Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ СПИРТОВОЙ БАРДЫ 10
1.1 Спиртовая барда 11
1.2 Кормовые дрожжи 16
1.3 Использование смешанных культур микроорганизмов в производстве белковых кормовых препаратов 20
1.4 Сравнительный анализ технологий переработки спиртовой барды 23
1.5 Асептика производства и аэробные технологии культивирования дрожжей 27
1.6 Составы питательных сред для культивирования дрожжей 35
1.7 Физико-химические условия культивирования дрожжей 39
1.8 Направления совершенствования процессов производства кормовых дрожжей с использованием спиртовой барды 41
Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВЫРАЩИВАНИЯ БИОМАССЫ ДРОЖЖЕЙ ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ СПИРТОВОЙ БАРДЫ 43
2.1 Описание экспериментальных установок 43
2.1.1 Исследовательский комплекс на базе аппарата АК-210 43
2.1.2 Промышленная установка цеха сухих кормовых дрожжей Шумбутского спиртзавода 48
2.2 Основные компоненты питательных сред 50
2.3 Методы технохимического контроля процессов культивирования дрожжей 52
2.3.1 Определение морфологии и физиологического состояния клеток методом микроскопии 52
2.3.1.1. Оценка физиологического состояния клеток методом микроскопии 52
2.3.1.2. Определение количества живых клеток в камере Горяева.. 53
2.3.1.3. Определение количества мертвых клеток 54
2.3.2 Определение степени бактериальной инфекции 55
2.3.2.1. Определение бактериальной инфекции 55
2.3.2.2. Определение микробиологической чистоты дрожжевой культуры 55
2.3.3 Определение концентраций компонентов
культуральных жидкостей 56
2.3.3.1. Определение концентрации биомассы дрожжей методом
оптической плотности 56
2.3.3.2 Методика определения концентрации биомассы весовым способом 57
2.3.3.3 Определение содержания Сахаров по Бертрану 58
2.3.3.4 Титриметрический метод определения азота по Къельдалю 59
2.3.3.5 Определение содержания сырого протеина 60
2.3.3.6 Определение содержания истинного белка -
определение массовой доли белка по Барнштейну 60
2.4 Интенсификация процесса выращивания дрожжей Candida
tropicalis СК-4-1 в лабораторных и промышленных аппаратах
объемом до 6 м 61
2.4.1 Предварительная оценка эффектов, определяемых скоростью разбавления и потреблением источников азота 61
2.4.2 Оценка возможности интенсификации процесса за счет дополнительной сахаросодержащей подпитки 64
2.4.3 Выбор концентрации переносчика кислорода 65
2.5 Исследование процесса культивирования дрожжей
Candida tropicalis СК-4-1 в промышленных аппаратах объемом 16
и 325 м3 67
2.5.1 Способ расчета величины дыхательного коэффициента в условиях аппаратурного и приборного оформления промышленного участка посевной культуры 67
2.5.2 Анализ процесса культивирования дрожжей Candida tropicalis СК-4-1 в промышленных аппаратах объемом 16 и 325 м3. 69
2.6 Культивирование сахаромицетов в дрожжегенераторе объемом 16 м3 с использованием дополнительной сахаросодержащей подпитки 78
2.7 Промышленный эксперимент по применению смешанной культуры дрожжей в биореакторе объемом 325 м 83
Глава 3. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРОИЗВОДСТВА КОРМОВЫХ ДРОЖЖЕЙ 85
3.1 Расчет материального баланса по данным об объеме производства и составе потоков
3.2 Затраты минеральных компонентов питания 91
3.3 Материальный баланс базового, экспериментального и прогнозного вариантов процессов производства СКД 92
3.4 Обоснование изменений технологического регламента процесса производства СКД 3.5 Технико-экономическая оценка процесса производства СКД.. 104
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 111
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 113
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 132
ПРИЛОЖЕНИЕ 133
- Спиртовая барда
- Описание экспериментальных установок
- Расчет материального баланса по данным об объеме производства и составе потоков
Введение к работе
Свертывание крупнотоннажной промышленности кормовых концентратов дрожжей, существовавшей в СССР, создало заметный дефицит белковых компонентов, необходимых для кормопроизводства. Несбалансированность рационов для сельскохозяйственных животных по белку приводит к значительному перерасходу кормов на единицу получаемой продукции [1]. 1 т кормовых дрожжей позволяет сэкономить 5-7 т зерна [2]. По имеющимся оценкам годовая потребность животноводства в Российской Федерации в кормовых дрожжах составляет 3-4 миллиона тонн. Фактическое производство ниже на порядок [3]. Промышленное получение кормовых дрожжей привлекательно и потому, что не требует посевных площадей, не зависит от климатических условий и может быть осуществлено в непрерывном режиме [3]. Наиболее экономически и экологически обоснованным решением является производство кормовых концентратов дрожжей на основе вторичных материалов (отходов) производств переработки сельскохозяйственной продукции и, в частности, спиртового производства.
В настоящее время существующие производства кормовых препаратов на основе спиртовой барды остаются одними из основных поставщиков белковых кормовых добавок. Однако они действуют при спиртовых предприятиях относительно малой мощности и потому характеризуются низкой рентабельностью. Невысокие технико-экономические показатели цехов кормовых дрожжей при спиртовых заводах обусловлены также высоким разбросом параметров используемого сырья и отходов спиртового производства, повышенными удельными энергозатратами на стадии сушки. Поэтому является крайне актуальным поиск способов повышения производительности цехов сухих кормовых дрожжей. При этом желательно достижение указанной цели на базе использования существующего оборудования, средств управления, имеющихся на спиртовом производстве
штаммов микроорганизмов и компонентов питательных сред. Решение такой задачи предполагает использование дополнительных количеств питательных сред, поскольку увеличение объема спиртовой барды практически невозможно без реконструкции основного производства. Резервы мощности установок по приготовлению сусла, имеющиеся практически на каждом спиртзаводе, позволяют обеспечить наработку дополнительных количеств питательных сред и за счет этого увеличить мощность цехов переработки барды. Поэтому для современной биотехнологии наряду с разработкой новых перспективных процессов получения белковых препаратов актуальной является проблема совершенствования уже существующих технологий [4].
Мировой опыт крупнотоннажного биотехнологического производства свидетельствует, что его структура зависит от конкретных условий и определяется, в основном, сырьевой базой. С точки зрения экономики, сырье в биотехнологических производствах, особенно в крупнотоннажных, занимает первое место в статьях расходов и составляет до 40 % - 65 % общей стоимости продукции. В производствах кормовых дрожжей стоимость сырья достигает 60 %, энергоносителей - 10 %. Структура себестоимости представлена на рис.0.1 [5, 6].
Если же в качестве сырья используется спиртовая барда и кулыуральная жидкость целиком упаривается и высушивается, то это соотношение меняется. Так, на Шумбутском спиртзаводе доля сырья в себестоимости продукции составляет - 16 %, а энергоносителей - 43 %, что связано с невысокой стоимостью барды и высокой удельной энергозатратностью процесса сушки (см. рис.0.2).
Вследствие определяющей роли энергоносителей повышение производительности цеха СКД при росте концентрации биомассы дрожжей в культуральной жидкости должно благоприятно отразиться на величине удельных расходов энергии и привести к снижению себестоимости продукции.
Структура себестоимости производства кормовых дрожжей
Рис.0.1 - Структура себестоимости производства кормовых дрожжей: 1 - сырье, 2 - энергоносители, 3 - амортизационные отчисления и прочие
затраты, 4 - заработная плата
Структура себестоимости
производства СКД на основе
спиртовой барды
Рис.0.2 - Структура себестоимости производства
сухих кормовых дрожжей на основе спиртовой барды
(обозначения идентичны рис 0.1)
Спиртовая барда является сложным по составу субстратом [7, 8,9].
Повышение эффективности процесса за счет обогащения барды дополнительными компонентами еще больше увеличивает разнообразие компонентов питательной среды. Поэтому использование монокультур микроорганизмов в производстве кормовых добавок на основе спиртовой барды не достаточно оптимально, микробные сообщества способны более полно утилизировать органические вещества сложных субстратов. Они усваивают более широкий спектр компонентов сложных сред, уменьшая остаточные концентрации компонентов культуральной жидкости и загрязненность производственных стоков, обеспечивают более высокую стабильность процесса при колебаниях режимных параметров и позволяют получать продукцию более стабильного состава. Поиск и применение устойчивого консорциума микроорганизмов путем регулирования условий культивирования и засевных доз разных видов микроорганизмов.обеспечит производство кормовых препаратов с заданными свойствами и повысит его технико-экономические характеристики.
Таким образом, представляется перспективной и актуальной разработка подходов к усовершенствованию действующей на сегодня в спиртовой отрасли технологии производства кормовых дрожжей с максимальной утилизацией растворимых сухих веществ питательной среды за счет использования смешанной культуры дрожжей, выбора соответствующих диапазонов режимных параметров технологического процесса и способов интенсификации массообменных процессов без реконструкции основного технологического оборудования.
Отработка подходов к решению данной задачи была выполнена при непосредственном участии автора в цехе СКД Шумбутского спиртового завода (Республика Татарстан, Мамадышский район).
Работа выполнялась в соответствии с межрегиональными научно-техническими программами «Биотехнология» (1996 - 1997 г.г.), «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям» (2003 - 2004
9 г.г.), хозяйственным договором «Отработка промышленного технологического регламента выращивания кормовых дрожжей с использованием переносчика кислорода» с ГУП «ПО Татспиртпром» (2003 -2004 г. г.).
Автор выражает глубокую признательность за помощь в выполнении экспериментальной работы сотрудникам Казанского технологического государственного университета проф. Емельянову В.М., доцентам Владимировой И.С. и Филипповой Н.К.
Спиртовая барда
Проблема утилизации спиртовой барды актуальна практически для всех стран, где осуществляется производство спирта [15]. Однако, для отечественных предприятий решение этой проблемы особенно актуально в связи с резким ужесточением экологических требований к производителям спирта и с учетом упущенной выгоды из-за отсутствия переработки отходов при дефиците кормовых продуктов [16].
В системе АПК наибольшее воздействие на окружающую среду оказывают предприятия спиртовой промышленности, высокий уровень водопотребления обусловливает и большой объем жидких отходов спиртового производства [17]. В процессе производства 1 декалитра этилового спирта образуется 0,12 - 0,15 м послеспиртовой барды [18]. В настоящее время на российских предприятиях по производству спирта в качестве отходов ежегодно получают около 60 млн. тонн барды [19].
По своему составу послеспиртовая барда является хорошей питательной средой для выращивания микроорганизмов. Состав барды находится в зависимости от состава перерабатываемого сырья, степени сброженности сусла, особенностей физиологии и биохимии микроорганизмов-продуцентов спирта, параметров технологического процесса, аппаратурного оснащения производства и т.д. [17, 20].
В свежей барде содержатся белки, клетчатка, гемицеллюлоза, зольные вещества, жиры, моно- и дисахариды, карбоновые кислоты, спирты, аминокислоты, органические и неорганические азотистые соединения, соли калия, магния, железа, микроэлементы и витамины [21], что позволяет использовать барду в качестве жидкой кормовой добавки [6, 7]. По кормовым достоинствам 1 дал зерновой барды эквивалентен 0.8-0.9 кормовым единицам [22].
До настоящего времени на подавляющем большинстве спиртовых заводов применяются устаревшие технологии, обеспечивающие переработку крахмала, содержащегося в зерне в количестве до 53 %, в этиловый спирт пищевого достоинства. Оставшаяся послеспиртовая жидкая барда обладает питательной ценностью, ведь в ней остается весь белок зерна практически в неизмененном виде [7,12,19,23]. Барда содержит в своем составе от 5 до 9 % сухих веществ, состоящих из нерастворимых частиц сырья и дрожжей, растворимые компоненты, из которых около половины составляют углеводы: пентозы и полисахариды (декстрины, крахмал, целлюлоза). Среди усваиваемых микроорганизмами форм углерода в наибольшем количестве в барде присутствуют карбоновые кислоты и редуцирующие вещества [21, 24]. Она содержит различные источники углерода: сбраживаемые углеводы 0,15-0,5 %, несбраживаемые углеводы 2 - 3,5% (пентозы, пентозаны, клетчатка) [20]. Сухое вещество барды содержит примерно 28 % сырого протеина, в котором до 40% особо ценных для скота байпасных белков [13], около 12,5 % клетчатки, 35 % безазотистых экстрактивных веществ, 4,9 % сырого жира, 2 % зольных элементов [25, 26]. Состав грубого фильтрата барды приведен в таблице 1.1 [8]. Поэтому после охлаждения барда быстро обсеменяется посторонней микрофлорой и становится непригодной для использования в кормовых целях.
Описание экспериментальных установок
Упрощенная схема реализации промышленного эксперимента показана на рис. 2.6. Культивирование дрожжей осуществлялось с последовательным пересевом по стадиям: качал очная колба объемом 1 л - аппарат модернизированной лабораторной установки АК-210 (Pi) - малый аппарат чистой культуры (Рг) - большой аппарат чистой культуры (Р3) -дрожжегенератор (Р4) - дрожжерастильный аппарат (Р5).
Дрожжерастильный аппарат представляет собой биореактор барботажного типа с геометрическим объемом 325 м3. ДРА снабжен диффузором для обеспечения перемешивания за счет эрлифта. Подача воздуха осуществляется воздуходувкой, регулирование расхода -приблизительное по величине задаваемого тока в цепи питания электропривода воздуходувки.
В стандартном режиме работы коэффициент заполнения составляет 0,3; рабочий объем 97,5 -100 м3. Рабочая температура 37-38 С.
Удельная скорость протока 0,085 - 0,95 ч"1. РВ в выходном потоке в пределах 0,08-0,04 %.
Предусмотрен входной контроль потока барды: каждые 3 часа анализируется содержание азота, РВ, РСВ, ОСВ.
Для приема и выдачи барды использовалась емкость Сь
В аппараты малого объема барда подавалась без предварительного охлаждения с небольшим расходом таким образом, чтобы системы охлаждения биореакторов справлялись с дополнительной тепловой нагрузкой и температура не отклонялась более, чем на 2 С от регламентной на время, не превышающее 20 минут. В дрожжерастильный аппарат, система теплосъема которого и так перегружена, барда подавалась через дополнительный теплообменник типа «труба в трубе» - Т]. Дозированная подача растворов минеральных компонентов осуществлялась из емкостей С2 и Сз с визуальным контролем уровня в водомерных трубках. Доосахаренное сусло подавалось из автоцистерны С5. Отбор культуральнои жидкости осуществлялся в плазмолизаторы Рб и Р7, соединенные в батарею. Перемешивание культуральнои жидкости в плазмолизаторах осуществлялось непрерывно турбинными шестилопастными мешалками. Плазмолизат направлялся в выдерживатель С4 и далее в распылительную сушилку.
Составы сред, параметры процессов, режимы культивирования приведены в соответствующих разделах диссертации.
Для эпизодического анализа состава отработанного воздуха на выходе промышленных биореакторов Р4 и Р5 использовались газоанализаторы лабораторной установки.
Расчет материального баланса по данным об объеме производства и составе потоков
При проведении промышленных экспериментов часто возникает потребность выполнения полного балансового расчета. Например, когда фиксация технологического эффекта (прироста производительности) происходит в условиях нестабильности базового показателя (расхода или состава питательной среды) и требуется пересчитать эффект относительно величины скорости протока, принятой за базовое значение.
Однако в условиях производства не обязательно имеются все необходимые средства измерения. Поэтому встает задача поиска дополнительных соотношений, которые могли бы быть использованы в балансовых расчетах таким образом, чтобы снизить число экспериментально фиксируемых параметров.
Такая задача возникла при оценке эффективности подпиток дрожжерастильного аппарата цеха сухих кормовых дрожжей Шумбутского спиртзавода суспензией сахаромицетов, дополнительно выращиваемой в отъемно-доливном режиме в дрожжегенераторе объемом 16 м с применением сахаросодержащей среды [157]. В качестве второй культуры ассоциации были выбраны спиртовые дрожжи, имеющиеся на базовом производстве спиртзавода, а в качестве дополнительной среды в промышленном эксперименте использовалось имеющееся сусло, которое при последующей промышленной реализации такого процесса планировалось заменить гидролизатами или ферментолизатами относительно дешевых отходов.
Процесс выращивания дрожжей Candida tropicalis СК-4-1 с подпитками культуральной жидкостью, содержащей сахаромицеты -Saccharomyces cerevisiae 1986 (таблица 3.1), осуществляемыми каждые 8 часов, был реализован в течение двух суток. Учитывая, что эффект от использования дополнительной КЖ, содержащей переносчик кислорода, дополнительные количества белка и не утилизированных Сахаров, солей и других компонентов питания, может проявиться на большем интервале времени, в расчет средних показателей взяты четырехсуточные участки работы ДРА до и после начала эксперимента. Для расчета баланса утилизации барды из данных за последующие четверо суток исключены балансовые количества веществ, связанные с подачей сусла [158]. Естественно, такой перерасчет данных раздела II в 5-8 сутки (строки) раздела I (таблица 3.1) возможен только в случае срабатывания РВ сусла в дрожжегенераторе до уровня, близкого к содержанию остаточных РВ в культуральной жидкости, отбираемой из дрожжерастильного аппарата. В противном случае неидентичность выхода биомасс с единицы потребляемых редуцирующих веществ в аппаратах приведет к недопустимо большой погрешности сведения баланса. Учитывая сказанное выше, понятно, почему среднее значение величины срабатывания сухих веществ в энергетическом обмене дрожжей после подачи подпитки из дрожжегенератора упало от 22,4 % до 20,06 % (таблица 3.1). Реализация подпитки привела к росту сухих веществ за счет биомассы сахаромицетов и несработанных сухих веществ сусла, которые практически не могут быть потреблены, поскольку содержат лишь остаточные количества доступных субстратов. Естественно, доля срабатываемых сухих веществ при этом падает.
