Кормовые дрожжи. Технологическая схема производства.

Технология кормовых дрожжей на молочной сыворотке

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.

Технология производства кормовых дрожжей на природном газе

В случае получения кормовых дрожжей и 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.

Технология кормовых дрожжей на спиртах

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 - нефтеных парафинах ( паприн ), низших органических спиртах – метаноле ( меприн ), этаноле ( эприн ), а также природном газе (гаприн). Дрожжевая масса, полученная культивированием кормовых 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 кормовых дрождей как продуцентов белка высокого качества считается метиловый спирт - метанол. Метанол 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). Кормовые дрожжи могут метаболизировать этиловый спирт благодаря наличию в клетках алкогольдегидрогеназы, но рост кормовых дрожжей на этиловом спирте 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 этиловом спирте +этаноле), содержат (%): сырого протеина 60-62; липидов 2-4; золы 8-10; влаги до 10.

В отличие от белка растительных кормов микробный белок имеет весь комплекс незаменимых аминокислот. По общей питательной ценности 1 кг кормовых дрожжей содержит 1,03-1,16 кормовых единиц. Обменная энергия кормовых дрожжей составляет 3600 ккал/кг. Оптимальное углеводно-протеиновое соотношение в кормовых рационах достигается при введении 5-10% дрожжей от сухой массы общего корма. Обеспечение оптимального соотношения углеводов и белка в кормах снижает потребление зерна в 1,5-2 раза в животноводстве. Кроме того, кормовой микробный белок (особенно дрожжевой) - это настоящий премикс, концентрат незаменимых аминокислот, витаминов, а также наиболее ценных для животных микроэлементов. С каждым 1 миллионом тонн кормовых дрожжей сельское хозяйство получает 400-500 тыс. тонн перевариваемого кормового белка, содержащего свыше 220 тыс. тонн незаменимых аминокислот, в том числе более 30 000 тонн лизина, 7 500 тонн метионина, 9 000 тонн цистеина, 12 500 тонн триптофана. Каждая тонна дрожжей высвобождает 5-7 тонн зерна и обеспечивает дополнительно производство 0,4-0,6 тонн свинины, до 1,5 тонн мяса птицы, около 25-30 тыс. штук яиц, при скармливании молочному скоту повышаются удои на 3-3,5 литра в сутки.

В сухих кормовых дрожжах количество белка составляет 50-52%, в том числе перевариваемого 35-40%, а по содержанию витаминов они превосходят все другие концентрированные белковые корма. Кормовые дрожжи богаты комплексом витаминов группы В, например, содержание витамина В2 (рибофлавина) составляет 48-50 мг/кг. В 1 кг облученных дрожжей содержится от 1000 до 5000 и.е. витамина D2, что в 10-50 раз превышает содержание этого витамина в тресковом жире. Кормовые дрожжи содержат ряд жизненно важных микроэлементов (калий, железо, магний, натрий, кобальт,марганец и др.) и обладают высокой биологической ценностью. Общая питательность 1 кг кормовых дрожжей составляет около 1,15 - 1,2 кормовых единиц.

В кормовых дрожжах содержатся следующие незаменимые для животного организма аминокислоты (в %): аргинин - 4,3%, гистидин - 2,8%, лизин - 7,5%, цистин - 1,1%, метионин - 2%, треонин - 5,5%, тирозин -4,2%, триптофан - 1,4%, фенилаланин - 4,1%, лейцин - 7,3%, изолейцин - 6%, валин - 5,3%.

В 1 кг комовых дрожжей содержится (в граммах): кальция - 2,02, фосфора 17,66, перевариваемого белка 348, кормовых единиц - 1,04.

По данныи НИИ гидролизной и сульфитно-спиртовой промышленности, содержание витаминов в дрожжах (на сухое вещество) составляет (в мкг/г): тиамина (В1) - 18,3, рибофлавина (В2)-48,6, пантотеновой кислоты (В3) - 100, холина (В4)- 2600, никотиновой кислоты (РР) - 326, пиродиксина (В4) - 26,4, биотина (В7) - 9,7, фолиевой кислоты - 18, витамина В12 - 0,08, витимина D2 - 250 (после облучения ультрафиолетом).

В жировой фракции дрожжей содержится эргостерин (0,5 - 1%), который при облучении ультрафиолетовыми лучами превращается в витамин D2 (кальциферол). В облучаемых кормовых дрожжах содержание витамина D2 больше, чем в рыбьем жире, и превышает 20 000 и.е. Витамин D2 - крайне нужная добавка в корм животных и птиц.

Технология производства кормовых дрожжей из мелассы

Спиртовые заводы, перерабатывающие отход сахарного производства - мелассу, получают сухие кормовые дрожжи двумя способами: а) выделением из послеспиртовой барды дрожжей спиртового брожения (сахаромицентов), б) выращиванием кормовых дрожжей на мелассной послеспиртовой барде.

Схема выделения кормовых дрожжей (сахаромицентов) из мелассной послеспиртовой барды

При нагревании мелассной бражки в Бражной колонне до 103 - 106 градусов Цельсия происходит деформация клеток, денатурация белков дрожжевых клеток и частичная потеря в барде их содержимого. Потери сухого вещества дрожжей при перегонке составляют 20%. На некоторых спиртовых заводах получают до 500 кг сухих кормовых дрожжей на 1000 дал спирта. Что, конечно, очень мало, поэтому переходят к выращиванию кормовых дрожжей на послеспиртовой мелассной барде, где выход составляет 1350 кг на 1000 дал

Схема выращивания кормовых дрожжей на послеспиртовой мелассной барде. Для нормального роста дрожжей к барде добавляют раствор солей, содержащий фосфор и азот, который готовят в чанах 1. Солевой раствор перекачивают насосом 2 в напорный сборник 3 ёмкостью на сменную потребность и оттуда направляют на производство.

Солевой раствор можно готовить двумя способами.

По первому способу берут ортофосфорную кислоту и карбамид, по второму способу - диаммоний фосфат и карбамид, которые растворяют в 5ти кратном по весу количестве воды.

Горячую барду на выходе из бражной колонны сливают в сборник 4, откуда насосом 5 подают на теплообменник 6 для охлаждения и затем сливают в чан-смеситель 7 (Сусловой чан). В сусловом чане 7 к барде добавляют раствор солей из сборника 3,а также при необходимости некоторое количество воды. Обработанная таким образом мелассной барда становится кондиционной и подаётся во все аппараты дрожжерастительных отделения.

Процесс непрерывного выращивания маточных кормовых дрожжей в дрожжерастительных отделении цеха кормовых дрожжей может осуществляться двумя способами.

1. Выращивание кормовых дрожжей в одну стадию. При этом каждый чан работает самостоятельно и параллельно с другими. При параллельной работе нескольких дрожжерастительных аппаратор ДРА требуются приборы, чтобы правильно распределить поток барды в каждый из них.

2. Выращивание кормовых дрожжей в две стадии. Выращенная в первой стадии биомасса выделяется на сепараторах или на флотаторе, а на оттоке с этих аппаратов повторно выращиваются дрожжи во вторую стадию. Продолжительность процесса не удлиняется, а остаётся той же , что и при одностороннем выращивании, но разделяется примерно пополам: в первой половине - 6 часов, и во второй половине - 7 или 8 часов.

Двухстадийный способ выращивания обеспечивает повышение выхода кормовых дрожжей на неразбавленной послеспиртовой барде на 10%.

В производстве кормовых дрожжей одним из основных показателей рентабельности является их выход из единицы перерабатываемой барды. В опытах латвийской сельскохозяйственной академии при выращивании кормовых дрожжей Torulopsis utilis на зерновой барде максимальный выход из 1 м3 барды составил 38,3 кг прессованных кормовых дрожжей влажностью 75%, т.е. 3800 кг на 1000 дал спирта из зернового сырья.

Исследованиями В.Б. Фремеля и А.П. Саввина, проведенными в Центральном научно-исследовательском институте спиртовой промышленности, было установлено, что при выращивании на жидкой барде (грубый фильтрат зерновой барды, полученный после декантерной центрифуги) кормовых дрожжей можно получать 22 кг абсолютно сухого дрожжевого концентрата на каждый кубометр натуральной барды.

В пересчете на товарный продукт - кормовые дрожжи с влажностью 10% - выход сухих кормовых дрожжей гарантированно составляет около 24 кг ( максимум 30 кг ) на 1 тонну исходной свежей барды. Для спиртового завода производительностью 3000 дал спирта в сутки выход кормовых дрожжей составит 7200 кг в сутки. Для спиртового завода производительностью 6000 дал спирта в сутки выход кормовых дрожжей составит уже 14400 кг в сутки. Для завода с производительностью 9000 дал спирта в сутки выход сухих кормовых дрожжей составит 21600 кг в сутки.

На основе этих исследований были разработаны типовые проекты цехов по производству сухих кормовых дрожжей при спиртовых заводах, перерабатывающих крахмалистое зерновое сырье.

В России производство кормовых дрожжей на зерно-картофельной барде было начато еще в 1960 году. Первый промышленный цех производительностью 5 тонн в сутки сухих кормовых дрожжей на зерно-картофельной барде оборудован и введен в эксплуатацию на Пискарихинском спиртовом заводе в Смоленской области. В настоящее время действует производство кормовых дрожжей на многих спиртовых комбинатах: Мариинский спиртовый комбинат в Кемеровской области и Береговской и Песчанский в Белгородской области, Мамадышский и Шумбутский в Татарстане.

Проведенные исследования показали, что наиболее перспективным является способ разделения послеспиртовой барды на декантерной центрифуге для получения концентрированнаго кека и осветленного фугата, который в последующем используется для выращивания кормовых витаминизированных дрожжей или хлебопекарных дрожжей. Вторичную дрожжевую барду, получаемую от дрожжевого производства, упаривают на выпарных установках до концентрации 50% СВ , и затем смешивают вместе с концентрированным кеком послеспиртовой барды от декантерной центрифуги и отправляют на паровую сушилку для выработки сухой послеспиртовой барды по стандарту DDGS.

Таким образом, при комплексной переработке послеспиртовой барды удается достичь прекрасных технико-экономических показателей по прибыли, поскольку из послеспиртовой барды производится уже не один, а два продукта: DDGS + Кормовые дрожжи. При этом качество и количество DDGS сохраняется прежним, т.е. ровно таким, каким было без дополнительного производства Кормовых дрожжей.

Говоря о комплексной переработке послеспиртовой барды помимо 2х (двух) указанных выше продуктов DDGS + Кормовые дрожжи следует также указать возможность производства собственных осахаривающих ферментов, которые затем применяются в технологии производства спирта. Но о производстве собственных ферментов на послеспиртовой барде см. другую страницу.

Мировой опыт крупнотоннажного биотехнологического производства свидетельствует, что его структура зависит от конкретных условий и определяется, в основном, сырьевой базой. Сырье в крупнотоннажных биотехнологических производствах занимает первое место в статьях расходов и составляет до 40-65% общей стоимости продукции. В производствах кормовых дрожжей стоимость сырья достигает 60%, энергоносителей 10%. Структура себестоимости представлена на рис.1.