Проектирование цеха по получению кормового дрожжевого белка

В некоторых сушилках дрожжевой концентрат распыляется при помощи форсунок. В распылительных сушилках белок и аминокислоты лучше сохраняются от термического разложения, и выход белка возрастает на 5% по сравнению с выходом пи сушке на вальцовых сушилках.

Для упаковки сухих кормовых дрожжей применяют клапанные или открытые бумажные мешки. Открытые мешки после загрузки зашивают на строчной машине или завязывают, а для клапанных эта операция исключается. В бумажные мешки загружают 20-30 кг дрожжей [5].

В настоящее время большое внимание уделяется вопросу витаминизации кормовых дрожжей, так как эффективность их применения в сельском хозяйстве зависит от содержания не только белка, но и витаминов. Основным способом обогащения их витамином D2 в производственных условиях является облучение живых дрожжей ультрафиолетовыми лучами перед сушкой. Благодаря облучению содержащийся в дрожжах провитамин эргостерин превращается в витамин D2. Облучение происходит в витаминизаторах или облучателях различной конструкции через стенки кварцевых трубок, по которым циркулирует дрожжевая суспензия, или прямым воздействием на дрожжи ультрафиолетовых лучей [1].

2.5 Методы 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.

Существует большое разнообразие методов и технологических приемов гидролиза растительного сырья, что связано со значительным числом факторов, влияющих на кинетику процесса. На скорость реакции гидролитического расщепления гликозидных связей полисахаридов и реальный выход моносахаридов оказывают влияние химическая микрокинетика и макрокинетические факторы , которые связаны с технологической характеристикой сырья, с техническими приемами гидролиза и конструкцией оборудования [3].

Из кинетических факторов на процесс гидролиза основное влияние оказывают реакционная способность и агрегатное состояние полисахаридов, активность и концентрация катализатора и температура процесса.

При гидролизе растительного сырья разбавленными кислотами процесс гидролиза легкогидролизуемых полисахаридов начинается в гетерогенных условиях и завершается в гомогенных. Гидролиз трудногидролизуемых полисахаридов протекает в гетерогенных условиях, хотя при этом не удается определить границу раздела фаз из-за проникновения раствора катализатора в субмикроскопическую структуру клеточных стенок растительного сырья. Повышение удельной поверхности растительного сырья в результате тонкого механического размола приводит к росту скорости гидролиза полисахаридов. Однако при таком размоле может происходить не только увеличение поверхности, но и активация полисахаридов путем нарушения их надмолекулярной структуры. Перевод полисахаридов в раствор повышает их реакционную способность.

При автогидролизе катализатором процесса является уксусная кислота, образующаяся в результате реакции деацетилирования гемицеллюлоз.

При классификации методов гидролиза по температуре выделен способ активации полисахаридов при замораживании (-10⁰С), низкотемпературный гидролиз (25 - 45⁰С) концентрированными кислотами, гидролиз разбавленными кислотами при повышенной температуре (100 - 190⁰С) и высокотемпературный гидролиз (200 - 250⁰С).

На практике с целью увеличения скорости процесса гидролиз растительного сырья проводят при повышенной температуре, т.е. используется термический метод подвода энергии и каталитической активации полисахаридов. Наряду с этим в стадии проработки находятся механохимический и радиационный методы повышения реакционной способности полисахаридов при гидролизе. Все промышленные режимы гидролиза осуществляются в неизотермических условиях.

В химической кинетике выделяют гомофазные и гетерофазные процессы. В гомофазных процессах все исходные, промежуточные и конечные вещества находятся в пределах одной фазы; в гетерофазных процессах компоненты образуют более чем одну фазу.

Из макрокинетических факторов на выход моносахаридов основное влияние оказывают диффузионные, гидродинамические и геометрические факторы, а также величина гидромодуля. Если кинетика процесса определяется скоростью диффузионного сближения реагентов, то реакция протекает в диффузионной области. В кинетической области скорость процесса определяется скоростью химических превращений реагирующих веществ. При гидролизе мелкодисперсного сырья скорость диффузионной пропитки гидролизуемых частиц раствором катализатора значительно выше скорости гидролиза. Размер частиц гидролизуемого сырья влияет как на гидродинамику перколяционного процесса, так и на диффузионные процессы выведения сахаров из зоны реакции [1].

Маломодульный гидролиз обычно поводят при величине гидромодуля по свободно удерживаемой влаге. К маломодульному можно отнести гидролиз при рабочем запасе жидкости, соответствующем уровню сырья. Перколяционный гидролиз проводят как при коротком гидромодуле (9 - 12), так и при высоком модуле (14 - 18).

Процесс гидролиза может проводиться в статических условиях или в потоке. Под статическими условиями в химической кинетике понимают такие условия, при которых отсутствует принудительный поток реагирующих веществ в заданных направлениях. Основные варианты процесса гидролиза проводятся в динамических условиях: перколяционный гидролиз в потоке раствора катализатора; непрерывный гидролиз в потоке твердой фазы и жидкой фазы.

На процесс вытеснения сахара большое влияние оказывает агрегатное состояние фазы между частицами гидролизуемого сырья. По этому признаку различают парофазный и жидкофазный процессы.

Химическая реакция гидролиза при этом протекает в толще гидролизуемых частиц и гидролизуемые полисахариды находятся в твердой фазе, а раствор катализатора ? в жидкой фазе.

В химической кинетике рассматривают замкнутые (закрытые) и незамкнутые (открытые) системы. В замкнутых системах возможен обмен энергией с окружающей средой, но не веществом. В эти системы во время реакции не проводится подача исходных веществ и выведение продуктов реакции. Примером замкнутой системы может служить одноступенчатый гидролиз в статических условиях.

Незамкнутые системы обмениваются с окружающей средой веществом и энергией. В незамкнутых системах в реактор подают реагенты или катализаторы либо выдают продукты реакции. К незамкнутым системам в зависимости от технических признаков можно отнести многоступенчатый, перколяционный и непрерывный методы гидролиза [5].

При одноступенчатом гидролизе загрузка сырья и раствора катализатора в реактор проводится до начала реакции, выгрузка всех продуктов реакции ? после полного завершения процесса. При многоступенчатом и перколяционном гидролизе сырье и раствор кислоты также загружаются в гидролизаппарат до начала реакции, но гидролизат из реактора отбирают до завершения процесса гидролиза.

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 (2.1)

где 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.

При периодической загрузке сырья в гидролизаппарат производится многократное повторение цикла: загрузка сырья - гидролиз - выгрузка твердого остатка. Для повышения производительности основного технологического оборудования и стабилизации параметров процесса более предпочтительны непрерывная подача сырья в гидролизаппарат и непрерывная выдача твердого остатка.

На выход моносахаридов при перколяционном гидролизе влияет продолжительность их пребывания в зоне реакции, которая в свою очередь зависит от скорости выдачи гидролизата. Изменяя конструкции устройств для подачи раствора катализатора и выдачи гидролизата, обеспечивают направление жидкостных потоков в вертикальном или горизонтальном направлении. Более благоприятные гидродинамические условия обеспечивает перколяция с восходящим током жидкости.

Технологические параметры гидролиза растительного сырья разбавленными кислотами в значительной степени зависят от реакционной способности гидролизуемых полисахаридов и вида целевой продукции [8].

В двухстадийных режимах перколяционного гидролиза боле полно учитывается различие в реакционной способности гемицеллюлоз и целлюлозы. По двухстадийным режимам проводится раздельная выдача гемицеллюлозного гидролизата или фурфуролсодержащих паров и гексозного гидролизата.

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 минут. 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 в виду, 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. 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.

В настоящее время в промышленных условиях на предприятиях дрожжевого профиля применяют методы гетерогенно-гомогеного жидкофазного высокомодульного одно- и двухстадийного перколяционного гидролиза растительного сырья разбавленной минеральной кислотой в аппаратах периодического действия [3].

2.6 Оптимальные условия культивирования кормовых дрожжей на

мелассной барде

Основным критерием при сравнении и отборе той или иной культуры для данной среды является скорость её роста и способность ассимилировать все питательные вещества с высоким экономическим коэффициентом. От этого зависит производительность предприятия, расход электроэнергии и другие технико - экономические показатели производства. Сахара присутствуют в мелассной барде совсем в небольших количествах и на выход дрожжей практически не влияют. Поэтому надо отдать предпочтение тем дрожжам, которые ассимилировали бы карбоновые кислоты, оксикислоты и глицерин, содержащийся в барде.

Наибольший выход биомассы дают Candida utilis С-1 и Candida tropicalis СК-4, что послужило основанием к применению их отдельно и в смеси прии производстве кормовых дрожжей на мелассной барде. Опасность вытеснения их другими культурами исключается, так как в мелассной барде достаточно ростовых веществ.

В благоприятных условиях время генерации при культивировании на мелассной среде 2,5 - 3,0 часа, что объясняется наличием в барде трудноусвояемых и ингибирующих веществ. При периодическом культивировании продолжительность одной генерации в период интенсивного размножения составила 4 часа, поэтому длительность пребывания среды в аппарате при непрерывном культивировании должна быть не менее 8 - 10 часов.

Процесс выращивания при такой длительности следует вести при очень интенсивной аэрации, чтобы кислород не лимитировал быстрого размножения.

Скорость размножения и выход биомассы находятся в зависимости от концентрации барды. С разбавлением барды увеличивается выход дрожжей. Разбавленная барда менее вязкая и меньше пенится, кроме того требуется меньше воды на промывку дрожжевой суспензии. Кроме того, в этом случае возможно сокращение времени периодического культивирования (на 1/3 если разбавление идет водой в соотношении 1:1).

Но разбавление невозможно, если предполагается последующее выпаривание последрожжевой барды. Но из концентрированной барды можно получить такой же выход как из разбавленной, но при большей интенсивности аэрации или проведением процесса в 2 стадии. Если для интенсивной аэрации нет условий, тогда целесообразно разбавлять барду для повышения производительности аппаратов.

Активная кислотность мелассной барды соответствует рН 5,5 - 5,8. в процессе выращивания дрожжей потребляются органические кислоты, вследствие чего среда подщелачивается тем сильнее, чем интенсивнее рост клеток. Для поддержания рн на оптимальном уровне необходимо пользоваться соляной или серной кислотой [7].

Высокий выход биомассы наблюдается при рН 5,0 - 5,5. Однако при непрерывном культивировании в производственных условиях происходит быстрое нарастание инфекции, кроме того усиливается вспенивание дрожжевой бражки, что зарудняет сепарирование, поэтому приходится поддерживать рН среды на уровне 4,0 - 4,2.

При замедленном росте культуры из-за несовершенной аэрации и наличия в барде трудноусвояемых источников углерода, во избежание развития инфекции эффективнее вести процесс при рН 3,5 - 3,8.

Оптимальной температурой для выращивания дрожжей на мелассной барде надо считать 32 - 33^оС. Более высокая температура процесса, хотя и уменьшает расход воды на охлаждение, но из-за пониженного выхода дрожжей не может быть рекомндована, тем более что при этом усиливается развитие инфицирующей микрофлоры, сильно подавляющей рост дрожжей.

Рекомендованный расход воздуха на аэрацию составляет 55 - 60 м³/ч. Это соответствует 20 - 25 м³ воздуха на 1 кг введенных в аппарат углеродсодержащих питательных веществ [7].

3. Технологическая схема выращивания кормовых 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 могут быть разделены на биохимические, механические и тепловые.

3.1 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 - ферментером. 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.

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 растворенных веществ 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 растворенных веществ. 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 суток. 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.

3.2.1 Аэрация

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 (3.1)

где 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 абсолютно сухой биомассы.

Диспергирование воздуха в жидкости, на которой выращиваются дрожжи, может быть осуществлено различными путями, в соответствии 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.

3.2.2 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 растворенных веществ 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 растворенных веществ в нем до 1 - 1,8%.

Для достижения максимального выхода кормовых дрожжей из гидролизата, имеющего повышенное содержание растворенных веществ (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.

3.2.3 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.

3.2.4 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.

3.2.5 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.

3.2.6 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 редуцирующих веществ меньше, чем из такого же количества глюкозы. К определяемым в растворе редуцирующим веществам 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 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.

3.3 Варианты технологических схем выращивания дрожжей

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.

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 в этом 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.

Вышеописанные схемы работы дрожжерастильных аппаратов приемлемы для работы на разбавленных сахаросодержащих растворах. Для работы на растворах с более высоким содержанием растворенных веществ эти схемы менее пригодны, так как дают повышенные недоброды. Существуют два варианта решения проблемы: первый - вести разбавление сусла отработанной дрожжевой бражкой, возвращаемой после флотаторов и сепараторов в процесс в необходимом количестве; второй - вести выращивание дрожжей на неразбавленном гидролизате в две ступени.

Трудности в применении первого способа заключаются в следующем: постепенное накопление в процессе выращивания дрожжей продуктов разложения; возможность заражения культивируемых дрожжей нежелательными посторонними микроорганизмами; дополнительное охлаждение бражки. Однако при этом резко сокращается расход свежей воды на производство.

Технологическая схема выращивания дрожжей на сусле с высокой концентрацией растворенных веществ заключается в том, что процесс выращивания разделяется на две ступени: первая - выращивание в условиях высоких концентраций растворенных веществ, вторая - в условиях низких концентраций. Дрожжи, выращенные на первой ступени, полностью отделяются от жидкости, прежде чем освобожденная от дрожжей жидкость поступит на повторное использование.

3.4 Выделение биомассы дрожжей из отработанной среды и

концентрирование ее до товарной продукции

Товарные кормовые дрожжи должны быть получены в сухом виде с содержанием не более 10% влаги. Следовательно, всю влагу, содержащуюся в готовой бражке с дрожжами, после выхода ее из дрожжерастильного аппарата необходимо удалить.

С увеличением концентрации биомассы дрожжей в готовой бражке резко снижаются удельные затраты на удаление излишней влаги. Известны различные способы выделения биомассы дрожжей из готовой бражки, но основными, широко известными являются механические и теплотехнические.

К механическим способам относится фильтрация, отстаивание, центрифугирование, сепарирование, разделение на гидроциклонах.

К теплотехническим можно отнести выпаривание и сушку.

Путем экономической и технической оценки разных способов удаления влаги из биомассы дрожжей выделили наиболее целесообразный технологический вариант: осуществляются последовательно флотирование, сепарирование, выпаривание и сушка.

Для получения кормовых дрожжей высокого качества в схему удаления влаги на флотаторах и сепараторах включена обязательная операция - промывка дрожжей. При этом отмывается почти вся отработанная среда, в которой росли дрожжи.

3.4.1 Флотирование дрожжей и деэмульгирование готовой бражки с

дрожжами

Флотационный способ выделения дрожжей имеет перед сепарационным целый ряд преимуществ: значительно сокращается количество дорогостоящих сепараторов, сокращаются расходы на эксплуатацию, затраты на электроэнергию. Представляется возможным более надежно обеспечить непрерывный процесс выделения дрожжей из бражки; дрожжи, получаемые методом флотирования, имеют более высокие качественные показатели по содержанию белка, зольности, по вкусу и цвету; процесс выделения дрожжей становится полностью непрерывным.

На флотационную способность биомассы влияют раса внедренных в производство дрожжей, их размер и ветвистость. Большое значение имеет конструкция флотатора. Степень концентрирования дрожжей флотационным способом называют коэффициентом флотирования. Обычно этот коэффициент колеблется от 3 до 4, иногда доходит до 6.

Флотаторы предназначены для разделения готовой бражки методом флотации на две части: дрожжевую суспензию и отработанную жидкость. При разделении происходит концентрирование дрожжей. Имеющиеся в промышленности флотаторы выполнены в нескольких вариантах: цилиндрические, конические, одноступенчатые с внутренним стаканом, двухступенчатые.

Одним из самых распространенных аппаратов для флотирования дрожжей является флотатор одноступенчатый пятисекционный. Как показала практика, в одну ступень невозможно выделить из суспензии все дрожжи без потерь. Для более глубокого выделения дрожжей из жидкости применяют двухступенчатое исчерпывание дрожжей или концентрирование дрожжей методом флотирования.

По одной из схем дополнительное исчерпывание дрожжей осуществляется на флотаторе II ступени, конструктивно аналогичным флотатору I ступени. Однако в связи с различием начальных концентраций флотатор IIступени должен несколько отличаться. После I ступени флотирования вместо спуска в канализацию отработанная жидкость центробежным насосом перекачивается в кольцевое пространство флотатора II ступени. Для усиления флотационной способности целесообразно во всасывающую линию насоса давать небольшой подсос воздуха из атмосферы. Концентрации дрожжей в отдельных точках примерно следующие:

- в готовой бражке, поступающей из дрожжерастильного аппарата, - 30 г/л;

- в дрожжевой суспензии после флотирования на I ступени - 90 - 120 г/л;

- в отработанной жидкости после I ступени флотирования, подавемой на II ступень флотирования, - 2 - 3 г/л;

- в дрожжевой суспензии после флотирования на II ступени - 8 - 10 г/л;

- в отработанной жидкости после II ступени флотирования - 0,2 - 0,3 г/л.

Возможна иная схема флотирования и сепарации, которая отличается от описанной выше тем, что здесь в две ступени подвергается флотированию не жидкостная часть, а дрожжевая. Поэтому на I ступени флотирования предполагается осуществить максимально глубокое исчерпывание дрожжей с получением при этом более разбавленной дрожжевой суспензии. Концентрации дрожжевой суспензии по этому варианту флотирования будут примерно следующими:

- в готовой бражке из дрожжерастильного аппарата - 30 г/л;

- в дрожжевой суспензии после флотирования на I ступени - 60 г/л;

- в отработанной жидкости после I ступени флотирования - 0,3 - 0,5 г/л;

- в дрожжевой суспензии после флотирования на II ступени - 120 г/л;

- в отработанной жидкости после II ступени флотирования - 3 - 4 г/л.

Дрожжевая суспензия из флотаторов подается на сепарацию. По мере продвижения по трубам сгущенной дрожжевой суспензии из нее выделяется воздух. Для частичного отвода воздуха из труб перед центробежными насосами устанавливают газоотделители, представляющие собой искусственный расширитель потока дрожжевой суспензии. В результате расширения свободного потока уменьшается скорость жидкости, это способствует выделению воздуха, который отводится через верхний штуцер в атмосферу.

Деэмульгирование по технологическому значению является процессом, обратным флотации. Когда готовая бражка находится в состоянии дисперсности с воздухом, принимают меры для разрушения дисперсности и превращения бражки в жидкое состояние, пригодное для нормальной перекачки и сепарирования. Это достигается тремя наиболее широко известными доступными средствами: химическими, механическими и естественным способами.

К механическому способу разрушения пены относят использование вращающегося диски и колеса, а также подачу воды или отработанной жидкости на орошение пены.

К химическим средствам гашения пены относят олеиновую кислоту, рыбий жир, технические жиры и другие средства.

Естественный способ гашения рассчитан на самоосаждение и является, как правило, весьма длительным, так как некоторые виды пены весьма стойки.

3.4.2 Сепарирование и промывка дрожжей

На степень извлечения дрожжей из бражки влияет размер дрожжевой клетки. Поэтому на одних и тех же сепараторах нельзя получить одинаковый эффект при сепарировании дрожжей различных рас, имеющих разные размеры клеток. До некоторой степени на эффективность сепарирования влияют удельный вес и вязкость бражки, с повышением которых скорость выделения дрожжей снижается.

Общая продолжительность пребывания дрожжевой бражки в барабане сепаратора составляет 2 - 5 секунд. Степень сгущения дрожжей, создаваемого сепаратором, зависит от соотношения объемов отработанной бражки и дрожжевого концентрата. Это соотношение регулируется изменением числа и сечения установленных в корпусе барабана дрожжевых мундштуков. При нормальной работе объем дрожжевого концентрата обычно составляет 10 - 15% от объема бражки. При уменьшении числа рабочих мундштуков увеличивается концентрация сгущенной суспензии, а также соответственно количеству заглушенных отверстий уменьшается производительность.

Степень сгущения дрожжей на сепараторах в значительной степени зависит от начальной концентрации дрожжей в бражке. При низком содержании дрожжей в бражке (10 - 15 г/л) можно достичь степени сгущения, или коэффициента сепарирования, равной 10. Если требуется сгустить дрожжи до более высокой концентрации, то полученную дрожжевую суспензию необходимо подвергнуть повторному сепарированию.

Дрожжевая суспензия из дрожжерастильного аппарата поступает с концентрацией биомассы дрожжей 20 - 40 г/л. На сепараторах можно сгустить биомассу дрожжей до 600 - 650 г/л. Такой степени сгущения без предварительного флотирования можно достичь лишь в несколько стадий.

Существует несколько схем сгущения. Основные причины, влияющие на выбор той или иной схемы, следующие: концентрация веществ в сусле и соответственно концентрация дрожжей в суспензии; возможность осуществления флотации перед сепарированием; качество сусла; возможность промывки дрожжей при помощи водоструйных насосов или баков; сепарирование без промывки.

1. Схема сепарирования дрожжей, полученных от переработки разбавленной водой и отработанной бражкой гидролизата, с флотацией и промывкой дрожжей на водоструйном насосе.

Дрожжевая суспензия, поступающая на сепарирование после флотации, частично сгущена до 60 - 120 г/л биомассы дрожжей. Такой большой предел колебаний концентрации в суспензии является следствием выращивания дрожжей на средах с различным содержанием сахара. Дрожжевую суспензию в данном случае сгущают на двух группах сепараторов. На I группу сепараторов поступает частично сгущенная суспензия. Если при сгущении на флотаторе для промывки и гашения пены подавалась вода, то дрожжевая суспензия, поступающая на I группу сепараторов, будет снова частично разбавлена. Отработанную промывную воду со II группы сепараторов возвращают для снижения потерь дрожжей, уносимых с водой. Дрожжевая суспензия, разбавленная после флотации до концентрации биомассы 40 - 50 г/л, пройдя сепараторы I группы, вновь сгущается до 250 - 300 г/л. После I группы сепараторов дрожжевую суспензию необходимо промыть водой и подать на II группу сепараторов для дальнейшего сгущения. Качество промывки дрожжей зависит от соотношения количества промывной воды и дрожжевой суспензии. Это отношения называют кратностью промывки. По нормам технологического проектирования кратность промывки принимают равной 3. Сконцентрированные на II группе сепараторов дрожжи собираются в сборнике и из него откачиваются насосом на упаривание или непосредственно на сушку.

2. Схема сепарирования дрожжей без промывки. По этой схеме дрожжевая суспензия, пройдя флотатор, разделяется. Отработанная бражка выводится из флотатора и направляется в канализацию или на упаривание. Дрожжевая суспензия через сборник поступает для дальнейшего повышения концентрации на I группу сепараторов. Предполагается, что при нормальном режиме работы концентрация дрожжевой суспензии после I группы сепараторов будет 350 - 400 г/л. Для окончательного концентрирования дрожжевая суспензия направляется на II группу сепараторов. Перед этим дрожжевую суспензию в сборнике разбавляют отработанной бражкой для поддержания необходимой концентрации дрожжей.