Кормовые дрожжи. Технологическая схема производства.

Хороший субстрат для выращивания кормовых дрожжей — молоч­ная сыворотка, являющаяся производственным отходом при переработке молока. В 1 тонне молочной сыворотки в среднем содержится 10 кг полноцен­ного белка и 50 кг дисахарида лактозы, который легко утилизируется микроорганизмами. Для выделения из молочной сыворотки белков разра­ботана эффективная технология с применением метода ультрафильтра­ции низкомолекулярных веществ через мембраны. Получаемые таким способом белки используются для приготовления сухого обезжиренного молока или в качестве пищевой белковой добавки. Остающиеся после от­деления белков жидкие отходы (пермеат), содержащие лактозу, перерабатывают путем культивирования кормовых дрожжей. На молочной сыворотке хорошо растут и накапливают значительное количество белка дрожжи Kluyveromyces и Candida. Большое значение имеет и то обстоятельство, что применение молочной сыворотки не требует специальной сложной подготовки, а культуральная жидкость после выращивания микроорганизмов может быть использована в пищевых и кормовых целях без обработки.

В ФГУП Госниисинтезбелок был разработан биотехнологический процесс получения белкового продукта при культивировании смешанной культуры микроорганизмов на молочной сыворотке. Проведенное исследование было направлено на разработку промышленной биотехнологии переработки многотоннажных отходов молокозаводов и получение питательного белкового продукта. Для решения данной задачи предложено использование симбиотического консорциума бактерий Lactobacillus casei и Propionibacterium freudenreichii. При аэробном выращивании биомассы использовали питательную среду, состоящую из молочной сыворотки и фонового количества микроэлементов, а в отдельных опытах выращивание проводили на предварительно сконцентрированной молочной сыворотке до 16 – 22 % сухих веществ. В ходе проводившегося исследования были изучены кривые роста консорциума бактерий при двух способах засева культур (одновременный засев и последовательный засев), а также определен оптимальный режим подачи засевной культуры, построена математическая модель процесса, позволяющая по кинетическим и стехиометрическим коэффициентам рассчитать режим подачи кислорода и время накопления биомассы. После стадии ферментации получаемая биомасса подвергается автолизу и сушке. Готовый белковый продукт содержит 24 –28 % протеина, в том числе, аминокислоты: лизин 5,5 – 6 %, лейцин 7 – 8 %, валин 37 – 8 %, валин 1,2 – 1,5 %, пролин 5,2 – 5,5 % и др., витамины групп В, РР, А, микроэлементы. Исследованы также режимы обработки биомассы с целью повышения содержания белка в продукте 60 – 70 %. Проведено опытное испытание по применению полученного биопродукта в качестве белковой добавки при производстве колбасных и мучных изделий, а также в составе корма для кошек и собак. На основе разработанной биотехнологии планируется создание опытной установки производительностью 50 т/год готового продукта. Предложенная технология защищена патентом РФ. Также была разработана еще одна методика получения белкового продукта на основе молочной сыворотки: дрожжеванию подвергают молочную сыворотку без предварительного выделения из неё белков, при этом выращивают специальные расы кормовых дрожжей из рода Torulopsis. На основе дрожжевания молочной сыворотки производят три вида кормовых белковых продуктов: заменитель цельного молока для кормления молодняка сельскохозяйственных животных – «БИО-ЗЦМ»; жидкий белковый продукт «Промикс» с содержанием белков в 2,5 – 3 раза выше, чем в исходной молочной сыворотке; сухой обогащенный дрожжевыми белками продукт «Провилакт», применяемый как заменитель сухого обезжиренного молока.

В случае получения дрожжевого белка на природном газе выход биомассы (гаприн) может составлять 66% от массы субстрата. В качестве продуцентов используют бактерии рода Pseudobacterium, Mycobacterium, Bacillus, Staphylococcus, Metanomonas. Пути усвоения природного газа микроорганизмами могут быть различны. Выделяют два пути ассимиляции природного газа бактериями:

Выращивание бактерий на метане имеет ряд особенностей: медленный рост микроорганизмов, низкая растворимость метана (растворимость метана в 1 литре культуральной жидкости составляет 0,02 грамма), повышенная потребность клеток в кислороде. По сравнению с выращиванием бактерий на мелассе необходимо в 5 раз больше кислорода, на парафинах – в 2-3 раза больше. В технологии производства кормового белка на метане очень важно создать высокоэффективное перемешивание. При культивировании микроорганизмов рода Metanomonas в ферментере-дрожжегенераторе используют газовую среду, содержащую кислород – 8 - 11 %, метан – 10 – 15 %, углекислый газ – 5 %, азот – 69 – 77 %. Причем выращивание осуществляют при повышенном давлении (при этом в начале ферментации давление составляет 4 МПа, а в конце – 0,1 МПа). Температура культивирования равна 30°С. Выращивание осуществляют в течение двух суток. В данном случае реализуется метод периодического культивирования и при этом конечная концентрация биомассы составляет 1 грамм в 1 литре. В разработанном в Великобритании процессе используется смешанная культура: бактерии Methylomonas, усваивающие метан, Hypomicrobium и Pseudomonas, усваивающие метанол, и два вида неметилотрофных бактерий. Культура характеризуется высокой скоростью роста и продуктивностью. Главные достоинства метана (кстати сказать, основного компонента природного газа) - доступность, относительно низкая стоимость, высокая эффективность преобразования в биомассу метаноокисляющими микроорганизмами, значительное содержание в биомассе белка, сбалансированного по аминокислотному составу. Бактерии, растущие на метане хорошо переносят кислую среду и высокие температуры, в связи с чем устойчивы к инфекциям.

Кроме углеводов и углеводородов в качестве источников углерода дрожжевые клетки могут также использовать низшие спирты — метанол и этанол. Дрожжи БВК - это продукт культивирования дрожжевых клеток на отходах переработки нерастительного сырья - нефтепарафинах ( паприн ), низших органических спиртах – метаноле ( меприн ), этаноле ( эприн ), а также природном газе (гаприн). Дрожжевая масса, полученная после культивирования дрожжей на спиртах, отличается высоким содержанием белков (56—62 % от сухой массы) и в ней меньше содержится вредных приме­сей, чем в кормовых дрожжах, выращенных на н-парафинах нефти.

Одним из перспективных источников углерода для культивирования продуцентов белка высокого качества считается метиловый спирт - метанол. Его можно получать из природного газа или методом микробного синтеза на таких субстратах, как древесина, солома, городские отходы или пиролизом биомассы (древесные отходы, опилки, торф.... Использование метанола в качестве субстрата затруднено из-за его химической структуры: молекула метанола содержит один атом углерода, тогда как синтез большинства органических соединений осуществляется через двухуглеродные молекулы. На метаноле как на единственном источнике углерода и энергии способны расти около 25 видов дрожжей, в том числе Pichia polymorpha, Pichia anomala, Yarrowia lipolytica. В качестве продуцентов, использующих метанол в конструктивном обмене, были изучены и рекомендованы в производство дрожжевые штаммы Candida boidinii, Hansenula polymorpha и Piehia pastoris, оптимальные условия для которых (t=34-37°C, рН=4,2-4,6) позволяют проводить процесс с экономическим коэффициентом усвоения субстрата до 0,40 при скорости протока в интервале 0,12-0,16 ч-1. Особенности процесса культивирования во многом обусловлены применяемым штаммом-продуцентом (дрожжи или бактерии) и условиями асептики. Ряд зарубежных фирм предлагает использовать дрожжевые штаммы и проводить выращивание в отсутствии строгой асептики. В этом случае технологический процесс протекает в ферментёре эжекционного типа производительностью 75 тонн абсолютно сухих веществ АСВ в сутки, а удельный расход метанола составляет 2,5 т/т АСВ. При культивировании дрожжей в асептических условиях рекомендованы аппараты колонного или эрлифтного типа производительностью 75-100 тонн АСВ/сут при расходе метанола до 2,63 т/т АСВ. В том и другом случае процесс культивирования проводится одностадийно, без стадии «дозревания» с невысокой концентрацией субстрата (8-10 г/л). Но наилучшими продуцентами на субстрате из метанола считаются бактерии, потому что они могут расти на метаноле с добавлением минеральных солей. Среди бактериальных культур применяется Methylomonas clara, Pseudomonas rosea и др, способные развиваться при t=32-34°C, рН=6,0-6,4 с экономическим коэффициентом усвоения субстрата до 0,55 при скорости протока до 0,5 ч-1. При культивировании бактериальных штаммов процесс проводится в асептических условиях в ферментерах эрлифтного или струйного типов производительностью 100-300 т/сут и расходом метанола до 2,3 т/т АСВ. Ферментация осуществляется одностадийно при невысоких концентрациях спирта (до 12 г/л) с высокой степенью утилизации метанола. Наиболее перспективным по своей конструкции был в свое время струйный ферментёр Института технической химии АН ГДР. Ферментёр объемом 1000 м3 состоит из секций, расположенных одна над другой и соединенных между собой шахтными переливами. Ферментационная среда из нижней секции ферментёра по напорному трубопроводу подается центробежными циркуляционными насосами в верхние шахтные переливы, через которые проходит в низлежащую секцию, подсасывая при этом воздух из газовода. Таким образом, среда протекает из секции в секцию, постоянно подсасывая новые порции воздуха. Падающие струи в шахтных переливах обеспечивают интенсивное аэрирование среды. Питательная среда непрерывно подается в зону верхних шахтных переливов, а микробная суспензия отводится из выносных контуров. На стадии выделения для всех видов продуцентов было предусмотрено отделение грануляции с целью получения готового продукта в гранулах. Процессы получения белка на метаноле достаточно экономичны. По данным концерна Ай-Си-Ай (ICI, Великобритания), себестоимость кормовых дрожжей, производимого на метаноле, на 10-15% ниже, чем при аналогичном производстве, базирующемся на основе высокоочищенных n-парафинов. Высокобелковые продукты из метанола получают фирмы ряда развитых стран мира: Великобритании, Швеции, Германии, США, Италии. Продуцентами белка служат бактерии рода Methylomonas. Выращивание на метаноле метилотрофных бактерий, таких как Methylophilus methylotrophus, выгодно, так как они используют одноуглеродные соединения более эффективно. При росте на метаноле бактерии дают больше биомассы, чем дрожжи. Первая реакция окисления метанола у дрожжей катализируется оксидазой, а у метилотрофных бактерий - дегидрогеназой. Ведутся генно-инженерные работы по переносу гена метанолдегидрогеназы из бактерий в дрожжи. Это позволит объединить технологические преимущества дрожжей с эффективностью роста бактерий.

Использование этанола как субстрата, на котором выращиваюта кормовые дрожжи, абсолютно снимает проблему очистки биомассы от аномальных продуктов обмена с нечетным числом углеродных атомов. Стоимость такого производства несколько выше. В качестве микроорганизмов – продуцентов белка на этиловом спирте микробного или химического происхождения как единственном источнике углерода могут использоваться дрожжи (Candida utilis, Sacharomyces lambica, Hansenula anomala, Acinetobacter calcoaceticus). Дрожжи могут метаболизировать этиловый спирт благодаря наличию в клетках алкогольдегидрогеназы, но рост дрожжей на этаноле имеет множество особенностей. Процесс культивирования проводят одностадийно в ферментерах с высокими массообменными характеристиками при концентрации этанола не более 15 г/л. Кормовые дрожжи, выращенные на этаноле, содержат (%): сырого протеина 60-62; липидов 2-4; золы 8-10; влаги до 10.

При мягком гидролизе торфа до 80% уроновых кислот , содержащихся в торфяном гидрализате, переходят в раствор и , легко декарбоксилируясь, превращаются в пентозу по реакции:

Таким образом, торф, содержащий значительные количества азота и фосфора в легкоусвояемой форме, после предварительной подготовки может служить хорошим сырьем для микробологической промышленности.

Органическая часть торфа условно делится на четыре группы соединении: