Лекція №7 оптимізація приготування виробничих дріжджів

1. Підбір, виділення і використання високоефективних штамів дріжджів.

2. Перспективні способи приготування виробничих дріжджів.

Підбір і виділення високоефективних штамів дріжджів є одним з найбільш ефективних шляхів інтенсифікації та оптимізації спиртового виробництва. Це обумовлено тим, що впровадження нових штамів мікроорганізмів в біотехнологічних процесах практично не потребує капіталовкладень і значних змін у технологічному режимі.

Вимоги до дріжджів, які використовують у виробництві спирту: висока бро­дильна енергія (дріжджі повинні швидко і повністю зброджувати цукри), анаеробний тип дихання, стійкість до продуктів свого обміну та продуктів обміну сторонніх мікроорганізмів, а також до змін складу середовища, здатність переносити ве­лику концентрацію солей та сухих речовин сусла, при переробці меляси повністю зброджувати рафінозу. Якщо дріжджі виділяють із зрілої бражки і використову­ють їх як хлібопекарські, то вони повинні мати високу генеративну здатність, відповідати вимогам до хлібопекарських дріжджів по стійкості при зберіганні, під­йомній силі, зимазній та мальтазній активності.

На спиртових заводах, які переробляють мелясу, використовують, дріжджі Saccharomyces cerevisiae раси Я, якщо дріжджі використовують як хлібопекарські — расу Лохвицьку (Ял) і Угорську (В). Ці дріжджі добре зброджують сахарозу, глюко­зу, фруктозу і тільки 1/3 рафінози, тому при великому вмісті рафінози у мелясі є значний недовихід спирту.

Для зброджування сусла із меляси на деяких заводах використовують дріжджі раси VЗО. Вона має високу генеративну здатність, може зброджувати рафінозу на 70...80%, а виділені із дозрілої бражки дріжджі мають кращі, ніж дріжджі раси В, хлібопекарські властивості. Крім того, вони здатні переносити високі концентрації сухих речовин у суслі та накопичувати у зрілій бражці більше спирту, бо вони більш повно зброджують цукри і менше накопичують гліцерину. Мальтазна актив­ність дріжджів раси VЗО більш ніж у 2,5 рази вища у порівнянні із дріжджами раси В.

Підвищення бродильної активності дріжджів може бути досягнуто різними способами: мутагенезом, гібридизацією та ін. Для одержання дріжджів із заданими властивостями найбільш перспективним є метод гібридизації, бо при схрещуванні двох батьківських видів дріжджів можна підібрати гібриди дріжджів із заздалегідь бажаними властивостями. Таким способом було одержано ряд гібридів, які мають переваги перед дріжджами рас Я і В. Гібриди мають фермент α-галактозидазу, під дією якої рафіноза повністю перетворюється у зброджувані цукри. Крім того, у деяких дріжджових гібридів підвищена генераційна здатність та кращі хлібопекар­ські властивості. Мальтазна активність гібриду 112 вища, але спирту він накопичує приблизно на 1% менше, ніж дріжджі раси В.

Гібриди 67 і 105 забезпечують однаковий вихід спирту в порівнянні із расою В і проявляють високу генеративну здатність. Дріжджі раси Г-67 більш стійкі до зниження рН середовища, при величині якого утворюється більше спирту внаслі­док скорочення витрат цукрози на побічні та вторинні продукти бродіння.

При зброджуванні сусла із крохмалевмісної сировини використовують дріжджі Saccharomyces cerevisiae раси XII. Вони добре зброджують мальтозу, сахарозу, глюко­зу і фруктозу, але не зброджують граничні декстрини. Гідроліз граничних декстринів продовжується під час зброджування сусла під дією декстринази солоду або глюкоамілази ферментних препаратів мікробного походження. Тому швидкість зброджування сусла із крохмалевмі­сної сировини лімітується швидкістю гідролізу граничних декстринів.

Велике практичне значення мають результати селекції термотолерантних рас дріжджів, які дозволяють прискорити процес вирощування виробничих дріжджів і зброджування сусла із крохмалевмісної сировини, частково гідролізувати і зброджувати граничні декстрини, збільшити вихід* спирту та зменшити витрати холодоагента. Такими дріжджами є, наприклад, Saccharomyces cerevisiae К-81 та Shizosaccharomyces роmbе 80, які виділені, досліджені та впроваджені на декіль­кох спиртових заводах. Оптимальна температура зброджування сусла цими дріжджами 35...36 °С. У зрілій бражці, одержаній з використанням термотолерантних дріжджів, міс­титься приблизно в 10 разів менше декстринів у порівнянні із контрольною браж­кою при використанні дріжджів Saccharomyces cerevisiae раси ХІІ. Термотолерантні дріжджі раси К-81 у 2...2,5 рази більше накопичують вищих спиртів і на 40...45 % менше гліцерину в порівнянні із расою XII. Дріжджі Shizosaccharomyces роmbе 80 накопичують у 10 раз менше вищих спиртів у порівнянні з расою XII.

Способами генетичної інженерії одержані високоефективні раси дріжджів, які мають амілолітичну активність. Промислове використання таких дріжджів дозво­лить суттєво прискорити процес зброджування сусла та зменшити витрати оцук­рюючих матеріалів.

Сусло для дріжджів за класичною технологією додатково оцукрюють, пасте­ризують і підкисляють сірчаною або молочною кислотою до рН 3,9...4,1. При такій технології інактивуються ферменти сусла, які складають біля 10 % від загальної їх кількості, введеної у виробництво, внаслідок чого частина крохмалю сировини не дооцукрюється і не зброджується дріжджами. На підкислення сусла витрачають дорогу і небезпечну в роботі сірчану кислоту, а на його пастеризацію й охолоджен­ня – значну кількість пари і води.

Розроблено технологію виробничих дріжджів, яка передбачає використання сусла дріжджів після його електрохімічної обробки. Апаратурно-технологічна схема установки електрохімічної обробки сусла (рис. 7) складається з діафрагменного електролізера 3, в якому катод 4 і анод 8 розділені діафрагмою 5. Електролізер має прямокутну форму. Блок електродів складається з розташованих вертикально перфорованих катодів з діаметром отворів 8...10 мм, сту­пінь перфорації 30...35 %. На поверхню катодів, звернену до аноду, наклеєна діаф­рагма, виготовлена з тканини "бельтинг". Поміж пари катодів розміщений анод. Від­стань між анодом і катодами 10...15 мм. Їх величина і кількість залежить від потуж­ності електролізера.

Сусло із оцукрювача насосом 2 безперервно подають в анодні камери 7 елект­ролізера 3, де воно перебуває в безперервному потоці 6...7 хв. і його рН знижується до 3,5...3,2. У катодні камери 6 подають воду. Із катодних камер католіт поступає в збірник і може бути використаний для приготування замісу. Аноліт (підкислене сусло) із анод­них камер 7 поступає в збірник 9. Електрорброблене сусло подають у дріжджанки насосом 2.

Оптимальна густина струму для електрохімічної обробки сусла становить 130...150 А/м², витрати електроенергії – 4,5...5,5 кВтгод/м³ сусла, тривалість обробки сусла – 6...7 хв.

У суслі для дріжджів, обробленому електрохімічним способом до рН 3,5...3,2, ферменти зберігаються в активному стані, вміст амінного азоту збільшуєть­ся на 8...10 %, амінокислот - на 30 %. Таке сусло має антисептичні властивості і тому виключається процес його пастеризації і підкис­лення кислотою. Питома швидкість розмноження дріжджів збільшується на 40...65 %, технологічний процес одержання вироб­ничих дріжджів скорочу­ється на 15...20 %.

Концентрація клітин у виробничих дріжджах у 1,7...2,5 рази більша в по­рівнянні з класичною тех­нологією, де передбачено підкислення сусла кисло­тою.

Технологія виробни­чих дріжджів з викорис­танням електрохімічної обробки сусла випробува­на на Вузлівському спиртовому заводі.

Запропоновано вирощувати виробничі дріжджі на обробленій електрохіміч­ним способом барді, рН якої становить 3,2...3,5. У такій барді вміст амінокислот збільшується на 45 % в порівнянні з вихідною бардою, підкисленою сірчаною кис­лотою до рН 3,9. Електрохімічно оброблена барда має антисептичні властивості і не змінює рН протягом 72 год.

Рисунок 7 – Апаратурно-технологічна схема електрохімічної обробки сусла

Для збагачення барди мінеральними поживними речовинами в оброблену до рН 3,5 барду додають карбамід і ортофосфорну кислоту в кількості 0,1 % до пере­робленого зерна. Виробничі дріжджі, вирощені на такому поживному середовищі, мали 160...185 млн/мл дріжджових клітин.

Приготування виробничих дріжджів на електрохімічно обробленій барді до­зволяє зекономити 50...70 кг зерна при виробництві 1000 дал спирту.

В анаеробних умовах на мелясному суслі дріжджі розвиваються повільно, тому їх вирощують при слабому аеруванні. Дріжджогенерування проводять у безперер­вному потоці при перемішуванні сусла. Свіже сусло поступає в дріжджогенератор, і зброджуване сусло із дріжджами виводиться із нього із однаковою швидкістю при постійному об'ємі. У таких умовах встановлюється динамічна рівновага між шви­дкістю розбавлення і швидкістю розмноження дріжджів. Підтримувати рівність µ=D (питома швидкість розмноження дріжджів дорівнює швидкості розбавлення сусла, яке зброджується) можна зміною швидкості притоку сусла, інтенсивністю аерування (швидкість насичення киснем) та інтенсивністю перемішування. Темпе­ратуру підтримують постійною – 28±1 °С.

УкрНДІСП разом із колективом Андрушівського спиртового комбінату розро­бив апаратурно-технологічну схему розмноження виробничих дріжджів (рис.8).

Вона включає 4...6 дріжджогенераторів із пневмоциркуляційними аераторами. Така кількість дріжджогенераторів дозволяє по черзі виключати їх для стерилізації без значного скорочення розрахункового об'єму виробничих дріжджів. Для безпе­рервного відводу виробничих дріжджів із дріжджогенераторів встановлені лійки 1, з'єднані із похилим колектором 3. Сусло для дріжджів вводять у дріжджогенератори з діаметрально протилежної сторони від місця розміщення лійки. Трубопровід для сусла проходить через кришку і закінчується над рівнем рідини, що зменшує ймовірність проскакування сусла з виробничими дріжджами. Притік сусла контро­люють за допомогою щілинного розходоміру 2.

Повітря надходить по центральному трубопроводу 5 і виходить із розподілю­вача повітря 6. Газорідинна суміш по внутрішньому циліндру 4 спрямовується вверх, а потім по міжкільцевому простору - вниз, спричиняючи інтенсивну циркуляцію зброджувалного середовища у вертикальному напряму.

Повітря До спиртоаловлювача

Сусло

У бродильний апарат Пара

Рисунок 8 – Апаратурно-технологічна схема розмноження виробничих дріжджів

Діоксид вуглецю і повітря із верхньої частини дріжджогенераторів відводить­ся по трубопроводу в піно- і спиртовловлювач. Усі дріжджогенератори з'єднані па­ралельно в батарею загальним колектором для відводу виробничих дріжджів із дрі­жджогенераторів, загальною нижньою спускною комунікацією, загальною повітровідводною лінією та комунікацією для підводу сусла. При дуже бурхливому піненні піну в дріжджогенераторах гасять олеїновою кислотою, соапстоком або ме­ханічними піногасниками.

Загальна місткість всіх дріжджогенераторів у залежності від направленості виробництва складає 20...35 % від сумарної місткості дріжджогенераторів і бродиль­них апаратів і повинна дорівнювати 20...25 % у випадку виробництва тільки спирту і 30...35 % - при виробництві поряд із спиртом хлібопекарських дріжджів.

Одним із шляхів оптимізації технологічного процесу на стадії приготування виробничих дріжджів і зброджування сусла є їх багаторазове використання. Досягти цієї мети можна шляхом іммобілізації клітин, в тому числі на різних механічних носіях. Використання іммобілізованих клітин дозволяє значно зменшити витрати вуглеводів на синтез біомаси, тобто збільшити вихід спирту. Недоліком такого способу є небезпека розвитку сторонньої мікрофлори.