокобелковые корма растительного и животного происхождения на 12 - 16 абсолютных процентов. Только в рыбной муке на 6% больше протеина, чем в дрожжах.

В.Н. Балахонцева, А.В. Дубинская, Н.И. Буйволова установили, что дрожжи содержат в своём составе 70 - 73% протеина в расчёте на абсолютно сухое вещество.

В настоящее время среди биосинтетических продуктов из непищевого сырья в рационах животных применяется белково-витаминный концентрат (паприн), его лизат и ферментолизат. Химический состав этих кормов характеризуется достаточно высоким содержанием протеина (52,2 - 60,5%), низким содержанием жира: от 2,47 - 2,40% в лизате и ферментолизате до 0.41% в гидролизных дрожжах [3].

Yoshida M. в ходе изучения питательной ценности кормовых дрожжей установил, что содержание сырого протеина в кормовых дрожжах составляет 52-56%, биологическая ценность которого составляет 79 - 92%, а содержание обменной энергии - 2,3 - 2,6 ккал/г.

Yoshida M. также проводил изучение питательной ценности дрожжей, подвергнутых тепловой обработке перед сушкой. Было установлено, что обработка дрожжей при 90⁰С в течение 30 минут была достаточной, а при 70⁰ в течение 10 минут - слишком короткой для того, чтобы получить продукт с высокой питательной ценностью. Общая питательная ценность дрожжей, обработанных при 70⁰ в течение 10 минут, составила 74 - 80, а дрожжей, обработанных при 90⁰ в течение 30 минут - 86 - 96.

В составе липидов как углеводородных, так и углеводных дрожжей присутствуют фосфолипиды, стерины, свободные жирные кислоты, моно-, ди- и триглицериды, стериновые эфиры и воска. В липидах углеводородных дрожжей, в отличие от углеводных, содержится значительное количество жирных кислот с нечётным числом атомов углерода. Содержание этих кислот в липидной фракции составляет около 50%, кормовых дрожжей из мелассной барды - 1,3%, гидролизных дрожжей - 2,2% [3].

2.2 Сырье для производства белка методом микробиологического

синтеза

Сырьем для питательных сред, на которых культивируются дрожжи, могут служить: углеводороды нефти (очищенные жидкие парафины), низшие спирты (этанол и метанол), гидролизаты древесных отходов (опилки, стружка, щепа), гидролизаты сельскохозяйственных отходов (солома, шелуха семян, кукурузная кочерыжка и так далее), сульфитные щелока целлюлозно-бумажного производства, послеспиртовые барды гидролизно-и сульфитно-спиртовых производств.

В зависимости от среды, в которой выращивали дрожжевую клетку различают гидролизные, кормовые классические и белково-витаминный кормовой дрожжевой белок.

Готовые кормовые продукты из разного сырья несколько различаются по цвету и структуре.

В силу некоторых особенностей технологии, разных биохимических свойств продуцента, различного выхода готового продукта на единицу исходного сырья, готовый кормовой продукт из разного сырья различается по химическому составу.

Первая отличительная черта дрожжей разных групп - колебания концентрации протеина, белка по Барнштейну и небелкового азота. Максимумом протеина отличаются дрожжи БВК. В них также наиболее низкая концентрация небелкового азота, а это залог безопасного использования в кормлении животных. Небелковый азот вызывает расстройства пищеварения у молодняка, снижение приростов, резкое ухудшение качества получаемой продукции.

Классические кормовые дрожжи имеют более низкую концентрацию пуриновых и пиримидиновых остатков нуклеиновых кислот. Это свойство - залог кормовой безопасности этих дрожжей. Поэтому кормовой дрожжевой белок предпочтительнее использовать в рационе птицы. Известно, что накопление в дрожжах нуклеопротеидов становится причиной увеличения концентрации этих азотистых оснований в крови и межклеточном веществе организма птицы. Конечный продукт обмена пуринов и пиримидинов - мочевая кислота. Нарушения баланса ее синтеза и удаления из организма приводят к подкислению крови, появлению мочевых камней в почках, отложению мочекислых солей в суставах. Возникает болезненность, мацерация, развивается клоацит, снижается продуктивность. Птица, получавшая рационы с включением рекомендованных норм дрожжей, содержащих избыток пуринов и пиримидинов, быстро стареет.

В кормовых классических дрожжах концентрация пуринов и пиримидинов в 2 - 3,5 раза ниже, чем в гидролизных и белково-витаминных концентратов. Однако сложность определения концентрации нуклеопротеидов в лабораториях комбикормовых заводов и птицефабрик не позволяет потребителю ее контролировать. В практике приготовления кормовых добавок не известно ни одного случая, когда в дрожжах полностью отсутствовали бы пуриновые и пиримидиновые основания, а также рибонуклеиновая кислота (РНК). Поэтому речь идет только о концентрации этих веществ на единицу массы готовой кормовой добавки и норме ввода в рацион птицы. Наличие нуклеотидных остатков в дрожжах ограничивает эту норму цыплятам всех видов птицы до 3 - 5% от массы корма [3].

2.2.1 Характеристика различных типов сырья

Мелассная барда - основное сырье при производстве кормовых дрожжей. При сбраживании на спирт свекольной мелассы только 45% сухих веществ превращается в спирт и углекислый газ, остальное количество а так же дрожжи Sacch. сerevisiae и продукты их метаболизма полностью переходят в барду.

Химический состав и технологические свойства барды зависят от качества переработанной свеклы и технологии сбраживания на спиртовом заводе. Поэтому химические свойства барды варьируют в широком диапазоне. В среднем барда содержит: - сухих веществ 7 - 10%;

- воды - 90 - 93%;

- неорганических веществ - 20 - 30%;

- органических - 70 - 74% от общего количества сухого вещества;

- азота общего - 3,7 - 6,0%, в основном бетаин. Остальная часть - нерастворимый и растворимый азот, азот оснований и аминокислот;

- аминокислоты - 6 - 10% преимущественно представлены нерасщепляемой дрожжами пирролидонкарбоновой кислотой. Поэтому по азотному составу барду нельзя считать полноценной средой;

- сухие вещества на 1/3 состоят из зольных соединений. К₂О 36 - 55%, Na₂О - 6,5 - 7,5%;

- остальные элементы содержатся в небольшом количестве в пределах 0,1 - 0,5%;

- микроэлементы (мг% к СВ): Mg 0.3 - 9.0; Ni - 0,6 - 1,9; Ti - 0,3 - 5,9; Cu - 0,3 - 18,3; V - 0,3 - 6,0; Co - 0,06 - 0,64; Ba - 0,3 - 12,7; Mo, Cr, Pb, Ag, - 0,03 - 0,02.

Практическое значение имеют те вещества, которые усваиваются дрожжами рода Candida, эти вещества имеются в барде в тех или иных количествах - моно- и дисахара, карбоновые кислоты и оксикислоты, спирты, аминокислоты, глюкозиды, органические и неорганические азотистые соединения, соли калия, магния, фосфора и железа, микроэлементы, витамины.

Мелассная барда является благоприятной средой для развития дрожжей и дрожжеподобных грибов. В биологическом отношении барда - пригодный продукт для развития многих микроорганизмов, что является основой для использования её как сырья в производстве кормовых дрожжей.

Недостатком барды является низкое содержание в ней фосфора и высокое содержание зольных элементов и других неусвояемых дрожжами веществ. Высокая концентрация сухих веществ барды обуславливает повышенное осмотическое давление, тормозящее жизнедеятельность дрожжей. Поэтому дрожжи на ней размножаются медленнее, чем на сахарных средах.

Наличие аминокислот в барде благоприятствует не только развитию дрожжей, но и посторонней бактериальной микрофлоры. В связи с этим переработка барды имеет свои отличительные особенности, связанные с предупреждением инфекции и борьбы с ней.

Спиртовая барда

Спиртовая барда являются дешевым, широко распространенным кормовым сырьем, рациональное использование которого дает возможность не только увеличить объемы применения недорогих кормов, но и снизить дефицит кормового протеина в рационах сельскохозяйственных животных и птицы.

Одним из наиболее эффективных методов использования отходов этих производств является их переработка с целью приготовления сухих кормовых добавок.

Их применение взамен части концентрированных кормов значительно повышает эффективность откорма скота и птицы [4].

Необходимым мероприятием, направленным на повышение биологической ценности рационов с включением в них барды, является повышение белковой ценности отходов путем биоферментации с использованием универсальной закваски Леснова [3].

При ферментационной переработке барды, предшествующей её сушке и гранулированию, содержащиеся в ней жиры, клетчатка и безазотистые экстрактивные вещества (при наличии дополнительных источников азота), включая несброженные сахара и крахмал, которые составляют до 60% сухого вещества барды, трансформируются в белковую биомассу. В результате, содержание белка в такой ферментированной барде возрастает в два раза. Это обстоятельство позволяет практически вдвое увеличить белковую ценность продукта из барды, и соответственно, увеличить её коммерческую стоимость. Кроме того, решается экологическая проблема по размещению отходов этих производств [3].

Такая технология используется на животноводческих фермах для повышения белковой ценности малоценных растительных кормов в Краснодарском крае, Нижегородской, Оренбургской области, Башкортостане и других регионах. Институтом ГНУ ГОСНИТИ внедряется технология и разработано оборудование для производства кормового белка на основе твердофазной ферментации зерновых и растительных отходов, включая барду, пивную дробину и другие продукты переработки зерна.

Применение таких комплектов оборудования разной мощности, входящих в состав линий для переработки барды на спиртовых заводах позволяет увеличивать не только кормовую базу, прежде всего свиноводства и птицеводства, но и резко поднять рентабельность производства комбикормов и кормовых добавок из отходов данного производства, в том числе и в сухом виде.

В целях снижения энергоемкости процесса высушивания и гранулирования барды как ферментированной, так и нативной, необходимо предусматривать снижение её первоначальной влажности путем смешивания с отходами мельничного производства (отрубями, мучной пылью). Это позволит при получаемой влажности смеси порядка 50 - 60% снизить энергозатраты на сушку в 2 - 2,5 раза.

Новизна данной технологии в том, что предлагается применять твердофазную ферментацию с применением универсальной закваски Леснова (ТУ 07-98), которая является альтернативой применения кормовых дрожжей и традиционных ферментов [5].

Причем технология биоферментации будучи несложной и недорогой, является экологически чистой, так как не имеет вредных выбросов в биосферу. Необходимо отметить, что микрофлора самой закваски вносимая в сырье угнетает и в итоге подавляет всю патогенную микрофлору в процессе биоферментации, в связи с чем пастеризация готового продукта не требуется.

Отходы лесной промышленности

В получении белка посредством микробиологического синтеза в качестве сырья могут использоваться отходы лесопиления и деревообработки, а также низкокачественная стволовая древесина, непригодная для механической переработки.

Отходами производства называются остатки сырья, материалов и полуфабрикатов, образующиеся в процессе производстве основной продукции и утратившие частично или полностью свою потребительную стоимость [3]. кормовой белок дрожжи микробиологический синтез

К кусковым отходам лесопиления и деревообработки относятся горбыли, рейки, отрезки бревен и пиломатериалов. Рейки получаются при обрезке и раскрое пиломатериалов по ширине, отрезки ? при поперечном раскрое. К мягким отходам относятся опилки, стружка и шлифовальная древесная пыль. К отходам лесозаготовок, образующимся на лесосеках, верхнем и нижнем складах, относятся малоценная древесина, отходы кроны, а также пни и корни.

При современных объемах лесозаготовок и переработки древесины ежегодно образуется около 100 млн. м³ отходов древесины. Используется ежегодно 30 млн. м³ древесных отходов. На распиловку направляется более 30% от общего количества заготовляемой деловой древесины. Общий выход отходов в деревообработке зависит от породы, сортности, размеров и влажности пиломатериалов, характера готовых изделий и равен 20 - 85% от объема пиломатериалов [5].

Кормовые дрожжи при использовании в качестве сырья отходов лесной и целлюлозной промышленности вырабатываются на специализированных гидролизно-дрожжевых заводах производственной мощностью 5 - 60 тысяч тонн дрожжей в год, а также на заводах спиртодрожжевого, фурфурольно-дрожжевого и ксилитно-дрожжевого профилей.

На предприятиях дрожжевого, ксилитного и фурфурольного профиля в качестве сырья, помимо древесины, используют растительные отходы переработки сельскохозяйственного сырья, к которым относят в основном отходы предприятий пищевой промышленности: хлопковую шелуху и лузгу семян подсолнечника ? отходы масложировых комбинатов; стержни початков кукурузы, рисовую и гречневую лузгу ? отходы крахмалопаточных и крупяных предприятий и другие виды сырья.

При химической переработке растительного сырья методом гидролиза основное значение имеет углеводный состав сырья. С этой точки зрения различают два вида сырья: древесину хвойных пород и пентозансодержащее сырье. К пентозансодержещему сырью относят: древесину лиственных пород, отходы ее механической переработки и одубину ? отход получения дубильных экстрактов; растительные отходы переработки сельскохозяйственного сырья; дикорастущие растения; малоразложившийся торф [3]. древесина хвойных пород. Гемицеллюлозы древесины хвойных пород в основном состоят из галактоглюкоманнанов и арабиноглюкуроноксиланов, в то время как для древесины лиственных пород характерны глюкуроноксиланы. По суммарному содержанию углеводов древесина хвойных и лиственных пород примерно равноценна. Теоретически возможный выход моносахаридов при гидролизе составляет 66 - 72% от абсолютно сухой древесины. На гидролизно-дрожжевых заводах применимо любое сырье. Это связано с утилизацией аспорогенными дрожжами как гексозных, так и пентозных сахаров гидролизата.

В практических условиях на переработку поступают отходы со значительным количеством коры, отличающейся пониженным содержанием полисахаридов. Общее содержание полисахаридов в технологической щепе и древесных опилках составляет 55-65%, в связи с чем выход целевых продуктов гидролиза из технического сырья всегда ниже, чем из окоренной древесины соответствующих пород.

Значительная часть древесины лиственных пород, поступающей на гидролиз, поражена гнилью. С увеличением степени деструкции древесины содержание полисахаридов падает. При гидролизе частично деструктированной древесины отмечено не только снижение выхода общих РВ, но также повышенное содержание в гидролизате редуцирующих веществ неуглеводного строения. Пониженным содержанием полисахаридов отличается тонкомерная древесина лиственных пород от рубок ухода и лесосечные отходы [1].

Для гидролизного производства важное значение имеет показатель активной зольности, который обычно выражают количеством серной кислоты, взаимодействующей с минеральными компонентами сырья. Зольность древесного сырья обычно составляет 0,2 - 0,5%, в связи с чем дополнительный расход серной кислоты при гидролизе древесного сырья обычно в 2 - 3 раза ниже, чем при гидролизе растительных отходов сельскохозяйственного производства.

На скорость процессов гидролиза, на состав промежуточных и конечных продуктов влияет не только химический состав сырья, но и его физическая структура, плотность, гранулометрический состав [2].

Культивирование дрожжей на парафинах

Давно было замечено, что некоторые плесневые грибы хорошо развиваются на нефти. Плесенью бывают покрыты днища нефтяных баков, оборудование нефтеочистительных заводов; плесень растет на почвах, пропитанных нефтью и даже под асфальтом дорог. В 1952 году немецкий биолог Феликс Жует сообщил, что в его лаборатории удалось вырастить на нефти, точнее, на чистых углеводородах, принадлежащих к парафинам, другую культуру микроорганизмов - дрожжи.

В случае выращивания дрожжей на сахарах ферментационная среда обычно состоит из водного раствора углеводов, растворимых органических и минеральных веществ (содержащих азот, фосфор, калий), некоторых микроэлементов, а также витаминов, необходимых для роста. Через культуральную жидкость продувается воздух, чтобы обеспечить микроорганизмы кислородом и добиться постоянного перемешивания питательной среды. Температуру и кислотность в ферментере тщательно контролируют. Через определенные промежутки времени дрожжевые клетки отделяют с помощью центрифуги или фильтров. Отделенные дрожжи промывают, сушат и получают плотную массу, содержащую до 50% белка.

При выращивании дрожжей не на сахарах, а на нефти появляются некоторые трудности. Главная из них заключается в том, что углеводороды нерастворимы в воде. Приходится готовить суспензию из фракций нефти и воды, а чтобы капельки углеводородов были равномерно распределены в воде, суспензию приходится постоянно перемешивать. Эту операцию сравнительно легко проделывать в лабораторных условиях, но осуществить ее в промышленном масштабе - достаточно сложная задача.

Вторая трудность связана со снабжением дрожжей кислородом. В молекулах сахара содержится до 50% кислорода, в углеводородах же его нет совсем. Следовательно, микроорганизмы, выращиваемые на нефти, должны получать по крайней мере в три раза больше кислорода, чем те, которые растут на сахарных субстратах. Кроме того, в процессе роста дрожжи, развивающиеся на углеводородах, выделяют очень много тепла, и требуется мощная охладительная система, чтобы постоянно поддерживать нужную температуру среды.

И все-таки перечисленные трудности окупаются одним важным преимуществом. Поскольку весь кислород, необходимый растущим клеткам, поступает из воздуха, то потребление самого субстрата, «культуры» - соответственно снижается.

Выход дрожжевой биомассы, выращенной на углеводородах, вдвое больше, чем на сахаре: при благоприятных условиях килограмм углеводородов дает килограмм дрожжей, тогда как килограмм сахара дает лишь полкилограмма дрожжей [6].

При определении оптимального углеводородного состава питательной среды выяснилось, что дрожжевые грибы плохо развиваются на смеси, содержащей различные классы углеводородов (парафины, изопарафины, нафтены и ароматические углеводороды). В настоящее время дрожжи обычно выращивают на газойле, который представляет собой промежуточную фракцию между керосином и смазочным маслом.

Тот факт, что микроорганизмы предпочитают именно такое питание, создает еще одно дополнительное преимущество. Ведь микроорганизмы, в основном, поедают парафины нормального ряда, иными словами, депарафинизируют газойль. Нефтепродукт, лишенный парафинов, имеет более низкую температуру замерзания и превращается в ценное незастывающее на холоду топливо для дизельных двигателей.

Белки, полученные путем выращивания дрожжей на нефти, почти ничем не отличаются от белков, синтезируемых организмами домашних животных и птицы, рыб и растений, а также от белков, полученных на сахарных средах. Белки из нефти богаты витаминами группы В, отличаются хорошим составом аминокислот - например, содержание лизина в них довольно высоко, что делает эти белки ценной добавкой к пище из зерна, бедной лизином. Опыты на животных показали, что организм усваивает от 85 до 90% всего попадающего в него «нефтяного» белка. Вообще говоря, нет никаких причин сомневаться в качестве белкового вещества, выращенного на нефти.

Первый в мире крупный завод кормовых дрожжей мощностью 70 000 тонн в год был пущен в 1973 году в СССР. В качестве сырья на нем использовали выделенные из нефти н-алканы и несколько видов дрожжей, способных к быстрому росту на углеводородах: Candida maltosa, Candida guilliermondii, Candida lipolytica. В дальнейшем именно отходы от переработки нефти служили главным сырьем для производства дрожжевого белка, которое быстро росло и к середине 80-х годов превысило 1 млн. т. в год, причем в СССР кормового белка получали вдвое больше, чем во всех остальных странах мира, вместе взятых.

Однако в последующем масштабы производства дрожжевого белка на углеводородах нефти резко сократились. Это произошло как в результате экономического кризиса 90-х годов, так и из-за целого ряда специфических проблем, с которыми связано это производство. Одна из них - необходимость очистки готового кормового продукта от остатков нефти, имеющих канцерогенные свойства [6].

Использование в качестве сырья этанола и метанола

Одним из перспективных источников углерода для культивирования продуцентов белка высокого качества считается метиловый спирт. Его можно получать методом микробного синтеза на таких субстратах, как древесина, солома, городские отходы [1].

Использование метанола в качестве субстрата затруднено из-за его химической структуры: молекула метанола содержит один атом углерода, тогда как синтез большинства органических соединений осуществляется через двухуглеродные молекулы.

На метаноле как на единственном источнике углерода и энергии способны расти около 25 видов дрожжей, в том числе Pichia polymorpha, Pichia anomala, Yarrowia lipolytica. Наилучшими продуцентами на этом субстрате считаются бактерии, потому что они могут расти на метаноле с добавлением минеральных солей. Процессы получения белка на метаноле достаточно экономичны.

По данным концерна Ай-Си-Ай (Великобритания), себестоимость продукта, производимого на метаноле, на 10-15% ниже, чем при аналогичном производстве, базирующемся на основе высокоочищенных n-парафинов. Высокобелковые продукты из метанола получают фирмы ряда развитых стран мира: Великобритании, Швеции, Германии, США, Италии. Продуцентами белка служат бактерии рода Methylomonas. Выращивание на метаноле метилотрофных бактерий, таких как Methylophilus methylotrophus, выгодно, так как они используют одноуглеродные соединения более эффективно. При росте на метаноле бактерии дают больше биомассы, чем дрожжи. Первая реакция окисления метанола у дрожжей катализируется оксидазой, а у метилотрофных прокариот - дегидрогеназой. Ведутся генно-инженерные работы по переносу гена метанолдегидрогеназы из бактерий в дрожжи. Это позволит объединить технологические преимущества дрожжей с эффективностью роста бактерий.

Использование этанола как субстрата снимает проблему очистки биомассы от аномальных продуктов обмена с нечетным числом углеродных атомов. Стоимость такого производства несколько выше. Биомассу на основе этанола производят в Чехословакии, Испании, Германии, Японии, США [1].

Природный и углекислый газы

В США, Японии, Канаде, ФРГ, Великобритании разработаны технологические процессы получения белка на природном газе. Выход биомассы в этом случае может составлять 66% от массы субстрата.

В разработанном в Великобритании процессе используется смешанная культура: бактерии Methylomonas, усваивающие метан, Hypomicrobium и Pseudomonas, усваивающие метанол, и два вида неметилотрофных бактерий. Культура характеризуется высокой скоростью роста и продуктивностью. Главные достоинства метана - доступность, относительно низкая стоимость, высокая эффективность преобразования в биомассу метаноокисляющими микроорганизмами, значительное содержание в биомассе белка, сбалансированного по аминокислотному составу. Бактерии, растущие на метане хорошо переносят кислую среду и высокие температуры, в связи с чем они устойчивы к фаговым инфекциям [7].

Субстратом для микробного синтеза может быть и минеральный углерод - углекислый газ. Окисленный углерод в данном случае с успехом восстанавливается микроводорослями при помощи солнечной энергии и водородоокисляющими бактериями при помощи водорода. На корм скоту используют суспензию водорослей. Для работы установок по выращиванию водорослей необходимы стабильные климатические условия - постоянные температуры воздуха и интенсивность солнечного света [7].

Молочная сыворотка

Лактоза молочной сыворотки может служить источником энергии для многих видов микроорганизмов, сырьем для производства продуктов микробного синтеза (органических кислот, ферментов, спиртов, витаминов) и белковой биомассы. Из всех известных микроорганизмов самым высоким коэффициентом конверсии белка сыворотки в микробный белок обладают дрожжи. Способность к ассимиляции лактозы имеется примерно у 20% всех известных видов дрожжей. Гораздо реже встречаются дрожжи, сбраживающие лактозу. Активный катаболизм лактозы особенно характерен для дрожжей из рода Kluyveromyces. Эти дрожжи можно использовать для получения на молочной сыворотке кормового белка, этанола, препаратов в-глюкозидазы.

Впервые дрожжи на молочной сыворотке стали выращивать в Германии. В качестве продуцентов применяли различные штаммы сахаромицетов. Разработаны способы получения микробных продуктов, основанные на использовании лактозы как монокультурой, так и смесью дрожжей и бактерий. В настоящее время в качестве продуцентов используют дрожжи родов Candida, Trichosporon, Torulopsis. Молочная сыворотка с выросшими в ней дрожжами по биологической ценности значительно превосходит исходное сырье и её можно использовать в качестве заменителя молока [7].

2.3 Другие микроорганизмы-продуценты белка

Важную группу продуцентов белка составляют грибы. Они привлекают внимание исследователей благодаря способности утилизировать самое разнообразное по составу органическое сырье: мелассу, молочную сыворотку, сок растений и корнеплодов, лигнин- и целлюлозосодержащие твердые отходы пищевой, деревообрабатывающей, гидролизной промышленности. Грибной мицелий богат белковыми веществами, которые по содержанию незаменимых аминокислот ближе всего к белкам сои. Вместе с тем белок грибов богат лизином, основной аминокислотой, недостающей в белке зерновых культур. Это позволяет на основе зерна и грибной биомассы составлять сбалансированные пищевые и кормовые смеси. Грибные белки имеют достаточно высокую биологическую ценность и хорошо усваиваются организмом [6].

Положительным фактором является и волокнистое строение выращенной культуры. Это позволяет имитировать текстуру мяса, а с помощью различных добавок - его цвет и запах. Хранят грибной мицелий обычно в замороженном виде.

В качестве субстрата грибами используются глюкоза и другие питательные вещества, а общим источником азота служат аммиак и аммонийные соли. После завершения стадии ферментации культуру подвергают термообработке для уменьшения содержания рибонуклеиновой кислоты, а затем отделяют мицелий методом вакуумного фильтрования.

Ценные кормовые средства с помощью грибов из рода Chaetomium можно получать из древесных отходов. Канадским ученым удалось выделить штамм, способный быстро разлагать клетчатку древесины на простые сахара, и обогащать ее протеинами и другими важными для питания животных соединениями. Предварительно размолотая древесина после переработки ее грибом по своим кормовым достоинствам не уступает сену среднего качества. Помимо действующего опытного завода, в Канаде разработана модель установки, которую можно быстро демонтировать и перевозить к целлюлозно-бумажному предприятию или в любое другое место, где находится древесное сырье для производства корма.

Мощный потенциальный источник белка представляют силикатные бактерии. Они способны извлекать кремний из песка и горных пород, чтобы использовать его в жизненном цикле. Свою биомассу бактерии синтезируют, усваивая углерод и азот из атмосферы, а фосфор и кремний - из соответствующих минералов.

Силикатные бактерии отличаются высокой устойчивостью к неблагоприятным условиям среды, сохраняют жизнеспособность при нахождении в жидком азоте, то есть при -196°С, выдерживают нагревание до + 160°С, длительное прямое солнечное облучение. Такая жизнестойкость, очевидно, обеспечила их существование, когда на Земле еще не было органических источников питания.

В их биомассе содержится 65% белка, состоящего из 17 аминокислот, 18 минеральных элементов, целая система ферментов. Использование биомассы силикатных бактерий как корма в животноводстве впервые в мире было осуществлено в бывшем СССР. Значительное увеличение продуктивности и снижение расхода зерна, молока и других дефицитных кормов достигается за счет добавки к рациону 2 раза в сутки всего 0,15 - 0,5 г биомассы силикатных бактерий на 1 кг массы животного. Продукты биосинтеза бактерий эффективно стимулируют иммунную систему животных. Основная роль в этом принадлежит полисахаридам, входящим в состав их биомассы. Введение данных веществ в организм животных повышает активность лейкоцитов и усиливает бактерицидные свойства крови. Животные становятся устойчивыми к различным заболеваниям [7].

Кроме того, силикатные бактерии способны синтезировать слизь, которая состоит из полисахаридов (95%) и белка (5%) и обладает удивительной смазывающей способностью. Ее можно использовать либо непосредственно как смазочный материал, либо для получения антифрикционных присадок. Биосинтезированные присадки существенно улучшают смазывающие способности таких широко распространенных в технике жидкостей, как глицерин, этанол, этиленгликоль и др. Очень важно и то, что они уменьшают износ трущихся деталей. Технология приготовления таких присадок достаточно проста и не требует дорогостоящего оборудования.

Ценную биомассу, богатую белком (до 50%) с хорошим аминокислотным составом, можно получить из неорганического сырья в промышленном масштабе, выращивая водородоокисляющие бактерии (бактерии живут за счет окисления водорода).

Сибирские биофизики создали опытную установку производительностью 10 кг в сутки для выращивания водородоокисляющих бактерий (среднее время удвоения биомассы - 1 - 1,5 часа). Испытания кормов в производственных условиях показали, что биомассой водородоокисляющих бактерий можно заменить до 30% традиционных белков животного происхождения в рационах цыплят-бройлеров, кур-несушек, поросят, норок, голубых песцов. Опытная установка, в которой "работают" водородоокисляющие бактерии, недавно начала действовать в Винницкой области на Лодыжинском заводе ферментных препаратов.

Интерес к водородоокисляющим бактериям объясняется рядом физиологических особенностей, делающих их весьма перспективным источником белка будущего. Выращивание бактерий на неорганических соединениях дает возможность наладить их производство там, где имеются источник электроэнергии, вода и углекислый газ, получаемый от любого теплотехнического сооружения. Значит - практически везде.

Получен штамм водородоокисляющих бактерий (Alkaligenes eutrophus - Z-1), особенно перспективный для производства высокоценного кормового белка. При достаточной концентрации кислорода, водорода и углекислоты в питательной среде, где выращиваются бактерии, общее содержание белков в биомассе составляет 75%, они включают все незаменимые аминокислоты. Кроме того, в биомассе бактерий содержатся водорастворимые витамины (тиамин, рибофлавин, никотиновая и пантотеновая кислоты, пиридоксин, биотин). По их содержанию водородоокисляющие бактерии превосходят зерна пшеницы - основной источник этой группы: витаминов для человека. По биологическим характеристикам продукция сельскохозяйственных животных, которых кормили биомассой А. eutrophus (мясо, сало, яйца), не отличалась от продукции контрольных животных.

Высокой питательной ценностью характеризуется биомасса метанотрофных бактерий, которые используют метан в качестве источника энергии и углерода. Таким образом, метан, как и водород, - перспективное природное сырье для получения белка путем микробиологического синтеза. Ученые Института биохимии и физиологии микроорганизмов АН СССР исследовали аминокислотный состав белка, выделенного из клеток чистых культур разных видов метанотрофных бактерий (Methylomonas metanica, Metilobacter bovis, Metilocystis minimus и др.), и сравнили его с аминокислотным составом белка двух видов дрожжей (Candida bodenii и Candida lipolitica), а также рыбной и соевой мукой. Оказалось, что количество белка в клетках метанотрофов составляет от 37 до 58 % веса сухой биомассы, что сравнимо с количеством белка в биомассе дрожжей, выращенных на парафинах.

Незаменимых аминокислот в белке метанотрофов в основном столько же или больше, чем в рыбной и соевой муке.

Шведскими учеными разработана технология получения протеина из метилового спирта. В ее основе лежит микробиологический процесс культивирования бактерий из рода Pseudomonas. В сухом веществе получаемого бактериального препарата норт-протеин содержится до 80% сырого протеина. Им можно полностью заменять соевый шрот в комбикормах для скота. Болгарские ученые на экспериментальной птицефабрике заменили 20 - 25% протеина соевого шрота бактериальным препаратом. Масса цыплят и эффективность использования ими корма были практически такими же, как и в контрольной группе бройлеров.

Приведенный перечень микроорганизмов и процессов получения белка одноклеточных не является исчерпывающим. Однако потенциал этой новой отрасли производства используется далеко не полностью. Кроме того, мы еще не знаем всех возможностей деятельности микроорганизмов в качестве продуцентов белка, но по мере углубления наших знаний, они будут расширены [7].

2.4 Стадии получения кормовых дрожжей

Для выращивания кормовых дрожжей необходимо получить биологически доброкачественные субстраты, что осуществляется в ходе технологического процесса подготовки гидролизатов и других сред к биохимической подготовке. Эта подготовка состоит в инверсии декстринов и олигосахаридов до моносахаридов, нейтрализация избыточной кислотности, осветления, очистки, охлаждения до оптимальной температуры и освобождения от вредных веществ, неблагоприятно отражающихся на размножении и росте дрожжей [3].

Необходимо отметить ряд особенностей подготовки субстратов к выращиванию кормовых дрожжей: обогащение среды фосфором, азотом и калием, подача аммиачной воды в дрожжерастильные чаны для поддержания pH среды, более глубокое охлаждение, подбор микроорганизмов и получение чистой культуры, разбавление сусла до оптимальной концентрации редуцирующих веществ, подготовка и очистка воздуха. Для нормальной жизнедеятельности дрожжей и интенсивного биосинтеза белка субстрат должен содержать кроме гексозных и пентозных сахаров также азот, фосфор, калий и микроэлементы.

Для выращивания кормовых дрожжей необходимо подбирать культуры микроорганизмов, дающих в оптимальных условиях максимальный выход дрожжевой массы, синтезирующих многие витамины и другие биологически активные вещества, устойчивых к вреднодействующим веществам гидролизной среды, способных полностью использовать все ее питательные вещества. В дрожжевой промышленности ведется работа по отбору из производственных сред новых культур, обладающих полезными свойствами. После размножения в стерильных условиях продуктивные культуры внедряют в производство. Для стабильного удерживания в дрожжерастильных аппаратах урожайной культуры дрожжей применяется подсев чистой культуры, выращиваемой в специальном отделении. Чистая культура ? это дрожжи, не содержащие посторонних примесей. Приготовление чистой культуры заключается в постепенном культивировании дрожжей по особому режиму, в стерильных условиях, начиная от небольшого числа клеток в лабораторной пробирке и кончая большим количеством дрожжей в дрожжерастильных аппаратах. Аппараты, в которых происходит выращивание чистой культуры, снабжены воздухораспределительной системой, змеевиками для пологрева или охлаждения питательной среды и барботерами для пропарки [5].

На скорость накопления биомассы дрожжей большое влияние оказывает концентрация РВ в субстрате. В промышленных условиях при содержании РВ выше 1,-2,0% происходит неполная их утилизация и выращивание дрожжей идет медленно. Целесообразнее разбавлять сусло последрожжевой бражкой с целью более глубокого использования пентозных сахаров, минеральных солей, повышения выхода товарных дрожжей, экономии свежей воды и сокращения объема сточных вод. Процесс выращивания кормовых дрожжей осуществляется при энергичном потреблении кислорода, это процесс аэробный. Количество потребляемого кислорода достигает 80% от получаемого сухого вещества. Так как дрожжи усваивают только мелкодиспергированный, растворенный в жидкой среде кислород, количество его должно быть достаточно для нормального размножения и роста дрожжей. Поэтому с целью получения максимальных выходов биомассы выращивание дрожжей ведется при непрерывном и интенсивном продувании среды воздухом [1].

На скорость прироста дрожжей влияет также перемешивание окружающей среды. Хорошее перемешивание способствует диспергированию и растворению кислорода, ускорению проникновения его и питательных веществ в дрожжевые клетки, а также удалению продуктов их обмена. В дрожжерастильных аппаратах устанавливают разнообразные вохдухораспределительные системы: барботажную, систему с механическими средствами распыления и турбоаэрационную, эрлифтную, вибрационную.

Барботажная система воздухораспределения основана на принципе распыления воздуха в начале ввода его в среду.

Однако уменьшение сечения отверстий для воздуха и увеличение их количества, а также применение пористых материалов привело к значительному увеличению мощности электродвигателей воздуходувных машин. Барботажная система не обеспечивает досиаточного диспергирования воздуха и интенсивного перемешивания среды, что приводит к неравномерному распределению дрожжей по высоте аппарата и снижению выхода биомассы.

Для усиления диспергирования воздуха в жидкости применяют ситемы с механическим или турбоаэрационным распылением воздуха. Измельчение крупных пузырьков воздуха в жидкости осуществляется с помощью различных вращающихся приспособлений. Однако даже применение многоярусных мешальных устройств с большим числом оборотов не обеспечивает нужной вертикальной циркуляции жидкости и воздуха.

Одной из лучших воздухораспределительных систем является эрлифтная. При этой системе воздухораспределения давление воздуха не теряется при вводе в дрожжерастильный аппарат, а используется для создания циркуляционных потоков, выравнивающих концентрацию воздуха, дрожжей, питательных веществ по всей высоте и объему аппарата. При этом неиспользованный воздух увлекается нисходящим потоком, что приводит к снижению расхода воздуха на выращивание дрожжей. Применяется также вибрационная система воздухораспределени. Преимущество этой системы состоит в том, что под влиянием выращивающегося под давлением воздуха вибрирующая пластинка производит колебательные движения, дающие наибольший эффект контактирования воздуха со средой [3].

Также применяются дрожжерастильные чаны с системой шайбового воздухораспределения в основном для выращивания дрожжей на послеспиртовой барде. Недостатком работы чанов на этой конструкции является неполное использование емкости вследствие образования мертвой зоны под шайбой, недостаточная диспергация воздуха, низкий коэффициент использования кислорода воздуха, значительный расход электроэнергии на приведение во вращение шайбовых устройств.

Одной из эффективных конструкций дрожжерастильных аппаратов является аппарат системы ВНИИгидролиза высокой производительности с вибрационно-рассредоточенной системой воздухораспредления и встроенным флотатором. В этом аппарате происходит одновременно непрерывный процесс накопления биомассы и отделение дрожжевой суспензии методом флотации.

Воздух, подаваемый в дрожжерастильные аппараты, должен быть максимально чистым и не зараженным посторонними микроорганизмами. Для освобождения воздуха от механических примесей на всасывающей линии ставят жалюзийные решетки ли фильтры, в которых происходит обеспыливание [8].

По техническим условиям, товарные кормовые дрожжи должны быть получены в сухом виде с содержанием 8-10% влаги. Для этого дрожжевую суспензию, отбираемую из дрожжерастильных чанов, сгущают, выпаривают и высушивают. Наиболее рациональным способом сгущения дрожжевой суспензии является флотирование и сепарирование. Флотационный способ основан на способности дрожжевых клеток концентрироваться в пене при продувании среды воздухом, т.е. флотироваться в пену из жидкости. Жидкость при этом обедняется дрожжами. Флотаторы применяются для сгущения дрожжевой суспензии вместо сепараторов первой группы. Флотационный метод выделения дрожжей имеет ряд преимуществ по сравнению с сепарационным: сокращается количество дорогостоящих сепараторов, следовательно и капиталовложения, сокращаются эксплуатационные расходы на ремонт сепараторов, затраты электроэнергии, надежно обеспечивается непрерывный процесс выделения дрожжей из бражки; дрожжи, получаемые способом флотирования, имеют более высокие показатели по содержанию белка, по вкусу, цвету и зольности. Извлечение дрожжей из бражки и концентрирование их происходит во флотаторе.

Для улучшения качества кормовых дрожжей по вкусу, цвету и содержанию в них белка дрожжевую суспензию промывают водой при помощи водоструйного насоса эжектора, который устанавливается между двумя группами сепараторов [3].

Для снижения расхода пара на сушку дрожжей концентрация сгущенной на сепараторах дрожжевой суспензии может быть повышена на вакуум-фильтрах. На вакуум-фильтрах дрожжевая суспензия сгущается до 20-22% сухих веществ. Более производительным, простым и удобным является способ упаривания дрожжевой суспензии в системе выпарных аппаратов. Однако перед поступлением в вакуум-выпарной аппарат дрожжевой концентрат поступает в плазмолизатор для снижения пенообразования в испарителях выпарных аппаратов, а также для исключения образования сгустков дрожжей, которые отрицательно влияют на процесс упаривания, где нагревается глухим паром с последующим выдерживанием с целью гомогенизации суспензии. При плазмолизе также обеспечивается подавление жизнедеятельности вегетативных клеток микробной биомассы.

В качестве плазмолизаторов используют преимущественно теплообменники труба в трубе. Плазмолиз и дегазация стабилизируют процесс вакуум-выпарки дрожжевой суспензии в связи с уменьшением пенообразования в сепарационной камере выпарного аппарата и снижением способности дрожжей к агломерации с образованием комков и осадков.

Наибольшее распространение получила двухкорпусная вакуум-выпарная установка, работающая по непрерывному способу с принудительной циркуляцией. Принцип работы выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией обеспечивает лучшие условия и большие скорости циркуляции упариваемой жидкости, а следовательно, и более высокий коэффициент теплопередачи. Установка состоит из выпарных аппаратов с выносными трубчатыми подогревателями, испарителей, связанных между собой соединительной и циркуляционной трубами, барометрического конденсатора, вакуум-насоса для создания вакуума в выпарной системе и насосов для принудительной циркуляции дрожжевой суспензии. Аппараты с выносными подогревателями легкодоступны для чистки или ремонта.

Для получения сухих дрожжей, пригодных к длительному хранению и перевозкам, применяются различные способы сушки. На заводах малой производительности, работающих преимущественно на спиртовой барде, используются вальцовые сушилки с испарительной способностью до 1 т влаги в час. На заводах большой мощности применяются более производительные распылительные сушилки с испарительной способностью от 4 до 15 т влаги в час. Сушка дрожжевого концентрата должна происходить в условиях, в которых не разрушались бы содержащиеся в дрожжевых клетках аминокислоты, витамины и другие ценные вещества [1].

Дрожжи, высушенные на вальцовых сушилках, имеют вид тонких, хрупких, полупрозрачных листочков желтого или коричневого цвета. В таком виде они имеют небольшую объемную массу, что затрудняет их упаковку. Поэтому сухие дрожжи подают в мельницу, измельчающую их до состояния муки. Недостатком вальцовых сушилок является также то, что дрожжи в процессе сушки на поверхности барабана подвергаются действию температуры 150-160 0С, что приводит к частичному разложению белка, аминокислот и витаминов. В производстве кормовых дрожжей наибольшее распространение получили распылительные сушилки. Процесс сушки основан на тонком распылении дрожжевого концентрата в камере, заполненной горячим воздухом. Мелкие капли дрожжевого концентрата в этих условиях быстро высыхают и в виде светло-желтого порошка падают на дно сушилки.