Курсовик1
Корзина 0 0 руб.

Работаем круглосуточно

Доступные
способы
оплаты

Свыше
1 500+
товаров

Каталог товаров

Биотехнологическое производство спиртовых дрожжей

В наличии
100 руб. 1 000 руб.
Экономия: 900 руб. (-90%)

Скачать диплом на тему биотехнологическое производство спиртовых дрожжей

После нажатия кнопки В Корзину нажмите корзину внизу экрана, в случае возникновения вопросов свяжитесь с администрацией заполнив форму

При оформлении заказа проверьте почту которую Вы ввели, так как на нее вам должно прийти письмо с вашим файлом

МИНОБРНАУКИ РОССИИ ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет» Кафедра биотехнологии (наименование выпускающей кафедры) ДИПЛОМНАЯ РАБОТА Направление 19.03.01 Биотехнология Тема: Биотехнологическое производство спиртовых дрожжей Студент группы № _____________ ФИО (подпись, дата) (фамилия, инициалы) Руководитель работы _____________ регалии, ФИО (подпись, дата) (фамилия, инициалы) Заведующий кафедрой ______________ Понаморева О.Н. (подпись, дата) (фамилия, инициалы) Тула, 2023 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ 3 ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА СПИРТОВЫХ ДРОЖЖЕЙ 6 1.1. Спиртовые дрожжи 7 1.2. Saccharomyces cerevisiae 8 1.3. Спиртовые штаммы Saccharomyces cerevisiae 13 1.3.1. Штамм Saccharomyces cerevisiae 1039 (ВКПМ Y-3327) 14 1.3.2. Штамм дрожжей Saccharomyces cerevisiae ВКПМ Y-4281 15 ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА 16 2.1. Условия для нормальной жизнедеятельности дрожжей 17 2.2. Выращивание чистой культуры 17 2.2.1. Получение чистой культуры 18 2.2.2. Выращивание чистой культуры на производстве 19 2.3. Выделение дрожжей из бражки 23 2.3.1. Флотация 23 2.3.2. Сепарация 25 2.3. Сушка дрожжей 28 ГЛАВА 3. КОНТРОЛЬ И СТАНДАРТИЗАЦИЯ ГОТОВОГО ПРОДУКТА 32 ГЛАВА 4. ХАРАКТЕРИСТИКА ПОБОЧНЫХ ПРОДУКТОВ, УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ 35 ГЛАВА 5. РАСЧЕТНОЕ ЗАДАНИЕ 36 ВЫВОДЫ 46 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 48 ВВЕДЕНИЕ Спиртовая промышленность - отрасль пищевой промышленности, производящая сырой этиловый спирт и ректификованный спирт из пищевого сырья (зерно, картофель, патока). Спирт направлен на нужды пищевой промышленности, медицины и радиоэлектроники. Производство алкоголя имеет давнюю историю, так, например, винный спирт впервые был получен в Италии в XI веке в результате перегонки виноградного вина. В Российской Федерации производство винного спирта начало свою историю примерно в XII веке. В будущем производство алкоголя стало очень важным источником государственных доходов [1]. Спиртовая промышленность тесно связано с одной стороны с большим количеством отраслей народного хозяйства, для многих из которых этиловый спирт является основным сырьем, либо вспомогательным материалом, а с другой стороны – непосредственно с сельским хозяйством. То есть, спиртовая промышленность получает от сельского хозяйства разнообразное растительное сырье (зерно различных злаковых культур, картофель и прочее), извлекает из него и из мелассы углеводы, а возвращает востребованные витаминизированные белковые корма. Эта отрасль промышленности является единственной способной перерабатывать дефектное (порченое) зерно и картофель в доброкачественные продукты [2]. Способность дрожжей сбраживать сахар в спирт представляет собой важнейший биотехнологический процесс в мире. Этиловый спирт (этанол), является ведущим глобальным продуктом биотехнологии как в объемном, так и в экономическом отношении. Установлено, что активное участие в спиртовом брожении принимают дрожжи, в частности Saccharomyces cerevisiae. Этот вид можно рассматривать как выдающийся промышленный микроорганизм. Помимо своей роли в производстве напитков и биоэтанола, S. cerevisiae отвечает за производство многих других продуктам, получаемым в процессе ферментации, например, хлебобулочные изделия, ароматизаторы и красители, агенты биоконтроля, ферменты, пробиотики, химические товары, терапевтические белки и биофармацевтические препараты. Таким образом, статус S. cerevisiae как главного микроорганизма в промышленности не имеет себе равных [3]. Дрожжи Saccharomyces cerevisiae представляют собой факультативных анаэробов, по типу питания – хемоорганогетеротрофы, а по отношению к активной кислотности среды – ацидофилы. К применяемым в спиртовой промышленности, при переработке крахмалистого сырья, микроорганизмам предъявляется ряд требований, а именно, они должны иметь высокую бродильную активность, характеризоваться полной сбраживаемостью сахаров, а также устойчивостью к продуктам метаболизма, особенно к этиловому спирту, и развитию посторонней микрофлоры [4]. К настоящему моменту, благодаря усилиям микробиологов и генетиков, создано множество рас спиртовых дрожжей, среди которых Р XII, V 717 VI986 и других, которые отличаются лучшими свойствами друг от друга. Многообразие существующих вариантов обусловлено стремлением ученых получить новые расы дрожжей, обладающих наилучшими свойствами, например, повышенной или высокой бродильной активностью, обладающих амилолитической и протеолитической способностью, способных сбраживать сусло наиболее полно, в широком диапазоне температур и в кратчайшие сроки [2]. Целью настоящей дипломной работы являлось изучение процесса биотехнологического производства спиртовых дрожжей. На основании поставленной цели были сформулированы следующие задачи: 1.Охарактеризовать группу спиртовых дрожжей, описать вид Saccharomyces cerevisiae, который взят за основу создания многих рас спиртовых дрожжей и описать некоторые из коммерческих штаммов; 2.Изучить и описать биотехнологический процесс получения спиртовых дрожжей; 3.Представить основные контролирующие и стандартизирующие спиртовые дрожжи документы; 4.Охарактеризовать побочные продукты биотехнологического производства спиртовых дрожжей и описать основные пути их утилизации; 5.Выполнить расчетное задание. ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА СПИРТОВЫХ ДРОЖЖЕЙ Накапливание этилового спирта в среде в анаэробных условиях характерно для разных групп эубактерий и эукариотических микроорганизмов, а именно дрожжей. Спиртовое брожение – это процесс преобразования углеводов, углеводсодержащих отходов, вызываемый дрожжами, некоторыми видами бактерий и различными представителями мукоровых грибов, с выходом целевого продукта в виде этанола. Возбудителями спиртового брожения являются некоторые виды дрожжей (Saccharomyces cerevisiae, S. uvarum, Schizosaccharomyces pombe и др.) и бактерий (Erwinia amylovora, Sarcina ventriculi, Zymomonas mobilis). Кроме того, этиловый спирт образуют мезофильные бактерии (Leuconostoc mesenteroides, Lactococcus lactis, Clostridium sporogenes, Spirochaeta aurantia), а также термофильные бактерии (Thermoanaerobacter ethanolicus, Clostridium thermohydrosulfuricum, C. thermocellum). Сбраживание глюкозы проходит по гликолитическому пути до стадии синтеза пировиноградной кислоты. Затем осуществляется ее декарбоксилирование пируватдекарбоксилазой при участии тиаминпирофосфата, в результате чего образуются ацетальдегид и СО2. Ацетальдегид выступает конечным акцептором водорода. При помощи алкогольдегидрогеназы он восстанавливается до этанола [9]. Общая схема спиртового брожения представлена на рисунке 1. Рисунок 1 – Схема спиртового брожения [URL: https://studme.org/htm/img/32/3357/84.png] 1.1.Спиртовые дрожжи Saccharomyces cerevisiae, несомненно, является основным микроорганизмом, продуцирующим этанол, и относится к так называемым спиртовым дрожжам, но это не единственный вид дрожжей, способный к спиртовому брожению. В настоящее время, описано огромное количество видов дрожжей, около 1500 охарактеризованных видов, которые могут быть использованы как в производстве напитков, в том числе алкогольных, так и в производстве биотоплива. Некоторые дрожжи, не относящиеся к Saccharomyces, уже нашли свою нижу в процессах биотехнологической ферментации, так, например, Kluyveromyces marxianus может ферментировать лактозу, что не свойственно для S. Cerevisiae, и используется при ферментации сырной сыворотки для производства спиртных напитков [5]. K. marxianus также активно используется в ферментации для производства традиционных мексиканских спиртных напитков — текилы и мескаля с использованием сырья из голубой агавы (Agave tequilana), а также, возможно, биоэтанола из полифруктановых субстратов [6]. В пивоварении и виноделии применяются другие «нетрадиционные дрожжи» для придания пиву и вину желаемого вкуса и аромата, так, например, было доказано, что штаммы видов Candida, Pichia и Wickerhamomyces усиливают вкус пива. В частности, W. anomalus при совместном использовании с лагерными пивоваренными дрожжами усиливал фруктовый вкус пива [7]. В ходе экспериментальной работы было установлено, что Lachancea thermotolerans способны продуцировать молочную кислоту и этот вид потенциально может быть использован при ферментации солодового сусла при производстве кислого пива [8]. Несмотря на то, что преимущества большинства дрожжей, не относящихся к классу Saccharomyces, при спиртовом брожении заключаются больше в их способности придавать напиткам интересные вкусовые качества, а не в повышении выхода этанола, некоторые дикие дрожжи являются перспективными в качестве «спиртовых дрожжей». Например, Dekkera bruxellensis была выделена на пшеничных заводах в Швеции, где она образует «альянс» с молочнокислыми бактериями в микробиологическом консорциуме, производящем этанол, который может доминировать в заквасочных культурах S. cerevisiae. Аналогичным образом, дикие штаммы Saccharomyces были обнаружены в качестве преобладающих дрожжей на бразильских заводах по производству топливного этанола, использующих патоку сахарного тростника в качестве субстрата для ферментации [3]. 1.2.Saccharomyces cerevisiae Несмотря на большое разнообразие дрожжей и других микроорганизмов, имеющих потенциал в спиртовой промышленности, родоначальником большинства штаммов производственных спиртовых дрожжей являются Saccharomyces cerevisiae. В настоящее время годовое производство спирта в мире составляет более 100 млрд литров, при этом Saccharomyces cerevisiae является преимущественно используемым промышленным микроорганизмом для производства этанола. Таким образом, можно говорить о том, что дрожжи S. cerevisiae являются предпочтительным микроорганизмом для промышленного производства этанола и, как таковые, представляют собой крупнейшее промышленное биотехнологическое использование дрожжей [11]. По принятой на данный момент систематике и генетическим исследованиям, дрожжи Saccharomyces cerevisiae относятся к царству грибов – Mycota, к отделу – Eumycota, к классу – Ascomycetes, семейству – Saccharomycetaceae, к роду – Saccharomyces, виду – cerevisiae [13]. В современной классификации вид S. cerevisiae объединяет как культурные, так и дикие штаммы. Большинство известных штаммов S. cerevisiae изолировано из различных бродильных процессов. Культурные штаммы S. cerevisiae очень полиморфны по ферментационным спектрам. Дрожжи Saccharomyces cerevisiae (рисунок 2) являются эукариотическими микроорганизмами, генетически более сложными, нежели бактерии. Клетка дрожжей, по сравнению с клеткой Escherichia coli, содержит в 3,5 раза больше ДНК. Вместе с тем, в качестве экспериментального объекта дрожжи обладают многими из технических преимуществ, обеспечивших быстрый прогресс молекулярной генетики прокариот и их вирусов [12]. Рисунок 2 - Saccharomyces cerevisiae, фазово-контрастная микроскопия (100х) [URL: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/42/Saccharomyces_cerevisiae_100x_phase-contrast_microscopy.jpg] Клетки S. сеrevisiae имеют округлую, яйцевидную или эллипсоидную форму; размер их колеблется от 2,5 до 10 мкм в поперечнике и от 4,5 до 21 мкм в длину. Размер и форма клеток одного и того же штамма определяются генетически и могут варьироваться в определенных пределах в зависимости от условий культивирования и последующих операций получения коммерческих дрожжей (обезвоживание). Клетки дрожжей состоят из микроскопических и субмикроскопических, видимых только в электронном микроскопе, структур, и эти структуры можно подразделить на постоянно присутствующие и периодически обнаруживаемые в клетке. К первым относятся органеллы, а именно ядро с ядрышком, митохондрии, рибосомы, клеточная стенка, цитоплазматическая мембрана, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы, хитосомы, гликосомы и целый ряд других мембранных структур. Все клеточные органеллы окружены мембранами. В состав мембран входит большое количество фосфолипидов, причем их содержание как в количественном, так и в качественном составе определяется природой органеллы. К группе непостоянных структур относятся различные включения, которые то возникают, то исчезают в процессе жизнедеятельности клеток. Этими непостоянными структурами являются внутриклеточные запасные соединения: жиры, гликоген и полифосфаты. Включения могут быть представлены в виде более или менее плотных частиц – гранул, кристаллов или капель. Клеточная стенка является частью клеточной оболочки, в состав которой входит также периплазматическое пространство. Клеточная стенка представляет собой слоистую структуру толщиной около 25 нм и состоящую из 3-х слоев: 1-й (наружный) слой – это тонкая липопротеиновая мембрана; 2-й слой – значительно более толстый слой – представляет собой маннано-протеиновый комплекс; 3-й слой состоит из глюкана, он имеет слоистую структуру. На долю клеточной стенки приходится от 6 до 25 % сухой массы клетки. Химический анализ клеточной стенки показывает, что она состоит в основном из глюкана и маннана; наряду с этими компонентами в стенке присутствуют хитин и белок [15]. Геном почкующихся дрожжей Saccharomyces cerevisiae был первым полностью секвенированным у эукариот. Saccharomyces cerevisiae обладает ядерной геномной ДНК длиной 12068 килобаз (т.п.н.), организованной в 16 хромосомах. Его геном был полностью секвенирован Goffeau et al. 1996 и было установлено, что геном содержит около 6000 генов, из которых, по прогнозам, 5570 являются белок-кодирующими генами. Биоинформатический анализ показал, что ряд генов, кодирующих белки, имеют чужеродное происхождение, то есть являются результатом латерального переноса генов. Эти гены, вошедшие в геном S. cerevisiae путем горизонтального переноса, имеют либо прокариотическое, либо эукариотическое происхождение. Hall с коллегами в 2005 году [16] обнаружили 10 генов предположительно прокариотического происхождения, присутствующих в геноме S. cerevisiae. Одним из примеров приобретения гена от другого эукариота является ген FSY1, кодирующий переносчик фруктозы и, вероятно, произошел от какого-то близкого родственника S. cerevisiae. Этот ген считается важным, поскольку его продукт, вероятно, придает штамму-хозяину (EC 1118) повышенную способность использовать фруктозу в условиях низких концентраций гексозы, присутствующих в сусле (то есть ближе к конечной фазе ферментации) [17]. Алкогольная ферментация дрожжами Saccharomyces мальтозы, сахарозы и мелибиозы контролируется, соответственно, полимерными генами MAL, SUC и MEL, которые расположены в теломерных областях различных хромосом и могут накапливаться в определенных штаммах Saccharomyces cerevisiae имеет ограниченную толерантность к этанолу, и максимальная концентрация, при которой возможен рост, составляет 10% (p:v), а высокие концентрации этанола могут влиять на структуру ферментов, что приводит к снижению каталитической активности. Saccharomyces cerevisiae мезофильны и растут они при температуре от 25°С до 30°С, и известно, что температура влияет на интенсивность роста и на обменные процессы в клетке. Уменьшение температуры от оптимума уменьшает общий выход дрожжевой массы, незначительное повышение температуры резко тормозит скорость роста дрожжей. Дрожжи Saccharomyces cerevisiae обладают многими полезными промышленными свойствами, такими как быстрый рост, эффективный анаэробный метаболизм глюкозы, высокая производительность по этанолу, большой выход и высокая устойчивость к различным стрессовым факторам окружающей среды, таким как высокая концентрация этанола, низкий pH и низкий уровень кислорода. Т.е. использование существующих или адаптированных штаммов промышленных дрожжей в биотехнологических и промышленных ферментациях носит интенсивный характер; тем не менее, есть еще много возможностей для улучшения, поскольку современные промышленные процессы редко используют новые природные штаммы [11]. Дрожжи представляют собой физиологически очень разнообразную группу микроорганизмов, но в настоящее время S. cerevisiae доминирует в биотехнологическом использовании, особенно в производстве алкоголя. S. cerevisiae как представители спиртовых дрожжей, обладают многими полезными характеристиками, но также для них свойственны некоторые недостатки, которые представлены в таблице 1. Таблица 1. Преимущества и недостатки Saccharomyces cerevisiae по сравнению с другими, потенциальными, спиртовыми дрожжами Преимущества Недостатки Хорошо подходят для процессов промышленной ферментации Не способны ферментировать некоторые сахара, например, ксилозу, арабинозу, лактозу, мальтодекстрины Возможны высокие скорость ферментации и выход этанола (>20% по объему) Накапливают «стрессовые» углеводы, такие как гликоген, трегалозу, а также могут накапливать глицерин Отличаются относительной стрессоустойчивостью Для них характерен Эффект Кребтри (репрессия глюкозой) Хорошо изучен геном и легко поддаются генетическим модификациям для создания более подходящих штаммов Для микроорганизма характерен рост в не строго анаэробных условиях Рассматривается как безопасный (GRAS) микроорганизм Характерная переменная флокуляция (агрегация дрожжевых клеток) Дают широкий спектр вкусовых характеристик напиткам Возникновение спонтанных мутаций Несмотря на присущие Saccharomyces cerevisiae недостатки, данные дрожжи являются основой для большого количества спиртовых дрожжей, применяемых в крупномасштабном производстве этанола. 1.3.Спиртовые штаммы Saccharomyces cerevisiae К спиртовым расам дрожжей предъявляются достаточно жесткие требования: они должны обладать высокой бродильной активностью; быстро и полностью сбраживать сахара, а также использовать другие компоненты питательной среды в анаэробных условиях, быть устойчивыми к продуктам собственного обмена (особенно к этанолу), хорошо противостоять развитию инфекций. Кроме того, они должны обладать способностью переносить высокие концентрации сухих веществ, и, по возможности, сбраживать разные виды углеводов, в том числе рафинозу, галактозу и декстрины. В последние годы ведутся активные работы в области биотехнологии, направленные на селекцию рас дрожжей с заданными производственными характеристиками. Исключительный интерес биотехнологов к дрожжам связан с особенностями их метаболизма. Наличие двух путей энергетического обмена у дрожжей – анаэробного (гликолиза) и оксидативного, – каждый из которых может быть реализован в отдельности, а также протекать одновременно, легло в основу получения продуктов брожения, в частности пива, и биомассы хлебопекарных дрожжей [14]. В настоящее время существует огромное количество штаммов S. cerevisiae, используемых в спиртовой промышленности и, в частности, в производстве биоэтанола. Было показано, что некоторые штаммы S. cerevisiae дикого типа обладают более высоким потенциалом ферментации сахаров в этанол по сравнению с коммерческими штаммами. Так обстоит дело с бразильскими заводами по производству топливного этанола, где штаммы Saccharomyces дикого типа были выделены из патоки сахарного тростника [18] или S. cerevisiae KL17 дикого типа, который достиг исключительно высокой концентрации этанола 96,9 г/л с производительностью 3,46. г/л/ч после одновременной ферментации глюкозы и галактозы [19]. В настоящее время разработано несколько способов получения штаммов с улучшенными свойствами, так, одним из вариантов является путь эволюционной адаптации, при которой штамм подвергается определенному селективному стрессу путем серии инокуляций, то есть посевов дрожжей, с целью получения спонтанных мутантов, реагирующих на вышеуказанные условия [20]. С помощью этого метода был получен ряд промышленных штаммов, обладающих важными свойствами для производства этанола, такими как утилизация ксилозы используемыми в ферментации лигноцеллюлозы штаммами дрожжей [21]. Штаммы дрожжей с улучшенными свойствами могут быть получены с помощью методов классической генетики, а именно гибридизации путём скрещивания или слияния протопластов, а также мутагенеза. Применение этих методов по отношению к дрожжам для получения желаемых свойств было рассмотрено в работе Steensels с коллегами в 2014 году [22]. Например, гибридные штаммы, полученные путем слияния протопластов S. cerevisiae и штаммов, не относящихся к Saccharomyces, ферментирующих ксилозу, которые использовались для ферментации биомассы ипомеи мясо-красная (Ipomoea carnea), богатой как гексозами, так и пентозами [23]. Далее рассмотрим некоторые спиртовые штаммы Saccharomyces cerevisiae, которые активно используются в биотехнологическом производстве или рассматриваются как перспективные варианты для производства этанола. Используемые в производстве спирта промышленные расы дрожжей Sacсharomyces cerevisiae различаются по отношению к температуре и осмосу. 1.3.1.Штамм Saccharomyces cerevisiae 1039 (ВКПМ Y-3327) Штамм Sб cerevisiae 1039 получен путем многоступенчатой селекции и мутагенеза с использованием эффективных методов воздействия и физических мутагенов. На 4 сутки рост при 30°С поверхности колонии на сусло-агаре однородная, блестящая, наблюдается радиальная складчатость; профиль колонии слегка выпуклый, форма колонии округлая; край колонии волнистые, цвет молочный; диаметр колонии 18×18 мм. Размер клетки в бродящем солодовом сусле 2×2 – 6×6 мкм. Тип катабализма – дыхание. Отношение к кислороду - анаэроб. Оптимальная температура роста 30-32°С. Штамм непатогенен. Штамм Saccharomyces cerevisiae 1039 используется для сбраживания осахаренных крахмалсодержащих средств с концентрацией сухих веществ выше 30% [25]. 1.3.2.Штамм дрожжей Saccharomyces cerevisiae ВКПМ Y-4281 В патенте от 2017 года приводится информация о новом штамме дрожжей, отличающихся высокой продуктивностью по этанолу. Штамм Saccharomyces cerevisiae, был выделен в естественных условиях с поверхности шишек хмеля (дикорастущего) произрастающего на территории НИИ Биотехнология ФГБОУ ВО ГГАУ, путем многократных пересевов на стерильное солодовое сусло. Полученный штамм культивировали при температуре 28-30°С на пивном сусле, сусло-агаре и среде Сабуро. При росте на плотных средах дрожжи имеют круглую форму, размер клеток 4-5 мкм в диаметре. Колонии штамма имеют округлую форму размер 1-3 мм в диаметре, тягучую консистенцию, кремового цвета. В ряду экспериментов было установлено, что продуктивность штамма составляет 10,2% об. этилового спирта в бражке из зернового сусла [24]. ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА Биотехнологической основой производства этанола являются процессы конверсии высокомолекулярных полимеров растительного сырья с последующей микробной трансформацией сахаров в этанол. Эффективность этих процессов достигается за счет расширения сырьевой базы, скрининга высокопродуктивных рас спиртовых дрожжей, а также применения новых мультиэнзимных комплексов. В состав таких комплексов должны входить ферменты амилолитического, протеолитического и гемицеллюлазного действия [10]. В настоящее время производством дрожжей в целом, и спиртовых в том числе, занимаются на специализированных спиртовых заводах, и в грубой форме, технология состоят из 3-х основных этапов: выращивания культуры, выделения её из бражки и обезвоживание. Для биотехнологического производства дрожжей подразумевается использование следующего оборудования: 1.Емкости для высаживания дрожжей, выращенных в лаборатории; 2.Инокулятор, в котором происходит выращивание дрожжей на производстве. 3.Флотатор, основное назначение которого заключается в отделение образующейся в процессе брожения пены. 4.Насосы для перекачивания. 5.Сепараторы, при помощи которых осуществляется отделение дрожжей от браги. 6.Промывочная емкость. 7.Плазмолиз. 8.Сушилка. 9.Упаковочная линия. 2.1. Условия для нормальной жизнедеятельности дрожжей Основным сырьем для производства дрожжей является меласса и бражка на ее основе. В процессе взращивания дрожжи усваивают из них аминокислоты и другие вещества необходимые для нормального роста и жизнедеятельности. Кроме того, бражка в целом должна быть сбалансирована по основным макро- и микроэлементам. Спиртовые дрожжи живут и размножаются в широких температурных пределах, но для нормальной их жизнедеятельности необходима температура 29—30°С. При очень высокой или очень низкой температуре жизнедеятельность дрожжей ослабляется или прекращается. На жизнедеятельность спиртовых дрожжей значительно влияет активная кислотность среды. Водородные ионы изменяют электрический заряд коллоидов плазменной оболочки клеток и в зависимости от концентрации могут увеличивать или уменьшать проницаемость плазменной оболочки дрожжевой клетки для отдельных веществ и ионов. От величины рН зависят скорость поступления питательных веществ в дрожжевую клетку, активность ферментов, образование витаминов. При изменении рН среды изменяется и на­правление самого брожения. Если рН бражки сдвигается в щелочную сторону, то увеличивается образование глицерина. Дрожжи сохраняют жизнеспособность в пределах рН среды от 2 до 8. Для их выращивания оптимальным является рН 4,8—5. 2.2. Выращивание чистой культуры Первый этап состоят из 2-х стадий: получение чистой культуры в лабораторных условиях и выращивание этой чистой культуры непосредственно на производстве. Первоначальным этапом любого биотехнологического процесса производства дрожжей является получение чистой культуры. Спиртовые дрожжи, как и другие размножаются из чистой культуры, получаемой в пробирках из научно-исследовательских институтов и лабораторий. Зимой чистую культуру готовят на сусло-желатине, летом — на сусло-агаре. 2.2.1. Получение чистой культуры Чистая культура дрожжей — это абсолютно стерильная культура дрожжей, которая используется для последующего культивирования сначала в лаборатории, а потом уже и в производстве. Одним из вариантов получения чистой культуры, или маточной культуры, является технология по по Эркен-Шахарской, представленный на рисунке 3. з стадии в стадию дрожжи пересевают в фазе логарифмического роста, соблюдая условия стерильности. В конце процесса в четырех колбах Карлсберга накапливают 0,16 кг дрожжей, которые служат засевным материалом для стадии I, которая проходит в производственных условиях. Рисунок 3 – Технологическая схема выращивания маточной культуры в лабораторных условиях (схема Эркен-Шахарская) Культивирование дрожжей должно идти в оптимальных для размножения клеток условиях. Пример режима разведения ЧКД на лабораторной стадии согласно ТУ-10-04-06-140-87 представлен в таблице 2. Таблица 2 Этапы пересева чистой культуры дрожжей [26] Этапы Объем стерильного охмеленного сусла, дм3 Длительность Температура, оС 1-й пересев 0,02 24-36 ч 20-30 2-й пересев 0,1 То же 16-18 3-й пересев 0,5 То же 16-18 4-й пересев 2,5 То же 12-15 5-й пересев 10 (колба Карлсберга) 5-6 суток 10-12 Производственная стадия предполагает дальнейшее наращивание биомассы дрожжей при соблюдении оптимальных параметров (температуры, аэрации, состава сусла) в условиях стерильности с использованием специального оборудования. 2.2.2. Выращивание чистой культуры на производстве В соответствии с технологическим регламентом по производству спирта разведение чистой культуры спиртовых дрожжей проводят в анаэробных условиях, на пастеризованном сусле путем последовательного пересева с колб в бутыли, из бутылей в маточник, получая на выходе концентрацию дрожжевых клеток 100-120 млн/мл. Время подготовки культуры - 72 часа. Однако, в анаэробных условиях на мелассном сусле дрожжи развиваются медленно, поэтому их выращивают при слабом аэрировании. Дрожже генерирование проводят непрерывно при тщательном перемешивании сусла. Свежее сусло поступает в дрожжегенератор, и бродящее сусло выводится из него с одинаковой скоростью при постоянном объеме. При этом устанавливается динамическое равновесие между скоростью разбавления и скоростью размножения дрожжей. По конструктивным особенностям оборудование разделяют на следующие типы: 1) одноаппаратные, где процесс культивирования идет в одном сосуде; 2) многоаппаратные, в состав которых могут входить от двух и более аппаратов. Помимо оборудования существуют различные режимы разведения дрожжей: непрерывные; полунепрерывные; периодические. Независимо от используемого оборудования можно проводить процесс пропагации разными режимами [26]. В целом, для осуществления процесса выращивания чистой дрожжевой культуры на производстве необходимо следующее оборудование: 1.Инокулятор (стадия наращивания биомассы до 40 кг АСБ/м3). Инокулятор обеспечивает равномерное движение жидкости и распределение компонентов, локальные концентрации которых могут оказать ингибирующее действие на рост культуры. 2.Секционированный аппарат чистой культуры (две стадии наращивания биомассы до 60 – 100 кг АСБ/м3). В настоящее время предложен метод интенсивной аэробной технологии культивирования микроорганизмов с применением мембранных способов подачи кислорода. Такой способ позволяет обеспечить асептические условия подвода кислорода, а также существенно сократить пенообразование при беспузырьковом введении кислорода в культуральную жидкость через мембрану. Секционированный аппарат чистой культуры обеспечивает наращивание биомассы в идентичном гидродинамическом и массообменном режимах при последовательном доливе среды. Кроме того, использование данного аппарата обеспечивает получение сверхплотной культуры за счет рециклирования биомассы и высокой интенсивности массообмена кислорода. На рисунке 4 представлено устройство и внешний вид секционнированного биореактора интенсивного действия. Рисунок 4 - Устройство и внешний вид секционированного биореактора интенсивного действия Для нормального функционирования биореактора и жизнедеятельности дрожжей, необходимо создать сложные «узлы», позволяющие поддерживать культуральные условия на оптимальном уровне (рисунок 5). Рисунок 5 – Схема обвязки секционированного аппарата чистой культуры Использование такого биореактора позволяет сократить число переливов и иных технологических операций – достигается двустадийностью процесса, обусловленной секционированностью аппарата (выбирается соотношение объемов секций). В настоящее время существует два отличающихся способа выращивания дрожжей в инокуляторе: периодический и непрерывный. Периодический способ. В инокулятор загружают подготовленную питательную среду, полученную в лабораторных условиях культуру дрожжей, подают воздух и перемешиваю получившуюся смесь. Такая система будет работать до полной утилизации субстрата дрожжами. По завершению процесса, инокулятор осушают, аппарат моют, стерилизуют и процесс выращивания начинают заново. Таким способом производят выращивание на первых стадиях приготовления чистой культуры дрожжей в отделениях чистой культуры производственных цехов. При этом способе выращивания дрожжи проходят в инокуляторе постепенно все стадии развития: 1) стадию покоя или лагфазу; 2) фазу логарифмического роста; 3) фазу стационарного роста и 4) фазу затухания. Периодический способ выращивания невыгоден для больших производств, так как на протяжения цикла выращивания меняются состав среды и активность клеток, кроме того, процесс практически нельзя автоматизировать. Непрерывный способ заключается в том, что после окончания сбраживания, когда дрожжи перешли в фазу логарифмического роста, в инокулятор малыми порциями или непрерывно с заданной скоростью подается питательная среда, и одновременно с той же скоростью осуществляется отбор среды с дрожжами. В инокуляторе поддерживают определенный уровень дрожжей и бражки, поэтому при определенной скорости подачи среды дрожжи находятся в аппарате необходимое время. При таком способе выращивания дрожжи находятся все время в постоянных условиях, скорость роста и максимальна, производительность инокулятора — тоже. Процесс полностью поддается автоматизации. 2.3. Выделение дрожжей из бражки Готовые дрожжи должны быть получены в сухом виде с достаточно низким содержанием в них влаги, поэтому, необходимо удалить всю влагу из бражки с дрожжами. В настоящее время известны различные способы выделения биомассы дрожжей из готовой бражки, но основными, широко известными являются механические и теплотехнические. К механическим способам относится фильтрация, отстаивание, центрифугирование, сепарирование, разделение на гидроциклонах. К теплотехническим можно отнести выпаривание и сушку. Несмотря на такое разнообразие способов, наиболее целесообразным вариантом является осуществление последовательно этапов флотирования, сепарирования, выпаривания и сушки. 2.3.1. Флотация Флотационный способ выделения дрожжей имеет перед сепарационным целый ряд преимуществ: значительно сокращается количество дорогостоящих сепараторов, сокращаются расходы на эксплуатацию, затраты на электроэнергию. Представляется возможным более надежно обеспечить непрерывный процесс выделения дрожжей из бражки; дрожжи, получаемые методом флотирования, имеют более высокие качественные показатели по содержанию белка, зольности, по вкусу и цвету; процесс выделения дрожжей становится полностью непрерывным. На флотационную способность биомассы влияют раса внедренных в производство дрожжей, их размер и ветвистость. Большое значение имеет конструкция флотатора. Степень концентрирования дрожжей флотационным способом называют коэффициентом флотирования. Обычно этот коэффициент колеблется от 3 до 4, иногда доходит до 6. Флотаторы предназначены для разделения готовой бражки методом флотации на две части: дрожжевую суспензию и отработанную жидкость. При разделении происходит концентрирование дрожжей. Имеющиеся в промышленности флотаторы выполнены в нескольких вариантах: цилиндрические, конические, одноступенчатые с внутренним стаканом, двухступенчатые. На рисунке 6 представлен одноступенчатый флотатор. Рисунок 6 – Одноступенчатый флотатор конструкции Гипрогидролиза, где: 1 – корпус, 2 – внутренний стакан, 3 – встроенный карман, 4 – аэраторы, 5,8 – механический пеногаситель, 6 – патрубок ввода дрожжевой суспензии, 7 – насос Дрожжевая суспензия из флотаторов подается на сепарацию. По мере продвижения по трубам сгущенной дрожжевой суспензии из нее выделяется воздух. Для частичного отвода воздуха из труб перед центробежными насосами устанавливают газоотделители, представляющие собой искусственный расширитель потока дрожжевой суспензии. В результате расширения свободного потока уменьшается скорость жидкости, это способствует выделению воздуха, который отводится через верхний штуцер в атмосферу. Деэмульгирование по технологическому значению является процессом, обратным флотации. Когда готовая бражка находится в состоянии дисперсности с воздухом, принимают меры для разрушения дисперсности и превращения бражки в жидкое состояние, пригодное для нормальной перекачки и сепарирования. Это достигается тремя наиболее широко известными доступными средствами: химическими, механическими и естественным способами. К механическому способу разрушения пены относят использование вращающегося диски и колеса, а также подачу воды или отработанной жидкости на орошение пены. К химическим средствам гашения пены относят олеиновую кислоту, рыбий жир, технические жиры и другие средства. Естественный способ гашения рассчитан на самоосаждение и является, как правило, весьма длительным, так как некоторые виды пены весьма стойки. 2.3.2. Сепарация Сепараторы применяются для отделения дрожжей, выращенных в дрожжерастильном аппарате, от бражки. Жидкостные центробежные сепараторы, к которым относятся сепараторы дрожжевого производства, это машины для разделения жидких суспензий в поле центробежных сил. Рабочий орган сепараторов (тарельчатый барабан) - ротор, на который надет пакет конических тарелок для разделения потока жидкости на ряд тонких слоев толщиной 0,4-1,5 мм, Сущность процесса сепарирования заключается в том, что дисперсные частицы, двигаясь с потоком вдоль образующей тарелки, должны успеть выделиться на поверхности тарелки до того, как их вынесет с потоком из пакета тарелок (рисунок 7). По способу подачи исходной жидкости, отводу бражки и концентрата дрожжевые сепараторы подразделяются на открытые, полузакрытые и герметические. Рисунок 7 – Схема работы сепаратора На сепараторах происходит дальнейшее сгущение флотоконцентрата. Сгущенный флотоконцентрат поступает на барабанный вакуум-фильтр, а сепарированная дрожжевая бражка – на мембранные установки или на очистные сооружения. На барабанном вакуум-фильтре производится окончательное сгущение дрожжей, после чего дрожжевая масса срезается с полотна вакуум-фильтра и подается в шнековый смеситель. Отделенная бражка водокольцевым вакуумным насосом подается на мембранные установки или на очистные сооружения [27]. В открытых сепараторах подача в барабан жидкой смеси и отвод разделенных жидких фракций осуществляются открытым потоком. В этом случае бражка и дрожжевое молоко непосредственно соприкасаются с воздухом при выходе из сепаратора. В полузакрытых сепараторах сепарируемая жидкость поступает в барабан закрытым потоком, а дрожжевое молоко отводится открытым потоком, бражка же отводится по закрытым трубопроводам под давлением. В герметических сепараторах подача в барабан жидкой смеси и отвод дрожжевого молока и бражки происходят без доступа воздуха, под давлением, по закрытым трубопроводам, соединенным герметически с входными и выпускными патрубками. К сопловым сепараторам с центробежной непрерывной выгрузкой осадка, применяемых для сгущения дрожжевых суспензий, относятся сепараторы марок СОС-501К-01, СОС-501Т-2 и СОС-501К-3 (рисунок 8), различающиеся между собой в основном диаметром ротора и материальным исполнением, а также сепараторы ДСГ-35, ДСГ-50 и ВСЖ-2. Рисунок 8 – Строение сепаратора марки СОС-501К-3 Сепаратор СОС-501К-3 характеризуется производительностью по исходной дрожжевой суспензии 15-22 м3 с концентрацией дрожжей 1-1,5% СВ имеет наибольшее распространение на дрожжевых заводах. Детали ротора, соприкасающиеся с обрабатываемым продуктом, изготовлены из нержавеющих сталей 07Х16Н6 и 12Х18Н10Т. У этого сепаратора горизонтальный вал соединен с валом электродвигателя 6 при помощи фрикционной разгонной муфты, обеспечивающей плавный разгон барабана 4 до рабочей частоты вращения за 3-5 мин. На валу электродвигателя установлен шестеренчатый насос, который забирает масло из картера и подает его непосредственно в зону зацепления винтовой передачи. Охлаждение масла в картере осуществляется посредством змеевика, по которому протекает холодная вода из водопровода. Частота вращения горизонтального вала фиксируется тахометром. Частота вращения вертикального вала в 4,58 раза больше, чем частота горизонтального. Сепаратор установлен на раме 1, которая крепится к фундаменту. Подача дрожжевой суспензии осуществляется через гибкий рукав, присоединенный к быстроразборному патрубку в крышке сепаратора 2. Дрожжевой концентрат накапливается в сборке 5, а бражка в сборнике 3. Масло в картере охлаждается при помощи змеевика, к которому подводится холодная вода. При трехступенчатом сепарировании дрожжевое молоко подвергается двукратной промывке водой, которая осуществляется в промежуточных промывных сборниках. На некоторых дрожжевых заводах промывка дрожжей между ступенями сепарирования и подача на следующую ступень сепарирования осуществляются при помощи инжекторов, в которых дрожжи промываются в потоке. 2.3. Сушка дрожжей Сушка дрожжей представляет собой процесс, во время которого удаляется влага из дрожжевой клетки. Дрожжи обычно содержат 67-75% влаги, которая распределяется либо в межклеточных пространствах (межклеточная), либо внутри клетки (внутриклеточная). Соотношение меж- и внутриклеточной влаги различно и зависит от общей влажности дрожжей: чем выше общая влажность дрожжей, тем больше в клетке содержится внеклеточной влаги, и наоборот. Например, при общей влажности дрожжей 70% в клетке содержится 6,25% внеклеточной влаги и 63,75% внутриклеточной. При общей влажности 75% в клетке содержится 21,87% внеклеточной влаги и 53,13% внутриклеточной (данные приведены по Уайту). Сушку дрожжей в большинстве случаев проводят либо в сушилке кипящего/псевдоожиженного слоя, либо на барабанной сушилке (рисунок 9). Могут использоваться также конвейерная мгновенная пневматическая сушилка, сублимационная сушка, а также широко распространенная на отечественных дрожжевых заводах конвейерная ленточная сушилка. Также может быть использована вальцевая сушилка, например для сушки пивных дрожжей (рисунок 10). Практически не используется для сушки дрожжевой распылительной сушилкой, поскольку дрожжи при этом становятся ослабленными и непригодными для дальнейшего использования [28]. Рисунок 9 – Барабанная дрожжевая сушилка типа JHD Рисунок 10 - Вальцевая сушилка ANDRITZ Процесс сушки дрожжей можно разбить на три периода. В первом периоде общая влажность дрожжей снижается с 68-75 до 50%. При этом происходит интенсивное удаление межклеточной влаги и масса дрожжей охлаждается, поэтому температура воздуха, подаваемого в сушилку, в этом периоде может быть высокой (65-90°С), и это не влияет существенно на дрожжевую клетку. Во втором периоде общая влажность дрожжей снижается с 50 до 16-18%. При этом удаляется свободная внутриклеточная влага. Скорость сушки замедляется, и дрожжи начинают нагреваться, поэтому температура воздуха, подаваемого в сушилку, должна быть снижена до 55-63°С во избежание перегрева дрожжей, вследствие которого снижается активность ферментов и ухудшается качество продукта. В третьем периоде сушки общая влажность дрожжей снижается с 16-18 до 8-10%. При этом удаляются остатки свободной внутриклеточной влаги и части связанной внутриклеточной влаги. Скорость сушки замедляется еще больше, так как связанная влага удаляется с трудом, и дрожжи нагреваются более интенсивно. В связи с этим температура воздуха, подаваемого в сушилку, должна быть снижена до 30-40°С, чтобы дрожжи не перегревались и не ухудшалось качество сушеных дрожжей. Температура массы дрожжей не должна превышать 30-32°С. Указанные выше интервалы температуры воздуха по периодам сушки даны для сушилок разной конструкции и различных режимов сушки. Существуют три режима сушки: мягкий, средний и жесткий, что обусловлено температурой воздуха, подаваемого в сушилки Сушеные дрожжи по сравнению с прессованными сохраняют свою ферментативную активность более продолжительное время, так как процессы жизнедеятельности клеток в обезвоженном продукте значительно затормаживаются, но не прекращаются совсем. При этом инактивируются бродильные ферменты, протекают процессы автолиза, в результате чего ухудшается подъемная сила дрожжей. Сушеные дрожжи хранят в холодильных камерах при температуре не выше 15°С. Складское помещение должно быть сухим, чистым и вентилируемым. Не допускается совместное хранение сушеных дрожжей с ядовитыми веществами и остропахнущими продуктами [29]. Производство сушеных дрожжей - комплексный технологический процесс, включающий использование специальных рас, режимов получения чистых культур и товарных дрожжей, высушивание, упаковку и хранение дрожжей. Все это звенья одного и того же процесса, тесно связанные между собой. Недочеты в одном из них могут повлечь за собой ухудшение качества сушеной продукции, несмотря на правильное ведение процесса в других звеньях. ГЛАВА 3. КОНТРОЛЬ И СТАНДАРТИЗАЦИЯ ГОТОВОГО ПРОДУКТА В настоящее время нет нормативных документов, реглиминтирующих качество спиртовых дрожжей, но учитывая тот факт, что большинство дрожжей, как спиртовых, так и пекарских, относятся к виду Saccharomyces cerevisiae, но разные штаммы модифицированы под заданные цели, можно оиентироваться на документы, составленные для пекарских дрожжей. Для контроля качества готовой продукции дрожжей, в настоящее время выполняют судебно-товароведческую экспертизу, которая регламентируется нормативными документами: Федеральный закон № 29-ФЗ «О качестве и безопасности пищевых продуктов», Технический регламент Таможенного союза 021/2011 «О безопасности пищевой продукции», ГОСТ Р 54731-2011, «Дрожжи хлебопекарные прессованные. Технические условия». Следует отметить, что классификация дрожжей на спиртовые (пивные, винные) и хлебопекарные (пекарские) отражена только в литературных источниках и достаточно условна, так как эти группы дрожжей относятся к одному виду, но разным штамма и в целом отличаются количеством вырабатываемого углекислого газа (спиртовые дрожжи вырабатывают его в меньшей степени). Кроме того, разница между спиртовыми и хлебопекарными дрожжами заключается в том, что спиртовые дрожжи перерабатывают растворенные в сырье сахара в большей степени в спирт и могут существовать при высокой его концентрации, продолжая свою работу, а хлебопекарные погибают в такой агрессивной среде. В целом, при определении качества готовых дрожжей, в том числе и спиртовых, определяются важные показатели с помощью следующих методов: органолептического, микробиологического и физико-химических. Согласно требованиям ГОСТ Р 54731-2011 «Дрожжи хлебопекарные прессованные. Технические условия» органолептический метод исследования состоит из определения внешнего вида, цвета, вкуса, запаха дрожжей. При физико-химическом исследовании качества оцениваются такие показатели, как массовая доля сухого вещества, подъемная сила дрожжей в день выработки, кислотность и стойкость дрожжей [30]. Такие показатели как зимазная активность и подъемная сила позволяют определить способность дрожжей к сбраживанию сахара. Кроме того, при оценке качества дрожжей учитывают показатель кислотности и стойкости при хранении, которые должны соответствовать значениям нормативной документации. Качество дрожжей производят по органолептическим и физико-химическим показателям качества. К органолептическим показателям относят цвет, консистенцию, вкус и запах. Среди физико-химических показателей оценивают подъемную силу, влажность, кислотность, стойкость. Наряду с физико-химическими показателями органолептические показатели качества занимают важное место при оценке качества дрожжей. Запах свежих и качественных дрожжей приятный, слегка кисловатый; вкус чистый, без посторонних привкусов, мягкий. Слегка затхлый, прелый запах является признаком начинающегося процесса гниения. Цвет дрожжей варьируется от матово-желтого до беловато-желтого, окрас должен быть однородным, равномерным по всей поверхности. Обычно у брикетов дрожжей, которые хранились длительное время внешний слой в несколько миллиметров немного светлее, чем внутренняя часть, это связано с тем, что наружная поверхность высыхает больше. В производстве продукции с использованием дрожжей от скорости сбраживания углеводов зависит длительность технологических процессов, а также качество готовой продукции. При этом на вкус, аромат и пористость зависят от интенсивности протекания биохимических процессов, в связи с этим, значительное влияние на качество дрожжей оказывает мальтазная активность и подъемная сила. В условиях современного производстве большое значение придаётся качеству продукта, полупродукта, вследствие чего требуется обеспечение стабильности процессов брожения. Получение качественного продукта возможно только при строгом контроле в биотехнологическом процессе активности дрожжей. Стабильность процессов брожения возможна при использовании чистых и здоровых дрожжевых клеток с высоким уровнем жизнеспособности, а именно способных начать процесс брожения с минимальной задержкой на привыкание. ГЛАВА 4. ХАРАКТЕРИСТИКА ПОБОЧНЫХ ПРОДУКТОВ, УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ Основные побочные продукты производства спиртовых дрожжей непосредственно связаны с процессами жизнедеятельности дрожжей, их метаболизмом. Дрожжи являются хемоорганотрофами и используют органические соединения для получения энергии, а также в качестве источника углерода. Им необходим кислород для дыхания, однако при его отсутствии многие виды способны получать энергию за счет брожения с выделением спиртов. В отличие от бактерий среди дрожжей нет облигатных анаэробов, гибнущих при наличии кислорода в среде. При пропускании воздуха через субстрат дрожжи начинают дышать (поскольку этот процесс эффективнее), потребляя кислород и выделяя углекислый газ. Это ускоряет рост дрожжевых клеток (эффект Пастера). Однако даже при доступе кислорода в случае высокого содержания глюкозы в среде дрожжи начинают ее сбраживать (эффект Кребтри). Таким образом, побочными продуктами производства спиртовых дрожжей являются углекислый газ, который отбирается из биореактора, в котором выращивается дрожжевая культура, и либо выпускается в атмосферу, либо «трансформируется» согласно возможностям предприятия, а также этанол, который также вырабатывается в процессе жизнедеятельности микроорганизмов. В процессе приготовления спиртовых дрожжей в виде сухого продукта, в процессе флотации «дрожжевой бульон» разделяется на дрожжевую суспензию, которая отправляется дальше на этап сепарации, а затем сушки, и культуральную жидкость снова отправляю на культивирование, для получения следующей культуры дрожжей. ГЛАВА 5. РАСЧЕТНОЕ ЗАДАНИЕ Задание для расчётов: Сточная вода содержит 150 мг/л углеводов (в пересчёте на глюкозу), 200 мг/л белков (в пересчёте на белок типичного состава) и 50 мг/л оседаемой минеральной взвеси со средним размером частиц 0,1 мм. Составить и определить: - суммарную брутто-формулу загрязнений сточных вод (CaHbOcNdPe, минеральные взвеси в брутто-формуле не учитывать); - ХПК в условиях полной минерализации загрязнений; - расчётное БПКполн; - материальный баланс процесса очистки. Выход биомассы активного ила от субстрата рассчитанной брутто-формулы для аэробной очистки принять Yx/s = 0,2 г/г. Брутто-формулу биомассы активного ила (ориентировочную) и при необходимости остальные требуемые для расчётов коэффициенты взять из литературных данных (см. книгу Прикладная экобиотехнология). Дано: Найти: брутто-формулу CaHbOcNdPe, ХПКполн, БПКполн, материальный баланс РЕШЕНИЕ: 1.Определение суммарной брутто-формулы загрязнений сточных вод Углеводы в пересчёте на глюкозу Молярная масса глюкозы (см. структурную формулу) Структурная формула глюкозы. Расчёт числа молей производится по формуле: где m – масса вещества, г; – молярная масса вещества, г/моль В 1 литре стоков содержится 0,150 г углеводов в пересчёте на глюкозу , или по формуле (3) Тогда содержание элементов, исходя из состава глюкозы Белки (в пересчёте на белок первичного состава) В среднем простые белки содержат: 50% С, 7% Н, 23% O, 16% N, 3% S. В 1л стоков содержится 0,200 г белков. Массовая доля углерода в белке (С) = 50 %, т. е. в 1л стоков масса углерода белка рассчитывается: Молярная масса углерода составляет М(С)=12 г/моль Следовательно, в 1 л сточной воды содержится 0,125 г углерода или по формуле (3) Аналогично рассчитываем количество моль других элементов белка Водород Молярная масса водорода составляет М(Н)=1 г/моль Следовательно, в 1 л сточной воды содержится 0,0175 г водорода или по формуле (3) Кислород Молярная масса кислорода составляет М(О)=16 г/моль Следовательно, в 1 л сточной воды содержится 0,0575 г кислорода или по формуле (3) Азот Молярная масса азота составляет М(N)=14 г/моль Следовательно, в 1 л сточной воды содержится 0,0400 г азота или по формуле (3) Сера Молярная масса серы составляет М(S)=32 г/моль Следовательно, в 1 л сточной воды содержится 0,0060 г серы или по формуле (3) Оседаемые минеральные взвеси, диаметром 0,1 мм В данном случае при расчёте брутто-формулы оседаемы минеральные взвеси не учитываются по условию. В 1 л стоков содержится 0,050 г оседаемых минеральных взвесей. Для удобства и наглядности дальнейших расчётов составим таблицу 1 с исходными и расчётными данными для расчёта брутто-формулы стоков. Таблица 1 – Расчёт состава суммарной брутто-формулы Загрязнитель Основная формула пересчёта Молярная масса, г/моль Число моль вещества Элементный состав, моль С Н О N S Углеводы в пересчёте на глюкозу 180 0,0192 0,0048 0,0096 0,0048 - - Белки в пересчёте на белок первичного состава - фосфосерин 50% С, 7% Н, 23% O, 16% N, 3% S. 12 1 16 14 32 0,0274 0,0080 0,014 0,0029 0,0023 0,0002 Итого 0,0128 0,0236 0,0077 0,0023 0,0002 Следовательно брутто-формула субстрата будет или в пересчёте на один атом углерода В данном субстрате нет фосфора, а будет сера, поэтому и в биомассе ила заменим фосфор на серу. 2. Расчёт материального баланса Субстрат – белок в общем случае состава Ca1Hb1Oc1Nd1Рe1, выраженного в массовых долях каждого элемента (г элемента на 1 г белка или в %). Новая, образуемая в ходе разложения белка, биомасса имеет в общем случае состав Cp1Hq1Or1Ns1Рt1 (г/г или в %). В данном случае белок имеет состав (моль/г) биомасса ила имеет состав (г/г): Выход биомассы ила от массы белка (количество избыточного ила, образуемого на единицу массы белка) составляет Yx/s = 0,2 г/г (по условию). Необходимо составить уравнение окисления белка (уравнение материального баланса) с образованием биомассы активного ила состава CpHqOrNsSt. 2.1 Уравнение окисления субстрата с образованием биомассы Уравнение окисления субстрата в общем виде можно записать Для составления уравнения материального баланса в виде химического уравнения реакции необходимо выразить состав белка в виде формулы CaHbOcNdSe или, что более удобно, в виде формулы, приведённой к 1 атому углерода (или другого элемента) CHb/aOc/aNd/aSe/a. Имеем для углерода ©: где Mб – условная молекулярная масса белка. Для водорода (H): Для кислорода (O): Для азота (N) Для фосфора (Р): В пересчёте на 1 атом углерода: Биомассу ила с элементным составом (г/г биомассы) после пересчёта можно выразить в виде формулы 2.2 Определение коэффициентов уравнения материального баланса Выход биомассы ила от массы белка в соответствии с уравнением (4): Из уравнения (11) Для данного случая с субстратом состава и биомассой состава , получим по уравнению (12): Запишем уравнение окисления (4) для данного субстрата в общем виде Коэффициенты х, z, k, m, n, l можно найти, составив систему балансовых уравнений для каждого из элементов, участвующих в реакции: Решая систему уравнений (14), имеем: Перепишем уравнение (13), подставив соответствующие расчётные коэффициенты, получая уравнение баланса или 3.Расчёт биохимического (биологического) потребления кислорода (БПКполн) БПК – биохимическое (биологическое) потребление кислорода – количество кислорода, которое потребляется микроорганизмами ила при аэробном биологическом разложении органических веществ, содержащихся в сточных водах, при стандартных условиях инкубации (температура 20 °C, нейтральный pH) за определённый интервал времени. Кислород, затрачиваемый на нитрификацию, при определении БПК не учитывается. Количество кислорода, которое в данном случае потребуется для окисления 1 мг белка, составит согласно уравнению (15): Для данного субстрата В данном случае эта величина будет эквивалентна при микробиологическом разложении белка приведённого состава. 4. Расчёт химического потребления кислорода (ХПК) в условиях полной минерализации ХПК – химическое потребление кислорода – величина, определяемая по методике, при которой вещества, присутствующие в сточных водах, химически окисляются. Для полноты окисления органических веществ бихроматом калия в кислой среде применяется катализатор – сульфат серебра Ag2SO4. Большинство органических соединений в таких условиях окисляется до воды H2O и углекислого газа CO2. Полную минерализацию белка без образования биомассы можно представить уравнением: При определении ХПК азот не окисляется и его не учитывают. При определении ХПК азот не окисляется и его не учитывают. С. ЗВ-загрязняющие вещества-субстрат. Для полного химического окисления 1 мг белка данного состава, приведённого выше, требуется к2,403 мг кислорода. В целом ХПК выше, чем БПК, что обусловлено не столько более полным химическим окислением загрязнений по сравнению с биологическим, сколько тем обстоятельством, что в биологическом процессе часть субстрата-загрязнений переходит в биомассу микроорганизмов, т. е. минерализуется не полностью, и соответственно меньше потребляется кислорода на окисление загрязнений, поэтому даже при полном биологическом потреблении такого субстрата, как глюкоза, БПК в воде с глюкозой ниже, чем ХПК. ВЫВОДЫ 1.Дрожжи Saccharomyces cerevisiae являются родоначальником для многих коммерческих штаммов спиртовых дрожжей. Дрожжи S. cerevisiae обладают многими полезными промышленными свойствами, такими как быстрый рост, эффективный анаэробный метаболизм глюкозы, высокая производительность по этанолу, большой выход и высокая устойчивость к различным стрессовым факторам окружающей среды, таким как высокая концентрация этанола, низкий pH и низкий уровень кислорода. В настоящее время разработано большое количество промышленных штаммов спиртовых дрожжей относящихся к S. Cerevisiae, например такие как ВКПМ Y-3327 и ВКПМ Y-4281, отличающиеся высокой производительностью этилового спирта; 2.Изучена технологическая схема производства спиртовых дрожжей. Процесс включает в себя следующие стадии: получение и выращивание чистой культуры дрожжей; выращивание культуры в биореакторе; выделение дрожжей из бражки путем последовательной флотации, сепарации и сушки; 3.В Российской Федерации для стандартизации и контроля готовой продукции, а именно спиртовых дрожжей, не существует отдельных нормативных документов, но так как спиртовые и хлебоперакские дрожжи относятся к виду S. Cerevisiae используются Федеральный закон № 29-ФЗ «О качестве и безопасности пищевых продуктов», Технический регламент Таможенного союза 021/2011 «О безопасности пищевой продукции» и ГОСТ Р 54731-2011, «Дрожжи хлебопекарные прессованные. Технические условия». Согласно требованиям ГОСТ Р 54731-2011 «Дрожжи хлебопекарные прессованные. Технические условия» органолептический метод исследования состоит из определения внешнего вида, цвета, вкуса, запаха дрожжей. При физико-химическом исследовании качества оцениваются такие показатели, как массовая доля сухого вещества, подъемная сила дрожжей в день выработки, кислотность и стойкость дрожжей; 4.Основные побочные продукты производства спиртовых дрожжей непосредственно связаны с процессами жизнедеятельности дрожжей, их метаболизмом. Можно выделить два основных побочных продукта производства спиртовых дрожжей являются углекислый газ, который отбирается из биореактора, и либо выпускается в атмосферу, либо «трансформируется» согласно возможностям предприятия, а также этанол, который также вырабатывается в процессе жизнедеятельности микроорганизмов; 5.Выполнено расчетное задание. На основании условий задания рассчитана суммарная брутто формула загрязнения сточных вод, которая выражается в следующей формуле или в пересчёте на один атом углерода . Выполнен расчет материального баланса: или Рассчитаны показатели биохимического потребления кислорода (БПКполн) и химического потребления кислорода (ХПК). ; . 6. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1.Аймуратов, А. А. Вторичные ресурсы спиртовой промышленности / А. А. Аймуратов // НОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ КАК ОСНОВА ЭФФЕКТИВНОГО ИННОВАЦИОННОГО РАЗВИТИЯ: сборник статей Международной научно-практической конференции, Екатеринбург, 14 января 2020 года. Том Часть 1. – Екатеринбург: Общество с ограниченной ответственностью "ОМЕГА САЙНС", 2020. – С. 11-13. 2.Хоконова, М. Б. Применение нового штамма спиртовых дрожжей в технологическом процессе / М. Б. Хоконова, А. Х. Меров, М. З. Шаваев // Приоритетные векторы развития промышленности и сельского хозяйства: МАТЕРИАЛЫ I МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ, Макеевка, 26 апреля 2018 года. Том ІІ. – Макеевка: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донбасская аграрная академия», 2018. – С. 204-210. 3.Walker G. M., Walker R. S. K. Enhancing yeast alcoholic fermentations //Advances in applied microbiology. – 2018. – Т. 105. – С. 87-129. 4.Ковалева, Т. С. Влияние ферментного препарата Kingphos на бродильную активность спиртовых дрожжей Saccharomyces cerevisiae расы XII / Т. С. Ковалева // ЛУЧШАЯ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА 2022: сборник статей Международного научно-исследовательского конкурса, Петрозаводск, 06 июня 2022 года. – Петрозаводск: Международный центр научного партнерства «Новая Наука» (ИП Ивановская И.И.), 2022. – С. 9-14. 5.Koushki M., Jafari M., Azizi M. Comparison of ethanol production from cheese whey permeate by two yeast strains //Journal of Food Science and Technology. – 2012. – Т. 49. – С. 614-619. 6.Flores J. A. et al. Simultaneous saccharification and fermentation of Agave tequilana fructans by Kluyveromyces marxianus yeasts for bioethanol and tequila production //Bioresource technology. – 2013. – Т. 146. – С. 267-273. 7.Ravasio D. et al. Adding flavor to beverages with non-conventional yeasts //Fermentation. – 2018. – Т. 4. – №. 1. – С. 15. 8.Domizio P. et al. Lachancea thermotolerans as an alternative yeast for the production of beer //Journal of the Institute of Brewing. – 2016. – Т. 122. – №. 4. – С. 599-604. 9.Бездетко, Е. О. Микроорганизмы, осуществляющие спиртовое брожение / Е. О. Бездетко, Е. Н. Гончарова // Рациональное использование природных ресурсов и переработка техногенного сырья: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, химия и биотехнология: Сборник докладов Международной научно-технической конференции, Алушта-Белгород, 01–05 июня 2020 года. – Алушта-Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2020. – С. 296-300. 10.Исследование ферментов фитолитического действия на показатели зернового сусла и процесс спиртового брожения / Л. В. Римарева, Н. И. Игнатова, М. Б. Оверченко [и др.] // Актуальные вопросы индустрии напитков. – 2018. – № 2. – С. 136-140. 11.Нуретдинова, Э. И. Интенсификация процессов культивирования спиртовых дрожжей Saccharomycescerevisiae / Э. И. Нуретдинова, Р. Т. Валеева // Пищевые технологии и биотехнологии: ХVIII Всероссийская конференция молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием, Казань, 18–21 апреля 2023 года. – Казань: Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2023. – С. 470-473. 12.Набиева Ф. С., Кудратова З. Э., Кувандиков Г. Б. Роль Saccharomyces cerevisiae в развитии современной биотехнологии //Достижения науки и образования. – 2021. – №. 5 (77). – С. 57-60. 13.Душанова Г. А., Саидова М., Нарзикулова Н. М. Классификация и систематика дрожжей //Студенческий вестник. – 2019. – Т. 8. – С. 46-48. 14.Калинина И. В. и др. Оценка эффективности процесса биосинтеза этанола дрожжами рода Saccharomyces //Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Пищевые и биотехнологии. – 2018. – Т. 6. – №. 4. – С. 74-82. 15.Меледина Т.В., Давыденко С.Г. Дрожжи Saccharomyces cerevisiae. Морфология, химический состав, метаболизм: Учеб. пособие. – СПб.: Университет ИТМО, 2015. – 88 с. 16.Hall C., Brachat S., Dietrich F. S. Contribution of horizontal gene transfer to the evolution of Saccharomyces cerevisiae //Eukaryotic cell. – 2005. – Т. 4. – №. 6. – С. 1102-1115. 17.Parapouli M. Saccharomyces cerevisiae and its industrial applications / M. Parapouli, A. Vasileiadis, A.-S. Afendra, E. Hatziloukas //AIMS microbiology. – 2020. – Т. 6. – №. 1. – С. 1-31. 18.Basso L. C. et al. Yeast selection for fuel ethanol production in Brazil //FEMS yeast research. – 2008. – Т. 8. – №. 7. – С. 1155-1163. 19.Kim J. H. et al. Ethanol production from galactose by a newly isolated Saccharomyces cerevisiae KL17 //Bioprocess and Biosystems Engineering. – 2014. – Т. 37. – С. 1871-1878. 20.Deparis Q. et al. Engineering tolerance to industrially relevant stress factors in yeast cell factories //FEMS yeast research. – 2017. – Т. 17. – №. 4. – С. fox036. 21.Demeke M. M. et al. Rapid evolution of recombinant Saccharomyces cerevisiae for xylose fermentation through formation of extra-chromosomal circular DNA //PLoS genetics. – 2015. – Т. 11. – №. 3. – С. e1005010. 22.Steensels J. et al. Improving industrial yeast strains: exploiting natural and artificial diversity //FEMS microbiology reviews. – 2014. – Т. 38. – №. 5. – С. 947-995. 23.Kumari R., Pramanik K. Bioethanol production from Ipomoea carnea biomass using a potential hybrid yeast strain //Applied biochemistry and biotechnology. – 2013. – Т. 171. – С. 771-785. 24.Патент № 2665788 C1 Российская Федерация, МПК C12N 1/20, C12P 7/06, C12R 1/01. Штамм Saccharomyces cerevisiae - продуцент этанола : № 2017141702 : заявл. 29.11.2017 : опубл. 04.09.2018 / Б. Г. Цугкиев, А. М. Хозиев, Л. Б. Дзантиева, Д. Т. Цугкиева ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Горский государственный аграрный университет". 25.Патент № 2378366 C1 Российская Федерация, МПК C12N 1/16, C12P 7/06, C12R 1/865. Штамм ДРОЖЖЕЙ SACCHAROMYCES CEREVISIAE 1039, ОБЛАДАЮЩИЙ ОСМОФИЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ, ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СПИРТА : № 2008126477/13 : заявл. 02.07.2008 : опубл. 10.01.2010 / Л. В. Римарева, М. Б. Оверченко, Н. И. Игнатова [и др.] ; заявитель Государственное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии Российской академии сельскохозяйственных наук". 26.Герман, А. А. Современное оборудование для выращивания чистой культуры дрожжей / А. А. Герман, Л. В. Пермякова // Пищевые инновации и биотехнологии : сборник тезисов IX Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые инновации и биотехнологии» в рамках III международного симпозиума «Инновации в пищевой биотехнологии», Кемерово, 17–19 мая 2021 года. Том 1. – Кемерово: Кемеровский государственный университет, 2021. – С. 33-34. 27.Андросов А. Л., Елизаров И. А., Третьяков А. А. Промышленные технологии переработки послеспиртовой барды //Вестник Тамбовского государственного технического университета. – 2010. – Т. 16. – №. 4. – С. 954-963. 28.Патент № 2218393 C2 Российская Федерация, МПК C12N 1/16, C12N 1/18. способ получения сухих активных дрожжей для пищевой промышленности : № 2001108758/13 : заявл. 03.04.2001 : опубл. 10.12.2003 / Е. Ю. Коновалова, Н. Н. Мартыненко, Е. И. Астафьев [и др.]. 29.Семихатова Н. М. и др. Производство хлебопекарных дрожжей //М.: ВО Агропромиздат. – 1987. 272 c/ http://knigakulinara.ru/books/item/f00/s00/z0000023/st000.shtml 30.Калинина, И.В. Инновационные подходы в формировании потребительских свойств продуктов питания социально значимых групп/ И.В. Калинина // Вестник ЮУрГУ. Серия «Экономика и менеджмент». – 2015. – № 3. – С. 180–184. 31.Эльдаров М. А. и др. Геномика и биохимия винных штаммов дрожжей Saccharomyces cerevisiae //Успехи биологической химии. – 2016. – Т. 56. – С. 155-196. 32.
Год сдачи
2023
Loading...

Последние статьи из блога

Пожизненная рента

Анализ структуры и динамики средств пенсионной системы РФ 2024

Интеграция и причины кооперации предприятий в условиях рыночных трансформаций

Деятельность Росфинмониторинга

​Современная рекламная коммуникация как доминирующий фактор формирования потребительского сознания

Теоретические аспекты социализации младших школьников посредством игровой деятельности на уроках физической культуры

Право на социальное обеспечение в РОССИИ

Субъекты гражданского права

Солнечные затмения

Техника управления церковным хором

Историко-культурный анализ церковного пения

Обязательное социальное страхование от несчастных случаев и профессиональных заболеваний

Теоретические основы управления процессами интеграции

Диагностика сформированности конфликтной компетентности студентов педагогического вуза

Теоретические основы формирования конфликтной компетентности будущего педагога-психолога

Физико-химические свойства эпоксидных связующих

Вопросы по международному праву

Задачи по УК РФ

Структурно-логическая схема состава преступления, предусмотренного ст. 161 УК РФ

Методы очистки сточных вод от СПАВ