автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Технология кормовых дрожжей на гидролизатах древесины с элементами замкнутого цикла

1енинградская ордена Ленгтна лесотехническая академия имени С.М.Кирова

ТЕХНОЛОГИЯ КОРМОШХ ДР0«Й НА. ГИДРОЛИЗАТАХ ДРЕВЕСИШ С ЭЛЕМЕНТАМИ ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА

Сб.21.03. - 'Технология и оборудование химической переработки древесины, химия древесины"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

на правах рукописи

САВЕЛЬЕВ Дмитрий Дмитриевич

УДК 663:1321:634.0.863

Ленинград - 1990 г

Работа выполнена в лаборатории дрожжевого производства Всесоюзного научно-исследовательского института гидролиза растительных материалов НПО "Гидролизпром"

НАУЧНЫЙ РЖ)ВОДИТЕЛЬ:

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ:

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПШТИЕ:

доктор химических наук, профессор ]Вьюнов К.А.1

кандидат технических наук, Сизов А.И.

доктор технических наук, профессор Вольф И.В.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Макаров В,Л.

Кировский биохимический завод.

Защита диссертации состоится 1990г.

в "II "*°часов на заседании специализированного совета Д 053.50.02 з Ленинградской ордена Ленина лесотехнической академии им.С.М.Кирова (Институтский пер., 5, П учебное здание, библ. каф. ЦЕП).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии Автореферат разослан Ф" 1990 Г.

Ученый секретарь .

Специализированного Совета С^Пономарев Д.А.

: I ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из наиболее важных задач ¡икробиологической промышленности является ликвидация белко-юго 'дефицита путем создания крупнотоннажного экологически истого производства кормовых дрожжей на основе гидролиза 'астительного сырья.

В Ж1 пятилетке в соответствии с постановлением СМ СССР 1 1060 от 21.09.87. выработка кормовых дрожжей из раститель-ого сырья должна быть доведена до 2 млн.т., в том числе в идролизной промышленности до I млн.т., т.е. увеличена в ,5 раза.

Однако, использование для решения этой задачи традицион-ой технологии, при которой расход свежей воды составляет 00-250 м3 на I т. товарных дрожжей при современных эколо- . ических требованиях невозможно из-за образования практи-ески такого же количества сточных вод, имеющих весьма вы-окий уровень загрязненности ШК = 4000 - 8000 мг О^/л/. римеси, содержащиеся в этих водах, представляют собой, в сновном, трудноокисляемые органические соединения лигно-уминовсго характера, очистка от которых до нормативных по-азателей составляет, приблизительно, 2 руб.50 коп. на I м3 брабатываемых сточных вод (при использовании метода выпари-ания с последующей биологической очисткой конденсата), стественно, что такая дорогая технология очистки возможна элько при резком сокращении жидкостных потоков.

Наиболее эффективный путь для достижения этой цели - пе-эход на новые технологические режимы гидролиза растительного ¿рья и ферментации, предусматривающие переработку высоко-знцентрированных субстратов и рециркуляцию отработанной адкости в замкнутой системе. Для практической реализации эедложенного процесса потребовалось преодолеть серьезные 1труднения, связанные с накоплением компонентов гидролизных эед, отрицательно влияющих на рост микроорганизмов, с ухуд-знием отвода тепла, образующегося в процессе ферментации, также с изменением условий культивирования, что приводит изменению состава и свойств сложившихся популяций дрожжей.

Разработка обоснованных научно-технических решений в

этом направлении является необходимым условием и обеспечивает практическую возможность создания производства кормового белка на современном уровне.

Работа выполнена в связи с постановлением ЦК КПСС и СМ СССР № 807-от 26.08,85. "О дальнейшем развитии новых направлений биологии и биотехнологии" и постановлением СМ СССР от 21.09.87г "О дополнительных мерах по организации производства белковых кормовых добавок на основе переработки растительного сырья?

Цель диссертационной работы - разработка технологии производства кормовых дрожжей на сложном субстрате - гидро-лизатах древесины, в условиях замкнутого цикла водоиспользо-вания. Для достижения поставленной цели требовалось:

- изучить кинетику роста дрожжей при культивировании их на неразбавленных гидролизатах и в условиях возврата отработанной культуральной жидкости в технологический процесс

- изучить влияние плотности популяции, концентрации продуктов метаболизма и ингибиторов роста дрожжей, а также влияние основных технологических параметров на кинетику роста дрожжей ;

- разработать методы расчета кинетических и технико-экономических показателей роста дрожжей на сложных субстрат;

- создать математическую модель, описывающую процесс накопления инертных компонентов субстрата при возврате отра ботанной культуральной жидкости в технологический цикл и из; чить динамику этого процесса в камеральных условиях на реальных средах ;

- усовершенствовать на основе выполненных исследований технологические схемы действующих производств ;

- усовершенствовать аппаратурное оформление процесса в ращивания дрожжей с целью интенсификации тепло- и массообме

Научная новизна. Впервые определены оптимальные значения основных параметров роста дрожжей в зависимости от концентрации перерабатываемого субстрата, а также изучено влия ние продуктов метаболизма и плотности популяции на рост дрс жей при переработке концентрированных гидролизных сред.

Впервые разработан метод расчета на основе материальнс энергетического баланса важнейших кинетических и технико-

гономических показателей процесса выращивания микроорга-13мов на многокомпонентных субстратах. Показана высокая Ьфективность этого метода, позволяющего получать досто-зрные данные по выходу биомассы от исходного субстрата определять ряд других показателей (удельное тепловцце-эние, затраты субстрата на поддержание жизнедеятельнос-1 и т.д.), оценка которых при переработке сложных по со-гаву субстратов ранее не представлялась возможной.

Впервые создана математическая модель, описывающая зоцесс накопления инертных компонентов гидролизата в за-юимости от количества возвращаемой в технологический 1кл отработанной жидкости и позволяющая прогнозировать ¡ведение любого компонента с учетом его коэффициента [ертности в условиях частично или полностью замкнутого ¡допотребления.

Впервые изучен процесс расслаивания газовых эмульсий ферментаторе и обоснован метод снятия тепла, выделяюще->ся при биосинтезе, путем организации выносного теплооб-шного контура, определены пределы концентраций субстра-I, в которых этот метод может быть использован.

Практическая значимость. Предложена и обоснована тех-)логия производства кормовых дрожжей в условиях замкнуто> цикла водоиспользования, позволяющая осуществлять пе-¡работку концентрированных субстратов в аппаратах с любой (тенсивностью массопередачи по кислороду.

Разработан технологический метод интенсификации про-¡сса автоселекции флотирующихся форм дрожжей.

Полученные в диссертационной работе результаты исполь-1ваны для совершенствования технологической схемы перво-| в отечественной практике завода по выработке кормовых южжей с элементами замкнутого цикла водоиспользования -ровского биохимического завода. Экономический эффект от едрения составил 190 тыс.руб. в год.

На Киришском БХЗ проведены и на Сокольском ГДЗ прово-:тся опытно-промышленные испытания ферментаторов емкостью 50 и 600 м3 с выносным теплообменным контуром. Показана :сокая эффективность использования этого метода.

На Бельцком БХЗ проверен с положительными результатами метод возврата в технологический цикл отсепарированной культуральной жидкости после второй ступени сепарации, позволяющей исключить попадание нефлотирующихся форм дрожжей в ферментатор при частичном замыкании технологического цикла.

Результаты исследований интенсификации автоселекционных процессов по принципу "флотируемость" применены при проектировании и реконструкции 23-х гидролизно-дрожжевых заводов.

Апробация работы» Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Ш Всесоюзной конференции "Теория и практика управляемого культивирования микроорганизмов" (г.Киев, 1981 г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Основные направления создания нового оборудования микробиологической промышленности" (г.Москва, 1982 г. 1У Всесоюзной конференции "Управляемое культивирование микроорганизмов" (г.Пущино-на-Оке, 1986 г.), а также на ежегодных отраслевых семинарах Главных инженеров гидролизных и гидролизно-дрожжевых заводов в период с 1980 по 1989 г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано Ю научных работ, в том числе 2 авторских свидетельства СССР.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 174 страницах, иллюстрируется 31 рисунком и 19 таблицами и состоит из введения, 3 разделов, заключения, выводов, списка использованной литературы из 116 наименований и 5 приложений на 8 страницах.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований кинетических и технико-экономических параметров роста дрожжей на концентрированных гидролизных средах.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований поведения инертных компонентов в замкнутых системах водоиспользования.

3. Технологические схемы производства кормовых дрожжей на гидролизных средах с элементами замкнутого цикла

и обоснованием возможности теплосъема в существующих эрлифт-них ферментаторах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дан аналитический обзор исследований, направленных на решение проблемы переработки концентрированных углеводных субстратов на кормовые дрожжи, а также на создание производства с элементами бессточной технологии. Анализ уровня научных разработок и технологических решений в этой области позволил автору сформулировать цель диссертационной работы и определить основные направления исследований для достижения поставленной цели.

Во второй главе рассмотрены основные методы контроля технологического процесса выращивания дрожжей. Дано краткое описание лабораторных и камеральных установок, позволяющих моделировать технологические процессы в условиях замкнутого цикла водоиспользования. Принципиальная схема специально созданной камеральной технологической линии показана на рис.1.

'ис.1. Принципиальная схема камеральной технологической гинии гидролизно-дрожжевого производства с элементами замк-¡утого цикла водоиспользования: I - гидролизаппарат ; ! - сборник гидролизата ; 3 - нейтрализатор ; 4 - нутч-фильт->ы; 5 - аэратор; 6 - сборник сусла; 7 - ферментатор; 8 -тристальтические насосы; 9 - сборник культуральной жидкости.

Приведены методики расчета основных технико-экономических параметров и кинетических констант, входящих в уравнение описывающие процесс роста дрожжей.

Третья глава, состоящая из 6 разделов, посвящена теоретическому обоснованию и разработке технологии производства кормовых дрожжей на сложном субстрате - гидролизате древесины, в условиях замкнутого цикла водоиспользования.

В первом разделе приведены результаты изучения раздельного влияния плотности популяции дрожжей и продуктов метаболизма на их жизнедеятельность. Исследования, проведенные по специально разработанной методике, показали, что метаболиты образующиеся при культивировании дрожжей на синтетических средах с глюкозой, не влияют на процесс биосинтеза в услови ях переработки растворов глюкозы с концентрацией до 12-14%.

Показано, что плотность популяции дрожжей при соблюдении оптимального значения удельной скорости роста определяется массообменными характеристиками существующих ферментаторов. Присутствие в субстрате ингибиторов, таких как фурфу рол, при повышении их концентрации и сохранении соотношения субстрат-ингибитор значительно ухудшает процесс культивирования. Результаты выполненных исследований позволили устано вить, что для решения проблемы переработки концентрированны гидролизных сред необходимо совершенствование процессов гид ролиза и подготовки субстратов, подаваемых на ферментацию, целью снижения концентрации в них продуктов распада растительного сырья, ингибирующих рост дрожжей.

Второй раздел посвящен изучению влияния на рост дрожже основных технологических параметров культивирования: темпер туры, рН, концентрации растворенного кислорода при различнь концентрациях перерабатываемого субстрата. Полученные резух ты показывают, что оптимальные значения рН и температуры ь зависят от концентрации исходного субстрата, однако, облает в которой наблюдается максимальный выход биомассы и продуктивность процесса, сужается с увеличением концентрации субстрата.

На рис.2, представлена зависимость выхода биомассы У от концентрации растворенного кислорода р 02, показывающая что с увеличением содержания Сахаров в исходном субстрате

повышается нижний предел концентрации растворенного кислорода в культуральной жидкости, при котором не происходит снижения показателей роста производственно-ценных штаммов дрожжей. В то же время увеличение нижнего предела р приводит к повышению энергоемкости процесса и возникновению связанных с этим проблем: необходимости интенсификации теплообмена, повышения удельного расхода воздуха и т.д. Следовательно, переход на переработку неразбавленных гидролизных сред потребует более совершенных методов управления процессом ферментации и интенсификации массо- и теплообмена.

Рис.2. Зависимость выхода биомассы У от концентрации растворенного кислорода р при выращивании дрожжей Нап5епиСа. апота.1а. Кир-5 на гидролизате с различной концентрацией РВ. Удельная скорость роста 50 постоянна

-I

и составляет 0,25 ч"

Третий раздел содержит описание и результаты экспериментальной проверки разработанной методики определения технико-экономических и кинетических показателей роста микроорганизмов на многокомпонентных субстратах, к которым относятся и гидролизаты растительного сырья, основанной на учете изменений энергозапаса субстрата, оцениваемых методом Й1К. Методика позволяет количественно оценить изменения выхода биомассы, экономического коэффициента, удельного тепловыделения и т.д., а также изучить кинетику роста микроорганизмов и потребления субстрата вне зависимости от компонентного состава последнего. Используя метод М1К для определения изменения энергозапаса субстрат, зная количество кислорода, затраченное на окисление органических компонентов субстрата /С^'- С^*/. количество синтезированной биомассы А - X / и удельный расход кислорода на окисление биомассы К, можно найти энергетический выход