Способ сбраживания мелассного сусла

Изобретение относится к спиртовой промышленности. Способ заключается в добавлении к мелассе геотермальной воды, с общей минерализацией 5,2-5,4 г/л, разбавленной водопроводной водой до минерализации 4,0-4,2 г/л, до содержания углеводов 18,6 г/100 см³, 2,58 г/л гидроортофосфата аммония, концентрированной серной кислоты для достижения pH 5 из расчета 0,4-0,6 мл на 100 г мелассы, перемешивании, добавлении культуры дрожжей. Способ позволяет повысить количество этанола. 1 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к спиртовой промышленности, в частности к способам сбраживания мелассного сусла с целью получения повышенного количества этанола в сбраживаемом субстрате, и может быть использовано для производства спирта-ректификата.

Известен способ сбраживания мелассного сусла, где питательная среда содержит углеводосодержащие материалы, а именно, мелассу, а также ряд веществ, являющихся источниками минерального и азотного питания: сернокислый аммоний, гидроортофосфат аммония (прототип-контроль) [1].

Недостатком известного способа является трудоемкость технологического процесса, дополнительные затраты на приобретение питательных солей; недостаточно полное сбраживание введенного сахара и, как следствие, невысокий выход спирта.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-технической информации, а также выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения показал, что заявитель не обнаружил аналог, тождественный всем существующим признакам заявляемого изобретения. Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого научно-технического решения критерию «новизна».

Задача, стоящая перед разработчиками, заключалась в получении повышенного количества этанола в сбраживаемом субстрате. Технический результат заключается в интенсификации биосинтеза этанола (на 25%) при значительном снижении нежелательных примесных соединений.

Сущность формулы изобретения заключается в том, что способ сбраживания мелассного сырья для получения этанола, включающий смешивание мелассы, гидроортофосфата аммония, сернокислого аммония в обычной водопроводной воде, отличающийся тем, что в качестве минерального и органического питания дрожжей используют геотермальную воду нефенольного класса с общей минерализацией 5.2-5.4. г/л, разбавленную водопроводной водой до минерализации 4.0-4.2 г/л и гидроортофосфат аммония - 2.58 г/л.

Предлагаемый способ сбраживания мелассного сырья достигается тем, что для интенсификации синтеза этанола в сбраживаемой среде и снижения нежелательных примесных соединений используется питательная среда, где в качестве минерального и органического питания дрожжей служит геотермальная вода с общей минерализацией 5.2-5.4 г/л, разбавленная водопроводной водой до минерализации 4.0-4.2 г/л. Критерием для отбора природной геотермальной воды служило отсутствие радиоактивности, фенолов, свинца, ртути, лития и алюминия, степень минерализации, органолептические свойства. Вода выбранного источника характеризуется как среднеминерализованная, сульфатно-хлоридно-гидрокарбонатная натриевая следующего состава, г/л: аммоний 0.0015, натрий 1.6157, калий 0.0091, магний 0.9078, кальций 0.0112, стронций 0.0010, железо 0.0008, марганец 0.000043, цинк 0.000005, медь 0.000001, никель 0.000003, фтор 0.0013, хлор 0.7447, бром 0.902, йод 0.0006, сульфаты 1.609, гидрокарбонаты 1.1156, фосфаты 0.000024, борная 0.0201 и кремниевая 0.0434 кислоты; она содержит также органические компоненты, в том числе (мг/л): битумы - 1.8 и гумусовые вещества - 7.1.

По органолептическим показателям вода представляет бесцветную жидкость, без запаха, пресную с привкусом. Углекислота в свободной форме присутствует в количестве 143.6 мг/л, сероводород не обнаружен. При стоянии не образует осадка. В соответствии с существующей классификацией подземных вод Минздрава России такая вода относится к минеральным водам, без специфических компонентов и свойств, и может использоваться для питьевого и бальнеологического лечения. Нами ранее было установлено благоприятное влияние биологически активных веществ геотермальной воды на метаболизм хлебопекарных дрожжей, которые отличались высокой ферментативной активностью, содержанием белка, углеводов, а также улучшенной биологической ценностью за счет свободных аминокислот и минеральных веществ. Следует отметить, что разработка высокоэффективной технологии хлебопекарных дрожжей основана на аэробном процессе культивирования микроорганизмов [2, 3]. Возник биотехнологический интерес - как новая питательная среда будет влиять на жизнеспособность дрожжей в анаэробных условиях и интенсификацию спиртового брожения дрожжей S. cerevisiae Обнаружено, что дрожжи при 48 часовом технологическом процессе сбраживают концентрированные мелассные рассиропки с содержанием углеводов 18.6 г/100 см³, синтезируя при этом 9.9 об.% спирта в готовой бражке. При этом обеспечивается накопление физиологически-активной популяции дрожжей с улучшенными свойствами в инокуляте (на 56%) и среде сбраживания (на 49%).

Преимуществом заявляемого способа по сравнению с известным аналогом является то, что данный способ позволяет осуществить не только более полное сбраживание углеводов, но и получить повышенное содержание спирта при значительном снижении количества примесных соединений, вредных для живого организма и отрицательно влияющих на качество пищевого спирта.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения, приведены в примерах, таблицах и чертеже.

Пример 1.

С целью интенсификации процесса сбраживания мелассного сырья и получения активной разводки (инокулят) для дальнейшего культивирования на среде с высоким содержанием углеводов культуру дрожжей S. cerevisiae Y-503 (а.с. СССР №1284998) предварительно адаптировали многократными пересевами к периодически обновляемым мелассным питательным средам с геотермальной водой (МПСГВ) с содержанием углеводов 7.9-10.8-12.4-18.6 г/100 см³ в течение 5 суток в периодическом режиме в анаэробных условиях при температуре 30°С±1°С.

Процесс сбраживания осуществляли на адаптированных дрожжах S. cerevisiae Y-303 в течение 24 ч. глубинным методом в периодическом режиме в анаэробных условиях в лабораторной установке при температуре 30°С±1°С, рН 5 на питательной среде следующего состава г/л: меласса (в пересчете на 51.2% сахаристости) 488.74; гидроортофосфата аммония 2.58; геотермальная вода с минерализацией 4.0-4.2 г/л с определенным качественным и количественным составом, необходимым для целенаправленного синтеза этанола - остальное.

К мелассе добавляют разбавленную водой геотермальную воду до содержания углеводов 18.6 г/100 см³, 2.58 г/л гидроортофосфата аммония, концентрированную серную кислоту для достижения рН 5 из расчета 0.4-0.6 мл на 100 г мелассы; содержимое хорошо перемешивают. Стерильную питательную среду разливают по 1.35 л в сосуды вместимостью 3 л, затем засевают вегетативной культурой указанного штамма в количестве 150 мл из дрожжевой суспензии последней стадии адаптации на МПСГВ, 1 мл которой содержит 84.7 млн/мл клеток. В качестве пеногасителя используют структол - 0.1 мл/1.5 л среды. По окончании 24 часового эксперимента дрожжи отделяют от культуральной жидкости центрифугированием (5000g, 15 мин) на лабораторной стационарной центрифуге ЦЛС - 344.2. На всех этапах исследований осуществлялся контроль за функциональной морфологией дрожжевой культуры и технологическими свойствами сбраживаемого субстрата. В обездроженной зрелой бражке определяют выход этанола, остаточный сахар.

В качестве контроля используют способ сбраживания мелассного сусла для биосинтеза этанола на среде следующего состава, г/л: меласса (в пересчете на 51.2% сахаристость) 488.74; гидроортофосфата аммония 1.53; сернокислый аммоний 4.6; водопроводная вода - остальное. Состав контрольной питательной среды соответствует прототипу, широко используемому в спиртовой промышленности [1]. Процесс сбраживания на традиционной мелассной среде осуществляют также, как в опыте. Вегетативная культура из дрожжевой суспензии последней стадии адаптации на МПС содержала 54.3 млн/мл клеток. Показано значительное преимущество предлагаемого способа сбраживания мелассного сырья практически по всем показателям. По окончании 24 часового эксперимента на МПСГВ определены следующие технологические показатели сброженного субстрата и морфофизиологические свойства дрожжей:

Анализ данных, полученных в результате 24 часового сбраживания мелассной среды, показал, что количество этанола увеличилось на 15%, но ресурсы углеводного питания на среде МПСГВ дрожжевыми клетками не исчерпаны, что побудило продлить процесс сбраживания до 36 ч.

Пример 2.

Процесс сбраживания дрожжей и состав питательных сред, указанных в примере 2 аналогичны примеру 1, но с продолжительностью брожения 36 ч.

В данных условиях отмечены следующие технологические показатели сбраживаемого субстрата и морфофизиологические свойства дрожжей:

В соответствии с полученными данными, по сравнению с примером 1, отмечается уменьшение размеров клеток. Количество этанола увеличилась на 18% по сравнению с известным способом. В то же время отмечается, что технологические показатели сбраживаемого субстрата и лучшая жизнеспособность клеток дрожжей на МПСГВ является показателем продолжения процесса до 48 часов.

Пример 3.

Процесс сбраживания и состав питательных сред, указанных в примере 3, аналогичны примерам 1 и 2, но отличаются продолжительностью периода - 48 часов.

В таблице 1 и 2 приведены данные, характеризующие влияние различных питательных сред на накопление в бродящем мелассном сусле этанола, некоторых спиртов, кетонов, эфиров, альдегидов и ароматических веществ. Показано, что ресурсы углеводного питания на МПС с геотермальной водой на 48 часов культивирования были востребованы на 89%, тогда как аналогичный показатель на контрольной среде составлял 75%. Наряду с более полным усвоением углеводов обнаружено повышенное накопление этанола (на 25%) в среде сбраживания. Несомненно, что наличие в геотермальной воде таких важных минеральных веществ, необходимых для жизнедеятельности живых организмов, как К, Na, Mg, Ca, Fe, Mn, борная, кремниевая кислоты, органические вещества, в частности, гумусовые, являющиеся стимуляторами физиолого-биохимических процессов и активаторами мембранных перестроек в живой клетке, создает благоприятные условия для интенсификации спиртового брожения. Хроматограммы растворов, полученных в результате перегонки бражек на содержание летучих примесей, показали, что при идентичном качественном их составе количество синтезируемых побочных метаболитов существенно отличается. Использование геотермальной воды, как биологически активного нетрадиционного возобновляемого сырья, в составе питательной среды позволяет не только интенсифицировать процесс брожения, но и улучшить качество целевого продукта. Как видно из данных, приведенных в таблице 2, на МПСГВ синтезируется почти вдвое меньше примесных соединений, в основном за счет снижения образования высших спиртов и альдегидов по сравнению с контрольным вариантом. На чертеже показаны фотографии дрожжевых клеток и 20-ти суточных макроколоний штамма S. cerevisiae Y-503, полученные в результате 48 часового культивирования на МПСГВ (А, В) и МПС (Б, Г). Опытные дрожжевые клетки более крупные, однородные как по форме, так и величине. Культуральный показатель штамма опытных колоний составляет в диаметре 3×3 см при 2.7×2.7 см в контроле.

В результате наших исследований впервые показано влияние геотермальной воды в составе питательной среды на морфофизиологические свойства дрожжевых клеток в анаэробных условиях эксперимента. Обнаружена интересная закономерность - чем больше размер клеток, тем интенсивнее осуществляется синтез этанола, что возможно связано с более комфортными условиями для жизнедеятельности дрожжей, которые созданы за счет геотермальной воды в среде сбраживания.

Преимущество указанного способа сбраживания мелассного сырья в предлагаемом изобретении по сравнению с известным способом складывается из следующих факторов.

- Получение разводки осуществляют на МПС с геотермальной водой, что позволяет получить дрожжевую популяцию с повышенным содержанием физиологически активных клеток, способных синтезировать большее количество этанола в основной среде сбраживания.

- Показанные отличительные факторы используемые в предлагаемом изобретении позволяют направить обмен веществ по такому метаболическому пути, который способствует интенсификации углеводного обмена в сбраживаемой среде, повышенному содержанию целевого продукта брожения - спирта (на 25%) и снижению количества синтезируемых побочных метаболитов (почти вдовое) по сравнению с известным способом.

Новое решение сбраживания мелассного сырья с применением геотермальной воды может служить альтернативой существующим способам.

Библиография

1. Мариченко В.А., Метюшев Б.Д., Щвец В.Н. Технология спирта из мелассы. Изд. объединение «Вища школам, 1975. 284 с.

2. А.с. СССР №1730140, 1992, №16, с.120.

3. Патент РФ №2098484, БИ 1997, №34, с.274

Таблица 1
Технологические показатели сброженного субстрата и морфофизиологические свойства штамма Saccharomyces cerevisiae Y-503 на 48 ч культивирования в зависимости от состава питательной среды
Показатели	Состав питательной среды (г/л)
	мелассная питательная среда с геотермальной водой по новой технологии (опыт):	мелассная питательная среда по традиционной технологии (контроль):
1. меласса - 488.74 2. (NH4)2 HPO4 - 2.58. 3. геотермальная вода - остальное	1. меласса - 488.74 2.(NH4)2 HPO4 - 1.53. 3. (NH4)2 SO4 - 4.6 4. водопроводная вода - остальное
1. Этанол, об %	9.9	7.9
2. Остаточный сахар, г/100 см3	2.1	4.7
3. Выход спирта из 1 г сахара	0.60	0.58
4. Количество клеток, млн/мл	66.33	44.56
5. Форма и размер (μкм) клеток	в основном яйцевидные (85%), 6-7×7-9 округлые 4×4, 6×6, 8×8, 9×9	в основном округлые (70%), 3×3, 4×4, 5×5 яйцевидные, овально-округлые 4-5×6-9
6. Количество почкующихся клеток, %	7.0	7.13

Таблица 2
Накопление примесных соединений при сбраживании мелассных питательных сред дрожжами Saccharomyces cervisiae Y-503 на 48 ч культивирования
Продукт брожения	Единица измерения	Питательная среда
мелассная питательная среда с геотермальной водой по новой технологии (опыт)	мелассная питательная среда по традиционной технологии (контроль)
1. Ацетальдегид	мг/дм3	2153.78	3854.13
2. Ацетон	мг/дм3	13.39	13.18
3. 2-Бутанон	мг/дм3	2.53	5.14
4. Этилацетат	мг/дм3	162.4	432.68
5. Метанол	об.%	0.02	0.07
6. Пропанол-2	мг/дм3	2.8	7.76
7. Пропанол-1	мг/дм3	797.52	1493.63
8. Изобутанол	мг/дм3	260.59	482.5
9. Бутанол-1	мг/дм3	66.59	104.98
10. Изоамилол	мг/дм3	1258.67	2442
11. Гексанол	мг/дм3	16.93	39.18
12.Бутанол-2	мг/дм3	6.38	15.92
13. Кротональдегид	мг/дм3	35.54	15.37
14. Фенилалкоголь	мг/дм3	126.7	170.28
Сумма примесных соединений	мг/дм3	4903.82	9076.75
* Пробы взяты из отгона спиртовой фракции (в пересчете на безводный спирт).

Способ сбраживания мелассного сырья, включающий смешивание мелассы, гидроортофосфата аммония, сернокислого аммония в обычной водопроводной воде, перемешивание, добавление культуры дрожжей Saccharomyces cerevisiae Y-503, отличающийся тем, что к мелассе добавляют геотермальную воду нефенольного класса, с общей минерализацией 5,2-5,4 г/л, разбавленную водопроводной водой до минерализации 4,0-4,2 г/л, до содержания углеводов 18,6 г/100 см³, 2,58 г/л гидроортофосфата аммония, концентрированную серную кислоту для достижения pH 5 из расчета 0,4-0,6 мл на 100 г мелассы.