CC BY
0
УДК 663.132 DOI 10.24412/2311-6447-2024-2-218-222
Новые возможности вакуумного способа выращивания хлебопекарных дрожжей с использованием вакуумного аппарата
Features of growing baker's yeast by vacuum
method
Директор С.А. Дмитриев., инженер М.С Дубодел ООО «Научно-внедренческая фирма "Вакуум Биосинтез» Тел. 8-915-261-14-80 dm-vacbio@yandex. ru
Профессор Б.Н. Федоренко
«Российский биотехнологический университет (РОСБИОТЕХ)», кафедра прикладной механики и инжиниринга технических систем
Director S.A. Dmitriev, engineer M.S. Dubodel LLC "Scientific and innovation company "Vacuum Biosynthesis" Tel. 8-915-261-14-80 dm-vacbio@yandex. ru
Professor B.N. Fedorenko
"Russian Biotechnological University (ROSBIOTECH)", Department of Applied Mechanics and Engineering of Technical Systems
Аннотация: В статье обсуждается новая технология выращивания хлебопекарных дрожжей под вакуумом. Описана суть конструкции вакуумного дрожжерастильного аппарата, а также преимущества нового способа выращивания дрожжей при переработке концентрированных сред.
Abstract: The article discusses a new technology for growing baker's yeast under vacuum. The essence of the design of a vacuum yeast-forming apparatus is described, as well as the advantages of a new method of growing yeast when processing concentrated media.
Ключевые слова: Дрожжерастильный аппарат, культуральная жидкость, вакуум.
Key words: Yeast-growing apparatus, culture liquid, vacuum.
Современные технологии выращивания дрожжей характеризуются высоким уровнем массообмена, теплоэнергозатрат, расхода воды и технологического воздуха. Повышение качества дрожжей и увеличение их выработки, связано с оптимизацией этих характеристик.
Вакуумный способ производства как раз способствует решению этих актуальных проблем. Способ производства хлебопекарных дрожжей, предусматривающий внесение в дрожжерастильный аппарат засевных дрожжей, питательных веществ и сырьевой воды в начале процесса, выращивание под вакуумом при аэрации воздухом, предварительно охлаждённым и непрерывном добавлении питательных веществ давно известен [1]. Также описан технологический приём использования газообразного аммиака в качестве источника азота [2]. Но то, что газообразный аммиак может использоваться для повышения растворимости кислорода воздуха в культуральной жидкости, стерилизации технологического воздуха и его осушения выяснилось со © С.А. Дмитриев., М.С Дубодел, Б.Н. Федоренко, 2024
всем недавно в результате научно-исследовательских работ. С этой целью газообразный аммиак стали подавать совместно с технологическим воздухом при засасывании его непосредственно в диспергирующие элементы аэрационной системы дрожжера-стильного аппарата.
При использовании усовершенствованного варианта аэрационной системы дрожжерастильного аппарата, без использования центрального воздухораспределительного устройства, появляется возможность влиять на потоки технологического воздуха в каждом диспергирующем элементе индивидуально. Для этого каждый диспергирующий элемент снабжают индивидуальными средствами контроля и регулирования расхода воздуха. Так охлаждение воздуха можно производить за счёт дросселирования воздушного потока при регулировании уровня вакуума на входе в аэра-ционную систему. Поскольку процесс выращивания дрожжей осуществляют в условиях аэрации культуральной жидкости при постоянном расходе атмосферным воздухом с низкопотенциальной тепловой энергией, применение вакуум-насоса в качестве побудителя аэрации, позволяет использовать естественную температуру атмосферного воздуха, особенно в зимний период, и при необходимости ещё больше понизить его температуру за счёт дросселирования воздушного потока. Это позволяет обеспечить термостабилизацию процесса культивирования дрожжевой культуры при снижении расхода охлаждающей воды. Для более эффективного отвода теплоты, подаваемый атмосферный воздух предварительно осушают на основе расчетов по 1-Б диаграмме.
Кроме того, понижение температуры технологического воздуха до -25°С по сравнению с типичной температурой воздуха (+90°С), идущего от воздуходувных машин, повышает содержание кислорода в воздухе в 1,5 раза, а его плотность увеличивается в 2,5 раза, при этом скорость сорбции кислорода воздуха в культуральной жидкости существенно возрастает[3].
Такое конструктивное решение позволяет осуществить осушение воздуха за счёт подачи газообразного аммиака на входе его непосредственно в диспергирующие элементы аэрационной системы. Предлагаемый конструктивный вариант исключает попадание аммиака в окружающую среду, делая этот способ выращивания дрожжей абсолютно безопасным с экологической точки зрения [4]. При этом происходит стерилизация атмосферного воздуха и активация молекул кислорода воздуха, поступающего на аэрацию культуральной жидкости. Благодаря вакууму, создаваемому над поверхностью культуральной жидкости, извлекается растворённый в ней углекислый газ, что позволяет сместить градиент растворимости в сторону кислорода, способствуя тем самым увеличению в культуральной жидкости концентрации биомассы дрожжей, повышению содержания сухих веществ (СВ) в дрожжевой клетке до 33...35%о, а трегалозы - до 16%.
При переработке высокоплотных дрожжевых сред, с концентрацией биомассы 300.330 г/л и выше, содержание углекислоты в них достигает предельных значений. Ингибирующее воздействие углекислоты оказывает токсичное влияние на развитие дрожжевой культуры, - в клетках происходят глубокие нарушения всего биосинтетического механизма [5]. Предельные значения растворённого углекислого газа в куль-туральной жидкости, являются одними из основных причин подавления процессов усвоения дрожжами растворённого кислорода. Учитывая, что растворимость углекислого газа в 10 раз выше, чем у кислорода, то и извлечь его из культуральной жидкости за счёт вакуума будет намного легче, чем в нагнетательных системах, что является очень важной технологической особенностью. Извлекая избыточное количество углекислого газа, устраняются причины его ингибирующего воздействия на дрожжи и, тем самым, обеспечиваются благоприятные условия для их роста.
Подача газообразного аммиака на входе воздуха в диспергирующие элементы аэрационной системы дрожжерастильного аппарата позволяет создать зону надёжной стерильности, т.к. газообразный аммиак является абсолютно токсичным для всей микрофлоры атмосферного воздуха. Это даёт возможность удлинить продолжительность цикла выращивания дрожжей с целью повышения их концентрации в культу-ральной жидкости более 330 г/л без потери качества из-за негативного влияния посторонней микрофлоры. В тоже время, известен способ выращивания дрожжей [2], в котором газообразный аммиак является основным компонентом азотного питания в процессе культивирования дрожжей, что свидетельствует о несомненных преимуществах такого инновационного технического решения. Способность аммиака вбирать на себя влагу и активировать атомы кислорода воздуха, способствует повышению скорости сорбции его в культуральной жидкости и увеличению концентрации растворённого кислорода в ней, что улучшает массобменные характеристики дрожжерастильного аппарата. Это создаёт условия к сокращению удельных расходов технологического воздуха примерно на 30%, повышению почти в два раза продуктивности аппаратов, что позволяет использовать для выращивания дрожжей дрожжерастильные аппараты в два раза меньшей вместимости, а это приводит к снижению капитальных затрат на технологическое оборудование дрожжевых заводов.
Практическое применение нового способа производства дрожжей особенно рельефно проявляется при использовании в засевных стадиях выращивания товарных дрожжей, где передача засевного материала из одного дрожжерастильного аппарата в другой происходит в течение нескольких секунд и определяется площадью сечения трубы засева. За счёт вакуума весь объём засевных дрожжей транспортируют без перекачивающих насосов, в генеративно-активном состоянии. После перемещения всего объёма засевных дрожжей, начинают подавать питательные среды и воду. Благодаря вакууму расход технологической воды увеличивается на 10%, чтобы обеспечить интенсивное испарение воды в верхней части дрожжерастильного аппарата. Такое количество воды способно повысить испарение жидкости и стабилизировать температурный режим без применения теплообменной аппаратуры.
Расход технологического воздуха при выращивании дрожжей постоянен и не требует регулирования, поскольку его количество, проходящее через аэрационную систему, определяется высотой аэрируемого слоя культуральной жидкости [6]. Повышенная концентрация дрожжей в культуральной жидкости более 330 г/л при вакуумном способе культивирования ускоряет протекание окислительно-восстановительных реакций в дрожжевой клетке и повышает проницаемость клеточных мембран. Это приводит к значительному улучшению физиологических показателей дрожжевой клетки и повышению генеративной активности биомассы дрожжей, что особенно важно при передаче накопленного засевного материала с одной стадии выращивания на другую.
В процессе выращивания дрожжей подачу газообразного аммиака осуществляют в расчётном количестве, исходя из потребностей дрожжей на стадии их интенсивного роста при рН 5,9...6,9, обеспечивая при этом содержание азота на уровне 7,5%.
В практике промышленного культивирования дрожжей выход из строя одного из элементов аэрационной системы, случай не редкий [7]. Это приводит к тому, что около 60% технологического воздуха выходит через повреждённый элемент, т.е. значительная часть воздуха идёт транзитом, никак не насыщая кислородом культураль-ную жидкость. Такой факт напрямую приводит к снижению выхода дрожжей, сокращению вдвое производительности аппарата и при этом не представляется возможным исправить аварийную ситуацию в течение интенсивного роста дрожжей до
окончания технологического цикла. Иное дело в инновационной конструкции вакуумного дрожжерастильного аппарата, в котором все элементы аэрационной системы взаимозаменяемы - они идентичны по устройству и позволяют обеспечивать индивидуальную регулировку расхода воздуха. При аварийной ситуации всегда можно активно воздействовать на скорость и объём подачи технологического воздуха, вплоть до вывода из рабочего состояния вышедшего из строя элемента аэрационной системы, заглушив его, не останавливая технологический процесс, и не снижая при этом выход дрожжей и производительность аппарата по стадии выращивания. В этом случае просто распределяется дополнительная нагрузка на другие, работоспособные диспергирующие элементы.
На стадии интенсивного роста дрожжевой культуры выделяется большое количество теплоты, которую необходимо отвести, чтобы обеспечить оптимальную температуру процесса на уровне 33...34°С. В промышленности для термостабилизации культуры наибольшее распространение получили циркуляционные контуры, в состав которых входят теплообменники. Однако, такие системы громоздки, быстро засоряются, трудоёмки в обслуживании, требуют постоянной чистки, не обеспечивают надежную микробиологическую безопасность процесса из-за множества плохо промываемых зон и требуют дополнительных затрат на электроэнергию. Все эти недостатки исключаются за счёт применения вакуума и интенсивного испарения влаги над поверхностью культуральной жидкости при подаче дополнительного количества холодной воды. Дросселированием воздушного потока регулируют уровень вакуума и интенсивность испарения влаги. Таким образом, стабилизируют температурный режим выращивания дрожжей.
Вакуумный дрожжерастилный аппарат работает следующим образом: Перед пуском аппарата в работу внутреннюю полость его промывают моющими растворами и горячей водой с помощью моечной головки через патрубок, расположенный в верхней части аппарата. По окончании мойки через штуцер в верхней части аппарата с помощью водокольцевого вакуум-насоса типа ВВН создают разрежение внутри сосуда с 10%-м вакуумом. Через трубу пересевов в течение нескольких секунд, без использования перекачивающих насосов, перемещается засевной материал с предыдущей стадии выращивания дрожжей, после чего открывают патрубки для подачи питательных ингредиентов и воды и осуществляют подачу воздуха в аэрационную систему, повышая при этом уровень вакуума до 30%. Таким образом, начинают новый цикл выращивания дрожжей без лаг-фазы, поскольку передача засевного материала происходит в генеративно-активном состоянии.
После перекачки в дрожжерастильный аппарат всего объёма засевного материала и подачи питания, происходит интенсивный рост дрожжевой биомассы с выделением большого количества теплоты, которое необходимо непрерывно отводить с помощью вакуумного испарения. Контроль температуры осуществляют непрерывно, на протяжении всего цикла выращивания, обеспечивая оптимальную температуру на уровне 33...34°С, при использовании дросселирования воздушного потока и создании более высокого вакуума, например, до 60%.
Предлагаемый вакуумный способ выращивания хлебопекарных дрожжей и вакуумный дрожжерастильный аппарат создают все условия для интенсивного роста хлебопекарных дрожжей в высокоплотных средах с концентрацией биомассы до 330 г/л, получения товарной продукции с содержанием сухих веществ в дрожжевой клетке до 33.35 %, а трегалозы - до 16%.
ЛИТЕРАТУРА
1. С.А. Дмитриев, А.Д. Дмитриев, «Способ производства хлебопекарных дрожжей» А.С. № 1337405, от 04.04.86.
2. А.Д. Дмитриев, С.А. Дмитриев, И.Б. Кочкина «Способ получения хлебопекарных дрожжей», А.С. № 1563234 от 13.03.87
3. Дмитриев С.А., Дубодел М.С., Федоренко Б.Н., «Особенности выращивания хлебопекарных дрожжей вакуумным способом». - Инновационные идеи молодых исследователей для агропромышленного комплекса: сборник статей Всероссийской научно-практической конференции молодых учёных. Том II / Пензенский ГАУ. -Пенза: РИО ПГАУ, 2023. - С. 9-11.
4. Дмитриев С.А., Дубодел М.С., Патент РФ № 2811871 от 22.02.2023 г.
5. Виестур У.Э., Кристапсонс М.Ж., Былинкина Е.С. «Культирование микроорганизмов». - М.: Пищевая промышленность, 1980. - 232 с.
6. Дмитриев С.А. «Интенсификация технологического процесса выращивания хлебопекарных дрожжей на основе усовершенствования аэрации» / Автореф. дис... канд. техн. наук. - М., 1993. - 20 с.
7. Дмитриев С.А. «Особенности монтажа и эксплуатации сетчатых аэрацион-ных систем». - М.: АгроНИИТЭИПП, 1990. - 23 с.
REFERENCES
1. S.A. Dmitriev, A.D. Dmitriev, "Method of production of baker's yeast" A.S. No. 1337405, dated 04/04/86.
2. A.D. Dmitriev, S.A. Dmitriev, I.B. Kochkina "Method of obtaining baker's yeast", A.S. No. 1563234 dated 03/13/87
3. Dmitriev S.A., Dubodel M.S., Fedorenko B.N., "Features of growing baker's yeast using the vacuum method." - Innovative ideas of young researchers for the agro-industrial complex: a collection of articles of the All-Russian Scientific and Practical Conference of Young Scientists. Volume II / Penza State Agrarian University. - Penza: RIO PSAU, 2023.
- pp. 9-11.
4. Dmitriev S.A., Dubodel M.S., RF Patent No. 2811871 dated 02.22.2023
5. Viestur U.E., Kristapsons M.Zh., Bylinkina E.S. "Cultivation of microorganisms."
- M.: Food Industry, 1980. - 232 p.
6. Dmitriev S.A. "Intensification of the technological process of growing baker's yeast based on improved aeration" / Abstract. dis... cand. tech. Sci. - M., 1993. - 20 p.
7. Dmitriev S.A. "Features of installation and operation of mesh aeration systems."
- M.: AgroNIITEIPP, 1990. - 23 p.
