Введение. История развития производства этанола в России

Введение. история развития производства этанола в россии В России и за рубежом в ХХ столетии широкое развитие получила промышленная биотехнология. Большинство биотехнологических процессов в той или иной степени связаны с жизнедеятельностью микроорганизмов. Многие пищевые и кормовые продукты получают путём реализации различных биотехнологических процессов. Наиболее распространёнными пищевыми продуктами, полученными на предприятих пищевой промышленности, являются пекарские дрожжи, этиловый спирт, пиво, уксусная кислота, лимонная кислота, хлеб, грибы, пищевые красители и др. На биотехнологических предприятиях, не имеющих непосредственного отношения к пищевой промышленности, производят кормовые белковые добавки и целый ряд других биологически активных веществ: ферменты, аминокислоты, органические кислоты, антибиотики, витамины и др. С помощью биотехнологических процессов в настоящее время получают вакцины, сыворотки, лечебно-профилактические препараты и др. В последние годы особый интерес вызывают препараты, содержащие живые микроорганизмы (пробиотики, средства защиты растений, компостирующие добавки и др.). В 60-80-х годах прошлого столетия в Советском Союзе примером промышленной биотехнологии было производство БВК (белково-витаминных концентратов). При переходе экономики на рыночные отношения часть заводов прекратила свою работу, а остальные заводы переориентировались на получение кормовых белковых продуктов на основе зерносырья В настоящее время основным сырьём для организации биотехнологических процессов и получения ценных пищевых и кормовых продуктов является растительное сырьё, которое, подвергаясь предварительной обработке (кислотной или щелочной) или действию ферментов, является хорошим субстратом для микроорганизмов. Растительное сырьё как ежегодно возобновляемое является наиболее перспективным сырьём для промышленной биотехнологии. На Севере и в средней полосе России основные источники возобновляемого сырья − леса (хвойные и лиственные) и возделываемые зерновые культуры. В южных районах России (Кубань, Северный Кавказ) выращивают подсолнечник, кукурузу. В Астраханской области имеется тростник. Большие территории России заняты торфом. Россия имеет огромные ресурсы растительного сырья, что особенно способствует развитию биотехнологии. Наиболее значимыми производствами, основанными на биоконверсии растительного сырья, являются производства спирта, фурфурола, белковых кормовых добавок, аминокислот и других биологически активных веществ. Развитие спиртового производства в России осуществляется по трём направлениям: • производство спирта на основе биоконверсии крахмалсодержащего сырья (отходы зернопроизводства) с помощью комплексных ферментных препаратов и с применением новых штаммов дрожжей; • производство спирта на основе непрерывного процесса брожения мелассного сусла; • производство спирта при использовании нейтрализованных гидролизатов растительного сырья, полученных при воздействии минеральных кислот (преимущественно серной кислоты). В 1932-1933гг. пуск в СССР первых в мире заводов по производству синтетического каучука потребовал решения проблемы получения гидролизного этилового спирта, являющегося сырьём для этого производства. Данная задача решалась в двух направлениях: получение этилового спирта путём гидролиза целлюлозы, содержащейся в растительных материалах, и из этилена. Растительное сырьё имеет сложный состав. Количество полисахаридов и углеводов в разных видах растительного сырья колеблется от 40 до 75%, что создаёт трудности в процессе его безотходной переработки. Комплексная переработка обеспечивает полное использование сырья с получением нескольких видов продукции. В последнее десятилетие за рубежом (Канада, США, Бразилия, КНР и др.), в связи с решением сырьевых и энергетических проблем, активно ведутся работы по получению фурфурола, его производных и топливного биоэтанола на основе древесины и сельскохозяйственных отходов. Увеличение производства биоэтанола связано с ростом его применения в качестве добавки к бензину. В производстве биоэтанола за рубежом используют альтернативные технологии комплексной переработки растительного сырья. В них совмещены процессы экструзионной переработки с сернокислотным гидролизом (для целлюлозосодержащего сырья) или с ферментативным гидролизом (для зерна и отходов от переработки сельскохозяйственного сырья). ГЛАВА I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАСТИТЕЛЬНОМ СЫРЬЕ, ИСПОЛЬЗУЕМОМ В БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ 1.1 Классификация сырья Всё сырьё, использующееся в промышленных биотехнологических процессах, в зависимости от происхождения можно разбить на IV класса: I. растительного происхождения; II. животного происхождения (молочная сыворотка, экскременты животных); III. минерального происхождения (нефть, природный газ, уголь – источники получения жидких углеводородов, дизельного топлива, окисленных углеводородов - низших спиртов, газообразных углеводородов); IV. биосфера (вода и воздух – источники получения водорода, кислорода, углекислого газа). Основным источником углеводов является растительное сырьё. Всё растительное сырьё можно разбить на 5 групп: 1. древесное сырьё – побочные продукты лесопиления и деревообработки (щепа, опил, дрова) и продукты лесозаготовки (пни, сучья, вершинки); 2. сельскохозяйственное и пищевое сырьё – побочные продукты переработки сельскохозяйственного сырья (шелуха, лузга, отруби, барда спиртовых заводов, меласса, рафинадная патока, жмыхи, отходы крахмалопаточных и сахарных заводов); некондиционное зерно, картофель, травы пряно-ароматические и лекарственные, овощи и фрукты, углеводсодержащие целевые продукты пищевых заводов (сахароза, крахмал, мука соевая и кукурузная и т.д.); 3. недревесное сырьё − торф и тростник, искусственно выращенные водоросли; 4. вторичное сырьё промышленных предприятий (целлюлозосодержащее): макулатура, отходы текстильной промышленности; 5. отходы и сточные воды предприятий пищевой, целлюлозно-бумажной и микробиологической промышленности, городские отходы. Углеводсодержащее сырьё растительного происхождения по химическому составу подразделяют на целлюлозосодержащее, пентозансодержащее, крахмалсодержащее, сахарсодержащее. К целлюлозосодержащему сырью относят древесину хвойных пород, лён, джут, рами, отходы производства бумаги, типографий и др. Древесину лиственных пород, одубину (отход получения дубильных экстрактов), отходы переработки сельскохозяйственных растений, плодоовощную продукцию, а также дикорастущие растения: тростник, камыш и др. и отходы их переработки, в том числе багассу (жмых производства сахарного тростника), малоразложившийся торф относят к пентозансодержащему сырью. Крахмалсодержащим сырьём считается зерно, отруби и картофель. К сахарсодержащему сырью относят свёклу, рафинадную патоку, мелассу (отходы сахарного производства), сахарный тростник. 1.3 Крахмалсодержащее сырьё 1.3.1 Анатомическое строение зерна В зерновке различают: оболочки, эндосперм и зародыш. Оболочки разделяют на плодовую и семенную. У ячменя эти оболочки срощены. У плёнчатых культур плодовая оболочка находится под мякинной оболочкой (рис.1.2). Внешний слой эндосперма, прилегающей к семеной оболочке, это алейроновый слой. В зёрнах пшеницы, ржи, овса, кукурузы, риса этот слой состоит из одного ряда крупных толстостенных клеток; у ячменя – из двух или трёх рядов. Внутренняя часть эндосперма состоит из толстостенных клеток неправильной формы. Такие клетки называются паренхимными. В отдельной части зерна находится зародыш. В зародыше при достаточном увеличении в микроскопе можно рассмотреть почечку (будущий листок) и корешок. 1 – цветочная плёнка 2 – плодовая оболочка 3 – семенная оболочка 4 – алейроновый слой 5 – эндосперм 6 – зародыш Рис.1.2. Строение зерна 1.3.2 Химический состав зерносырья В промышленности используется метод биоконверсии ферментативного или кислотного гидролизатов зерносырья, содержащих моно- и олигосахара. В качестве крахмалсодержащего растительного сырья используются различные зерновые культуры: как голозёрные (кукуруза, рожь, пшеница), так и плёнчатые (овёс, просо, рис, ячмень), а также поражённое зерно и отруби. В зерне синтезируются полисахариды, относящиеся к двум классам: структурные (целлюлоза, гемицеллюлоза) и запасные полисахариды (крахмал, фитоглютен, фруктозаны). Структурные полисахариды образуют клеточные стенки, запасные − временный или постоянный запас связанного углерода и энергии Запасной полисахарид крахмал является основным углеводным компонентом зерносырья, он и продукты его гидролиза являются лучшими источниками углерода в процессах биоконверсии. Крахмал состоит из двух компонентов – разветвлённого амилопектина и неразветвлённой амилозы. Остатки глюкозы в линейных участках амилопектина связаны α-1,4-глюкозидными связями. Разветвление в амилопектине проходит через α-1,6- связи. Средняя длина неразветвлённой цепи в амилопектине равна 18-27 ангидроглюкозным остаткам. В амилозе цепи состоят из 3800 a-D-ангидроглюкопиранозных звеньев, которые соединены посредством α-1,4-глюкозидными связями. Принято считать, что пространственная конфигурация цепной макромолекулы амилозы имеет спиральную форму, чем отличается от формы молекулы целлюлозы. Каждый виток спирали состоит из 6 глюкозных остатков. В обычных злаках содержание амилозы колеблется в пределах от 14 до 26% от общего количества крахмала. Крахмалы различных восковидных сортов кукурузы, риса, ячменя и т.д. лишены амилозы. Остальные полисахариды называют некрахмальными (НПС). К ним относятся структурные полисахариды: гемицеллюлозы и целлюлоза. Гемицеллюлозы злаковых культур являются гетерополисахаридами. Основная цепь полисахаридов обычно состоит из остатков моносахаридов одного типа, связанных β-связями, а боковые ветви образованы другими моносахаридами, присоединёнными к основной цепи. При гидролизе гемицеллюлоз образуется ряд моносахаров: ксилоза, арабиноза, глюкоза, манноза, галактоза. Наряду с моносахаридами образуются также глюкуроновая и галактуроновая кислоты. Гемицеллюлозы зерносырья в основном состоят из пентозанов. Пентозаны (основная часть гумми) в зерносырье представлены полисахаридами ксиланом, арабинаном, арабиногалактаном, арабиноманнаном, арабиноглюканом и арабиноксиланом. Основными гемицеллюлозами клеточных стенок злаковых являются арабиноксиланы с небольшим количеством глюкуроновой кислоты, у двудольных − ксилоглюканы. Значительное количество гемицеллюлоз ячменя, овса и ржи представлены β-глюканами. Моносахариды и олигосахариды в зерне злаков и продуктах их переработки (отрубях) представлены глюкозой, сахарозой, фруктозой, раффинозой; преобладает сахароза и в небольшом количестве имеются три- и тетрасахариды. В семенах растений встречается стахиоза (соя) и вербаскоза (соя, люцерна, вика). Пектиновые полисахариды зерносырья состоят из полиуроновых кислот и нейтральных сахаров: рамнозы, галактозы, ксилозы др. Основная цепь пектинов состоит из D-галактуроновой кислоты и рамнозы. Строение пектинов определяет их свойства как структурообразователей и гелей. Целлюлозу крахмалсодержащего сырья называют клетчаткой. Наибольшее её количество наблюдается в свежеубранном зерне. При употреблении растительной пищи клетчатка растений в животных организмах улучшает пищеварение, способствует выведению из организма продуктов распада, способствует синтезу витаминов групп В и К и усвоению витамина С. Азотистые вещества в здоровом зерне представлены в основном белками (5-26%). Часть белков выполняет структурную роль, другая часть представлена ферментами. В зерне обнаружены белки: альбумины, глобулины, проламины, глютелин. Представителями альбуминов в пшенице является лейкозин, глобулинов в ячмене – эдестин, в пшенице – глютелин; проламинов – глиадин пшеницы, зеин кукурузы, гордеин ячменя, авенин овса; глютелинов – зеин кукурузы. Свободных аминокислот, амидов и пептидов немного. Содержание небелкового азота (включая аммонийный) составляет в среднем 2%. Зерновые культуры содержат легкогидролизуемые углеводы: крахмал в количестве 24-83%, гемицеллюлозы: пентозаны – 1,5-20%, β-глюканы − 0,4-4,8%; сахара – 2-5%. Много пентозанов в овсе (13-15%), ячмене (9-13%) и ржи (10%). В незрелых зёрнах ржи и пшеницы в значительных количествах найдены фруктозаны. В зернах ячменя и пшеницы присутствуют маннаны. Маннаны способны стимулировать синтез интерферона, корректировать химический состав пищевых продуктов, вызывать образование некрозов в отдельных видах опухолей, обладают адаптогеным свойством. Структурный элемент маннана – манноза обладает ростовыми, иммуномодулирующими и радиопротекторными свойствами, а также гиполипидемическим действием. Её отсутствие или дефицит приводит к блокированию биохимических процессов в организме и в дальнейшем может привести к различным заболеваниям, например таким, как сахарный диабет. Пектиновых веществ в зерне относительно немного. Отруби в сравнении с зерновыми культурами содержат меньшее количество крахмала – 11-24% и большее пентозанов – 20,64%, количество сахаров на одинаковом уровне. Содержание трудногидролизуемых полисахаридов – сырой клетчатки (целлюлозы) в пшеничных и ржаных отрубях больше, чем в зерне пшеницы и ржи, но на одинаковом уровне с содержанием этих углеводов в таких зерновых культурах, как овёс, рис и просо. Слизь семян ржи содержит около 90% пентозанов. Много слизей содержится в оболочках ржи. Клеточные стенки оболочек зерна выполняют защитную функцию, поэтому содержат до 30% целлюлозы и арабиноглюкоуроноксиланов. В плодовой оболочке зёрен злаков содержится лигнин. Клеточные стенки эндосперма и алейрона зёрен злаков преимущественно (до 90%) состоят из арабиноксиланов, β-глюканов, целлюлозы, гетероманнанов и белка. Полисахариды благодаря строению своих молекул обладают рядом таких физико-химических свойств, как сорбционные, комплексообразующие и ионообменные, а также водоудерживающей способностью и растворимостью в воде. Одним из компонентов клеточных стенок зерновых культур является вода. Её содержание зависит от природы полисахаридов матрикса, с которыми она образует ассоциаты и гелеподобные структуры, а также от степени лигнификации стенок (чем больше лигнина, тем меньше влаги). Полисахариды и белки обладают высокой способностью сорбировать воду. Особенно высокой сорбционной способностью по отношению к воде отличаются пентозаны. Они могут поглощать в 10 раз больше воды, чем составляет их масса. Растворы пентозанов имеют в 15 раз большую вязкость, чем растворы глобулярных белков. В зерне ржи больше, чем у пшеницы, развиты клеточные стенки оболочек зерна и алейронового слоя. Полисахариды ржи − полифруктозиды и пентозаны − увеличивают свою объёмную массу при гидратации в 6-8 раз, а 50% белков способно к неограниченному набуханию. Растворимость в воде полисахаридов зависит от длины их молекулярной цепи и количества ответвлений на этой цепи. В зерносырье присутствует полный набор гидролитических ферментов. Уровень активности гидролаз зависит от физиологического состояния зерна, этапа его развития. В процессе созревания зерна активность ферментов снижается и достигает определённого уровня. В процессе хранения зерна под действием ферментов идёт снижение растворимых полисахаридов. 1.4 Сахарсодержащее сырьё К сахарсодержащему сырью относят сахарную свёклу и мелассу - отход сахарного производства, а также можно отнести плодоовощную продукцию, которая используется в производстве вина и соков. Сахарная свёкла. Корнеплод свёклы покрыт наружной кожицей – перидермой, состоящей из плотных, непроницаемых для влаги опробковевших клеток. За перидермой идёт ткань коры, под которой расположена волокнистая ткань, и далее основная паренхимная ткань корня. Эта ткань совмещается с сосудистыми пучками и лубяными волокнами, придающими корнеплоду большую механическую прочность. Корнеплоды сахарной свёклы содержат 25% сухих веществ и 75% воды. В среднем в состав сухих веществ свёклы входят сахароза в количестве 17,5%; инвертный сахар – 0,1%; раффиноза – 0,02%; целлюлоза – 1,2-1,4%; гемицеллюлоза – 1,1%; пектиновые вещества - 2,5%; органические кислоты – 0,5%; азотистые вещества – 1,1%; сапонин – 0,1%; минеральные вещества – 0,6-5,8%; прочие вещества – 0,3%; в пересчёте на влажные вещества: экстрактивные безазотистые вещества - 20,9%; жир - 0,1%; сырой протеин- 1,5%. В состав органических кислот входят щавелевая, лимонная, яблочная и другие кислоты. Свекловичный сок имеет слабокислую среду рН 6,1-6,5. Из азотистых веществ свёклы белки составляют 60%, из аминокислот основную часть составляет глютаминовая кислота. В качестве органических оснований свекла содержит бетаин и холин. Меласса. Меласса − это отход производства сахара, и выход её от исходного сырья составляет 3-5%. Меласса представляет собой тёмную густую жидкость. Она содержит 75-82% сухих веществ. Качество её оценивается содержанием сахара в 100 г абсолютно сухих веществ мелассы (показатель доброкачественности). Меласса хорошего качества характеризуется доброкачественностью в пределах 57-62%. В состав сухих веществ мелассы входит сахароза в количестве 45-50%, инвертный сахар – 0,1-2%, раффиноза – 2-3%, несбраживаемые вещества – 35-40%, минеральные вещества − 8,5%. Инвертный сахар − это продукт инверсии сахарозы. В состав инвертного сахара входят левовращающая смесь глюкозы и фруктозы. Однако содержание глюкозы в мелассе несколько больше, чем фруктозы. Из трисахаридов кроме раффинозы в мелассе имеется кестоза и неокестоза (0,5-1,6%), плантеоза (0,01%). Мелассу используют в спиртовом производстве. Дрожжи Saccharomyces cerevisiae способны сбраживать и ассимилировать для синтеза биомассы сахарозу, инвертный сахар и 1/3 раффинозы. Поэтому данные сахара относят к сбраживаемым углеводам. Сумма сбраживемых сахаров составляет 40-57%. Несахара мелассы можно подразделить на безазотистые органические соединения и азотсодержащие вещества. К безазотистым органическим соединениям относят пентозаны и гексозаны, органические кислоты (в виде солей), ростовые, красящие и другие вещества. Азотсодержащие вещества представлены аминокислотами, органическими основаниями (бетаин, холин, пуриновые и ксантиновые основания), амидами, солями аммония и нитратами. Из органических кислот в мелассе имеются летучие кислоты: муравьиная (0,1-1,23%), уксусная (0,6-1,38%), пропионовая (0,01-0,3%), н-масляная (0,04- 0,6%), н-валериановая (0,02-0,2%), изомасляная (0,02-0,06%) и около 20 кислот ароматического ряда. Присутствуют также яблочная, молочная, янтарная и другие кислоты. Из нелетучих кислот обнаружены следы капроновой, каприловой, каприновой, лауриновой, миристиновой и пальмитиновой. Практически все кислоты присутствуют в мелассе в виде солей калия и кальция. В мелассе содержатся витамины (мг%): мезоинозит – 6,0; витамин РР –5,1; витамины группы В, фолиевая кислота – 0,02; биотин – 0,01. В результате карамелизации сахарозы, её реакции с аминокислотами при воздействии щелочей образуются меланоидины – красящие вещества мелассы. Большая часть красящих веществ образует истинные водные растворы, но часть их находится в коллоидном состоянии. Коллоиды – меланоиды, заряженные положительно, коагулируют при рН 8 и выше. В мелассе 4-6% веществ находится в коллоидном состоянии. При воздействии щелочей на моносахариды образуются коллоиды, имеющие отрицательный электрокинетический потенциал; они коагулируют при рН 3,2. В мелассе содержатся органические и минеральные азотистые вещества (аминокислоты – глутаминовая – 0,6-1,8%, серин – 0,7-2,5%, лейцин и излейцин – 0,6-2,9%, аминомасляная – 0,7-1,8% и др.; амины, амиды, органические основания, азотнокислые и аммонийные соли различных минеральных кислот). Содержание общего азота составляет до 1%. Только часть этого азота может усваиваться дрожжами (12-20%) и другими микроорганизмами. Из минеральных веществ в мелассе имеется до 40% К2О, от 1,5 до 4,5% МgО и 7,3-13,8% СаО от массы золы. Кроме макроэлементов в золе присутствуют микроэлементы: алюминий, железо, кремний, стронций и др. Полноценной считают мелассу, содержащую не менее 7% зольных элементов. Для биотехнологических процессов желательно иметь соотношение золы и сахара в мелассе 15:100. Меласса может содержать посторонние примеси: нефтепродукты (при плохой подготовке цистерн для перевозки мелассы), пеногасители (используются в производстве сахара при диффузии и при упаривании соков) и остатки гербицидов и пестицидов (применяются при выращивании и хранении свёклы с целью предупреждения её загнивания). Количество посторонних примесей иногда достигает 1-2% к массе мелассы. Несахара мелассы, тормозящие рост дрожжей, относят к вредным примесям: красящие вещества, диоксид серы, нитриты, летучие кислоты и остатки гербицидов и пестицидов. Химический состав мелассы, полученной на различных предприятиях, производящих сахар, различается в зависимости от сырья и особенностей технологического процесса производства сахара. Меласса разтличается по показателям кислотности (щелочная и нейтральная), буферности (с нормальной буферной ёмкостью – это 40см3, со средней буферной ёмкостью – 30-40 см3 1Н серной кислоты на 100 г мелассы). Для биохимической переработки наиболее неблагоприятной является малобуферная кислая меласса. Она содержит меньше полезных минеральных веществ: зольность 5,5-8,8%, солей калия – 2,7-3,5%; повышенное количество следующих нежелательных компонентов: инвертного сахара – 1,1-3,7%, несбраживаемых редуцирующих веществ (РВ) – 1,4-1,9%. Такая меласса имеет повышенное количество сухих веществ (более 85%) и цветность 2,4-5,8 см3. Меласса является богатой питательной средой для развития бактерий. Для предотвращения развития посторонней микрофлоры её следует подвергать термообработке или другим способам обработки (кислотой и др). К качеству мелассы предъявляются определённые требования как в спиртовом производстве, так и в дрожжевом в соответствии с техническими условиями. Основными требованиями являются: содержание сухих веществ – не должно быть ниже 75%, сахарозы – 41-50%, сумма сбраживаемых сахаров – не ниже 44%, доброкачественность – от 55 до 65, рН 6,6-8,5, отсутствие свободной извести и зараженности бактериями лейконосток. Общее количество микроорганизмов в 1г мелассы не должно превышать 15000. Цветность в 2% растворе мелассы должна быть не выше 2,0 см3 0,1Н раствора йода на 100 см3. Иногда на заводы поступает рафинадная и тростниковосахарная патока. Рафинадная патока получается в производстве сахара-рафинада. Рафинадная патока содержит 50-60% сахарозы, около 11% инвертного сахара и 3-4% минеральных веществ. Тростниковосахарную патоку получают на сахарных заводах по переработке тростникового сахара-сырца на белый сахар. Она содержит около 50% сахарозы, 6-9% инвертного сахара, 1-2% раффинозы и 3-4% минеральных веществ. Тростниковосахарная меласса содержит в больших количествах биотин, который используется в качестве биостимулятора на дрожжевых заводах. Тростниковая меласса. Состав тростниковой мелассы сильно отличается от мелассы свекловичной: содержание сахарозы составляет 22%, инвертного сахара – 30%, органических несахаров – 10%, минеральных веществ – 8%. Буферная ёмкость около 4 см3 1Н серной кислоты на 100 г мелассы. Из органических кислот в основном содержится аконитовая (3-7%). Содержание летучих кислот составляет 0,6-0,9%. Количество общего азота − 0,5-2,2%, аминного (свободных аминокислот) – 0,2-0,5%. В составе аминокислот преобладает аспарагиновая. Из витаминов содержатся следующие (мг на 100 г): тиамин 0,5; рибофлавин 0,12; пиридоксин 0,9; никотинамид 1,5; пантотеновая кислота 7; фолиевая кислота 0,02; биотин 0,15; инозит 500. Бетаин отсутствует. Сырцовая меласса. Сырцовая меласса, по данным ВНИИХП, содержит (%): сухие вещества 80-88, сахарозу 41-48, инвертный сахар 1-4, раффинозу около 2, сбраживаемые сахара 40-49, общий азот 0,15-0,40, золу 8-13, диоксид серы 0,6-1,8. Она имеет рН 5,6-7,5 и цветность 0,6-6 см3 0,1Н раствора йода. Все виды меласс используются в производстве пекарских дрожжей и в производстве этилового спирта. 2.1 Классификация методов конверсии растительного сырья Схема классификации методов конверсии в зависимости от относительной скорости движения фаз представлена на рис. 2.1. Рис.2.1. Классификация методов конверсии растительного сырья по относительной скорости движения фаз Динамические непрерывные методы характеризуются наличием определённой скорости движения жидкой фазы (газообразной фазы) относительно твёрдой фазы. Данный метод в бывшем СССР был реализован в виде перколяционного и двухфазного способов гидролиза. Рассмотренная классификация подсказывает возможность создания комбинированных методов конверсии, т.е. таких, в которых могут сочетаться статические и динамические методы конверсии в прямой и обратной последовательности. Все способы переработки растительного сырья можно разделить на три группы: физические, химические (конверсии), биологические (биоконверсии). Физическими методами конверсии являются измельчение, прессование (отжим) и др. В основе конверсии растительного сырья химическими методами лежат способы гидролиза полисахаридов кислотами, щелочами и растворами солей. К биологическим методам конверсии относят процессы ферментативного гидролиза и ферментации. В биотехнологии, как правило, все эти способы сочетаются. Рассмотрим из всех способов конверсии растительного сырья наиболее переспективные: 1. Физические – размол в вибромельницах и дробилках, прессование, экструзионная обработка, дефибрационный способ измельчения, радиолиз, ультразвук. 2. Химические (классификация по виду химического реагента): • гидролиз разбавленными кислотами  перколяционный, высоко-температурный, автогидролиз; • гидролиз концентрированными кислотами  двухфазный гидролиз (на первой фазе гидролиз концентрированной серной кислотой с непрерывной отдувкой фурфурола паром, на второй фазе гидролиз целлолигнина разбавленной серной кислотой перколяционным методом) и гидролиз галогенсодержащими кислотами; • гидролиз солями – перколяционный, экструзионная обработка с солями; • гидролиз газообразными агентами  предгидролиз в парах СО2, гидролиз в парах SO2; • щелочная делигнификация  паровой взрыв и методы выделения целлюлозы. 3. Биологические: • биоконверсия растительного сырья ферментами; • прямая биоконверсия растительного сырья микроорганизмами (выращивание микроорганизмов, различные виды брожения); • биоконверсия растительного сырья ферментами и микроорганизмами; • биоконверсия растительного сырья после химических методов гидролиза. 4. Комбинированные: • механохимические  дефибрация или размол в присутствии кислот или солей; • термохимические  прямое сжигание, пиролиз, газификация, сжижение, быстрый пиролиз, синтез метанола из газа, образующегося при термической конверсии биомассы древесины; • сочетание физических и химических методов выше перечисленных, например, радиолиз в атмосфере СО2 и др. 2.2 Теория гидролиза полисахаридов растительного сырья 2.2.1 Механизм и кинетика гидролиза полисахаридов растительного сырья в слабокислой среде В процессе гидролиза полисахаридов растительного сырья лежит реакция кислотно-каталитического расщепления гликозидных связей с присоединением ионов воды по месту возникновения свободных валентностей с получением моносахаридов. В качестве простейшего примера реакции гидролиза полисахаридов рассматривают реакцию гидролиза дисахаридов, например, целлобиозы [3,10,12]: С12Н22О11+Н2О=2С6Н12О6 целлобиоза глюкоза Данная реакция мономолекулярная. Она проходит при нагревании в присутствии ионов водорода, являющихся катализатором реакции гидролиза полисахаридов. При диссоциации кислот в водных разбавленных растворах образуется ион гидроксония (Н3О+). При гидролизе полисахаридов в присутствии разбавленой кислоты происходит протонирование ионом гидроксония кислорода гликозидной связи макромолекулы полисахарида с образованием оксониевого макроиона. В результате этого ацетальный кислород переходит в четырёхвалентное состояние, снижается устойчивость гликозидной связи, и она расщепляется с образованием двух частей макромолекул. К концу макромолекулы, содержащей гликозидный кислород, присоединяется катион водорода. А к концу другой части макромолекулы  макроиону карбония присоединяется гидроксил воды с образованием второй части макромолекулы полисахарида. Конечными продуктами реакции являются моносахариды. Поскольку в реакции участвует вода, которая находится в большом избытке, изменением концентрации её во время реакции можно пренебречь и реакцию гидролиза полисахаридов можно рассматривать как реакцию первого порядка. Катализатором реакции гидролиза полисахаридов являются ионы водорода, образующиеся в водных растворах при диссоциации кислот или солей. Чем больше ионов водорода образуется, тем выше их каталитическая активность. Наиболее сильным катализатором реакции гидролиза полисахаридов является соляная кислота, так как она полностью диссоциирует в водном растворе. Поэтому её относительную каталитическую активность принимают за единицу. В этом случае каталитическая активность других кислот и солей выражается долями единицы, например, серная кислота имеет каталитическую активность равную 0,53. Понятно, что чем выше концентрация источника ионов водорода, тем выше константа скорости гидролиза. Как в гомогенных, так и в гетерогенных условиях гидролиза полисахаридов относительная каталитическая активность источников ионов водорода различается незначительно. Относительный коэффициент устойчивости полисахаридов к гидролизу  зависит от типа глюкозидной связи и строения молекулы полисахарида. Так, -глюкозидная связь (1-4) в мальтозе гидролизуется в 2 раза быстрее, чем -глюкозидная связь (1-4) в целлобиозе. Основная цепь молекулы полисахарида в местах разветвления гидролизуется с иной скоростью, чем в линейных цепях. Для расчёта константы гидролиза полисахаридов за единицу принимают коэффициент устойчивости глюкозидных связей наиболее трудногидролизуемого полисахарида. Например, если коэффициент устойчивости к гидролизу целлобиозы принять за единицу, то для мальтозы он будет равен двум. В случае проведения реакции гидролиза полисахаридов в гетерогенной среде, за единицу принимают относительный коэффициент устойчивости к гидролизу самого трудногидролизуемого полисахарида  хлопковой гидроцеллюлозы. Целлюлоза древесины гидролизуется в 1,5 раза быстрее хлопковой целлюлозы. Для характеристики влияния температуры на скорость гидролиза полисахаридов пользуются температурным коэффициентом и энергией активации. Под температурным коэффициентом реакции понимают изменение константы скорости гидролиза при изменении температуры на 10оС. Для изотермических процессов зависимость константы скорости реакции от температуры описывается уравнением Аррениуса. Энергия активации выражает наличие у молекулы избытка энергии, необходимой для протекания реакции, и при гомогенном и гетерогенном гидролизе для глюкозы она колеблется в пределах 104-142 кДж/моль. В большинстве случаев гидролиз полисахаридов протекает в неизотермических условиях. При проведении реакции гидролиза полисахаридов в гетерогенных условиях на скорость гидролиза существенное влияние оказывает гранулометрический состав растительного сырья. Особенности кинетики гидролиза гемицеллюлоз. Процесс гидролиза гемицеллюлоз имеет свои особенности, так как гемицеллюлозы неоднородны по своему химическому составу. Гидролиз гемицеллюлоз протекает в две стадии. Первая проходит в гетерогенных условиях, при этом протекают следующие процессы: растворение водорастворимых фракций, гетерогенный гидролиз нерастворимых полисахаридов с образованием олигосахаридов, растворение олигосахаридов. Вторая стадия протекает одновременно с первой, но в гомогенных условиях. Растворившиеся олигосахариды гидролизуются до моносахаридов. Первую стадию называют гидролитическим растворением полисахаридов гемицеллюлоз, а вторую их гидролизом. Так как эти стадии проходят одновременно, то в мягких условиях гидролиза в гидролизате содержатся как олиго-, так и моносахариды. Все гемицеллюлозы растительного сырья по способности к гидролизу можно разделить на три фракции. Первая фракция составляет большую часть гемицеллюлоз. В начале гидролиза они переходят в раствор и более легко гидролизуются, подчиняясь уравнению первого порядка. Вторая фракция составляет меньшую часть гемицеллюлоз. Они в раствор переходят медленно из-за пространственных затруднений и гидролизуются с пониженной скоростью. Третья фракция составляет небольшую часть гемицеллюлоз, которая остаётся в целлюлозе между её макромолекулами и гидролизуется вместе с целлюлозой. Количество третьей фракции обычно составляет 8-10% от общего количества гемицеллюлоз. Для расчёта выхода сахара при гидролизе гемицеллюлоз приходится применять две или даже три разных константы. Величины этих констант у различных растительных тканей различны и устанавливаются экспериментально. Реакционная способность полисахаридов гемицеллюлоз различных видов сырья при их гидролитическом растворении различна. Так, для бука, подсолнечной лузги и берёзы константа скорости гидролиза равна 0,013 мин-1, для кукурузной кочерыжки и хлопковой шелухи  0,043 мин-1. Для второй фракции гемицеллюлоз этих видов сырья константы скорости гидролиза одинаковы и составляют 0,007 мин-1. Эти константы в 1000-4000 раз выше, чем константы гидролиза целлюлозы (условия гидролиза: гидромодуль =40, с Н2SO4=2%, Т=100оС). Установлено, что к концу гидролиза гемицеллюлоз при температуре 100оС выход сахаров близок к теоретическому. При этом в растворе не обнаруживаются продукты распада моносахаридов. В гомогенной среде декстрины гидролизуются до моносахаридов с высокой скоростью, с увеличением температуры скорость гидролиза повышается. Однако при температуре 130-160оС растворе обнаружены продукты распада моносахаридов. Нагревание влажных растительных материалов при достаточно высоких температурах в отсутствие минеральной кислоты также приводит к гидролизу легкогидролизуемых полисахаридов. При этом образуются не только моносахариды, но и продукты их распада, например, фурфурол. Основным катализатором этого процесса без добавления минеральной кислоты являются органические кислоты (уксусная и муравьиная). Они образуются при термообработке растительных материалов. Каталитическая активность их ниже каталитической активности серной кислоты. Процесс водной термообработки лиственного растительного сырья используется в производстве фурфурола, а лигноцеллюлозы  в производстве растительного углеводного корма и этилового спирта. Общее количество полисахаридов гемицеллюлоз, перешедшее при гидролизе растительного сырья в раствор, может быть определено по редуцирующей способности фильтрата после его инверсии и по содержанию легкогидролизуемых полисахаридов в исходном сырье и в остатке. Особенности кинетики гидролиза целлюлозы. При гидролизе древесной целлюлозы разбавленными кислотами реакция также подразделяется на две стадии: быструю и медленную. Поэтому первая гидролизующаяся фракция целлюлозы относится к легкогидролизуемым полисахаридам, а вторая – к трудногидролизуемым. Для легкогидролизуемой фракции целлюлозы константа скорости гидролиза является величиной переменной – К11, а для второй (основной) трудногидролизуемой фракции – постоянной – К111 [12]. Целлюлоза отличается от других полисахаридов низкой реакционноспособностью. Низкую реакционноспособность целлюлозы и различную её гидролизуемость объясняют следующими причинами: высокой степенью упорядоченности макромолекул, неоднородностью надмолекулярной структуры, наличием межмолекулярных водородных связей; дефектами строения элементарных звеньев. Основной причиной наличия легкогидролизуемой фракции является отсутствие упорядоченности на отдельных участках надмолекулярной структуры целлюлозы. Для повышения реакционноспособности целлюлозы применяются различные методы разрушения её надмолекулярной структуры (химические, механические, механохимические, радиационные, ультразвуковые, электрохимичесие и другие воздействия). 2.2.2 Механизм и кинетика распада моносахаридов и реальный выход сахара При нагревании водных растворов моносахаридов наблюдается их распад; идёт реакция дегидратации. Установлено, что пентозы в водных растворах распадаются с образованием фурфурола, муравьиной кислоты и гуминовых веществ: В результате дециклизации молекулы пентозы от неё отщепляется три молекулы воды и образуется непредельный гетероциклический альдегид – фурфурол. Фурфурол – неустойчивое соединение и при нагревании расщепляется с образованием муравьиной кислоты и гуминовых веществ. В процессе гидролиза растительного сырья образуется незначительное количество метилпентоз (L-рамноза и др.), одним из продуктов разложения которых является 5-метилфурфурол. В процессе ректификации фурфурола 5-метолфурфурол является хвостовой примесью и увеличивает потери его с кубовым остатком. Гексозы в водных растворах при нагревании распадаются (по этому же механизму) с образованием 5-гидроксиметилфурфурола (оксиметилфурфурол − ОМФ), левулиновой кислоты и гуминовых веществ. Оксиметилфурфурол − это неустойчивое соединение, которое также расщепляется на муравьиную кислоту, левулиновую кислоту и гуминовые вещества [2]: Гуминовые вещества – это высокомолекулярные окрашенные соединения. По мнению многих учёных, гуминовые вещества образуются в результате реакции конденсации гетероциклических альдегидов. Считается, что гетероциклические альдегиды и продукты их конденсации взаимодействуют с растворённым лигнином с образованием лигногуминового комплекса. Реакция дегидратации пентоз используется в промышленном производстве для получения фурфурола. В этих условиях уроновые кислоты декарбоксилируются с образованием пентоз: С5Н9О5СООН СО2 + С5Н10О5. Установлено [3,10,12], что реакции распада моносахаридов протекают в гомогенных условиях и также соответствуют требованиям реакции первого порядка. Кинетика реакции распада моносахаридов может быть описана следующим уравнением: dY/d=K2(b-Y), (2.7) где Y  количество моносахаридов, разложившихся за время ; b  исходное количество моносахаридов; K2  константа распада моносахаридов. В результате интегрирования этой дифференциальной зависимости получаем следующее уравнение: Y=b(1e-k2t), (2.8) где е  основание натуральных логарифмов, e-k2t  критерий распада моносахаров. Зависимость константы распада моносахаридов от условий гидролиза аналогична зависимости константы гидролиза полисахаридов от этих же условий и может быть представлена следующим образом: К2=1Н 11, где 1  относительная каталитическая активность кислоты в реакции распада сахара; Н  концентрация кислоты в растворе, г-экв/дм3; 1  относительная устойчивость моносахаридов; 1  частная константа, характеризующая зависимость скорости реакции распада моносахаридов от температуры. На рисунке 2.3. представлена зависимость соотношения константы гидролиза полисахаридов и константы распада глюкозы от температуры (1Н Н2SO4). По рисунку видно, что в интервале температур 130-180оС скорости реакций гидролиза и распада сопоставимы, но при температуре выше 180оС скорость гидролиза целлюлозы превышает скорость распада глюкозы. То есть наиболее выгодным для гидролиза целлюлозосодержащего сырья является температурный интервал 180-240оС. Зависимость константы распада глюкозы от концентрации серной кислоты (Т=20оС) представлена на рисунке 2.4. В реакциях распада глюкоза обладает наибольшей устойчивостью в сравнении со всеми другими моносахаридами. В водно-кислотных растворах моносахариды располагают в следующий ряд: глюкоза (2=1,0), галактоза (2=1,1), манноза (2=1,5), арабиноза (2=1,7), ксилоза (2=3,0). В случае изменения состава среды и других условий гидролиза данная последовательность углеводов по реакционной способности может измениться. Учитывая, что в процессе гидролиза растительного сырья в водно-кислотной среде при нагреве идут реакции гидролиза полисахаридов и распада моносахаридов, реальный выход моносахаров будет выражаться следующим уравнением: Z=a (e-K1 - e-K2) K1/ (K2 – K1), (2.9) где  - переводной коэффициент от полисахарида в моносахарид, для целлюлозы он равен 1,1. Максимальный выход моносахаридов можно вычислить, используя данное уравнение, приравняв первую производную – dZ/d к нулю и определив оптимальное время достижения максимального выхода сахара: опт=(ln K1-ln K2)/(K1-K2). (2.10) После этого данное уравнение подставим в уравнение выхода сахара и рассчитаем максимальный выход моносахаридов: . (2.11) Из уравнения (2.11) мы видим, что максимальный выход моносахаридов определяется соотношением констант скорости гидролиза полисахаридов и распада моносахаридов. При гидролизе целлюлозы максимальный выход моносахаридов можно получить при температуре более 180оС (рис. 2.3). Данное уравнение выхода сахара справедливо для одноступенчатого гидролиза какого-либо одного полисахарида. В случае гидролиза растительного сырья, состоящего из гемицеллюлоз и целлюлозы, максимальный выход моносахаридов при одноступенчатом гидролизе невозможно получить. Данные полисахариды имеют разную реакционную способность и их гидролизуют при разных условиях, т.е. путём многоступенчатого гидролиза, при постепенном повышении температуры и постоянном выведении сахара из реакционной среды. В этом случае авторы [3,12] на основании уравнения распада сахаров (2.7) предлагают следующую зависимость для расчёта реального выхода сахара: (2.12) 2.2.3 Теория гидролиза растительного сырья концентрированными кислотами [10] Гидролиз полисахаридов растительного сырья разбавленными кислотами проводят при температуре более 140оС и повышенном давлении. Теория кинетики этого процесса показала, что гидролиз растительного сырья можно проводить при более низких температурах и при более высоких концентрациях кислоты. Кинетика растворения полисахаридов в концентрированных минеральных кислотах зависит от их структуры и концентрации кислот. Известно, что гемицеллюлозы и целлюлоза начинают растворяться в соляной кислоте при концентрации 35-36% и около 39% соответственно при комнатной температуре. В серной кислоте они имеют максимальную растворимость при концентрации 56-58% и 62% соответственно также при комнатной температуре (22-25оС). При увеличении концентрации кислоты до 63,5% наблюдается минимальная растворимость целлюлозы, при дальнейшем увеличении концентрации серной кислоты растворимость её повышается, полное растворение наступает при концентрации кислоты 65% (t=30оС). Процесс растворения целлюлозы в концентрированных растворах кислот проходит через стадию её набухания. При концентрации кислоты 63,5% на поверхности целлюлозы образуется набухшая плёнка, которая снижает скорость её растворения. При растворении полисахаридов в концентрированных кислотах образуются оксониевые соединения, состав которых зависит от кислоты и её концентрации. В серной кислоте с концентрацией 62-70% образуется соединение [(C6H10O5)2 H2SO4]n, с концентрацией 75-80%  [(C6H10O5) H2SO4]n. В соляной кислоте с концентрацией 40-41% образуется соединение [(C6H10O5) НСl]n. В фосфорной кислоте с концентрацией 82-96%  [(C6H10O5)3 Н3РО4]n. В концентрированных кислотах вода находится в связанном состоянии, поэтому гидролиз полисахаридов до моносахаридов протекает в незначительных количествах. При этом наблюдается взаимодействие кислоты с моносахаридами с образованием эфиров. А также имеет место процесс реверсии моносахаридов – полимеризации моносахаридов в олигосахариды. Чем выше температура процесса и концентрация моносахаридов, тем глубже проходит процесс их реверсии. Возможно образование сложных эфиров при растворении полисахаридов в концентрированных кислотах. При высоких температурах (давлении более 6 ати) в концентрированных кислотах полисахариды растительного сырья распадаются; идёт процесс их гумификации и обугливания. Моносахариды в этих условиях подвержены реакции дегидратации. Этот процесс используют в производстве фурфурола – продукта реакции дегидратации пентоз. 2.3 Теория ферментативного гидролиза растительного сырья 2.3.1 Активность и субстратная специфичность ферментов как катализаторов Активность ферментов оценивается стандартной единицей активности. Эта величина для любого фермента означает то его количество, которое необходимо для превращения одного микромоля субстрата в 1 мин при стандартных условиях (t=25oC, оптимум рН, субстатное насыщение) и обозначается буквой Е в русском языке и буквой U в английском, французском, итальянском и немецком языках. Существует понятие молекулярной активности фермента. Её определяют как число молекул субстрата, превращённого за 1 мин одной молекулой фермента в условиях субстратного насыщения. Связь между удельной и молекулярной активностями выражается соотношением: Молекулярная активность = Е М/103, где М – молекулярная масса фермента. Живая клетка содержит функционально близкие субстраты, которые подвергаются совершенно разным типам превращений. Это возможно благодаря наличию в живой клетке ферментов, обладающих абсолютной субстратной специфичностью. Принципиальное отличие ферментов от катализаторов других типов связано не столько с уровнем активности, сколько с селективностью их действия. Для химических каталитических реакций селективность катализатора означает только функциональную специфичность, то есть способность катализатора ускорять превращения большой группы субстратов данного гомологического ряда в однородные по составу продукты реакции. Ферменты же проявляют абсолютную субстратную специфичность, то есть они способны осуществлять превращение только одного субстрата в соответствующие продукты. Поэтому в энзимологии специфичность всегда рассматривается как субстратная, а не функциональная, хотя многие ферменты обладают функциональной специфичностью. Например, фосфатазы гидролизуют только фосфорные эфиры, то есть они обладают абсолютной функциональной специфичностью – они не проводят гидролиза других типов связей. Или пептидазы расщепляют только пептиды. Но многие ферменты не являются строго специфичными, хотя их действие ограничивается узким кругом субстратов. Например, кислые фосфатазы осуществляют не только гидролиз ортофосфорных эфиров, но для некоторых субстратов обладают ещё и трансферазной активностью – способностью переносить фосфорные остатки от одного субстрата к другому. Природа действия ферментов разнообразна. Структурный анализ молекул ферментов показал наличие в них каталитического и адсорбционного центров. Адсорбционный центр построен в виде «щели» над каталитическим центром и играет роль шаблона, наложенного на каталитический участок. Адсорбционный центр обладает заданными геометрическими свойствами и таким распределением полярных и неполярных групп, которые позволяют пропускать к центру катализа и придавать необходимую ориентацию только молекулам со строго определёнными геометрическими и химическими свойствами. По своей природе каталитические участки способны осуществлять превращения широкого круга субстратов, но адсорбционные центры представляют такую возможность только немногим из них. Существует шесть классов ферментов: гидролазы, оксидоредуктазы, трансферазы, лиазы, изомеразы, лигазы. К гидролазам относят ферменты, которые расщепляют молекулы различных субстратов на две части с присоединением воды, к одной из частей присоединяется катион водорода, а к другой части – анион гидроксила. Большинство внеклеточных ферментов относят к гидролазам. Различные типы гидролаз расщепляют специфические связи. Гидролазы действуют на гликозидные, сложноэфирные, эфирные, пептидные, амидные и кислотно-ангидридные связи. Представителями этого класса ферментов являются важнейшие гликозидазы, карбогидразы, фосфатазы, липазы, рибонуклеазы. Ферменты, катализирующие процессы расщепления полисахаридов до более простых соединений с участием воды, относят к классу гидролаз, а точнее, к карбогидразам (амилазы, целлюлазы, гемицеллюлазы, полигалактуроназы, пектиназы и другие). Процесс ферментативного гидролиза растительного сырья зависит от его химического состава, от физического строения и надмолекулярной структуры клеточных стенок, определяющих доступ фермента к макромолекулам полисахаридов. Как ранее было показано, в состав растительного сырья входят разнообразные полисахариды. И для их комплексного гидролиза используют не один фермент, а несколько. Ферменты, объединённые в комплексы, обладают рядом особенностей (изменение микроокружения, кооперативность, диффузионное сопротивление среды). Это приводит к изменениям кинетических характеристик осуществляемых ферментами реакций. 2.3.2 Механизм и кинетика ферментативного гидролиза полисахаридов растительного сырья; уравнение Михаэлиса-Ментен В общем виде реакцию ферментативного гидролиза субстата (S) можно представить следующим уравнением: S + Н2О Продукты реакции. Михаэлисом и Ментен предложена схема ферментативного гидролиза, исходя из допущения, что фермент (Е) и субстрат образуют премежуточный комплекс (Е S). В их схеме принимается, что комплекс находится в равновесии с ферментом и субстратом и что комплекс разрушается с образованием продуктов реакции. Реакция ферментативного гидролиза представлена ими в следующих стехиометрических уравнениях [19]: k1 Е + S Е S, (2.12) k2 k3 Е S + Н2О Е+Продукты реакции (Р). (2.13) Зависимость начальной стационарной скорости превращения субстрата для большинства изученных ферментативных процессов выражает уравнение Михаэлиса-Ментен: Vо=dS/d=dP/d=k3[Ео][Sо]/(Км+[Sо]), (2.14) где Км=(k2+k3)/k1 – константа Михаэлиса; k1 и k2  константы скоростей равновесной реакции (2.12) образования ферментно-субстратного комплекса; k3  константа скорости реакции (2.13) разложения ферментно-субстратного комплекса. Уравнение (2.14) Михаэлиса-Ментен отражает участие в механизмах ферментативных превращений промежуточных соединений фермента с субстратом и распространяется на моно и полиферментные, а также многостадийные системы. Константа скорости k3 характеризует лимитирующую, самую медленную стадию процесса. Наиболее широко распространены ферментактивные реакции, в которых лимитирующие стадии имеют k3 100 с-1 и Км 10-4 М [20]. Для процессов ферментативного гидролиза отдельных полисахаридов разрабатываются системы кинетических уравнений. Так, для ферментативного гидролиза крахмала альфа-амилазой и глюкоамилазой разработана система кинетических уравнений [21], которая учитывает все факторы, связанные с гидролизом крахмала. Авторы этой работы пришли к выводу, что на первом этапе гидролиза крахмала роль альфа-амилазы состоит в расщеплении крахмала и обеспечении глюкоамилазы необходимым субстратом, что в результате повышает скорость образования глюкозы. В этом состоит синергизм действия двух ферментов, что выражается двумя дифференциальными уравнениями скорости реакции для альфа-амилазы и для глюкоамилазы. Когда относительная молекулярная масса субстрата экспериментально снижается до 5000, действием альфа-амилазы можно пренебречь. Скорость образования глюкозы подчиняется только уравнению скорости при использовании в качестве фермента глюкоамилазы. Каталитические параметры ферментативных реакций могут зависеть от наличия в реакционной системе различных эффекторов, таких, как активаторы, ингибиторы, ионы водорода и т.п. Вещества, подавляющие ферментативные реакции, называются ингибиторами. Все ингибиторы подразделяют на обратимые и необратимые. Среди обратимых ингибиторов различают конкурентные и неконкурентные. Конкурентные ингибиторы связываются с активным центром фермента и препятствуют связыванию субстрата с активным центром. Изменяя концентрацию субстрата, можно вытеснить из комплекса ингибитор. Неконкурентные ингибиторы связывают фермент или его комплекс с субстратом. При этом меняется конформация молекулы фермента, реакция сопровождается обратимой инактивацией каталитического центра. Известны ингибиторы более широкого спектра действия. Например, соли тяжёлых металлов  Ag, Cu, Pb, Hg инактивируют ферменты благодаря своей способности денатурировать белок. Для кинетических характеристик таких систем, содержащих эффекторы, также используют уравнение Михаэлиса-Ментен [19]. По механизму гидролитического расщепления субстратов различают ферменты эндо- и экзо-типа. Если фермент действует на концевые группы молекулы, то это фермент экзо-действия. Если фермент действует на химические связи, удалённые от концов, то это фермент эндо-действия. В настоящее время вопрос о механизме деструкции полисахаридов ферментами по типам экзо- и эндо-, а также классификация механизмов в рамках эндо-типа остаются дискуссионными. Для ферментов выделяют три способа деструкции полимеров. Первый способ называется «одноцепочечный», второй  «многоцепочечный» и третий  «комбинированный» [1,22,23]. Механизм деструкции полисахаридов по «одноцепочечному» способу является максимально упорядоченным. Молекула фермента связывается с одним концом молекулы полисахарида и полностью гидролизует её путём последовательного отщепления (обычно одинаковых по величине) фрагментов. И только после этого фермент атакует следующие молекулы полимера. По «многоцепочечному» способу деградация субстрата происходит по неупорядоченному принципу. Молекула фермента случайно атакует одну из молекул полисахарида, отщепляет от неё звено и фермент-субстратный комплекс распадается. Затем также в случайном порядке молекула фермента атакует следующую молекулу. Комбинированный способ заключается в том, что за время существования одного фермент-субстратного комплекса гидролизуется несколько связей. В данном случае идёт чередование одно- и многоцепочечного механизмов. 2.3.3 Амилолитические ферменты и механизм их действия [20-26] Субстратами для действия амилаз являются крахмал, состоящий из амилозы (13-30%) и амилопектина (70-85%), продукты частичного гидролиза крахмала и гликоген. К группе амилолитических ферментов относят  и -амилазы, глюкоамилазу, пуллуланазу, изоамилазу и другие ферменты. -Амилаза является эндоамилазой, способной к разрыву внутримолекулярных связей в высокополимерных цепях субстрата. Она гидролизует любые 1,4-глюкановые связи. -Амилаза и глюкоамилаза являются экзоамилазами, атакующими субстрат с нередуцирующего конца. -Амилаза последовательно отщепляет остатки мальтозы от концов цепей. Глюкоамилаза последовательно отщепляет остатки глюкозы от концов цепей. -Амилаза (1,4--D-глюкан-4-глюкангидролаза КФ.3.2.1.1)  водорастворимый белок с молекулярной массой 45000-60000 Да. Все -амилазы содержат от 1 до 30 грамм-атомов кальция на моль, при полном удалении кальция из молекулы фермент полностью теряет способность гидролизовать субстрат. Имеются сведения, что термостабильные -амилазы имеют молекулярную массу 14000-15000, но в их молекулах содержится в 2-3 раза больше атомов кальция. Процесс гидролиза крахмала -амилазой многостадийный. На первых стадиях накапливаются декстрины, затем появляются олигосахариды три- и тетрамальтоза, которые очень медленно гидролизуются до ди- и моносахаридов. Конечными подуктами реакции с их участием являются глюкоза и мальтоза. α-Амилаза Крахмал, гликоген α-Декстрины+мальтоза+глюкоза В зависимости от вида микроорганизма  продуцента -амилазы, -амилазы могут сильно отличаться не только по механизму действия на субстрат и конечным продуктам, но и по оптимальным условиям для проявления максимальной активности (рН 4-7, t=50-110оС). Для бактериальных -амилаз оптимум рН находится в интервале 6,5-7,0. -Амилазы действуют на нативный и клейстеризованный крахмал. Известны два вида -амилаз: термофильные (оптимальные t=55-60оС) и термостабильные (оптимальные t=80-90оС). Продуцентами термостабильных -амилаз являются бактерии Bacillus mesentericus, Bacillus diastaticus, Bacillus licheniformis (t=110оС). Стабильность термостабильной -амилазы не зависит от присутствия ионов кальция. -амилазы синтезируют микроскопические грибы Aspergillus niger, Aspergillus orizae и бактерии Bacillus subtilis, Bacillus amyloliguefaciens, Bacillus licheniformis (поставляется Ново Индастри А/С), Bacillus mesentericus, Bacillus diastaticus. -амилаза (-1,4-глюкан-мальтогидролаза, КФ 3.2.1.2)  активный белок, обладающий свойствами альбумина с молекулярной массой 50000-200000. -амилаза  это гликопротеид, содержащий от 5 до 35% углеводов. Углеводный комплекс может быть целостным фрагментом или же разделённым на индивидуальные соединения, которые прикрепляются к белку через треонин и серин. Углеводы состоят из олиго- ди- и моносахаридов. -амилаза практически не гидролизует нативный крахмал, а клейстеризованный крахмал гидролизуется ею с образованием мальтозы. Если гидролизу подвергается амилоза, то гидролиз идёт полностью до мальтозы. При гидролизе амилопектина в гидролизате накапливается 54-58% мальтозы, остальное составляют -декстрины. β-Амилаза Крахмал, гликоген Мальтоза+β-декстрины Оптимальные условия ферментативного гидролиза зависят от источника их образования. Для бактериальных -амилаз оптимальное значение рН 6,0-7,5 и температуры 30-55оС; для растительных -амилаз – рН 4,5-7,7 и температура 60оС. Источником получения -амилаз являются бактерии Bacillus mycoides, Bacillus polymyxa, Bacillus cerreus, Bacillus circulans, аскомицеты вида Streptomyces и растения ячмень, японская редька, пшеница, соевые бобы. Глюкоамилаза (-1,4-глюкан, глюкангидролаза, КФ 3.2.1.3.) широко распространена в природе. Молекулярная масса глюкоамилаз изменяется в широком интервале 26000-110000Да. В настоящее время установлено, что глюкоамилаза гидролизует нативный и клейстеризованный крахмал. Многие глюкоамилазы не только гидролизуют -1,4-глюкозидные связи, но и -1,6-связи, в случае, когда за -1,6-связью следует -1,4-связь. Линейный декстрин, имеющий 95% 1,6-связей, глюкоамилаза может гидролизовать, а разветвлённый декстрин, содержащий -1,2 и -1,3-связи, почти не гидролизует. Она также гидролизует -1,3-связь. Скорость гидролиза субстрата зависит от молекулярной массы углеводов, их структуры и последовательности чередования в них -1,4- и -1,6-связей. Отличительной особенностью глюкоамилазы является то, что она в десятки раз быстрее гидролизует высокополимиризованный субстрат, чем олиго- и дисахариды. Глюкоамилазе почти всегда сопутствуют трансглюкозидазы, которые превращают мальтозу в глюканы, что снижает глубину гидролиза крахмала. Глюкоамилаза синтезируется многими микроорганизмами и образуется в тканях животных, особенно в печени, почках, плаценте, кишечнике и т.д. Источником глюкоамилаз являются микроорганизмы Endomycyces sp., Endomycopsis bispora, Endomycopsis capsularis, Cephalosporium charticola Lindau, Cephalosporium resinae, Coniophora cerebella, Hamicola lanuginose, Lipomyces kononenkoae, Mucor rouxianus, Neurospora crassa, Neurospora sitophila, Penicillium oxalicum, Piricularia oryzae, Rhizopus delimar, Rhizopus javanicus, Rhizopus niveus, Saccharomyces cerevisiae (diastaticus), Schwanniomyces castellii, Thermomyces lanoginosus, Torula thermophilia, Trichoderma viride, Aspergillius niger, Aspergillius awamorii, Aspergillius batatae, Aspergillius cinnamomeus, Aspergillius clavatus, Aspergillius foetidus, Aspergillius phoenicis, Aspergillius saitoi. Пуллуланазы (амило-1,6-глюкозидаза, пуллан-6-глюкано-гидролаза, КФ 3.2.1.4.1)  это группа ферментов (3 типа пуллуланазы и изомилаза), разрушающих 1,6-глюкозидные связи в точке ветвления крахмальной молекулы с образованием линейных олигосахаридов. Пуллуланаза разрушает глюкозидные связи только в пуллане и амилопектине, а изомилаза – только в амилопектине. Фермент, относящийся ко II-ому типу пуллуланазы расщепляет также 1,4-связь, его называют -амилаза-пуллуланаза или амилопуллуланаза. Его конечным продуктом гидролиза является мальтоза и мальтотриоза. Пуллуланаза III-его типа (неопуллаланаза) способствует образованию глюкана с 1,4 и 1,6-связями. Пуллуланазу индуцируют следующие вещества: пуллулан, мальтоза и мальтотриоза. Её дезактивируют -циклодектрины. Оптимальными условиями ферментативного гидролиза с пуллуланазами являются температура от 30 до 100оС и рН от 5,0 до 10,0. Источником получения пуллуланазы могут быть растения (картофель, конские бобы, ячменный солод) и микроорганизмы (Streptococcus mitis, Bacillus circus var mycoides, Klebsiella pneumonial NRRh-B-5780, Bacillus acidopullulyticus, Bacillus macerans, Streptomyces flavochromogrnes и др.) [20]. В России для сельского хозяйства выпускают ферментные препараты двух групп  грибные и бактериальные. В зависимости от степени очистки эти препараты бывают технические и очищенные. Технические препараты представляют собой нативные культуры гриба (степень очистки 0, обозначение х) и культуры гриба, отделённые от культуральной жидкости и высушенные. Грибной мицелий, отделённый от культуральной жидкости, по активности выше нативных культур примерно в 3 раза (обозначение степени очистки 3х). Очищенные ферментные препараты получают путём осаждения спиртом (обозначение степени очистки 10х и 15-20х). Для препаратов, полученных глубинным способом, в название вводят букву «Г», а поверхностиным  «П». В России выпускают следующие ферментные препараты с амилолитической активностью: Амилосубтилин Г3х, Глюковамарин Пх, Амилосубтилин Г3х содержит нейтральную амилазу, слабощелочную и нейтральную протеазу, глюконазу и др. ферменты. Препарат стандартизован согласно ОСТ 59-9-72 по амилолитической активности (АС 600 ед. на 1 г препарата). Глюковамарин Пх сордержит амилазу, декстриназу, гемицеллюлазу, кислую протеазу. Стандартизован (ОСТ 59-10-72) по амилолитической (АС 36 ед. на 1 г препарата) и декстринолитической (ДС 0,12 ед. на 1 г препарата) активностям. Для полного гидролиза крахмалсодержащего сырья амилолитические ферменты используют совместно. Для этого вырабатывают мультиэнзимные ферментные препараты, которые состоят из пуллуланазы, изоамилазы, глюкоамилазы и других ферментов. Отечественные ферментные препараты МЭК-СХ-1 и МЭК-СХ-2 стандартизованы по амилолитической, β-глюконазной и целлюлолитической активностям. МЭК-СХ-2 имеет активности (ед. в г), амилазную − 570, β-глюконазную − 253, целлюлазную − 185. Данные ферментные препараты термоустойчивы по амилолитической активности. При температуре 90-95оС и времени выдержки 120 сек. они снижают свою амилазную активность на 20% и β-глюконазную – на 9%. Основными потребителями амилолитических ферментов в России являются пищевая и комбикормовая отрасли промышленности. За рубежом  в США, Японии, Франции, Англии и др. – существует крупномасштабное производство по выпуску более 120 наименований ферментных препаратов. В качестве продуцентов, как правило, используют плесневые грибы и бактерии. В России используют амилолитические ферментные препараты фирмы ЭНДЭ ИНДУСТРИАЛ КОРПОРЕЙШН. Фирма выпускает следующие амилолитические ферментные препараты: Зимаджунт НТ-340С+N, Зимаджунт НТ-340С+, Амилаза НТ-4000, Ликвамил 1200, Глюкозим Л-400С, Зимафилт Л-300С, которые также используют на спиртовых заводах России. Зимаджунт НТ-340С+N  это термостабильная бактериальная альфа-амилаза, полученная путём глубинного культивирования штамма бактерий Bacillus licheniformis. Рекомендуемые производителем оптимальные условия его действия t=65-85оС, рН 4,8-7,0 при температуре 60оС (АС не менее 340 ед. на 1 см3 препарата). Доза внесения составляет 0,3-0,6 л/т условного крахмала. Гарантийный срок хранения 12 месяцев (при температуре ниже 27оС за 12 месяцев снижение активности не превышает 10%). Зимаджунт НТ-340С+  это также термостабильная альфа-амилаза, полученная путём глубинного культивирования штамма бактерий Bacillus licheniformis. Амилолитическая активность его составляет не менее 600 ед/см3. Рекомендуемые производителем оптимальные условия его действия t=80-95оС, рН 5,5-7,0 при 60оС. Доза внесения составляет 0,3-0,5 л/т условного крахмала. Амилаза НТ-4000  это термостабильная бактериальная альфа-амилаза, полученная путём глубинного культивирования штамма бактерий Bacillus stearothermophilus (АС не менее 600 ед/см3). Рекомендуемые производителем оптимальные условия действия t=75-87оС, рН 5,5-7,0 при 60оС. Доза внесения составляет 0,2-0,6 л/т условного крахмала. Ликвамил 1200 С  это мезофильная бактериальная альфа-амилаза (АС не менее 2500 ед/см3). Оптимальная температура действия составляет 60-70оС, рН 5,5-8,0. Норма расхода составляет 0,4 л/т условного крахмала. Глюкозим Л-400С+  грибная глюкоамилаза (ГлС не менее 6000 ед/см3). Оптимальные условия действия t=55-60оС, рН 4,3-4,6. Норма расхода составляет 0,65-0,70 л/т условного крахмала. Зимафилт Л-300  это бактериальная -глюканаза (ГС=1200 ед/см3, АС=900 ед/см3). Нарма расхода составляет 0,25-0,30 л/т условного крахмала. 2.3.4. Целлюлолитические ферменты и механизм их действия [22-30] Субстратом для целлюлолитических ферменетов является целлюлоза. Целлюлолитические ферменты, разрушающие целлюлозу, синтезируются в основном грибами, относящимися к различным видам: Aspergillus amstelodamy, Aspergillus fumigatus, Aspergillus oryzae, Aspergillus terreus, Fusarium culmorum, Fusarium oxysporum, Fusarium solani, Penicillium notatum, Rhizopus oryzae, Trichoderma lignorum, Trichoderma virida, Trichoderma koningii и многие другие. Они широко распространены в природе (в почве, в организмах животных, в растельных остатках) [21]. Для более эффективного гидролиза целлюлозы можно использовать комплекс ферментов. Целлюлазный комплекс содержит 4 группы ферментов. 1. эндоглюконазы – 1,4--D-глюкан-4-глюкогидролаза (КФ 3.2.1.4), которая может неупорядочено гидролизовать в целлюлозе и в -глюканах зерна -1,4 связи и образовывать помимо целлоолигосахаридов глюкозу и целлотриозы; 2. экзо-1,4--D-глюканцеллобиогидролаза (КФ 3.2.1.91) – это целлобиогидролаза, которая отщепляет целлобиозу с нередуцирующих концов целлоолигосахаридов; 3. -D-глюкозид-глюкогидролаза (КФ 3.2.1.21) – это экзо--глюкозидаза, или целлобиаза, которая отщепляет концевые нередуцирующие остатки -D-глюкозы. 4. 1,4--D-глюкан-глюкогидролазы (КФ 3.2.1.74) – это экзо-1,4--глюкозидаза, которая отщепляет с концов глюкозные остатки. Общую схему ферментативного гидролиза комплексом целлюлазных ферментов представляют следующим образом: Эндоглюконазы – это глюкопротеиды, в состав которых входит до 40% глюкозы, маннозы, галактозы и арабинозы, ковалентно связанных с белковой частью молекулы. Считают, что углеводный компонент фермента взаимосвязан с его адсорбционной способностью. Молекулярная масса их составляет 12000-50000. Для эндоглюконаз характерно возростание скорости каталитического гидролиза олигосахаридов с увеличением длины цепи молекулы от димеров до гекса- или гептамеров. При дальнейшем увеличении количества циклов моносахаридов в молекуле более 7 (СП>7) скорость гидролиза практически не меняется. Предполагается, что активный центр эндоглюконаз содержит несколько сорбционных центров, ответственных за связывание моносахаридных остатков. Каталитический участок их активного центра обладает повышенным сродством к конформации «полукресло» глюкозил-катиона и состоит, по-видимому, из двух карбоксильных групп [22]. Механизм расщепления глюкозидной связи полисахарида  лизоцима хорошо изучен, и на основании этих исследований обощён механизм действия лизоцима эндоглюконаз [22]. Предлагается следующая последовательность процессов ферментативного катализа эндоглюконазами: искажение конформации глюкозилпироназного кольца (способствует образованию карбокатиона), общий кислотно-основной катализ карбоксильной группой (включающий протонирование гликозильного кислорода и депротонирование акцептора) и стабилизация образующегося карбокатиона карбоксилат-анионом. Но механизм каталитического действия фермента может модифицироваться в зависимости от стереохимических особенностей реакции и структуры субстрата. Механизм деструкции полисахаридов эндо-ферментами до конца не решён и остаётся в стадии дискуссии. Экзоглюконазы. Целлобиогидролазы  глюкопротеиды, основным компонентом углеводной части которых является манноза. Молекулярная масса их составляет 30000-70000 Да. Скорость гидролиза целлобиогидролазами растворимых целлоолигосахаридов возрастает с увеличением степени полимеризации субстрата от 3 до 6. На целлобиозу они не действуют. Это говорит о много - сайтовой структуре сорбционного участка активного центра целлобиогидролаз. Целлобиазы (экзо--глюкозидазы)  олигомерный белок с молекулярной массой 40000-400000 Да. Но многие -глюкозидазы относят к гликопротеидам и кислым белкам. Для глюкозидаз характерна широкая специфичность. Они могут гидролизовать глюкозидные связи. У многих -глюкозидаз отсутствует строгая специфичность, они могут гидролизовать как -D-глюкозиды, так и -D-ксилозиды, -D-фруктозиды, -D-арабинозиды. Их отличием от экзоглюконаз является то, что они быстрее гидролизуют более короткие олигосахариды. Оптимум рН их действия находится в слабокислой или нейтальной области. Экзо-1,4--глюкозидаза (экзоглюкозидазы)  это гликопротеиды, содержащие до 9% нейтральных углеводов, состоящих в основном из маннозы, небольшого количества глюкозы и глюкозамина. Молекулярная масса их составляет 45000-90000. Они отличаются от целлобиогидролаз тем, что продуктом их действия являются моносахариды (глюкоза). Эти целлюлолитические ферменты наименее изученые. Существует несколько моделей механизма действия целлюлолитического комплекса ферментов и невозможно выделить один из них. Дискуссии по этому вопросу продолжаются. Целлюлазному комплексу присущ синергизм. Количественно синергизм оценивается коэффициентом синергизма  Ксин. Коэффициен синергизма равен отношению скорости образования продуктов гидролиза при одновременном действии ферментов к сумме скоростей их индивидуального действия. Синергизм зависит от концентрации субстрата (с увеличением концентрации Ксин уменьшается и стремится к единице) и соотношения концентраций ферментов (с увеличением относительной концентрации целлобиогидролазы Ксин уменьшается и стремится к единице). Считается, что синергизм в действии целлюлазного комплекса на нерастворимую целлюлозу является проявлением кинетических особенностей последовательно и параллельно действующей полиферментной системы [22]. Целлюлолитическая активность ферментов связана с их адсорбционной способностью на целлюлозе: чем выше эта способность, тем выше эффективность процесса ферментативного гидролиза целлюлозы. Содержание индивидуальных целлюлолитических ферментов в целлюлазных комплексах варьирует в зависимости от их происхождения. В итоге кинетика и выход глюкозы в ходе ферментативного гидролиза целлюлозы для различных препаратов различны. С целью повышения выхода глюкозы необходимо предупредить накопления целлобиозы, которая является ингибитором ферментативной реакции, путём корректировки состава целлюлолитического комплекса – дополнительного введения целлобиазы из другого источника. В России широко используют ферментный препарат «Целловиридин», который получают высушиванием очищеного ультроконцентрата культуральной жидкости штаммов гриба Trichoderma viride (Tr. reesei 18б2/КК). Препарат содержит комплекс ферментов, гидролизующих некрахмалистые полисахариды растительного сырья. В промышленности производят два вида этого препарата «Целловиридин Г20х» (ТУ 9291-008-05800805-93) и «Целловиридин-5000» (ТУоп. 34588571-012-94). Характеристики ферментных препаратов приводятся в таблице 2.1. 2.1. Характеристики ферментных препаратов «Целловиридин» Наименование показателей Целловиридин Г20х Целловиридин 5000 1 2 3 Целлюлолитическая активность, 1гр ед/г 2000±200 5000±500 -глюканазная активность, 1 гр ед/г, не менее 2000 5000 Количество мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов КОЕ в 1 г 1,0∙105 1,0∙105 Споры гриба продуцента и патогенных микроорганизмов не допускаются не допускаются Оптимальное действие ферментного препарата «Целловиридин» проявляется при температуре 50±0,2оС и значениях рН 5,0±0,5. Срок хранения препарата 12 месяцев при температуре не более 25оС. Нормы внесения (ЦлА 2000 ед/г) 0,001-0,025% к массе зернопродукта. Целлюлолитическими ферментами расщепляется также основная цепь гемицеллюлозы  -D-ксило--D-глюкана, боковые цепи отщепляют глюкозидазы. В России начали производить мультиэнзимные ферментные препараты МЭК-СХ-1 и 2, обладающие целлюлолитической активностью (185 ед.на г). 2.3.5. Гемицеллюлазные ферментные препараты и механизм их действия Субстратом для гемицеллюлаз являются гемицеллюлозы. Гемицеллюлазы относятся к глюкан-гидролазам. Основная цепь ксиланов расщепляется системой ферментов с общим названием -ксиланазы, являющихся гликопротеидами. Из этой группы ферментов можно выделить следующие [26]: • эндо-1,4--ксиланаза (КФ 3.2.1.8) действует с образованием ксилоолигосахаридов, молекулярная масса фермента варьирует в пределах от 16000 до 50000; • эндо-1,3--ксиланаза (КФ 3.2.1.32) образует ксилоолигосахариды; • экзо-1,4--ксилозидаза (КФ 3.2.1.37) образует D-ксилозу, молекулярная масса фермента варьирует в пределах от 30000 до 100000; • экзо-1,3--ксилозидаза (КФ 3.2.1.72) образует D-ксилозу. Оптимум действия ксиланаз лежит в области рН 4-7 и интервале температур от 30 до 50оС. Надо отметить, что при ферментативном гидролизе ксиланов эндо-ксиланазами образующиеся ксилоолигосахариды тормозят процесс их гидролиза. Поэтому в данном случае используют совместно эндо- и экзо- ферменты. К ферментам, катализирующим расщепление гетерополисахаридов на основе маннозы, относят эндо-1,4--маннаназу (КФ 3.2.1.78), -маннозидазу (КФ 3.2.1.15) и маннан-1,4--маннобиогидролазу (КФ 3.2.1.100). Гидролиз основной цепи галактанов по Деккеру осуществляется ферментами эндо-1,4--D-галактоназой (1) (КФ 3.2.1.89) и -галактозидазой (2) (КФ 3.2.1.23) следующим образом: 1,4--D-галактан 1 Галактодекстрин 2 Галактоза Гидролиз -L-арабинанов катализируют эндо--L-арабиназы (КФ 3.2.1.99) и -L-арабинозидазы (КФ 3.2.1.55). Эндо--L-арабиназы расщепляют 1,5--L-фуранозидные связи. -L-арабинозидазы ферменты концевого действия и отщепляют арабинозу с невосстанавливающихся концов цепи у -L-арабинанов, -L-арабино--D-ксиланов, -L-арабино--D-галактанов и -L-арабинофуранозидов. Гемицеллюлазы расщепляют боковые цепи нейтральных пектиновых полисахаридов, а именно: -арабинаны, D-ксиланы, D-галактаны. В России производят ферментный препарат, стандартизованный по гемицеллюлазной активности (1000 ед. на 1 г препарата), – Ксилаваморин Г3х. Данный препарат кроме фермента гемицеллюлазы содержит целлюлазу и пектиназу. Препарат кислотоустойчив, оптимум рН лежит в интервале 5,0-5,5. Гемицеллюлазу содержат также все пектиназные ферментные препараты (Пектовамарин, Пектофоетидин, Мацеробацилин Г3х и другие) и целлюлазные (Гемицеллонигрин П10х, Целлотеррин Г10х, Целловиридин и другие). В России начали выпускать комплексные ферментные препараты (МЭК), содержащие гемицеллюлазы. За рубежом выпускают комплексные ферментные препараты, содержащие амилазы, протеазы, пектиназы, целлюлазы и гемицеллюлазы (Gellulfse Onozuka SS, Pancellase RR  фирама Yakult Honaha Co, Ltd; Zellozume  фирма Nagase; Дерасил  фирма Geva и другие). 3.3.6. Лигнинлитические ферменты [4,20-30] Ферментативная деградация лигнина может быть очень полезна и эффективна при переработке растительного сырья. Но в настоящее время ещё не найдены продуценты лигнинразрушающих ферментов для промышленного производства и учёные продолжают работать в направлении поиска микроорганизмов, способных расти на лигнинсодержащих субстратах и осуществлять разложение лигнина. Известно, что целлюлоза и лигнин разрушаются базидиальными грибами, которые образуют на поверхности гниющего дерева бурую и белую гниль. Бурая гниль активо гидролизует целлюлозу, гемицеллюлозу и деметилирует лигнин. Возбудители белой гнили (Polyporus versicolor, Pleurotus ostreatus, Poria subacide, Phanerochaete, Coriolus, Phlebia) в первую очередь действуют на лигнин и почти не деструктируют целлюлозу. Но они не осуществляют полное ферментативное разрушение лигнина. В литературе имеются сведения о физиологии большого количества микроорганизмов, способных разрушать лигнин. К ним относятся аскомицеты (Penicillium, Aspergillus), базидиальные грибы (Tyromyces lacteus, Goriolus hirsutus), несовершенные грибы (Fusarium, Altermaria); бактерии родов Achromobacter, Agrobacterium, Соrynebacterium, Nocardia, Psendomonas, Xanthomonas; актиномицеты родов Streptomyces и Thermomonospora. В работах [22,26] дан анализ источников по предполагаемому механизму деструкции лигнина, который до конца не выяснен. Предполагают, что разложение лигнина осуществляется группой лигнолитических ферментов микроорганизмов. В состав лигнолитической системы ферментов входят: • лигнинпероксидаза или лигниназа; • Мn+2 -зависимая пероксидаза; • фенолокисляющие ферменты − фенолоксидаза, монооксигеназа и диоксигеназа; • ферменты, генерирующие перекись водорода. Лигнинпероксидаза является основным ферментом лигниназной системы и катализирует большое количество реакций деструкции лигнина. Известно от 2 до 15 лигниназ. Они отличаются молекулярной массой (39-42 кДа), изоэлектрическими точками (рН 3,2-4,5), удельной активностью окисления вератрового спирта и кодируются разными генами. Мn+2 -зависимая пероксидаза окисляет полимерные красители, фенольные соединения, декарбоксилирует ванилиновую кислоту, гидроксилирует ароматические соединения, окисляет орто- и пара-дифенолы. Молекулярная масса фермента 45-47 кДа. Фермент имеет три изоформы, отличающиеся изоэлектрической точкой (4,3; 3,8; 3,5). Активность его зависит от наличия в среде Мn+2, перекиси водорода, лактата и α-гидрооксикислот. При отсутствии в среде перикиси водорода, он способен её продуцировать, окисляя некоторые восстановленные соединения. Мn+2 -зависимая пероксидаза образуется грибами, разрушающими лигнин древесины, но её роль в комплексе лигнинразрушающих ферментов до конца не установлена. К фенолоксидазам (КФ 1.14.18.1) относятся лакказа (О2: пара-дифенолоксиредуктаза), тирозиназа (О2: о-дифенолоксиредуктаза); и пироксидаза (донор: Н2О2-оксиредуктаза). Лакказа − медьсодержащий фермент, который катализирует окисление фенолов в хиноны. Фермент окисляет орто- и пара-дифенолы. Тирозиназа − медьсодержащий фермент, катализирующий две реакции: моногидроксилирование фенолов с образованием орто-дифенолов или орто-хинонов и окисление катехолов в орто-хиноны. Пероксидаза − гемсодержащий белок, катализирующий окисление органических веществ за счёт кислорода пероксида водорода. Фермент имеет большое количество функций в процессах распада лигнина, в частности, участвует в окислении орто- и пара-дифенолов. К ферментам, генерирующим перекись водорода, относятся глюкозооксидазы (КФ 1.1.3.4), пиранозооксидазы (КФ 1.1.3.10), метенолоксидазы, гликооксальоксидаза, ацил-СоАоксидаза жирных кислот. Самым сильным продуцентом перекиси водорода из них является глюкозооксидаза, окисляющая глюкозу. Пиронозооксидаза помимо глюкозы окисляет D-ксилозу, L-сорбозу, D-глюконо-1,5-лактон. Гликооксальоксидаза окисляет глиоксаль, метилглиоксаль и другие α-гидрокарбонильные и дикарбонильные субстраты. Установлено, что при биодеградации целлюлозсодержащих растительных материалов базидиальные грибы (Tyromyces lacteus, Goriolus hirsutus) синтезируют комплекс ферментов с гемицеллюлазной, ксиланазной, целлюлазной, пектиназной и лигнолитической активностями. При твёрдофазной ферментации степень биодеградации питательных субстратов на основе костры льна и соломы ржи была следующей: гемицеллюлозы разлагались на 58%, пектиновые вещества − на 94%, целлюлоза − на 53%, лигнин − на 40-45%. Было достигнуто повышение белка в продукте до 6-7%, что явно недостаточно для получения белково-углеводного корма [26]. В литературе отсутствуют результаты исследований с более высокими показателями. Решение проблемы деградации лигнина растительных материалов важно с целью реализации процесса ферментативного гидролиза целлюлозы. Основная трудность в решении проблемы деградации лигнина состоит в том, что своеобразие химического строения молекулы лигнина делает его труднодоступным для ферментных систем микроорганизмов. Природа выработала механизм защиты углеводов от разрушения микроорганизмами путём инкрустации их антимикробными веществами фенолами и полифенолами (лигнином). Поэтому найти в природе такие микроорганизмы для промышленного производства лигнинразрушающих ферментов сложная задача. 2.4. Теория процессов ферментации микроорганизмов на субстратах из растительного сырья 2.4.1. Классификация процессов ферментации микроорганизмов В предыдущих разделах мы остановились на теории получения гидролизатов растительного сырья с помощью различных ферментов. Перевод полисахаридов растительного сырья в моносахариды и олигосахариды необходимо осуществить с целью дальнейшего использования их для культивирования микроорганизмов и получения белков, аминокислот, витаминов и др. Виестур [31] систематизировал процессы ферментации и разделил их по технологическим признакам на группы в соответствии с характеристиками биореакторов и условиями выращивания микроорганизмов. В соответствии с этой классификацией процессы ферментации микроорганизмов можно разделить по следующим технологическим признакам: 1) аэробные, анаэробные; 2) периодические, непрерывные (полунепрерывные, приточные, отборно-приточные); 3) стерильные, условно-стерильные, нестерильные; 4) целевой продукт находится в клетках, вне клеток, нужна биомасса; 5) глубинные, поверхностные, биокаталитические реакции, осуществляемые при помощи клеток или их компонентов на носителях (иммобилизованные системы); 6) глубинные процессы на различных субстратах:  растворимых;  не растворимых (жидких - эмульсионных и в виде пульпы); 7) поверхностные процессы на различных субстратах:  жидких;  твёрдых. В данной книге рассматриваются только поверхностные и глубинные процессы ферментации на жидких и твёрдых субстратах с целью получения биомассы микроорганизмов как основы для получения кормовых белковых продуктов и компостов. 2.4.2. Фазы роста микроорганизмов Для управления процессами ферментации необходимо знать закономерности роста микрорганизмов в периодических и непрерывных условиях культивирования. При периодических процессах культивирования микроорганизмов глубинным способом популяция микроорганизмов проходит семь стадий развития (рисунок 2.5). I фаза называется лаг-фазой. В это время культура адаптируется к новой среде обитания. Продолжительность этой фазы зависит от физиологических особенностей микроорганизма, состава питательной среды, условий культивирования. II фаза называется фазой ускорения роста микроорганизмов. Это фаза начала деления клеток, увеличения скорости роста культуры, количества биомассы. N I II III IV V VI VII τ,ч Рис. 2.5. Фазы роста микроорганизмов N − число клеток, кл/м3. III фаза называется экспоненциальной (логарифмической) фазой роста микроорганизмов. Она характеризуется максимальной скоростью роста культуры. Логарифм числа клеток линейно зависит от времени. В результате роста культуры истощается питательная среда, накапливаются продукты метаболизма. При увеличении биомассы культуры возникают пространственные ограничения, ведущие к ухудшению контакта микробной клетки с питательной средой. Скорость роста культуры понижается и наступает IV фаза – фаза замедления роста. V фазу роста микроорганизмов называют стационарной. Количество образовавшихся живых клеток равно количеству клеток, отмерших и автолизированных. VI фазу называют фазой ускорения отмирания микроорганизмов. Количество отмирающих клеток больше количества вновь образующихся живых клеток. VII фаза – фаза отмирания, завершающаяся стадия цикла роста и развития популяции микроорганизмов. При периодическом процессе культивирования микроорганизмов с целью получения биомассы время конца процесса совпадает со временем перехода роста культуры в стационарную фазу. В случае проведения периодического процесса ферментации с целью получения продукта метаболизма время конца процесса определяется максимальным накоплением этого метаболита. Это может быть любая из стадий IV-VII. При непрерывном культивировании микроорганизмов с целью получения биомассы время пребывания биосуспензии в биореакторе должно соответствать времени окончания III фазы – логарифмической. В случае получения продукта метаболизма время пребывания биосуспензии в биореакторе должно соответствовать времени максимального накопления этого метаболита. 2.4.3. Кинетика роста микроорганизмов и биосинтеза продуктов метаболизма Продуктивность процесса культивирования микроорганизмов зависит от скорости роста популяции микроорганизмов, параметров культивирования, состава питательного субстрата и т.д. То есть процесс культивирования микроорганизмов многофакторный и однозначно математически его выразить сложно. Для его описания различные авторы использовали различные уравнения. Наиболее простое и широко используемое количественное описание влияние концентрации субстрата [S] на скорость роста микроорганизмов было дано в работах Моно. Он ввёл понятие «урожайность», которое сейчас называется экономическим коэффициентом роста –Y=|dX|/|dS|. Под экономическим коэффициентом Y понимают отношение величины прироста биомассы к количеству потреблённого субстрата питательной среды. Это понятие позволило связать концентрации биомассы и субстрата, меняющиеся во времени, и явилось одним из фундоментальных положений кинетики микробиологических процессов [19]. Наличие данной зависимости между приростом биомассы и потреблением субстрата позволило Моно предложить следующее уравнение: =mS/(Ks+S), (2.15) где   удельная скорость роста микроорганима, ч-1; m  максимальная удельная скорость роста, определённая в эксперименте, ч-1; S  концентрация субстрата, кг/м3; Ks  константа насыщения, при которой скорость накопления биомассы составляет ½ максимальной, кг/м3. Форма уравнения взята по аналогии с уравнением Михаэлиса-Ментен из кинетики ферментативного гидролиза. В процессе культивирования микроорганизмов выделяются продукты метаболизма, которые оказывают тормозящее действие на процесс ферментации. Для учёта роли субстрата и действия продуктов в реакции биосинтеза обычно используют уравнение Моно-Иерусалимского [19]: =m[S/(Ks+S)][Kps/Kps+α(S0S)], (2.16) где Kps – константа, определяемая эксперементально и зависимая от вида и физиологических особенностей микроорганизма; α – коэффициент выхода ί-го продукта по j-му субстрату. Для двухкомпонентных субстратов, один из которых глюкоза, а другой ксилоза, на основании «принципа минимума» лимитирующим фактором является концентрация пентоз (медленного звена), и зависимость скорости утилизации субстрата от его концентрации может быть описана уравнением конкурентного торможения [19]: =mS/[Ks+S +Кг(S0S)], где Кг – константа. Балашевич [32] установила, что при увеличении скорости разбавления среды остаточная концентрация сахаров возрастает, но так как гексозы утилизируются в первую очередь, то в остатке присутствуют пентозы. Лимитирующим фактором выступает концентрация гексоз. В этом случае возникает неконкурентное торможение, вызываемое избытком субстрата. Процесс описывают уравнением [13,32]: =m[S/(Ks+S)]/[1/Kpг/(1/Kpг+(S0S)], где Kpг  константа, определяемая экспериментально и зависящая от вида и физиологических особенностей микроорганизмов. Для определения скорости утилизации пентоз после утилизации гексоз используют уравнение: =mS/(Ks+S). Монахова установила, что потребление микроорганизмами смеси редуцирующих веществ идёт не со скоростью медленного звена  пентоз, а ещё с меньшей скоростью, в чём и проявляется ингибирующее действие гексоз. Это ингибирующее действие гексоз зависит от соотношения гексоз и пентоз в смеси и не зависит от концентрации субстрата при постоянном соотношении гексоз и пентоз. Скорость потребления субстрата зависит не только от скорости размножения, но и от имеющейся численности популяции, для поддержания жизнедеятельности которой дополнительно расходуется некоторое количество субстрата. Это выражают уравнением: dS/d=adX/d+bX, где а  коэффициент пропорциональности, равный количеству субстрата, расходуемого на единицу вновь образующейся биомассы; b  коэффициент основного обмена, характеризующий потребление питательных веществ на поддержание единицы массы популяции в жизнеспособном стабильном состоянии. Для описания процесса размножения микроорганизмов на растворённых субстратах (гидролизатах древесины) при изучении взаимосвязи параметров культивирования автор [32] выбрала модель Моно, Новика и Сциларда: dX/d=(-D)∙X; dS/d=(So-S)∙D–(1/Y)∙∙X, где D  дебит, ч-1. Данная модель может быть использована для выращивания микроорганизмов на пульпе зерносырья [33]. В установившемся состоянии, когда соблюдается условие dX/d=0 и dS/d=0, систему уравнений можно записать следующим образом: =D; X=(So-S)∙Y. (2.17) Тогда уравнение для удельной производительности аппарата по биомассе будет иметь вид: Р=(So-S)∙Y∙=(So-S)∙Y∙m∙S/[Ks+S+Кг∙(S0S)]. Для повышения эффективности процессов ферментации используют смешанные культуры микроорганизмов. Для поддержания нескольких видов αмикроорганизмов в хемостатной культуре учитывают их лимитирующие субстраты, удельные скорости роста, ингибирование продуктами метаболизма, вид их взаимодействия (мутуализм, комменсализм, антагонизм и т.д.). Однако зависимость удельной скорости роста от концентрации лимитирующего субстрата является основополагающей для определения результата роста смешанной культуры [19,34]. Целью многих микробиологических производств является синтез продуктов метаболизма (амнокислот, ферментов, спиртов и т.д.), большинство из которых получают в периодических или полупериодических условиях. Продукты метаболизма образуются культурой в количествах пропорциональных расходу субстрата и количеству выросшей биомассы: Р=α∙(S−So)=α∙(X−Xo)/Y, (2.18) где α =∆Р/∆S − выход продукта. Скорость накопления продуктов метаболизма (f) биомассой можно выразить следующим уравнением: dP/dτ=f∙X (2.19) Учитывая, что скорость изменения концентрации биомассы (dX/dτ) в периодических процессах выражается зависимостью: dX/dτ=μ∙Х , (2.20) приравниваем концентрации биомассы из уравнений (2.19) и (2.20) и получаем равенство: μ∙dP= f∙dX (2.21) Интегрируя выражение (2.21) при постоянных значениях μ и f, будем иметь аналогичное равенство: μ∙(Р−Ро)= f∙(Х−Хо), откуда находим Р и, используя уравнение (2.18), имеем: α∙μ= f∙Y. (2.22) На основании уравнения (2.22) и уравнения Моно получаем зависимость скорости накопления продуктов метаболизма от концентрации субстрата: f=α∙μ/Y=[α∙μm/Y]∙[S/(Ks+S)] (2.23) и зависимость выхода продукта от экономического коэффициента: α=f∙Y/μ. Уравнение (2.23) характеризует торможение образования продукта концентрацией субстрата, т.е. при снижении концентрации субстрата скорость накопления продукта уменьшается [19,34]. ГЛАВА III. СПОСОБЫ КОНВЕРСИИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ В соответствии с классификацией способов конверсии растительного сырья, изложенной в разделе 3.1, они делятся на физические; химические (классификация по виду химического реагента); биологические (биоконверсия только ферментами, биоконверсия только микроорганизмами – прямая биоконверсия; биоконверсия с использованием ферментов и микроорганизмов); комбинированные (механохимические, термохимические, сочетание механических, физических и химических). 3.1. Физические и комбинированные способы конверсии растительного сырья К физическим способам конверсии растительного сырья можно отнести измельчение, экструзию, дефибрацию, радиолиз и ультразвук. Чаще всего используют комбинированные методы конверсии, т.е. физические методы совместно с химическими и биологическими способами конверсии. Процесс экструзии. Этот процесс состоит в продавливании продукта через отверстие небольшого размера или фильеру. Процесс относится к непрерывным динамическим процессам по жидкой и твёрдой фазам. Он может быть одноступенчатым и многоступенчатым, с прямоточным или противоточным током. По сравнению с таким простым, общедоступным способом конверсии растительного сырья, как измельчение, экструзия является более эффективным способом обработки. При экструзии растительное сырьё подвергается механохимическому деформированию, а затем происходит «взрыв» продукта за счёт разности давлений в экструдере и в атмосфере. В результате гомогенная масса вспучивается и образуется продукт с микропористой структурой. В середине тридцатых годов процесс экструзии применяли для приготовления теста. Целью использования экструзионной машины являлось получение продукта требуемой формы. К концу тридцатых годов появляется оборудование фирмы «Дженерал миллс», которое применяют для экструзии предварительно проваренные смеси зерна с целью получения зерновых завтраков. В 1956г. фирма «Адамс» выпускает первый одношнековый варочный экструдер. Повышение температуры до требуемой величины для обеспечения варки осуществлялось за счёт интенсивного трения. Затем одношнековые варочно-экструзионные машины оборудуют средствами внешнего обогрева (термоподогревающими рубашками, термосопротивлениями, устройствами парового нагрева). Различают экструзию холодную (60-90 атм, 45-75оС) и горячую (50-90 атм, 200оС, 15-120 с). В лаборатории структурированных пищевых веществ ИПВ РАН разрабатывались научные основы процесса термопластической экструзии. Исследовался механизм образования структуры белковых и крахмалсодержащих продуктов, а также основные закономерности ферментативного гидролиза белков и крахмалов. Был разработан одношнековый экструдер и налажен серийный выпуск этого оборудования на консервном заводе в г. Тверь. В настоящее время налажено производство одношнековых экструдеров различной производительности (от 70 кг/ч до 1000 кг/ч). Известны марки отечественных экструдеров 2Э-60П, РЗ-КЭД-88, ВЭД-132, работающих без подогрева. В России одношнековые экструдеры широко используют в пищевой промышленности, кормопроизводстве для переработки зернового сырья. Предварительно очищенное, доведённое до влажности 12-16% измельчённое зерно (на 5-милиметровом сите остаток составляет 5-8%) подают в экструдер, где под действием высокого давления и трения зерновая масса разогревается и переходит из зоны высокого давления 3-5 МПа в область атмосферного давления. В результате происходит «взрыв» зерновой массы. Экструдированную зерновую массу охлаждают на специальном охладителе и измельчают на молотковой дробилке. Качество экструдата оценивают по органолептическим показателям (внешний вид, запах, цвет, вкус). Степень взорванности (отношение массы одинаковых объёмов размолотого зерна и размолотого экструдированного готового продукта) должна быть не менее 4, степень декстринизации − не менее 55%, влажность − не более 10%. Под действием высокой температуры и давления почти полностью уничтожаются патогенная микрофлора и плесневые грибы. По данным НИИ животноводства Лесостепи и Полесья Украины вследствие желатинизации крахмала, деструкции целлюлознолигниновых образований количество крахмала уменьшается на 12%, а декстринов – увеличивается более, чем в 5 раз. Количество сахара возрастает на 14%. Изменение углеводного состава зерна в процессе его экструзионной обработки представлено в таблице 3.1. 3.1 Углеводный состав зерна, подвергнутого измельчению и экструдированию (% в абсолютно сухом веществе) Наимено-вание зерна Способ обработки Моно-сахара Крах-мал Гемицел-люлоза Целлю-лоза Лиг-нин Декст-рины Степень деструк-циии Кукуруза Измельчение Экструдирование 3,08 11,60 49,59 31,31 27,18 31,75 4,64 3,46 2,10 1,83 1,53 2,05 19 44 Пшеница Измельчение Экструдирование 5,32 8,67 52,14 28,91 18,29 37,05 4,24 2,86 2,39 1,64 3,94 12,91 17 74 Горох Измельчение Экструдирование 2,9 4,55 29,75 17,87 26,79 38,62 6,51 5,47 3,96 3,93 1,02 3,36 12 44 Вика Измельчение Экструдирование 1,35 2,89 28,48 18,35 31,72 45,8 4,58 4,52 5,56 5,22 0,9 3,24 8 33 Экструдированию подвергают не только фуражное зерно, но и комбикорма. При барометрической обработке комбикормов улучшаются не только их санитарно-гигиенические показатели, но и вкусовые, диетические свойства, возрастает питательная ценность за счёт доступности и усвояемости питательных веществ, в первую очередь, крахмала. Экструдирование комбикормов позволяет совместить барометрическую обработку корма с приданием ему формы гранул. В России одношнековые экструдеры используют также в производстве органоминеральных удобрений, для переработки пентозан- и целлюлозосодержащего сырья. В США применяют экструдеры различных типов. К одному из них относят экструдеры с предварительным кондиционированием и подогревом смеси паром до температуры 65-100оС. При пропускании кондиционированной и подогретой смеси через экструдер от трения и давления в течение 10-20с она нагревается до температуры 110-205оС. Другой тип экструдеров характеризуется повышенным нагревом продукта под давлением (0,15-0,70 МПа) за счёт подачи пара в экструдер. В этом случае нагрев до температур 120-175оС происходит в течение 2-10 мин. Первые двухшнековые варочно-экструзионные машины фирмы «Клестраль» появились в промышленности в начале 70-х годов. Оборудование указанной фирмы отличается большой гибкостью и высокой точностью поддержания технологических параметров. Первоначально данную технологию использовали для переработки термопластичных органических полимерных материалов. Данные экструдеры использовали в текстильной, бумажной, фармацевтической, комбикормовой, зерноперерабатывающей, кондитерской, молочной и других отраслях промышленности. В настоящее время более 400 варочно-экструзионных машин успешно работает в различных областях промышленного производства. Фирма «Клекстраль» постоянно работает над совершенствованием двухшнековых варочно-экструзионных машин, предназначенных для агро-пищевой промышленности. Рабочая часть экструзионной машины представляет собой два идентичных, взаимопроникающих, вращающихся в одном направлении шнека, которые размещаются внутри корпуса. Угол наклона резьбы различный по длине шнеков. Подвод тепла может быть реализован следующими способами: индукционный нагрев, нагрев с применением электрических нагревательных элементов, паром или посредством жидких теплоносителей. В названии марки экструдера ВС-45 и ВС-160 цифра означает расстояние между центрами шнеков или межосевое расстояние. Конструкция машины представлена на рисунке 3.1. Рис. 3.1. Конструкция двухшнековой варочно-экструзионной машины: 1 - корпусные модули или печи; 2 - дополнительный нагрев; 3 - идентичные шнеки с модульными насадками; 4 - фильера; 5 - контрольно-измерительные приборы и средства автоматизации. Перерабатываемую смесь порциями подают в корпус. Затем она перемещается вдоль машины с помощью шнеков и подвергается воздействию высокого давления (более 150 атм) и температуры, которые обеспечивают быструю варку перерабатываемой массы, при этом время пребывания массы в машине не превышает 1 минуты. Повышенное давление, которому подвергается перерабатываемая масса, создаётся благодаря конструкции самих шнеков и сопротивлению фильеры, через которую продавливается экструдируемый продукт. Повышение температуры в корпусе машины обусловлено превращением механической энергии в тепловую в результате деформации структуры тканей перерабатываемых компонентов и за счёт подвода внешнего тепла. Гибкость варочно-экструзионной технологии и управляемость процессом производства обеспечиваются возможностью изменения в широких диапазонах нескольких технологических параметров. Это позволяет производить на экструзионных машинах бесконечное разнообразие новых продуктов. Взрыв перерабатываемых продуктов достигается не всегда, а часто он не требуется вовсе. Реализация взрыва продукта зависит от природы исходных сырьевых компонентов и технологических параметров процесса переработки (от температуры, вязкости, количества воды и от давления). Процесс экструзии и паровой взрыв. Метод является непрерывным по твёрдой фазе. Жидкая фаза отсутствует. Одношнековый экструдер, разработанный фирмой «Stake Technology», используют для автогидролиза растительного сырья. При автогидролизе древесина и другие виды растительного сырья подвергают обработке водяным паром без введения каких-либо катализаторов. Катализатором процессов гидролиза гемицеллюлоз и целлюлозы в этом случае служит уксусная кислота, которая отщепляется от полисахаридов. Известно, что полисахариды растительного сырья частично ацетилированы. Ацетильные группы присоеденены к ангидро--ксилопиронозным и ангидро--D-маннопиранозным элементарным звеньям при 2 и 3 углеродных атомах. В результате экструзии происходит разрыв частиц на отдельные тонкие волокна и увеличивается количество легкогидролизуемых полисахаридов. При этом гемицеллюлозы превращаются в моно- и олигосахара, а также продукты их вторичных превращений; лигнин деструктирует с образованием фракции с пониженной молекулярной массой и увеличением количества веществ, растворимых в водном растворе щёлочи. Для подачи сырья в одношнековый экструдер используют шнековый питатель. С помощью шнека сырьё запрессовывается до плотности, обеспечивающей герметичность системы. В промежуточной камере пробка разрушается, что обеспечивает равномерную пропарку сырья в реакторе. Время пребывания сырья регулируют скоростью вращения шнека. В разгрузочной камере целлолигнин вновь уплотняется шнеком, что совместно с шаровым затвором обеспечивает герметичность реактора. Таким образом, получают продукт – растительно-углеводный корм − процел. Масса поступает в циклон, после циклона – в смеситель, там же в корм задают мочевину; сушат продукт в сушильном барабане. В качестве теплоносителя используют дизельное топливо. Кормовой продукт имеет влажность менее 5%, сырого протеина 18% и рН 3,5-3,7. При добавках мочевины кислотность снижается. Для экструдирования отходов леса в СССР использовали пресс-экструдеры для карбамидных концентратов, в частности марки ПЭК-125, разработанные УкрНИИпластмасс и выпукаемые Львовским заводом. Для повышения эффективности процесса экструзии древесные отходы сочетали с торфом, соломой, зернофуражём, мочевиной. Кормосмеси содержали влаги от 8 до 20%, сырого протеина от 14% (чистый опил) до 66,6% (опил-40%, зернофураж-40%, мочевина 20%) [35]. Взрывной автогидролиз в настоящее время рассматривается как наиболее переспективный метод предварительной обработки растительного сырья перед его ферментативным гидролизом. Степень конверсии целлюлозы древесной щепы достигает 85% при последовательном проведении процессов автогидролиза (235оС, 4,34 МПа, 0,5-2 мин) и ферментативного гидролиза. При автогидролизе шелухи семян подсолнечника (200оС, 6,9 МПа, 5 мин) с последующим ферментативным гидролизом превращение целлюлозы в глюкозу за 24 ч достигает 68% и за 72 ч – 80%. Процесс экструзии и высокотемпературный гидролиз серной кислотой. Метод является непрерывным по жидкой и твёрдой фазам. Для его реализации за рубежом (США) используют непрерывный двухчервячный экструдер. Осуществляют высокотемпературный гидролиз опилок (t=220-250o C, P=2,5-5 МПа, время=25 c). Процесс разработан в Нью-Йоркском университете. Гидролизное сырьё из бункера направляют в экструдер, имеющий зоны прогрева и гидролиза. Температура в зоне прогрева <100оС, в зоне гидролиза 200-250оС и давление 3-6 МПа. Продолжительность гидролиза 25 с. Гидролизатмассу выдают в испаритель с помощью клапанного устройства, обеспечивающего герметичность аппарата. Концентрация моносахаридов в гидролизате около 10%. Выход глюкозы от целлюлозы составляет 50-55%. 3.1.3. Действие ультразвука на растительное сырьё [38] Ультразвук (УЗ) − это упругие колебания и волны в диапазоне частот 104-109 Гц. Ультразвук – эффективное физическое средство для воздействия на физико-химические свойства материалов. Ультразвуковая обработка материалов используется в различных технологических процессах (растворение, очистка, обезжиривание, обезгаживание, крашение, измельчение, пропитка, эмульгирование, экстрагирование, кристаллизация, полимеризация, предотвращение образования накипи, гомогенизация, эрозия, биохимические процессы, химические и электрохимические реакции и др.) с целью их ускорения (в 10-1000 раз), увеличения выхода продукта и повышения его качества. Метод перспективен при использовании в пищевой, фармацевтической, парфюмерной, биотехнологической и других отраслях промышленности. При распространении УЗ-колебаний в среде возникает чередование волн сжатия и разрежения, соответствующее частоте колебаний УЗ волны. Это явление называется ультразвуковым давлением. Под действием УЗ-колебаний частицы среды колеблются относительно положения их равновесия, а также смещаются. Это явление называется ультразвуковым ветром. При достаточно больших градиентах звукового давления происходит турбулизация течений в пограничном диффузионном слое. При распространении интенсивных УЗ-колебаний (1-2 Вт/см2) в жидкости образуются разрывы, в которые устремляются растворённые в жидкости газы и пар. Эти мельчайшие пузырьки называются кавитационными. Кавитационные пузырьки совершают пульсационные колебания, вокруг них образуются сильные микропотоки, приводящие к активной локальной турбулизации среды. Возникающие интенсивные микро- и макропотоки приводят к перемешиванию компонентов среды, к экстрагированию растворимых компонентов из растительного сырья и материалов, образованию стойких эмульсий и др. Таким образом, воздействие УЗ-колебаний на различные среды обусловлено эффектами кавитации, ультразвукового ветра и ультразвукового давления. Максимальное их воздействие вызвано ультразвуковой кавитацией. Оборудование для ультразвуковой обработки материалов условно подразделяют на две группы в зависимости от способа получения ультразвука. К первой группе относятся установки с гидродинамическими излучателями. Колебания в них возникают при взаимодействии потока жидкости с твёрдой излучающей системой (препятствием). Они используются в случаях, когда требуется низкая интенсивность излучения (до 40 кГц). УЗ-колебательная система излучателей второго типа состоит из преобразователя, согласующего элемента и рабочего инструмента (излучателя). УЗ-колебания возникают за счёт преобразования электрической энергии в механическую с помощью магнитострикционных и пьезоэлектрических преобразователей. Для питания УЗ преобразователей колебательных систем используют в качестве источников электроэнергии генераторы, обеспечивающие преобразование энергии промышленной частоты (50 Гц) в энергию электрических колебаний УЗ частоты. Рабочий элемент создаёт ультразвуковое поле в обрабатываемом объекте или непосредственно воздействует на него. В отдельных случаях применяют электроискровые излучатели, генерирующие в жидкости ударную волну. Известны излучатели новой конструкции фирмы «Афалина». Эти излучатели позволяют получать поля с частотами в диапазоне от 22 до 44 кГц и регулировать плотность энергии от 0 до 5 кВт/м3. Чаще всего ультразвуковую обработку растительных материалов используют в фармацевтической, парфюмерной и пищевой отраслях промышленности. В основном ультразвуковой обработке подвергается крахмалсодержащее и лекарственное сырьё, ягоды, фрукты, измельчённые до размера частиц 0,5-1,5 мм. Установлено, что в диапазоне частот 19 кГц-1 мГц при температуре 30-60оС возможно извлечь практически все известные вещества, продуцируемые растениями. Для получения соков рекомендуют озвучивание при частоте 19-22 кГц и мощности 2-10 кВт в течение 15-30 мин. 3.2. Химические способы конверсии растительного сырья К химическим методам конверсии растительного сырья относят кислотный гидролиз и способы щелочной и сульфитной его делигнификации. Методы делигнификации древесины используют в целлюлозно-бумажном производстве, поэтому они освещены в специальной литературе. Способы кислотного гидролиза имеют более широкую сферу применения (перколяционный гидролиз, двухфазный гидролиз, автогидролиз), их используют в гидролизном производстве для получения этилового спирта, кормовых дрожжей, фурфурола, глюкозы, ксилита. Данные методы гидролиза используют для трудногидролизуемого сырья, к которому относят целлюлозосодержащее и пенозансодержащее сырьё, а также для крахмалсодержащего сырья (некондиционное зерно отруби и другие отходы переработки зерна). Рассмотрим химические способы гидролиза растительного сырья согласно представленной классификации по виду химического реагента (глава III, раздел 3.1.). 3.2.1. Процессы гидролиза растительного сырья разбавленными кислотами В гидролизной промышленности России используют способы гидролиза растительного сырья разбавленными кислотами: перколяционный и автогидролиза. В основе способов гидролиза растительного сырья разбавленными кислотами лежит реакция кислотно-каталитического расщепления гликозидных связей полисахаридов с присоединением ионов воды по месту возникновения свободных валентностей с получением моносахаридов. Данной реакции сопутствует побочная реакция дегидратации пентоз с образованием фурфурола и другие реакции. При переработке древесных отходов смешанных и хвойных пород методом перколяционного гидролиза получают гидролизат, содержащий моносахариды, фурфуролсодержащий конденсат (на основе паров самоиспарения) и лигнин. В случае использования такого способа гидролиза как «автогидролиз», получают растительно-углеводный корм, или фуфуролсодержащий конденсат и растительно-углеводный корм, или фурфуролсодержащий конденсат и гексозный гидролизат. Нейтрализованные гидролизаты растительного сырья используют для получения этилового спирта, кормовых дрожжей и фурфурола, а также ксилита и глюкозы. В России для проведения данных процессов используют высокопроизводительные полые гидролизаппараты периодического действия объёмом 18-80м3 (2,3-5,7 т а.с.с/ч по времени перколяции). За рубежом для переработки сельскохозяйственных отходов и опила используют гидролизёры непрерывного действия шнекового типа и полые гидролизёры со шнековой загрузкой сырья и выгрузкой лигнина [4]. Но в России данные гидролизёры распространения не получили, из-за недостаточной производительности (70-1000 кг а.с.с./ч). Хотя исследования и опытно-промышленные работы по разработке гидролизаппаратов непрерывного действия велись [12,13]. Для каждого способа переработки древесины и сельскохозяйственных отходов существуют свои режимы гидролиза, а получаемые гидролизаты имеют различный химический состав (по содержанию гексозных и пентозных моносахаридов, а также примесей, часть из которых ингибируют процессы биосинтеза). Конструкция гидролизаппарата периодического действия [3,10,33]. Гидролизаппарат представляет из себя полый цилиндрический аппарат, корпус которого сварной из листовой стали и футерованный изнутри шамотным кирпичём. Футеровка гидролизаппаратов сокращает их полезный объём на 5-20%. Конструкция гидролизаппарата приводится на рисунке 3.5. Аппарат имеет верхний и нижний конусы. В верхнем конусе расположено отверстие для загрузки сырья, автоматически закрывающееся крышкой. В нижнем конусе имеется выхлопное устройство для удаления лигнина в конце варки сырья. Горловина гидролизаппарата, штуцеры имеют бронзовые кольца. Внутренняя поверхность крышки покрыта слоем бронзы или латуни. Внутреннее устройство аппарата состоит из центрально-подающей трубы и фильтрующих лучей, выполненных из бронзы. Развитие конструкции гидролизаппарата шло в направлении совершенствования устройств, подающих Рис. 3.5. Конструкция гидролизаппарата V=80 м3 на сырьё варочную кислоту, и фильтрующих лучей, по которым выдаётся гидролизат из гидролизаппарата; увеличения объёмов гидролизаппаратов. Для гидролизаппаратов объёмом 80 м3 центрально-подающая труба сверлована на расстоянии 3600 мм. Сверху на участке в 2000 мм, отверстий нет, а далее на расстоянии 1000 мм просверлены отверстий диаметром 3 мм, на следующем участке 1000 мм − диаметром 4 мм и на расстоянии 1600 мм − 6 мм [33,39]. В каждом ряду по шесть отверстий. Фильтрующее устройство состоит из четырёх чешуйчатых лучей высотой 2300 мм. В зависимости от конструкций подающих и фильтрующих гидролизаты устройств существует несколько вариантов конструкций гидролизаппаратов для перколяционного гидролиза. Название перколяции: вертикальная, горизонтальная, вертикально-горизонтальная; совмещённая перколяция с центрально-подающей трубой; при движении жидкости снизу вверх (способ Шоллера) определяется направлением движения гидролизата через слой гидролизуемого сырья и зависит от конструкции подающих и фильтрующих устройств [3,10,12,39-44]. В последнее время (1980-2005гг.) в России единственным промышленным способом гидролиза растительного сырья является перколяционный способ с совмещённым нисходящим потоком варочной кислоты (направление движения жидкости сверху вниз: вертикальное и горизонтальное). Этот способ позволил существенно интенсифицировать перколяционный способ гидролиза, так как обладает лучшей гидродинамикой процесса и условиями фильтрации. Подбор опытным путём оптимального соотношения длин рабочей зоны центрально-подающей трубы и фильтрующих лучей (отношение длины фильтрующих лучей к высоте слоя сырья должно равняться 0,34-0,36), а также конструкций подающих труб позволяют обеспечить совмещённую перколяцию Для гидролизаппаратов объёмом 20-40 м3 выход редуцирующих веществ в процессе перколяционного гидролиза составляет 67-75% от полисахаридов сырья. На предприятих гидролизной промышленности установлены гидролизаппараты различных размеров: 18, 30, 37, 40, 50, 80, 160 м3. Увеличение объёмов гидролизаппаратов с 18 до 160 м3 привело к увеличению времени перколяции и снижению удельной производительности гидролизаппаратов [40]. Основные характеристики гидролизаппаратов периодического действия даны в таблице 3.3. 3.3. Характеристики гидролизаппаратов периодического действия Объём аппарата, м3 Загрузка сырья, т (а.с.с.) Время оборота, мин Скорость перко- ляции, м3/ч Выход РВ, кг Производи-тельность по обороту, кгРВ/чм3 номина-льный полезный расчёт. факт. 18 17 2,5 170-200 22 24 1100 19-23 30 28 3,8 180-200 25 25 1600-1700 17-20 40 38 5,45 180-220 35 35 2100-2300 15-20 50 42 6,3 210-260 45 42-45 2400-2500 13-17 80 63 10,0 260-300 50-60 45-60 3500-4200 11-15 160 160 35 450-600 70 60 10000 5-8 С целью интенсификации процесса перколяционного гидролиза авторы [40] предлагают заменить метод совмещённой перколяции перколяцией с восходящим потоком. Фильтрующие лучи установлены в верхней части аппарата. При промышленных испытаниях способа перколяции с восходящим потоком получены положительные результаты [3,45]. Такой способ реализован на Архангельском гидролизном заводе. Технологический режим перколяционного гидролиза. Процесс перколяционного гидролиза в гидролизаппаратах периодического действия осуществляют согласно технологическим режимам. Технологический режим процесса перколяционного гидролиза представляет собой таблицу, где отражены все основные стадии процесса и технологические параметры во времени, от которых зависит выход РВ. Основными управляемыми технологическими параметрами процесса являются следующие: количество сырья, расход воды и кислоты на загрузку и перколяцию, расход пара на прогрев сырья, масса содержимого в аппарате, давление, перепад давлений в гидролизаппарате и на линии выдачи гидролизата, отбор гидролизата из аппарата. Для каждого вида растительного сырья существует свой оптимальный технологический режим. Оптимальный режим рассчитывают на основании кинетических параметров (критерия гидролиза и критерия распада) или определяют опытным путём. Оптимальный режим гидролиза должен обеспечить максимальный выход моносахаридов и максимальный выход продуктов биосинтеза. Рассмотрим основные стадии процесса перколяционного гидролиза. Сернокислотный гидролиз крахмалсодержащего сырья. Метод является статическим, периодическим. В качестве сырья используют некондиционное зерно. Красноярской государственной технологической академией [56] разработана технология переработки некондиционного зерна для гидролизного производства технического этилового спирта, которая позволяет расширить сырьевую базу гидролизного производства и усовершенствовать существующее производство, снизив его теплоэнергоёмкость. На Кировском биохимическом заводе [33,57] для оптимизации процесса гидролиза некондиционного зерна были проведены лабораторные исследования. При сернокислотном гидролизе ржи (концентрация серной кислоты в растворе 1%) максимальный выход редуцирующих веществ от абсолютно сухого зерна  71% наблюдается при t=140о С и =0,5 ч; 68-70% при t=130о С в течение 1 ч и при t=120о С и времени выдержки 1,5 ч. Разработанный режим сернокислотного гидролиза некондиционного зерна используют в настоящее время в производстве. Осуществлена его оптимизация в производственных условиях с использованием метода математического планирования эксперимента. Наибольший выход РВ из 5 т зерна составил 4066 кг, или 91,9% от а.с. зерна. При этом расход кислоты был 165 л, время гидролиза  30 мин, давление в аппарате  4 ати, гидромодуль  1:5. В производстве при гидролизе некондиционного зерна по данному режиму достигнут выход РВ от а.с.с. 74,6% [33]. Химический состав гидролизата ржи представлен следующими показателями (%): РВ=9,59-10,1; РВИ=9,76-10,1; глюкоза – 8-9,0; ксилоза – 0,5-1,0; арабиноза – 0,1-0,5; Н2SО4 – 0,44-0,50; органические кислоты – 0,55-0,61; фурфурол – 0,06; оксиметилфурфурол – 0,44-0,45; левулиновая кислота – 0,54-0,72; бромируемые вещества – 0,41-0,60. Содержание гексозных моносахаридов по отношению к общим РВ соcтавляет 82-89% [33]. Изучен процесс термокислотной обработки водной пульпы отрубей [58]. Установлена зависимость степени конверсии и осахаривания полисахаридов отрубей от температуры обработки и рН среды (рис. 3.7; 3,8). По данным, представленным на рисунках, видно, что максимальная степень конверсии достигается при рН 1,5, t=100оС и составляет 94%. Степень осахаривания при этих же условиях составляет 32%. Исследовано содержание аммонийного азота в водной пульпе отрубей в зависимости от рН кислотной обработки и рН нейтрализации. Установлено, что даже при рН 3,0 концентрация аммонийного азота в пульпе отрубей превышает 700 мг/дм3. Не рекомендуется делать подкисление пульпы ниже рН 3,0 при использовании её в производстве кормовых добавок, так как сульфат аммония, образующийся при нейтрализации серной кислоты гидроксидом аммония, будет находиться в готовом продукте и повышать его кислотность выше допустимых норм. 3.3. Биологические методы конверсии растительного сырья К биологическим методам конверсии растительного сырья относят ферментативный гидролиз и микробиологическую ферментацию. Микробиологические ферментационные процессы можно разделить на анаэробные и аэробные. К анаэробным процессам относятся все процессы брожения (спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое, маслянокислое, метановое). Аэробные процессы − это процессы выращивания микроорганизмов в присутствии кислорода воздуха с целью получения биомассы (биосинтез белка) или продуктов метаболизма, которые находятся в клетках или вне клеток микроорганизмов. Все ферментационные процессы также можно разделить в зависимости от физического состояния питательного субстрата. Питательный субстрат из растительного сырья может быть в виде суспензии или в виде осветлённого раствора. При выращивании микроорганизмов с целью получения белка на неосветлённом субстрате получают углеводно-белковый продукт, на осветлённом − биомассу микроорганизмов. Как правило, процессы культивирования микроорганизмов на твёрдых и суспензионных субстратах можно осуществить несколькими путями: 1. поверхностным или глубинным культивированием микроорганизмов, образующих ферментные системы, катализирующие расщепление целлюлозы, гемицеллюлоз, пектина и лигнина и хорошо растущих на лигноцеллюлозных материалах − процессы прямой биоконверсии; 2. культивированием микроорганизмов после ферментативной обработки растительных отходов или при совместном использовании ферментов и микроорганизмов; 3. выращиванием микроорганизмов на целлюлозо- и гемицеллюлозосодержащих отходах после их предварительной химической обработки (щёлочью, кислотой или солями), при которой разрушается лигноуглеводный комплекс, аморфизируется целлюлоза. Первые два пути широко используются в производстве белка и других биологически активных веществ. Третий путь, возможно использовать только в технологических схемах, где предусматривается разделение целевых продуктов микробиологического синтеза и питательного субстрата, так как иначе используемые химические катализаторы гидролиза полисахаридов растительных отходов будут входить в состав продуктов и ухудшать их качество. Осветлёнными субстратами в промышленном производстве являются нейтрализованные осветлённые сернокислотные гидролизаты растительного сырья и сульфитные шелока. Их используют в производстве этилового спирта и кормовых дрожжей. 3.3.1. Подготовка растительного сырья к биоконверсии Для того чтобы подвергнуть растительное сырьё ферментативной деградации или ферментации микроорганизмами, его необходимо подвергнуть предобработке физическими или химическими способами. Выбор методов предобработки растительного сырья зависит от его вида. При подготовке крахмала (или крахмалсодержащего сырья) к биоконверсии его подвергают термообработке. Эффективность процесса биоконверсии зависит от того, насколько полно прошло растворение крахмала. Для термической обработки необходимо подобрать оптимальный режим, который должен обеспечить более полный переход крахмала в растворимое состояние и образование минимального количества побочных продуктов распада гексоз (оксиметилфурфурола) и взаимодействия углеводов и белков − меланоидов. Установлено, что при термической обработке зерносырья (55-80оС) зёрна крахмала набухают, распадаются и образуют коллоидный раствор. Т.е. набухание крахмала идёт одновременно с клейстеризацией. Клейстеризация крахмала из зерна ржи и продуктов его переработки проходит при t=50-55oC, а из зерна пшеницы – при t=54-62oC. Причём, температура термообработки зависит от степени измельчения крахмалсодержащего сырья. При термообработке целого зерна для разрушения его клеточной структуры требуется нагревание до t=140-150oC (P=4-5 ати). Для измельчённого сырья, клеточная структура которого разрушена, достаточно температуры 120-126оС. В спиртовом производстве на основе зерносырья для его измельчения используют молотковые дробилки и роторно-пульсационные аппараты. В производстве кормовых добавок на основе зерносырья применяют роторно-пульсационные аппараты. С тем, чтобы определить оптимальную температуру термообработки водной пульпы пшеничных отрубей, автором [33] исследован широкий интервал температур 60-140о С. Термообработка пульпы измельчённых отрубей с гидромодулем 1:10 проводилась в течение 2 ч. Результаты данных исследований представлены на рисунке 3.10. Из данных, представленных на рисунке, видно, что степень конверсии и осахаривания полисахаридов отрубей с повышением температуры увеличивается. Но даже при t=140o C термическая обработка пульпы обеспечивает максимальную конверсию легкогидролизуемых полисахаридов только 88,6%. Эффективность процесса подготовки водной пульпы отрубей автор оценивала по двум показателям: 1) «степень конверсии РВИ», это отношение концентрации РВИ, перешедших в раствор, к концентрации РВИ в пульпе, выраженное в процентах; 2) «степень осахаривания»  это доля суммы сахаров (РВ), перешедших из отрубей в раствор и полученных в результате гидролиза полисахаридов, в процентах от РВИ в пульпе. Дополнительное измельчение отрубей приводит к увеличению степени конверсии редуцирующих веществ. Для измельчения предлагается использовать роторно-пульсационный аппарат (РПА) [61-65]. 3.3.2. Биоконверсия растительного сырья ферментами Ферментативный гидролиз растительного сырья имеет ряд преимущест перед кислотным гидролизом. Его реализуют при более низких температурах; это теплоэнергосберегающий способ гидролиза и гидролизаты содержат меньше побочных продуктов. Как уже отмечалось ранее, ферменты обладают субстратной специфичностью – селективностью. Поэтому для различных видов растительного сырья используют соответствующие ферменты или группы ферментов. Ферментативный гидролиз крахмалсодержащего сырья. В настоящее время процессы ферментативного воздействия на зерносырьё используют в биотехнологии в нескольких направлениях: в производствах пива, этилового спирта, при получении кормовых белковых продуктов в процессе микробиологического синтеза. Известны различные схемы тепловой и ферментативной обработки крахмалсодержащего сырья. Ферментативный гидролиз зерносырья в спиртовой промышленности России осуществляют несколькими ферментными препаратами. Ферментативный гидролиз крахмала производится амилосубтилином, глюкаваморином. Для ферментативного гидролиза белка используют протосубтилин, для гидролиза клетчатки дополнительно применяют целловиридин [33, 70-72], для гидролиза пентозанов – комплексные препараты (ксилаваморин ГЗх, МЭК и др.). Cуществует ряд способов переработки растительного сырья, в т.ч. и зерновых отходов на кормовые белковые добавки. Термообработка и ферментативный гидролиз зерновых культур проводится при t=65-90oC с последующим выращиванием дрожжей. Но в большинстве публикаций отсутствует количественная оценка эффективности процессов, что затрудняет выбор оптимальных вариантов. Оптимальные параметры ферментативного гидролиза зерносырья. Авторами [33,73] была исследована эффективность процесса ферментативного гидролиза зерносырья различными ферментными препаратами: амилосубтилином, глюкаваморином, целловиридином. Установлено, что перед ферментативным гидролизом необходимо зерносырьё подвергнуть предварительной термообработке: гидромодуль 1:5, выдержка при температуре 80-100оС в течение 1 ч. Оптимальные условия последующего ферментативного гидролиза зерносырья с ферментными препаратами амилосубтилином, глюкаваморином, целловиридином (температура 58-60оС, рН 5,0-6,0; время 1,5 ч) обеспечивают высокую степень конверсии полисахаридов отрубей − 84% и степень осахаривания 34-38%. Были проведены исследования эффективности ферментативного гидролиза водной пульпы пшеничных отрубей с другими ферментными препаратами: «Зимаджунт НТ-340 С+ N» (активность 340 ед. АС/см3), «Зимаджунт НТ-340 С+» (активность 600 ед.АС/см3) и «Амилаза НТ-4000» (активность 600 ед.АС/см3), содержащими термостабильную бактериальную альфа-амилазу. Поставщиками этих ферментных препаратов даны оптимальные параметры ферментативного гидролиза и дозы их использования (0,3-1,2 см3/кг ЛГПС) для зерна. Кинетические кривые ферментативного гидролиза водной пульпы отрубей при температуре 80-85оС и рН 6,5 с ферментными препаратами «Зимаджунт НТ-340 С+ N» и «Амилаза НТ-4000» представлены на рисунке 3.11. Из представленных результатов видно, что с данными ферментными препаратами максимальная степень конверсии полисахаридов отрубей 61% достигается за 3 ч. Степень конверсии ниже, чем при использовании трёх ферментных препаратов, так как ферментативный гидролиз осуществляли без глюкоамилазы. Авторы [33,73] проверили зависимость степени конверсии РВИ отрубей от условий ферментативного гидролиза: рН (5,0; 5,5; 6,5) и температуры (80-100оС) при дозе внесения иферментных препаратов 0,5 см3/кг ЛГПС. Время ферментативного гидролиза во всех случаях составляло 3 ч. Результаты исследований представлены на рисунках 3.12 и 3.13. По данным рисунка 3.12 видно, что при ферментативном гидролизе полисахаридов пульпы отрубей с данными ферментными препаратами оптимальным интервалом рН является 5,5-6,5. При этом степень конверсии полисахаридов пульпы отрубей с ферментным препаратом «Зимаджунт НТ-340 С+N» составляет 61-62%. Увеличение объёма дозирования ферментного препарата до 1,2 см3/кг незначительно повышает степень конверсии полисахаридов (63%). По данным рисунка 3.13 видно, что при t=85оС оптимальным значением рН является интервал 6,0-6,5; при t=90оС − 5,5-6,0. Максимальная степень конверсии составляет 60-61%. Таким образом, при ферментативном гидролизе водной пульпы отрубей при оптимальных условиях с ферментными препаратами амилосубтилином, глюкаваморином и целловиридином достигнуты степень конверсии (по РВИ) 84% и степень осахаривания 34-38%. В случае использования ферментных препаратов, содержащих только термостабильную альфа-амилазу, степень конверсии при оптимальных условиях составляет 61-63%. В случае ферментативного гидролиза фракции пшеничных отрубей с диаметром частиц 1 мм степень конверсии РВИ повышается (таблица 3.7). 3.7. Химический состав ферментолизатов отрубей (фракция с d=1 мм) Наимекновавние компонентов Наименование ферментных препаратов, % амилосубтилин, глюкаваморин, целловиридин Зимаджунт НТ-340С+ N Зимаджунт НТ-340 С+ N и целловиридин Абсолютно сухие вещества в пульпе 13,27 14,07 13,70 Абсолютно сухие вещества в фугате 9,69 10,48 10,36 РВИ в пульпе 10,36 10,30 10,30 РВИ в фугате 8,77 8,16 9,50 РВ в фугате 4,38 2,28 2,59 Углеводы в фугате (моно-, ди-, три-) 8,10 4,70 5,50 Олигосахариды (тетра- и более) и декстрины 0,67 3,46 4,00 Олигосахариды, не растворившиеся в 50% этаноле 0,37 0,58 0,62 Степень осахаривания 42,3 22,1 25,1 Степень конверсии 84,7 79,2 92,2 По данным таблицы видно, что при ферментативном гидролизе отрубей с диаметром частиц 1 мм и с ферментным препаратом «Зимаджунт НТ-340 С+ N» степень конверсии полисахаридов пшеничных отрубей повышается до 79%. В случае использования дополнительного ферментного препарата целловиридина степень конверсии достигает 92,2%. При использовании ферментного препарата глюкаваморина, содержащего фермент глюкоамилазу, степень осахаривания возрастает почти в два раза за счёт увеличения содержания глюкозы и снижения концентрации олигосахаридов. При ферментативном гидролизе измельчённого зерна при диаметре частиц 1 мм ферментным препаратом «Зимаджунт НТ-340 С+ N» при оптимальных условиях, аналогичных полученным для отрубей, степень конверсии по РВИ составила для пшеницы 99% и степень осахаривания – 21,5%, для ржи – 87,5% и 14% соответственно. Ферментативный гидролиз зерносырья в промышленном производстве. Процесс ферментативного гидролиза отрубей используют в промышленном производстве кормовых белковых продуктов и других биологически активных веществ, полученных микробиологическим путём. Различные варианты подготовки водной пульпы отрубей к биоконверсии проверялись в промышленных условиях на Кировском биохимическом заводе с использованием роторно-пульсационного аппарата (РПА) для их измельчения. Разовый объём приготовления пульпы был 30 м3. В качестве жидкой фазы использовалась вода и отходы гидролизного производства: спиртовый и фурфурольный лютеры. В качестве дополнительного углеродного питания применяли гидролизаты древесины и зерна. Проверяли эффективность процессов: тепловой термообработки отрубей и ферментативного гидролиза ферментными препаратами «Зимаджунт НТ-340 С+» и «Амилаза НТ-4000», содержащими термостабильную альфа-амилазу. Эффективность тепловой обработки отрубей проверяли при температурах 60-90оС, в качестве жидкой фазы использовали воду и послеспиртовую барду. В таблице 3.4 представлены данные, полученные при температуре 70-80оС, с применением воды и послеспиртовой барды. Химический состав водной пульпы отрубей после термообработки и ферментативного гидролиза представлен в таблице 3.4. 3.4. Химический состав пульпы отрубей, полученной в промышленных условиях с ферментами и без ферментов Навименование ферментного препарата и жидкой фазы А.с.в., % РВИ, % Фугат рН Степень конвер-сии, % РВ, % РВИ,% азот,мг/дм3 Р2О5, мг/дм3 общ. мин. Вода٭ 8,51 4,58 0,05 2,32 2709 82 341 6,5 50,7 Послеспиртовая барда 8,52 4,28 0,71 2,58 3451 730,7 981 5,6 60,3 ЗимаджунтНТ-340 С+ 8,57 4,61 0,7 2,91 2662 515 509 4,3 63,1 Амилаза НТ-4000 9,76 6,20 1,6 4,64 - 291 930 4,7 74,7 ٭− Вариант без обработки в РПА При ферментативном гидролизе пульпы отрубей в качестве жидкой фазы использовали воду и спиртовый лютер (15-20об.%) с тем, чтобы обеспечить оптимальное значение рН. Затем добавляли гидролизат в количестве 20-36об.%. При использовании ферментного препарата «Амилаза НТ-4000» в качестве дополнительного углеводного питания использовали гидролизат зерна. Его добавляли в количестве 20-28 об.% до концентрации РВ в фугате 1,6%. По данным таблицы видно, что в случае термообработки (70-80оС) пульпы отрубей без ферментных препаратов с использованием в качестве жидкой фазы воды степень конверсии крахмала составила 50,7%, а с применением послеспиртовой барды и с РПА степень конверсии крахмала вместе с пентозными моносахаридами барды − 60,3%. При использовании ферментного препарата «Зимаджунт НТ-340 С+» получена степень конверсии РВИ с учётом моносахаридов гидролизата древесины 63,1%. В присутствии в пульпе ферментного препарата «Амилаза НТ-4000» степень конверсии крахмала отрубей составила 74,7% за счёт высокой концентрации моносахаридов в гидролизате зерна. Таким образом, в настоящее время имеется технология ферментативного гидролиза зерносырья с амилолитическими и целлюлолитическими ферментными препаратами, обеспечивающая степень конверсии полисахаридов 61-99% в зависимости от состава жидкой фазы, видов зерносырья и используемых ферментных препаратов. 3.3.3. Прямая биоконверсия растительного сырья микроорганизмами Под прямой биоконверсией понимают аэробный или анаэробный процессы переработки растительного сырья с использованием микроорганизмов без предварительной его обработки химическими или биологическими методами. Примерами способа прямой биоконверсии растительного сырья являются процессы твёрдофазного культивирования: выращивание микроорганизмов и высших грибов на растительном сырье с целью получения биологически активных веществ, а также компостирование растительных отходов, в том числе и с калифорнийскими червями, с целью получения органических удобрений. К способу прямой биоконверсии можно отнести процесс силосования растительного сырья, а также получение кормовых белковых добавок микробиологическим путём из зерносырья. В данном разделе представлены процессы выращивания микроорганизмов, базидиальных грибов на основе целлюлозо- и пентозансодержащего сырья, а также получение кормовых белковых добавок из зерносырья. Прямая биоконверсия крахмалсодержащего сырья. Процесс прямой биоконверсии крахмала, муки и зерносырья различных видов, картофельной мезги при глубинном и поверхностном культивировании мицеляльных грибов и актиномицетов используют в промышленном производстве для получения ферментов, антибиотиков и других биологически активных веществ. Длительность процессов (до 5 суток) является их основным недостатком. С целью снижения затрат на производство продукции микробиологической промышленности (кормового белка и спирта) ведутся научно-исследовательские работы по прямой биоконверсии крахмалсодержащего сырья в направлении подбора микроорганизмов. Для биоконверсии пшеницы и пшеничных отрубей авторы [114] использовали смеси культур: 1) Lipomyces kononenkoае ИНМИА 10093, обладающую амилолитической активностью, и Candida scottii ИНМИА 10208; 2) Schwanniomyces alluvius ИНМИА 10198, обладающую амилолитической активностью, и Candida scоttii ИНМИА 10208. После выращивания микроорганизмов биомассу центрифугировали и определяли содержание белка по Барнштейну. При биоконверсии отрубей он составил 13-14%, а при биоконверсии пшеницы – 30-31%. В АН Латвии разрабатываются методы твёрдофазной ферментации пшеничных отрубей с целью их обогащения кормовым белком [72]. При использовании дрожжей Endomycopsis fibuligera и бактерий Brevibacterium (время роста 24-35 часов) получен препарат с высоким содержанием лизина, глюкоамилазной активностью и содержанием белка 12,4%. Проведена твёрдофазная ферментация фуражной муки грибом Polyporus speamosus. Получен продукт с содержанием белка 15%. Имеются данные по прямой ферментации смеси муки и спиртовой барды ассоциацией дрожжей Saccharomycоpsis fibuligera ВСБ-12 и бактерий Rhodococсus erhytropolis ВСБ-655. Добавление муки в количестве 6% к спиртовой барде позволило получить продуктивность процесса 6,8-7,5 кг/м3. Содержание протеина в концентрированной барде составило 47-48% [89]. В Институте микробиологии АН Белоруссии разработана технология получения препаратов микробного синтеза на основе отходов переработки картофеля: дигитатина и нотатина. Название продукты получили от наименования продуцентов белка Penicillium digitatum и Penicillium notatum [72]. Питательный субстрат содержал клеточный сок картофеля и мезгу (а.с.в. 2-3%). При времени ферментации 48-72 ч содержание сырого протеина в продуктах составляет 44,9 и 55,0%, а белка  36,2 и 43,8% соответственно. Индийские специалисты выделили из природных источников новый вид дрожжей, идентифицированный как Saccharomyces diastaticus. Он отличается от других видов активностью и способностью к ассимиляции, осахариванию и сбраживанию крахмала. Штаммы S.cerevisiae ВR Q 530 и BR Q 536 являются мейотическими сегрегантами штамма S.cerevisiae NCY C 361. Все три штамма продуцируют внеклеточную глюкоамилазу. Штамм Lypomyces kononenkoae CB S 2514 можно использовать для прямого получения дрожжевой биомассы из отходов, содержащих крахмал. Он продуцирует альфа-амилазу и глюкоамилазу. Из этих четырёх штаммов наиболее эффективным оказался S.c.BR Q 530. Биомасса штамма содержала 41% белка. С целью интенсификации процесса прямого сбраживания крахмала используются также гибридные штаммы [80,81]. Так, штамм S.cerevisiae Y-717 способен сбраживать простые углеводы и выделять в среду ферменты, гидролизующие крахмал. Применение этого штамма снижало расход фермента ГХ-466 в 2 раза на фоне нормативного расхода солода (5,6%). Кроме того, время брожения сокращалось до 55 часов. Cпециалисты Японии разработали способ прямой биоконверсии крахмалсодержащего сырья клетками дрожжей S.cerevisiae, включающих модифицированный ген глюкоамилазы Rhizopus. От исходного штамма QD-1902 традиционным путём получен гаплоидный штамм Q-1315, сохранивший высокую ферментативную активность и способность к трансформации дрожжевыми плазмидами. Его производные трансформанты Q-3315 и Q-2315 обладают глюкоамилазной активностью [82]. Как мы видим, при прямой биоконверсии зерносырья (отруби, нестандартное зерно) большой интерес представляет использование в качестве основного продуцента белка дрожжей сахаромицетов. Воробьёва и Сушкова [33,64] для разработки процесса прямой биоконверсии зерносырья использовали штамм дрожжей S.cerevisiae (diastaticus) ВКПМ Y-1218, обладающий амилолитической активностью. Изучены закономерности роста данного штамма в течение 16 ч на синтетических средах с различными источниками углерода. Результаты исследований представлены в таблице 3.5. 3.5. Результаты исследований эффективности ассимиляции различных углеводов штаммом дрожжей S.cerevisiae (diastaticus) ВКПМ Y-1218 Источник углерода Т, оС РВисх, % РВост, % Концентра- ция дрож- жей, г/дм3 Степень биоконвер- сии, % б/инвер-сии с/инвер-сией б/инвер-сии с/инвер-сией Глюкоза 28 1,85 - 0,045 - 35,8 97,5 37 2,05 - 0,087 - 24,2 95,7 Ксилоза 28 1,96 - 1,32 - 25,4 32,7 37 1,96 - 0,95 - 28,9 51,5 Сахароза 28 - 1,90 0,079 0,4 43,6 78,95 37 - 1,90 0,049 0,4 29,3 78,9 Крахмал 28 0,121 1,87 0,057 0,8 - 55,6 37 0,121 2,12 0,048 1,2 - 42,5 Крахмал отрубей 28 0,58 2,48 0,086 0,9 - 60,5 37 0,58 2,48 0,057 1,0 - 56,5 Как видно из представленных данных, по снижению скорости ассимиляции углеводов их можно расположить в следующей последовательности: глюкоза, сахароза, крахмал отрубей, водорастворимый крахмал, ксилоза. Выращивание культуры при интервале температур 28-37оС не оказывало существенного влияния на скорость ассимиляции глюкозы и сахарозы. С повышением температуры скорость потребления пентоз увеличивается и при температуре 37оС составляет 51,5%, а скорость потребления крахмала снижается. Кинетические кривые ассимиляции РВ и РВИ пульпы отрубей представлены на рисунке 3.14. При построении кинетических кривых по ассимиляции углеводов отрубей использовали данные опытов с пульпой следующего состава: РВИ=4,98%, РВ=1,95%, N2=1000 мг/дм3; режим ферментации: рН 4,5-5,0, t=32-34 оС, n=150-170 об/мин, засев дрожжей 5 г/дм3. Из анализа кинетических кривых следует, что время ассимиляции моносахаридов и углеводов более сложного состава пульпы отрубей составляет 10-20 ч. Прямая биоконверсия зерносырья в промышленном производстве. Прямую биоконверсию зерносырья используют в промышленном производстве кормовых белковых добавок. Производство кормовых белковых добавок на основе отходов мукомольной промышленности организовано на Башкирском биохимическом заводе (торговое название «Биотрин» ТУ 9291-001-00479994-95) и в Белоруссии на Новополоцком заводе БВК (торговое название «Провит»). Принципиальная технологическая схема производства кормовых белковых продуктов на основе отрубей на всех заводах одинакова и включает в себя следующие стадии: 1. Подготовка питательного субстрата: измельчение зерносырья, термообработка суспензии зерносырья с гидромодулем 1:3,8-1:4; добавление питательных солей: мочевины, сульфата аммония, хлорида калия, и микроэлементов: Мg, Fe, Mn и др.; охлождение субстрата. 2. Накопление биомассы дрожжей в аппаратах отделения чистой культуры. 3. Ферментация в биореакторе с эжекционной системой воздухораспределения (Б-50 и АДР-900). 4. Плазмолиз биосуспензии при t=80-90оС и сушка на сушилках СРЦ-12,5. 5. Упаковка в клапанные мешки или грануляция и складирование в силосах. Кормовые белковые добавки, получаемой по данной технологии, содержат сырой протеин в количестве 40,8-45% и белок до 25%. Исследован полный состав питательной ценности продукта [84-88]. Данные кормовые белковые добавки на основе зерноотходов прошли испытания на эффективность скармливания птице, КРС (телятам), свиньям и норкам. Во всех случаях получены положительные результаты. На Кировском биохимическом заводе была разработана и создана отдельная технологическая линия получения кормового белкового продукта из зерносырья. Подготовка зерносырья с целью прямой биоконверсии сводилась к его термообработке и измельчению в роторно-пульсационном аппарате (РПА) [33]. В промышленных условиях была проведена проверка прямой биоконверсии зернового субстрата дрожжами Saccharomyces cerevisiae (diastaticus) ВКПМ-1218 при глубинном выращивании в ферментаторах с реконстуированной эрлифтной системой воздухораспределения. Наиболее высокие показатели при непрерывной биоконверсии были получены при следующих технологических параметрах: содержание сухих веществ в зерновой пульпе в пределах 8,5-9,5% и в биосуспензии – 7-7,5%, содержание в исходной пульпе РВИ=4,5-5,2%, общего азота – 2400-2600 мг/дм3, минерального азота – 40-140 мг/дм3, фосфора (Р2О5) – 200-400 мг/дм3. По полученным результатам построена зависимость степени биоконверсии РВИ пульпы отрубей от времени выращивания (рисунок 3.15). Из полученной зависимости видно, что максимальная степень биоконверсии (64%) достигается при времени выращивания 18,5-19,5 ч. При биоконверсии водной пульпы пшеничных отрубей наработана партия кормового продукта в количестве 151,99 т с содержанием сырого протеина 36,1% и белка 25,6%. Препарат «Рекицен − РД» − это ферментированные штаммом дрожжей Saccharomyces vini γ-516 отруби, не содержащие живых микроорганизмов. Производят препарат в ЗАО «Ягодное» Кировской области. Препарат рекомендован в качестве источника пищевых волокон, витамина В1 и минеральных веществ. Качество «Рекицена − РД» должно соответствовать требованиям ТУ 9295-003-05344371-2005. «Рекицен − РД» контролируют по адсорбционной активности (не менее 20 мг/г), влажности (не более 7%) и санитарно-гигиеническим показателям (микробиологическая чистота, тяжёлые металлы, пестициды и др.). Технология производства препарата «Рекицен − РД» состоит из следующих стадий: подготовка посевного материала, подготовка питательного субстрата, ферментация, сушка, дробление, фасовка и упаковка. Технология основана на твёрдофазном культивировании дрожжей на влажных отрубях (разработчик Кировский НИИ микробиологии). Штамм дрожжей Saccharomyces vini γ-516 хранят в пробирках с агаризованным суслом. Для подготовки культуры к засеву её активируют путём пересевов около 10 раз в пробирках через 1-2 суток. Культуру дрожжей размножают вначале на агаризованном сусле, а затем на питательном стерильном субстрате из отрубей. Подготовленный посевной материал делят на две части. Одну часть используют для размножения посевного материала, а другую − для получения продукта. Для подготовки питательного субстрата отруби смешивают с водой (до влажности 47-60%). Питательный субстрат смешивают с посевным материалом. Подготовленную смесь отрубей и культуры дрожжей помещают в кюветы полочного термостата. В термоставт подают сжатый подогретый воздух. Температуру (30оС) в термостате поддерживают путём изменения температуры и расхода воздуха. Ферментируемую массу периодически перемешивают. По окончании процесса ферментации (18 ч) ферментируемую массу переносят на поддоны в полочную сушилку. Температуру в процессе сушки изменяют от 300 до 80оС. Влажность готового продукта не должна превышать 10%. Высушенный продукт дробят на дробилках. Фасовку и упаковку «Рекицена − РД» осуществляют в соответствии с ТУ 9295-003-05344371-2005. 3.3.4. Биоконверсия растительного сырья ферментами и микроорганизмами Биоконверсия крахмалсодержащего сырья. Ферментативный гидролиз зерносырья широко используют в спиртовом производстве и производстве пива. Объём исследований по ферментации микроорганизмов на фермен-толизатах крахмалсодержащего сырья с целью получения кормовых белковых продуктов ограничен. Качество кормовых белковых продуктов зависит от используемых культур микроорганизмов, а также режима предобработки сырья. Содержание сырого протеина колеблется от 27 до 50% и белка от 21 до 34%. Наивысшие показатели (содержание сырого протеина 52%) получены при использовании бактериальных культур: Acеtobacter methylicum и Acetobacter methylovorans в смеси с S. cerevisiae (diаstaticus) ВКПМ-1218 – на пульпе ферментолизата отрубей с концентрацией а.с.в. 11% [90]. При ферментации культуры дрожжей Саndida blankii на ферментолизате зерна, полученном путём двухступенчатого ферментативного гидролиза термостабильной α-амилазой и глюкоамилазой, сырой протеин в отсепарированной биомассе дрожжей и зерна (концентрация а.с.в. 10%) составлял 50%. Условия культивирования при этом были следующие: рН 4,5, концентрация РВ в субстрате 4%, скорость ферментации 0,25 ч-1 [91]. Авторы не представляют данных по содержанию белка в продуктах. Описанные способы биоконверсии не были проверены в промышленных условиях. Биоконверсия зерносырья в промышленном производстве. В промышленных условиях проверялась эффективность режимов ферментативного гидролиза отрубей и биоконверсии ферментолизатов с использованием ассоциативной культуры микроорганизмов (Saccharomyces cerevisiae diastaticus ВКПМ-1218 и Trichosporon cutaneum ВКПМ-3125) в биореакторе V=320 м3 с реконструированной эрлифтной системой воздухораспределения типа УкрНИИСп [33]. Технологическая схема производства кормовой белковой добавки, получаемой с использованием ферментных препаратов для подготовки субстрата из зерносырья, представлена на рисунке 3.16. Зерносырьё машинами доставляют на завод и складируют насыпью в груды в закрытом складе. Оттуда норией 1 подают на транспортёр 2 и в ёмкость с перемешивающим устройством 31. Одновременно с подачей зерносырья в ёмкость 31 закачивают послеспиртовую барду или варочную смесь (t=95-100оС) с гидромодулем 1:5, а также дозируют ферментный препарат, содержащий термостабильную альфа-амилазу. С целью измельчения зерносырья осуществляют циркуляцию пульпы через роторно-пульсационный аппарат (РПА) 4. По истечении 3 ч ферментолизат перекачивают в ёмкость с перемешивающим устройством 32, где разбавляют его послеспиртовой бардой (t=55-60оС) или варочной смесью до гидромодуля 1:10. Для увеличения производительности биореактора повышают содержание РВ в пульпе (РВ=1,4-1,8%) путём добавления зерна после загрузки отрубей (1:6 соответственно) в ёмкость 31 или дополнительно вводят гидролизат зерна в ёмкость 32 (18-20 об.%). Подготовленную пульпу ферментолизата зерносырья (а.с.в.8,5-10%) насосом 5 подают в биореактор для ферментации. Возможен двухступенчатый ферментативный гидролиз зерносырья. При двухступенчатом гидролизе вторую стадию ферментолиза проводят в ёмкости 32, куда задают ферментный препарат целловиридин. Температуру 60оС поддерживают холодной водой, подаваемой в рубашку ёмкости 32. В биореактор подают чистую культуру дрожжей и аммиачную воду для поддержания рН 4,2-4,5. Время выращивания составляет 15-17 ч. Биосуспензию (а.с.в. 7-8%) плазмолизуют в плазмолизаторе 7 и насосом 5 подают на сушку. По данной технологической схеме было проверено два варианта ферментативного гидролиза полисахаридов отрубей: 1. ферментным препаратом «Зимаджунт НТ-340 С+» с добавлением гидролизата древесины в количестве 20-36% в качестве дополнительного углеродного питания; 2. ферментным препаратом «Амилаза НТ-4000» с добавлением гидролизата зерна в количестве 18 об.% в качестве дополнительного углеродного питания. Подготовку ферментолизата проводили по следующему режиму: t=85-90оС, рН 5,5-6,0, расход ферментного препарата 0,3 л на 1 т крахмала сырья, время ферментолиза 3 ч. Для ферментолиза использовали ферментные препараты, содержащие термостабильную альфа-амилазу. Для измельчения зерносырья использовали РПА, в качестве жидкой фазы применяли варочную смесь, содержащую спиртовый лютер в количестве 20%. Биоконверсию ферментолизатов зерносырья осуществляли в биореакторе V=320 м3 с реконструированной эрлифтной системой воздухораспределения (рабочий объём  Vр=96 м3) при следующих параметрах: t=32-34оС, рН 4,0-4,5. В качестве питательных солей использовали диаммонийфосфат и сульфат аммония, которые задавали периодически. Наиболее высокие показатели при непрерывной ферментации были получены при следующих технологических параметрах: содержание сухих веществ в зерновой пульпе в пределах 8,5-10% и в биосуспензии 7,0-7,5%, содержание в исходной пульпе минерального азота 250-600 мг/дм3, фосфора (Р2О5)  100-200 мг/дм3. Результаты процессов биоконверсии при оптимальных условиях представлены в таблице 3.6. 3.6. Результаты биоконверсии ферментолизатов отрубей № Условия биоконверсии Биосуспензия, % Фугат, % Степень биокон-версии,% Производи-тельность по продукту, кг/ч нагрузка по а.с.в., кг/ч , ч рН а.с.в РВИ сырой протеин бел-ок РВ РВИ 1 360-440 17,5 4,24,4 6,8 1,89 33,5 28,0 0,08 0,52 59,0 310-340 2 500-560 16,5 4,24,5 6,7 1,77 39,8 32,4 0,09 0,43 71,5 360-408 По данным, представленным в таблице, видны преимущества второго варианта биоконверсии ферментолизата отрубей с добавлением сернокислотного гидролизата зерна: меньшее время выращивания (16,5 ч) и более высокая производительность по готовому продукту (360-408 кг/ч). Удельная производительность по второму варианту составила 3,7-4,2 кг/м ч. При этом биосуспензия содержала сырого протеина 39,8%, белка  32,4%. Максимальная степень биоконверсии углеводов пульпы ферментолизата отрубей была 68-71,5%. Таким образом, сравнивая все выше рассмотренные способы биоконверсии растительного сырья, можно сделать вывод, что в настоящее время в промышленных условиях достигнуты максимальные результаты с использованием ассоциации микроорганизмов (Saccharomyces cerevisiae (diastaticus) ВКПМ-1218 и Trichosporon cutaneum ВКПМ-3125). 3.3.5. Биоконверсия осветлённых субстратов из растительного сырья В промышленном производстве с целью интенсификации процессов ферментации (сокращения времени ферментации, повышения производительности биореакторов, получения непосредственно биомассы микроорганизмов с высоким содержанием белка) в большинстве случаев используют ферментацию нейтрализованных осветлённых сернокислотных гидролизатов растительных отходов и сульфитного щёлока. Ферментация осветлённых субстратов из крахмалсодержащего сырья. Кислотный гидролиз зерновых культур и отрубей хорошо известен [56,69]. Изучен химический состав кислотного гидролизата отрубей (таблица 1.8). 1.8. Химический состав гидролизата пшеничных отрубей Абсолютно сухие вещества, % 9,4 Редуцирующие вещества, % 7,3 Азотистые вещества, % 1,47 N-аммиачный, % 0,04 N-органический, % 1,40 Зола, %, в т.ч.: 0,68 фосфор 0,07 калий 0,34 Тиамин, мкг/мл 1,50 Биотин, мкг/мл 0,34 Исследованы интервалы концентрации кислоты от 0,5 до 5%, температуры от 20оС до 160оС, времени гидролиза от 20 мин до 6 ч и гидромодули 1:4-10 при сернокислотном гидролизе зерносырья. Сернокислотный гидролиз некондиционного зерна используют на предприятиях гидролизной промышленности в спиртовом производстве [56], что позволило расширить сырьевую базу и повысить технико-экономические показатели производства спирта. С целью отбора наиболее эффективных штаммов микроорганизмов на нейтрализованных гидролизатах зерна Олешко было исследовано 78 штаммов дрожжей и дрожжеподобных грибов. Установлено, что дрожжи и дрожжеподобные грибы растут и накапливают биомассу в количестве 1,1-11,8 г/дм3 на нейтрализованном гидролизате с РВ=1,6%. Активный рост наблюдается у микроорганизмов родов Candida, Torulopsis, Cryptococсus, Trichosporon, Endomуcoрsis, Hansenula и др. Сырой протеин на гидролизатах ржи у Candida – Тул-1 составил 51,38% и у Tr. cutaneum – 50,94%. Наиболее высокое содержание сырого протеина в биомассе культуры C.curvata Б-7 – 54-57%. При биоконверсии зерновой пульпы из биоценоза промышленного биореактора выделен новый штамм дрожжей S. cerevisiae (diаstaticus) ВКПМ-3124. В лабораторных условиях на качалке и в непрерывном процессе в лабораторном биореакторе с использованием ассоциации микроорганизмов (S. cerevisiae (diаstaticus) ВКПМ-3124 и Trichosporon cutaneum ВКПМ-3125), на фугате ферментолизата отрубей (а.с.в.=3,4%, РВИ=3,4%, РВ=0,98%) при времени роста 12,5 ч достигнута степень биоконверсии РВИ фугата 82-91% и выход дрожжей 56,8%. Содержание сырого протеина и белка в биомассе дрожжей было 53,2% и 48,1% соответственно [92]. ГЛАВА IV. БЕЗОТХОДНОЕ ПРОИЗВОДСТВО ГИДРОЛИЗНОГО ЭТИЛОВОГО СПИРТА И КОРМОВЫХ БЕЛКОВЫХ ПРОДУКТОВ В России на основе комплексной переработки древесного сырья и сельскохозяйственных отходов на гидролизных заводах производят этиловый спирт, гидролизные кормовые дрожжи, фурфурол и лигнин. В рыночных экономических условиях продукция гидролизных заводов стала неконкурентоспособной из-за высоких расходов на теплоэнергоресурсы. Основными потребителями теплоэнергоресурсов в гидролизном производстве являются следующие технологические стадии: сернокислотный гидролиз трудногидролизуемого древесного сырья до моносахаридов и фурфурола, перегонка спиртовой бражки, сепарация и сушка кормовых дрожжей. Основными причинами высокого расхода теплоэнергоресурсов являются переработка трудногидролизуемого сырья и получение разбавленных гидролизатов в процессах сернокислотного гидролиза древесины. Отсутствие альтернативных технологических процессов гидролиза древесины и процессов перегонки спиртовой бражки в производстве спирта, а также сушки кормовых дрожжей делают объективным создание высокоэффективного безотходного производства спирта с использованием дополнительных видов растительного сырья и реализацией твёрдых и жидких отходов этого производства. Высокая эффективность безотходного производства спирта обусловлена следующими факторами: • увеличением объёмов производства и ассортимента продукции за счёт комплексного использования различных видов растительного сырья; • внедрением новых культур микроорганизмов, позволяющих утилизировать среды с высокой концентрацией углеводов и перерабатывать жидкие и твёрдые отходы производства. Комплексная переработка различных видов растительного сырья (древесного или сельскохозяйственного, зерносырья, мелассы) с получением этилового спирта и кормовых белковых добавок является основой безотходной технологии производства спирта на гидролизных заводах. Внедрение этой технологии на действующих гидролизных заводах позволяет получить высокий народнохозяйственный эффект за счёт наиболее полного использования растительного сырья, исключения из технологической схемы ряда энергоёмких стадий, утилизации жидких и твёрдых отходов производства спирта. Вовлечение промышленных отходов в производство новых продуктов позволяет повысить степень использования исходного сырья и снизить материальные затраты на единицу выпускаемой продукции и, следовательно, её себестоимость. Использование жидких отходов, таких, как послеспиртовая барда, лютеры, конденсаты и др., позволило создать безотходное производство спирта с замкнутым циклом водопользования. При этом решается не только проблема более экономного использования сырья, вспомогательных материалов и энергоресурсов, но и проблема охраны окружающей среды. 4.1. Продукты перколяционного гидролиза и их использование В результате перколяционного гидролиза растительного сырья и процессов ступенчатого испарения гидролизата получают сернокислотный гидролизат, фурфуролсордержащий конденсат и лигнин. Сернокислотный гидролизат используют в процессе брожения после ряда подготовительных технологических стадий. Из фурфуролсордержащего конденсата выделяют фурфурол путём многоступенчатой ректификации. Лигнин после гидролиза используют в качестве топлива в котельном цехе. Пар, получаемый после сжигания лигнина, подают в процесс гидролиза. 4.1.1. Подготовка гидролизного сусла для процесса брожения Кислый гидролизат без подготовки не может быть использован для биохимической переработки. Для его подготовки к спиртовому брожению необходимо провести следующие операции: • нейтрализацию серной кислоты и отчасти органических кислот по двухступенчатому способу нейтрализации; • отделение выпавших осадков путём отстаивания и сгущение шлама на фильтрах ФПАКМ; • удаление летучих примесей путём вакуум-охлаждения до t=45-50оС; • охлаждение субстрата до t=30-37оС. Типовая схема двухступенчатой нейтрализации гидролизата растительного сырья представлена на рисунке 4.1. [3,10]. На первой ступени нейтализацию гидролизата проводят меловым или известковым молоком до рН 2,8-3,2. Для приготовления мелового молока используют мел (по ГОСТ 17498-72) с содержанием основного вещества не менее 85%, а для приготовления известкового – негашеную известь (ГОСТ 9179-77) с содержанием СаО и МgО 67-90%. При нейтрализации осуществляют подачу питательных солей (обесфторенный диаммонийфосфат, хлористый калий). На второй ступени гидролизат нейтрализуют аммиачной водой (25%-р-р, ГОСТ 9-77) до рН 3,8-4,2. При двухступенчатом способе нейтрализации гидролизата образуется пересыщенный раствор сульфата кальция, который осложняет проведение ряда последующих технологических операций в биохимическом производстве (дистилляцию спирта на бражной колонне, эксплуатацию сепараторов и теплообменного оборудования). При нейтрализации сернокислотных растворов известью или мелом образуется трудно растворимый сульфат кальция в трёх модификациях: двухводный гипс СаSO4 2H2O, полуводный гипс СаSO4 ½ H2O и ангидрит – безводный гипс СаSO4. Образование той или иной модификации сульфата Рис. 4.1. Схема подготовки гидролизата для биохимической переработки: 1, 2 - нейтрализаторы; 3 - отстойник; 4 - сборник нейтрализата; 5 - бачок для промывки шлама; 6 - центробежный насос; 7 - вакуум-охладительная установка; 8 - поверхностные конденсаторы; 9 - аэратор; 10 - отстойник; 11 - сборник сусла; 12 - спуск шлама; 13 - охлаждающая вода; 14 - раствор питательных солей; 15 - известковое молоко; 16 - аммиачная вода; 17, 18 - насосы; 19 – отработанная культуральная жидкость. кальция зависит от температуры нейтрализации. При t=80оС выделяется только двухводный сульфат кальция. При t=82-95оС образуется смесь кристалов двухводного и полуводного сульфата кальция. При t=93-103оС из раствора выпадает смесь полуводного и безводного сульфата кальция, при t=103-105о C выпадает только ангидрит. Исходя из того, что растворимость полуводного гипса выше, чем двухводного, нейтрализацию гидролизата надо проводить при t =70-80оC, с тем, чтобы больше образовывалось двухводного сульфата кальция как наименее растворимого. Разработке технологии нейтрализации гидролизата растительного сырья посвящено большое количество работ. Нейтрализованный известковым молоком гидролизат при t=80оC содержит гипс в количестве 0,35-0,4%, в то время как растворимость двухводного сульфата кальция в воде составляет около 0,2%, т.е. при нейтрализации гидролизата образуется пересыщенный раствор сульфата кальция [93]. Для предотвращения образования пересыщенных растворов гипса в гидролизате в меловое или известковое молоко добавляют серную кислоту, а нейтрализацию гидролизата осуществляют с направленной кристаллизацией двухводного гипса при t=70-80о C в течение 30-40 минут. При этом содержание гипса в нейтрализованном гидролизате снижается до концентрации 0,23-0,28%. Сульфат кальция, содержащийся в гидролизных средах, затрудняет процесс дистилляции спирта на бражной колонне. В бражной колонне при t=97-105оC образуется ангидрит, растворимость которого значительно ниже, он загипсовывает тарелки бражной колонны и осложняет её эксплуатацию. Поэтому чаще всего на спиртовых заводах нейтрализацию гидролизата проводят в одну ступень аммиачной водой. На Кировском биохимическом заводе в дрожжевом производстве осуществлялся процесс упаривания отработанной культуральной жидкости. В связи с этим были разработаны технологические схемы нейтрализации – так называемые «дробные» (с повышенным рН) [94]. Содержание гипса при дробной нейтрализации достигало 0,16% и при повышенном рН (6,5-7,0) – 0,03%. В спиртовом производстве они не используются, так как в настоящее время отсутствует процесс упаривания отработанной культуральной жидкости. В результате нейтрализации гидролизата хвойной древесины образуются взвешенные вещества в количестве 5-7 г/л. Взвешенные вещества состоят на 80% из двухводного гипса, остальную часть составляют мелкодисперсный лигнин и коллоидные лигногуминовые вещества. При нейтрализации гидролизата аммиачной водой содержание взвешенных веществ составляет 0,1-0,2%. Эти взвеси в основном состоят из лигногуминовых веществ и мелкодисперсного лигнина. Взвешенные вещества отделяют в отстойниках непрерывного действия. Степень очистки нейтрализатов от взвешенных веществ составляет 80-90%. Шлам выводят из отстойника с концентрацией 200-250 г/л с помощью выгребного механизма и подают на вторичный отстойник, откуда его направляют на фильтрацию на ФПАКМы или ленточные вакуум-фильтры. Шлам с влажностью 50% сбрасывают на шламоотвал. Осветлённый нейтрализат с содержанием взвешенных веществ не более 2 г/л подают на вакуум-охлаждение, которое осуществляют на вакуум-охладительных трёх- и четырёхступенчатых установках. Проходя последовательно испарительные камеры, нейтрализат охлаждается до t=40-50оC. При охлаждении часть лигногуминовых веществ коагулирует [10]. После дополнительного охлаждения на пластинчатых теплообменниках получают сусло, которое поступает на спиртовое брожение. Эффективность брожения зависит от химического состава гидролизного сусла. Исследовано содержание примесей в продуктах, полупродуктах и отработанных средах гидролизного производства (таблица 4.1) [48,53]. 4.1. Содержание фенольных соединений в гидролизных субстратах Кировского биохимического завода(мг/л) Наименование соединения Нейтрализат гидролизата Гидролизное сусло 4- оксибензальдегид 1± 0,5 1±0,5 4 – оксибензойная кислота 21± 2 30±8 Ванилиновая кислота 19± 6 16±10 Ванилин 13± 3 12± 9 Кумаровая кислота 8± 2 7±1 Сиреневый альдегид 17± 2 14±7 Химический состав гидролизного сусла, полученного из различных источников растительного сырья на Кировском биохимическом заводе, представлен в таблице 4.2 [33]. 4.2. Химический состав гидролизного сусла из различных видов растительного сырья Наименование показателей Хвойная древесина Древесина и целлолигнин Древесина и меласса Древесина и зерноотходы РВ, % 2,03-2,60 2,65-2,71 2,3-2,9 2,5-2,7 РВ после инверсии, % 2,07-2,60 2,69-2,85 2,4-2,9 2,6-2,9 ХПК, мг О2/л 31925-37841 31927-50565 41161-42452 43776-47035 Фурфурол, % 0,039-0,046 0,013-0,030 0,015-0,035 0,022-0,03 Оксиметилфурфу-рол, % 0,123-0,129 0,089-0,112 0,39-0,62 0,111-0,119 Левулиновая кислота, % 0,304-0,402 0,248-0,475 0,39-0,416 0,353-0,496 Лигнофурановые вещества, % 0,383-0,40 0,319-0,466 0,403-0,423 0,416-0,442 Органические кислоты, % 0,59-0,73 0,53-0,57 0,39-0,62 0,63-0,72 А.с.в, % 2,7-2,9 2,8-2,9 3,18-3,77 2,94-3,17 Бромируемые, % 0,23-0,32 0,28-0,37 0,26-0,34 0,171-0,312 Р2О5, мг/дм3 250-450 250-450 250-450 217-405 N2, мг/дм3 475-520 497-536 430-500 483-511 Из представленных данных видно, что субстраты, полученные с использованием различных видов растительного сырья, отличаются количественным составом ингибиторов. ХПК сусла, полученного из древесины хвойных пород, составляет 31925-37481 мг О2/дм3, что ниже, чем ХПК других субстратов, полученных с добавками мелассы, нейтрализованного гидролизата зерна, нейтрализованного гидролизата целлолигнина. Самым высоким ХПК отличается сусло, полученное при нейтрализации смеси гидролизатов хвойных пород древесины и целлолигнина. Высокое содержание абсолютно сухих веществ имеет сусло, полученное на основе гидролизата хвойных пород древесины и мелассы. Однако колебания концентраций ингибиторов в указанных интервалах в данных субстратах не оказывают отрицательного действия на процесс брожения и не снижают технико-экономические показатели производства этилового спирта. Исследованы и освоены режимы нейтрализации гидролизата зерна: 1) меловая нейтрализация до рН 3,8; 2) двухступенчатая нейтрализация меловым молоком до рН 3,8 и аммиачной водой до рН 4,2 и 4,5; 3) двухступенчатая нейтрализация меловым молоком до рН 3,5 и аммиачной водой до рН 4,2 и 4,5 - и влияние их на эффективность процесса осветления при отстаивании. Установлено, что скорость отстаивания взвешенных веществ нейтрализованного гидролизата зерна зависит от концентрации РВ и способа нейтрализации. Максимальная скорость отстаивания наблюдается при двухступенчатом способе нейтрализации: меловым молоком до рН не более 3,5 и аммиачной водой до рН 4,2-4,5. Проведены исследования аналогичных режимов нейтрализации смеси гидролизатов древесины и зерна. Установлено, что скорость отстаивания взвешенных веществ нейтрализованной смеси гидролизатов древесины и зерновых отходов не зависит от способов нейтрализации. Внедрённые режимы нейтрализации и осветления смеси древесного и зернового гидролизатов обеспечивают необходимую степень осветления нейтрализата. По результатам исследований была рекомендована и внедрена следующая технологическая схема подготовки смешанного сусла к процессу брожения: сернокислотный гидролиз зерна, нейтрализация гидролизата зерна по двухступенчатому способу, смешение его с нейтрализованным гидролизатом древесины и совместное отстаивание. Данная технологическая схема в настоящее время используется на Кировском биохимическом заводе [33]. 5.1.2. Получение фурфурола в качестве целевого продукта при различных режимах гидролиза Ректификация фурфуролсодержащего конденсата. В промышленных условиях фурфурол высшего сорта производят из паров самоиспарения гидролизата, полученного путём перколяционного гидролиза смешанного древесного сырья [3,7,8,10,95] и из фурфуролсодержащих паров (ФСП), полученных путём двухфазного гидролиза (раздел 2.2) [95-100]. ФСП конденсируют и собирают в общий сборник фурфуролсодержащего конденсата (ФСК). ФСК из сборника насосом подают на колонну предварительного укрепления для повышения концентрации фурфурола до 4-20%. На ряде заводов отсутствует укрепление конденсата и ФСК сразу поступает на очистную колонну. С очистной колонны 5 воднофурфурольный азеотроп отбирают с 27 и 29 тарелок при t=97-98оC. Метанольную фракцию отбирают с 41-ой тарелки при t=64-70оC. Содержание фурфурола в ней не превышает 1%. С 32 и 33 тарелок при t=84-85оC отбирают скипидарно-метанольную фракцию. Из кубовой части отбирают фурфурольный лютер с содержанием фурфурола 0,02-0,03% [3]. Воднофурфурольный азеотроп охлаждают (12), фурфурол-сырец отделяют от фурфурольной воды на декантаторе 13. Фурфурол-сырец содержит ещё некоторое количество низкокипящих примесей, до 5% воды, до 13% терпеновых производных [10]. От этих примесей фурфурол освобождают на вакуум-ректификационной установке [7,8]. Для получения фурфурола высшего сорта фурфурол-сырец перед процессом вакуум-ректификации нейтрализуют водным раствором известкового молока с концентрацией СаО 140-150 г/л в нейтрализаторе 19 или в трубе в потоке фурфурола-сырца. Вакуум- ректификационная установка состоит из трёх ректификационных колонн: одной обезвоживающей 29 и двух колонн для освобождения от высококипящих примесей 35 и 41. Кубовый остаток составляет 17-20% от массы товарного фурфурола. Технологическая схема ректификации фурфуролсодержащего конденсата приведена на рисунке 4.2. Очистная колонна имеет 41 тарелку. Число тарелок в исчерпывающей части колонны – 22-24, в укрепляющей части − 17-19. В гидролизной промышленности используют очистные колонны следующих размеров: диаметр 1,6-2,4 м, высота 15-28 м. В очистных колоннах применяют колпачковые и ситчатые тарелки. Колонну обогревают острым паром. Технологические режимы ректификации фурфурола для установки производительностью 2300 т товарного фурфурола в год даны в таблице 4.3. 4.3. Технологические режимы работы ректификационных колонн Технологические показатели Наименования ректификационных колонн очистная обезвожи- вющая 1-ая отгонная 2-ая отгонная Температура, оС: верха 64-70 45-50 80-100 80-110 на питающей тарелке 100-101 70-75 100-103 - при отборе метанольно-скипидарной фракции 84-85 - - - при отборе водно-фурфурольного азеотропа 97-98 - - - в кубовой части 103-105 90-115 105-120 105-120 Давление, мПА, не менее: верха 0,1 -0,09 -0,08 -0,08 в кубе 0,12-0,14 -0,09 -0,07 -0,07 Удельная нагрузка, м3/м2ч 8,0-8,5 2,5-3,0 0,20-0,22 - Расход пара, кг/ч - 21-23 150-200 70-100 Рис. 4.2. Оптимальная схема ректификации фурфуролсодержащего конденсата: 1, 10, 15, 17, 20, 22, 23, 25 - сборник; 2 - обратный холодильник; 3, 16, 21, 26 - насосы; 4 - лютерный теплообменник; 5 - очистная колонна; 6,30,36,42-дефлегматоры; 7-вытяжной конденсатор; 8,11,12,31,37,43-холодильники; 9, 14, 38, 44 - эпруветки; 13, 33 - декантаторы типа «обратный конус»; 18, 24, 27 - ротаметры; 19 – нейтрализатор; 28, 34, 40, 46 - подогреватели; 29 - обезвоживающая колонна; 31, 37, 43 - теплообменники; 32, 39, 45, 48 - вакуум-сборники; 35 - 1-я отгонная колонна; 41 - 2-я отгонная колонна; 47 - вакуум-насос Обезвоживающая колонна имеет 12 тарелок. Она колпачкового типа и имеет диаметр 1,8 м и высоту 5-10 м. Отгонные колонны колпачкового типа имеют диаметр 1,4-2,4 м и высоту 7-13 м. Колонны обогревают глухим паром. Выход фурфурола 1 сорта составляет 80-85% от фурфурола-сырца [7]. Выход фурфурола составляет 5-7 кг с 1 т абсолютно сухого сырья [3,10]. Химический состав фурфуросодержащего конденсата (ФСК) из паров самоиспарения (фурфурол – 0,2-0,4%, ацетальдегид – 0,015-0,02%, уксусная кислота – 0,015-0,02%, муравьиная кислота – 0,0018-0,0021%, терпены – 0,015-0,025%) представлен в работе [1]. В другой работе [19] дан состав ФСК из паров самоиспарения из буковой и хвойной древесины: фурфурол – 0,15%, метанол – 0,13%, органические кислоты – 0,61% . Цирлиным [7] приводится состав ФСК, полученный с использованием метода газовой хроматографии: фурфурол – 0,2-0,25%, метанол – 0,08-0,12%, диацетил – 0,004-0,005%, ацетальдегид – 0,004-0,005%, ацетон - 0,002-0,003%. Даны относительные ошибки при определении данных компонентов. Морозов [97,98] представил динамику изменения состава ФСК, полученного по двухфазному способу гидролиза с солями. Концентрации анализируемых веществ изменялись следующим образом: фурфурол – 0,22-7,63%, 5-ОМФ – 0,011-0,177%, левулиновая кислота – 0,02-0,118%. В процессе ректификации фурфурола получаются отходы: метанольная фракция, скипидарно-метанольная фракция и кубовый остаток, лютер очистной колонны. Исследован состав метанольной фракции: фурфурол – 0,5-1,0%, метанол – 80-85% [7]. Скипидарная фракция содержит терпены в количестве 16 компонентов, из которых идентифицированы только 9 компонентов [101]. В состав скипидара входят: n-цимол в количестве 34-68%, терпениол – 1,7-15,3%, камфен – 3,0-3,36%, фурфурол – 2-14%, неидентифицированные примеси – Х 7 – 12-22%, Х 4 – 3,3-11,3%. Авторами исследованы скипидары разного происхождения: сульфатный, живичный и гидролизный. Изучен химический состав фурфурольного лютера. Лютер содержит: фурфурол – 0,02-0,03%, органические кислоты (уксусная – 0,4-0,91%, муравьиная – 0,08-0,25%), бутилацетат 0,6%, метилфурфурол 0,001%, терпены 0,001% [7, 102, 103]. Кубовый остаток, отбираемый из отгонной колонны №2, содержит фурфурола 50-93%, метилфурфурола 6-12% и высококипящие продукты осмоления фурфурола [104]. Характеристика технического фурфурола, реализация его и образовавшихся отходов при ректификации. На гидролизных заводах производят фурфурол-сырец (ТУ 59-11-4-74) и технический фурфурол (ГОСТ 10437-80). В соответствии с ГОСТ 10437-80 технический фурфурол может быть высшего сорта, 1-го и 2-го сортов. В техническом фурфуроле и фурфуроле-сырце регламентируется содержание основного вещества (карбонильных соединений), воды, органических кислот и др. (таблица 4.4). 4.4. Характеристика технического фурфурола Наименование показателей Технический фурфурол Фурфурол-сырец высший сортОКП 92 9161 0004 1-й сорт ОКП 92 9161 0002 2-ой сорт ОКП 92 91610003 Внешний вид Жидкость светло-жёлтого цвета с характерным запахом, не содержащая взвешенных частиц, темнеющая при хранении до бурого цвета Жидкость бурого цвета Массовая доля, %: карбонильных соединений, не менее 99,8 99,5 97,0 92,0 воды, не более 0,15 0,25 не нормируется кислот в пересчёте на уксусную, не более 0,04 0,05 0,10 0,25 веществ не растворимых в воде, не более отсутствие 1,5 Плотность при 20оС, г/дм3 1,159-1,160 1,159-1,160 1,152-1,160 >1,130 Показатель преломления, ή20D 1,525-1,526 1,525-1,526 1,517-1,524 >1,500 Температура кипения при 101325 Па, оС, не ниже 152 152 не нормируется Объёмная доля отгона: до 158оС, %, не более не нормируется 16,0 20,0 до 165оС, %,не менее 98,5 98,5 97,0 не нормируется В фурфуроле-сырце содержание основного вещества должно быть не менее 92,0%. Допускается присутствие до 1,5% нерастворимых в воде веществ (скипидар). Содержание карбонильных соединений в техническом фурфуроле не должно быть ниже 99,8% у высшего сорта, 99,5% − у 1-ого сорта, 97,0% − у 2-ого сорта. Фурфурол – гетероциклический альдегид, способный к автоокислению в присутствии кислорода воздуха. При этом повышается его кислотность и изменяется окраска до интенсивно бурого цвета. Поэтому ГОСТом устанавливается содержание кислот в фурфуроле, отгружаемом потребителю. ГОСТ разрешает по требованию потребителя стабилизировать технический фурфурол триэтаноламином в количестве 0,01% от массы фурфурола. Фурфурол − горючая жидкость с характерным запахом горького миндаля. Температура самовоспламенения – 260оС, вспышки – 61оС. Концентрационные пределы воспламенения паров фурфурола в воздухе при 760 мм рт. ст. 1,8-3,4% (по объёму). Температурные пределы воспламенения − нижний 60оС, верхний 72оС. Загоревшийся фурфурол тушат тонкораспылённой водой, омыленной химической пеной или воздушно-механической пеной на основе ОВП-10. Фурфурол − ядовитое вещество и по степени воздействия на человека относится к классу опасности − 3 (ГОСТ 12.1.007-76). При высокой концентрации паров фурфурола в воздухе происходит отравление человека с поражением нервной системы. Предельно-допустимая концентрация (ПДК) фурфурола в воздухе рабочей зоны – 10 мг/дм3. Порог восприятия запаха фурфурола 1,0-1,5 мг/дм3. При работе с фурфуролом необходимо применять спецодежду в соответствии с нормами, а также соблюдать правила личной гигиены. Помещения, в которых проводят работы с фурфуролом, должны быть оборудованы приточно-вытяжными вентиляционными установками общего и местного назначения. В лаборатории работы с фурфуролом необходимо производить в вытяжном шкафу. Высокая реакционная способность фурфурола позволяет применять его в различных отраслях промышленности в качестве исходного сырья для синтеза многих ценных продуктов. Фурфурол-сырец используют при получении фурфурольно-ацетоновой и других смол. Технический фурфурол применяют в основнов процессах синтеза фурановых производных. При каталитическом гидрировании фурфурола получают фурфуриловый спирт, тетрагидрофуриловый спирт, тетрагидрофуран и сильван. На основе фурфурола и его производных получают полимерные материалы. Наибольшее применение в СССР и за рубежом нашли термореактивные смолы, получаемые при поликонденсации фурфурола и фурфурилового спирта с различными мономерами (ацетоном, фенолом, фенолспиртами, мочевиной, формальдегидом и др.). Термореактивные смолы применяют в качестве связующего элемента при изготовлении стержней и форм в литейном производстве в нагреваемой и холодной оснастке. Гомополимеры и сополимеры тетрагидрофурана используют в производстве морозостойкого пенополиуретана, в шинной промышленности и т.д. Фурфурол используют для получения стабилизатора резины. Его применяют также для очистки смазочных масел. Одним из перспективных направлений использования фурфурола является применение его как селективного растворителя в нефтяной промышленности. Фурфурол используют для экстрагирования бутадиена при синтезе 1,3- бутандиена из газов крекинга нефти [104]. Фурфурол также рекомендуют для использования в качестве компонента растворителя при очистке стальных и медных труб от накипи. Производные фурфурола – нитрофураны (фурадонин, фурацилин, фуразолидон, ацилнидразон, фуразолин, фурагин, фурамид) обладают мощной бактериостатической и бактерицидной активностью и широким спектром антимикробного действия против различных групп микроорганизмов. Бактериальные штаммы, устойчивые к другим классам химических веществ (сульфаниламидам) и антибиотикам, чувствительны к нитрофуранам. В связи с этим очевидна перспектива их использования. Известен химиотерапевтический препарат солафур, полученный на основе калиевой соли фурагина. В медицине также используют противораковый препарат фторафур. Производные фурфурола (гидрофурамид, пирослизевая кислота и др.), предложено использовать в сельском хозяйстве для протравливания семян, для борьбы с сорняками гидрофурамид, феназон, фурфурамид. Препараты нитрофуранового ряда в небольших концентрациях могут быть использованы в качестве стимуляторов роста растений, а в более высоких − как антибактериальные вещества. Отход производства фурфурола − лютер очистной колонны – полностью используют в составе варочной смеси в процессе перколяционного гидролиза. Скипидарно-метальную фракцию сжигают. Кубовый остаток производства фурфурола содержит от 50 до 93% фурфурола. В настоящее время его сжигают, хотя известно несколько способов утилизации кубовых остатков [104]. Утилизация кубового остатка производства фурфурола. Осуществлялись попытки выделить фурфурол из кубового остатка путём экстракции, паром и вторичной вакуум-ректификации. Извлечение фурфурола путём экстракции конденсатом или лютером малоэффективно. Процесс выделения фурфурола из кубового остатка паром с последующей его конденсацией сопровождается обогащением конденсата метилфурфуролом. При возврате конденсата на очистную колонну качество товарного фурфурола ухудшается. При вторичной вакуум-ректификации получается фурфурол низкого качества. При дистилляции кубового остатка острым паром для отделения альдегидов, а затем вакуум-ректификации для выделения из смеси индивидуальных компонентов получают фурфурол 1 сорта и метилфурфурол, содержащий 98% основного вещества. При непосредственном окислении кубового остатка пероксидом водорода получают техническую янтарную кислоту и кротоналактон, которые могут найти применение в сельском хозяйстве как биостимуляторы роста растений и животных, а также в химической промышленности в производстве пластмасс. 4.1.3. Образование лигнина и возможные пути его утилизации При перколяционном гидролизе древесного сырья, так же как и при двухфазном гидролизе, остаётся нерастворимый остаток, называемый техническим лигнином. Кроме истинного лигнина, который входит в состав клеточных стенок растений, в состав технического лигнина входит 15-20% непрогидролизованной целлюлозы (трудногидролизуемые вещества), смолы - 7-12%, воска, жиры, гуминовые вещества, зольные элементы - 1-3,0%, неотмытая серная кислота - 0,6-1,5%, метоксильные группы - 10-11%, гидроксильные фенольные группы до 3% [10], влажность 80-90%. Органические вещества лигнина содержат: С - 63,5-65%, Н - 5,4-5,9%, О - 29,1-30,1%, ОСН3 - 15%. Теплотворная способность сухого гидролизного лигнина составляет 5500-6500 кал/кг, с влажностью 65% – 1500-1650 кал/кг. Выход лигнина от древесины составляет 35-37%. Зола сухого лигнина содержит: СаО - 32,8%, МgО - 0,6%, Fe2O3 - 16,5%, SiO2 - 49,5%, Р2О5 - 1,5%. Органические кислоты лигнина представлены в основном муравьиной и уксусной. Известны очень широкие сферы использования лигнина: в качестве топлива, в металлургии в качестве углеродистого восстановителя, как удобрение в сельском хозяйстве, в производстве строительных материалов, в качестве активированного угля. Технология полусухого формования лигнина как топлива отрабатывалась на Бобруйском гидролизном заводе. Позже более совершенные схемы сушки и транспортировки лигнина использованы в котельных на Кировском, Волжском и Хакасском гидролизных заводах. Для использования в качестве восстановителя в металлургической промышленности лигнин брикетируют. Были проведены испытания по брикетированию лигнинов, полученных с различных заводов: Бендерского, Волжского, Зиминского, Шумерлинского. Установлено, что лигнин можно использовать в качестве удобрения в сельском хозяйстве, как в чистом виде, так и в виде органоминеральных смесей [105]. По своим агрохимическим свойствам лигнин приближается к верховому торфу. Но в отличие от него лигнин содержит ростовые вещества, которые обеспечивают увеличение урожайности зерна, картофеля и др. Лигнин улучшает структуру почв, увеличивает её поглотительную способность, восстанавливает первоначальное плодородие. Проводились опыты по компостированию лигнина с активным илом, с птичьим помётом, навозом в соотношении 1:1. Компосты созревают через 3-6 месяцев. Навоз и птичий помёт имеют рН 8 и при компостировании нейтрализуют лигнин. Компост имеет следующий состав: азот общий – 2,44%, Р2О5 – 0,5%, К2О – 0,32% , зола – 6,74%, влага – 65%. Данный способ получения компостированных удобрений не требует применения энергоёмких технологий, обеспечивает экологическую безопасность и экономическую эффективность производства. Возможность использования лигнина и продуктов его модификации в сельском хозяйстве во многом определяется их адсорбционными свойствами, которые создают условия для удерживания питательных веществ и их постепенного выделения, а не быстрого вымывания атмосферными осадками и почвенными водами. Во многих случаях лигнин можно рассматривать не только как пористый адсорбент, но и как вещество, способное к образованию комплексных соединений со многими видами удобрений. На этом основано получение органо-минеральных удобрений из частично разложившегося гидролизного лигнина за счёт его компостирования с минеральными солями, навозом, азотобактерином. При этом срок действия удобрений увеличивается на несколько лет. Лигнин может использоваться в строительстве. Прессованные изделия из смеси лигнина и отходов бумажной промышленности более прочные, чем изделия из одного лигнина. Проведены испытания по производству древесноволокнистых плит (ДВП) с добавками нейтрализованного лигнина в количестве 30% [106]. Анализ патентной и технической литературы подтверждает возможность использования лигнина для получения прессованных теплоизоляционных, искусственных пористых заполнителей и других материалов, однако степень использования лигнина в строительной индустрии остаётся невысокой. Производные лигнина также могут найти своё применение в промышленности. Нитролигнин (сунил) – при бурении нефтяных скважин, хлорлигнин – как дубитель для извлечения редких элементов, щелочной активированный лигнин – для производства синтетического каучука, в производстве лигнофенол-формальдегидных смол, в производстве бензолполи-карбоновых кислот, которые используются для изготовления лаков, пластификаторов, клеев и т.д. Продукты окисления лигнина азотной кислотой – хинонные нитро-поликарбоновые кислоты (ХНПК) по способности стимулировать рост растений не уступают гибберелловой кислоте (ГК). ХНПК в виде аммонийных солей также являются стимуляторами роста растений и могут использоваться в солодоращении, при ферментативном гидролизе для накопления амилолитических и протеолитических ферментов. ХНПК являются составной частью лигностимулирующих удобрений (ЛСУ). Лигнин можно использовать для получения препарата БП-100, который применяют для бурения скважин [93]. Но, несмотря на столь широкие сферы возможного его использования, лигнин в основном используется как топливо на производстве и в быту [99]. На основе технического лигнина производят энтеросорбент «Полифепан», который применяют для лечения острых желудочно-кишечных заболеваний [108]. Технология производства энтеросорбента «Полифепан». Технология производства «Полифепана» состоит из следующих стадий: обработка лигнина 10% раствором едкого натрия при нагревании, фильтрование, нейтрализация фильтрата 10% раствором серной кислоты, фильтрование, сушка осадка лигнина, дробление, фасовка, стерилизация и упаковка. «Полифепан» выпускают в виде порошка, гранул и таблеток. Нейтрализованный фильтрат содержит соли гуминовых кислот. Его фасуют, упаковывают и реализуют как стимулятор роста растений. «Полифепан» производят в ЗАО «Сайнтек» (г.Санкт-Петербург) и в ЗАО «Сти-мед-сорб» (г.Киров). 4.2. Биохимическая переработка нейтрализованных сернокислотных гидролизатов растительного сырья 4.2.1. Получение этилового спирта Получение этилового спирта из гидролизного сусла. Получение гидролизного этилового спирта основано на процессе сбраживания гексозных моносахаридов гидролизного сусла различными штаммами дрожжей с последующим выделением спирта и очисткой путём ректификации на пятиколонной установке. Сведения об основных продуцентах спиртового брожения, их физиологических особенностях. Основными продуцентами спирта являются дрожжи, относящиеся к классу аскомицетов (Ascomycetes) или сумчатых грибов. В гидролизно-спиртовом производстве применяются различные штаммы спиртообразующих дрожжей, относящихся к родам Saсcharomyces (S.vini, S. vini var. cartilaginosus, S.cerevisiae, S.paradoxus, S.casei) и Schizosaccharomyces (Schiz. pombe, Schiz. species и др.). Шизосахаромицеты впервые появились на Хорском заводе и в настоящее время используются на всех гидролизных спиртовых заводах как монокультура или в смеси с сахаромицетами. Шизосахаромицеты обладают большей бродильной активностью и спиртообразующей способностью в сравнении с сахаромицетами при сбраживании гидролизного сусла. Поэтому они получили широкое распространение. К шизосахаромицетам относятся следующие производственные штаммы дрожжей: КС-1 (Канский завод), ВС-1 (Волгоградский завод), ХорС-1 (Хорский завод), Кос-1 (Косьвинский завод), ОН-С-1-94 (Архангельский завод) и др. Штаммы шизосахаромицетов различаются по бродильной активности и спиртообразующей способности. Наивысший выход спирта 55-61,7 л со 100 кг сбраживаемых РВ имеет штамм Архангельского завода Schizocaccharomyces species ОН-С-1-94 [109]. Согласно паспортным данным, этот штамм имеет выход готового продукта 55-56 л со 100 кг сбраживаемых РВ. Его технологические характеристики: среда культивирования –гидролизат древесины (или меласса) с РВ=2,0-6,0%; температура 32-36о С; рН 3,9-5,0; удельная активность сбраживания глюкозы - 0,47-0,535 ч-1; время брожения 8-10 часов. Но биомасса, образованная дрожжами данного вида, нестойка при хранении. Дрожжевые клетки медленно размножаются на нейтрализованных гидролизатах древесины, так как не накапливают запасного энергетического вещества – гликогена и не синтезируют витамины (биотин, инозит, никотиновую кислоту и др.). Поэтому они плохо переносят консервацию при остановках завода на капитальный ремонт. На скорость брожения дрожжей шизосахаромицетов влияют природа и концентрация сахаров. Наиболее интенсивно сбраживаются глюкоза и фруктоза, медленнее манноза и труднее других галактоза [109]. Гидролизное сусло сбраживается ими с максимальной скоростью при концентрации сбраживаемого сахара 1,5-4%. При концентрации сахара ниже 1% скорость брожения сильно замедляется, а повышение концентрации до 10-15% приводит к нарушению обмена веществ в дрожжах [10]. Кроме того, высокая концентрация спирта отрицательно влияет на каталитическое действие ферментов. Наряду с основными штаммами спиртообразующих дрожжей в состав производственной микрофлоры входят дрожжи-примеси. При использовании в качестве основной культуры дрожжей шизосахаромицетов в качестве примесей присутствуют дрожжи сахаромицеты и другие спорообразующие дрожжи. В гидролизно-дрожжевом производстве имеются другие дрожжеподобные грибы (микодерма и трихоспорон), а также бактерии – возбудители молочнокислого, уксуснокислого, маслянокислого брожения. Для борьбы с бактериальной инфекцией в производстве спирта применяют наиболее эффективный метод – подкисление дрожжевой суспензии до рН 3,5 и выдерживание в течение 1-2 ч. Предусматривается по графику периодическая мойка и стерилизация оборудования и трубопроводов паром с температурой 110-140оС в течение не менее 1 ч. В случае необходимости проводится дезинфекция оборудования, трубопроводов и помещений растворами гипохлорита натрия, хлорной известью и др. В последнее время ведутся работы по поиску микроорганизмов, сбраживающих пентозы в спирт [110,111]. Проверено 16 штаммов разных видов на способность сбраживать ксилозу, из них только 7 имеют такую способность. Имеется информация из-за рубежа о возможности непосредственного сбраживания ксилозы в этанол, а также путём превращения ксилозы с помощью фермента ксилозоизомеразы в ксилулозу, которая сбраживается некоторыми видами дрожжей в этанол. Найдено, что лучшие результаты по сбраживанию ксилозы дают дрожжи Candida shehate и Pichia stipitis. Наибольшая концентрация этанола составила 3% при содержании в ферментационной среде 6% ксилозы. Стоимость этанола при конверсии ксилозы составила 1,23 дол/галл [111]. Авторы делают ссылки на иностранную литературу, где указывается набор микроорганизмов, сбраживающих ксилозу: Clostridium thermo-saccharolyticum, Schizosaccharomyces pombe, Kluyverоmyces lactis, Pachysolen tannophiles, Thermobacteroides saccharolyticum и т.д. Этанол получают путём сбраживания углеводов культурой Zymomonas mobilis, которая активна даже при концентрации спирта 12,6% при использовании иммобилизованных клеток. C целью снижения себестоимости этилового спирта ведутся исследования процесса прямой ферментации целлюлозы [111]. В настоящее время хорошо изучены активные продуценты целлюлаз среди бактерий, дрожжей, мицелиальных грибов, исследованы ассоциации таких микроорганизмов. При конверсии древесины наиболее реальной является схема предварительной её делигнофикации и затем ферментации целлюлозы в спирт. Технология спиртового брожения. В настоящее время в гидролизной промышленности в производстве этилового спирта применяют непрерывный метод брожения с возвратом отсепарированных дрожжей в бродильную батарею, состоящую из головных и дображивающих биореакторов [3,10]. Технологическая схема спиртового брожения с рециркуляцией дрожжей представлена на рисунке 4.3. Рис. 4.3. Технологическая схема брожения нейтрализованного гидролизата растительного сырья с рециркуляцией дрожжей. 1 – сборник сусла; 2 – насосы; 3 – дрожжанка; 4 – головной бродильный биореактор; 5 – хвостовой бродильный биореактор; 6 – фильтр; 7 – сепаратор; 8 – сборник спиртовой бражки В головной аппарат для брожения поступает сусло и засевные дрожжи. Технологический режим брожения: t=32-34о C, рН 3,8-4,2, время брожения 5-7 часов. Бражка из головных биореакторов поступает в хвостовой биореактор. В процессе брожения выделяется углекислый газ, сорбирующийся на поверхности дрожжевых клеток в виде пузырьков, которые поднимаются кверху, увлекая дрожжи. Пузырьки на поверхности лопаются, и дрожжи оседают. Часть дрожжей отмирает и оседает на дно. Мёртвые дрожжи выводят и сбрасывают в канализацию. Спиртовую бражку подают на сепарацию, где отделяют дрожжи. Дрожжи направляют в дрожжегенератор, где смешивают их с суслом и вновь направляют на брожение. Спиртовую бражку после сепарации подают в бражную колонну для выделения спиртового конденсата. Спиртовая бражка помимо этилового спирта содержит побочные продукты процесса брожения: глицерин, янтарную кислоту, уксусную кислоту, уксусный альдегид, сивушные масла, органические кислоты, фурфуриловый спирт. Она также содержит примеси, которые имеются в гидролизном сусле: метанол, фурфурол, терпеновые углеводороды, ацетон, акролеин, уксусную, масляную кислоты, лигнофурановые вещества. Процесс ректификации. В гидролизной промышленности для отгонки спирта из бражки применяют непрерывнодействующие брагоперегонные колонны и четырёхколонные ректификационные установки. Технологическая схема брагоперегонки и ректификации этанола изображена на рисунке 4.4. Согласно схеме [3,8,10] спиртовую бражку из сборника 1 последовательно подают на подогрев в дефлегматор 3 и на питающую тарелку бражной колонны 2. Бражная колонна имеет 27-28 тарелок колпачкового типа, из них в исчерпывающей части – 22-23 тарелки. Брагоперегонные колонны имеют диаметр 2 м и высоту 12-18 м. Спиртосодержащие пары, освобождённые от Рис. 4.4. Технологическая схема брагоперегонки и ректификации этанола: 1 - сборник спиртовой бражки; 2 - бражная колонна; 3 - дефлегматоры; 4 - конденсаторы; 5 - эпюрационная колонна; 6 - эфирная колонна; 7 - спиртовая колонна; 8 - конденсаторы; 9 - декантатор сивушных масел; 10 - метанольная колонна; 11 - выносной подогреватель; 12 - смотровой фонарь; 13 - контрольный снаряд; 14 - сборник этанола капель бражки, поднимаются в верхнюю часть бражной колонны. После дефлегматоров основную часть конденсата с содержанием спирта 15-30% подают на дальнейшую ректификацию, а оставшуюся часть конденсата − на верхнюю тарелку брагоперегонной колонны 2. Флегмовое число составляет 1,2-1,7. Бражка содержит углекислый газ. При кипячении он вместе с парами поднимается вверх по тарелкам и проходит дефлегматор 3. Часть спирта уносится с углекислым газом и для его улавливания имеется холодильник 4. Углекислый газ сбрасывают в атмосферу через воздушник. Бражка постепенно перетекает по 22 тарелкам исчерпывающей части колонны вниз. Бражка, освобождённая от спирта и других летучих веществ, называется бардой. Допустимая концентрация спирта в барде составляет 0,01-0,02%. Барда через гидрозатвор поступает в сборник. При кипячении из бражки выделяется гипс, который вызывает гипсацию тарелок и царг. Бражные колонны периодически ставят на чистку. Спиртовый конденсат из бражной колонны с концентрацией спирта 15-30% поступает на питающую тарелку эпюрационной колонны 5. Колонна имеет 40 тарелок, из них 25 тарелок в исчерпывающей части. Обогрев ведут острым паром. На верхнюю тарелку эпюрационной колонны из дефлегматора 3 подают горячую воду (приблизительно 16% от объёма спиртового конденсата) для того, чтобы не укреплялся спирт и сократились его потери, чтобы лучше прошла очистка от эфиров и альдегидов. Головные летучие примеси из эпюрационной колонны 5 содержат значительное количество спирта (74-77%). Для его отделения служит эфирная колонна – 6. Эфирная колонна имеет 30 колпачковых тарелок (по 15 тарелок в укрепляющей и исчерпывающей частях колонны), в зависимости от производительности они имеют диаметр 1,25; 1,5 и 1,6 м и высоту 8-16 м. Обогрев ведут острым паром. Пары эфиров и альдегидов поднимаются в дефлегматор. Часть конденсата в виде флегмы с концентрацией спирта 65-90% возвращают в эфирную колонну 6, а часть укреплённой эфиро-альдегидной фракции отправляют на сжигание. Освобождённый спирт из куба эфиро-альдегидной колонны с концентрацией спирта 45-69% возвращают в колонну 5. Водно-спиртовый раствор, освобождённый от летучих примесей, из кубовой части эпюрационной колонны с концентрацией спирта 9-12,3% поступает в спиртовую колонну 7 на питающую тарелку №20. В спиртовой колонне 7, имеющей 66 колпачковых тарелок, осуществляют укрепление спиртового конденсата. В зависимости от производительности колонны имеют диаметр 1,6-3,2 м и высоту 10-19 м. Обогрев ведут острым паром. Пары спирта поднимаются по 20-22 тарелкам укрепляющей части колонны и освобождаются от воды. На верхних тарелках концентрация спирта доводится до 94-95%. Вместе с этиловым спиртом в верхней части колонны концентрируются и другие летучие компоненты (эфиры, альдегиды, метанол). Для освобождения этанола от этих примесей в среднюю часть укрепляющей зоны ректификационной колонны (тарелка №53) вводят 4%-ный водный раствор едкого натрия. Спирт отбирают с 64-65 тарелок. Сивушное масло отбирают на 5-7 тарелках вверх от питающей тарелки, где концентрация спирта достигает 45-55%. Фракция сивушного масла проходит конденсатор 8 и поступает в декантатор 9. В декантаторе сивушное масло промывают водой с целью его выделения и сокращения потерь этилового спирта. Выделившееся сивушное масло декантируют и отправляют на сжигание. Промывные воды возвращают в спиртовую колонну. Из кубовой части спиртовой колонны отбирают лютер. Лютер содержит не более 0,02% спирта. Отобранный с верхних тарелок концентрированный и очищенный спирт направляют на метанольную колонну 10 (питающая тарелка №30), где он освобождается от метанола и низкокипящих примесей. Метанольная колонна имеет 70 тарелок, из которых 28-30 находятся в исчерпывающей части. Очищенный от метанола этиловый спирт через гидрозатвор и холодильник 4, через смотровой фонарь 12 и контрольный снаряд 13 сливают в сборник готового продукта 14. Метанольную эфиро-альдегидную фракцию отбирают через разделительный сосуд, холодильник 4, в сборник и направляют на сжигание. Метанольная эфиро-альдегидная фракция содержит 4-8% этанола. В таблице 4.5 представлен температурный режим пятиколонной установки получения технического этилового спирта. 4.5. Температурный режим пятиколонной установки Наименование колонн Температура, оС на верхней тарелке на питающей тарелке в кубовой части Расход пара, % Бражная 86-87 98-100 102-105 76 Эпюрационная 76-78 86-88 94-96 3 Эфирная 64-66 787-80 80-84 2 Спиртовая 78-90 92-94 103-105 12 Метанольная 65-68 80-81 82-84 7 В процессе концентрирования и очистки этилового спирта образуются следующие побочные продукты: послеспиртовая барда, укреплённая эфиро-альдегидная фракция, спиртовый лютер, сивушные масла, метанольная фракция. В сивушном масле содержится более 50% амиловых спиртов с примесью пропилового и бутилового, а также до 10% терпенов и терпеновых спиртов, н-бутанол, гексанол, фурфурол, метанол, циклопентанон, циклопентанол, циклогексанол, борнеол, фурфурилэтиловый эфир, этилфуроат [112]. Химический состав полупродуктов гидролизного этилового спирта представлен в таблице 4.6. 4.6. Химический состав полупродуктов производства спирта Наименование отходов Крепость, % Кислоты, мг/дм3 Эфиры, мг/дм3 Альдегиды, мг/дм3 Конденсат 15-30 860-1140 85-352 308-528 Эпюрат 9-12,3 820-1020 85-264 176-308 Эфиро-альдегидная фракция 74-77 120-1200 3,5-14,08 6-11 Укреплённая эфиро-альдегидная фракция 65-90 600-6000 62-222 61-134 Лютер эфирной колонны 45-69 90-480 0,0-714 176-880 Характеристика технического этилового спирта, реализация его и образовавшихся отходов производства. Технический этиловый спирт выпускают в соответствии с ГОСТ 18300-87 «Спирт этиловый ректификованный технический» (таблица 4.7). 4.7. Характеристика технического этилового спирта Наименования показателей Нормативы по ГОСТ 18300-87 Высшая категория качества Первый сорт ОКП 91 82132300 Марка Экстра ОКП 91 82132100 Высший сорт ОКП 91 82132200 Внешний вид Прозрачная бесцветная жидкость без посторонних частиц Запах Характерный для этилового спирта, без запаха посторонних веществ Объёмная доля этилового спирта, %, не менее 96,2 96,2 96,0 Проба на чистоту Должен выдерживать испытание Проба на окисляемость, мин, не менее 15 15 10 Массовая концентрация в безводном спирте, мг/дм3, не более: альдегидов 4 4 10 сивушного масла 4 4 10 кислот в пересчёте на уксусную кислоту 10 15 20 сложных эфиров 25 30 40 Проба на метиловый спирт Должен выдерживать испытание Проба на фурфурол Отсутствует Массовая концентрация серы, мг/дм3, не более Отсутствует Массовая концентрация сухого остатка, мг/дм3, не более 2 4 15 Массовая концентрация щёлочи в пересчёте на NaOH, мг/дм3, не более Отсутствует Удельное объёмное электрическое сопротивление, Ом/ см, не менее 1,3 106 Не определяют В соответствии с нормативами по ГОСТ 18300-87, представленными в таблице 4.7, технический ректификованный спирт не уступает по качеству пищевому этиловому спирту (ГОСТ 5962-67). Этанол относится к легковоспламеняющимся жидкостям. Температурные пределы воспламенения насыщенных паров этанола в воздухе от 11 до 41оС; область концентраций воспламенения паров этанола при атмосферном давлении от 68 до 340 г/дм3. Категория и группа взрывоопасной смеси этанола с воздухом ПА-Т2 (ГОСТ 12.1.011-78). Отделение ректификации этанола относится по пожаро- и взрывоопасности к категории А (СНиП II-90-81) и классу В-Iа (ПУЭ). Для тушения загоревшегося этанола допускается использование любых средств пожаротушения: распыленная вода, песок, асбестовое одеяло, все виды огнетушителей. Этиловый спирт по степени воздействия на организм человека относится к 4 классу опасности (ГОСТ 12.1.007-76). Он оказывает наркотическое воздействие, вызывая вначале возбуждение, а при воздействии больших доз расстройство и паралич нервной системы. Предельно-допустимая концентрация (ПДК) паров этанола в воздухе рабочей зоны – 1000 мг/дм3 (ГОСТ 12.1.005-76). При работе с этиловым спиртом применяют спецодежду в соответствии с нормами. Спирт этиловый ректификованный технический (ГОСТ 18300-87) имеет широкие сферы использования в промышленности. Спирт «экстра» применяют в качестве растворителя в электронной промышленности, в химико-фармацевтической промышленности, в медицине и в бытовой химии. Этиловый спирт высшего и первого сорта используют как сырьё для получения химических продуктов. Одним из наиболее важных направлений использования этилового спирта является замена им нефтяного топлива. Наибольших успехов в развитии биотопливной индустрии достигла Бразилия, которая производит топливный спирт из сахарного тростника, сорго и маниоки, а также из отходов переработки плодоовощного сырья. Производимый спирт добавляют в бензин (до 20% по объёму); его использование не требует переналадки двигателей. 80% автопарка Бразилии уже переведены на биотопливо,(используемое в виде добавок к бензину или дизельному топливу. Примерно 10% общего парка автомобилей страны оснащены специальными двигателями и могут работать на чистом этаноле, содержащем 4-5% воды. В США ежегодное производство топливного этанола из отходов растениеводства и кукурузы составляет 3 млрд. л. За счёт биоэнергии в США ежегодно экономится около 45 млн.т нефти. В литературе имеются противоречивые данные по вопросу экономичности производства топливного этанола из отходов сельскохозяйственных растений. Так западногерманские эксперты в специальном исследовании пришли к выводу, что ни один из видов биотоплива не может конкурировать с топливом, получаемым на основе горючих ископаемых. С экологической и экономической точек зрения топливный этанол имеет ряд преимуществ: 1. Обладает высоким октановым числом, поэтому отпадает необходимость добавления в него токсичного тетраэтилсвинца. 2. Повышает денатационную стойкость топлива (температура самовоспламенения бензина 290о С, в смеси с этанолом – 425о С). 3. Не увеличивается концентрация окислов азота, серы, сажи в атмосфере при выбросе их с выхлопными газами. 4. Энергоёмкость производства топливного спирта из биомассы ниже в 1,3-1,5 раза, чем при его производстве из угля. 5. Использование этанола с бензином в пропорции (1,0-1,5):(9,0-8,5) не требует переналадки двигателей. Для получения топливных смесей с содержанием этанола более 20% его надо обезвоживать. Повышение концентрации спирта до 99,3-99,88% проводят азеотропной перегонкой с циклогексаном, бензолом, трихлорэтаном, гексаном и др. растворителями [3]. В качестве высокооктановой добавки к топливу можно использовать этил-трет-бутиловый эфир [113]. Отходами производства спирта являются: послеспиртовая барда, укреплённая эфиро-альдегидная фракция (УЭАФ), сивушные масла, спиртовый лютер, углекислый газ. Послеспиртовая барда содержит моносахариды в количестве 0,5-0,8%, имеет высокое ХПК. Её используют для выращивания кормовых дрожжей [10]. УЭАФ и сивушные масла гидролизного производства пока не нашли применения и поэтому их сжигают. Лютер спиртовой колонны используют в технологических процессах приготовления варочной смеси. Побочным продуктом спиртового производства является углекислый газ. Выход его составляет 4-5 кг/дал этанола [3]. Получение этилового спирта из смешанных субстратов. С целью решения проблемы создания безотходного производства этилового спирта важно знать эффективность сбраживания гидролизных субстратов с более высокой концентрацией моносахаридов. В лабораторных условиях автором [33] была исследована скорость сбраживания следующих субстратов: нейтрализованного гидролизата древесины с РВ=2,3%, нейтрализованного гидролизата зерна с РВ=3-8%, их смеси с РВ=3-8%, а также мелассы. В качестве основной культуры для спиртового брожения был использован штамм дрожжей Schizosaccharomyces species ОН-С-1-94, который применяют в настоящее время в производстве гидролизного этилового спирта. Результаты исследований представлены в таблице 4.8. 4.8. Результаты процесса брожения различных субстратов Наименование субстрата Состав суб-страта, % Время броже- ния, ч Состав бражки, % Несброжен-ные сахара, % Выход спирта от РВ, % РВ РВИ РВИ спирт Нейтрализованный гидролизат древесины 2,3 2,3 7 0,57 1,05 25,2 60,7 Нейтрализованный гидролизат зерна 3,38 6,30 8,0 4,13 6,38 8,0 23 18 48 1,00 1,24 1,72 1,97 3,28 3,93 24,2 19,4 21,5 62,9 63,8 62,6 Смесь нейтрализованных гидролизатов древесины и зерна 3,29 4,00 5,56 8,0 3,29 4,00 5,56 8,0 9 9 18 48 0,64 0,73 1,14 1,0 1,61 2,04 2,77 4,40 19,4 21,3 20,5 12,5 60,8 62,3 62,7 62,8 Меласса 1,62 3,0 24 0,09 1,96 5,3 69,0 При сбраживании смеси нейтрализованных гидролизатов хвойной древесины и зерна (в соотношении 10:1) с концентрацией РВ=3,29% и концентрации дрожжей 30 г/дм3 выход спирта от РВ составил 60,8%, концентрация несброженных РВИ от концентрации РВИ в субстрате через 9 ч была 19,4%, а скорость брожения – 0,181 ч-1. При увеличении доли зернового гидролизата в смеси нейтрализованных гидролизатов древесины и зерна (концентрация РВ=4-8%) выход спирта от РВ увеличивается на 2% в сравнении с выходом спирта при сбраживании одного нейтрализованного гидролизата древесины. Скорость брожения нейтрализованной смеси гидролизатов древесины и зерна с концентрацией РВ=5,56% составляет 0,09 ч-1. Таким образом, из выше представленных результатов следует, что разработанный режим получения гидролизного сусла обеспечивает повышение выхода спирта от РВ на 2 % [33]. Химический состав послеспиртовой барды. Основным жидким отходом спиртового производства является послеспиртовая барда. Её используют для получения кормовых дрожжей, производство которых осуществляют по типовой технологической схеме. Качество питательного субстрата определяет экономическую эффективность процесса ферментации и, прежде всего, выход биомассы дрожжей от РВ. В состав послеспиртовой барды кроме источников углерода (пентоз и органических кислот) входят продукты распада моносахаридов, а также жидкие отходы процессов ректификации спирта и фурфурола. Химический состав послеспиртовой барды представлен в таблице 4.9 [33]. 4.9. Химический состав послеспиртовой барды, % Наименование показателей Древесина хвойных пород Древесина и целлолигнин Древесина и меласса Древесина и зерноотходы 1 2 3 4 5 РВ 0,62-0,79 0,55-0,69 0,49-0,65 0,51-0,53 Фурфурол 0,0011-0,004 0,0015-0,004 0,0005-0,002 0,0005-0,001 Оксиметил- фурфурол 0,064-0,096 0,060-0,069 0,059-0,080 0,064-0,066 Левулиновая кислота 0,246-0,328 0,312-0,341 0,301-0,384 0,302-0,391 Лигнофурановые вещества 0,327-0,338 0,312-0,345 0,286-0,304 0,302-0,311 Органические кислоты 0,47-0,55 0,5-0,54 0,38-0,57 0,63-0,68 Абсолютно сухие вещества 1,50-1,59 1,60-1,66 1,60-1,81 1,46-1,49 Моносахариды: 0,52±0,03 0,332±0,02 0,47±0,12 0,405±0,06 арабиноза 0,086±0,006 0,065±0,01 0,071±0,014 0,063±0,013 ксилоза 0,43±0,03 0,267±0,02 0,40±0,10 0,388±0,08 ХПК, мг О2/дм3 24000-30500 21600-24000 21569-23137 22333-23040 Из данных таблицы видно, что послеспиртовая барда имеет различное содержание пентозных моносахаридов в зависимости от перерабатываемого сырья. Наибольшее содержание РВ и моносахаридов в послеспиртовой барде, полученной при переработке на спирт древесины хвойных пород, и наименьшее – при переработке на спирт смеси древесины и некондиционного зерна. Содержание абсолютно сухих веществ в барде при добавках мелассы повышается, а при использовании зерна – снижается. Более высокое ХПК барда имеет при переработке одной хвойной древесины за счёт более высокой концентрации РВ. 4.2.2. Получение кормовых дрожжей на послеспиртовой барде Послеспиртовую барду используют в качестве питательного субстрата в производстве кормовых дрожжей. Дрожжи выращивают или на одной послеспиртовой барде, или на послеспиртовой барде с добавками гидролизного сусла. Продуценты кормовых дрожжей. Для производства кормовых дрожжей используют бесспоровые дрожжеподобные грибы.. По классификации Лоддер и Крюгер ван Рей аспорогенные дрожжи относятся к порядку Cryptococcales [3,114]. Cхема классификации аспорогенных дрожжей по Lodder and Kreqer van Rij Класс Fungi imperfecti Порядок Cryptococcales Семейство Cryptococcaceae Подсемейство Подсемейство Подсемейство Cryptococcoideae Trichosporoideae Rhodotoruloideae Род Род Род Candida Trichosporon Rhodotorula Torulopsis и др. К подсемейству Cryptococcoideae относятся 7 родов. Семушиной с сотрудниками дрожжевой лаборатории ВНИИГидролиза в гидролизно-дрожжевом производстве внедрены дрожжи рода Candida [114]. Род Candida включает 30 видов, отличающихся различным расположением мицелия, бластоспор и другими признаками. В производстве используют чаще виды – С. scottii [114,115], C. utilis. В состав производственных ассоциаций входят и другие представители рода Candida: C.tropicalis, C.mesenterica, C.parapsilopsis, C.glaebosa, C.vini, C.intermedia, C.guilliermondii, C.mycoderma, C.melini, C.blankii, C.brumptii, C.arborea и др. Виды подразделяются на расы (штаммы). Штаммы дрожжеподобных грибов, выделенные на разных заводах, отличаются по активности ассимиляции углеводов, устойчивости к ингибиторам гидролизных сред, скорости роста и по выходу биомассы. Из подсемейства Cryptococcoideae в микробных ассоциациях в качестве примеси встречаются дрожжи родов Torulopsis и Cryptococcus: Torulopsis sace, T.famata, T.holnii, T.sphaerica, Cr.spesia и Cr.terreus и др. Это одиночные клетки, плохо флотирующиеся и снижающие выход биомассы от РВ. В микробных ассоциациях гидролизно-дрожжевых заводов используют дрожжеподобные грибы рода Trichosporon. К данному роду относится вид Trichosporon cutaneum, который имеет невысокую скорость роста по сравнению с Candida scottii, но он более глубоко ассимилирует органические вещества питательного субстрата, в том числе пентозы и органические кислоты. Поэтому данный вид применяют не только при ферментации гидролизного сусла, послеспиртовой барды, но и отработанной культуральной жидкости (ОКЖ – последрожжевой бражки). В ассоциации с основной культурой С.scottii отмечается симбиоз культур дрожжей и гриба, что способствует повышению выхода дрожжей от РВ и содержания в них белка по Барнштейну. Известны следующие штаммы гриба: Кир-2, Кир-3 и Кир-01 (Киров), ВГ-6, Лд-10, Вж-1, Вт-6. В ассоциациях дрожжей ряда заводов используют дрожжи Hansenula anomala, относящиеся к спорообразующим грибам семейства Saccharomycetaceae [116]. В качестве сопутствующей миклофлоры в биореакторах присутствуют дрожжи рода Zigofabospora (вид Z.marxiana), также относящиеся к семейству Saccharomycetaceae. Присутствие их в ассоциации дрожжей нежелательно, так как они снижают выход биомассы от РВ. Кроме дрожжевых культур и культур гриба в составе биоценозов промышленных ферментаторов всегда присутствуют бактерии. Для поддержания в необходимом количестве основной ассоциации дрожжей необходимо периодически осуществлять подсев культуры основного продуцента белка. Вся сопутствующая микрофлора, а также живые клетки продуцента убиваются в процессе термолиза дрожжевой суспензии перед сушкой. С целью повышения устойчивости к ингибиторам проводится постоянная селекция производственных штаммов. Адаптация культур дрожжей к ингибиторам, присутствующим в гидролизных средах, существенно повышает выход дрожжей от РВ и содержание в них белка. На гидролизных заводах с замкнутым циклом водопользования (Кировский биохимический завод) используют следующую ассоциацию дрожжей: С. scottii (Кир-87), Hansenula anomala (Кир-5) и Trichosporon cutaneum (Кир-2 и Кир-01), адаптированную к ингибиторам гидролизных сред. На заводе разработан режим засева данной ассоциации. Ассоциацию дрожжей С. scottii Кир-87 и Hansenula anomala Кир-5 (соотношение 60-70%:40-30%) используют при выращивании на послеспиртовой барде постоянно. Штаммы гриба Tr. cutaneum Кир-2 и Кир-01 подсевают периодически [33]. Создание оптимальных условий для выращивания культур-продуцентов белка обеспечивает доминирование этих культур в биоценозе промышленных ферментаторов. К этим условиям относятся: скорость роста – D=0,25-0,35 ч-1, рН 3,8-4,5; t=38-39oC [3,10]. Существенное влияние на состав микрофлоры оказывает качество и состав гидролизных сред. Продукты распада моносахаридов: фурфурол, оксиметилфурфурол, левулиновая кислота, лигногуминовые вещества, а также другие примеси гидролизата снижают скорость роста дрожжей и содержание белка в биомассе. Наиболее сильное снижение белка наблюдается при концентрации оксиметилфурфурола в гидролизном сусле более 0,07%. Основная схема производства кормовых дрожжей. Типовая технологическая схема производства кормовых дрожжей с использованием в качестве питательного субстрата послеспиртовой барды, соответствующая общей блок-схеме производства кормовых дрожжей, (раздел 3.3.5), представлена на рисунке 4.5. Послеспиртовую барду из сборника 1 подают через теплообменник 2 на выращивание дрожжей в биореактор 3 с барботажно-эрлифтной многозонной системой воздухораспределения типа УкрНИИСП. Содержание РВ в барде составляет 0,5-0,9%. При такой концентрации РВ в питательном субстрате нарушаются следующие оптимальные параметры выращивания дрожжей: нагрузка по РВ и время выращивания дрожжей. Для создания оптимальных нагрузок по РВ и получения качественных товарных дрожжей на заводах к послеспиртовой барде добавляют гидролизное спиртовое сусло. В биореактор кроме барды подают воздух, скомпримированный турбо-воздуходувкой 5. Для аппаратов V=1300 м3 используют две турбовоздуходувки ТВ-175-1,6 производительностью 10000 м3/ч. Удельный расход воздуха составляет 32 кг на 1 кг товарных дрожжей [10]. Для нейтрализации органических кислот и поддержания рН 4,2-4,5 в культуральной жидкости используют 25%-ный водный раствор гидроксида аммония, который также является и источником азота. Ферментацию проводят при значениях рН 4,2-4,5 с целью снижения инфицирования. При ферментации поддерживают температуру 38-39оС. Процессы микробиологического синтеза, в частности микробного белка, сопровождаются выделением значительного количества тепла. Отводят тепло путём подачи воды в теплообменники циркуляционных труб или в змеевики диффузоров, а также путём орошения водой наружной поверхности биореактора. Из биореакторов отбирают два потока: один − поток отработанной культуральной жидкости из нижней части аппарата, и другой − поток дрожжевой суспензии. Откуда полученную дрожжевую суспензию с концентрацией прессованных дрожжей 30-40 г/дм3 самотёком отводят во флотатор 6. Дрожжевую пену гасят механическим и химическим пеногасителями в центральном стакане флотатора. Сгущённую дрожжевую суспензию с концентрацией дрожжей 80-120 г/дм3 через газоотделитель 7, насосом 8 откачивают в сборник 9. Отфлотированную отработанную культуральную жидкость насосом 10 подают в сборник 11, затем насосом 12 − на биоокисление. Биоокисление осуществляют в одну, две или три ступени в биореакторах V=1300 м3 с такими же системами воздухораспределения, как в биореакторах для выращивания дрожжей. Дрожжевую суспензию после биоокисления сгущают на флотаторе и подают в сборник дрожжевой суспензии 9. Дрожжевую суспензию насосами 13 подают на сепараторы 14 и 16. Сепарацию осуществляют в одну или две ступени с промывкой водой до концентрации дрожжей 300-400 г/дм3 (8-12% а.с.в.). Отсепарированную отработанную культуральную жидкость собирают в сборнике 17. Она содержит пеногаситель и не может проходить очистку в биоокислителях, поэтому её насосом 18 подают на очистные сооружения. Сгущённую суспензию Рис. 4.5. Технологическая схема получения кормовых дрожжей: 1 - сборник сусла; 2 - теплообменник; 3 - биореактор; 4 - фильтр; 5 - турбовоздуходувка; 6 - флотатор; 7 - газоотделитель; 8, 10, 12, 13, 18, 20, 23, 26, 30 – насосы; 9 - сборник дрожжевой суспензии; 11 - сборник последрожжевой бражки; 14 - сепаратор I ступени; 15 - водоструйный насос; 16 - сепаратор II ступени; 17 - сборник отсепарированной дрожжевой бражки; 19 - сборник сгущенной дрожжевой суспензии; 21 - плазмолизатор; 22 - сборник дрожжевой суспензии; 24, 25 - выпарные аппараты; 27 - сборник дрожжевого концентрата; 28 - барометрический конденсатор; 29 - барометрический ящик; 31 - распылительная сушилка; 32 - циклоны; 33 - воздуходувка; 34 – бункер собирают в сборнике 19. Отсепарированную дрожжевую суспензию плазмолизуют (21) и направляют на вакуум-выпарную установку 24, 25. Дрожжевой концентрат собирают в сборнике 27 и насосом 30 подают на сушилку 31. Товарные дрожжи с влажностью 7-10% упаковывают в бесклапанные мешки. Мешки транспортируют на склад готовой продукции. После сушки из бункера дрожжи поступают в гранулятор. Хранят гранулированные дрожжи в бункерах. Транспортировку их осуществляют насыпью в железнодорожных вагонах. Химический состав гидролизных кормовых дрожжей и их питательная ценность. Дрожжи кормовые гидролизные выпускают по ГОСТ 20083-74 с изменениями 1-7 (таблица 4.10). 4.10. Характеристика качества гидролизных кормовых дрожжей Наименование показателей, % в пересчёте на а.с.в. Нормативы по ГОСТ 20083-74 для групп высшей первой второй третьей Внешний вид порошок, чешуйки или гранулы Цвет от светло-жёлтого до коричневого Запах свойственный дрожжам, без постороннего запаха Массовая доля влаги, не более для гранулированных дрожжей, не более 10,0 11,0 Массовая доля белка по Барнштейну,не менее 44 41 36 32 Массовая доля сырого протеина ,% не нормируется Массовая доля золы, не более 12,0 14,0 Диаметр гранул,мм Длина гранул, мм Проход через сито с d=3мм, не более 5-13 не более двух диаметров 5,0 Металломагнитная примесь до 2мм,мг/кг 20 20 30 30 Наличие живых клеток продуцента не допускается Общая бактериальная обсеменённость, т.кл./г 150 Токсичность не допускается ГОСТом предусматривается качество дрожжей по четырём группам – 1,2,3 и высший сорт. Основной показатель качества дрожжей массовая доля белка по Барнштейну: для высшей группы – 44% и для 3 группы – 32%. Содержание зольных элементов не должно превышать 12% для высшей и 1-ой групп, 14% – для 2-ой и 3-ей групп. Гидролизные кормовые дрожжи производят в порошке и в гранулах. В ГОСТе ограничены размеры гранул: 5-13 мм для всех групп качества. Питательная ценность гидролизных кормовых дрожжей достаточно хорошо изучена. Биомасса кормовых гидролизных дрожжей является источником витаминов, аминокислот, макро- и микроэлементов и других ценных компонентов. Гидролизные кормовые дрожжи содержат все незаменимые аминокислоты. Сумма аминокислот в дрожжах, выращенных на послеспиртовой барде, составляет 40% от абсолютно сухого вещества. Проводились исследования по обогащению кормовых дрожжей азотсодержащими веществами, в частности карбомидом. Получены противоречивые результаты. Проведены испытания дрожжей, обработанных мочевиной, на свиньях и овцах. Мочевина рекомендуется в качестве азотной добавки в корма в количестве 2,5% [117,118]. Гидролизные дрожжи содержат нуклеиновые кислоты в количестве 4-8% и углеводы около 19%. В гидролизных дрожжах содержатся следующие витамины (мг/г): В1 (тиамин) – 5-27; В6 (пиридоксин) – 3,0-25,0; рибофавин – 40-150; пантотеновая кислота – 50-100; холин – 2500-6000; никотиновая кислота – 350-800; биотин – 0,6-2,3; фолиевая кислота – 10-35. Витамины А и С не обнаружены. Гидролизные кормовые дрожжи богаты кальциеферолами. В дрожжах есть токоферолы, некоторые расы их способны накапливать в своей биомассе каротин. Дрожжи содержат лецитин, глютенин, ферменты. Количество жира в гидролизных дрожжах составляет 14,0%. Исследован их липидный состав. Основную часть минеральных веществ кормовых дрожжей составляют фосфор (около 50%), калий (около 13,0%), кальций (около 3%), магний (около 1%). Кроме того, в состав дрожжевых клеток входят и микроэлементы. Изучено содержание микроэлементов в гидролизных дрожжах, выращенных на послеспиртовой барде (мг %): Mn – 10,4; Cu – 0,04-0,12; Cо – 0,66; Zn – 9,8; Fe – 32,0. Дрожжи, выращенные на гидролизате подсолнечной лузги, имели следующий состав микроэлементов (мг% от а.с.дрожжей): Mn – 2,8-7,6; Cu – 2,2-3,4; Cо – 0,04-0,12; Zn – 9,6-12,2; Fe – 20-60,8. Различные виды дрожжей имеют различный состав. Так, дрожжи рода Saсcharomyces, применяемые как основные культуры для спиртового брожения, имеют 7,3-10,2% минеральных веществ, в том числе 4,46-5,74% Р2О5; 0,24-0,54% СаО; 0,25-0,51% MgO к весу а.с.дрожжей. Ионы тяжёлых металлов в кормовых дрожжах (мг/кг): Pb < 5; Ni – 4,1; As < 2; F – 60-80. Предельно-допустимые концентрации тяжёлых металлов в продуктах микробного синтеза (мг/кг) установлены для: Hg – 0,1; Cd – 0,5; Pb – 5,0; As – 2,0; Cr – 1,0; Ni – 2,0; Al – 25,0; Se – 1,0; F – 45,0. Полный химический состав кормовых дрожжей гидролизно-дрожжевого производства с замкнутым циклом водопользования, полученных на послеспиртовой барде, представлен ниже в таблице 4.16. Проведена большая работа по санитарно-токсикологической оценке продуктов микробиологического синтеза. Один из её методов – определение общего уровня микробного загрязнения. Бактериальная обсеменнёность товарных гидролизных дрожжей большинства заводов не превышает установленный норматив – 150000 кл. на 1 г продукта. Проведены исследования по изучению токсичности гидролизных кормовых дрожжей. При этом были использованы различные методы анализа: на мышах и на инфузориях парамециях [119,120]. Известно, что нелетучие и трудноокисляемые cоединения остаются в гидролизате, сусле и послеспиртовой барде. Они являются основными загрязнителями отработанной культуральной жидкости и гидролизных кормовых дрожжей. К труднолетучим веществам относятся следующие продукты распада гексоз: оксиметилфурфурол, левулиновая кислота, гуминовые вещества; лигонофурановые вещества – продукты конденсации фурановых альдегидов с осколками лигнина, концентрация которых в гидролизате составляет 0,3-0,4%; продукты деструкции лигнина и экстрактивных веществ − фенолы и другие ароматические вещества. При переработке концентрированных сред содержание труднолетучих и трудноокисляемых веществ в отработанной культуральной жидкости увеличивается. Для получения нетоксичных кормовых дрожжей необходимо соблюдать ряд условий: 1. Сгущение дрожжевой суспензии в гидролизном производстве проводить до содержания абсолютно сухих веществ не менее 10-12%. 2. Ввести двухступенчатую сепарацию дрожжевой суспензии с промывкой дрожжей водой. ХПК отсепарированной отработанной культуральной жидкости не должно превышать 9000 мг О2/дм3. 3. Соблюдать температурные режимы сушки (90-100оС) и грануляции кормовых белковых продуктов (температура пара не должна превышать 140оС). 4. Дрожжевую суспензию после мокрой очистки дымовых газов направить на утилизацию совместно с активным илом. Кормовая ценность дрожжей определяется не только содержанием в них белков, витаминов, аминокислот, но и доступностью этих соединений для животного организма. Она, прежде всего, зависит от степени перевариваемости белков, отличающихся сравнительно большой устойчивостью к пищеварительным ферментам живого организма. Количество перевариваемого белка определяли по разности между количеством белка в пробе до и после обработки пепсином. Отношение этой величины к количеству исходного белка, выраженного в процентах, характеризует степень перевариваемости белка в дрожжах. Для дрожжей, выращенных на послеcпиртовой барде или смеси барды с нейтрализованным гидролизатом древесины, перевариваемость белка составляет 74-86%. Для дрожжей, выращенных на нейтрализованном гидролизате древесины, перевариваемость белка составила 72-90%. Питательная ценность и нетоксичность дрожжей подтверждена длительным использованием их в составе комбикормов на животных и птице. Химический состав отработанной культуральной жидкости. Исследован химический состав отработанной культуральной жидкости, полученной при выращивании ассоциативной культуры С. scottii (Кир-87), Hansenula anomala (Кир-5) и Trichosporon cutaneum (Кир-2 и Кир-01) на послеспиртовой барде при переработке на спирт нейтрализованных гидролизатов различных видов растительного сырья. Результаты исследований представлены в таблице 4.11 [33]. Из результатов, представленных в таблице, видно, что в одних и тех условиях наибольшая загрязнённость отфлотированной и биоокисленной отработанной культуральной жидкости наблюдается при использовании древесины хвойных пород с добавками мелассы, а также древесины и зерноотходов. Наименьшая загрязнённость отработанной культуральной жидкости при сбраживании менее концентрированных субстратов, получаемых из хвойной древесины. 4.11 Химический состав отработанной культуральной жидкости при переработке на спирт гидролизатов различных видов растительного сырья, % Наименование показателей Хвойная древесина Древесина и целлолигнин Древесина и меласса Древесина и зерноотходы бражка бражка бражка бражка отфло тиров анная биоок ислен ная отфло тиров анная биоок ислен ная отфло тиров анная биоок ислен ная отфло тиров анная биоок ислен ная РВ 0,10- 0,15 0,09- 0,12 0,09- 0,16 0,08- 0,14 0,07- 0,12 - 0,06- 0,10 - Фурфурол 0,0- 0,0006 0,0- 0,0004 0,0- 0,0003 0,0- 0,0001 0,0001- 0,0006 0,0- 0,0001 0,00025 0,0003 0,0002 0,0003 Оксиметил- фурфурол 0,013- 0,015 0,008- 0,01 0,014- 0,022 0,0077 0,019 0,015- 0,023 0,012- 0,015 0,019- 0,020 0,0002 0,0003 Левулиновая кислота 0,088- 0,150 0,019- 0,060 0,112- 0,176 0,076- 0,012 0,06- 0,23 0,016- 0,039 0,235- 0,282 0,19- 0,28 Лигнофурано-вые вещества 0,149- 0,177 0,106- 0,145 0,12- 0,176 0,119- 0,184 0,209- 0,272 0,161- 0,167 0,231- 0,234 0,179- 0,193 Органические кислоты 0,134- 0,24 0,08- 0,24 0,013- 0,17 0,078- 0,096 0,17- 0,30 0,05- 0,135 0,18- 0,27 0,60- 0,75 Абсолютно сухие сухие вещества 0,50- 0,74 0,40- 0,53 0,53- 0,93 0,37- 0,56 0,91- 1,25 0,61- 0,81 0,84- 1,08 0,60- 0,75 ХПК, мг О2/дм3 5385- 8790 5385- 5416 6471- 11318 3529- 5848 10421- 12630 5307- 8922 11136- 11373 5184- 7074 БПК5, мг О2/дм3 4154- 5456 1595- 2443 4809 1155 5.2.3 Утилизация послеспиртовой барды в качестве жидкой фазы при биоконверсии пульпы отрубей При создании безотходного производства спирта с замкнутой системой водопользования большой интерес представляет процесс прямой биоконверсии зерносырья с использованием послеспиртовой барды в качестве водно-минеральной основы для получения кормовых белковых продуктов. Процесс прямой биоконверсии зерносырья имеет ряд преимуществ по сравнению с процессом получения кормовых дрожжей: • отсутствие энергоёмкого процесса сернокислотного гидролиза; • исключение из технологической схемы таких энергоёмких стадий производства как флотирование, сепарирование и вакуум-выпаривание биосуспензии; • возможность переработки концентрированного зернового субстрата с гидромодулем 1:5-1:10 и содержанием а.с.в. не менее 8-10 %. На Кировском биохимическом заводе ФГУП ГОСНИИСинтезбелок совместно с инженерными работниками завода была впервые разработана, создана и освоена отдельная технологическая схема получения кормового белкового продукта на основе биоконверсии пульпы зерносырья. Отруби ржаные (РО) и пшеничные (ПО) доставляли на завод машинами и складировали насыпью в груды. Со склада элеватором через скребковый транспортёр отруби подавали в сборник с мешалкой. Одновременно с подачей отрубей в сборник поступала вода или послеспиртовая барда, а также фурфурольный и спиртовый лютеры, гидромодуль при этом был 1:5-1:10. Подогрев зернового субстрата осуществляли острым паром. На циркуляционной линии был установлен РПА. С целью измельчения пульпы отрубей в течение всего времени термообработки (3 ч) осуществляли её циркуляцию через РПА. Изменяли температуру термообработки: в первом случае она составила 60-65оС, во втором случае – 70-80оС и в третьем – 80-90оС. Химический состав водной пульпы отрубей после термообработки представлен в таблице 4.12 [33]. 4.12 Химический состав водной пульпы отрубей, полученной в промышленных условиях путём термообработки Состав субстрата Т, оС Пульпа Фугат рН Степень конвер-сии РВИ, % А.с.в,% РВИ, % РВ, % РВИ, % Азот, мг/дм3 Р2О5мг/ дм3 общий минеральный Барда, ПО 60-65 13,3 7,27 0,68 3,35 - - - - 46 Барда, ПО, РПА 70-80 8,52 4,28 0,71 2,58 3451 730,7 981 5,6 60,3 Вода,ПО, РПА 70-80 8,51 4,58 0,05 2,32 2709 82 341 6,5 50,7 Вода,ПО, лютер,РПА 80-90 8,42 4,92 - 2,82 2984 145 529 4,7 57,0 Из представленных в таблице данных можно сделать вывод, что субстрат, содержащий послеспиртовую барду, имеет более высокую степень конверсии РВИ за счёт большего содержания моносахаридов, вносимых с послеспиртовой бардой. Увеличение температуры обработки также способствует повышению степени конверсии крахмала отрубей. Но наибольший эффект достигнут при измельчении зерносырья с использованием РПА (14%). Таким образом, впервые в промышленных условиях была реализована схема приготовления водной пульпы отрубей с измельчением их на РПА и разработан технологический режим получения питательного субстрата путём термообработки (t=80-90оС) смеси отрубей и жидких отходов гидролизного производства, обеспечивающие степень конверсии крахмала и других углеводов пшеничных отрубей не менее, чем на 57%. Прямую биоконверсию смешанного субстрата (послеспиртовая барда и зерносырьё) в промышленных условиях осуществляли на биореакторе Vф=50 м3 с барботажной системой воздухораспределения отъёмно-доливным способом. Применяли как пшеничные отруби, так и ржаные. В качестве продуцента белка использовали штамм дрожжей Saccharomyces cerevisiae (diastaticus) ВКПМ Y-1218. Результаты по прямой биоконверсии пульпы отрубей в биореакторе V=50 м3 представлены в таблице 4.13 [33]. 4.13. Средние данные по процессу прямой биоконверсии пульпы отрубей в биореакторе V=50 м3 Состав субстрата Биосуспензия, % Фугат, мг/дм3 Степень биоконверсииРВИ, % а.с.в. РВИ протеин белок РВ, % N2 Р2О5 Барда, ПО 10,9 36-42 26 - - - - Барда, РО 6,2 2,28 34,3 18,55 0,08 1190 2737 52 Барда, РО, РПА 6,4 1,98 37,9 23,5 0,08 1106 4660 58,3 При биоконверсии ржаных отрубей на смешанном субстрате с измельчением отрубей РПА наработана партия кормового продукта в количестве 25 т с содержанием сырого протеина 37,9% и белка 23,5%. При этом степень биоконверсии была 58,3%. Без кавитационной обработки содержание сырого протеина в биомассе было 34,3% и белка 18,55%. Степень биоконверсии составила 52%. В промышленных условиях на Кировском бмохимическом заводе была проведена проверка прямой биоконверсии зернового субстрата дрожжами сахаромицетами при глубинном выращивании в биореакторе V=600 м3 с реконструированной эрлифтной системой воздухораспределения (длина циркуляционных труб сокращена на 800 мм). При приготовлении пульпы отрубей в качестве жидкой фазы использовали как воду, так и послеспиртовую барду. В таблице 4.14 представлены максимальные результаты испытаний процесса прямой биоконверсии пульпы отрубей. 4.14. Показатели процесса прямой биоконверсии пульпы отрубей в биореакторе V=600 м3 № Состав субстрата Условия биоконверсии Биосуспензия, % Степень биокон-версии, % Производительность по продукту, кг/ч нагрузка по отру-бям, кг/ч t, ч рН а.с.в РВИ сырой проте ин бел- ок 1 Барда, ПО 690-720 18,5 5,8 6,85 1,75 32,7 31,4 63,8 510-530 2 Вода, ПО 600-650 19,6 6,0 5,87 1,67 40,3 31,5 64,0 440-480 Сравнивая показатели прямой биоконверсии смешанного субстрата (испытания №1) и водной пульпы отрубей (испытания №2), можно увидеть преимущества процесса прямой биоконверсии с использованием послеспиртовой барды (ПСБ): меньше время выращивания, больше нагрузка по отрубям и производительность по абсолютно сухому готовому продукту. С послеспиртовой бардой в питательный субстрат вносят пентозы, которые являются дополнительным источником углеродного питания для микроорганизмов, и это способствует сокращению времени их роста до 18,5 ч. Удельная производительность при прямой ферментации смешанного субстрата составила 3,0-3,1 кг/м3ч. В процессах прямой биоконверсии на смешанном субстрате в биореакторе V=600 м3 и последующей термообработки и сушки было наработано кормового белкового продукта 105 т. Продукт – кормовая белковая добавка содержала сырого протеиа 32-32,7% и белка 25,8-31,4%. В промышленных испытаниях процесса прямой биоконверсии смешанного субстрата на основе пульпы отрубей и послеспиртовой барды дрожжи сахаромицеты показали большую устойчивость, нежели при биоконверсии субстрата, приготовленного на основе воды. Таким образом, установлено, что использование послеспиртовой барды в процессе прямой биоконверсии смешанного субстрата не только является одним из способов утилизации жидких отходов производства гидролизного спирта, но и способствует интенсификации процесса биоконверсии зерносырья. При разработке технологической схемы безотходного производства гидролизного этилового спирта биосуспензию после прямой биоконверсии смешивали с суспензией гидролизных кормовых дрожжей в соотношениях 59:41% и 54,6:45,4%. Были наработаны промышленные партии смешанных кормовых белковых продуктов 180 т и 875 т. На Кировском биохимическом заводе была отработана технология биоконверсии пульпы пшеничных отрубей (биоконверсии ферментолизата отрубей) с использованием ассоциации микроорганизмов Saccharomyces cerevisiae (diastaticus) ВКПМ Y-1218 и Trichosporon cutaneum ВКПМ Y-3125 (раздел 3.3.4). Данная технология также предусматривает использование послеспиртовой барды в качестве жидкой водно-минеральной основы. Для предотвращения возможности ухудшения качества биосуспензии в процессе ферментации ферментолизата зерносырья особое внимание необходимо уделять следующим параметрам: • длительности непрерывного процесса ферментации (не более 17 ч)); • оптимальным значениям рН и температуры в процессе ферментации; • состоянию посевной культуры; • основным параметрам постферментационной обработки. Качество кормовых белковых добавок, полученных в промышленных условиях. Качество всех промышленных партий кормовых белковых продуктов, полученных с использованием послеспиртовой барды и воды, без гидролизных дрожжей и в смеси с ними (кормовая смесь 1 с приготовлением пульпы зерносырья на послеспиртовой барде и кормовая смесь 2 − на воде), представлено в таблице 4.15. 4.15. Качество кормовых белковых продуктов, полученных в промышленных условиях (в пересчёте на а.с.в., %) Наименова-ние продукта Массо-вая доля сырого протеина Массовая доля белка поБарн-штейну Массовая доля углеводов Метал-ломаг-нитная приме-сь,мг/кг Массовая доля золы Массовая доля клетч-атки Массо-вая доля сырого жира раство-римых ЛГ Кормовая до- бавка на ПСБ 32- 32,7 25,8- 31,4 2,4- 3,6 5,0- 7,5 8,7 9,5- 10,2 12,0- 15,3 2,34- 4,8 Кормовая смесь 1 31,5- 42,3 28,7- 36,7 2,6- 5,7 4,6- 10,0 3,3-10,6 6,2- 9,3 - 1,23- 1,78 Кормовая до- бавка на воде 36,1 25,6 2,6 3,1 11,0 6,8 16,2 4,7 Кормовая смесь 2 35,2- 45,4 28,3- 39,1 0,9- 7,6 2,2- 10,8 3,0-12,4 5,3- 7,4 - - Из данных таблицы следует, что все белковые кормовые продукты, получаемые на основе процесса прямой ферментации дрожжей на смешанном субстрате (зерносырьё и послеспиртовая барда) или на субстрате с водой, а также при смешивании этих продуктов с гидролизными дрожжами (кормовые смеси), обладают высоким качеством по содержанию сырого протеина и белка. Легкорастворимые полисахариды были достаточно глубоко ассимилированы культурой дрожжей, и их содержание в кормовом продукте на послеспиртовой барде было 2,4-3,6%. Содержание клетчатки составляло 12,0-15,3%. Массовая доля сырого жира изменялась в интервале 2,34-4 Качество кормовых белковых добавок исследовано ФГУП НИИСинтезбелок. В таблице. 4.16 представлен химический состав кормовых белковых добавок, полученных на основе послеспиртовой барды [13,33]. 4.16. Показатели качества кормовых белковых продуктов Наименование показателей Кормовые белковые продукты микробиологического синтеза Шрот подсол- нечный Шрот сое- вый кормовые дрожжи из отрубей смесь этих продуктов 1 2 3 4 5 6 Перевариваемость белка, % 88 - - 86 90 Обменная энергия, ккал/кг 2800 - - 2670 2500 Сырой жир, % 3,4-14,0 4,8 4,7-6,2 1,7 2,7 Сырой протеин,% 47-50 32,7 38 38-42 43-45 Белок по Барнштейну, % 45-48 31,4 34,4 - - Общие углеводы,% а.с.в - 38,1 42,7 - - в т.ч.- водорастворимые углеводы - 3,6 3,9 - - -легкогидролизуемые углеводы - 7,5 2,6 - - -сырая клетчатка 1,03 12,0 10,1 12,5 4,9 Зола, %, не более 15,0 9,5 9,4 13,0 16,0 Кальций, г/кг 3,8-2,9 6,78 5,44 3,65 2,70 Фосфор, г/кг 13,4-28 18,2 17,4 11,2 6,8 Калий, г/кг 13,05 13,85 14,87 8,0 19,6 Натрий, г/кг 1,015 1,37 1,09 - - Магний, г/кг 0,79 5,44 3,82 5,0 3,2 Марганец, мг/кг 176 295 235 57 22 Цинк, мг/кг 935,5 120 120 46 68 Медь, мг/кг 5,5 17,9 15,5 28 20 Железо, мг/кг 658 760 870 300 200 Витамины, мг/кг: В1 (тиамин) 5,5-36 1,5 1,4 5,26 2,25 В2 (рибофлавин) 42,5-98 31 21,7 3,14 3,45 В3 (пантотеновая к-та) 27-128 78 80,0 12,6 14,0 В4 (холин) 3060 1380 1290 - - В5 (никотиновая к-та) 245-583 180 220 141 42,4 H 0,2 0,2 0,2 - - альфа-каротин 0,06-0,2 9,1 5,8 3,01 0,2 бета-токоферол 2,45-54,7 35,2 18,2 3,14 3,10 Сумма аминокислот,% от а.с.в. 40,1 20,5 20,3 15,1 25 гистидин 0,44-1,76 0,77 0,78 1,30 1,35 аргинин 1,9-2,45 1,43 1,32 3,80 1,36 аспаргиновая кислота 3,2-3,6 1,81 1,85 - - треонин 1,8-2,3 0,89 1,00 2,25 1,60 серин 1,5-1,8 1,00 1,03 - - глутаминовая кислота 4,0-5,66 4,16 3,57 - - пролин 0,6-2,2 1,49 1,04 - - глицин 1,3-2,27 1,10 1,07 - - аланин 2,8-3,47 1,28 1,43 - - цистин 0,2-0,60 0,34 0,32 - - валин 1,8-2,55 1,03 1,05 1,90 1,95 метионин 0,8-1,4 0,46 0,53 2,40 3,00 изолейцин 1,3-1,93 0,74 0,77 1,60 2,00 лейцин 2,2-3,17 1,46 1,50 - - тирозин 1,26-1,5 0,65 0,67 - - фенилаланин 1,0-1,7,4 1,04 1,24 1,85 1,50 лизин 2,0-2,85 0,87 1,07 - - Тяжёлые металлы, мг/кг: Pb 1,4 не обн. 0,17 0,63 Cd не обн. не обн. 2,3 1,3 As 0,05 1,3 - - Cr не обн. не обн. 0,18 0,12 Ni 8,5 не обн. 3,8 4,4-21 Hg 0,05 не обн. Фтор, мг/кг 11 48 3,5 3,9 Нитраты, мг/кг 12,6 <200 <200 Нитриты, мг/кг 1,3 <10 <10 Металломагнитные примеси, мг/кг 3,2 не обн. не обн. Общая бактериальная обсеменённость, кл/г 8∙104 - 2∙104 Токсичность отсутствует По питательной ценности данные белковые добавки не уступают растительным белковым добавкам, напр., подсолнечному и соевому шротам. Обменная энергия составляет 2800 ккал/кг, сырой протеин – 45-50%. Содержание витаминов группы В превышает содержание их в шротах. Основным показателем качества белковых добавок является сумма аминокислот, которая для белковых добавок из зерносырья составляет около 20%, для гидролизных дрожжей - около 40%. Микроэлементы – Fe, Mn и Zn содержатся в данных добавках в большом количестве, но концентрации Си и Р – на том же уровне. В промышленных условиях на Кировском БХЗ при биоконверсии ферментолизатов отрубей полученную биосуспензию смешивали с дрожжевой суспензией, полученной на основе послеспиртовой барды. При первых испытаниях с использованием кормового продукта, полученного на основе ферментолизата отрубей и ассоциации дрожжей S. cerevisiae (diastaticus) ВКПМ Y-1218 и Tr. cutaneum ВКПМ Y-3125, в смеси с гидролизными дрожжами в соотношении 1:1,1 было наработано кормовой белковой смеси 221 т с влажностью 8,3%. Смесь белковых продуктов по качеству удовлетворяла требованиям ТУоп 9232-030-0047-9934-00. Усреднённые качественные показатели товарной кормовой белковой смеси представлены в таблице 4.17. 4.17. Усреднённые качественные показатели кормовой смеси Наименование ферментного препарата Массовая доля влаги, % Массовая доля сырого протеина, % Массовая доля белка по Барнштей ну, % Металло-магнитные примеси, мг/кг Массовая доляЛГ углево-дов, % Кислот ность, оН Зимаджунт НТ-340 С+ 7,5 39,5 35,3 4,6 4,6 28-32 Амилаза НТ-4000 7,7 40,8 36,0 6,0 3,5 28-29 Из данных таблицы видно, что в среднем содержание сырого протеина составило 39,5%, белка по Барнштейну – 35,3%. За счёт снижения времени выращивания дрожжей до 17 ч и расхода питательных солей удалось снизить кислотность кормовых белковых продуктов до 28-32оН. При повторных испытаниях с ферментом «Амилаза НТ-4000» наработана опытная партия кормовой белковой смеси (1:1,18) в количестве 311 т с влажностью 7,8%, из которых 245 т были получены в виде гранул. Длительность непрерывной работы биореактора при культивировании ассоциации микроорганизмов на ферментолизате зерносырья составляла 10 суток. Кормовая белковая смесь соответствовала по качеству 3-ей группе ГОСТ 20083 – 74 «Кормовые дрожжи» и требованиям ТУоп 9296-030-0047 9994-00. Массовая доля сырого протеина была 40,8% и массовая доля белка по Барнштейну - 36,0%. Аналогичная технологическая схема получения кормовой белковой добавки на основе ферментолизата зерносырья организована на Новополоцком заводе БВК. Химический состав кормовой белковой смеси Кировского БХЗ и кормовой белковой добавки Новополоцкого завода на основе ферментолизата отрубей был исследован в ФГУП НИИСинтезбелок. Результаты этих исследований представлены в таблице 4.18. 4.18. Химический состав кормовых белковых продуктов, полученных с использованием ферментов Наименование показателей Кормовая белковая смесь Кормовая белковая добавка из ферментолизата отрубей ТУоп9296-030-0047994-00 с изм.№1 Кировский БХЗ Новополоцкий завод 1 2 3 4 Влажность, % 12,0. не более 9,9 9,8 Массовая доля сырого протеина, % 33,0, не менее 44,0 42,8 Массовая доля белка по Барнштейну, % не нормируется 33,6 32,6 Массовая доля азота аммонийного, % ---«--- 0,33 - Массовая доля жира, % ---«--- 6,2 3,2 Массовая доля общих углеводов, % ---«--- 35,5 26,0 Массовая доля клетчатки ---«--- 9,5 8,2 Массовая доля золы ---«--- 7,0 7,2 Содержание макро- и микроэлементов, мг/кг: фосфор ---«--- 16700 10700 калий ---«--- 10250 10280 натрий ---«--- 320 830 кальций ---«--- 1415 4322 магний ---«--- 4290 1480 железо ---«--- 575 630 медь ---«--- 21,6 9,1 цинк ---«--- 99,5 88 марганец ---«--- 135 128 Сумма аминокислот, % от а.с.в. в т.ч. ---«--- 23,33 29,2 лизин ---«--- 1,21 3,2 гистидин ---«--- 0,88 0,89 аргинин ---«--- 1,50 2,31 аспарАгиновая кислота ---«--- 2,09 2,35 треонин ---«--- 1,13 1,27 серин ---«--- 1,17 1,09 глутаминовая кислота ---«--- 4,05 4,43 пролин ---«--- 1,18 1,32 глицин ---«--- 1,21 1,31 цистин ---«--- 0,36 0,46 валин ---«-- 1,19 1,41 метионин ---«--- 0,60 0,63 изолейцин ---«--- 0,87 1,21 лейцин ---«--- 1,70 1,84 тирозин ---«--- 0,76 1,01 фенилаланин ---«--- 1,41 2,04 триптофан ---«--- 0,40 0,83 Содержание витаминов, мг/кг: :Е ---«--- 18,2 40,0 В1 ---«--- 1,4 6,8 В2 ---«--- 21,7 4,2 В3 ---«--- 80,0 77,0 В4 ---«--- 1290 1680 В5 ---«--- 220 230 В6 ---«--- 10,0 4,2 В9 ---«--- 17,6 3,8 Н ---«--- 0,2 0,28 Тяжёлые металлы, мг/кг: Pb 5, не более не обн. 1,2 Cd 0,3, не более не обн. 0,2 As 2, не более 1,04 не обн. Cr не нормируется не обн. 1,7 Ni не обн. 2,0 Hg 0,1, не более не обн. не обн. F 200, не более - - Количество дрожжевых клеток в 1г продукта 1∙102, не более в норме в норме Общая бактериальная обсеменённость, тыс.кл/г 100, не более ---«--- ---«--- Токсичность (на тест культуре инфузорий Тетрахимена пириформис) не допускается не выявлена не выявлена Из данных таблицы видно, что образец кормовой белковой смеси, полученный путём смешения кормовой добавки на основе ферментолизатов отрубей и гидролизных дрожжей также обладает высокой питательной ценностью. По сравнению с кормовой белковой смесью, полученной при смешивании биосуспензии из зерносырья и биомассы гидролизных дрожжей (таблица 4.11), кормовая смесь, полученная на ферментолизате зерносырья имеет большее количество сырого протеина (44,0%), большую сумму аминокислот (23,3%), меньшее количество углеводов (35,5%), клетчатки (9,5%) и зольных элементов (7,0%). Кормовая белковая добавка Новополоцкого завода на основе ферментолизата отрубей и без смешивания с гидролизными дрожжами также обладает высокой питательной ценностью. Исследован гранулометрический состав кормового белкового продукта, содержащего гидролизные дрожжи Кировского БХЗ. Средние результаты анализа 12 проб представлены в таблица 4.19. 4.19. Гранулометрический состав кормовой белковой добавки из зерносырья с гидролизными дрожжами Гранулометрический состав по фракциям (остаток на сите), % Общий остаток на сите, % 0,5 мм 1 мм 2 мм 3 мм >0,5 мм > 1 мм > 2 мм > 3 мм 9,3 14,0 0,9 0,2 24,4 15,3 1,1 0,2 Согласно полученным данным, основной гранулометрический фракционный состав кормовой белковой смеси представлен фракцией размером менее 0,5 мм – 75,6% и фракцией размером 0,5-1 мм – 14%, остальную часть составляют хлопья неразваренных отрубей. Была исследована питательная ценность и биопротекторные свойства этих кормовых продуктов в институте ВНИТИП на цыплятах-бройлерах. Было отмечено, что средняя живая масса опытных цыплят на 5,45% выше, чем контрольных, а также среднесуточный прирост живой массы каждого цыплёнка был выше контрольного на 5,1%. При этом затраты корма на единицу прироста живой массы в опытной группе были на 1,7% ниже, чем в контрольной. Это свидетельствует о том, что испытуемые кормовые белковые добавки обладают высокой питательной ценностью. Кроме того сохранность цыплят в опытной группе была на 1,6% выше, чем в контрольной, т.е. данные кормовые белковые добавки обладают также и биопротекторными свойствами. Проведены производственные испытания кормовой белковой смеси на телятах в возрасте 1-6 месяцев. Кормовую белковую смесь использовали из расчёта 5% к основному корму, скармливая её 1 раз в сутки в составе кормосмеси. Установлено, что применение кормовой белковой смеси повышает усвояемость комбикорма, а также увеличивает потребление грубых кормов и способствует увеличению среднесуточных привесов. Производственные испытания кормовой белковой смеси на поросятах показали, что применение кормовой смеси в количестве 5% к основному корму повышает усвояемость корма и даёт увеличение среднесуточных привесов. 4.3. Аэробная очистка сточных вод гидролизного производства Гидролизные заводы потребляют большое количество воды. На переработку 1 т абсолютно сухого сырья методом перколяционного гидролиза требуется 100 м3 воды, и в тоже время из каждой тонны переработанной древесины до 150 кг органических веществ переходит в сточные воды. Загрязнённость сточных вод зависит от процесса гидролиза, технологии подготовки гидролизного субстрата и степени утилизации органических и минеральных компонентов гидролизных сред микроорганизмами. Повышение биологической доброкачественности гидролизных сред позволяет увеличить выход товарной продукции и одновременно снизить загрязнённость отработанной культуральной жидкости. Для снижения загрязнённости сточных вод большое значение имеет сокращение расхода свежей воды и использование взамен её жидких отходов производства: биоокисленной бражки, послеспиртовой барды, лютеров фурфурольного и спиртового производства. В спиртовом производстве утилизация жидких отходов происходит следующим образом: послеспиртовая барда используется для производства кормовых дрожжей, последрожжевая бражка – в процессе биоокисления, очищенная вода (спиртовый и фурфурольный лютеры) в процессах подготовки субстратов для биоконверсии или гидролиза. Использование жидких отходов гидролизного производства взамен технологической воды не только способствует снижению загрязнённости сточных вод, но также и улучшению экологической обстановки вокруг завода. Для обеспечения глубокой очистки сточных вод, значительную часть которых составляет ОКЖ, и снижения их загрязнённости используется трёхступенчатая очистка жидких отходов производства спирта: 1. послеспиртовая барда в процессе ферментации очищается кормовыми дрожжами C.scottii и др.; 2. отфлотированная отработанная культуральная жидкость после ферментации дрожжей проходит очистку путём биоокисления грибом Tr. cutaneum; 3. после биоокисления сточные воды очищают в тадиционных системах аэробной биологической очистки с использованием активного ила. 4.3.1. Очистка последрожжевой бражки на биоокислителях Отработанная культуральная жидкость, или последрожжевая бражка, полученная после отделения дрожжей на стадиях флотации и сепарации, является отходом производства и составляет около 30% сточных вод на большинстве заводов [50]. В состав ОКЖ входят следующие вещества: продукты расщепления лигнина (фенолы, лигно-гуминовые вещества), продукты распада углеводов (муравьиная кислота, левулиновая кислота, фурфурол, оксиметилфурфурол, гуминовые вещества), экстрактивные вещества сырья (терпены и т.д.) и продукты метаболизма дрожжей. Химический состав ОКЖ представлен в таблице 4.20 [50]. 4.20 Химический состав отработанной культуральной жидкости после выращивания дрожжей на гидролизных субстратах из различных видов растительного сырья Показатели Характеристика ОКЖ (мг/л) при переработке хвойной древесины в производстве подсолнечной лузги в производстве спирто-дрож. гидрол.-дрож. гидрол.-дрож. фурф.-дрож. 1 2 3 4 5 рН 4,0-4,2 4,5-5,1 3,9-4,9 3,9-4,0 БПК5 4200-6784 3575-3690 5280-6552 4656-6146 ХПК 10000-126000 6350-8000 11667-13334 17506-22552 БПК20 6918-8094 3800-4400 7768-8232 6517-8010 РВ 1800-2800 1100-1200 1700-1750 1700-1900 Фурфурол 72-98 31-38 ОМФ - 170.-172 190-210 82-144 Азот: общий 63-155 17-70 246-271 280-364 аммонийный 1,4-95 0-49 59-84 79-182 белковый 16-25 - 122-129 56-98 Р2О5 24-37 40-60 - 65-79 Взвешенные вещества, всего: органических 551-873 259 708-1120 221-360 минеральных 91-125 111 144-456 112-224 Сухие вещества, %: О органические 70-80 минеральные 20-30 Органические кислоты: муравьиная С1 14-39 cл – 16,8 уксусная С2 126-340 41,4-75,0 пропионоваяС3 14-30 cл - 9,8 масляная С4 9,0-40,0 9,6-32,0 каприловая С8 6,2-10,3 0-0,5 пеларгониеваяС9 0,9-5,7 0-0,3 каприновая С10 3,9 16,0 ундекановая С11 2,1-4,0 0,0-5,5 тридекановая С13 2,5-3,7 0,0-1,3 пантедекановаяС1 - 17 пальмитиноваяС16 0,9-0,8 следы олеиновая С18 3,7-4,3 7,4 стеариновая С18 7,1-7,9 следы нонадекановаяС19 2,1 - следы следы бегеновая С22 1,6 - Сульфаты 3600-3980 2900-3010 Метанол 36-54 0-70 Этанол 100-180 10-20 Метилацетат 1,3-48,0 - Ээтилацетат 0-2,0 0,5-3,7 Метилформиат 0-18 0-13 Ацетальдегид 1,0-2,7 1,0-1,5 Пропионовый Альдегид 1,0-2,7 - Ацетон 0,5-4,0 0,9-60,0 Аминокислоты: лизин 0,63 2,4 гистидин 0,65 5,4 аргинин 0,55 1,3 аспаргиновая 1,15 3,8 треонин 0,42 1,1 серин 0,71 2,5 глутаминовая 4,58 8,9 пролин следы следы глицин 0,83 1,2 аланин 1,19 8,7 цистин следы 1,3 валин 1,39 1,0 метионин следы 0,7 изолейцин 0,12 0,10 лейцин 0,27 0,20 тирозин 0,22 0,70 фенилаланин 0,09 2,8 Всего: 12,8 42,1 Как видно из таблицы, легкоокисляемые вещества ОКЖ – БПК20 составляет 50-60%. В состав трудноокиcляемых веществ входят высокомолекулярные вещества. 25% органических веществ имеют молекулярную массу < 500, 30% органических веществ − > 1000, около половины их  от 2000 до 5500. Расчётное количество лигнина в органической части ОКЖ составляет 23,4%, а по анализам  21,3%. Утилизацию ОКЖ (биоокисление) проводят в биореакторах с эрлифтной системой воздухораспределения типа УкрНИИСП. Процесс биоокисления осуществляют по двух или трёхступенчатой схеме. Типовая технологическая схема чаще всего состоит из двух ступеней [3]. В качестве продуцента белка в процессе биоокисления ОКЖ применяют ассоциацию дрожжевых микроорганизмов, которую используют в основном производстве кормовых дрожжей. Она попадает в биоокислители первой ступени с ОКЖ, во втором биоокислителе присутствует гриб Tr. cutaneum, а также плесневые грибы (Aspergilles, Penicillium и др.) и бактерии. Суспензия биомассы из верхней точки отбора биореакторов поступает во флотатор, где сгущается до концентрации 80-90 г/дм3. Далее её направляют в сборник дрожжевой отфлотированной суспензии. Биоокисленную ПДБ из наружного кольца флотатора и нижнего отбора ферментатора используют в производстве или сбрасывают в канализацию. Технологический режим биоокисления осуществляют при следующих параметрах: t=35-38o C, pH 4,5-6,0; продолжительность  4-6 ч; концентрация биомассы  15-25 г/дм3; азот  150-170 мг/дм3; Р2О5  11-15 мг/дм3; дебит  0,7-1,5 ч-1; удельный расход воздуха  40-80 м3/м3∙ч. В процессе биоокисления ХПК снижается на 25-40% и БПК5 на 40-60%. Выход вторичной микробной биомассы составляет 30-40 кг на 1т а.с.с. [3]. Трёхступенчатое биоокисление позволяет получить дополнительный прирост биомассы на 15-20% и добиться снижения ХПК на 64-65%. Возможно биоокисление осуществлять активным илом в эрлифтных биореакторах. При этом суспензию активного ила концентрируют на флотаторах. Сгущённый активный ил возвращают в биореактор. Степень очистки по окисляемости составляет 10-18%. Имеются противоречивые данные по эффективности аэробной очистки ОКЖ активным илом. По некоторым данным [50] степень очистки по БПК5 может достигнуть 66-87%. 4.3.2. Очистка сточных вод активным илом На предприятиях общее количество сточных вод характеризует водопотребление. На гидролизных заводах объём воды, затраченной на технологические нужды, незначительно отличается от объёма производственных сточных вод. Расход производственной воды на 1т кормовых дрожжей составляет 250-500 м3, на 1т фурфурола 120-300 м3. В расчёте на 1 т а.с.с. расход производственной воды составляет 20-50 м3. Для заводов с замкнутым циклом водопользования и наличием оборотного водоснабжения расход свежей воды составляет 35-80 м3 на 1т товарных дрожжей в дрожжевом производстве. В спиртовом производстве производительностью 2000 дал/сутки расход технической воды составляет 180 м3/ч. Производственные стоки загрязнены минеральными, органическими, в том числе, взвешенными веществами. По загрязнению сточные воды гидролизных предприятий относят к концентрированным стокам. Удельная загрязнённость их колеблется в пределах 31-167 кг/т а.с.с. и поэтому необходима их очистка. Очистные сооружения гидролизных заводов имеют следующую схему: сточные воды собирают в усреднителе-аэротенке, очищают от взвешенных веществ в первичных отстойниках, осветлённые сточные воды подают в аэротенк для очистки активным илом (АИ). Очищенные сточные воды отстаивают на вторичных отстойниках и сбрасывают в канализацию, откуда они поступают на городские очистные сооружения, иногда в пруды-осветлители. Сгущённый активный ил возвращают в аэротенк на регенерацию и очистку сточных вод. Избыточный активный ил сбрасывает на шламоотвал. Активный ил – это хлопьевидные скопления микроорганизмов. Активный ил – это биоценоз организмов − минерализаторов, способных сорбировать на своей поверхности и окислять в присутствии кислорода органические вещества сточных вод. АИ представляет собой сложную экологическую систему, организмы которой находятся на разных трофических уровнях. Популяция микроорганизмов АИ зависит от состава сточных вод и условий аэробного окисления [121]. Наиболее важными факторами, определяющими удовлетворительную работу аэротенков и влияющими на развитие и жизнедеятельность АИ, качество биологической очистки являются температура (16-23оС), наличие питательных веществ, содержание растворимого кислорода (1,0-2,0 мг/дм3), pH (оптимум 6,7-7,8); присутствие токсинов, технологический режим эксплуатации. На практике современные схемы аэробной и механической очистки обеспечивают качество, представленное в таблице 4.21. Степень очистки по БПК5 на аэротенках достигает 85-95%, а общее содержание примесей снижается на 80-85% [3]. 4.21. Химический состав сточных вод гидролизного спиртово-дрожжевого производства до и после очистки [3] Показатели До очистки После очистки Редуцирующие вещества, % 0,03-0,1 следы Фурфурол, мг/л 10-120 нет Органические кислоты, мг/л: уксусная 25-250 0-30 муравьиная 0-20 нет левулиновая 50-60 20-30 Общая кислотность, мг/л 80-300 20-100 рН 5,0-6,2 6,5-7,5 Сухие вещества, %, в т.ч. отн.%: 0,7-0,9 0,1-0,3 органические 70-80 30-50 неорганические 20-30 50-70 Взвешенные вещества, мг/л 550-1300 15-100 Фенолы, мг/л следы нет Общий азот, мг/л 70-200 20-100 Р2О5, мг/л 25-100 10-30 Сульфаты, % 0,14-0,15 0,07-0,08 БПК5, мгО2/л 1100-2500 10-100 БПКполн, мгО2/л 2700-4600 20-150 ХПК, мгО2/л 3000-6500 200-1000 Температура, оС 20-30 20-22 По современным требованиям сбрасываемые очищенные воды должны иметь БПКполное< 3 мгО2/л и ХПК< 30 мгО2/л, цветность не допускается. Имеющиеся на заводах схемы очистки недостаточно эффективны. Наиболее надёжный способ повышения их эффективности – сокращение количества сточных вод и снижение их загрязнённости путём снижения гидромодуля в процессе конверсии сырья и создания замкнутых схем водопользования. Известен способ мембранной очистки отработанной культуральной жидкости. Применение ацетилцеллюлозных мембран позволяет снять загрязнённость ОКЖ на 92,9-94,7%, цветность  на 99,2-99,6%. За рубежом широко применяют анаэробную очистку сточных вод с целью получения биогаза. Этот процесс привлекает внимание, так как сопровождается низким выходом активного ила, что особенно важно. При анаэробной очистке на 1 кг ХПК образуется около 0,5 м3 биогаза и 0,1 кг активного ила. При аэробной очистке образуется 0,5 кг активного ила с затратой электроэнергии 2 кВтч. Сочетание аэробной и анаэробной очистки сточных вод обеспечивает степень их очистки более чем на 99% [3]. В мире широко используют анаэробную очистку сточных вод с иммобилизацией активного ила на каком-либо твёрдом носителе. Наиболее эффективными являются биореакторы с псевдоожиженным слоем. В качестве носителя используют песок. Проектные нагрузки для таких установок составляют 10-20 кг/м3 сутки. Степень очистки по ХПК более 80%. 4.4. Отходы производства гидролизного этилового спирта, кормовых дрожжей и пути их утилизации Основными жидкими отходами производства гидролизного этилового спирта являются послеспиртовая барда, фурфурольный и спиртовый лютеры и другие органические отходы после ректификации фурфурола и спирта. Твёрдыми отходами производства гидролизного этилового спирта являются лигнин, гидролизный и меловый шламы, сгущённые осадки очистных сооружений. Утилизация жидких и твёрдых отходов гидролизного спирто-дрожжевого производства создаёт основу для разработки безотходного производства спирта. При создании безотходного производства этилового спирта на гидролизных заводах решаются три задачи: • утилизация отходов производства; • реализация этих отходов в народном хозяйстве; • снижение себестоимости целевых продуктов: этилового спирта и кормовых белковых продуктов. С решением этих задач во многом снимаются проблемы создания экологически безопасного производства гидролизного этилового спирта и охраны окружающей среды. Основными условиями создания безотходного производства гидролизного этилового спирта являются следующие: 1. сокращение количества послеспиртовой барды путём использования в процессе спиртового брожения концентрированного субстрата с РВ=4-8%, который получают за счёт применения дополнительных видов сырья – некондиционного зерна и мелассы; 2. создание замкнутого цикла водопользования: ◦ использование послеспиртовой барды в качестве водно-минеральной основы для приготовления смешанного субстрата с отрубями с целью получения кормовой белковой добавки; ◦ использование фурфурольного и спиртового лютеров в процессах гидролиза растительного сырья, а также в качестве антисептиков в составе смешанного субстрата для получения кормовой белковой добавки. При разработке схемы безотходного производства этилового спирта и кормовых белковых продуктов сосредоточили внимание на количестве и составе образующихся отходов. Рассмотрены пути использования очищенных сточных вод в гидролизном производстве на производственные нужды и в системе оборотного водоснабжения, а также способы утилизации твёрдых отходов этого производства. 4.4.1. Баланс жидкостных потоков производства спирта Номенклатура и загрязнённость сточных вод гидролизного спирто-дрожже-фурфурольного производства производительностью по спирту 2000 дал представлена в таблицах 4.22 и 4.23 [33,122]. 4.22. Номенклатура и загрязнённость сточных вод гидролизного производства спирта производительностью 2000 дал/сутки при переработке древесины лиственных и хвойных пород и мелассы Наименование отходов Древесина хвойная Древесина, целлолигнин и меласса объём, м3/сутки загрязнённ-ость, кг/дал объём, м3/сутки загрязнен-ость,кг/дал Барда 1733 14 1504 12,9 Общая загрязнённость технологических сточных вод 2224 6,6 2158 7,1 Мёртвые дрожжи 20 0,01 20 0,12 Сгущённые осадки - 1,8 - 3,58 Фугат 320 0,08 492 0,126 Укреплённая эфиро-альдегидная фракция 0,56 0,23 0,566 0,23 Сивушные масла 0,831 0,34 0,853 0,34 Метанольная фракция 0,105 0,043 0,107 0,043 Лютер спиртовый 170 - 170 - Лютер фурфурольный 265 0,049 390 0,076 Метанольно-скипидарная фракция - 0,033 - 1,32 Кубовый остаток фурфурольного производства - 0,144 - 0,43 Согласно данным, представленным в таблице, количество образующихся отходов при ректификации спирта определяется традиционной технологией гидролиза древесины и переработки гидролизных сред на спирт, а также наличием возврата лютеров на гидролиз растительного сырья. Влияние от добавок мелассы и зерна незначительно. 4.23. Номенклатура, загрязнённость сточных вод гидролизного производства спирта производительностью 2000 дал/сутки при переработке древесины хвойных пород, мелассы и зерна Наименование отходов Древесина и меласса Древесина и зерно объём, м3/сутки загрязнённ- ость, кг/дал объём, м3/сутки загрязнённ- ость, кг/дал Барда 1444 12,9 1400 10,26 Общая загрязнённость технологических сточных вод 2020 8,7 1479 6,23 Мёртвые дрожжи 20 0,11 17 0,107 Сгущённые осадки - 2,58 - 2,06 Фугат 382 0,096 338 0,083 Укреплённая эфиро-альдегидная фракция 0,532 0,212 0,545 0,211 Сивушные масла 0,916 0,37 0,909 0,35 Метанольная фракция 0,110 0,044 0,108 0,042 Лютер спиртовый 170 - 170 - Лютер фурфурольный 230 0,008 183 0,007 Метанольно-скипидарная фракция - 0,247 - 0,204 Кубовый остаток фурфурольного производства - 0,125 - 0,091 Использование в гидролизном производстве сырья, содержащего повышенное количество легкогидролизуемых углеводов, позволяет увеличить концентрацию РВ в сусле и снизить затраты теплоэнергоресурсов. В тоже время данное сырьё содержит и больше растворимых примесей, что загрязняет технологические сточные воды и существенно увеличивает количество осадков на очистных сооружениях. При использовании легкогидролизуемого сырья в гидролизном производстве ещё острее встаёт проблема утилизации отходов, внедрения новых безотходных технологий с использованием жидких отходов производства спирта. В производстве гидролизного этилового спирта с использованием в качестве сырья древесины хвойных пород общая загрязнённость технологических сточных вод составляет 6,6 кг/дал спирта-ректификата. Выход спирта с 1 т а.с. древесины составляет 150 л. Загрязнённость СВ составляет 99 кг на 1 т а.с. древесины. Общая загрязнённость СВ при использовании древесины, целлолигнина и мелассы – 7,1 кг/дал, с добавками мелассы – 8,7 кг/дал, с добавками зерна – 6,55 кг/дал. Количество осадков очистных сооружений при переработке древесного сырья хвойных пород составляет 1,8 кг/дал, при переработке древесины, целлолигнина и мелассы – 3,6 кг/дал, с добавками мелассы – 2,6 кг/дал, с добавками зерна – 2,1 кг/дал. Выявленные тенденции повышения загрязнённости технологических сточных вод, увеличения количества осадков очистных сооружений при переработке древесных отходов хвойных пород совместно с мелассой и некондиционным зерном в гидролизном производстве этилового спирта характерны и для других видов растительного сырья. 4.4.2. Повышение эффективности водопотребления в гидролизном производстве с замкнутым циклом водопользования На основании анализа материальных балансов жидкостных потоков производства гидролизного этилового спирта установлено, что переработка сусла из древесины и некондиционного зерна с концентрацией РВ=4-8% в процессе спиртового брожения и полная утилизация послеспиртовой барды в качестве водно-минеральной основы при приготовлении субстрата из отрубей могут способствовать исключению сброса отработанной культуральной жидкости. По результатам этого анализа, выше представленных результатов исследований и промышленных испытаний получения кормовой белковой добавки из отрубей и послеспиртовой барды разработана схема материальных потоков безотходного производства гидролизного этилового спирта и кормовой белковой добавки, которая рекомендуется для гидролизных заводов с замкнутым циклом водопользования (рисунок 4.6). Рис. 4.6. Схема материальных потоков безотходного производства этилового спирта и кормовой белковой добавки (РВ в сусле 4 %) При повышении концентрации РВ в сусле в 1,5 и более раз будет снижаться расход сусла, расход технической воды на его охлаждение, а также объём послеспиртовой барды. При замене технической воды на очищенную сточную воду при мойке технологического оборудования, в полочных конденсаторах, скрубберах и газоочистных установках также будет снижаться расход технической воды. В соответствии с этими предложениями и со схемой, представленной на рисунке 4.5, составлена схема водопотребления и водораспределения для производства гидролизного этилового спирта с замкнутым циклом водопользования (рисунок 4.7). Рис. 4.7. Схема водопотребления для гидролизных заводов с замкнутым циклом водопользования (м3/ч) Эта схема позволяет снизить расход технической воды почти на 40%. Использование очищенной сточной воды взамен технической и оборотной при мойке технологического оборудования, при эксплуатации полочных конденсаторов, скрубберов и газоочистных установок позволит снизить сброс очищенных сточных вод на 70%. Оставшиеся 30% очищенных сточных вод будут сбрасываться на городские очистные сооружения. Полная утилизация послеспиртовой барды снижает загрязнённость сточных вод и сокращает количество осадков очистных сооружений на 70%. При разработке замкнутого цикла водопользования необходимо уделять особое внимание борьбе со слизеобразованием оборотной системы водоснабжения. Рекомендуется промывать системы всех производственных процессов каустиком не реже одного раза в квартал [123]. 4.4.3. Утилизация осадков очистных сооружений Химический состав осадков очистных сооружений и других твёрдых отходов гидролизного производства. Исследован химический состав осадков первичных и вторичных отстойников и других твёрдых отходов гидролизного производства (таблицы 4.24 и 4.25). 4.24. Химический состав отходов гидролизного производства Наименование отхода рН Взве-си, г/л А.с.в., % Состав сухих веществ, % азот общий NH4 масс-овая доля белка Р2О5 К2О зола Осадок первичных отстойников 5-6 50-150 2,0.- 6,0 4,5- 6,0 0,4- 4,0 - 2,0- 4,0 0,01-0,08 5- 29 Суспензия активного ила 6,6-7,1 21-40 0,7- 1,0 7,0- 10,0 0,98-2,8 40- 46 1,0- 3,86 0,62 11,5- 14,5 Сгущённая смесь осадков 6,0-7,0 паста 15- 18 4,66-6,3 0,08-3,0 30- 33 2,0- 4,0 0,02-0,25 14- 25 Шлам с АИ спир-тового производства 4,4-4,8 паста 55- 59,4 0,77-1,9 - - 0,18- 0,38 0,05- 0,24 51,1- 52 Шлам с АИ дрож-жевого произ-водства 5,2-5,7 паста 48- 66 2,5- 2,7 - - 0,24- 0,74 0,20-0,70 25,8- 45 Лигнин 2,5 - 34- 36 0,02-0,04 - - 0,01- 0,04 0,05- 0,06 1-3 Установлено, что осадки очистных сооружений в достаточном количестве содержат минеральные элементы: азот, фосфор, калий. Кроме того, активный ил содержит белок (40-46%), аминокислоты (54,13 мкг/100 см3), витамины группы В (В1  12,2; B2  12,4; B4  3380; B5  152,6; B6  3,3; B7  1,5; B8  290 мкг/г а.с.в.). Гидролизный шлам в смеси с шламом нейтрализованного гидролизата активного ила после фильтр-прессов типа ФПАКМ имеет влажность 34-52% и содержание зольных веществ 51-52%. Этот шлам содержит эндогенные элементы: общий азот в количестве 0,8  1,9%, Р2О5 – 0,18-0,38%, К2О – 0,05-0,24%, макроэлементы МgО – 0,3%, CаО – 4,26% и микроэлементы: Mn до 320 мг/кг, Fe до 0,15%, Cu до 80 мг/кг. Твёрдым отходом производства гидролизного этилового спирта является также лигнин, химический состав которого достаточно изучен. Нами показано, что лигнин не содержит эндогенных элементов. Поэтому лигнин в составе удобрений будет играть роль структурообразователя почв и увеличивать их поглотительную способность. Количество ионов тяжёлых металлов в отходах Кировского биохимического завода исследовано институтом ФГУП НИИсинтезбелок. Содержание их в данных отходах не превышает нормативы по СаНПиН 21.7.573-98. Можно заключить, что по химическому составу твёрдые отходы 4.25. Содержание макро- и микроэлементов в отходах гидролизного производства (мг/кг) [33] Наименование отходов MgO, % CaO, % Mn Fe, % Gr Ni Cu Zn Pb Cd Hg As Co Осадок первичных отстойников 2,37 20,2 1400 16,8 474 280 4058 5483 229 - - - - Суспензия активного ила 1,88 4,22 151-4680 0,49-0,76 4,1 7,2 8-143 68-780 н/об٭ 0,00-19,1 0,00-0,51 0,00-0,1 1,4 Сгущённая смесь осадков очистных сооружений - - 74-496 0,77-11,4 15,0-51,5 14,1-33,8 25,0-96,4 286-516 4,5-12,2 1,4-6,8 0,01-0,12 0,00-0,5 1,4-1,6 Шлам с АИ спиртового производства 0,317 4,26 19,5-322 0,15 -13,3 -72,7 6,0-85,4 23-76,5 0,00-8,8 0,00-0,7 0,12 0,1 Cл.- 3,3 Шлам с АИ дрожжевого производства - - 55,8 0,13 15,0 9,0 26,3 41,5 20,0 3,12 - - 3,2 Лигнин 0,100 0,13 90 0,4 Сл. Сл. 1,5 9 н/об н/об н/об 0,25 Cл. Нормативы СаНПиН 2.1.7.573-98 - - н/р٭٭ н/р 1200 400 1500 4000 1000 30 16 н/р н/р ПДК в почве - - 1500 н/р 6,0 20,0 50 100 30,0 0,5 2,1 н/р 5,0 ٭ н/об − не обнаружено ٭٭ н/р − не регламентировано гидролизного производства можно использовать в качестве удобрения. Основными отходами при очистке сточных вод являются осадки первичных отстойников и избыточный активный ил. На гидролизных предприятиях осадки первичных отстойников представляют собой коллоидную массу, состоящую из лигнина, мёртвых дрожжей, гипса и других примесей. Их выделяют из сточных вод методами механической очистки (седиментацией, фильтрацией, осаждением в центробежном поле). Размеры частиц осадков 10-5 см. Осадки вторичных отстойников – это активный ил. По механическому составу активный ил относят к тонким суспензиям. Размер частиц в нём составляет 10-5-10-7 см. Физико-механический состав и агрохимическая ценность осадков гидролизных заводов приводится в литературе [121,124]. Изучен химический состав активного ила [33,124]. Активный ил содержит обычно белки 40-50%, жиры, жироподобные и минеральные вещества. Известно также, что он содержит тяжёлые металлы (свинец, ртуть, селен), канцерогены. Использование активного ила в технологических процессах и создание замкнутых циклов водопользования. Одним из самых простых и дешёвых способов утилизации избыточного активного ила является использование его в технологических процессах гидролиза в качестве жидкой фазы. На Кировском биохимическом заводе была проверена возможность использования суспензии избыточного активного ила в качестве водной фазы в процессах перколяционного гидролиза и для разбавления субстрата [50]. Но не были получены убедительные результаты [33]. Сернокислотный гидролиз активного ила и способы использования его гидролизата. Одним из перспективных способов утилизации активного ила является сернокислотный гидролиз и получение аминокислот. С этой целью кислотный гидролиз проводили в лабораторных условиях при содержании серной кислоты в суспензии активного ила 0,25-0,50% и температурах 100-180о С. На рисунке 4.8 представлены кинетические кривые накопления аминного азота в гидролизате активного ила после его сепарирования в зависимости от температуры. По результатам исследования установлено, что количество прогидролизованной биомассы возрастает с повышением температуры и концентрации кислоты. Гидролизаты, полученные при t=180оС в течение 2 ч, имеют максимальную степень расщепления по биомассе (82,8%). Гидролизат активного ила может быть использован в качестве флокулянта для осветления нейтрализованных гидролизатов древесины. На рисунке 4.9 представлены зависимости количества неосаждённых веществ нейтрализованных гидролизатов древесины от условий гидролиза активного ила. ГАИ − гидролизат активного ила. Из данных, представленных на рисунке, видно, что, чем выше температура гидролиза и концентрация кислоты, тем меньше неосаждённых веществ. Перелом кривых наблюдается при концентрации серной кислоты 0,4-0,5%. Дальнейшее увеличение концентрации не влияет на скорость осаждения лигногуминовых веществ. Повышение дозы гидролизата активного ила до 20% по отношению к нейтрализованному гидролизату древесины способствует увеличению скорости отстаивания лигногуминовых веществ. Отработан оптимальный режим получения гидролизата активного ила с целью использования его в качестве флокулянта: t=150-180оС, концентрация серной кислоты 0,25-0,5%, время 2 ч. Гидролизаты активного ила гидролизного производства содержат биостимуляторы роста микроорганизмов (витамины, аминокислоты, микроэлементы) и при добавлении в гидролизные субстраты повышают их питательную ценность. На Кировском биохимическом заводе была разработана и создана отдельная схема обезвреживания и утилизации осадков очистных сооружений. Эти осадки после сепарации подавали на термокислотный гидролиз с последующей нейтрализацией меловым молоком до рН 4,5-4,7 и отделением взвешенных веществ путём отстаивания. Часть осветлённой жидкости (аминный азот 60 мг/дм3) поступала в сборник осветлённого гидролизного сусла, а оставшаяся часть сбрасывалась в канализацию и поступала на очистные сооружения завода. Шлам с содержанием а.с.в. 13% фильтровали совместно с гидролизным шламом и вывозили на шламоотвал. Шлам, содержащий осадки очистных сооружений и гидролизный шлам, гранулировали и испытывали для применения в качестве биооргано-минерального удобрения. Кировской сельскохозийственной академией выявлены положительные результаты действия этих удобрений при выращивании зерновых и овощных культур (картофель, огурцы, помидоры, зелень, капуста) в вегетационных, тепличных и полевых условиях. Утилизация сгущённых осадков очистных сооружений. Осадки представляют себой разбавленные суспензии с содержанием абсолютно сухих веществ 0,7-0,5%. Поэтому одной из проблем в их утилизации является сгущение. Изучены все возможные способы обработки осадков с целью последующего сгущения. Сгущение осадков может осуществляться несколькими способами: химическая обработка (реагентная), тепловая обработка, жидкофазное окисление, замораживание и оттаивание. Для обезвоживания осадков используют различное оборудование: барабанные вакуум-фильтры, ленточные фильтры, фильтр-прессы, центрифуги, сепараторы. В последнее время на очистных сооружениях применяют комбинированные методы обезвоживания, например, сгущение на сепараторах и последующее обезвоживание на центрифугах и фильтр-прессах, на ленточных фильтр-прессах. Сопоставление методов и оборудования для механического обезвоживания осадков показывает, что каждый из них имеет определённые преимущества и недостатки. На центрифугах получают осадки с влажностью 80-90%, на фильтр-прессах – 65-80%, на ФПАКМах – 45-56%, на вакуум фильтрах – 70-80%. В Западной Европе сгущённые осадки утилизируют, в основном, путём сброса на свалку (18-90%) или сжиганием (5-28%) [125]. В таких странах как Англия и Дания избыточный активный ил утилизируют в количестве 37-45% в качестве удобрения. Утилизация отходов в сельском хозяйстве ограничена действующими ПДК на содержание в них тяжёлых металлов. В Санкт-Петербурге на Центральной станции аэрации применён способ обезвреживания осадка, включающий в себя снижение влажности осадка с помощью высокопроизводительных центрипрессов и сжигание осадка в печах с псевдоожиженным слоем. Технология Pyrofluid основана на сжигании осадков очистных сооружений в слое раскалённого песка в высокоскоростном потоке воздуха. Отличием технологии является принцип автотермичности, т.е. поддержание горения за счёт собственной теплотворной способности органической части осадка без использования дополнительного топлива. Воздух обогревают до t=600oC за счёт тепла дымовых газов. Другую часть тепла дымовых газов утилизируют в паровом котле. Полученный пар используют в процессе центрифугирования для стабилизации и повышения эффективности обезвоживания. Дымовые газы проходят трёхступенчатую очистку. Такие установки функционируют также за рубежом: в Гавре (Франция), в Сарагосе (Испания), в Ковентри (Великобритания). В настоящее время в мире успешно действует более 30 установок на основе печей Pirofluid [125]. В СССР работало более 100 огневых установок по обезвреживанию жидких и твёрдых отходов (суспензию с иловых карт предлагается сжигать в вихревой нефутерованной печи), в том числе 10 на предприятиях медицинской и микробиологической промышленности. Не менее перспективным направлением является утилизация сгущённых осадков сточных вод. Предложены различные способы утилизации избыточного активного ила, три из которых являются основными: применение для кормовых, технических целей, а также в качестве удобрения. В связи с тем, что активный ил содержит ценные питательные вещества (белки, жиры, углеводы, витамины, кальций, фосфор, калий, микроэлементы и др.), прежде всего, исследована возможность его использования в рационе сельскохозяйственных животных, птицы и рыб. Но до настоящего времени его не используют в качестве кормовой добавки из-за наличия в нём ряда токсических веществ. В литературе [126] указывается на присутствие в активном иле гидролизных заводов (Кропоткино, Запорожье) 3,4-бензопирена в количестве 0,01-0,3 мг/м3. Разрешение на использование АИ в качестве кормовой добавки можно получить только в случае отсутствия в нём 3,4-бензопирена. О возможности использования осадков очистных сооружений в качестве органического удобрения писали многие исследователи [105]. Наличие токсикантов в осадках соответствует ПДК содержания их в почве, поэтому допускается возможность их использования в качестве удобрения. Их можно вносить под технические культуры, применять при озеленении городов, лесовостановительных работах, рекультивации земель после промышленного использования. Известны работы по компостированию активного ила с лигнином [105]. Переработка лигнина и сгущённых осадков на компосты является перспективным способом реализации твёрдых отходов и наиболее рациональным при создании экологически безопасной технологической схемы. На Кировском биохимическом заводе в лабораторных и опытно-промышленных условиях проводили компостирование лигнина с помощью микроорганизмов активного ила. Были проведены работы по компостированию осадков в смеси с лигнином в брикетах (0,015 х 0,015 х 0,020 м) и в промышленных условиях в буртах при температуре 18-28о С. Установлено, что осадки в смеси с лигнином в количестве 60% оказывают компостирующее действие: повышается массовая доля минеральных веществ с 12 до 15%, снижается количество неотмытых РВ и трудногидролизуемых полисахаридов, а также азота; увеличивается количество гуминовых веществ. Компостированное удобрение через три месяца имеет следующее качество: массовая доля минеральных веществ не более 15%, трудногидролизуемых полисахаридов не более 12%, массовая доля общего азота не менее 2%, массовая доля Р2О5 не менее 1,5%, массовая доля гуминовых веществ не менее 85%. Основной недостаток вышеуказанных способов компостирования  длительное время – 3-6 месяцев. Для сокращения времени компостирования (один месяц) возможно использование отходов производства этилового спирта, а также известных компостирующих добавок «Байкал ЭМ-1» и «Тамир». На Кировском биохимическом заводе реализован указанный выше способ утилизации осадков очистных сооружений, полученных после центрифугирования. Помимо компостов, на основе твёрдых отходов гидролизного производства возможно получение органо-минеральных удобрений без процесса компостирования. Смеси лигнина и сгущённых осадков, содержащих около 70% гуминовых веществ (общего азота 3-4%, Р2О5 – 1,5-2%), можно использовать в качестве удобрения. Для этого проводят термообработку сгущённых осадков путём экструдирования или обработку каустиком и смешивают их с лигнином. Для того чтобы содержание эндогенных элементов было достаточно высоким, рекомендуется следующее соотношение основных компонентов: лигнина 50-40% и осадка 50-60% [33]. Технологическая схема получения органно-минеральных удобрений на основе жидких и твёрдых отходов гидролизного производства представлена на рисунке 4.10. Избыточный активный ил очистных сооружений направляют на сепараторы (1) с целью сгущения до содержания абсолютно сухих веществ 2-4% и затем в сборник (2) для смешения с осадком первичных отстойников очистных сооружений. Далее насосами (3) смесь осадков подают на центрифуги (4) марки ОГШ-631К-02-М. Центрифугирование осуществляют с флокулянтами марки «Праестол» (ТУ 2216-001-40910172-98) или марки «Суперфлок С-494, 496». Раствор флокулянта готовят в две ступени. Вначале готовят в мешалке (5) раствор флокулянта с концентрацией 0,5%, а затем в следующей мешалке (6) с концентрацией 0,1%. Хозпитьевую воду задают в мешалки по указателю уровня. Мешалки снабжены механизмами для перемешивания. На 17-18 м3/ч смеси осадков задают 4,0-4,5 м3/ч 0,1% раствора флокулянта. Фугат от центрифуги (4) непрерывно сбрасывают в канализацию и на очистные сооружения. Сгущённый осадок от центрифуги (4) сбрасывают в бункер (8), из которого направляют на шнековый питатель (10). Лигнин и гидролизный шлам автомашинами привозят и сваливают в груды. Затем элеватором их загружают в бункер (9), из которого направляют на шнековый транспортёр (10), где их смешивают с осадками. Влажную смесь твёрдых отходов гидролизного производства компостируют в полевых условиях и используют в качестве удобрения. Рис. 4.10. Технологическая схема получения органо-минерального удобрения (ОМУ) из отходов: 1- сепаратор; 2- сборник осадков; 3,7- насосы; 4- центрифуга; 5-мерник 30-40% р-ра флокулянта; 6-сборник 0,1% р-ра флокулянта; 8- бункер сгущённых осадков; 9- бункер лигнина и гидролизного шлама; 10- шнековый транспортёр; 11- экструдер; 12- барабанная сушилка; 13- топка Экструдированное органно-минеральное удобрения (ОМУ) может быть использовано как во влажном, так и в сухом виде. Влажное ОМУ отгружают в автомашины, а сухое ОМУ фасуют в мешки и в таком виде реализуют покупателю. 4.5. Технологическая схема безотходного производства этилового спирта и кормовых белковых продуктов Разработана технологическая схема безотходного производства этилового спирта и кормовых добавок с утилизацией жидких и твёрдых отходов. Данная технологическая схема предусматривает несколько вариантов (рисунок 4.11). 1. Технологическая схема безотходного производства этилового спирта, основанная на комплексной переработке древесины, зерносырья и мелассы, с утилизацией жидких и твёрдых отходов гидролизного производства. Часть послеспиртовой барды используется в производстве кормовых дрожжей. Другая часть  в качестве водно-минеральной основы для приготовления смешанного питательного субстрата с зерновым сырьём (отрубями) при производстве кормовой белковой добавки. Кормовые дрожжи и кормовую белковую добавку смешивают, совместно плазмолизуют и сушат. В результате реализации этой схемы могут быть получены два белковых кормовых продукта: один из них – кормовая белковая добавка, получаемая при прямой биоконверсии зерносырья на смешанном субстрате (отруби и послеспиртовая барда), другой – представляет кормовую белковую смесь из кормового белкового продукта, полученного при биоконверсии зерносырья и гидролизных дрожжей, выращеных на послеспиртовой барде. Эта кормовая белковая смесь имеет содержание сырого протеина выше 40%, белка  более 35%. Отработанную культуральную жидкость частично расходуют на приготовление раствора солей и суспензии мелового молока. Избыточное количество отработанной культуральной жидкости сбрасывают на очистные сооружения с целью аэробной очистки её активным илом. Очищенные сточные воды используют на производственные нужды (мойка и чистка оборудования, в конденсаторах смешения, на газоочистных установках) для замены технической и оборотной воды. Сгущённые осадки очистных сооружений подвергают термообработке путём экструзии или обработке каустиком, затем их смешивают с твёрдыми отходами и реализуют в качестве удобрения. Возможно смешивание сгущённых осадков с твёрдыми отходами гидролизного производства и последующее компостирование их в полевых условиях. 2. Технологическая схема безотходного производства этилового спирта основана на комплексной переработке древесины, зерносырья и мелассы, с полным замкнутым циклом водопользования и реализацией жидких и твёрдых отходов. Рис. 4.11. Структура развития производства кормовых белковых добавок и этилового спирта на КБХЗ По этой схеме послеспиртовая барда полностью используется для приготовления смешанного субстрата с отрубями с целью получения кормовой белковой добавки. Готовый продукт содержит не менее 39% сырого протеина, не менее 32% белка. В результате полного использования послеспиртовой барды отсутствия технологической сточной воды в производстве белкового продукта существенно сокращается загрязнённость сточных вод и уменьшается количество осадков на очистных сооружениях. Очищенные сточные воды используют на производственные нужды. Сгущённые осадки очистных сооружений смешивают с твёрдыми отходами производства, компостируют и реализуют в качестве удобрения. 3. Технологическая схема безотходного производства кормовой белковой добавки из водной пульпы отрубей в процессе биоконверсии зерносырья. На основании предлагаемой технологии безотходного производства гидролизного этилового спирта и кормовых белковых продуктов разработан план переспективного развития Кировского биохимического завода. Этот план предусматривает также увеличение ассортимента продукции и снижение её себестоимости. По данной схеме кроме этилового спирта и кормовых белковых продуктов рекомендуется производить следующие новые виды продукции: - кормовые смеси, обогащённые биологически активными веществами (аминокислотами или автолизатами дрожжей, пробиотиками); - кормовые смеси из кормовых белковых продуктов с подсолнечным шротом, жмыхами, бардой или отрубями; - концентрат аминокислот из гидролизата осадков очистных сооружений и использование его в качестве стимулятора роста растений. Использование концентрата аминокислот в технических целях: для производства флокулянтов, поверхностно-активных веществ, питательных сред; - бактерицидные препараты медицинского назначения из фурфурола; - из кубового остатка фурфурола можно получать янтарную кислоту и использовать её в качестве стимулятора роста растений и как реактив [33]. 4.6. Основные направления совершенствования безотходных производств на основе возобновляемого растительного сырья Современная экологическая обстановка на Земле вызывает необходимость стабилизации экологического состояния и поддержания устойчивого равновесия в системе «природа-человек». Это вызывает необходимость разработки ресурсосберегающих, экологически безопасных и безотходных технологических процессов. В разработке любых биотехнологических производств, связанных с биоконверсией возобновляемого растительного сырья, должны быть выделены следующие приоритетные направления: - комплексное использование растительного сырья для получения различных полезных в народном хозяйстве продуктов; - разработка технологических процессов, обеспечивающих замкнутый цикл водопотребления; - использование процессов биоконверсии концентрированных субстратов из растительного сырья новыми ассоциациями микроорганизмов; - интенсификация процессов конверсии растительного сырья с целью повышения производительности технологического оборудования, снижения трудозатрат и улучшения качества целевых продуктов. В предыдущих главах данной книги мы рассмотрели вопросы химического состава растительного сырья: строение углеводов и других соединений, входящих в его состав, общие сведения о сырье, используемом в биотехнологических процессах. В главе V представлена схема комплексного использования растительного сырья, обеспечивающая замкнутый цикл водопотребления и выпуск целого ряда ценных продуктов. Эта схема отражает полное представление о безотходной технологии производства гидролизного спирта с одновременным получением гидролизных кормовых дрожжей и кормовых белковых продуктов на основе биоконверсии зерносырья. Кроме того, предусматривается производство целого ряда высокоценных продуктов, при реализации которых обеспечивается высокий экономический эффект от деятельности всего предприятия. Такая схема может быть реализована на любом гидролизном заводе, а при этом может быть улучшена экологическая обстановка вокруг завода. В тех производствах, где используются большие количества жидкостных потоков (производство спирта из мелассы, производство гидролизного спирта и т.д.), отработанную культуральную жидкость подвергают биоокислению с последующей биологической очисткой на очистных сооружениях. Очищенные сточные воды могут быть использованы в оборотной системе водоснабжения, а также в технических целях: для мойки технологического оборудования. Такие безотходные технологические схемы используются на некоторых действующих заводах: в производстве спирта из мелассы (Онежский гидролизный завод). Глубинное культивирование микроорганизмов при интенсивной аэрации весьма энергоёмко. В связи с этим в настоящее время внимание исследователей сосредоточено на разработке процессов, в которых используются микроорганизмы, не требующие большого количества воздуха (факультативные анаэробы или анаэробы). При разработке безотходных технологических производств, основанных на биоконверсии зерносырья, особое значение приобретает вопрос, какой продуцент белка используется в производстве кормовых белковых продуктов. В последние годы особый интерес в производстве кормовых белковых продуктов проявляется со стороны исследователей к дрожжам – сахаромицетам. И этот интерес вполне обоснован. Эти дрожжи абсолютно нетоксичные и непатогенные. Биомасса их обладает не только высокой питательной ценностью, но и биопротекторными свойствами. В состав клеточных стенок дрожжей-сахаромицетов входят олигосахариды, которые адсорбируют на своей поверхности микотоксины и другие вредные соединения, попадающие в пищеварительный тракт животных и птицы. Глюкановые и маннановые олигосахариды, обволакивающие поверхностный слой кишечника животного или птицы, препятствуют развитию в нём патогенной микрофлоры. Кроме того, олигосахариды, содержащиеся в клеточных стенках дрожжей-сахаромицетов, способствуют усилению иммунной активности животных и птиц. В настоящее время кормовым белковым продуктам придаётся значение лечебно-профилактических кормовых добавок. Такие продукты по очень высокой стоимости поступают в Россию из США, Германии, Бельгии, Голландии. Однако в России эти кормовые продукты могут быть получены по разработанной технологии, и по качеству они не уступят импортным кормовым добавкам, особенно соевому шроту. В предлагаемой технологической схеме предусматривается также получение пробиотиков и обогащение ими кормовых белковых продуктов. В отличие от жидкофазных глубинных способов ферментации твёрдофазная ферментация основана на биоконверсии трудногидролизуемых углеводов и других трудноокисляемых веществ, которые под действием микроорганизмов превращаются в компосты, используемые в сельском хозяйстве в качестве удобрений. Процесс компостирования, как наиболее энергосберегающий, рекомендуется для утилизации твёрдых отходов производства. В заключение следует сказать, что безотходная технология представляет собой способ производства продукции, при котором всё сырьё и энергия используются наиболее рационально и комплексно в цикле: сырьевые ресурсы − производство − вторичные ресурсы. При этом любые воздействия на окружающую среду не нарушают её нормального функционирования. В основе создания безотходных (или малоотходных) производств лежат следующие основные принципы: - принцип системности, включающий сочетание элементов промышленного производства и хозяйственной деятельности человека, взаимосвязь производственных и природных процессов; - комплексности использования ресурсов (этот принцип предусматривает максимальное использование всех компонентов сырья и потенциала энергоресурсов); - цикличности материальных потоков, создания замкнутых водо- и газообразных продуктов; - требования ограничения воздействия производства на окружающую природную и социальную среду с учётом планомерного и целенаправленного роста его объёмов и экологического совершенства; - рациональность организации безотходного производства. Литература 1. Яровенко В.Л. и др. Технология спирта.- М.: Колос, Колос-Пресс, 2002. 2. Волков В.А. и др. У истоков советской микробиологической промышленности// Биотехнология. − 1985. - №1. 3. Холькин Ю.И. Технология гидролизных производств. − М.: Лесн. пром-сть, 1989. − 496 c. 4. Донченко Л.В. Технология пектина и пектинопродуктов − М., Дели принт, 2000. 5. Выродов В.А. А.Н.Кислицын, М.И. Глухарёва и др. Технология лесохимических производств. - М.: Лесн. пром-сть, 1987. 6. Костенко В.Г. Компонентный состав летучих органических соединений, присутствующих в гидролизатах, получаемых при кислотном гидролизе древесины// Гидролиз. пр-во. − 1977. − № 8. 7. Цирлин Ю.А. Ректификация фурфурола. – М.: Лесн. пром-сть, 1971. 8. Цирлин Ю.А. Ректификация спирта и фурфурола. – М.: Лесн. пром-сть, 1972. 9. Раковский В.Е. Получение кормовых дрожжей из торфа. - Минск: Наука и техника, 1977. 10. Шарков В.И. Сапотницкий С.А., Дмитриева О.А. и др. Технология гидролизных производств. - М.: Лесн. пром-сть, 1973. 11. Шарков В.И. Химия гемицеллюлоз. – М.: Лесн. пром-сть, 1975. 12. Корольков, И.И. Перколяционный гидролиз растительного сырья – М.: Лесн. пром-сть, 1978. 13. Петрухин, И.В. Корма и кормовые добавки – М.: Росагропромиздат, 1989. 14. Воробьёва Г.И., Сушкова В.И. Сравнение продуктов из пшеничных и ржаных отрубей// Комбикорма. − 2001. - №7. 15. Сушкова В.И., Баранова А.В. Исследование оптимальных параметров процесса сернокислотного гидролиза некондиционного зерна// Химическая технология. − 2004. - №1. 16. Сушкова В.И. Оптимизация режимов переработки водной пульпы отрубей на кормовую белковую добавку// Кормопроизводство. − 2004. - №2. 17. Гельфанд Е.Д.Технология комплексной переработки растительного сырья методом гидролиза. − Л.: Ленингр. лесохим. акад. им. С.М.Кирова, 1978. 18. Сушкова В,И., Л.А.Солодянкина Л.А. Оптимизация режимов перколяционого гидролиза древесных отходов// Химическая технология. − 2003.  №5. 19. Манаков М.Н., Победимский Д.Г Теоретические основы технологии микобиологических производств.  М.: ВО АГРОПРОМИЗДАТ, 1990. 20. Березин, И.В., А.А.Клесов А.А., Швядас В.К и др. Инженерная энзимология.  М.: Высш. шк., 1987.  Т. 8. 21. Синергическое действие альфа-амилазы и глюкоамилазы на гидролиз крахмала [Текст]/ M.Fujii, Y.Yawamure// Biotechnology and Bioengieering, 1985.  Vоl. 27, − №3.  Р.260-265. Зарубеж. опыт.  1986.  №9. 22. Бутова С.Н. Биотехнологическая деградация отходов растительного сырья.  М.: Россельхозакадемия, 2004. 23. Синицын А.П., Гусаков А.В., Черноглазов В.М. Биоконверсия лигноцеллюлозных материалов.  М.: Московский университет, 1995. 24. Беккер М.Е. Трансформация продуктов фотосинтеза. − Рига: Зинатне, 1984. 25. Быков В.А.,.Манаков М.Н., Панфилов В.И. и др. Производство белковых веществ.  М.: Высш. шк., 1987. −Т. 5. 26. Грачёва И.М. Технология ферментных препаратов. − М.: Элевар, 2000. 27. Клесов А.А. Ферментативная переработка целлюлозсодержащих материалов в сахара и жидкое топливо.  М.: ЦБНТИ, Минмедбиопром. − 1987.  Вып. 2. 28. Воробьёва Г.И., В.А.Выслоух В.А., Ксенофонтов Б.С. и др. Получение кормовых белковых продуктов путём биоконверсии соломы на установках малой мощности.  М.: ЦБНТИ, Минмедбиопром, 1988.  Вып. 6. 29. Абайзов О.А. Ферментативный способ обработки соломы.  М.: Россельхозиздат, 1984. 30. Биоконверсия целлюлозсодержащего сырья / под редакцией В.В. Володина // Труды Коми науч. центра УрО РАН, №129  Сыкт.: Сыктавк. ун-тет, 1992. 31. Виестур У.Э. и др. Системы ферментации.  Рига: Знаните, 1986. 32. Балашевич И.И. Взаимосвязь некоторых параметров культивирования кормовых дрожжей на гидролизате древесины. Автореф. дис. … канд. техн. наук/ И.И.Балашевич.  Ленинград, 1974. 33. Сушкова В.И. Разработка технологии безотходного производства этилового спирта и кормовых белковых продуктов на гидролизных завода. Дис. … д-ра. биол. наук. − Киров, 2004. 34. Перт С.Дж. Основы культивирования микроорганизмов и клеток. − М.: Мир, 1978. 35. Эрнст Л.К., Науменко З.М., Ладинская С.И. Кормовые продукты из отходов леса. − М.: Лесн. пром-сть, 1982. 36. Патент 2127984, С 1, 6 A 23 K 1/ 00, C 12 P 21/ 00, C 12 N 1/16, C 12 M 1/ 00. − № 98104943/13; заявл. 30.03.98; опубл. 27.03.99. 37. Жуков, Н.А. Теоретические основы и технологические принципы непрерывной конверсии растительного сырья. Автореф. дис.… д-ра техн. наук. − Киров, 2001. 38. Рухман А.А. Мощное ультразвуковое оборудование// Сб. материалов «Ультразвуковые технологические процессы». − М., 1998. 39. Ржаников Н.Н., Сушкова В.И., Солодянкина Л.А., Новик А.И.. Интенсификация процесса гидролиза // Гидролиз. и лесохим. пром-сть. − 1988. − №1. 40. Каменный В.И. Оборудование и процессы перколяционного гидролиза растительного сырья (состояние и переспективы). Обзор/ ОНТИминмедбиопром – М., 1982. − Вып. 2. 41. Корольков И.И. Об условиях эффективности применения перколяционного гидролиза// Гидролиз. и лесохим. пром-сть. − 1989. − № 7. 42. Каменный В.И., Конторер А.А. О некоторых аспектах теоретического обоснования выбора оптимальных режимов и гидромодуля периодического гидролиза растительного сырья// Гидролиз. и лесохим. пром-сть. − 1990. − № 1. 43. Сапотницкий Е.С., Дмитриев Е.Е. Влияние скорости перколяции на выход сахара при перколяционном гидролизе древесины// Гидролиз. и лесохим. пром-сть. − 1987. − № 6. 44. Сапотницкий Е.С., Коновалова О.Н. Значение диффузии сахара в процессе перколяционного гидролиза древесного сырья// Гидролиз. и лесохим. пром-сть. − 1987. − № 2. 45. Каменный В.И. О некоторых вопросах внедрения интенсивных способов гидролиза с подвесными фильтрующими устройствами// Гидролиз. и лесохим. пром-сть. − 1988. − № 3. 46. Костенко В.Г. Хроматографический анализ сахаров, получаемых в процессе переработки растительного сырья. Обзор/ ОНТИТЭИмикробиопром. – М., 1984. (cерия 111). 47. Чалов Н.В., Краев Л.Н., Лещук А.Е. и др. Маломодульный гидролиз полисахаридов целлолигнина в гидролизатах периодического действия на стендовой установке// Гидролиз. и лесохим. пром-сть. − 1988. − № 2. 48. Костенко В.Г., Костенко Л.Д. Загрязняющие вещества в продуктах, полупродуктах и отработанных средах гидролизного производства. Обзор/ Минмедбиопром. – М., 1990. − Вып. 4. 49. Бровенко Г.Н., Гусельникова Т.В. Химический состав гидролизатов древесины – субстрат для микробиологического синтеза белка. Сообщение 1. Фурфурол и оксиметилфурфурол. Обзор// Гидролиз. и лесохим. пром-сть. − 1993. − № 1. 50. Холькин Ю.И., Макаров В.Л., Елкин В.А. Бессточная технология в гидролизно-дрожжевом производстве. Обзор/ Минмедбиопром. – М., 1983. − Вып. 2. 51. Бровенко Г.Н., Гусельникова Т.В. Химический состав гидролизатов древесины, являющихся субстратом для микробиологического синтеза белка. Сообщение 2. Лигногуминовые вещества, органические кислоты и спирты. Обзор// Гидролиз. и лесохим. пром-сть. − 1993. − № 2. 52. Ведерников Н.А. Работы института химии древесины по гидролизу растительного сырья с применением концентрированной кислоты и их дальнейшее развитие. Сб. трудов/ Институт химии древесины «Комплексное использование древесного сырья». − Рига: «Зинатне», 1984. 53. Немировская В.Д. и др. Содержание вредных примесей в гидролизных средах// Гидролиз. и лесохим. пром-сть. − 1988. − № 4. 54. Костенко В.Г., Румянцева В.А. Количественное определение и идентификация одноатомных фенолов, входящих в состав производственных древесных гидролизатов, с помощью газожидкостной хроматографии и спектрофотометрии// Журнал прикладной химии. − 1980. − Т. 53. 55. Костенко В.Г. и др. Свободные одноатомные фенолы в гидролизном лигнине// Гидролиз. и лесохим. пром-сть. − 1984. − № 1. 56. Воронина Т.Ю. и др. Использование зерна злаковых культур для биохимической переработки// Сибирский эколог. журнал. − 1997. − № 5. − Т. 4. 57. Сушкова В.И., Баранова А.В. Исследование оптимальных параметров процесса сернокислотного гидролиза некондиционного зерна// Химическая технология. − 2004. − №1. 58. Сушкова, В.И. Оптимизация режимов переработки водной пульпы отрубей на кормовую белковую добавку// Кормопроизводство. − 2004. − №2. 59. Морозов Е.Ф. О классификации процессов получения фурфурола и технология// Гидролиз. и лесохим. пром-сть. − 1986. − № 5. 60. Морозов Е.Ф. Производство фурфурола. – М.: Лесн. пром-сть, 1988. 61. Воробьёва Г.И., Сушкова В.И. Сравнительные исследования пшеничных и ржаных отрубей как сырья для получения белковых кормовых продуктов высокой питательной ценности// Сб. научных трудов форума «Биотехнология в ХХ1 веке». − СПб, 2001. 62. Воробьёва Г.И., Сушкова В.И. Сравнение продуктов из пшеничных и ржаных отрубей// Комбикорма. − 2001. − №7. 63. Сушкова В.И. и др. Результаты промышленных испытаний технологии прямой биоконверсии водной пульпы пшеничных отрубей с получением белковой кормовой смеси// Сб. научных материалов ВятГУ. − Киров, 2001. 64. Сушкова В.И. и др. Подготовка водной пульпы отрубей к биоконверсии// Сб. научных трудов ВятГУ. − Киров, 2002. 65. Сушкова В.И., Воробьёва Г.И. Подготовка водной пульпы отрубей к биоконверсии// Сб. материалов междунар. конф. «Биотехнология − состояние и переспективы». − М., 2002. 66. Рахимов М.М. и др. Отходы производства хлопка − переспективное сырьё для ферментативного получения глюкозы. Получение и применение продуктов гидролиза растительного сырья: обзор/ ОНТИМикробиопром. − М.,1986. − Вып. 3. 67. Воробьёва Г.И., Выслоух В.А., Ксенофонтов Б.С. [и др.]// Получение кормовых белковых продуктов путём биоконверсии соломы на установках малой мощности Производство и применение продуктов микробиологических производств: обзор/ ОНТИМикробиопром. − М., 1988. − Вып. 6. 68. Удалова Э.В., Родионова Н.А., Феодоритова Е.Л. и др. Энзиматическая конверсия растительного сырья и отходов сельскохозяйственного производства. Производство и применение продуктов микробиологических производств: обзор / ОНТИМикробиопрм. − М., 1990. − Вып. 8. 69. «Биоконверсия целлюлозсодержащего сырья» Тр. Коми научного центра УрО РАН. − Сыктывкар, 1992. − №125 70. А.С. 9514023 Российская Федерация, МПК А 1, 6 C 12 P 21/ 00, C 12 N 1/ 16, A 23 K 1/ 00; № 95104023 / 3; заявл. 23.03.95; опубл. 20.02.97. 71. Пат. 2113490 Российская Федерация, МПК С 1, 6 C 13 K 1/ 02; № 95108945 13; заявл. 01.06.95; опубл. 20.06.98. 72. Беккер М.Е. и др. Трансформация продуктов фотосинтеза. – Рига,: Зинатне, 1984. 73. Сушкова, В.И. Исследование эффективности биоконверсии ферментолизатов зерносырья// «Биотехнология -2003»: сб. научных трудов междунар. конф. − М, 2003. − Т. 1. 74. Лобанок А.Г., Бабицкая В.Г Микробиологический синтез белка на целлюлозе. − М.: Наука и техника, 1976. 75. Бабицкая В.Г., Стахеева И.А., Плавская А.И.// Микология и дентология. − 1979. − Т. 13, вып. 2. 76. Ибрагимова С.А. и др. Морфологические и физиологические особенности гриба при культивировании с целью получения кормового белка// «Биотехнология на рубеже двух тысячелетий»: сб. материалов научно-техн. конф. − Саранск, 2001. 77. Дараков, О. Грибной огород − здоровье и доход. Справочник. − М.: Топикал, 1995. 78. Евдокимова О.А. Технологические аспекты производства и применения съедобных грибов// Тр. Второго съезда Общества биотехнологов России. − М.: Дельта, 2005. 79. Кубахов А.В. Биотехнологический центр в Воронеже// Тр. Второго съезда Общества биотехнологов России. − М.: Дельта, 2005. 80. Ибрагимова С.И. и др. Штаммы для производства спирта. – Пищевая пром-сть. − 1993. − № 1. 81. А.С. 2001097 Российская Федерация, МПК С 1, 5 C 12 N 1/16. − № 5054054 /13, заявл. 21. 05.92; опубл. 15.10.93, Бюл. № 37-38. 82. Прямая ферментация сырой кукурузы в этанол трансформированными клетками дрожжей // Applied Microbiology and Biotechnology. − 1989. − Vol. 32, № 2. Микробиол. пр-во за рубежом. − 1990. − Вып. 18. 83. Кухаренко А.А. Комплексная биотехнология БАВ на базе производства этилового спирта из зерносырья. Автореф. дис. … д-ра техн. наук − М., 2000. 84. Егоров И. и др. Биотрин в рационах птицы. – Комбикорма. − 2000. − № 4. 85. Нестеров И. Белотин и биотрин – ценный кормовой белок// Комбикорма. − 1999. − № 5. 86. Кирилов М. и др. Белотин на гидролизатах ржи в комбикормах для телят// Комбикорма. − 2000. − № 2. 87. Вагичев А., Однораленко А. Опыт использования белотина// Комбикорма. − 1999. − № 1. 88. Крохина В., Михайлов П. и др. Белотин в комбикормах для телят// Комбикорма. − 1999. − № 1. 89. Айбазов О.А. Ферментативный способ обработки соломы. − М.: Россельхозиздат, 1984. 90. Пат. 2091492 Российская Федерация, МПК С 1Ю 6 С 12 Р 21/00, С 12N 1/16, 1/22/ А 23 К 1/00. − № 95106396/13; заявл. 24.04.95; опубл. 27.09.97. 91. А.С. 767204 СССР, МКИ С 12 N 15/00, С 12 D 13/10. − № 2659534/ 28-13; заявл. 21.07.78, опубл. 27.05.99. 92. Сушкова В.И. Эффективность роста дрожжей S. cerevisiae (diastaticus) ВКПМ-3124 при выращивании на осветлённых крахмалсодержащих средах// «Наука-производство-технологии-экология»: сб. материалов Всероссийской научно-техн. конф. − Киров, 2006. − Т.3. 93. Эпштейн Я.В. Теория и практика нейтрализации гидролизата// Гидролиз. и лесохим. пром-сть. − 1986. − № 2. 94. Келль Л.С. и др. Снижение содержания гипса в последрожжевой бражке// Гидролиз. и лесохим. пром-сть. − 1985. − № 3. 95. Кундев К.С. и др. Комплексная переработка древесного сырья с получением фурфурола из паров самоиспарения гидролизатов// Гидролиз. и лесохим. пром-сть. − 1984. − № 2. 96. Корольков И.И. и др. Аналитическая оценка влияния различных факторов на выход фурфурола при прямом способе его получения из сырья// Гидролиз. и лесохим. пром-сть. − 1986. − № 6. 97. Морозов Е.Ф. Производство фурфурола. – М.: Лесн. пром-сть, 1988. 98. Морозов Е.Ф. Теоретические и технологические аспекты совершен-ствования процессов получения фурфурола// Гидролиз. и лесохим. пром-сть. − 1986. − № 5. 99. Шепальцкий В.Ф., Морева Л.Г., Брежнева Р.Г. Совершенствование технологии производства фурфурола// Гидролиз. и лесохим. пром-сть. − 1986. − № 5. 100. Гельфанд Е.Д. К проблеме увеличения объёма производства фурфурола// Гидролиз. и лесохим. пром-сть. − 1991. − № 7. 101. Журавлёв, П.И. Канифоль, скипидар и продукты их переработки. − М.: Лесн. пром-сть, 1988. 102. Петрушко Г.М. и др. Фурфурольный лютер – субстрат для биосинтеза лизина// Сб. трудов/ ВНИИГидролиз. − М., Лесн. пром-сть, 1987. −Т. 36. 103. Петрушко Г.М. и др. Изучение биологической доброкачественности фурфурольных лютеров// Cб. трудов/ ВНИИГидролиз. − М., Лесн. пром-сть, 1987. − Т. 36. 104. Ахмадолиев М. Определение компонентного состава кубового остатка фурфурола// Гидролиз. и лесохим. пром-сть. − 1991. − № 6. 105. Соловьёв В.Н. Перспективы комплексного использования отходов гидролизно-дрожжевого завода на удобрения// Гидролиз. и лесохим. пром-сть. − 1991. − № 1. 106. Завадский В.Ф. Гидролизный лигнин в производстве строительных материалов// Гидролиз. и лесохим. пром-сть. − 1991. − № 8. 107. Казарновский А.М., Брунштейн Б.А. Технико-экономические предпосылки промышленного производства и применения продукции из гидролизного лигнина// Гидролиз. и лесохим. пром-ть. − 1991. − №4. 108. А.с. 556811 СССР. Способ получения медицинского лигнина [Текст]. − 1977, Бюл. № 17. 109. Зикина М.А., Сикорская И.И. Бродильная активность и спиртообразующая способность дрожжей рода Шизосахаромицес// Гидролиз. и лесохим. пром-сть. − 1987. − № 3. 110. Огородникова Т.Е. и др. Микробиологическая переработка гемицеллюлозы в этанол. Сообщение 2. Сбраживание гемицеллюлозных фракций растительных гидролизатов в этанол дрожжами Pachysolen tannophilus// Гидролиз. и лесохим. пром-сть. − 1992. − № 2. 111. Экономичность ферментации ксилозы в этанол [Текст] // Applied Biochemistry and Biotechnology. − 1989. − Vol. 20/21. − P.391-401. Complete, Jan – Ang, 1989. Микробиол. пром-сть за рубежом. – М.: Медбиоэкономика. − 1990. − Вып. 24. 112. Буряков В.Г. и др. Качественный состав сивушной фракции гидролизного спирта// Гидролиз. и лесохим. пром-сть. − 1992. − № 3. 113. Дубовкин Н.Ф. Лёгкие моторные топлива и их компоненты. − М.: Энергетика, 1999. 114. Семушина Т.Н., Монахова Н.И., Гусарова Л.А. Микробиологический контроль гидролизно-дрожжевого производства. − М.: Экология, 1991. 115. А.С. 1833424 СССР, МКИ С 12 N 1/16. Штамм дрожжей Кандида Скотти − продуцент кормового белка. №465944; заявл. 30.01.91; опубл. 07.08.93, Бюл. 29. 116. Сушкова В.И., Баёва Г.И., Монахова Н.И. и др. Развитие глубинных смешанных культур дрожжей Кандида скоттии и Ханзенула аномала// Биотехнология. − 1988. − №2. 117. Соколов А. Минеральные кормовые добавки: проблемы использования. //Комбикорма. − 1999. − №8. 118. Лухт Х. Получение питательного корма на базе соломы// Комбикорма. − 2000. − №8. 119. Гроздов А. Определение общей токсичности комбикормов и сырья на инфузориях// Комбикорма. − 2001. − № 3. 120. Гроздов А. Определение общей токсичности на инфузориях парамециях// Комбикорма. − 2001. − № 4. 121. Жмур И.С. Управление процессом и контроль результатами очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками. − М.: Луч, 1997. 122. Сушкова, В.И. Безотходная технология производства этилового спирта и кормовых белковых добавок на гидролизных заводах// «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии»: сб. науч. трудов междунар. науч.-практ. конф. − Уфа, 2004. 123. Никитин Я.В. Использование воды на целлюлозно-бумажных предприятиях. − М.: Лесн. пром-ть, 1995. 124. А.С. 1733477 СССР, МКИ С 13 К 1/02; заявл. 29.05.90; опубл. 15.05.92, Бюл. №18. 125. Гумин С.Г. Обработка осадков сточных вод на центральной станции аэрации Санкт-Петербурга. − Л.: Водоснабжение и санитарная техника, 1998. 126. Костенко Л.Д. О содержании канцерогенных примесей в продуктах гидролизного производства// Гидролиз. и лесохим. пром-ть. − 1991. − №2.