автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.07, диссертация на тему:Разработка технологии спиртового сбраживания мелассного сусла с биологическим подкислением

УКРАЇНСЬКИМ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ^ • ‘ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

і. - .і

ТКАЧЕНКО ЛЮБОВ ВОЛОДИМИРІВНА

УДК 663.54 : 577.15.064 579.66

РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЇ СПИРТОВОГО ЗБРОДЖУВАННЯ МЕЛЯСНОГО СУСЛА З БІОЛОГІЧНИМ ПІДКИСЛЕННЯМ

05.18.07 - технологія продуктів бродіння

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському науково-дослідному інституті спирту і біотехнології продовольчих продуктів Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, академік УТА Олійнічук Сергій Тимофійович,

Український науково-дослідний інститут спирту і біотехнології продовольчих продуктів, заступник директора з наукової роботи.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, член-кореспондент АТШ Маринченко Віктор Опанасович,

Український державний університет харчових технологій, професор кафедри біотехнології продуктів бродіння, екстрактів та напоїв.

кандидат технічних наук, академік УТА Бойко Петро Миколайович,

Державний концерн спиртової та лікеро-горілчаної промисловості, начальник відділу.

Провідна установа: Інститут харчової хімії і технології НАН України та Міністерства аграрної політики України, м. Київ.

Захист відбудеться «Л2 уилсстомо&а. 2000 р. о годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.058.04 в Українському державному університеті харчових технологій за адресою: 01033, Київ - 33, вул. Володимирська, 68, аудиторія А - 311.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Українського державного університету харчових технологій за адресою: 01033, Київ-33, вул. Володимирська, 68

Автореферат розісланий сЛОу> 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., с.н.с. ___ Л.О. Федоренченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Актуальність теин. При виробництві спирту з меляси утворюється значна кількість відходів - післяспиртової мелясної барди (ПМБ). Існуючі засоби очищення та утилізації ПМБ не знаходять широкого використання в промисловості через високі капітальні та експлуатаційні витрати. Тому щороку підприємства спиртової галузі відводять у бардонакопичувачі 5-6 млн м3 стоків, що призводить до забруднення навколишнього середовища.

Світовий досвід показує, що найбільш перспективним напрямком утилізації барди є використання її як кормової добавки при відгодівлі великої рогатої худоби (ВРХ). Причиною, що стримує використання барди на кормові цілі, є великій вміст сульфатів або хлоридів, які вносяться у мелясу при підкисленні її неорганічними кислотами, а в сполученні з іонами калію утворюють солі, які викликають розлад обміну речовин у великої рогатої худоби при постійному використанні ПМБ.

У зв'язку з цим розробка технології зброджування мелясного сусла, в якій для підкислення технологічного середовища застосовується органічна кислота, що синтезується кислотоутворюючими бактеріями безпосередньо в середовищі, є актуальною проблемою. Для спиртового виробництва вирішення цієї задачі дасть змогу виключити використання неорганічних кислот, поліпшити кормові властивості барди, яка стане придатною для відгодівлі ВРХ, та звільнити виробництво від обтяжливих стоків і покращити екологічний стан навколишнього середовища.

Зв‘язок з науковими програмами, планами, темами. Тематика досліджень входила у план НДР УкрНДГспиртбіопрод 1992-1996 років (№№ державної реєстрації ІІА 01000298Р, 01 9611004435). Науково-дослідні роботи

виконувались згідно договору з Українською - Академією аграрних наук за завданням «Разработать технику и технологию безотходного производства спирта из мелассы на основе совмесного культивирования молочнокислых бактерий и дрожжей-сахаромицетов с полной утилизацией барды как корма и улучшением экологической обстановки производства».

За безпосередньою участю дисертанта проведені лабораторні дослідження, розроблена апаратурно-технологічна схема процесу спиртового зброджування мелясного сусла з біологічним підкисленням, виробничі та відомчі випробування технології. Дисертант брала участь у написанні наукових звітів і нормативно-технічної документації. ’

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є наукове обґрунтування та розробка ефективної технології спирту з меляси із застосуванням молочнокислих бактерій для створення оптимального значення pH у технологічному середовищі та покращання кормових властивостей ПМБ.

Згідно з поставленою метою необхідно було вирішити такі задачі:

- підібрати культуру молочнокислих бактерій (МКБ) й способи підвищення її продуктивності;

- визначити оптимальні режими розведення та зберігання чистої культури продуцента молочної кислоти (МК);

- вивчити вплив технологічних параметрів на інтенсивність накопичення МК;

- підібрати ефективний носій для іммобілізації МКБ;

- дослідити процес підкислення мелясного сусла іммобілізованими клітинами МКБ й встановити кінетичні параметри цього процесу;

- дослідити процеси культивування виробничих дріжджів та анаеробного спиртового зброджування мелясного сусла, підкисленого МК, яка синтезується МКБ безпосередньо у середовищі;

- розробити апаратурно-технологічну схему технології, створити дослідно-промислову установку та визначити оптимальні параметри технології спиртового зброджування мелясного сусла з біологічним підкисленням у виробничих умовах;

- провести розрахунок соціально-економічної ефективності розробленої технології;

- розробити науково-технічну документацію на нову технологію.

Об'єкт дослідження - спиртове зброджування мелясного сусла з біологічним підкисленням.

Предмет дослідження - біологічне підкислення мелясного сусла молочною кислотою, синтезованою МКБ.

Методи дослідження - традиційні і спеціальні мікробіологічні, біохімічні, фізико-хімічні методики для оцінки ефективності технологічних процесів біосинтезу МК та спирту.

Наукова новизна одержаних результатів. Науково обгрунтована і створена технологія спиртового зброджування мелясного сусла з біологічним підкисленням, яка дозволяє крім спирту отримувати ПМБ з покращеними кормовими властивостями.

Удосконалено технологічні параметри культивування МКБ і біосинтезу молочної кислоти на мелясному суслі при низькій концентрації сухих речовин середовища.

Розроблена. технологія при спільному культивуванні МКБ і дріжджів-сахароміцетів дістала подальший розвиток у спиртовому виробництві і вперше використана при переробці меляси в спирт.

Вперше одержані експериментальні дані метаболізму МКБ, іммобілізованих на полімерному носії при реалізації неперервного процесу підкислення мелясного сусла закріпленими бактеріями.

Створено математичну модель процесу спиртового зброджування мелясного сусла при його біологічному підкисленні.

Науково обірунтовані та експериментально підтверджені особливості метаболізму дріжджів при біологічному підкисленні мелясного сусла. Практичне значення одержаних результатів. Розроблено паспорт на продуцент молочної кислоти Lactobacillus delbruckii та технологічну інструкцію спиртового зброджування мелясного сусла з біологічним підкисленням середовища. Створено дослідно-промислову установку

з

спиртового зброджування меляси з використанням для підкислення середовища іммобілізованих МКБ й впроваджено у виробництво на Лужанському експериментальному заводі, що підтверджено актом відомчих випробувань. Досліджено властивості молочнокислої барди, розроблено проект технічних умов на післяспиртову упарену молочнокислу барду та рекомендації використання її для відгодівлі ВРХ.

Особистий внесок здобувача в роботі полягає в організації та проведенні наукових експериментів в лабораторних і виробничих умовах, а також в обробці, узагальненні цих результатів і написанні наукових статей.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були викладені і обговорені на засіданнях Вченої ради УкрНДІспиртбіопрод у 1992 - 1996 роках, а також на Міжнародних науково-практичних конференціях "Розробка і впровадження нових технологій та обладнання у харчову та переробну промисловості1' (м. Київ 1993 р.), "Україна - в світових земельних, продовольчих, кормових ресурсах і економічних відносинах" (м.Вінниця 1995 р.), "Удосконалення процесів і апаратів хімічних, харчових та нафтохімічних виробництв" (м.Одеса 1996 р.), " Техника и технология пищевнх производств " (м. Могильов 1998 р.), "Проблеми та перспективи створення і впровадження нових ресурсо- та енергоощадних технологій, обладнання в галузях харчової та переробної промисловості" (м.Київ 1999 р.). Публікації. За результатами досліджень опубліковано 14 робіт, у тому числі 8 статей у наукових фахових виданнях.

Структура і об‘ем роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел, який містить 202 найменування, і 4 додатків. Робота викладена на 137 сторінках основного тексту , містить 24 рисунки і 31 таблицю.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначено мету та задачі досліджень, викладено наукову та практичну цінність роботи.

У першому розділі «Наукові основи та сучасний стан технології зброджування меляси в спирт. Теорія і практика біологічного підкислення середовища» проаналізовано існуючі технології переробки меляси в спирт. На основі узагальнення наявних даних, зроблено висновок, що відомі способи спиртового зброджування мелясного сусла мають недоліком те, що для створення оптимального значення рН у технологічному середовищі використовують неорганічні кислоти. Наведено загальну характеристику та позитивні властивості молочнокислих бактерій, а також взаємовідносин цього виду мікроорганізмів з дріжджами-сахароміцетами. Показано доцільність використання у технологічних процесах харчової промисловості змішаних популяцій мікроорганізмів. Зроблено висновок, що новий підхід до технології спиртового зброджування мелясного сусла, коли замість неорганічних кислот використовується МК, що синтезується безпосередньо у середовищі молочнокислими бактеріями, потребує досконалих наукових досліджень, які

враховують усі аспекти культивування в одному процесі двох видів мікроорганізмів. На основі аналізу даних літературного огляду вибрано основні напрямки та сформульовано конкретні задачі досліджень для розробки технології зброджування мелясного сусла з біологічним підкисленням середовища.

У другому розділі «06‘скти, методи досліджень і експериментальні установки» наведена характеристика об'єктів досліджень у лабораторних та дослідно-промислових умовах.

06‘єктами були: мікроорганізми - молочнокислі бактерії (МКБ) та дріжджі-сахароміцети; середовища для культивування МКБ; носії для іммобілізації МКБ; меляса із цукрового буряку як сировина для приготування мелясного сусла; підкислене мелясне сусло; мелясне сусло, яке зброджувалось; дозріла бражка; спиртовий відгін бражки; післяспиртова мелясна барда.

В роботі застосовані як традиційні, так і спеціальні методи аналізу та оцінки технологічних процесів. Сировину та одержані напівпродукти аналізували за загальними методиками, прийнятими у спиртовому виробництві.

Основним критерієм оцінки МКБ була їх кислотоутворююча здатність, тобто кількість МК, що утворюється за однакових умов культивування на мелясному середовищі протягом певного часу. Кількість МК визначали хімічним, фотоколориметричним методами та методом паперової хроматографії, а також за зміною показників активної та титрованої кислотності. Біомасу бактеріальних клітин визначали турбідиметрично, за методикою, яка застосовується при виробництві глютамінової кислоти, використовуючи показник оптичної густини (ОГ).

Для підвищення продуктивності штаму Ь. сІеІЬгискіі використовували дію на клітини МКБ різних фізичних факторів: постійного магнітного поля, НВЧ, рентгенівського, лазерного, ультрафіолетового випромінювання та ультразвуку.

Для іммобілізації клітин продуцента молочної кислоти Ь. сІеІЬгискіі досліджували носії різних типів: титанова губка (ТГ), ацетилметилцелюлоза (АМЦ), полімерні волокна «ВІЇ». Вивчення іммобілізаційних властивостей носіїв для даної культури МКБ проводили в стаціонарних умовах у колбах протягом 6 циклів. Дослідження у неперервному процесі іммобілізації МКБ та підкислення мелясного сусла з використанням закріплених на носії клітин продуцента проводили на стендовій установці. Для оцінки ефективності процесу іммобілізації бактеріальних клітин при закріпленні різними способами використовували константу іммобілізації ( К; ), яку розраховували за законом діючих мас:

де С,с - кількість клітин на сорбенті; Св - рівноважна концентрація клітин на сорбенті; Єц - кількість клітин у середовищі; Сс - рівноважна концентрація клітин у середовищі.

• 5

Апробацію і відпрацювання окремих стадій та нових технологічних режимів спиртового зброджування мелясного сусла з біологічним підкисленням середовища, а також технології в цілому проводили на дослідно-промисловій дріжджобродильній установці Лужанського експериментального заводу. Математичну обробку отриманих результатів здійснювали з використанням статистичних методів планування і обробки експериментальних даних.

У третьому розділі «Оптимізація умов підкислення мелясного сусла за допомогою молочнокислих бактерій» наведено результати досліджень по відбору ефективної культури МКБ, визначенню умов зберігання та культивування продуцента, розробці режиму розведення чистої культури, а також встановленню оптимальних умов біосинтезу молочної кислоти.

Шляхом скрінініу чотирьох досліджених видів МКБ (рис. 1) відібрано найбільш ефективну для підкислення мелясного сусла культуру - ЬасюЬасііІи? (ІеІЬгискіі - продуцент молочної кислоти, який за 24 години підкислює середовище до 0,5 град, кислотності, а інші культури за таких же умов - лише до 0,29 - 0,4 град.

0 6 12 18 24 28 32

Тривалість культивування, годин

Lactobacillus casei -я— Lactobacillus plantarumi Lactobacillus delbruckiii ~A~ Lactobacillus gelveticum

Рис. 1. Динаміка кислотоутворення різними продуцентами молочнокислих бактерій на мелясному суслі

Зважаючи на специфічність конструктивного метаболізму МКБ, в роботі досліджено вплив вмісту ростових речовин у складі мелясного сусла на питому швидкість розмноження культури Lactobacillus delbruckii.

Як ростові речовини застосовували дріжджовий відвар (ДВ), дріжджовий автолізат (ДА) та кукурудзяний екстракт (КЕ). Найбільш показові результати дослідів наведено у табл.і.

Таблиця 1

Вплив вмісту ростових речовин у складі мелясного сусла на показники культивування МКБ

Варіанти середовищ на основі Кислотність, Оптична Питома

мелясного сусла 4% СР град. густина за швидкість

внесений компонент г/дм3 0 год 24 год 24год росту, ц,годин'1

Контроль - 0,04 0,19 10,2 0,024

ДВ ЗО 0,06 0,51 18,6 0,042

ДВ 60 0,06 0,57 22,3 0,048

ДВ 100 0,0 6 0,79 25,8 0,053

ДА 10 0,06 0,78 26,4 0,056

ДА 20 0,07 0,80 26,9 0,057

КЕ 5 0,07 0,58 22,8 0,049

КЕ 10 0,08 0,81 26,4 0,053

КЕ 20 0,10 0,83 26,8 0,054

Встановлено, що 1% ДА або 1% КЕ від об'єму мелясного сусла є мінімальною та достатньою кількістю ростових речовин у середовищі для інтенсифікації процесу культивування МКБ. У зв‘язку з тим, що КЕ в значній мірі інфікований сторонніми мікроорганізмами, використання цього компоненту у складі мелясного сусла потребує додаткової термічної обробки. Як ростовий компонент у складі мелясного сусла, при розмноженні культури Lactobacillus delbruckii вибрано ДА у кількості 1% до об'єму середовища.

На основі досліджень умов зберігання, культивування продуцента Lactobacillus delbruckii та оптимізації складу основного середовища розроблено режим розмноження чистої культури МКБ (рис.2).

Експериментально встановлено, що культура Lactobacillus delbruckii при культивуванні на мелясному суслі з низькою концентрацією сухих речовин має два температурних оптимуми: для росту - 30°С, для біосинтезу молочної кислоти - 48-50°С.

Ефективність біологічного підкислення мелясного сусла при досягненні необхідного значення pH спиртового зброджування отримана за рахунок встановлення оптимальних умов біосинтезу МК при мінімальних витратах цукру на життєдіяльність МКБ.

Ампула з культурою Ьа<МоЬасі11из ¿еІЬгисскіі з музею __________________У крН ДІспиртбі опрод_______________________

1 " 5 ' — |— 1 1 ■ '

Пробірка з 20см суміші солодового сусла 8% СР і

капустяного відвару (1:1)

І

зоис

24 год.

Колба з 400 см суміші солодового сусла 8% СР і _____________капустяного відвару (1:1)________________

І 1= зот

______________________ т = 24 год.____________________

Колба з 8000 см 4% СР мелясного сусла і 1 % дріжджового автолізату

Ті = 30°С

______________________ х = 24 год. ___________

Посівна культура МКБ для біосинтезу молочної кислоти _____________при підкисленні мелясного сусла________________

Рис.2. Режим розмноження чистої культури молочнокислих бактерій

Визначено (табл.2), що найбільшу продуктивність культури ЬасІоЬасіНиз сіеІЬгаскіі по синтезу МК досягнуто на мелясному суслі концентрацією 4%СР. Це оптимальна концентрація мелясного сусла, при якій цукру достатньо для утворення потрібної кількості МК та досягнення необхідного рівня кислотності середовища, а нецукри середовища негативно не впливають на продуцент.

Таблиця 2

Вплив концентрації сухих речовин мелясного сусла на інтенсивність

біосинтезу молочної кислоти

Концентрація СР мелясного сусла,% Показники

Кількість утвореної МК, % Витрати цукру, г/100см3 Кислот- ність, град. Питома швидкість росту, ц, годин'1 Ступінь конверсії, %

2 0,27 0,32 0,63 0,058 79.2

4 0,29 0,36 0,68 0,058 79,7

6 0,26 0,41 0,59 0,051 62,7

8 0,22 0,43 0,52 0,045 51,4

10 0,21 0,45 0,45 0,041 47,3

12 0,18 0,46 0,39 0,038 36,8

Методом математичного планування експерименту оптимізовано склад мелясного сусла за джерелами поживних речовин для максимально можливого біосинтезу МК. За критерій оптимізації було обрано кількість МК (у), утвореної за 18 годин. Вихідними факторами було вибрано діамонійфосфат (хі), як джерело азоту і фосфору, з діапазоном виміру 0 < X) < 0,24 г/дм3 та

карбамід (к2 ), як джерело азоту, з діапазоном виміру 0 < х2 < 0,15 г/дм3. Кількість меляси, як джерела вуглецю, залишалась однаковою у всіх варіантах дослідів. Діапазон вимірів для кожного фактора досліджень хі і х2 підбирали таким чином, щоб рівні кожного знаходились у лімітуючій зоні. Після проведення необхідної кількості дослідів відповідно матриці планування двофакторного експерименту, розрахунку коефіцієнтів пошукової моделі і оцінки їх значимості за критерієм Стьюдента, отримали рівняння регресії, яке описує досліджуваний процес:

у = 0,197 + 0,722 х , + 0,318 х2 - 1,664 х,2 - 0,204 х, • х 2 -1,845 х22 За результатами досліджень впливу технологічних параметрів на біосинтез МК встановлені оптимальні параметри процесу: температура - 50° С; концентрація мелясного сусла - 4 % СР; кількість поживних речовин у суслі: діамонійфосфату - 0,212 г/дм3, карбаміду - 0,074 г/дм3; кількість посівної культури - 5% при тривалості культивування -18 годин.

У четвертому розділі « Дослідження процесу зброджування мелясного сусла при біологічному підкисленні» наведено результати досліджень впливу різних джерел іонів водню на метаболізм дріжджів та результати спиртового зброджування. Встановлено (табл.З), що використання різних способів підкислення мелясного сусла має вплив на метаболізм дріжджів-сахароміцетів в процесі спиртового бродіння.

Таблиця З

Результати спиртового зброджування мелясного сусла при підкисленні _______________^______різними способами______________________________

Варіанти Мелясне сусло підкислене

Показники зрілої бражки Н2504 неї молочною кислотою

нативною синтезованою МКБ

без інактивації з інактивацією

pH середовища 4,98 4,96 4,83 4,01 4,95

Кислотність, град. 0,71 0,72 0,75 1,48 0,72

Видима густина, % 5,8 5,7 6,0 6,5 5,9

Істинні СР, % 9,2 9,2 9,3 9,5 9,3

Концентрація спирту, % об. 8,69 8,70 8,62 8,40 8,52

Концентрація біомаси дріжджів, г/дм3 11,6 11,8 14,8 10,1 14,2

Незброджені цукри, г/100 см3 0,22 0,21 0,23 0,28 0,22

Вміст гліцерину, г/дм3 0,61 0,60 0,52 0,51 0,53

Вміст альдегідів, % об. 0,0014 0,0014 0,0014 0,0011 0,0014

Вміст вищих спиртів, %об. 0,016 0,016 0,017 0,018 0,017

Вміст летких кислот, г/дм3б.с. 4,12 4,14 4,20 4,80 4,20

Вміст ефірів, г/дм5б.с. 1,41 1,44 1,52 1,66 1,57

Молочна кислота, синтезована у мелясному суслі МКБ, сприяє інтенсифікації синтезу біомаси, покращанню ферментативної активності спиртових дріжджів і зменшенню утворення гліцерину. Водночас мають місце витрати цукру на біосинтез молочної кислоти, що приводить до адекватного зменшення накопичення спирту в дозрілій бражці.

Шляхом визначення витрат цукру на потреби енергетичного і конструктивного метаболізму МКБ та на біосинтез ними МК, потрібної для підкислення середовища, розраховано матеріальний баланс вуглеводів в процесі спиртового зброджування мелясного сусла при біологічному підкисленні (табл.4).

Таблиця 4

Матеріальний баланс вуглеводів при спиртовому зброджуванні

мелясного сусла , підкисленого за допомогою МКБ

Показники Варіанти підкислення сусла

Н2804 за допомогою МКБ

з інактивацією без інактивації

Введено вуглеводів, г/100см3: - на стадію біосинтезу МК у складі мелясного сусла 4 % СР 2,93 2,93

- з мелясою на стадію спиртового бродіння 13,20 10,27 10,27

-сумарна кількість 13,20 13,20 13.20

Вміст вуглеводів у середовищі після біосинтезу МК, г/100см3 2,63 2,63

Витрачено вуглеводів на біосинтез МК: - г/100см3 0,30 0,30

- % до всієї кількості введених - 2,27 2,27

Концентрація спирту в зрілій бражці, об. % 8,70 8,53 8,36

Вміст незброджених вуглеводів, г/100 см 0,28 0,29 0,31

Зниження накопичення спирту по відношенню до контролю в : - % відносних 1,95 3,90

- дал/ т умовного крохмалю - 1 1.3 2,59

Встановлено, що витрати вуглеводів на життєдіяльність МКБ і біосинтез МК становлять 0,3 г/100 см3 або 2,3 % від загальної кількості введених у процес, а зменшення виходу спирту становить 1,3 дал/ т умовного крохмалю при порівнянні з існуючим способом зброджування мелясного сусла .

Для уникнення небажаних втрат вуглеводів на продовження життєдіяльності МКБ і біосинтез МК, отримання максимального накопичення спирту в зрілій бражці доведена необхідність інактивації МКБ перед спиртовим зброджуванням. Експериментально визначено оптимальні режими інактивації МКБ перед спиртовим зброджуванням мелясного сусла за допомогою теплової обробки при температурі 85°С протягом 20 хв. , або при 95°С - 15 хв., або при 100°С - 5 хв і шляхом обробки культурального середовища сульфонолом з розрахунку 150 г/ т меляси. Перевірка ефективності

визначених режимів інактивації МКБ на результати спиртового бродіння показала придатність цих засобів для використання у технології зброджування мелясного сусла з біологічним підкисленням середовища.

За результатами досліджень створено математичну модель процесу спиртового зброджування мелясного сусла з біологічним підкисленням середовища, яка дозволяє розрахувати кількість всіх основних та побічних продуктів бродіння при відомому початковому значенні pH середовища в інтервалі від 4,7 до 5,8, згідно поліному четвертого порядку:

У = А+ВгХ + В2-Х2 + В3-Х3 + В4-Х4, де Y - концентрація спирту, біомаси дріжджів, незброджених вуглеводів, гліцерину, вищих спиртів та альдегідів в залежності від коефіцієнтів ;

А, В) , Вг , В3 , В4 - коефіцієнти, значення для яких розраховували по кожному продукту окремо методом мінімального відхилення ;

X - початкове значення pH мелясного сусла.

За допомогою математичного моделювання процесу спиртового зброджування мелясного сусла визначено, що найбільш економічно процес проходить при підкисленні середовища за допомогою МКБ до значення pH -4,8 - 4,9.

У зв'язку з тим, що питома швидкість росту Lactobacillus delbruckii майже у 2,5 рази нижча, ніж у дріжджів, були проведені дослідження по інтенсифікації швидкості кислотоутворення продуцента. МК за допомогою дії різних фізичних факторів. Порівняння підвищення кислотності культури МКБ, яку піддавали дії різних фізичних факторів, з кислотністю вихідної культури представлено на рис.З.

Фізичні фактори

Магнітне попе НВЧ-вилром Рентген. Лазерне випром. вилром.

Ультразвук Ультрафіолет.

випрем.

Ц- вихідна культура; 0 - культура після обробки. Рис.З. Стимулююча дія різних фізичних факторів на продуцент МК

Встановлено, що найкращий стимулюючий ефект з досліджених фізичних факторів по відношенню до продуцента Lactobacillus delbruckii має обробка культури магнітним полем напруженістю 2,1»104 А/м протягом 10 хвилин, яка дозволяє збільшити кислотоутворюючу здатність культури на 35% у порівнянні з вихідною.

Подальші дослідження по інтенсифікації швидкості кислотоутворення культури Lactobacillus delbruckii були проведені шляхом використання закріплених клітин продуцента на різних носіях (табл.5). Визначено, що для даної культури МКБ найкращі іммобілізаційні можливості мають полімерні волокна «ВІЇ».

Таблиця 5

Залежність величини підкислення мелясного сусла від кратності використання бактерій, закріплених на різних носіях

Цикли фермен- тації Тривалість циклу, год Контроль без носія Тип носія

ТГ ВІЇ АМЦ

Кислотність середовища, град.

1 18 0,59 0,56 0,56 0,59

2 18 0,55 0,56 0,75 0,74

3 18 0,46 0,56 0,76 0,72

4 18 0,40 0,57 0,65 0,58

5' 18 0,40 0,44 0,56 0,46

6 18 0,32 0,36 0,56 0,40

Експериментально встановлено, що найбільш ефективним способом закріплення МКБ на носії «ВІЇ» є іммобілізація у потоці. Для закріплення максимальної кількості клітин Lactobacillus delbrucckii доцільно подавати культуру віком 4-12 годин протягом 24 годин зі швидкостю розбавлення середовища в апараті 0,12-0,13 год

У лабораторних умовах встановлено (табл.6), що використання іммобілізованих клітин МКБ (при щільності заповнення апарату носієм 23 г/дм3) дає змогу проводити неперервний процес біосинтезу МК у мелясному суслі концентрацією 4% СР і досягати рівня підкислення середовища, оптимального для спиртового зброджування.

Завдяки використанню для підкислення мелясного сусла іммобілізованих клітин МКБ швидкість розбавлення середовища в апараті становить 0,18-

0,20 год'1, а питому швидкість біосинтезу МК збільшено у 2,8 рази.

. 12

. Таблиця 6

Показники підкислення мелясного сусла МКБ, іммобілізованими на носії « ВІЇ »

Швидкість подачі сусла, см 3/год Швидкість розбавлення середовища в апараті, год pH середо- вища Кислот- ність, град. Кількість утвореної МК, % Рівноважна концентрація клітин на виході 3 апарату, Сг

120 0,12 3,7 0,98 0,43 0,08

15Ь 0,15 3,8 0,85 0,38 0,10

180 0,18 3,9 0,76 0,32 0,12

200 0,20 4,0 0,65 0,28 0,12

220 0,22 4,2 0,55 0,23 0,13

240 0,24 4,4 0,42 0,18 0,16

200 0,20 4,0 0,68 0,29 0,11

У п‘ятому розділі «Розробка апаратурно-технологічної схеми зброджування мелясного сусла з біологічним підкисленням середовища» наведено процесуальну і апаратурно-технологічну схеми (рис.4) спиртового зброджування мелясного сусла з використанням МКБ, які розроблені на основі виконаних досліджень.

За результатами досліджень проведено розрахунки необхідного обладнання і створено дослідно-промислову установку на Лужанському спиртовому заводі. На установці відпрацьовано технологічні режими підкислення мелясного сусла за допомогою іммобілізованих клітин МКБ. Дані, одержані протягом 15 діб неперервної роботи установки, підтвердили результати лабораторних досліджень.

За одержаними даними проведено апроксимацію залежності кислотності середовища від швидкості притоку мелясного сусла у колонний апарат та витрат цукру на підкислення і отримано формулу:

К= 0,556 - 0,221-V2+0,124-Р2, де К - кислотність, град.;

V - швидкість потоку, м3/год Р - витрати цукру, г/100см3.

За формулою при стабільній роботі системи у визначених умовах можна розрахувати витрати цукру на підкислення при відомих значеннях швидкості потоку і кислотності середовища на виході з колонного апарату.

На основі відпрацювання усіх технологічних стадій процесу спиртового зброджування мелясного сусла з біологічним підкисленням було розроблено «Технологічну інструкцію по зброджуванню мелясного сусла при спільному культивуванні молочнокислих бактерій та дріжджів-сахароміцетів у виробництві спирту».

Рис.#Апаратурно-технологічна схема виробництва спирту із меляси з використанням іммобілізованих МКБ

-----основний продукт; — 1------вода; — їх — вода холодна; — 1г------вода

гаряча; — 2----пара; — 3----повітря; — 29-----живильні солі

1,1а- збірники меляси; 2 - розсиропник; 3 - культиватор МКБ; 4 - насос;

5 - колонний аппарат; 6 - полімерний носій «ВІЇ»; 7 - нагрівач; 8 - витримувач;

? - охолоджувач; 10 - дріжджогенератор; 11 - бродильний аппарат;

12 - брагоперегонний апарат

У результаті проведених випробувань встановлено, що динаміка і кінетика технологічних показників дріжджогенерування та зброджування мелясного сусла, підкисленого молочною кислотою за допомогою іммобілізованих МКБ не відрізняється від показників традиційних технологій з використанням неорганічних кислот (габл.7).

Перевагами процесу, в якому підкислення меласного сусла досягається за допомогою МК, синтезованої іммобілізованими МКБ, є можливість експлуатації протягом тривалого часу закріплених на полімерному носії «ВІЇ» бактеріальних клітин без витрат цукру на розведення чистої культури продуцента. Спирт, одержаний у період відомчих випробувань технології, за своїми показниками відповідає вимогам ГОСТ 5962-67. За результатами виробничих випробувань встановлено вихід спирту 65,0 дал з 1 т умовного крохмалю меляси.

Таблиця 7

Режимні параметри зброджування мелясного сусла, підкисленого молочною кислотою, яка синтезована іммобілізованими МКБ

Показники Мелясне сусло після біологічного підкислення Виробничі дріжджі Зріла бражка

Видима густина, % СР 3,9-4,1 5,2-5,6 6,9-7,1

Істинні СР, % 3,9-4,1 5,7-6,1 9,0-9,2

pH середовища 4,3-4,5 4,7-4,9 5,2

Кислотність, град 0,55-0,65 0,45-0,5 0,5

Біомаса дріжджів, г/дм5 0 14-17 15-18

Концентрація спирту, % об. 0 2,8-3,3 7,8-8,1

Вміст незброджених вуглеводів, г/100 см3 1,8-2,1 0,22-0,25

Початкова концентрація СР сусла, г/100 см3 3,9-4,1 10,8-12,4 21,0-21,5

При порівнянні складових післяспиртової мелясної барди, яку отримали при різних способах підкислення визначено, що у барді з використанням біологічного підкислення вміст амінокислот збільшується на 10-50% і кількістіь протеїну підвищується на 2,4% у порівнянні з бардою, отриманою за традиційною технологією. Розроблено проект ТУ на барду мелясну післяспиртову молочнокислу упарену. -

Дослідження по відгодівлі великої рогатої худоби із застосуванням молочнокислої барди, які проведені Інститутом кормів УААН (м. Вінниця ), показали високу ефективність використання цього продукту як кормової добавки до раціону тварин.

У шостому розділі «Економічна оцінка виробництва спирту з меляси при використанні біологічного підкислення середовища» розраховано ефективність виробництва спирту з меляси з реалізацією упареної молочнокислої барди на кормові цілі і визначено економічний та екологічний ефект від впровадження технології для заводу потужністю 3000 дал спирту на добу, які становлять, відповідно, 274 і 223 тис. гривень за рік (у цінах 1996року).

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі теоретично обґрунтована і практично вирішена проблема біологічного підкислення мелясного сусла в процесі спиртового зброджування. За результатами проведених досліджень розроблена технологія спиртового зброджування мелясного сусла з біологічним підкисленням середовища, яка відрізняється від традиційних і за рахунок раціонального використання відходів сприяє покращенню екологічного стану навколишнього середовища.

1. В результаті скрінінгу різних продуцентів молочної кислоти встановлено, що найбільш продуктивною для підкислення мелясного сусла є культура Ьасіовасіїїиз сіеІЬгискіі.

2. На основі експериментальних даних встановлені оптимальні умови культивування та зберігання продуцента та стимулюючі режими обробки МКБ різними фізичними факторами, які дали змогу підвищити кислотоутворюючу здатність культури на 68-93 % у порівнянні з початковою.

3. Методом математичного планування опгимізовано склад мелясного сусла та встановлені технологічні параметри процесу біосинтезу МК культурою ЬасЮвасіІІі^ сіеІЬгискіі для досягнення необхідного рівня підкислення середовища спиртового зброджування.

4. За результатами даних лабораторних досліджень встановлено, що МК, яка синтезована МКБ позитивно впливає на метаболізм дріжджів-сахароміцетів завдяки чому біомаса їх збільшується на 16,6 %, а кількість гліцерину зменшується на 12,5% у порівнянні з традиційною технологією.

5. Експериментально визначено витрати вуглеводів на життєдіяльність МКБ і біосинтез МК, які становлять 0,3 г/100 см3 або 2,3 % від загальної кількості введених у процес та розраховано матеріальний баланс по стадійним витратам вуглеводів при зброджуванні мелясного сусла з біологічним підкисленням середовища.

о. На основі проведених досліджень розроблено математичну модель адекватну реальному процесу спиртового зброджування мелясного сусла при біологічному підкисленні середовища, яка дає змогу розрахувати кількість основних і побічних продуктів бродіння в залежності від початкового значення pH.

7. Експериментально визначені ефективні режими інактивації МКБ перед спиртовим зброджуванням мелясного сусла, які дають змогу уникнути небажаних втрат вуглеводів на продовження життєдіяльності МКБ та подальший біосинтез МК і отримати максимальне накопичення спирту в зрілій бражці.

8. За результатами лабораторних і виробничих досліджень розроблено технологічні режими іммобілізації на носії клітин ЬасговасШиэ сіеІЬгискіі та неперервного підкислення мелясного сусла. Показано, що ступінь закріплення клітин МКБ залежить від віку культури, способу і тривалості процесу іммобілізації.

9. На основі одержаних експериментальних даних розроблено принципову і апаратурно-технологічну схему спиртового зброджування мелясного сусла при спільному культивуванні МКБ та дріжджів-сахароміцетів, створено дослідно-промислову установку і впроваджено у виробництво технологію спирту з меляси при біологічному підкисленні середовища. Річний соціально-економічний ефект від впровадження нової технології для заводу потужністю 3000 дал спирту на добу складає 497 тис. гривень за рік (у цінах 199броку).

10. За результатами дослідного відгодовування ВРХ молочнокислою бардою, яку отримали за новою технологією, розроблено рекомендації по використанню її як добавки до корму.

Основні положення дисертації викладено у таких публікаціях.

1. Вплив магнітного поля на продуктивність культури Lactobacillus delbrucckii / Чуб Б. М., Зубченко B.C., Ткаченко Л.В., Олійнічук С.Т. //Харчова промисловість / Міжвідомчий тематичний науковий збірник.-K.: УДУХТ, 1995. Вип.41.- С.26-27.

2. Удосконалення технології виробництва спирту і дріжджів/ Левандовський Л.В., Олійнічук С.Т., Ткаченко Л.В., Шустікова Н.Є.// Харчова і переробна промисловість. -1995, №6. -С.20.

3. Вплив рентгенівського випромінювання на біохімічну активність молочнокислих бактерій / Чуб Б. М., Зубченко B.C., Ткаченко Л.В., Ткаченко А.Ф. // Харчова промисловість / Міжвідомчий тематичний науковий збірник.-К.: УДУХТ, 1996. Вип.42,- С.78-79.

4. Дослідження впливу НВЧ- випромінювання на біохімічну активність молочнокислих бактерій / Зубченко B.C., Носенко B.C., Олійнічук С.Т., Ткаченко Л.В., Ткаченко А.Ф. //Харчова промисловість. / Міжвідомчий тематичний науковий збірник.-K.: УДУХТ, 1998. Вип.43-44.-С.-25-28.

5. Кислотоутворювальна здатність молочнокислих бактерій після оброблення лазером / Зубченко B.C., Носенко B.C., Ткаченко Л.В., Ткаченко А.Ф., Шустікова Н.Є. // Харчова промисловість. / Міжвідомчий тематичний науковий збірник.-К.: УДУХТ, 1998. Вип.43-44.-С.187-189

6. Зубченко B.C., Носенко B.C., Ткаченко Л.В. Кислотоутворення молочнокислих бактерій після обробки ультразвуком. // Харчова промисловість. / Міжвідомчий тематичний науковий збірник.-К.: УДУХТ, 1999. ВИП.45.-С.97-100.

7. Ткаченко Л.В., Олійнічук С.Т., Левандовський Л.В. Вплив різних джерел іонів водню на метаболізм дріжджів в процесі спиртового зброджування мелясного сусла // Харчова і переробна промисловість. -2000, №1. -С.23-24.

8. Ткаченко Л.В., Олійнічук С.Т., Левандовський Л.В. Технологія переробки меляси в спирт з біологічним підкисленням // Харчова і переробна промисловість. -2000. №4,-С.10-11.

9. Патент 9302 України, МКВ С12 Р7/06. Спосіб зброджування мелясового сусла / Олійнічук С.Т., Янчевський В.К., Коваленко А.Д., ШевченкоВЛ., Шевцова (Ткаченко) Л.В. -Опубл. 30.09.96, Бюл. №3.

10. Застосування молочної кислоти для подавления мікрофлори мелясного сусла при виробництві спирту / Олійнічук С.Т., Ткаченко Л.В., Ткаченко А.Ф., Шустікова Н.Є. // Тези допов. Міжнародної науково-практичної конференції «Розробка і впровадження нових технологій та обладнання у харчову та переробні галузі АПК»-К.: УДУХТ.-1993.-С.255-256.

11. Вплив молочної кислоти на біосинтетичну активність дріжджів Saccharomyces cerevisiae раси В /Олійнічук С.Т., Ткаченко JI.B., Ткаченко А.Ф., Левандовський Л.В. /І Там же - С.256-257.

12. Підвищення кормових властивостей барди в виробництві спирту з меляси/ Олійнічук С.Т., Ткаченко Л.В., Левандовський Л.В. // Тези допов. Міжнародної конференції «Україна - в світових земельних, продовольчих, кормових ресурсах і економічних відносинах» .- Вінниця: 1995.-С.57.

13. Напрямок покращення екологічного стану спиртового виробництва / Олійнічук С.Т., Левандовський Л.В., Ткаченко Л.В., Бальшин Д.С. // Тези допов. IX Міжнародної конференції «Удосконалення процесів і апаратів хімічних, харчових та нафтохімічних виробництв.Частина 7» .- Одеса: ОГ AXT, 1996.-С.44.

14.0лійнічук С.Т., Ткаченко Л.В., Зубченко B.C. Изучение влияния магнитного поля на биохимическую активность молочнокислых бактерий /УТезисы докладов международной научно-технической конференции «Техника и технология пищевых производств».- Могилев: МТИ, 1998. -С.211.

АНОТАЦІЇ

Ткаченко Л.В. Розробка технології спиртового зброджування мелясного ела з біологічним підкисленням.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за :еціальністю 05.18.07 - Технологія продуктів бродіння,- Український державний ііверситет харчових технологій, Київ, 2000.

Робота присвячена технології спиртового зброджування мелясного сусла, в ій для створення оптимального значення pH у технологічному середовищі, :користовується молочна кислота синтезована молочнокислими бактеріями, вказано, що при такому способі підкислення основні технологічні показники иртового зброджування не вдрізняюгься від традиційних.

Доведено, що кількість молочної кислоти збільшується, а витрати цукру на її ворення зменьшуються при багаторазовому використанні біомаси продуцента пяхом іммобілізації бактеріальних клітин на полімерному носії. Розроблені хнологічні режими закріплення молочнокислих бактерій і неперервного цкислення мелясного сусла за допомогою іммобілізованих клітин, хпериментально визначено, що ступінь закріплення клітин продуцента лежить від віку культури, способу і тривалості процесу. Спосіб біологічного цкислення дає змогу виключити з використання у виробництві спирту з меляси органічні кислоти, а завдяки цьому крім спирту, одержати післяспиртову >лочнокислу барду з покращеними кормовими властивостями, яка стає більш іидатною для годівлі худоби.

Ключові слова: мелясне сусло, біологічне підкислення, молочнокислі ктерії, культивування, біосинтез, молочна кислота, іммобілізація, полімерний >сій, спирт, барда.

Ткаченко Л.В. Разработка технологии спиртового сбраживания мелассного сусла с биологическим подкислением.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.18.07-Технология продуктов брожения. - Украинский государственный университет пищевых технологий, Киев, 2000.

Выполнен анализ известных технологий спиртового сбраживания мелассного сусла, дана оценка и перспективы применения биологического подкисления при переработке мелассы в спиртовом производстве.

Подобрана культура молочнокислых бактерий Ьас1овасШиз <1е1Ьгискн, способная подкислять мелассное сусло. Разработаны режимы культивирования и сохранения чистой культуры в активном состоянии. Изучено влияние температуры, концентрации сухих веществ, количества посевной культуры на скорость биосинтеза молочной кислоты. Методом математического планирования эксперимента оптимизирован состав ферментационной среды для максимального накопления молочной кислоты при минимальном расходе сахара на жизнедеятельность молочнокислых бактерий. Экспериментально установлены стимулирующие режимы обработки продуцента молочной кислоты магнитным полем, сверхчастотным, лазерным, рентгеновским, ультрафиолетовым излучением и ультразвуком.

Экспериментально исследовано влияние разных подкисляющих реагентов на метаболизм дрожжей в процессе спиртового сбраживания мелассного сусла. Показано, что молочная кислота, синтезированная молочнокислыми бактериями, в количестве, необходимом для создания оптимального значения pH процесса, положительно влияет на дрожжи-сахаромицеты, что подтверждает увеличение накопления биомассы дрожжей и уменьшение образования глицерина в зрелой бражке по сравнению с традиционными технологиями, в которых применяют для подкисления неорганические кислоты. Разработана математическая модель спиртового сбраживания мелассного сусла с биологическим подкислением, которая позволяет рассчитать количество основных и побочных продуктов брожения в зависимости от начальной величины pH в диапазоне от 4,7 до 5,8.

Показана целесообразность повторного использования молочнокислых бактерий путем иммобилизации продуцента молочной кислоты на полимерном носителе «ВИИ». Изучены и разработаны технологические режимы иммобилизации клеток молочнокислых бактерий и непрерывного подкисления мелассного сусла с помощью закрепленных бактерий. Экспериментально установлено, что степень закрепления клеток продуцента зависит от возраста культуры, способа и длительности процеса иммобилизации.

Проведено сравнение состава послеспиртовой мелассной барды, полученной при подкислении разными подкисляющими реагентами. Установлено, что в молочнокислой барде увеличивается содержание аминокислот и протеина по сравнению с бардой, полученной по традиционной технологии. Результаты опытных кормлений крупного рогатого скота молочнокислой бардой показали целесообразность использования ее в качестве кормовой добавки.

Разработанная технология спиртового сбраживания мелассного сусла с биологическим подкислением обеспечена нормативно-технической документацией и внедрена на опытно-промышленной установке Лужанского спиртового завода. Установлено, что все технологиские показатели дрожжегенерирования и сбраживания мелассного сусла при его биологическом подкислении не отличаются от показателей традиционных технологий, а качественные показатели полученного спирта соответствуют требованиям ГОСТ 5962-67. Экономический эффект для спиртового завода производительностью 3 тыс. дал/сутки составляет 274 тыс. грн. в год., а экологический - 223 тыс. грн. в год.

Ключевые слова: биологическое подкисление, молочнокислые бактерии, культивирование, биосинтез, молочная кислота, кислотообразующая способность, иммобилизация, полимерный носитель,спирт, барда.

Tkachenko L.V. The technology of alcohol fermentation of molasses wort with alogy acidify.- Manuskript.

Dissertation present ones thesis for a Candidate of Technical Sciences degree in field 05.18.07- The technology of products of fermentation. Ukrainian State liversity of Food Technologies, Kyiv, 2000.

This work is devoted to technology of alcohol fermentation of molasses wort in lich for formation of optimum pH value in technology medium was used lactic acid nthesized by lactic acid bacteria. It is shown that by this way of acidification the main :hnology indexes of alcohol fermentation is not differ from traditional.

It is proved that quantity of lactic acid is increased and sugar expends for it •mation is decreased by multifold use of producent biomass by immobilized Dteria cells on the polymer apoferment. The technologies regymes of lactic acid :teria fixation and continuous acidification of molasses wort by immobilized cells ye been worked. It is experimental determined that the extend of fixation of )ducent cells is depended from the culture age, method and process continue. Method biology acidification gives the opportunity to incltfde mineral acids with use they at : alcohol production from molasses and to obtain after alcohol lactic acid slops with proved fodder qualities and to improve ecology of production. '

Key words: molasses wort, biology acidification, lactic acid bacteria, tivation, biosynthesis, lactic acid, immobilization, polymer apoferment, alcohol, P-