Промишлена ферментация на зърно-картофена мъст и меласа, сулфитни луги и хидролизати от дървесина


Категория на документа: Икономика


При хидротермичната обработка на царевицата протича частична хидролиза на белтъчните вещества до аминокиселини и на полизахаридите с образуване на редица вещества, а също така се извършва и процес на млечно-кисела ферментация, предизвикана от термофилни млечнокисели бактерии. В резултат се получава млечна киселина (2-хидроксипропанова киселина), като концентрацията й в концентрирания царевичен екстракт е значителна (8-20 %) и действа консервиращо [1].

Ечемикът една от най-използваните суровини за производството на алкохол. Нишестето се съдържа като резервно вещество в ендосперма на зърното във вид на нишестени зърна. Те имат сферокристален строеж. Формата и размерите на нишестените зърна са специфични за различните растения. При ечемика те са малки (тип B) и големи (тип A). Големите нишестени зърна са със закръглена или овална форма и имат размери 20-30 μm, и са в количество около 90 %, а малките - сферични или продълговати, с размери 1-6 μm в количество около 10 %. Захарите са представени главно от захароза, a aзотните вещества се състоят от белтъчини (главно албумини и глобулини) [2].

Овесът е един от най-разпространените видове суровини за производството на алкохол [1]. Недостатък е високото съдържание на обвивка (23-45 %), което усложнява технологически преработката му. Въглехидратите са представени от нишесте, целулоза, пентозани и разтворими въглехидрати. Нишестето е под формата на нишестени зърна. Те са малки от 3 до 11 μ с ъгловата форма, обединени в по-големи образувания. Захарозата до 2.2 % е съсредоточена в зародиша, където заедно с белтъчините служи като резервно вещество. Азотните вещества са представени от белтъчини 90-95 % и аминокиселини 5 до 10 %. Белтъчините се състоят от глобулини. Подобно на царевицата и тук е характерно високото съдържание на мазнини (3-10 % от теглото на зърното). Има и високо съдържание на фосфор и то под формата на органични съединения (0.27 - 0.45 %).

Eдна от най-разпространените зърнени култури е ръжта. Тя се използва под формата на малц. Преработката й не е свързана със затруднения, т.к. тя не съдържа обвивка. Проблемите при нейното третиране произхождат от това, че тя образува вискозни разтвори, което се дължи на наличието на гумообразни вещества (пентозани около 10 % в зърното). Въглехидратите са представени главно от нишесте, целулоза и захари (захароза и рафиноза). Азотсъдържащите вещества достигат 13 %, като от тях 86 % са белтъчини, представени от глиадин и глутелин [2].

Пшеницaта се отнася също към растенията, които нямат обвивка и също не води до затруднения при технологичния процес. Въглехидратите са представени от нишесте, хемицелулози, пектин и малко захари. Белтъчните вещества от глутенин и глиадин, образуващи глутен. Просото намира сравнително малко приложение при производството на алкохол [2].
1.4 Сулфитна луга

Сулфитната луга е отпадък при производството на целулоза от дървесина [2]. Съдържа лигнин и хемицелулози, респ. техните захари. Дървесината съдържа 50 % целулоза, 25 % лигнин и 25 % хемицелулози, които се хидролизират и разтварят. Съдържащите се в нея захари могат да се използват за получаване на алкохол. От съдържащите се хексози (глюкоза, маноза, галактоза, фруктоза) и пентози (ксилози и арабинози) спиртните дрождите могат да ферментират само хексозите. За предпочитане е да се използва мека дървесина, която съдържа 10 % пентозани, т.к. твърдата съдържа 20 %. Изискване към лугата е да не бъде разредена.

1.5 Хидролизати от дървесина

При хидролиза на дървесината (ензимна, с разредени или концентрирани минерални киселини) се получават хексозни и пентозни захари. Водният разтвор на тези захари, се нарича хидролизат, който след съответно пречистване и преработка служи за суровина при различни биотехнологични производства [3].

Хидролизатите от различни видове дървесина намират широко приложение за получаването на хранителни среди за ферментационно получаване на микробен протеин, етилов алкохол и други биопродукти [1]. Те са ценен източник на асимилируеми захари, а от друга страна съдържат и редица спомагателни за ферментационния процес компоненти (СН3СООН, N-съдържащи вещества, микроелементи, K, Ca, Mg, биостимулатори и др.).

2. Основи на ферментационния процес
2.1 Ферментация - същност и видове

Ферментацията представлява процес на биохимично разграждане на въглехидратите при анаеробни условия с отделяне и акумулиране на енергия [4]. Ферментативното разграждане на захарите и в частност на глюкозата, условно може да се раздели на два етапа. Първият (гликолиза) завършва до ключовият метаболит пируват, а вторият обобщава дивергентните пътища, по които пируватът се трансформира до различни крайни продукти.

В зависимост от получаващите се крайни продукти или от подлагащите се на ферментация изходни вещества, ферментацията бива: алкохолна, млечнокисела, масленокисела, пропионовокисела и т.н. [4]. При алкохолната ферментация краен продукт е етиловият алкохол и СО2. В незначителни количества се образуват и странични продукти - глицерол, ацеталдехид, висши алкохоли, оцетна, янтърна киселини и др. Отделят се около 117 kJ енергия. Алкохолна ферментация се предизвиква най-често от различни видове дрожди (хлебни, спиртни, пивни) от р. Saccharomyces, а също така и от плесенни гъби от р. Mucor, p. Aspergillus, p. Penicillium и от някои бактерии. Продукт от разграждането на захарите под въздействието на млечнокисели бактерии е млечната киселина. Получава се в процеса на млечнокисела ферментация (хомо- и хетероферментативна) с отделянето на около 75 kJ енергия. Биохимичният процес на превръщане на въглехидратите в маслена киселина, се нарича масленокисела ферментация.
2.2 Микроорганизми, предизвикващи алкохолна ферментация

Участващите в процеса на алкохолна ферментация микроорганизми, са дрождите и някои видове бактерии. Най-голямо значение при производството на етанол имат следните видове бактерии като Leuconostoc sp., E. coli, Clostridium sp., Sarcina vendriculi и Zymomonas mobilis. От тях само S.ventriculi използва идентичен с този при дрождите биохимичен път за получаване на етанол [2].

Дрождите са едноклетъчни гъби. Отнасят се към факултативните анаероби. Притежават ензимната система едновременно на анаеробните и аеробни микроорганизми. В процеса на дишане при недостиг на кислород протича процес на ферментация, митохондрии не се развиват, не се трупа биомаса, а алкохол и карбоксилни киселини. От 1 молекула глюкоза се получават 2 молекули АТФ. В присъствие на кислород се развиват митохондрии и се трупа биомаса, като се получават 38 молекули АТФ [4].

Известна е употребата Saccharomyces cerevisiae при ферментация на биомаса. Те ферментират глюкозата до етанол, като оползотворяването на субстрата е в тесни граници. Не ферментират обаче ксилозата от лигноцелулозните материали. Идентифицирани са някои видове дрожди, които могат да ферментират ксилоза до 63 % при строго анаеробни условия (Candida shehatae). Характерно за тях е двустепенен път, при който ксилозата първо се редуцира до ксилитол, който след това се окислява до ксилулоза. Последната се фосфорилира и след това метаболизира до етанол. Тези дрожди образуват етанол 78-94 % от теоретичния добив и концентрация 5 % , но при относително ниската продуктивност (0.3-0.9 g l-1 h-1 ) особено при липса на кислород [2].

3. Производство на етанол

Технологията на спирта е свързана с методите и процесите за преработка на различните суровини до етилов алкохол (етанол) [2]. Основният процес е превръщането на нишестето в захари, а те в етанол под действието на ензими. Ензимите за хидролизата (озахаряването) на нишестето са плесени и бактерии, а за трансформирането на захарите в спирт - дрождите.

Производството на алкохол се явява най-крупният отрасъл на ферментационната промишленост. Голяма част от етиловия алкохол за промишлени цели се получава от меласи и нефтопродукти, а за хранителни цели - от ферментация на зърнопродукти. Основните суровини за алкохолната ферментация могат да бъдат зърнопродукти (царевица, ечемичен малц и ръж), картофи, меласи, сулфитните луги и отпадъци от преработката на дървесината при целулозното производство [2].

Провеждането на алкохолна ферментация изисква наличие на посевна култура и осигуряване на протичането на промишлени ферментации [2]. Получава се пивна мъст. Тя се използва основно за ферментация, а малка част от нея за получаване на биомасата за заквасване. При ферментация на зърно-картофена мъст протича и доозахаряване на декстрините. Ферментиращата мъст се нарича още културална среда (бражка). Промишлената ферментация може да се осъществи по 3 начина: в режим на непрекъснато подаване на субстрата, по поточно-рециркулационен път и чрез циклична схема.
3.1 Непрекъснато култивиране

Същността на този метод се състои в непрекъснатия приток на озахарена мъст и подаването на дрожди в главния апарат на ферментационната батерия, състояща се от няколко последователно свързани апарата [2]. Извършва се непрекъснато ферментиране на мъстта и отделяне на ферментиралата културална среда от последния апарат. Концентрацията на дрождите в батерията се поддържа на определено ниво чрез скоростта на приток на мъстта. При непрекъснатите процеси ускорението е с 30 %, а повишението на рандемана на спирта е с 0.5 % на 1 t условно нишесте.

От технологична гледна точка могат да възникнат няколко проблема. Един от тях е неравномерното разбъркване на мъстта в батерията от ферментационни апарати. За 1 оборот на главния апарат (т.е. за една смяна на обема на мъстта), в него остава около 36 % от първоначалната мъст. С увеличаване броя на оборотите количеството на задържаната мъст намалява. С увеличаване броя на оборотите, поредният номер на апарата се увеличава както и количеството на страничната микрофлора, представена главно от млечнокисели бактерии. Пълното освобождаване на първия ферментационен апарат от остатъка на старата мъст става след 6.7 оборота, а в апарат №6 след 14 оборота става ясно влиянието на неравномерното разбъркване на мъстта в батерията и различията в резултатите за ферментацията. Получаващата се инфекция води до увеличаване на киселинността, което инхибира процеса [2].

В това отношение периодичната ферментация има предимство, че тя е строго ограничена във времето и се провежда само в 1 апарат, който накрая се стерилизира с пара [2]. Поточната ферментация е непрекъсната, т.e. във всеки апарат се осъществява само част от общия процес, чиято продължителност е ограничена. Тук много важно е продължителността на пребиваване на мъстта в апарата, броя на клетките, скоростта на притока на мъстта, рН на средата и температурата. Количеството на дрождите в главния ферментационен апарат е 90-120 mln kl. cm-3 и се поддържа във всички апарати (дрождегенератори, ферментационни и всички апарати на батерията).
3.2 Поточно-рециркулационен метод

Предимствата на този метод са увеличената производителност на апарат с 40 %, повишен добив на спирт, повторното използване на дрождите, а следователно и намаляване разхода на захари за синтез на биомасата, съпроводено с повишен добив на спирт. За разлика от предходния метод, тук технологичното време е по-малко, а концентрацията на получавания спирт малко по-висока. Като недостатък се явява рециркулацията на сепарираната биомаса на дрождите, която се провежда без антисептиране и може да доведе до инфекция на продуктите на ферментация [2].




Сподели линка с приятел:





Яндекс.Метрика
Промишлена ферментация на зърно-картофена мъст и меласа, сулфитни луги и хидролизати от дървесина 9 out of 10 based on 2 ratings. 2 user reviews.