Основная литература 1 Общая технология микробиологических производств /М. С. Мосичев, А. А. Складнев, В. Б. Котов. - М. : Лесная пр-ть, 1982. -263 с. 2 Технология микробных белковых препаратов, аминокислот и биоэнергия /И. М. Грачева, Л. А. Иванова, В. М. Кантере. - 2 -е изд. , перераб. и доп. - М. : Колос, 1992. -383 с. 3 Технология микробных белковых препаратов, аминокислот и жиров / И. М. Грачева, Н. Н. Гаврилова, Л. А. Иванова. - М. : Пищевая прть, 1980. - 448 с. 4 Биотехнология: Учебное пособие для вузов, в 8 кн. / Под ред. Н. С. Егорова, В. Д. Самуилова. Кн. 5: Производство белковых веществ / В. А. Быков, М. Н. Манаков, В. И. Панфилов и др. - М. : Высш. шк. , 1987. 142 с. 5 Биотехнология: Учебное пособие для ВУЗов, в 8 кн. / Под ред. Н. С. Егорова, В. Д. Самуилова. Кн. 6: Микробиологическое производство биологически активных веществ и препаратов / В. А. Быков, И. А. Крылов, М. Н. Манаков, и др. - М. : Высш. шк. , 1987. - 142 с. 6 Грачёва И. М. , Кривова А. Ю. Технология ферментных препаратов. -3 -е изд. перераб. и доп. - М. : Изд-во «Элевар» , 2000. - 512 с. 7 Раптунович Е. С. , Федоров Н. И Искусственное выращивание съедобных грибов. - Минск. : Высш. шк. , 1994. - 206 с. 1
Дополнительная литература 1 Промышленная микробиология: Учеб. пособие для вузов /З. А. Аркадьева, А. М. Безбородов, И. Н. Блохина и др. /Под ред. Н. С. Егорова. - М. : Высш. шк. , 1989. - 688 с. 2 Бекер М. Е. , Лиепиньш Г. К. , Райпулис Е. П. Биотехнология. - М. : Агропромиздат, 1990. - 334 с. 3 Елинов Н. П. Основы биотехнологии. - СПб. : Наука, 1995. 600 с. 4 Биотехнология: Учебное пособие для вузов / Под ред. Н. С. Егорова, В. Д. Самуилова. Кн. 2. Современные методы создания промышленных штаммов микроорганизмов / В. Д. Дебабов, В. А. Лившиц. - М. : Высш. шк. , 1988. - 208 с. 5 Теоретические основы биотехнологии: Биохимические основы синтеза биологически активных веществ/ Под ред. ИИ. М. Грачёвой. - М. : Элевар, 2003. - 553. 6 Глик Б. Пастернак Д. Молекулярная биотехнология: Принципы и применение. - М. : Мир, 2002. - 589 с. 2
Производство белка одноклеточных 3
Общая технологическая схема u u u u Подготовка сырья Приготовление питательной среды - для инокулюма - для основной ферментации Получение посевного материала (данная стадия – всегда стерильный процесс) Ферментация Выделение и концентрирование биомассы - сепарация или фильтрация - вакуум - выпаривание Сушка Витаминизация Фасовка и упаковка 4
Принципиально различаются стадии подготовки сырья, остальные стадии различаются мало: продуценты бактерии или грибы (дрожжи) 5
Субстраты для получения биомассы: u Целлюлозные субстраты (требуют большой предварительной подготовки перед использованием): - отходы переработки древесины (стружки, щепа, опилки) - отходы с/х (пшеничная солома, рисовая шелуха, кукурузная кочерыжка) - торф - отходы производства бумаги (предгидролизаты и сульфитный щелок) - штормовые выбросы водорослей 6
u Отходы пищевой промышленности, содержащие углеводы (не требуют большой подготовки): - меласса (50% сахаров) - отходы производства крахмала, патоки - молочная сыворотка - барда спиртовых заводов 7
u Углеводородное сырьё - очищенные n-алканы (парафины) «парекс» из дизельной фракции нефти - метан u Спирты и кислоты u СО 2 8
Получение кормовых белков на целлюлозосодержащих субстратах 9
ЕЖЕГОДНО в мире образуется 400 млрд. тонн биомассы эффективно используется не более 5% 10
Состав целлюлозосодержащего сырья: u u u u Полисахариды (40 -75%) - трудноутилизируемые – целлюлоза (2550% содержания полисахаридов) - легкоутилизируемые – гемицеллюлоза и пектиновые вещества (15 -40% содержания полисахаридов) Лигнин (15 -60% - в отвал) Экстрактивные вещества (смолы, жир, воск) Соли Азотистые вещества Пектин Витамины 11
Целлюлоза – линейный полимер глюкозы (150 - 15. 000 звеньев). Различают кристаллическую (состоит из высокоупорядоченных цепей полимера, связанных водородными связями, гидро-лизуется трудно) и аморфную целлюлозу. В воде не растворима, гидролизуется ферментами при комнотной температуре. В промышленности чаще всего кислотным или щелочным гидролизом. 12
В растениях волокна целлюлозы находятся в сырье защищены другими компонентами клеточной стенки, что создает определенные сложности для ферментативного гидролиза и требует использования комплекса ферментов. 13
Клеточная стенка водорослей 14
Гемицеллюлоза содержит от 3 до 200 звеньев полимерной цепи. Мономерами являются ксилоза, глюкоза, манноза, галактоза, уроновые кислоты (глюкуроновая). Мономеров может быть один (гомо-) или несколько (гетерополисахариды). Связи: β-1, 4; Β-1, 6; Β-1, 2; β-1, 3. Гемицеллюлоза – нерегулярный полимер. 15
Пектиновые вещества – кислые полисахариды. Мономер – галактуроновая кислота. Связь: α-1, 4 гликозидная. 16
Лигнин - один из самых устойчивых и широко распространенных органических полимеров в природе. Он накапливается в клеточной стенке и в промежутках между целлюлозными волокнами, что придает древесине дополнительную прочность и устойчивость к химическим воздействиям. В состав древесины входит от 17, 6% (Populus tremuloides Michx. ) до 39, 8% (Lophira alata Bauks. ex Gaertu. f. ) лигнина. Содержание лигнина в различных тканях растений различно и варьируется от 5% до 30%. 17
Лигнин - сложный трехмерный полимер фенольной природы, в котором оксифенилпропановые мономеры соединены между собой эфирными и С-С связями. Роль мономеров играют различные оксифенилпропановые спирты: конифериловый (в древесине хвойных деревьев), синановый (в древесине лиственных растений) и n-кумаровый (в травянистых растениях). 18
Мономеры лигнина 19
Структуру лигнина нельзя описать простой комбинацией одной или нескольких мономерных единиц с одним типом связи. В связи с этим структура лигнина является предметом моделирования. Последняя модель, построенная на основе информации полученной при изучении соснового (Pinus taeda) лигнина, включает 94 единицы (общая молекулярная масса более 17000). В лигнине можно насчитать двенадцать типов связей, причем более 50% из них это - -4 и - -4 связи. В настоящее время общепринята концепция которая утверждает, что структура лигнина является результатом случайного сочетания его предшественников. 20
Основные стадии подготовки гидролизатов для культивирования микроорганизмов u Измельчение сырья u Гидролиз u Охлаждение u Инверсия 21
Технологическая схема гидролиза целлюлозосодержащего сырья Измельчение производится разнообразными механическими способами: u резание u дробление u истирание u раздавливание и т. д. На этой стадии так же отделяются металлические включения – гвозди 22
23
Агрегат в работе 24
Гидролиз Производят в специальных аппаратах. Сегодня производится только химический гидролиз. Катализатор – 0, 5% Н 2 SO 4. Способы гидролиза: u периодический u Непрерывный В основном используется периодический способ, поскольку непрерывный технически более сложен 25
Периодические способы гидролиза u Стационарный u Оросительный u Перколяционный В основном используется перколяционный гидролиз. 26
Перколяция – одновременная подача кислоты на гидролиз и отбор гидролизата. Перколяция бывает: u Вертикальная u Вертикально – горизонтальная u Комбинированная 27
Степень гидролиза в аппаратах определяется по выходу редуцирующих веществ в % из единицы массы сухого сырья 28
Гидромодуль (модуль отбора гидролизата) – по нему можно сравнивать различные способы гидролиза. Это соотношение количества тонн гидролизата на 1 тонну абсолютно сухого сырья (древесины) 29
Основным аппаратом является гидролиз – апппарат. Бывают разного объёма: 20 -40 куб. м обычно используются для переработки с/х отходов u 40 -70 куб. м – для переработки древесины u ВСЕ аппараты имеют одинаковую конструкцию, независимо от объёма 30
Аппараты футеруются или изготавливаются из кислотоупорных материалов, устойчивых к высоким давлениям и температурам. В аппаратах не предусмотрены вращающиеся элементы. 31
Вертикальная перколяция 0, 5% р-р Сдув пара H 2 SO 4 Подающий луч Загрузочный люк Разгрузочный люк Отводной луч пар лигнин гидролизат 32
Горизонтальная перколяция 0, 5% р-р Сдув пара H 2 SO 4 Подающий луч Загрузочный люк Разгрузочный люк Отводной луч пар лигнин гидролизат 33
Комбинированная перколяция 0, 5% р-р Сдув пара H 2 SO 4 Подающий луч Загрузочный люк Разгрузочный люк Отводной луч пар лигнин гидролизат 34
Отбирающие (отводные) лучи выполняют роль фильтра, задерживающего лигнин (перфорация 4 мм). Порядок работы аппарата: u Загрузка u Продув щепы u Перколяция u Промывка лигнина водой u Сушка или отжим лигнина u Выгрузка лигнина 35
Загрузка сырья Загрузку сырья осуществляют через верхний люк по транспортёру, одновременно начинают подавать кислоту, смачивая сырьё, что повышает плотность загрузки на 57%, затем аппарат герметизируют. Продолжительность – около 40 минут. 36
Продув древесной массы Подают острый пар через нижний штуцер, давление в аппарате возрастает в конце выпускается пар через патрубок сдувки в сборник пара Продолжительность - около 50 минут 37
Перколяция Одновременная подача кислоты и отбор гидролизата. Вода, которая идет на приготовление варочной кислоты нагревается до 160 -170 ОС. В горячую воду подаётся конц. H 2 SO 4 сразу перед аппаратом. В процессе перколяции можно производить смену направления потоков. Продолжительность - около 50 минут 38
Промывка лигнина водой Прекращается подача кислоты на вход в аппарат, подаётся только вода. Продолжительность - около 40 минут 39
Сушка Прекращается подача воды, продолжается отбор гидролизата Продолжительность - около 40 минут 40
Выгрузка ( «выстрел» ) лигнина Частично сдувается пар и снижается давление в аппарате. Затем на несколько секунд открывают нижний клапан. Лигнин выгружается в циклон. Температура отбитраемого лигнина 150 -185 ОС. Цикл можно повторить (периодический процесс). 41
Охлаждние гидролизата Обычно производится на 3 -х ступенчатой испарительной установке до температуры 100 ОС. Образующийся пар идёт на нагрев варочной кислоты. Объём испарителей от 5 до 18 куб. м. 42
Испаритель гидролизат Пар – 10% гидролизата Вид сверху Трубка с расширением Охлаждённый гидролизат 43
Инверсия гидролизата – олигосахариды гидролизата гидролизуются до моносахаров. Варианты инверсии: При атмосферном давлении (6 -8 часов) u Под избыточным давлением (30 -40 минут) u Процесс протекает в аппаратах – инверторах (500 -1000 куб. м) 44
Аппарат – инвертор (атмосферный) пар Охлаждённый гидролизат осадок 45
Инверсия под избыточным давлением Испаритель второй ступени расчитывается так, чтобы гидролизат находился в нём 3040 мин при температуре около 100 ОС, р. Н=1, 3 -1, 4 и содержании РВ (70 -80% гексозы, 20 -30% пентозы) от 2, 5 до 3, 5% масс. 46
К РВ относятся и продукты дегидратации : пентозы – фурфурол, гексозы – оксиметилфурфурол. Это ингибиторы роста м/о. Их содержание должно быть минимальны – в идеале нулевым. 47
Подготовка гидролизатов к выращиванию м/о u Нейтрализация u Отстаивание u Охлаждение u Аэрирование u Отстаивание 48
Нейтрализация р. Н от 1, 3 -1, 4 до 4, 5 проводится в 2 -х последовательно соединенных аппаратах (с мешалками либо газлифтные). Нейтрализация в 1 -м аппарате ведется до р. Н=33, 2 известковым молоком, сульфат кальция выпадает в осадок. Для того, чтобы кристаллы были мелкие и не забивали трубопроводы вносят гипсовую затравку 250 г/куб. м сульфата аммония Во 2 -м аппарате р. Н до 4, 5 аммиачной водой, осадка не образуется Процесс нейтрализации можно вести непрерывно. Требуется отвод пара (теплота нейтрализации). u 49
Отстаивание Удаление осадка Температура гидролизата 80 -90 ОС Сливной желоб гидролизат Оссветленный гидролизат осадок 50
Охлаждение Можно производить на трубчатых или пластинчатых т/о но лучше в вакуум – охладителях, поскольку при этом удаляется чапсть фурфурола и на 5 -7% концентрируется нейтрализат 51
Аэрирование Производится в газлифтном аппарате С паром удаляется фурфурол и оксиметилфурфурол, образуется осадок (иногда требуется дополнительное отстаивание). Примеси затем можно выделить из конденсата. 52
Лучший способ удаления примесей вакуум-выпаривание: уходит 96% фурфурола (пдк 0, 04%) и весь оксиметилфурфурол (пдк 0, 1%в период. процессах 0, 2% в непрерывн. ). При этом получается гидролизат самого высокого качества 53
Состав гидролизатов. Получение предгидролизатов и сульфитных щелоков. Подготовка сульфитных щелоков как источника углерода для выращивания микроорганизмов. 54
Предгидролизаты При производстве бумаги удаляются гемицеллюлозы На 1 т целлюлозы 6, 5 куб. м предгидролизатов. В каждом куб. м которых содержится 160 кг сахаров (90% ксилоза). Это естественный субстрат для выращивания дрожжей. 55
Сульфитный щелок Отход производства бумаги – 6, 5 -8 куб. м на 1 т целлюлозы Смесь сахаров (продукты гидролиза гемицеллюлозы и частично целлюлозы), лигносульфонаты, соли, жиры. 2 -3% РВ, р. Н=1 -4. Содержит фурфурол гидросульфит кальция, серную кислоту, диоксид серы и др. примеси. 56
Требует подготовки для выращивания м/о: u u u Удаление волокон целлюлозы (не более 0, 05 г/л; любой фильтр) Инверсия (доп. Гидролиз, аналогично гидролизатам древесины) Десульфатация Окисление сульфитов в сульфаты (барботаж воздуха) Нейтрализация (до р. Н=4, часто м/б и не нужна; проводится аналогично) Удаление осадка (только в случае нейтрализации и образования осадка; аналогично) 57
Десульфатация u Диоксид серы – антисептик и его содержание не должно превышать 0, 005%. Выше этого щелок продувают 1 -1, 5 ч воздухом или паром. Продувку паром лучше вести в аппаратах с развитой поверхностью контакта фаз (тарелки). Удаляется около 50% диоксида серы. 58
Питательные среды u Углерод РВ 0, 8 -2% - смесь гексоз (70 -80%) и пентоз (20 -30%). В предгидролизатах и щелоках в основном пентозы. Желательно использовать субстраты отдельно. Порядок потребления веществ м/о: Глюкоза, уксусная к-та, манноза, ксилоза, галактоза, арабиноза. 59
Соли Как правило все микроэлементы уже есть в субстратах u Азот Вводится в виде аммонийных солей, количество расчитывается исходя из углерода u Фосфор и калий Вводятся в виде фосфата калия u р. Н оптимальное для дрожжей = 5 -5, 5 но делают 4, 2 -4, 6 для селективности среды u 60
На следующем занятии будут рассмотрены следующие моменты: Характеристика микроорганизмов, используемых для производства кормового белка на гидролизатах, предгидролизатах и сульфитных щелоках. Основные пути селекции культур. Микробные биоценозы при получении белка одноклеточных на гидролизных средах. Технологическая схема получения кормовых дрожжей на гидролизных средах. Характеристика готового продукта. 61
Скачать презентацию Основная литература 1 Общая технология микробиологических производств М
2.Гидролиз древесины.ppt