Способ микробиологической переработки отходов ректификационной очистки спирта с получением белковой биомассы

 

Изобретение относится к микробиологической промышленности. Способ предусматривает аэробное выращивание микробиологических культур на питательной среде, содержащей до 0,8-1,5% углеродсодержащего сырья, в качестве которого используют смесь головной фракции этилового спирта и сивушного масла, взятых в соотношении от 1: 0,5 до 0,5:1 соответственно. Углеродсодержащее сырье предлагается подавать в процессе выращивания циклически. Время цикла 0,5-1,5 часа. Амплитуда циклической подачи - от 0,3 до 1% от протока. Время максимальной подачи 0,2-1 ч. Используют дрожжи Candida lipolytica ВКПМ-Y-2206, Candida utilis ВСБ-651 и бактерии Rhodococcus erythropolis ВКПМ-S-1379. Аэробное выращивание проводят в непрерывном процессе со скоростью протока питательной среды D=0,1-0,3 ч^-1. Температура 28-33^oС, рН 4,5-5,0. Уровень аэрации 0,5-1,0 об/(об•мин). Способ позволяет достичь практически полной утилизации эфиров, альдегидов (до 95%). 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к микробиологической промышленности, а именно к способам получения биомассы из углеродсодержащего сырья, и может быть использовано для получения белкового кормового продукта из отходов спиртовой промышленности - головной фракции этилового спирта и сивушного масла.

Отходы ректификационной очистки спирта, головная фракция и сивушное масло в своем составе содержат до 75% этилового спирта. Количество отходов составляет приблизительно 1,5% от всего объема производимого этанола микробиологическим способом. В настоящее время объем производимого этилового спирта в России растет, а следовательно, увеличивается количество отходов, которые необходимо эффективно перерабатывать.

Существует большое количество патентов, касающихся синтеза биомассы дрожжей или бактерий на этаноле. Известно выращивание дрожжей Hansenula anomola при температуре Т= 35-38^oС на этиловом спирте (Information ChimieHelpdo, 1976, 423, с. 12). Выход биомассы от субстрата при этом составляет 75%, содержание сырого протеина в биомассе - 60-66%. Наиболее известен способ получения белка одноклеточных на этиловом спирте, в котором в качестве продуцента рекомендуется использовать дрожжи С. utilis. Средний выход биомассы от субстрата 70-75% (Патент Великобритании 1375189, 1974).

Известен способ получения лимонной кислоты на головной фракции этилового спирта и сивушном масле (Н.А. Филоченов, Т.Е. Арзуманов, В.А. Самойленко, Т. В. Финогенова. "Синтез лимонной кислоты дрожжами Yaro vialipolytice при использовании различных видов этанолсодержащего сырья". Биотехнология, 1998, 1, с. 57-61). В работе показано, что дрожжи потребляют субстрат и накапливают белок на всех средах, содержащих этанол, включая эфироальдегидную фракцию (смесь головной фракции этилового спирта и сивушного масла). Однако выход от субстрата был низкий, составлял 50%. Содержание белка в продукте составляло 45%. Степень утилизации 89-90%.

Таким образом, в настоящее время не существует эффективного способа утилизации отходов спиртового производства: головной фракции этилового спирта и сивушного масла, выход белковой массы низкий, составляет 50%.

Задача, решаемая использованием настоящего изобретения, состоит в разработке промышленного способа микробиологической переработки отходов спиртового производства - головной фракции этилового спирта и сивушного масла.

Технический результат, получаемый при реализации изобретения, состоит в получении белкового кормового продукта на отходах спиртового производства - головной фракции этилового спирта и сивушного масла - с высоким выходом от субстрата и высокой степенью утилизации отходов.

Для достижения указанного технического результата предложено на отходах ректификационной очистки спирта выращивать микроорганизмы непрерывно на питательной среде, содержащей до 0,8-1,5% углеродсодержащего сырья с использованием в качестве такового сырья смеси головной фракции этилового спирта и сивушного масла, взятых в соотношении от 1:0,5 до 0,5:1 соответственно, причем субстрат подают в процессе выращивания циклически, а время цикла составляет 0,5-1,5 часа при амплитуде циклической подачи от 0,3 до 1% от протока, при этом время подачи максимального количества составляет 0,5-1 часа.

В качестве микробиологических культур используют дрожжи Candida utilis ВСБ-651, Candida lipolityca ВКПМ-Y-2206, бактерии Rhodococus erythropolis ВКПМ-S-1379.

Аэробное выращивание проводят в непрерывном процессе со скоростью протока D=0,1-0,34 ч^-1, Т=28-33^oС, рН 4,5-5,0, уровня аэрации 0,5-1 об/об•мин.

Возможно колебание соотношения головной фракции и сивушного масла в интервале от 1:0,5 до 1:1 соответственно, что позволяет поддерживать на ферментации концентрацию альдегидов, эфиров, метанола ниже критической. Субстрат предлагается подавать циклически, цикл - 1 час, время положительной амплитуды составляет от 0,5 часа до 1 часа, амплитуда колебаний поддерживается от 0,3 до 1% от протока. Выбранные параметры циклической подачи позволяют осуществлять более полную утилизацию головной фракции и сивушного масла, вызывая активацию ферментных систем в клетке глиоксилатного шунта. Увеличение концентрации ацетил-КоА в клетке на стадии максимальной подачи субстрата приводит к ускорению конструктивного обмена в клетке, соответственно к повышению содержания в клетке белков, витаминов и увеличению скорости роста культуры, к повышению выхода.

Приведенные выше штаммы дрожжей и бактерий: Candida lipolytica ВКПМ-Y-2206, Candida utilis BCБ-651, Rhodococcus erythropolis ВКПМ-S-1379 - известные штаммы, депонированные в коллекциях ГОСНИИСинтезбелок и во Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов.

Дрожжи Candida lipolytica ВКПМ-Y-2206 - аэробы, на твердой питательной среде (сусло-агаре) через 1-2 суток после начала выращивания образуют колонии кремоватого цвета с ровными краями. Утилизируют глюкозу, этиловый спирт, углеводороды, сахарозу, требуют для своего роста присутствие в среде источников биотина. Способны синтезировать лимонную кислоту.

Дрожжи Candida utilis ВСБ-651 на твердой питательной среде через 2-е суток после начала роста образуют колонии, диаметром 3 мм белого цвета. Утилизируют углеводороды, широкий спектр сахаров. Характеризуются высокой удельной скоростью роста 0,26 ч^-1.

Бактерии Rhodococcus erythropolis ВКПМ-S-1379 на твердой питательной среде (мясо-пептонный агар) образуют через 2-е суток после начало роста колонии с неровными краями желтоватого цвета. При росте на жидкой питательной среде образуют цепочки из кокков, встречаются также и одиночные клетки. Утилизируют углеводороды, сахара, не обладают амилолитической активностью.

Сведения, подтверждающие возможность предлагаемого изобретения Пример 1 Штамм дрожжей Candida utilis ВСБ-651 выращивали в аппарате: объем аппарата Vp= 20 л, температура Тсреды=30-320^oС, рНсреды=4,5-5,0, расход воздуха 1000-1100 л/ч, обороты мешалки 1000 об/мин. Выращивание проводят на питательной среде, содержащей сернокислый аммоний 6 г/л, фосфорнокислый однозамещенный калий 2 г/л, сернокислый магний 0,5 г/л, сернокислое железо, водное 0,002 г/л, сернокислый марганец 0,005 г/л, сернокислый цинк 0,005 г/л.

Схема циклического процесса представлена на чертеже.

Амплитуда циклической подачи (SA+, SA-) 0,5% к протоку. Время цикла (Тц) 1 час, время подачи ТА+ и ТА- 0,5 часа, рН поддерживали за счет титрования 6% аммиачной водой, концентрация источника углерода 1,5%, соотношение головной фракции и сивушного масла 0,5:1.

Процесс проводили непрерывно, в пробах определяли концентрацию биомассы, концентрацию сырого протеина, (% С) П, концентрацию остаточного этанола (%), концентрацию остаточных эфиров, (%), концентрацию остаточных альдегидов. В результате выращивания выход от субстрата составил 71,2%, средняя удельная скорость роста культуры составила 0,25 ч^-1, содержание остаточного этанола 0,01. Концентрация альдегидов, эфиров - следы. Концентрация сырого протеина составила 54,1%. Степень утилизации 92%.

Пример 2 Процесс выращивания проводили так же, как и в примере 1, величина положительной амплитуды (SA⁺) составила 0,8%, величина отрицательной амплитуды (SA-) - 0,3%. Время цикла 0,5 часа. В результате выращивания выход от субстрата составил 73%, D= 0,25l ч^-1, содержание остаточного этанола 0,01%, эфиры, альдегиды - следы. Содержание белка 53,9%. Соотношение головной фракции и сивушного масла 1:1, степень утилизации 95%.

Пример 3.

Штамм бактерий Rhodococcus erythropolis ВКПМ-S-1379 выращивали в аппарате так же, как и в примере 1, при этом концентрация сырого протеина составила 58,3%, а степень утилизации отхода ректификованной очистки - 94%.

Пример 4.

Штамм дрожжей Candida lipolytica ВКПМ-Y-2206 выращивали так же, как в примере 1, при этом концентрация сырого протеина составила 54,2%, степень утилизации отхода ректификационной очистки - 92% Контроль В контрольном опыте выращивание проводили непрерывно без циклической подачи субстрата. Удельная скорость роста 0,24 ^-1, источник углерода составил 1,5%. Выход составил 57%, содержание сырого протеина 53,2%, остаточное содержание этанола 0,17%, эфиров 0,095%, альдегидов - следы. Степень утилизации 80%. Таким образом, использование циклической подачи эфироальдегидной фракции позволяет повысить выход биомассы от углеродного субстрата до 73%.

Итак, в результате реализации предлагаемого способа микробиологической переработки отходов спиртового производства - головной фракции этилового спирта и сивушного масла - можно достичь практически полной утилизации эфиров, альдегидов. Степень утилизации составляет 95%. Содержание белка в биомассе 54%. Выход биомассы от углеродсодержащего субстрата 73%.

Формула изобретения

1. Способ микробиологической переработки отходов ректификационной очистки спирта, предусматривающий аэробное выращивание микробиологических культур на питательной среде, содержащей источники N, P, Mg, Zn, Fe, K, до 0,8-1,5% углеродсодержащего сырья, в качестве которого используют смесь головной фракции этилового спирта и сивушного масла, взятых в соотношении от 1: 0,5 до 0,5: 1 соответственно, причем углеродосодержащее сырье подают в процессе выращивания циклически, а время цикла составляет 0,5-1,5 ч, при амплитуде циклической подачи от максимального количества 0,3 до 1% от протока, причем время подачи составляет 0,5-1 ч.

2. Способ по п.1 отличается тем, что в качестве микробиологических культур используют штаммы дрожжей Candida lipolytica ВКПМ-Y-2206, Candida utilis ВСБ-651 и бактерий Rhodococcus erythropolis ВКПМ-S-1379.

3. Способ по пп.1 и 2 отличается тем, что аэробное выращивание проводят в непрерывном процессе со скоростью протока питательной среды D=0,1-0,3 ч^-1 при температуре Т=28-33^oС, рН 4,5-5,0 и уровне аэрации 0,2-1,0 об/(об•мин).

РИСУНКИ

Рисунок 1