Способ получения биомассы из отходов зернопроизводства

 

Использование: в микробиологической промышленности, кормопроизводство. Сущность изобретения: способ получения кормовой белковой биомассы, предусматривающий измельчение отходов зернопроизводства (отруби, низкосортная мука и т. д. ), разбавление сырья водой и нагрев его до температуры 65-58^oC со скоростью нагрева 1,5^oC/мин в присутствии гипохлорита щелочного или щелочноземельного металла (0,2-0,8% к СВ) и сульфата аммония (0,1% к СВ), массу выдерживают при этой температуре в течение 1 ч, после чего обрабатывают амилосублитином при 50^oC в течение 1,5-2,5 ч. Полученный субстрат используют для выращивания дрожжей-продуцентов белка. Способ позволяет получать кормовой продукт с повышенным содержанием белка. 1 ил., 4 табл.

Изобретение относится к микробиологической промышленности и сельскому хозяйству и может быть использовано для получения кормовых дрожжей из отходов зернопроизводства (отрубей пшеницы, ржи, низкосортной муки, кормовой мучки и др.).

Известен способ получения белковой биомассы, предусматривающий выращивание в условиях аэрации на питательной среде, содержащей в качестве источника углерода солому, источник азота и минеральные соли, до максимального накопления белка в биомассе, причем для повышения выхода продукта за счет более высокой скорости роста и степени конверсии сырья используют консорциум штаммов грибов и дрожжей [1] Недостатком известного способа [1] является низкое содержание белка в получаемом продукте при использовании в качестве источника углерода соломы.

Известен способ получения белкового продукта из крахмалсодержащего сырья, предусматривающий измельчение зерна злаков, его кислотный гидролиз с последующим непрерывным культивированием на питательной среде, содержащей прогидролизованное сырье в качестве основного источника углерода и дополнительный источник углерода в виде н-парафинов [2] К недостаткам известного способа [2] относится использование в качестве дополнительного источника углерода жидких н-парафинов, которые являются дорогостоящим сырьем.

Наиболее близким по сущности и достигаемому результату к заявленному является способ получения биомассы из отходов зернопроизводства, предусматривающий измельчение исходного сырья, разбавление водой, ферментолиз и выращивание дрожжей в условиях аэрации на питательной среде с последующим выделением целевого продукта [3] Недостатком известного способа [3] является низкое содержание белка в биомассе и низкая эффективность утилизации исходного сырья в связи с малым выходом редуцирующих веществ (РВ) в субстрат, которая определяется степенью деструкции полисахаридов.

Задача изобретения заключается в отработке оптимальных условий тепловой предобработки отходов зернопроизводства для получения максимального выхода редуцирующих веществ и их полного использования на стадии выращивания биомассы.

Экспериментальными исследованиями было доказано, что непосредственно в процессе биохимического синтеза практически на 95% утилизируемые РВ составляют не более 30-35% от общего количества органики, занятой в процессе биосинтеза. И таким образом показателем эффективности режима тепловой предобработки следует считать комбинацию показателей РВ и общее ХПК или содержание углеводсодержащих веществ.

Технический результат изобретения, заключается в повышении эффективности использования (утилизации) отходов зернопроизводства, что определяется повышением показателей по РВ и ХПК после тепловой предобработки, большей степенью утилизации органических веществ, снижением конечной концентрации растворимых веществ в супернатанте после стадии выращивания и в конечном счете, снижением расходных коэффициентов (биохимического и сырьевого), повышением содержания белка и качества готовой продукции.

Данный технический результат достигается тем, что в способе получения биомассы из отходов зернопроизводства, предусматривающем измельчение исходного сырья, разбавление водой, ферментолиз и выращивание дрожжей в условиях аэрации на питательной среде с последующим выделением целевого продукта, согласно изобретению, после разбавления измельченного сырья водой полученный субстрат нагревают со скоростью 1,5^oC/мин до температуры 65-68^oC в присутствии гипохлорита щелочного или щелочноземельного металла в количестве 0,2-0,8% к СВ и сульфата аммония в количестве 0,1% к СВ, затем выдерживают при этой температуре и перемешивании в течение 1 ч, а ферментолиз проводят амилосубтилином, взятым в количестве 0,5-0,6% к СВ при температуре 50^oC в течение 1,5-2,5 ч.

Способ осуществляют следующим образом.

Отходы зернопроизводства (отруби пшеницы, ржи или муку) измельчают до размера частиц не более 1 мм. Субстрат с модулем разбавления 1:8 нагревают от начальной температуры до 65-68^oC со скоростью нагрева 1,5^oC (реальное время нагрева составляет 30-40 мин), вводят гипохлорит щелочного или щелочноземельного металла (калия, кальция, натрия) в количестве 0,2-0,8% к СВ и сульфат аммония в количестве 0,1% к СВ, выдерживают зерновой субстрат при перемешивании и температуре 65-68^oC в течение 1 ч, охлаждают до 50-55^oC, ферментолиз проводят амилосубтилином, взятым в количестве 0,5-0,6% к СВ при температуре 50^oC в течение 1,5-2,5 ч. Выращивание дрожжей ведут на культуре Candida Tropicalis штамм ЦМПМ У-444 в условиях аэрации на питательной среде, содержащей в качестве источника углеводов отруби пшеницы, ржи или муку, питательные соли и микроэлементы, с последующим выделением целевого продукта. Выращивание ведут при pH 4-5, температуре 32-24^oC и скорости протока 0,15-0,21/ч.

В результате тепловой предобработки, состоящей в нагреве субстрата от начальной температуры до 65-68^oC со скоростью нагрева 1,5^oC/мин в присутствии гипохлорита щелочного или щелочноземельного металла (кальция, калия, натрия) и сульфата аммония зерновой субстрат (как вариант отруби пшеницы, ржи или мука) приходит в состояние клейстеризации, при котором вязкость субстрата возрастает до 20 сПз.

Совместное использование гипохлорита кальция (или калия, натрия) с сульфатом аммония способствует освобождению атомарного кислорода (т.е. сульфат аммония является активатором гипохлорита) и одновременно дезактивирует активный хлор, содержание которого в присутствии сульфата аммония снижается до нуля.

Выдержка субстрата при перемешивании и температуре 65-68^oC в течение 1 ч способствует установлению одинаковой температуры по всему объему субстрата.

Проведение ферментолиза амилосубтилином, взятым в количестве 0,5-0,6% к СВ при температуре 50^oC в течение 1,5-2,5 ч увеличивает выход редуцирующих веществ в раствор. Клейстеризация субстрата делает субстрат более доступным действию α--амилазы, входящей в состав амилосубтилина. После тепловой предобработки и ферментолиза содержание редуцирующих веществ в субстрате составляет 15-20% Увеличение содержания амилосубтилина, повышение температуры более 50^oC при длительности ферментолиза более 2,5 ч не приводит к росту РВ в растворе.

При подогреве зернового субстрата от начальной температуры до 65^oC со скоростью нагрева 1,5^oC/мин зависимости количества редуцирующих веществ в субстрате от дозировки гипохлорита имеет экстремальный характер.

На чертеже приведен график экстремальной зависимости содержания редуцирующих веществ в субстрате при тепловой предобработке в присутствии гипохлорита кальция в течение 1 ч.

В табл.1 приведены данные по скоростям подогрева зернового субстрата от начальной температуры до конечной 65-68^oC и модуле разбавления 1:8, из которых видно, что оптимальной является скорость нагрева 1,5^oC. Проведение тепловой предобработки до меньшей температуры 50-60^oC или с другой скоростью нагрева не приводит к клейстеризации зернового субстрата и достижению максимального выхода РВ и ХПК.

В табл. 2 представлены данные по выбору оптимальной концентрации гипохлорита при скорости нагрева 1,5^oC/мин. В диапазоне дозировки гипохлорита 0,2-0,8% к СВ величина РВ имеет экстремальное значение. Оптимальной является концентрация ГПХ 0,5% к СВ.

В табл. 3 для условий табл. 1 и 2 (оптимальной скорости нагрева 1,5^oC/мин и концентрации ГПХ 0,5% к СВ) определена оптимальная дозировка сульфата аммония. Показано, что начиная с концентрации сульфата аммония 0,1% к СВ содержание остаточного хлора в субстрате не обнаруживается.

Пример 1. Ржаные отруби, измельченные до размера не более 1 мм, разбавляются водой (гидромодуль 1:8) и нагреваются от начальной температуры до 65^oC со скоростью нагрева 1,5^oC/мин до состояния клейстеризации. В полученный зерновой субстрат вводят сульфат аммония 0,1% к сухому веществу и гипохлорит кальция 0,5% к сухому веществу, выдерживают при температуре 65^oC в течение 1 ч, охлаждают до 50-55^oC и обрабатывают амилосубтилином в количестве 0,5% к сухому веществу и выдерживают при температуре 50^o в течение 1,5-2,5 ч. После предобработки содержание РВ в растворе 19,5% от исходных СВ, ХПК 76% Выращивание дрожжей на культуре Candida Tropicalis штамм ЦМПМ У-444 осуществляют в условиях аэрации на питательной среде, содержащей: азот общий 700 мг/л, азот аммонийный 470 мг/л, фосфор 2500 мг/л, микро- и макроэлементы: К⁺ 1500 мг/л.

Выбор оптимальных режимов термореагентной обработки (переменные параметры: темп подогрева, дозировка ГПХ, сульфата аммония).

Исходные параметры: конечная температура 65-68^o, гидромодуль 1:8 Оптимальная скорость подогрева 1,5^oC/мин.

Исходные параметры те же, что и в табл. 1 при скорости подогрева 1,5^oC/мин с вводом ГПХ Ca (табл.2).

Исходные параметры те же, что и в табл. 2 с вводом ГПХ Ca 0,5% к СВ и сульфата аммония (табл.3).

Na⁺ 400 мг/л, Ca⁺⁺ 14 мг/л, Mg⁺⁺ 440 мг/л, Ge⁺⁺ 2,6 мг/л, Cu⁺⁺ 0,2 мг/л, Zn⁺⁺ 1,2 мг/л, Mn⁺⁺ 4 мг/л. Выращивание ведут при pH 4-5, температуре 32-34^oC, скорости разбавления 0,15-0,2 1/ч. После окончания процесса дрожжевую биомассу подвергают выпарке и распылительной сушке. В результате процесс получения биомассы характеризуется следующими показателями: биохимический коэффициент расхода органических веществ на биосинтез 0,56 (1/0,56=1,78), расходный коэффициент по зерновому сырью 1,25; доля РВ в общем количестве органических веществ, пошедших на биосинтез 33,16% содержание белка в продукте 42% уровень инфицированности среды 10² кл/м³.

Пример 2. Зерновой субстрат ржаных отрубей нагревают от 20 до 65^o со скоростью нагрева 1,5^oC/мин (общее время нагрева 30-40 мин), вводят сульфат аммония 0,1% к сухому веществу и гипохлорит кальция 0,2% к СВ. При этом содержание РВ 14,5% ХПК% 67,9% от исходных СВ. Далее как в примере 1. Процесс получения биомассы характеризуется следующими основными показателями: расходный коэффициент по сырью 1,30; содержание белка 37,5% уровень инфицированности среды 1,2·10² кл/м³.

Пример 3. То же по примеру 2 с вводом гипохлорита (ГПХ) Ca в количестве 0,1% к исходному СВ. Содержание РВ в растворе 13,9% к СВ, ХПК 66,4% Расходный коэффициент на стадии выращивания биомассы 1,35; содержание белка 31,2% уровень инфицированности среды 2·10² кл/м³.

Пример 4. То же по примерам 2, 3 с вводом ГПХ в количестве 0,9% к СВ. Содержание РВ в растворе 17,8% ХПК 67,8% к СВ. На стадии выращивании расходный коэффициент 1,31; содержание белка 38% уровень инфицированности среды 1,3·10² кл/м³.

Пример 5. То же по примерам 2-4 с вводом ГПХ 1,3% к СВ. Содержание РВ в растворе 15,5 ХПК 67,5% Расходный коэффициент 1,34; содержание белка 35,1% Инфицированность 1,4·10² кл/м³.

Пример 6. То же по примерам 2-5 с вводом ГПХ 1,8% к СВ. Содержание РВ - 8,2% ХПК 64,2% Расходный коэффициент 1,42. Содержание белка 33,6% инфицированность 1,5·10² кл/м³.

Пример 7. Зерновой субстрат пшеничных отрубей нагревают от 20 до 65^o со скоростью нагрева 1,5^oC/мин (общее время нагрева не более 1 ч), вводят сульфат аммония 0,1% к СВ и гипохлорит натрия 0,5% к СВ. Далее как в примере 1. Содержание РВ 8,6% ХПК 41,4% к СВ. Расходный коэффициент 1,28; содержание белки 39,4% Уровень инфицированности 1,5·10² кл/м³.

Пример 8. То же по примеру 7 с вводом ГПХ калия 0,8% к СВ. Содержание РВ 9,9% ХПК 45% к СВ. Расходный коэффициент 1,30; содержание белка 38,6% Уровень инфицированности 1,7·10² кл/м³.

Пример 9. То же по примерам 7,8 с вводом ХПХ кальция 1,0% к СВ. Содержание РВ 8,2% ХПК 41,4% к СВ. Расходный коэффициент 1,37; содержание белка 36% Уровень инфицированности 1,5·10² кл/м³.

Пример 10. В качестве исходного сырья используют ржаную муку. Режим предобработки оптимальный: гидромодуль 1:8; конечная температура нагрева 65-68^o; скорость нагрева 1,5^oC/мин; дозировка ГПХ кальция 0,5% к СВ, сульфата аммония 0,1% к СВ. Результаты: ХПК субстрата 69,8% к СВ; РВ 19,5% к СВ; содержание белка 44,8% Уровень инфицированности 10² кл/м³.

Сравнительные качественные показатели по готовому продукту в предлагаемом способе и аналоге приведены в табл. 4.

Достигнутые технологические показатели получены в условиях эксперимента на пилотной установке в использованием ферментера типа "Абитекс" объемом 5 л с числом оборотов мешалки 60 об/мин и расходом воздуха 400 л/мин.

При реализации предложенного способа в промышленных условиях на ферментерах АДР-76 эти показатели значительно повысятся. В частности следует предполагать достижение содержания белка в готовом продукте 45-48% в варианте ржаных отрубей.

Формула изобретения

Способ получения биомассы из отходов зернопроизводства, предусматривающий измельчение исходного сырья, добавление воды, ферментолиз и выращивание дрожжей в условиях аэрации на питательной среде с последующим выделением целевого продукта, отличающийся тем, что после разбавления измельченного сырья водой полученный субстрат нагревают со скоростью 1,5^oС/мин до температуры 65 68^oС в присутствии гипохлорита щелочного или щелочно-земельного металла в количестве 0,2 0,8% к СВ и сульфата аммония в количестве 0,1% к СВ, затем выдерживают при этой температуре и перемешивании в течение часа, а ферментолиз проводят амилосубтилином, взятым в количестве 0,5 0,6% к СВ при температуре 50^oС в течение 1,5 2,5 ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3