Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы и постановка задач исследования 7
1.1 Использование углеводсодержащего сырья и отходов его переработки для получения кормовых белковых продуктов 7
1.2 Предварительная подготовка растительного сырья для культивирования микроорганизмов 18
1.3. Микроорганизмы - продуценты кормового белка на углеводных средах растительного происхождения 32
1.4. Биотрансформация растительного сырья 35
1.5. Концентрирование и выделение готового продукта 64
1.6. Замкнутый цикл водоиспользования 77
1.7. Анализ литературных данных и постановка задач исследования 84
1.8. Материалы и методы исследований 91
Глава 2. Исследование фильтрационного выделения микроорганизмов в малоэнергоемком процессе получения белкового кормового продукта при переработке растительного сырья 114
2.1. Исследование зависимости фильтруемости биосуспензий от физико-химических и технологических параметров процесса 114
2.2. Разработка и испытание технологии и аппаратуры для фильтрационного разделения биосуспензий 132
Глава 3. Разработка экологически эффективной технологии получения белкового кормового продукта на основе гетерофазной глубинной ферментации растительного сырья 144
3.1. Влияние термореагентной обработки сырья на разделяемость выращенных биосуспензий 144
3.2. Подбор промышленных штаммов и условий культивирования, обеспечивающих максимальную фильтруемость дрожжевых суспензий 163
3.3. Разработка оптимальных вариантов процессов культивирования с рециркуляцией фильтрата 186
Глава 4. Разработка гибких технологий переработки растительного сырья 218
4.1. Разработка и опытно-промышленные испытания технологии получения РУБК при переработке растительного сырья 218
4.2. Разработка технологии комплексной переработки топинамбура с получением инулина 235
4.3. Разработка технологий комплексной переработки отходов крахмалопаточной и сахароперерабатывающей промышленности 243
Глава 5. Сравнительная характеристика технико-экономических и экологических показателей выполненных разработок 251
Выводы 267
Список литературы 270
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 302
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 310
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 318
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 326
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 333
ПРИЛОЖЕНИЕ 6 342
ПРИЛОЖЕНИЕ 7 355
- Использование углеводсодержащего сырья и отходов его переработки для получения кормовых белковых продуктов
- Исследование зависимости фильтруемости биосуспензий от физико-химических и технологических параметров процесса
- Влияние термореагентной обработки сырья на разделяемость выращенных биосуспензий
Введение к работе
Создание рентабельного производства требует оптимизации как отдельных компонентов производственно-коммерческого цикла, так и мобилизации всего ресурсного потенциала. В условиях рыночной экономики конкурентоспособным может быть только гибкое, динамичное производственное предприятие, которое быстро адаптируется к изменяющимся условиям рыночной среды и спроса на его продукцию.
Одной из важнейших задач прикладной биотехнологии является создание препаратов для сельскохозяйственного производства, обеспечивающих расширение кормовой базы, биологическую защиту растений и животных от болезней, восстанавливающих и повышающих плодородие почвы и не наносящих при этом ощутимого ущерба природе.
Актуальная проблема животноводства во всем мире - несбалансиро- %, ванность белков в растительных кормах по аминокислотному составу. Уве личение рациона в этом случае не способствует повышению усвояемости корма и его питательности, а себестоимость продукции при этом возрастает.
За рубежом основные разработки в области микробного синтеза ориентированы на повышение продуктивности продуцентов аминокислот, увеличение степени концентрирования и очистки препарата, максимальное извлечение целевого продукта из культуральной жидкости, на получение препаратов в кристаллическом виде, создание производства широкого спектра биопродукции.
В нашей стране проблема белкового дефицита решалась путем создания крупнотоннажного производства кормовых дрожжей на углеводородном и растительном сырье. Однако, технико-экономический анализ крупнотоннажных производств, ориентированных на выпуск кормовых дрожжей на основе целлюлозосодержащего сырья, и мировая биотехнологическая практика показывают, что повышение рентабельности этих производств возможно только при переходе на комплексный вариант переработки сырья, в том числе вторичного, и получаемой биомассы с выпуском продуктов фармацевтического, пищевого и кормового назначения при одновременном сокращении отходов за счет создания малоотходных технологических процессов.
Опыт крупнотоннажного биотехнологического производства свидетельствует, что его структура зависит от конкретных условий и определяется, в основном, сырьевой базой. Применительно к отечественному кормовому производству, в новых экономических условиях, это означает необходимость создания новых видов продукции путем биоконверсии относительно дешевого возобновляемого углеводсодержащего растительного сырья или растительных отходов сельского хозяйства и промышленности. Целесообразно также создание унифицированных блочно-модульных производств, способных быстро переходить с одного вида сырья на другое. Перспективны разработки технологии и оборудования для получения продукта в гранулированной форме, стандартизированного по основным показателям, а также получение широкого спектра веществ медицинского и производственно-технического назначения, в частности, продуктов белковой, нуклеотидной и липидной природы на основе дрожжевой биомассы.
Расширение кормовой базы для сельскохозяйственных животных может быть частично осуществлено за счет новых видов продуктов, получаемых на основе кормовых гидролизных дрожжей и путем биоконверсии растительного сырья. Научные разработки в гидролизном производстве наряду с развитием дрожжевого производства на новой технологической основе предусматривают создание кормовых добавок, обогащенных незаменимыми аминокислотами, витаминами, углеводами и минеральными веществами. Реализация этих научных разработок может позволить гидролизным предприятиям в кратчайший срок перейти из разряда убыточных в прибыльные.
Основным фактором, сдерживающим биотехнологическую переработку углеводсодержащего растительного сырья с получением белковых про 6
дуктов, является невысокая рентабельность этих производств, обусловленная недостатками подготовки сырья (низкая технологичность узла кислотного гидролиза, образование большого количества отходов, в т.ч. лигнина), высокими энергозатратами, низким выходом целевого продукта, образованием большого количества стоков, особенно на стадиях его выделения и, как следствие, низкой экологичностью всего процесса. Эта проблема может быть преодолена при решении задачи максимального использования исходного сырья по ресурсосберегающей экологически целесообразной технологии, что развивает направление исследований научной школы академика РАМН В.А. Быкова по переработке растительного сырья, большая часть которых выполнена на кафедре биотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева под руководством проф. М.Н. Манакова. В этих работах, в частности, было показано, что проведение глубинного культивирования дрожжей в присутствии неути-лизируемой твердой фазы (лигнин, целлолигнин) позволяет в определенных условиях повысить фильтруемость микробных суспензий. В этом случае по-лучаемый продукт представляет собой растительный углеводно-белковый корм (РУБК), содержащий помимо дрожжевого белка, неутилизируемый дрожжами лигнин или целлолигнин, наличие которых улучшает усвоение кормов и перистальтику кишечника животных
Поэтому применительно к проблеме получения белковых продуктов, необходимых для успешного развития животноводства, птицеводства и других отраслей народного хозяйства на новой основе, актуальным является дальнейшее развитие технологий биоконверсии углеводсодержащего растительного сырья, направленных на повышение их эффективности и экологической безопасности.
Использование углеводсодержащего сырья и отходов его переработки для получения кормовых белковых продуктов
Важнейшей проблемой жизнеобеспечения человека, решаемой с помощью биотехнологии, является получение сбалансированных кормов для животноводства путем введения в них микробного белка [126, 166]. Вклад биотехнологии в обеспечение кормами сельскохозяйственных животных осуществляется в основном за счет микробиологической конверсии отходов пищевых производств, сельскохозяйственных отходов, отходов деревообрабатывающей промышленности [290]. Если в 1980 году объем мирового производства белка одноклеточных для кормовых целей составил 43,1 млн. т, то к 2005 году прогнозируется получение более 120 млн. т белка одноклеточных для кормовых целей [67].
Интенсификация сельского хозяйства и освоение ресурсов Мирового океана остаются основными направлениями в развитии пищевых и кормовых запасов, но путь этот длительный и требующий значительных капиталовложений. Корма растительного происхождения составляют основу рационов всех видов сельскохозяйственных животных и птицы, а несбалансированность рационов по белку приводит к перерасходу кормов, усугубляя тем самым их дефицит [24].
Поэтому одной из важных задач промышленной биотехнологии является разработка эффективных и экологически чистых безопасных технологий получения микробного белка для снижения существующей несбалансированности кормовых рационов сельскохозяйственных животных и птицы [24, 165].
В условиях интенсивного ведения хозяйства важно не только обеспечить достаточное количество кормов, но и получать сбалансированные по аминокислотному составу корма с высоким содержанием в них белка.
Введение в состав растительных кормов дрожжевого белка существенным образом улучшает биологические качества и усвояемость рационов. Установлено, что одна тонна кормовых дрожжей, добавленных в корма, обеспечивает экономию 5+7 т зерна и дополнительное производство 0,8 т свинины, или 5 т мяса птицы в живом весе, или не менее 10+15 тыс. штук яиц. Включение в рацион телят и поросят тонны дрожжей заменяет 6 т цельного или около 1,5 т обезжиренного молока [254].
Дефицит белковых концентратов можно заметно уменьшить путем получения микробного белка, который по своему качеству, содержанию витаминов и микроэлементов значительно превосходит растительный. По биологической ценности белки микроорганизмов приравниваются к белкам животного происхождения [48, 126]. Белок актиномицетов и бактерий составляет основную часть сухого вещества клетки (55+75% от сухих веществ (СВ.). В клетках грибов примерно в 1,5 раза меньше белка - среднем 25+55%, в клет 9 ках дрожжей - 45- 55%. В то же время различные виды растительного сырья содержат значительно меньше содержания белка в сухой биомассе за исключением сои [72, 385].
Использование соевого шрота для балансирования кормов по белку вполне оправдано, но в Европе, включая Россию, это связано с необходимостью импортировать шрот с американского континента и таким образом перевозить большие массы на значительные расстояния.
Проблема изыскания новых источников белка кормового и пищевого достоинства выросла в настоящее время в одну из самых острых проблем, стоящих перед человечеством. Дефицит белка, равно как и его потребление, неуклонно растет. Прогнозы же специалистов в отношении обеспеченности белком за счет традиционных способов его производства далеко не оптимистичны.
Анализ земельных, энергетических и сельскохозяйственных ресурсов в сопоставлении с ростом населения показывает, что развитие только сельскохозяйственного производства не в состоянии решить эту проблему [226, 267, 280, 282]. В связи с этим последние 1СИ-20 лет большое внимание со стороны исследователей уделяется производству и использованию нетрадиционных белковых продуктов, полученных как в процессе микробилогического синтеза, так и при фракционировании зеленой массы растений.
Исследование зависимости фильтруемости биосуспензий от физико-химических и технологических параметров процесса
Процесс фильтрования большинства микробных суспензий, используемых при получении белка одноклеточных, протекает крайне медленно с низким коэффициентов осветления микробной суспензии.
Использование намывного слоя, а также внесение твердой фазы в ферментационную среду, только частично решает проблему повышения производительности процесса фильтрования. Глубинное культивирование дрожжей в присутствии неутилизируемой твердой фазы (лигнин, целлолигнин) позволяет только в определенных условиях получать хорошо фильтрующиеся микробные суспензии.
Поэтому основным направлением повышения эффективности и экологической безопасности процесса получения белоксодержащего кормового продукта как основы комплексного производства, является замена высокоэнергоемких стадий сепарации и выпаривания стадией фильтрования с использованием наиболее эффективных (ленточных, барабанных или камерных) фильтровальных установок.
При изучении эффективности процесса фильтрации для концентрирования дрожжевой суспензии после проведения глубинного гетерофазного культивирования на углеводных средах, содержащих измельченное углево-дсодержащее растительное сырье, были проведены эксперименты по подбору фильтрующего материала, влиянию значения рН исходной дрожжевой суспензии, времени ее термообработки, а также по измерению эффективности фильтрации в зависимости от возраста культуры.
Влияние условий культивирования на фильтруемость дрожжевых суспензий. Анализируя имеющиеся данные исследователей, а также результаты предварительных экспериментов по использованию в качестве исходного сырья при получении РУБК свеклы (кормовая, сахарная, полусахарная), отходов после выделения инулина из топинамбура, багассы сахарного тростника, послеспиртовой барды и некоторых других, был отмечен ряд общих закономерностей. Так, при выращивании кормовых дрожжей методом гетерофазного глубинного культивирования на средах на основе растительного сырья, содержащих твердую фазу, производительность фильтрования ферментационной среды находится в зависимости от вида используемого субстрата. Кроме того, максимально эффективные параметры фильтрования культуральной жидкости (КЖ) достигаются в конце логарифмической - начале стационарной фазы роста микроорганизмов (табл. 2.1-2.3).
В процессе экспериментов измеряли содержание редуцирующих веществ (РВ) в ферментационной среде, титр клеток (N) в суспензии и в фильтрате, степень пропускания клеток фильтром (П) и удельную скорость фильтрации (G) постферментациооных суспензий.
Влияние термореагентной обработки сырья на разделяемость выращенных биосуспензий
Использование фильтрации для выделения белкового кормового продукта создает основу для разработки высокоэффективной малоэнергоемкой технологии нового поколения, включающую стадию предварительной подготовки растительного сырья или отходов его переработки, глубинное гетеро-фазное культивирование микроорганизмов, стадию фильтрования постферментационной суспензии. Одновременно такая технология получения РУБК с экологической точки зрения требует решения проблемы утилизации большого количества фильтрата, содержащего остаточные концентрации субстратов, клеток микроорганизмов и внеклеточные продукты их метаболизма. Исследования данного раздела диссертации были нацелены на решение отмеченных вопросов в едином технологическом процессе.
Влияние термореагентной обработки сырья на разделяемость выращенных биосуспензий
Важной особенностью получения РУБК является стадия подготовки растительного сырья для повышения доступности углеводного субстрата используемым культурам микроорганизмов. В настоящее время предпочтение отдается использованию термической (или термореагентной) предобработки сырья.
Изучение стадии термореагентной обработки исходного растительного сырья включало в себя определение основных параметров (температура, рН, время воздействия) и оптимальных условий её проведения с учетом получения биологически доброкачественных, хорошо фильтрующихся суспензий с максимальным содержанием РВ.
Подготовка исходного растительного сырья для проведения глубинного гетерофазного культивирования дрожжей включала такие операции как мойка, измельчение, получение суспензии измельченных корнеплодов в воде или фильтрате - «пульпы», а также термообработку полученной «пульпы». В случае переработки промышленных отходов операции мойки и измельчения сырья проходят на основном производстве.
Наиболее перспективным и крупнотоннажным сырьем для получения РУБК является свекловичный жом и корнеплоды сахарной, кормовой и полусахарной свеклы, которые и были изучены на первом этапе работы.
Поскольку размер частиц является важным параметром, влияющим как на скорость процесса экстракции, так и на степень извлечения углеводов из твердой фазы, были рассмотрены различные варианты измельчение растительного сырья. Поскольку извлекаемый компонент содержится в растительных клетках, то процесс диффузии растворимого компонента через стенки клеток осуществляется за счет осмоса. Сверхтонкое измельчение в этом случае неэффективно, так как клетки слишком малы, поэтому обычно экстрагирование ведут из сравнительно крупных частиц при большем времени контакта [30, 238]. Сопротивление диффузии с межфазной поверхности в объем раствора в этом случае мало по сравнению с сопротивлением диффузии из твердой фазы, и концентрация на поверхности частицы может быть принята равной концентрации в объеме жидкой фазы.
На выход сахарозы из свекловичной стружки одновременно влияет ее качество, т.е. степень измельчения корнеплода, а также длительность процесса термообработки свекловичной пульпы.
Необходимо отметить, что при температуре выше 75С происходит набухание пектиновых веществ, а при рН больше 6,5 наблюдается резкое ускорение пептизации протопектина и, как следствие, увеличение вязкости свекловичной пульпы. Схематично баланс процесса извлечения сахарозы из стружки можно представить следующим образом:
