Повышение производительности цеха кормовых дрожжей, перерабатывающего послеспиртовую барду Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

С. Г. Мухачев, В. М. Емельянов, И. С. Владимирова,

H. К. Филиппова, Р. Т. Валеева

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ЦЕХА КОРМОВЫХ ДРОЖЖЕЙ, ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ПОСЛЕСПИРТОВУЮ БАРДУ

Проведен процесс выращивания смешанной культуры дрожжей Candida

Tropicalis СК-4-1 и Saccharomyces cerevisiae 1986 в дрожжерастилъном аппарате

объемом 300 м3 цеха кормовых дрожжей Шумбутского спиртового завода.

Выполнен расчет материального баланса производства кормовых дрожжей и

прироста производительности при использовании дрожжегенераторов объемами

16 м3 и 50 м3.

Целью работы являлась оценка возможного повышения производительности цеха кормовых дрожжей за счет включения в технологическую схему дрожжегенератора, обеспечения дополнительного углеводного питания дрожжей (в экспериментах использовалось зерновое сусло), применения смешанной культуры дрожжей, использования микродобавок ПАВ для увеличения удельной поверхности раздела фаз и улучшения снабжения дрожжевых клеток кислородом [1]. Смешанная культура дрожжей была использована в связи с тем, что базовая культура эффективно утилизирует компоненты послеспиртовой барды, а сахаромицеты - дополнительные сахара.

1 Условия и режимы приготовления инокулятов и посевных материалов

Реализован эксперимент по дополнительной подаче в дрожжерастильный аппарат культуры сахаромицетов, выращенной в отделении чистой культуры в технологической цепочке: качалочные колбы - малый аппарат чистой культуры (МАЧК) - большой аппарат чистой культуры (БАНК) - дрожжегенератор.

I.1 Инокуляг готовился в качалочных колбах с использованием сусла и барды в различных соотношениях с содержанием редуцирующих веществ (РВ) в питательных средах

1, 2, 3 и 3,5 % мае. Дальнейшее повышение концентрации РВ не приводит к интенсификации роста исследуемых культур.

1.2 При оптимальной начальной концентрации РВ=3,5 % мае. в аппаратах чистой культуры за 9 часов роста титр дрожжей Saccharomyces cerevisiae 1986 достигает значения 1200 - 1600 млн.кл./мл. При этом использовались добавки ПАВ (“переносчика кислорода”) в количествах, соответствующих диапазону конценграций 0,0075 - 0,01 кг/м3. При проведении указанных процессов была осуществлена коррекция состава питательной среды. Объемное соотношение барды и сусла составило 1:1, при общем количестве внесения минеральных компонентов в питательную среду из расчета: диаммофоска - 4,5 кг/м3 и карбамид - 2,1 кг/м3. На стадии приготовления посевного материала применение сульфата аммония, предусмотренного существующим регламентом, исключено в целях ограничения скорости закиса-ния. Наблюдавшееся незначительное снижение pH корректировалось дробной подачей минеральных компонентов на 3, 4 и 5 часы роста в количестве 3:2:1 мае. частей от общей подачи. При этом было внесено карбамида из расчета 1,4 кг/м3 и диаммофоски - 2,8 кг/м3. Температурный режим процесса поддерживался в диапазоне: 28 - 30 °С.

1.3 Выращенная в БАЧК культура поступала периодически в дрожжегенератор объемом 16 м~\ в котором был реализован отъемно-доливной процесс (табл.1).

Таблица 1 - Параметры процесса выращивания посевного материала вассЬаготусеэ сегеу4$1ае 1986 в дрожжегеиерато ре объемом 16 м3

Показатели № цикла

1 2 3 4 5 6

нач. кон. нач. кон. нач. кон. нач. кон. нач. кон. нач. кон.

1. Барда, м3 3 2 3 0 0 2

2. Сусло, м3 3 3 3 3 3 3

3. Засев, м3 2,5 5 5 4,5 4,5 4

4. Интервал pH 3,67 4,41 3,65 4,53 3,54 4,1 3,58 4,09 3,77 4,21 3,6 4,24

5. рСВ, % мае. 8,5 4,2 7,2 4,9 - 4,9 9,2 5.9 8,2 6,4 9,2 6,4

6. РВ, % масс. 3,49 0,51 3,1 о V 00 4,1 0,44 4,14 0,56 3,5 0,42 3,3 0,55

7. ОС В, % мае. 10,5 8,14 9,9 8,18 11,0 7,4 11,1 8,7 10,5 9,15 10,3 9,14

8. Почкующиеся, % 53 26 26 25 - - - 48 - - - 38

9. Температура, °С 32 33 32 32 32 26 35 32 38 32 34 32

10. Карбамид, кг 45 15 10 70 70 70

11. Раствор (20%) диаммофоски, кг 130 20 10 30 30 50

12. Концентрация переносчика ки- 0,0042 0.0021 0,0025 0,00156 0,0016 0,00071

слорода, г/л

Использовалось сусло, взятое со спиртового производства, с содержанием РВ 9 •

11 % мае. В целях экономии минеральных компонентов (с учетом их частичного поступления с культуральной жидкостью из БАЧК) их внос в подушку был уменьшен до концентраций: карбамида - 0,83 кг/м3 и диаммофоски - 0,33 кг/м3. Вследствие уменьшения начальной концентрации минеральных компонентов, подпитка ихми производилась с 3-го часа культивирования, когда началось закисание культуральной жидкости (КЖ). При этом общий расход минеральных компонентов по сравнению с процессом, отработанным й МАЧК и БАЧК, в целом снизился до следующего уровня: карбамид - 1,5 кг/м3 КЖ. диам-мофоска - 0,4 кг/м3 КЖ. Проведено 6 процессов при варьировании концентрации переносчика кислорода в диапазоне 0,001 - 0,004 кг/м3 КЖ.

При этом получено накопление белка в расчете на массу общих сухих веществ (ОСВ) культуральной жидкости - от 16,5 до 30,5 % мае. при средней скорости синтеза 2% / час.

1.4 В экспериментах было использовано:

• осахаренное сусло ржи с содержанием: ОСВ - 17,5 % масс., рСВ - 15,6 % мае., белка - 8,39 % ОСВ, РВ -(9-11)% мае.

• барда с содержанием: ОСВ - 7,2 % мае., рСВ - 4,8 % масс., РВ - 0,615 % мае., белка -

25,7 % ОСВ, плотностью 1054 кг/м3, титруемой кислотностью - 0,98°, pH - 3,6.

1.5 Технологический режим работы дрожжегенератора.

Процесс в дрожжегенераторе реализован с выполнением следующих стадий:

-> з.

• залив осахаренного сусла в количестве 3 м ,

• добавление барды при общем перемешивании и охлаждении в количестве 0 - 3 м3;

• внесение переносчика кислорода;

• засев посевным материалом из БАЧК на первом цикле отьемно-доливного процесса в количестве 2,5 м3. На последующих стадиях оставлялась часть КЖ от предыдущей стадии в количестве 4 - 5 м ;

• продолжительность цикла 6 - 8 ч;

• минеральное питание: карбамид - в сухом виде, диаммофоска - 20% раствор.

Концентрации белка в сухом веществе культуральной жидкости, взятой из дрожжегенератора при применении переносчика кислорода для случаев культивирования исследуемых штаммов дрожжей, приведены в таблице 2.

Сравнение показателей синтеза белка двумя культурами позволяет утверждать, что для случая подпитки редуцирующими веществами, использование смешанной культуры с включением сахаромицетов предпочтительнее, чем одной лишь Candida Tropicalis СК-4-1.

2 Анализ процесса выращивания смешанной культу ры дрожжей в ДРА

Культивирование дрожжей Candida Tropicalis СК-4-1 проводилось в непрерывном режиме в аппарате объемом 300 м3 при коэффициенте заполнения 0,3 и непрерывном расходе барды со скоростью разбавления 0,107 - 0,109 час'1. На фоне непрерывной подачи барды осуществлялась периодическая подпитка засевными дрожжами Saccharomyces сеге-visiae 1986 из дрожжегенератора. Выращенная в дрожжегенераторе культура периодически три раза в сутки сливалась в ДРА. Такая подпитка ДРА осуществлялась в течение 2 суток.

Микроскопия культуральной жидкости из ДРА показала, что культура сахаромицетов не отторгается дрожжами Candida Tropicalis СК-4-1, со своей стороны не угнетает их рост, продолжает расти и размножаться при температуре 36-37 °С (наблюдались почкующиеся клетки сахаромицетов через 7 суток после завершения эксперимента), не занимая доминирующего положения.

Таблица 2 - Содержание белка в сухом остатке культуральных жидкостей при выра-щи-вании посевных материалов Saccharomyces cerevisiae 1986 и Candida Tropicalis

Таблица 3 - Баланс производства сухих кормовых дрожжей в расчете на компоненты барды

Дата, ноябрь 2003 г. Кол-во дрож- жей Влаж- ность Абсо- лютно сухие дрож- жи АСД СВ в КЖ Расход КЖ Вода КЖ Потери СВ барды СВ барды Потери воды барды Вода барды Масса барды (баланс) Масса барды (расчет по СВ) СВ барды

т % мае. т % мае. т т т т % мае. т т т % мае.

Мх Нх Мдсд СВ«ж Мюк Вкж Пев Мсв Пвб вБ мБ1 МБ2 СВБ

16 11,26 8,50 10,303 5,40 190,794 180,492 25,682 13,863 8,0 196,186 210,050 210,049 6,60

17 12,10 7,70 11,168 5,90 189,293 178,125 28.858 15,699 8,0 193,614 209,313 209,315 7,50

18 13,00 7,30 12,051 6,00 200,850 188,799 15,529 14,266 8,0 205,216 219,483 219,484 6,50

19 12,01 8,50 10,989 6,00 183,153 172,163 19,514 13,654 8,0 187,134 200,788 200,787 6,80

Средн. 12,09 7,98 11,128 5,83 191,023 179,895 22,396 14,371 8,0 195,538 209,908 209,909 6,85

20 11,04 8,60 11,036 5,76 191,565 180,529 29,623 15,681 8,0 196,227 211,908 211,908 7,40

21 11,98 7,80 11,983 6,54 183,128 171,146 20,556 15,083 8,0 186,028 201,111 201,111 7,50

22 12,44 7,20 12,440 6,54 190,118 177.678 16,978 14,984 8,0 193,128 208,112 208,113 7,20

23 12,79 8,20 12,777 6,15 207,691 194,914 21,088 16,192 8,0 211,863 228,054 228,055 7,10

Средн. 12,06 7,95 12,684 6,25 193,125 181,066 22,061 15,485 8,0 196,811 212,296 212,297 7,30

Масса абсолютно сухих дрожжей рассчитывалась по формуле:

Масд=(100-Нх)* Мх/ 100 где Мх - количество товарных дрожжей на выходе из сушилки.

Дата, ноябрь 2003 г. Кол-во дрож- жей Влаж- ность Абсо- лютно сухие дрож- жи АСД СВ в КЖ Расход КЖ Вода КЖ Потери СВ барды СВ барды Потери воды барды Вода барды Масса барды (баланс) Масса барды (расчет по СВ) СВ барды

т % мае. т % мае. т т т т % мае. т т т % масс.

Мх Нх Мдсд СВкж Мкж В«ж Пев МСБ Пвб ВБ мБ1 Мб2 СВБ

20 12,70 8,60 11,608 5,90 196,742 185,135 27,821 16,082 8,0 201,233 217,315 217,324 7,40

21 13,67 7,80 12,604 6,70 188,116 175,512 18,518 15,468 8,0 190,774 206,242 206,242 7,50

22 14,10 7,20 13,085 6,70 195,296 182,211 14,848 15,366 8,0 198,055 213,422 213,422 7,20

23 14,64 8,20 13,440 6,30 213,326 199,886 19,063 16.605 8,0 217,268 233,873 233,872 7,10

Средн. 13,78 7,95 12,684 6,40 198,370 185,686 20,063 15,880 8,0 201,832 217,713 217,715 7,30

Масса воды в культуральной жидкости:

Вкж= Мкж * (100 - СВюк) /100 Масса сухих веществ барды:

Мсб = Мдсд * 100 /(100 - Псб)

Масса воды барды:

Вб= Вкж * 100 / (100 - Пвб)

(4)

(5)

Масса барды рассчитывалась двумя способами:

а) по балансу

Мы - Мсб + ВБ

б) по данным заводской лаборатории о содержании сухих веществ

Мб2= 100 * Мсб/СВБ

(6)

(7)

Естественно, что величины Мб1 и Мб2 должны совпадать. Расхождение минимизировалось путем подбора значений Псб по каждой строчке таблицы 3. Колебания суточных значений потерь СВ (в основном вследствие срабатывания СВ при дыхании дрожжей с образованием углекислого газа) вызваны не только действительно имеющими место колебаниями показателей процесса роста дрожжей в нестабильных заводских условиях, но и неточностью отнесения конкретных масс наработанного товарного продукта к предшествующим или последующим суткам. На четырехсуточных интервалах эти колебания практически нивелируются.

В таблице 4 потери СВ барды - величина кажущаяся (заниженная), т.к. при расчете сухие вещества сусла условно включены в состав барды и "компенсируют” данные потери. Перерасчет таблицы 4 в 5-8 строки таблицы 3 реализован по следующему алгоритму (индексы в скобках соответствуют номеру таблицы).

где і = 1 - 4, Мдсд сусла = 2500 кг - масса абсолютно сухих дрожжей, выращенных в дрожжегенераторе за счет срабатывания сухих веществ сусла (за период 4 суток), определенная экспериментально.

Масса сухих веществ барды, масса воды барды и масса барды рассчитывались соответственно по формулам (4) - (7).

Важным моментом в расчете баланса являются данные о потере воды при испарении из дрожжерастильного аппарата. По данным технологического регламента эти потери оценены в 6 -

6,7 %. Подстановка такого значения привела к расхождению средних расчетных величин потерь СВ барды на 20 %. Поиск (идентификация) по критерию совпадения средних величин потерь сухих веществ барды на четырехсуточных интервалах привел к значению потерь воды - 8 %.

Таким образом, разработана методика расчета баланса, не требующая измерения расходов потока барды и культуральной жидкости, необходимость чего вызвана крайней недостаточностью средств КИПиА на большинстве действующих спиртовых заводов, а тем более цехов по переработке отходов.

Сравнительные данные по расчету' материальных балансов существующего процесса и процесса с использованием сахаромицетов, приведены в таблице 5. Расчет выполнен для условия влажности сухих кормовых дрожжей (СКД) - 8% мае., содержания сухих веществ в барде - 7 % мае., и максимальной загрузке дрожжегенератора. Кроме того, выполнен прогноз-

Мдсд (3) - Мдсд (4) * (1 - Мдсд сусла / £ Мдсд (4) і ),

(8)

Вкж (3) = Вкж (4) * ( 1 - Мдсд сусла / Е Мдсд (4) і X Мюк (3) = Вкж (3) + Мдсд (3);

СВкж (з)= Мдсд (3) * 100 / Мкж <з>;

(9)

(10)

(11)

ный расчет производительности цеха СКД Шумбутского спиртзавода при использовании дрожжегенератора большего объема на базе существующей емкости 50 м (таблица 5).

Таблица 5 - Материальные балансы базового, экспериментальною и прогнозного вариантов процессов производства кормовых дрожжей

Показатель Раз- мер- ность Значение показателя

Сущест- вующий процесс Выращивание сахаромицетов в аппарате объемом 16 м3 Выращивание сахаромицетов в аппарате объемом 50 м3

Рабочий объем дрож-жерастильного аппарата м3 92,9 92,9 105,2

Длительность цикла выращивания сахаромицетов час - 8,31 7,33

Расход сульфата аммония (АСВ) кг/сут 1007,4 947,4 775.8

Расход диаммо-фоски (АСВ) кг/сут 101,17 180,2 354,0

Расход карбамида (АСВ) кг/сут 212,6 308,4 515,8

Расход воды на раствор солей кг/сут 3678,9 3659,8 3657,6

Расход барды, в т.ч. СВ кг/сут 206762 14473,3 209100 14636,0 206762 14473,3

Расход сусла, в т.ч.: СВ РВ кг/сут - 9540.4 1745,9 1049.4 30955,8 5664,9 3405,1

Расход мелассы, в т.ч. СВ кг/сут 204,0 143,2 204,0 143,2 204,0 143,2

Расход серной к-ты кг/сут 25,0 25,0 25,0

Кол-во среды, в т.ч. СВ кг/сут 211994 15962 223968 17987 243253 21952

Содержание СВ в суммарной среде % мае. 7,53 8,03 9,02

Потери СВ в энергетическом метаболизме кг/сут 4542 5354 7012

Испарение воды из ДРА кг/сут 15683 16479 17704

Количество КЖ, в т.ч. СВ кг/сут 191769 11420 202136 12633 218537 14940

Потери СВ при сушке кг/сут 49,5 54,8 64,8

Иа ирение воды при су1 икс кг/сут 179361 188409 202303

Товарные дрожжи, 8% влажности кг/сут 12359 13672 16169

Прирост производительности, % 10,62 30,82

Заключение

Среднесуточный прирост производительности цеха по СКД составил 7,67 % (фактически вдвое выше, т.к. подача сусла, осуществленная за двое суток, разнесена при расчете на 4 суток в связи с задержкой потока в ДРЛ). По данным о съеме продукции с сушилки за пятеро суток после начала подпиток ДРА культуральной жидкостью с сахаромицетами, производительность по АСД практически линейно возросла с 12,7 до 14,64 т/сутки на 4-е сутки, т.е. на 15,27 %, после чего за последующие сутки вернулась почти к исходному значению. Таким образом, за 4 суток работы дрожжерастильного аппарата отслеживается весь эффект от объема сработанного сусла, поданного в дрожжегенератор за 2 суток.

Если же рассматривать повышение среднесуточной производительности и учесть погрешность сведения баланса - 1,5 %, то при пересчете на средний состав и расход барды получаем прирост производительности 10,62% при расходе 8,7 м3 сусла в сутки.

При доработке существующей емкости 50 м и использовании ее в качестве аппарата первой ступени батареи, может быть обеспечен прирост производительности цеха по СКД не менее, чем на 30 %. При этом для обеспечения высокой рентабельности производства в качестве углеводной добавки вместо сусла могут быть использованы гидролизаты или ферментолизаты жмыхов, отрубей и др. [2].

Литература

1. Пат. 1559696. 1993. (РФ) Емельянов В.М., Владимирова КС., Еремина Н.А. Способ культивирования микроорганизмов.

2. Мухачев С.Г., Мельников В.Н. II Обогащение спиртовой барды в процессе выращивания кормовых дрожжей: Сб. тезисов докл. конф. "Современные ресурсо- и энергосберегающие технологии в спиртовой и ликеро-водочной промышленности", Казань: Идел-Пресс, 2000. С. 47-48.

© С. Г. Мухачев - канд. техн. наук, докторант каф. химической кибернетики КГТУ; В. М. Емельянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химической кибернетики КГТУ;

И. С. Владимирова - ведущий программист ЦНИТКГТУ; Н. К. Филиппова - элекгро-ник 1-ой категории ЦНИТ КГТУ; Р. Т. Валеева - программист ЦНИТ КГТУ.