В двухстадийных режимах перколяционного гидролиза боле полно учитывается различие в реакционной способности гемицеллюлоз и целлюлозы. По двухстадийным режимам проводится раздельная выдача гемицеллюлозного гидролизата или фурфуролсодержащих паров и гексозного гидролизата.
В настоящее время в промышленных условиях на предприятиях дрожжевого профиля применяют методы гетерогенно-гомогеного жидкофазного высокомодульного одно- и двухстадийного перколяционного гидролиза растительного сырья разбавленной минеральной кислотой в аппаратах периодического действия [1].
1.3 Сырье для производства кормовых дрожжей
Получение кормовых дрожжей основано на максимальной скорости образования дрожжами биомассы в питательной среде, содержащей все элементы, необходимые для их жизнедеятельности. В промышленных условиях для производства кормовых дрожжей применяют следующие питательные среды [3]:
1. Пентозно-гексозные гидролизаты, получаемые при гидролизе всех полисахаридов, содержащихся в растительном сырье. Эти гидролизаты представляют собой сложную смесь различных органических соединений, утилизируемых дрожжеподобными грибами. К ним относятся гексозные (глюкоза, фруктоза, манноза, галактоза) и пентозные (ксилоза, арабиноза) сахара. В качестве энергетического материала дрожжи используют органические кислоты − уксусную и частично левулиновую.
2. Гексозные гидролизаты, получаемые гидролизом целлолигнина, который остается после удаления пентозанов при получении фурфурола или ксилита.
3. Предгидролизаты, состоящие из продуктов гидролиза гемицеллюлоз. Они получаются при водном или кислотном гидролизе гемицеллюлоз древесины. Водные предгидролизаты, содержащие декстрины, предварительно инвертируются.
4. Сульфитный щелок, получаемый при варке хвойной и лиственной древесины и содержащий гексозы, пентозы и органические кислоты.
5. Барда гидролизно- и сульфитно-спиртовых заводов, состоящая из пентоз и органических кислот.
6. Отеки, получаемые при производстве кристаллической ксилозы и глюкозы из различных растительных отходов.
1.4 Стадии получения кормовых дрожжей
Для выращивания кормовых дрожжей необходимо получить биологически доброкачественные субстраты, что осуществляется в ходе технологического процесса подготовки гидролизатов и других сред к биохимической подготовке. Эта подготовка состоит в инверсии декстринов и олигосахаридов до моносахаридов, нейтрализация избыточной кислотности, осветления, очистки, охлаждения до оптимальной температуры и освобождения от вредных веществ, неблагоприятно отражающихся на размножении и росте дрожжей [1].
Необходимо отметить ряд особенностей подготовки субстратов к выращиванию кормовых дрожжей: обогащение среды фосфором, азотом и калием, подача аммиачной воды в дрожжерастильные чаны для поддержания pH среды, более глубокое охлаждение, подбор микроорганизмов и получение чистой культуры, разбавление сусла до оптимальной концентрации редуцирующих веществ, подготовка и очистка воздуха. Для нормальной жизнедеятельности дрожжей и интенсивного биосинтеза белка субстрат должен содержать кроме гексозных и пентозных сахаров также азот, фосфор, калий и микроэлементы.
Для выращивания кормовых дрожжей необходимо подбирать культуры микроорганизмов, дающих в оптимальных условиях максимальный выход дрожжевой массы, синтезирующих многие витамины и другие биологически активные вещества, устойчивых к вреднодействующим веществам гидролизной среды, способных полностью использовать все ее питательные вещества. В дрожжевой промышленности ведется работа по отбору из производственных сред новых культур, обладающих полезными свойствами. После размножения в стерильных условиях продуктивные культуры внедряют в производство. Для стабильного удерживания в дрожжерастильных аппаратах урожайной культуры дрожжей применяется подсев чистой культуры, выращиваемой в специальном отделении. Чистая культура − это дрожжи, не содержащие посторонних примесей. Приготовление чистой культуры заключается в постепенном культивировании дрожжей по особому режиму, в стерильных условиях, начиная от небольшого числа клеток в лабораторной пробирке и кончая большим количеством дрожжей в дрожжерастильных аппаратах. Аппараты, в которых происходит выращивание чистой культуры, снабжены воздухораспределительной системой, змеевиками для пологрева или охлаждения питательной среды и барботерами для пропарки [3].
На скорость накопления биомассы дрожжей большое влияние оказывает концентрация РВ в субстрате. В промышленных условиях при содержании РВ выше 1,-2,0% происходит неполная их утилизация и выращивание дрожжей идет медленно. Целесообразнее разбавлять сусло последрожжевой бражкой с целью более глубокого использования пентозных сахаров, минеральных солей, повышения выхода товарных дрожжей, экономии свежей воды и сокращения объема сточных вод. Процесс выращивания кормовых дрожжей осуществляется при энергичном потреблении кислорода, это процесс аэробный. Количество потребляемого кислорода достигает 80% от получаемого сухого вещества. Так как дрожжи усваивают только мелкодиспергированный, растворенный в жидкой среде кислород, количество его должно быть достаточно для нормального размножения и роста дрожжей. Поэтому с целью получения максимальных выходов биомассы выращивание дрожжей ведется при непрерывном и интенсивном продувании среды воздухом [2].
На скорость прироста дрожжей влияет также перемешивание окружающей среды. Хорошее перемешивание способствует диспергированию и растворению кислорода, ускорению проникновения его и питательных веществ в дрожжевые клетки, а также удалению продуктов их обмена. В дрожжерастильных аппаратах устанавливают разнообразные вохдухораспределительные системы: барботажную, систему с механическими средствами распыления и турбоаэрационную, эрлифтную, вибрационную.
Барботажная система воздухораспределения основана на принципе распыления воздуха в начале ввода его в среду. Однако уменьшение сечения отверстий для воздуха и увеличение их количества, а также применение пористых материалов привело к значительному увеличению мощности электродвигателей воздуходувных машин. Барботажная система не обеспечивает досиаточного диспергирования воздуха и интенсивного перемешивания среды, что приводит к неравномерному распределению дрожжей по высоте аппарата и снижению выхода биомассы.
Для усиления диспергирования воздуха в жидкости применяют ситемы с механическим или турбоаэрационным распылением воздуха. Измельчение крупных пузырьков воздуха в жидкости осуществляется с помощью различных вращающихся приспособлений. Однако даже применение многоярусных мешальных устройств с большим числом оборотов не обеспечивает нужной вертикальной циркуляции жидкости и воздуха.
Одной из лучших воздухораспределительных систем является эрлифтная. При этой системе воздухораспределения давление воздуха не теряется при вводе в дрожжерастильный аппарат, а используется для создания циркуляционных потоков, выравнивающих концентрацию воздуха, дрожжей, питательных веществ по всей высоте и объему аппарата. При этом неиспользованный воздух увлекается нисходящим потоком, что приводит к снижению расхода воздуха на выращивание дрожжей. Применяется также вибрационная система воздухораспределени. Преимущество этой системы состоит в том, что под влиянием выращивающегося под давлением воздуха вибрирующая пластинка производит колебательные движения, дающие наибольший эффект контактирования воздуха со средой [1].
Также применяются дрожжерастильные чаны с системой шайбового воздухораспределения в основном для выращивания дрожжей на послеспиртовой барде. Недостатком работы чанов на этой конструкции является неполное использование емкости вследствие образования мертвой зоны под шайбой, недостаточная диспергация воздуха, низкий коэффициент использования кислорода воздуха, значительный расход электроэнергии на приведение во вращение шайбовых устройств.
Одной из эффективных конструкций дрожжерастильных аппаратов является аппарат системы ВНИИгидролиза высокой производительности с вибрационно-рассредоточенной системой воздухораспредления и встроенным флотатором. В этом аппарате происходит одновременно непрерывный процесс накопления биомассы и отделение дрожжевой суспензии методом флотации.
Воздух, подаваемый в дрожжерастильные аппараты, должен быть максимально чистым и не зараженным посторонними микроорганизмами. Для освобождения воздуха от механических примесей на всасывающей линии ставят жалюзийные решетки ли фильтры, в которых происходит обеспыливание [4].
По техническим условиям, товарные кормовые дрожжи должны быть получены в сухом виде с содержанием 8-10% влаги. Для этого дрожжевую суспензию, отбираемую из дрожжерастильных чанов, сгущают, выпаривают и высушивают. Наиболее рациональным способом сгущения дрожжевой суспензии является флотирование и сепарирование. Флотационный способ основан на способности дрожжевых клеток концентрироваться в пене при продувании среды воздухом, т.е. флотироваться в пену из жидкости. Жидкость при этом обедняется дрожжами. Флотаторы применяются для сгущения дрожжевой суспензии вместо сепараторов первой группы. Флотационный метод выделения дрожжей имеет ряд преимуществ по сравнению с сепарационным: сокращается количество дорогостоящих сепараторов, следовательно и капиталовложения, сокращаются эксплуатационные расходы на ремонт сепараторов, затраты электроэнергии, надежно обеспечивается непрерывный процесс выделения дрожжей из бражки; дрожжи, получаемые способом флотирования, имеют более высокие показатели по содержанию белка, по вкусу, цвету и зольности. Извлечение дрожжей из бражки и концентрирование их происходит во флотаторе.