Интенсификация процессов аэробного культивирования микроорганизмов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

отличаются от молотковых дробилок. Центробежные измельчители затрачивают почти в два раза меньше электроэнергии, снижается также наличие пылевой фракции в получаемом продукте.

Рабочие органы центробежного измельчителя представляют собой вращающийся ротор со штифтами и неподвижный диск с такими же штифтами. Измельчаемый материал через загрузочный патрубок поступает в измельчительную камеру - пространство между вращающимися подвижным диском и неподвижным. Измельчение продукта осуществляется действием вращающихся штифтов и отражательным ударом ускоренных частиц о жестко установленные штифты на неподвижном диске. Размолотый продукт центробежными силами выбрасывается из щели дисков к внутренним стенкам корпуса. Вращающийся ротор создает в камере измельчения завихрение воздушного потока, что способствует эффективности измельчения, охлаждению размолотого продукта и одновременно транспортировке его в патрубок выгрузки. На выходе патрубка создается избыточное давление, которое позволяет транспортировать измельченный продукт на небольшое расстояние [4].

Актуальной задачей является поиск новых схем технологического процесса, создание принципиально новых конструкций и рабочих органов машин, обеспечивающих существенное снижение энергозатрат на измельчение и позволяющих получать готовый продукт высокого качества.

Примером такой конструкции служит газодинамический измельчитель, называемый вихревой мельницей. В этой машине реализовано каскадное ударное измельчение при низких скоростях соударений, близких к порогу разрушения материала. При этих скоростях затраты энергии на образование новой поверхности минимальны. В вихревой мельнице используется сжатый воздух при давлении 0,2-0,6 МПа. Это позволяет

получать уникальные результаты при измельчении материалов, не допускающих локального разогрева и деструкции микрочастиц. В мельнице эффективно измельчаются хрупкие и пластичные виды сырья.

Принцип импульсного резания и скалывания зерна кукурузы, бобовых и злаковых культур с влажностью до 20% реализован в измельчителе зерна ИЛС-0,5.

Кроме дробления зерна к технологической операции измельчения относится плющение зерна. Его основное преимущество по сравнению с дроблением заключается в значительном снижении энергоемкости процесса измельчения. Плющение зерна в большей степени, чем дробление, повышает переваримость сухого вещества [5].

Для плющения применяют плющильные вальцовые станки, где используется принцип сжатия. Проходя через зазор между вальцами, зерно раздавливается в хлопья, оболочка его разрывается, скважность зерна возрастает, и оно становится доступнее для желудка животного. Отечественные производители предлагают широкую гамму плющильных станков ППТ-500М, П3-1,ПЭ-3, ЗП-500.

............. ЛИТЕРАТУРА

1. Черняев Н.П. Технология комбикормового производства. - М.: Колос, 1992.

2. Технология переработки зерна / Под ред. Г.А. Егорова. -М.: Колос, 1977.

3. Бутковский В.А., Мерко А.И., Мельников Е.М. Технологии зерноперерабатывающих производств-М.: Интерграф сервис, 1999.

4. Оборудование для производства муки и крупы: Справочник/Сост. А.Б. Демский, М.А. Бороскин, В.Ф. Веденьеви др.-СПб.: Профессия, 2000.

5. Ясенецкий В.А., Гончаренко П.В. Машины для измельчения кормов/Под ред. акад. ВАСХНИЛ Л. В. Погорелого-Киев: Тэхника, 1990.

Кафедра технологии переработки зерна и комбикормов

Поступила 15.03.02 г. ’''

576.8.093.1.002.237

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ А ЭРОБНОГО КУЛЬ ТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Н.К. ФИЛИППОВА, И.С. ВЛАДИМИРОВА,

В.М. ЕМЕЛЬЯНОВ., Р.Т. ВАЛЕЕВА

Казанский государственный технологический университет

Проблема совершенствования технологических процессов, повышения их эффективности актуальна для современной биотехнологии. Практический интерес представляют вопросы транспорта к клеткам мало-растворимых субстратов, имеющих низкие коэффициенты диффузии и высокие коэффициенты потребления [!].

Перспективным направлением является интенсификация аэробных микробиологических процессов за счет использования веществ, улучшающих условия аэрации в ферментационной среде [2, 3].

Цель настоящего исследования - поиск нового эффективного неионогенного поверхностно-активного вещества (НПАВ), интенсифицирующего массопере-дачу кислорода из газовой фазы в жидкость; изучение механизма его действия; проведение технологических испытаний НПАВ в ферментационных процессах, нуждающихся в улучшении снабжения культуральной жидкости (КЖ) кислородом!

Аэрация КЖ в аэробных процессах глубинного культивирования является мощным фактором, влияющим на процессы окисления и накопления биомассы микроорганизмов. Для исследования НПАВ были взяты процессы микробиологического окисления сорбита в сорбозу, выращивания пекарских и спиртовых дрожжей.

Вещества, способные интенсифицировать транспорт кислорода в биосистеме, должны удовлетворять

следующим основным треоованиям;

быть максимально безвредными ДЛЯ М И Кр О О р Г а Н И 3 ~ мов;

сохранять свою химическую структуру в ферментационной среде, т. е. иметь высокую химическую устойчивость;

обратимо сорбировать кислород и т. д.

После проведенного предварительного анализа литературных данных было выбрано НПАВ - эфир янтарной кислоты и полиоксиэтилированного высшего спирта. Это вещество хорошо растворяется в воде, используется в качестве эмульгатора в косметических средствах, солюбилизатора в пищевых эмульсиях, удовлетворяет первым двум основным требованиям.

Соответствие выбранного соединения третьему требованию изучали методом физической абсорбции, который позволяет определить сорбционные характеристики вещества, возможность выполнения им газотранспортной функции. Метод физической абсорбции заключается в регистрации с помощью мембранного кислородного датчика уровня насыщения воды кислородом в присутствии насыщенного или обескислороженного вещества. Насыщение кислородом или обескислороживание (азотом) раствора НПАВ осуществляли в течение 3-часовой аэрации при перемешивании.

Даны оценки скорости массопередачи кислорода в системе газ-жидкость с добавлением НПАВ в модельной химической реакции окисления сульфита. Известно, что максимальная скорость транспорта кислорода имеет место при максимальной движущей силе, т.е. при нулевой текущей концентрации кислорода в жидкости, именно такой случай реализуется в сульфитной модели [3]. Сульфитное число определяли балансовым методом по разности содержания кислорода во входящем и выходящем из аппарата газовых потоках. Парциальное давление кислорода измеряли оксианализа-тором ММГ-7.

Исследования проводили в лабораторном ферментере объемом 2 л, снабженном мешалкой, механическим пеногасителем, барботажным устройством, термостатом, оксианализатором, регистрирующими и контролирующими приборами. Измерения выполняли при постоянной температуре 30°С и при установившейся скорости окисления сульфита.

Технологические испытания НПАВ в процессе микробиологического окисления сорбита в сорбозу осуществляли в условиях качалочного культивирования при температуре 37°С, pH 4.0-4,9, скорости встряхивания 220 мин~!. Использовали питательную среду

следующего состава, %: Д-сорбит 47,0; аммоний азотнокислый 6,6; дрожжевой автолизат 1,3; кук. экстракт 0,5; водопроводная вода с pH до 7,0. Рабочий объем качалочных колб составлял 50 мл и был неизменным в каждом опыте, что моделировало равные условия мас-сообмена. Микробиологическое окисление Д-сорбита в I-сорбозу проводили в присутствии уксуснокислых бактерий Aceto-bacter Xylinum.

Технологические испытания НПАВ в процессах выращивания дрожжей проводили в условиях качалочного культивирования при температуре 28—30°С, pH 4,8-5,0, скорости встряхивания 220 мин-1. Исследовали культуры спиртовых дрожжей Sac. cerev. раса XII и пекарские дрожжи Sac. cerev. МДЗ. В качестве питательной среды использовали среду Ридер с добавлением дрожжевого автолизата.

Водный раствор НПАВ стерилизовали в автоклаве при 0,1 МПа в течение 0,5 ч. Стерильный раствор НПАВ вносили в КЖ в различных количествах для определения оптимальной концентрации. Параллельно проводили контрольные процессы по окислению сорбита в сорбозу и наращиванию дрожжевой массы. Подсчет клеток осуществляли в камере Горяева, концентрацию редуцирующих-, веществ (РВ, %) определяли методом Бертрана, активную кислотность - на рН-метре, концентрацию биомассы - на фотоколориметре ФЭК-2.

Методом физической абсорбции получены кинетические кривые, характеризующие скорость насыщения дистиллированной воды кислородом в присутствии насыщенного кислородом или обескислороженного раствора НПАВ. Внесение незначительного количества (1 %об.) обогащенного кислородом 20%-го раствора НПАВ приводило к увеличению скорости насыщения воды кислородом, что, по-видимому, связано с десорбцией кислорода из раствора НПАВ в водную фазу. При этом растворимость кислорода в воде не менялась, а процесс достижения равновесия ускорялся. При внесении в воду обескислороженного раствора НПАВ скорость абсорбции кислорода водой снижалась. Однако это не связано с образованием дополнительного меж-фазного сопротивления, которое создает слой НПАВ на границе раздела фаз, поскольку тогда внесение обогащенного кислородом раствора НПАВ не должно приводить к росту скорости насыщения воды кислородом.

Очевидно, что влияние НПАВ на скорость сорбции кислорода водой нельзя объяснить традиционными факторами: снижением поверхностного натяжения или увеличением диффузного сопротивления. Можно предположить, что наблюдаемый эффект связан с двумя процессами: растворением кислорода как в воде, так и в НПАВ, Причем соотношение скоростей этих процессов и определяет скорость изменения концентрации кислорода в воде в начальный период сорбции.

Метод физической абсорбции позволил определить способность исследуемого ПАВ насыщаться кислородом при повышенном п с! р 1ДI д с!Л Ь> 1 {О ДиВЛС кии и отдавать его при снижении последнего.

Количественная оценка скорости сорбции кислорода в присутствии исследуемого НПАВ дана с помощью сульфитного метода. На рисунке представлены экспериментальные зависимости коэффициента ускорения массопередачи кислорода (Х= N (опыт)/Лг (контроль), где N - сульфитное число) от концентрации ПАВ при различных режимах перемешивания (расход воздуха: кривая / -2 л/(л-мин); 2 - 1 л/'(л-мин)). Внесение незначительных добавок ПАВ интенсифицировало процесс окисления сульфита в 3 раза. При всех исследуемых режимах оптимальная концентрация ПАВ составляла

0,01 г/л. С ростом скорости перемешивания вклад ПАВ в интенсификацию массопередачи кислорода уменьшался. Можно предположить, что с увеличением мощности, диссипируемой в единице объема жидкости, время стадий абсорбции и десорбции кислорода ПАВ сокращалось, что и привело к снижению его вклада в ускорение транспорта кислорода. ^

3.5

і

■, .і-------------------------;---------------:

500 600 700 800 900 1000 1100 1200 об/мин

На основании проведенных модельных исследований можно констатировать, что максимальный вклад в массопередачу кислорода в системе газ-жидкость ПАВ вносило при низких массообменных характеристиках аппарата N = 2.. .3 г 02/(л • час).

Учитывая многогранность влияния ПАВ на массопередачу в сложной ферментационной системе, которое зависит от многих взаимосвязанных факторов, суммарный эффект их действия можно определить только экспериментальной проверкой конкретного НПАВ в исследуемом микробиологическом процессе.

Проведены технологические испытания по изучению влияния исследуемого вещества в процессах микробиологического окисления сорбита в сорбозу и вы-

ращивания пекарских и спиртовых дрожжей. Результаты показали, что во всех исследуемых процессах в присутствии НПАВ н&блюдзли сокращение продол-жительности лаг-фазы (фазы адаптации культуры к среде). Применение оптимальной концентрации НПАВ увеличило скорость окисления сорбита в сорбозу на 75,5%, удельную скорость роста пекарских и спиртовых дрожжей на 39 и 23%, а их биомассу на 51 и 47% соответственно. Микроскопия дрожжевых культур, выращенных с использованием НПАВ, показала увеличение гликогенсодержащих клеток на 20% по сравнению с контролем и сокращение количества мертвых клеток (менее 1%).

Таким образом, испытания на биологических объектах подтвердили перспективность применения НПАВ в процессах интенсификации аэробной ферментации микробной массы.

Предлагаемый способ является удобным решением проблемы повышения эффективности действующих технологий, прост в исполнении, не требует аппаратных реконструкций.

выводы

1. Исследована способность эфира янтарной кислоты и полиоксиэтилированного высшего спирта обратимо сорбировать кислород. Дана оценка влияния НПАВ на скорость массопередачи кислорода. Показано трехкратное увеличение последней с помощью НПАВ при низких массообменных характеристиках в аппарате.

2. Проведены технологические испытания НПАВ в микробиологических процессах, нуждающихся в улучшении аэрации. Установлена высокая эффективность его применения: сокращение продолжительности лаг-фазы, увеличение скорости окисления сорбита в сорбозу на 75,5%, увеличение биомассы дрожжей более чем на 47%.

ЛИТЕРАТУРА

1. Винаров АЛО., Кафаров В.В. Моделирование процессов ферментации ма малорастворимых субстратах // Обзор. Сер. ВМ. - 1978. - 60 с.

2. Шарифуллин В.Н., Владимирова И.С. Условия интенсификации массопереноса кислорода с помощью ПАВ // И Всесоюз. конф. «Процессы и аппараты для микробиологических производств».-Грозный, 1989.-С.25.

3. Виестур У.Э. Культивирование микроорганизмов. -М.: Пищевая пром-сть, 1980. - 231 с.

Кафедра химической кибернетики

Поступила 08.05.01 г.