Способ обработки сточных вод,образующихся при получении аминокислот ферментацией

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ТЕЛЬСТВУ

Сеюв Сееетснни

Сецналнстнчесвнк

Ресеублнк

<11874663 (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 01.0280 (21) 2877426/29-26 . с присОединением заявки Но— (23) Приоритет

Р1> W>3

С 02 F 3/02

Государственный коиитет

СССР ио делан изобретений н открытий

Опубликовано 23,1081. Ьюллетеиь N9 39 (53) УДК 628.356 (088,8) Дата опубликования описания 231081

В.Э.Стеркин, Ю.Д.Виханский, В.Г.Дебабов, Ю.Г;.Капульцевич, :

И.К.Черемухин, Г.Х.Тевелев, С.Н.Паршина/ Ю.A.Журин,, В.У.Рошаль, М.Г.Оганесян, A.Ã.Ìóðàäÿí, À..Ô.Øîëèí, Ф.Г.Саруханян, A.Ã.Ñåâîÿí и В.В.Манешин.

Всесоюзный научно-исследовательский ин кну т гайетики и селекции промышленных микроорганизмов (72) Авторы изобретения

P1) Заявитель (54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ СТОЧНЫХ ВОД, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ АМИНОКИСЛОТ

ФЕРМЕНТАЦИЕИ

Изобретение относится к микробиологической промышленности, в частности к способам биологической очистки и утилизации сточных вод производства аминокислот и получения на их основе биологически активных продуктов, пригодных для использования в животноводстве и птицеводстве в качестве белково-витаминной добавки к кормам.

При производстве различных .товарных форм аминокислот .с использованием микробиологического синтеза накапливается большое количество сточных вод, включающих капельный унос культуральной жидкости из ферментеров выходящим воздухом. Этот вид сточных вод содержит все компоненты питательной среды, в том числе углеводы, источники азота, различные аминокислоты, включая лизин. К сточным водам относятся также культуральная жидкость некачественных ферментаций, в первую очередь нестерильные ферментации с низким содержанием лизина в культуральной жидкости, операции, прерванные по различным техническим причинам, стоки с ионообменных колонн после выделения аминокислот иэ культуральной жидкости» Объем этого вида сточных вод в 3,5.-6 раэ превышает объем исходной кулвтуральной жидкос- ° ти, подаваемой в ионообменные колонны и прочие сточные воды, включающие стоки после промывки ферментеров, емкостей для хранения мелассы и т.д.

Все укаэанные виды сточных вод производства аминокислот содержат вещества, входящие в состав исходных питательных сред для выращивания продуцентов и не содержат токсические, препятствующие росту микроорганизмов вещества.

Известный способ обработки сточных

15 вод с использованием активного ила, который применяется при производстве аминокислот, в том числе и при производстве лизина и предусматривает их очистку на типовых очистных

20 .сооружениях $1) .

Однако процесс очистки трудоемок, включает стадии обработки в песколовках, азростенках и отстойниках, обработку в денитрификаторах в системе доочистки. Время пребывания сточных вод в системе очистных сооружений составляет не менее 5-6 сут (при оптимальном режиме), но и в этом случае не всегда удается дос30 тичь необходимой степени очистки .

874663 вследствие высоких значений ХПК (химическая потребность в кислороде) и

БПК (биолоГическая потребность в кислороде) сточных вод, превышающих

Десятки тысяч. мг О /л °

Известен способ утилизации сточных вод, образующихся при получении квашенной капусты. Согласно этому способу сточные воды подвергают не прерывной аэробной ферментации при помощи дрожжей. Получаемая дрожжевая биомасса используется в качестве белково-витаминной добавки при кормлении животных.

Способ утилизации сточных вод путем выращивания на их основе определенных микроорганизмов, в тех 15 случаях, когда это возможно, представляется наиболее целесообразным, поскольку такой способ не только улучшает состав стоков после отделения продуктов вторичного биосинтеза, но Я и позволяет получить дополнительную продукцию, что повышает экономические показатели производства в целом. Указанный способ переработки сточных вод позволяет также решить одну из важнейших проблем микробиологической промышленности — нахождение дополнительных источников сырья для микробиологического синтеза кормового и пищевого белка, аминокислот, кормовых антибиотиков и других продуктово (2 .

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ, касающийся .обработки сточных вод производства аминокислот H белковых гидролизатов путем их ферментации с помощью дрожжей родов Frichosporon, Candida . Foru1oysls, Pichia, Sac"

caromyces; Способ предусматривает периодическое или непрерывное культивирование дрожжей при интенсивной 40 аэрации и перемешивании. Условия ферментации таковы, что в конце процесса при оптимальных условиях культивирования дрожжей рода Frlchosporon дос тигается снижение ХПК и БПК на 75 И 4

90%, соответственно. Предварительно нейтрализованные стоки ферментируют при РН-3,6, температуре 26-40 С. Рост биомассы дрожжей осуществляют за счет остаточных углеводов, аминокис- 0 лот, источников азота и других компонентов стоков ГЗ.(.

Однако способ направлен. на достижение высокой степени очистки сточных вод, что возможно лишь при практически полной деградации компонентов сток, а том числе аминокислот, бетаиI на (в случае процесса получения аминокислот на мелассе), продуктов автолиза биомассы — продуцента основного продукта и других полезных веществ, содер- 60 жащихся в сточных водах.

Удовлетворяющие поставленной це- ли результаты получены при использовании дрожжей рода Frichosporon.

Дрожжи других РОдов плОхО или сОВ- 65 сем не растут на сточных водах в том числе в условиях непрерывного культирования. Это снижает эффективность способа при использовании смешанных культур, что необходимо для утилизации гетерогенных по составу сточных вод, разные фракции которых обеспечивают преимущественный рост одного из видов дрожжей. Кроме того, для увеличения эффекта очистки исходные стоки разбавляют водой в 3-10 раз.

Такой прием связан со значительным расходом чистой воды и не пригоден для промышленного использования.

Способ используется лишь для очистки стоков со сравнительно низкими значениями ХПК (порядка десятков тысяч), в то время как стоки после ио". нообменных колонн при получении лизина характеризуются величинами ХПК более ста тысяч мг О /л.

Цель изобретения — повышение выхода биомассы и экономичности процесса за счет сокращения расхода чистой воды.

Поставленная цель достигается тем, что сточные воды, образующиеся при получении аминокислот фермента,цией, подвергают. обработке дрожжами или Candida, или Pichia Kudriawzewi или Forulapsi,s или их смесью.

Культуральную жидкость концентрируют упариванием и высушивают на распылительной сушилке. Также возмож.-. но отделение биомассы сепарацией и фильтрацией. В конце описанного про-. цесса получают сухой продукт, аналогичный по своим свойствам белкововитаминным концентратам, применяемым в кормопроизводстве.

Предлагаемый способ обладает существенным отличием от известного, заключающимся в применении новых видов дрожжей, а также в том, что при реализации способа в ходе ферментации потребляются главным образом углеводы и источники Минерального питания. Значительное количество органических веществ, содержащихся в исходном Стоке, в том числе и остаточные аминокислоты, сохраняются в сухом продукте °

Способ осуществляют следующим образом., Сточные воды с различных стадий п1 оизводственного цикла, например стоки после ионообменного выделения лизина, культуральная жидкость после некондиционных ферментаций, жидкие выбросы из ферментеров и другие жидкие отходы производства, не содержащие токсических веществ, собирают в один или несколько сборников, снабженных перемешивающнми устройствами.

Для подготовки собранных усредненных стоков к процессу ферментации

РН доводят до 2,5-4,5 с помощью минеральной кислоты, например фосфорной или серной.:Уровень РН может

874663

45 быть также установлен растворами щелочи.

При необходимости в эти же емкости вносят дополнительные источники углерода, например мелассу, микроэлементов азота и фосфора в виде фосфорной кислоты или ее солей °

Затем подготовленные для ферментации стоки непрерывным потоком подают в один или несколько последователь но соединенных ферментеров.

Ферментацию проводят с помощью дрожжей.Candida Pichia Kudriawzewi и Foru!opsis sp.Fi-5, которые депо:нированы в Центральном музее IlpoMHIQ» ленных микроорганизмов Всесоюзного научно-исследовательского института генетики и селекции.промыаленных микроорганизмов, имеют регистрационные номера соответственно ЦМПМ У-261, ЦМПМ У-260 и ЦМПМ-259.

Выращивание осуществляют в аэроб.ных условиях при подаче в ферментер воздуха и перемешивании.

В связи с тем, что для получения сухого,не липкого продукта, необходимо утилизировать содержащиеся в сточных 25 водах сахара, .процесс ферментации ведут таким образом, чтобы рост био. массы лимитировать концентрацией са-. хара в среде или чтобы концентрация углеводов в конце ферментации не З0 превышала 0,5%.

Периодический процесс ферментации проводят в течение времени, необходи.— мого для потребления углеводов (550 ч).

3S

Непрерывный процесс проводят при рН-2,5-4,5 и при скоростях разбавления 0,05-0,35 ч ° Скорость разбавления подбирают в зависимости от химического состава стоков, главным обра-. зом содержания сахаров.

В случае, если концентрация сахаров в культуральной жидкости начинает превышать 0,5%, то снижают скорость разбавления.

Скорость разбавления, характеризующую соотношение абсолютной скорости протока к рабочему объему .фер-.. ментера, в данном процессе регулируют путем изменения рабочего объема ферментера: при необходимости снизить 50 скорость разбавления увеличивают объем культуральной жидкости в аппарате, если нужно увеличить скорость разбавления, уменьшают объем культуральной жидкости в аппарате. Такой способ регулирования скорости разбавления позволяет вести процесс с необходимой абсолютной скоростью протока, что обеспечивает переработку всего .объема сточных вод.

d0

В процессе ферментации происходит потребление углеводов, источниКов азота, фосфора, микроэлементов и других компонентов, сточных вод, необходимых для роста биомассы мик- 65 роорганизмов. В результате перехода указанных растворенных веществ в микробную биомассу происходит .улучшение состава сточных вод и снижение

ХПК и БПК на 35-60%. Полученную после ферментации культуральную жидкость подвергают упариванию на 30-55% сухих веществ, затем высушивают на распылительной сушилке или другими известными способами.

Полученный продукт содержит до 2040% белка, аминокислоты, витамины и другие применяемые в кормопроизводстве коМпоненты.

КОнечный продукт также может быть получен в виде жидкой барды путем упаривания культуральной жидкости до концентрации сухих веществ не менее

20%. Упаривание предпочтительной сепарации, поскольку в этом случае в конечном сухом продукте сохраняются все полезные вещества, указанные выше. Основным отходом такого процесса является конденсат с выпарных установок, который может быть использован для разбавления стока или, частично, для приготовления питательной среды для основной ферментации лизина и других технологических целей.

Пример 1. Ферментации подвергают сток, полученный после сорбции лизина в ионообменной колонне со смолой КУ-2-8. В стоке содержится 50 г/л сухих веществ, из которых 8,5 г/л составляют углеводы, главным образом сахароза, рН стока 3,5.

Посевную культуру дрожжей Cand.ida

Sp.E3-3 с титром до 1х10 кл/мл в количестве 5-10% по объему переносят в ферментер для непрерывного культивирования, содержащий исходный сток или сток, в который дополнительно добавлены некоторые компоненты питательной среды (источники фосфора, КС1 микроэлементы) в случае нехватки в исходном стоке. ферментацию проводят в периодическом режиме в течение 4 ч при интенсивной аэрации, рН-3,5, температуре

37-40 С. Указанное значение рН поддерживают при помощи 12%-ного раствора аммиака.

Затем осуществляют процесс выращивания дрожжей путем непрерывной подачи в ферментер стока с ионообменной колонны. Со скоростью,. равной; скорости притока, из ферментера отбирают культуральную жидкость, содержащую продукты утилизации компонентов стока, главным образом в виде биомассы дрожжей.

Непрерывный процесс проводят в диапазоне скоростей разбавления

0,07-0,3 ч . Скорость протока после-.

-.1 довательно увеличивают до повышения концентрации сахара в культуральной жидкости до 0,01-0,15%. В таблице приведены параметры процесса ферментации при разных скоростях разбавления.

874663

Иэ приведенных данных видно, что исходный сахар потребляется на 7590%. Выход биомассы в расчете на потребленный сахар достигает 0,8 и значительно превышает теоретическое.

Значение этого показателя для дрожжей, выращиваемых в аэробных условиях (выход характеризует количество синтезируемой биомассы в граммах в расчете на 1 г использованного вещества, в данном случае сахара) . Типичный выход для аэробной ферментации составляет 0,6. Расчет показывает, что до 30-35% углерода биомассы поступает из других углеродсодержащих компонентов стока, что улучшает химический состав стока. 15

Для данного стока оптимальной является скорость разбавления 0,2 ч поскольку при этом режиме достаточно высокая продуктивность синтеза биомассы, 0,92 г/л ч и допустимая 20 концентрация остаточного сахара и культуральной жидкости 0,12%.

Культуральную жидкость после ферментации упаривают на роторном испарителе до 45% сухих веществ и высушивают на распылительной сушилке.

Полученный продукт обладает характерным дрожжевым запахом, имеет светло-коричневый цвет, не слипается на открытом воздухе. 30

Пример 2. Процесс осуществляют в соответствии с примером 1, отличием является то, что для ферментации стока используют смесь видов дрожжей Candida sp EL-1, Foruiopsis

sp E1-5 и Pichia Kudriawzewi Е1-4.

Для интенсификации процесса к стоку, состав которого приведен в примере 1, дополнительно добавляют фосфорную кислоту в количестве 1 мл/л, используемую в качестве источника фос-40 фора.

Культивирование смеси культур проводят при температуре 38 С рН-3,23,5, расходе воздуха 0,5-0,8 объема на объем культуральной жидкости прн скорости вращения мешалки 600800 об/мин.

Концентрация биомассы при скорости разбавления 0,2 ч-" составляет

5,1 r/ë, продуктивность процесса—

1 г/л ч. Культуральную жидкость упаривают до 40% сухих веществ и высушивают на распылительной сушилке.

Пример 3. Ферментации подвер- 55 гают промышленные сточные воды, получен1%ые после ионообменного вселения лизина в колонне объемом 25 м . Полученные сточные воды содержат 8,7% сухих веществ, 0,8% углеводов, 2,7 г/л лизина, имеют рН 1,5. dO

Ферментацию проводят B ферментере . объемом 5 м9. Сточную воду вносят в ферментер, доводят рН до 3,5 концентрированным раствором НаОН, вносят фосфорную кислоту в количестве О, 5 л/м 65 и стеарилизуют при 120 С в течение

40 мин.

Охлажденную питательную среду засевают смесью указанных в примере 2 видов дрожжей в количестве 0,4%. Ферментацию осуществляют при рН-3,2-3,4, температуре 38-40 С, аэрации воздухом со скоростью до 0,5 об/мнн, в течение 20 ч.

За указанное время полностью потребляются углеводы и концентрация биомассы дрожжей достигает 8,0 кг/м, концентрация лизина 3,0 г/л.

Полученную кулвтуральную жидкость высушивают на промышленной распылительной сушилке. Сухой продукт темнокоричневого цвета имеет содержание ис1тинного белка 25%, сырого протеина

50%, лизина 3,35%, сухих веществ 96,4%.

Пример 4, Ферментации подвер-. гают сточные воды, полученные после ионообменного выделения триптофана из культуральной жидкости. Сточные воды содержат 2,5% углеводов и имеют рН-2,5.

После доведения рН до 3,3 концентрированным раствором йаОН и стериализации в автоклаве при 110 С в течение 40 мин охлажденный сток засеР вают смесью указанных в примере 2 видов дрожжей, или каждым из них в отдельности. Ферментацию проводят в колбах объемом 250 мл на качалке при

240 об/мин при температуре 38 С в течение 30 ч. При потреблении углеводов на 70-90% концентрация биомассы в конце процесса составляет 1014 г/л..

Полученную культуральную жидкость упаривают до 40% сухих веществ и высушивают на распылительной сушил-, ке. Полученный сухой продукт белого цвета с содержанием сухих веществ

97% не гигроакопичен, имеет специфический дрожжевой запах.

Пример 5. Ферментации подвергают сточные воды после некачественной ферментации лизина. Культуральная жидкость содержала биомассу продуцента лизина, имела высокое содержание сахаров до 3,5% и характеризовалась КПК 160000 мг. О /л.

Для проведения ферментации к стоку дополнительно добавляют сернокислый магний в концентрации 200 мг/л.

Процесс ферментации осуществляют непрерывным способом на установке из двух последовательно соединенных ферментеров при интенсивной аэрации н перемешивании, рН-3,2, температуре 35-38аС. Средняя скорость протока составляет 0,15 ч ".

Для ферментации стока используют смесь дрожжей, указанных в примере 2.

При описанных условиях проведения процесса углеводы потребляются на 80-85%, при этом концентрация биомассы дрожжей достигает 22-24 г/л, продуктивность 3,6 г/л ч.

874663

Скорость разбавления, ч

Параметры процесса!

0i3 .

0,11

0,07

0,14 0,2

Концентрация углеводов в стоке, %

0,75

0,75

0,75 0,75

0 75

0,08

Остаточная концентрация углеводов в ферментере, %

0,08

0,08

0,12

0,2

Количество потребленных углеводов, %

90

86 74

Концентрация биомассы, г/л

5,2

5,5

5,4

4,6

3,5

Скорость потребления углеводов, г/л

0,94

0,47

1,26 ° 1,5

0,92 1,05

0,74

Продуктивность биомассы, г/л ч

° 0,61

0,36

0,76

Производительность процесса, г/л ч

5,5

0,8

3 5

0,78

10,0

15,0

7,0

0,6

Выход биомассы, r/ã

0,8

0,73

К

Производительность процесса выражает общую скорость выхода сухого вещества из аппарата (равна произведению скорости разбавления на общую концентрацию сухих веществ в культуральной жидкости).

2. Заявка Франции 9 3724312, кл. С 02 С 5/10, 1977.

3. Патент Франции Р 2356603, кл. С 02 С 5/10, 1977.

Составитель Т.Лебедева

Техред М.Голинка . Корректор М.Шароши

Редактор А.Шишкина

Заказ 9242/38 Тираж 1010 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", r.Óæãoðîä, ул.Проектная,4

Полученную после ферментации культуральную жидкость упаривают до

40% сухих веществ и высушивают на распылительной сушилке. Сухой продукт не гигроскопичен,имеет содержа.ние протеина 45%.

Представленные примеры показывают, что использование предлагаемых штаммов дрожжей позволяет утилизировать до 90% сахара.и другие источники питания, содержащиеся в сточных водах производства аминокислот, ие формула изобретения

Способ обработки сточных вод, обра-45 зующихся при,получении -аминокислот ферментацией, путем обработки дрожжами, отличающийсятем, что, с целью повышения выхода биомассы и экономичности процесса за счет сокращения расхода чистой воды, в качестве дрожжей используют или Candida, или Pichia Kudriawzewi, или

Forupsis или их смесь.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Ф уменьшая содержания в них таких цен--, ных продуктов как лизин. Использова ние смешанных культур дрожжей обеспечивает высокую эффективность утилизации стока независимо от изменения состава стоков. Эффективная утилиза- ция дрожжей сахара позволяет с помо-. щью упаринания и последующей сушки культуральной жидкости получать сухой продукт, который можно использовать как кормовой белок в животноводстве.

1. Долобовская A.Ñ. Влияние факторов внешней среды на формирование свойств активного ила. Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Микробно» логические методы борьбы с загрязнениями окружающей среды", Пущино, 1979, 170-172.