7) Среды и культуры бактерий, используемых в производстве ацетона и бутанола. Общая технологическая схема ацетонобутилового брожения.

Ацетоно-бутиловое брожение в производственных условиях может вестись на разных углеводсодержащих средах. Вначале обычно использовали среды, содержащие кукурузную, пшеничную или ржаную муку. В настоящее-время в качестве основного сбраживаемого субстрата нередко применяют мелассу и некоторые другие дешевые вещества. Сбраживаемые углеводы не подвергают предварительному осахариванию. Поэтому содержащие их среды именуются заторами (в отличие от сусла — осахаренной среды спиртового брожения).

Обычно используют заторы, содержащие около 6 % углеводов. Использовать среды с большим количеством сбраживаемых субстратов нецелесообразно, так как образуемый при брожении бутанол уже в концентрации 1,5 % подавляет жизнедеятельность бактерий и брожение прекращается. Поэтому часть углеводов, если их много, остается неиспользованной.

В случае, когда в качестве субстрата для брожения применяют муку, ее предварительно взвешивают на автоматических весах, а затем через дозатор направляют на смешение с водой при 50—60°С. Замес проходит ловушки для улавливания комков, а также случайных примесей и поступает на разваривание в варочно-стерилизационные колонки, где нагревается паром до 145—160 °С и выдерживается при такой же температуре в трубчатых вертикальных сосудах от 20 до 40 мин, постепенно продвигаясь по ним. Проходя через сепаратор пара, затор подается центробежным насосом в холодильник типа “труба в трубе”, охлаждается до температуры брожения (35—36 °С) и поступает в бродильное отделение.

Среды, содержащие мелассу или гидролизаты растительных отходов, стерилизуют в более мягких условиях (115—120 °С, 18—20 мин), после чего их смешивают с мучным затором.

Для нормального проведения процесса ацетоно-бутилового брожения важно, чтобы в среде имелись в достаточном количестве белки, как это имеет место в мучных заторах.

Для выращивания чистой культуры С. acetobutylicum пользуются запасом спор бактерии, заготовляемым обычно на шестимесячный (и более) период работы завода.

Из инокулятора культура бактерий передается в ферментатор-активатор производственной батареи с соблюдением условий стерильности.

Уже в первые часы после инокулирования затора активной культурой бактерий наблюдается брожение, заметное по пузырькам газа, поднимающихся к поверхности среды. Газовыделение достигает максимума обычно через 24—26 ч, спадая к концу брожения. В период максимального газовыделения происходит характерное расслоение субстрата — на поверхность поднимается рыхлый слизистый слой, в нижнем слое остается мутноватая опалесцирующая жидкость. Вся среда приобретает желтоватую окраску. Это явление в производстве именуется “подъемом” бражки и характеризуется как один из признаков нормального брожения. К концу брожения поднявшаяся твердая часть субстрата оседает на дно. Наряду с газовыделением, характерным для ацетоно-бутилового брожения, является форма кривой титруемой кислотности. Развитие бактерий характеризуется быстрым нарастанием титруемой кислотности, достигающей максимума к 12—16 ч брожения, и затем резко снижающегося к 24—25-му часу, после чего снова происходит небольшой подъем кислотности к концу брожения. В процесс повышения кислотности рН среды снижается с 6,0 до 4,1—4,2 и остается на этом уровне с небольшими колебаниями.

Образование ацетона и спиртов начинается примерно с 6-го часа брожения, но наиболее интенсивно происходит после перелома кривой кислотности. В ацетон и спирты превращается 33— 35 % углеводов и в конечной бражке содержится около 2 % растворителей.

Полунепрерывный метод брожения в ацетоно-бутиловом производстве, известный под названием батарейного, имеет ряд преимуществ по сравнению с периодическим и прочно укоренился в нашей промышленности. Батарея состоит из 6—8 ферментеров, последовательно соединенных трубами. Головной из них — активатор, засевают культурой из инокулятора и после перелома кривой кислотности (примерло через 12 ч) начинают загружать мучным затором. Через активатор заполняется вся батарея. Разгрузка батареи (передача бражки на ректификацию) производится с последнего — хвостового ферментатора; после стерилизации он становится активатором следующей батареи, состоящей из тех же ферментаторов, но загружаемых в обратном направлении.

Непрерывное брожение облегчило замену больших количеств муки (до 70 %) более дешевым сырьем: свеклосахарной патокой (мелассой) и гидролизатами отходов растительного сырья.

Для первой фазы брожения целесообразнее применять мучной затор, что обеспечивает быстрый рост бактерий и образование ферментов для синтеза растворителей.

Мелассу и гидролизаты вводят при переходе брожения во вторую фазу.

Разработана двухпоточная схема непрерывного брожения. При этой схеме мучной и паточно-гидролизатный мучной затор направляется в первый (головной) ферментатор батареи, а также на разведение чистой культуры в инокулятор; мелассный затор — во второй ферментатор, где происходит переход во вторую фазу брожения.

В результате внедрения способа непрерывного брожения на Нарткалинском ацетоновом заводе при переработке смешанных заторов (с заменой 70% муки) по сравнению с прежней полунепрерывной схемой брожения мучных заторов производительность заметно возрастала. Весь процесс анетоно-бутилового брожения, будь то периодический, полунепрерывный или непрерывный, ведется в строго стерильных условиях, в герметически закрытых ферментаторах под небольшим избыточным давлением (0,4- 10⁵—0,8- 10⁵ Па), создаваемым газами брожения. Выделяемые при брожении газы удаляются через специальные коммуникации. Газы выбрасываются в атмосферу или направляются на переработку (например, в жидкую углекислоту ил сухой лед).

Наибольшую опасность для производства представляют молочнокислые бактерии и бактериофаги, быстро и полностью подавляющие рост ацетоно-бутиловых бактерий. Главная причина попадания бактериофага в производство определяется тем, что он легко задерживается в трещинах сварных швов ферментаторов, трубопроводах и других плохо прогреваемых и порой незаметных участках оборудования. Кроме возможного устранения таких участков наиболее эффективной мерой борьбы с бактериофагом является стерилизация при 120°С не менее 20 мин. В результате внедрения способа непрерывного брожения в ацетоно-бутиловом производстве, значительно улучшаются условия стерильности и сокращаются случаи инфицирования в процессе брожения.

Ацетоно-бутиловая бражка кроме ацетона, бутилового и этилового спиртов содержит ряд побочных продуктов, для разделения которых применяют довольно сложную перегонку и ректификацию. Изложим только принципиальные особенности этих операций.

Вначале на ацетоновой колонне отделяется ацетон — продукт с наиболее низкой температурой кипения (56,2°С). Затем на другой колонне отделяют этанол (температура кипения 78,4°С). Несколько сложнее обстоит дело с выделением и обезвоживанием бутанола. Смесь бутанола и воды образует два слоя: верхний — раствор воды в бутаноле (80 % бутанола и 20 % воды), его называют “богатой смесью” и нижний — раствор бутанола в воде (8 % бутанола и 92 % воды), его называют “бедной смесью”. Разделение смесей производится в сосуде — разделителе. Перегонка и обезвоживание бутанола основаны на его свойстве перегоняться вместе с водой (водяным паром) в виде азеотропной смеси, кипящей при 93,4 °С и содержащей 59 % бутанола и 41 % воды. Таким образом, при перегонке “богатой смеси” с верхней части колонны вся вода удаляется в виде азеотропной смеси, а с нижней части отходит безводный бутанол, который затем окончательно очищается на бутаноловой колонне (температура кипения бутанола 117,7 °С). При перегонке “бедной смеси” из нижней части лютерной колонны отходит лютерная вода, а с верхней части — азеотропная смесь, направляемая потом в соответствующий сосуд — разделитель. Основной отход ректификации и всего производства — барда, содержит около 3 % сухих веществ, состоящих главным образом их азотистых соединений сырья. Ранее барда использовалась обычно для откорма скота, но затем на ряде заводов были построены дрожжевые цехи для выращивания на барде кормовых дрожжей.