Сбраживание модельного сусла повышенной концентрации в условиях периодического вакуумирования Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 663.54, 577.15

СБРАЖИВАНИЕ МОДЕЛЬНОГО СУСЛА ПОВЫШ ЕННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ В УСЛОВИЯХ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ВАКУУМИРОВАНИЯ

К.В. Молокова, Е.А. Привалова

ФГБОУ ВПО Иркутский государственный технический университет, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. [email protected]

Приведены результаты сравнительного исследования спиртового брожения сусла повышенной концентрации при атмосферном давлении и с использованием периодического вакуумирования. Показано, что периодическое вакуумирование сусла позволяет увеличить степень сбраживания сахаров и выход спирта. Ил. 3. Библиогр. 4 назв.

Ключевые слова: спиртовое брожение, БаооЬаготуоез оегеу'^ае, вакуум, концентрированное сусло.

ВВЕДЕНИЕ

Этанол является наиболее распространенным продуктом биотехнологии, а его продуцент - культура БаооЬаготуоез оегеу'^ае -самым используемым микроорганизмом в

спиртовой промышленности. Процесс спиртового брожения сводится к получению энергии для роста и размножения клеток дрожжей путем преобразования углеводородов в спирт и углекислый газ. Продукты брожения, накапли-

ваясь в среде, ингибируют этот процесс. Уже при небольшой концентрации этанола в среде, составляющей 6-8% об., происходит ощутимое подавление жизнедеятельности дрожжей [1].

Распространенные в промышленности технологии сбраживания углеводных питательных сред ограничивают концентрацию сусла 16-18% сухих веществ (СВ), что позволяет достичь крепости зрелой бражки 8,5-9% об. Более высокое содержание спирта требует повышения концентрации разваренной массы, что приводит к усилению процессов меланои-дино- и карамелеобразования в процессе разваривания, предшествующем осахариванию и сбраживанию [2]. Между тем, сбраживание более концентрированных сред снижает удельные толивно-энергетичесикие затраты на производство спирта и позволяет повысить производительность бродильного отделения. Одним из технологических приемов, направленных на интенсификацию спиртового брожения, является удаление спирта, диоксида углерода и других метаболитов из реакционной среды. Удаление спирта можно производить мембранными методами, вакуумированием или суперкритической экстракцией [3].

Целью данной работы было исследование влияния периодического удаления этанола из реакционной среды на эффективность сбраживания модельного сусла повышенной концентрации.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве модельного сусла (субстрата) использовали растворы сахарозы концентрацией 25%. Объектом исследования являлись свежие хлебопекарные прессованные дрожжи.

Горячая йода^

-¥' 4 <

Ч

Для обеспечения питания дрожжей в субстрат вносили диаммонийфосфат в количестве 0,5 г на 100 см3. Количество вносимых дрожжей составляло 8% от объема сбраживаемого сусла. Брожение проводили в установке, схема которой изображена на рис. 1.

Вакуумирование бражки проводили с непрерывным охлаждением сборника дистиллята и системы абсорберов. Для поддержания температур брожения 36, 40 и 45 оС в поверхность теплообмена биореактора непрерывно подавали горячую воду из термостата.

Через час после внесения дрожжей при помощи вакуум-насоса в биореакторе создавали разрежение 0,01 МПа, что способствовало частичному удалению из реакционной среды этанола, диоксида углерода и других летучих продуктов метаболизма, ингибирующих жизнедеятельность дрожжей. В дальнейшем эту операцию повторяли каждый час. Параллельно проводили холостой опыт, в котором брожение проходило при атмосферном давлении. Через 4 часа, а затем каждый час после начала брожения из бражки отбирали пробу в количестве 8 см3, в которой после предварительного центрифугирования определяли содержание восстанавливающих сахаров и спирта. Определение сахаров проводили колориметрическим методом с предварительной инверсией сахарозы [4].

Количество сахаров в пробе определяли с помощью градуировочного графика, построенного на основе значений, полученных при ко-лориметрировании стандартного раствора на приборе АдПеП 8453 при длине волны 440 нм. Содержание спирта и уксусной кислоты анали-

Рис. 1. Схема установки для осуществления брожения с периодическим вакуумированием:

1 - биореактор, 2 - манометр, 3 - система охлаждения, 4 - сборник дистиллята, 5 - кран, 6 - система абсорберов

зировали методом ГХ-МС на газовом хроматографе 7820 А с селективным масс-спектрометрическим детектором НР 5975 фирмы «Agilent Technologies». Энергия ионизации - 70 эВ. Температура сепаратора -280 оС, ионного источника - 230 оС. Кварцевая колонка 30 000 х 0,25 мм со стационарной фазой (95% диметил-5% дифенилполисилоксан). Температура колонки 50 оС. Идентификацию компонентов осуществляли с использованием библиотеки масс-спектров «NIST11». Количественное содержание компонентов вычисляли по площадям пиков с использованием корректирующих коэффициентов чувствительности.

Статистическую обработку материала производили с использованием программы Microsoft Excel.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Использование вакуумирования бродящего сусла в качестве технологического приема, позволяющего удалить метаболиты дрожжевой клетки из реакционной среды, приводит к увеличению степени сбраживания сахаров. Периодическое вакуумирование сусла вызывает увеличение суммарной степени сбраживания сахаров в среднем на 10% в изученном температурном интервале (рис. 2).

Температура 36 С

ГО -

5 5 J

продолжительность, ч

Температура 40 °С

90

5 6 7

продолжительность, ч

продолжительность, ч

i 6 ! продолжительность, ч

Температура 45 С

Рис. 2. Изменение величины степени сбраживания в ходе брожения: 1 - брожение с периодическим вакуумированием; 2 - холостой опыт

Рис. 3. Изменение концентрации спирта в бражке в ходе брожения: 1 - брожение с периодическим вакуумированием; 2 - холостой опыт

Эффективность исследуемого метода наиболее выражена при 40 оС, когда наблюдается максимальная степень сбраживания - 85% с использованием вакуумирования. Также при 40 оС наблюдается более полное удаление спирта из бродящей среды по сравнению с прочими температурными условиями (рис. 3), что благоприятно на ходе процесса брожения.

В результате удаления метаболитов дрожжей из реакционной среды увеличивается выход спирта в расчете на сброженные сахара. Так, при 40 оС с использованием периодического вакуумирования выход спирта составляет 74% от теоретического, в то время как при атмосферном давлении он достигает лишь 50%.

Использование периодического вакуумирования для увеличения интенсивности спирто-

1. Арсеньев Д.В., Ежков А.А. Технология этилового спирта на основе сопряжения процесов брожения и дистилляции // О состоянии и направлениях развития производства спирта этилового из пищевого сырья и ликероводочной продукции. М. : Пищевая промышленность, 2005. С. 77-92.

2. Яровенко В.Л., Маринченко В.А. Технология спирта. М. : Колос, 1999. 464 с.

вого брожения в среде с повышенной концентрацией сахара дает выраженный положительный эффект. Наиболее благоприятной температурой проведения процесса брожения для сусла концентрацией 25% следует считать 40 оС. При 36 оС наряду с более низкой степенью сбраживания сахаров не создаются условия для эффективного удаления метаболитов дрожжей (рис. 3), а при 45 оС жизнедеятельность дрожжей начинает подавляться под действием высокой температуры, образуется больше побочных продуктов брожения - эфи-ры, уксусная кислота. Таким образом, применение периодического вакуумирования при сбраживании сусла повышенной концентрации позволяет увеличить степень сбраживания сахаров и повысить выход спирта.

КИЙ СПИСОК

3. Keti Vezzù [etc.] Production of bioethanol under high pressure of C02: The effect of process conditions // The Journal of supercrinical fluids. 2009. № 51. Р. 6773.

4. ГОСТ 19792-2001. Мед натуральный. Технические условия. Взамен ГОСТ 19792-87; введ. 2001.05.24. Минск : Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 2001. 15 с.