содержание   ..  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  ..

Культивирование дрожжей в производстве спирта из мелассы

Размножение чистой культуры дрожжей

Дрожжи размножаются из чистой культуры, получаемой в пробирках из научно-исследовательских институтов и лабораторий. Зимой чистую культуру готовят на сусло-желатине, летом – на сусло-агаре. Во втором случае вместе с чистой культурой завод получает запаянную ампулу со стерильным суслом, которым смывают дрожжи с поверхности сусло-агара после выдерживания пробирки с чистой культурой, залитой этим суслом, при температуре 30°С в течение 2-3 ч.

Чистую культуру дрожжей на спиртовых заводах, вырабатывающих спирт без выделения хлебопекарных дрожжей, размножают по следующей схеме:

В лабораторных условиях дрожжи из пробирки размножают на стерильном сусле до объема 3 л, соблюдая микробиологическую чистоту. Затем их пересевают в четыре трехлитровые бутыли: из одной дрожжи направляют в аппарат чистой культуры (АЧК-1) для дальнейшего размножения, а три хранят при температуре от +2 до -4°С для последующей замены дрожжей. Когда в холодильной камере остается последняя бутыль, из нее снова дрожжи пересевают в четыре бутыли. Таким образом, размножают дрожжи в течение месяца. Чистую культуру дрожжей из пробирки разводят один раз в месяц.

Режим размножения чистой культуры дрожжей для спиртовых заводов, перерабатывающих мелассу по однопоточной схеме, показан на картинке.

При размножении чистой культуры дрожжей в пробирках применяют неподкисленное сусло из измельченного сухого ячменного солода. Для размножения чистой культуры во второй-четвертой стадиях используют мелассное сусло с добавлением перед стерилизацией 10% по объему солодового сусла; в пятой-седьмой стадиях – мелассное сусло с добавлением фосфорного и азотистого питания (ортофосфорной кислоты и карбамида).

Сусло готовят на воде, отвечающей требованиям, предъявляемым к питьевой. После стерилизации в специальных аппаратах при температуре 95-100ºС в течение 1 ч. его охлаждают до 30°С. Во время охлаждения сусла принимают меры предосторожности против проникновения посторонней микрофлоры: воздушники в АЧК-1 и АЧК-2 закрывают биофильтрами.

АЧК-2 после введения в него дрожжей из АЧК-1 наполняют стерильным мелассным суслом в три приема (тремя «подмолодками»), так как количество задаваемых дрожжей составляет только 2-2,5% полезного объема АЧК-2. Объем первой «подмолодки» составляет 50, второй – 30, третьей – 20% полезного объема АЧК-2. Размножение в аппаратах чистой культуры ведут таким образом, чтобы к моменту передачи дрожжей в следующий аппарат содержание спирта в среде не превышало 2,5-3 об.%, т.е. видимая концентрация сухих веществ бражки была бы на 4,5-5% ниже начальной.

Из АЧК-2 передают 80% дрожжей в АЧК-3, а 20% – в другой АЧК-2, в котором параллельно с прохождением седьмой и восьмой стадий постепенно разводят дрожжи в течение 2 сут. доливом стерильного мелассного сусла тремя «подмолодками», так же как и в первом АЧК-2. При отсутствии второго АЧК-2 дрожжи (20%) оставляют в первом АЧК-2, куда добавляют «подмолодку».

Через 2-3 сут. после включения дрожжегенераторов в работу дрожжи обменивают размножением чистой культуры в АЧК-3, куда помещают дрожжи из второго АЧК-2. Для следующего обмена дрожжей размножение начинают с АЧК-1, куда помещают дрожжи из бутылей, хранящихся в холодильниках. При наличии цехов хлебопекарных дрожжей проводят 10-12 обменов дрожжей в бродильной батарее, без таких цехов – 3-4 раза в месяц. Аппараты чистой культуры изготовляют из нержавеющей стали или алюминия.

Типовая технологическая схема размножения чистой культуры дрожжей включает в себя один стерилизатор вместимостью 1000 л и две самостоятельные линии аппаратов чистой культуры, каждая из которых состоит из трех аппаратов вместимостью 20, 1000 и 5000 л, что позволяет сбраживать мелассу по двухступенчатому способу с применением двух рас дрожжей.

Все аппараты имеют аэраторы, теплообменники, воздушники с биофильтрами, люки для чистки, трубопроводы для подачи среды из одного аппарата в другой при помощи сжатого воздуха, указатели уровня, дистанционные самопишущие термометры.

Разведение дрожжей по однопоточной схеме проводят следующим образом. В АЧК-1 набирают около 15 л стерильного сусла из стерилизатора, повторно его стерилизуют закрытым обогревом, охлаждают до 30ºС и вводят в пламени факела засевные дрожжи из трехлитровой бутыли. Через 24 ч бродящую среду с дрожжами по стерильному трубопроводу спускают в АЧК-2, куда предварительно набирают стерильное сусло (1/3 объема). Дрожжи в этом аппарате размножаются при слабом периодическом аэрировании стерильным воздухом. Наполняют АЧК-2 стерильным суслом в три приема (тремя «подмолодками»): через 24, 12 и 8 ч.

Бродящее сусло с дрожжами передают стерильным сжатым воздухом в АЧК-3, предварительно заполненный стерилизованным суслом. Размножение дрожжей продолжается примерно 18 ч при слабом аэрировании, после чего сбраживаемую среду направляют в дрожжегенератор, предварительно заполненный на 1/3-1/2 суслом. В дальнейшем сусло в первый дрожжегенератор подают в 2-3 приема. Дрожжи до полного объема первого дрожжегенератора накапливаются в течение 6-8 ч при непрерывном аэрировании. В сбраживаемой среде должно быть 120-150 млн/мл (12-16 г/л) дрожжевых клеток и 2-3 об.% спирта. Далее половину содержимого первого дрожжегенератора перепускают по нижней коммуникации во второй, предварительно стерилизованный дрожжегенератор, и накопление дрожжей ведут при непрерывном притоке сусла и аэрировании среды.

После наполнения первых двух дрожжегенераторов в течение 4-5 ч сбраживаемую среду из них по нижней коммуникации направляют в третий дрожжегенератор и выращивают дрожжи 4-5 ч при непрерывном притоке сусла в трех дрожжегенераторах и т.д. Все дрожжегенераторы заполняются новым суслом с дрожжами за 18-20 ч. Заменяют дрожжи в дрожжегенераторах через 48-72 ч. Выращивание дрожжей в отделении чистой культуры продолжается 80-90 ч.

Размножение производственных дрожжей.

В анаэробных условиях на мелассном сусле дрожжи развиваются медленно, поэтому их выращивают при слабом аэрировании. Дрожже генерирование проводят непрерывно при тщательном перемешивании сусла. Свежее сусло поступает в дрожжегенератор, и бродящее сусло выводится из него с одинаковой скоростью при постоянном объеме. При этом устанавливается динамическое равновесие между скоростью разбавления и скоростью размножения дрожжей. Поддерживать равенство (удельная скорость размножения дрожжей равна скорости разбавления бродящего сусла) можно изменением скорости притока, интенсивностью аэрирования (скорость насыщения кислородом) и перемешивания. Температуру поддерживают постоянной – 28±1°С.

УкрНИИСПом совместно с коллективом Андрушевского спиртового комбината разработана схема размножения производственных дрожжей. Схема включает 4-6 дрожжегенераторов с пневмоциркуляционным аэратором. Такое количество дрожжегенераторов позволяет поочередно выключать их для стерилизации без сокращения расчетного объема засевной культуры дрожжей. Для непрерывного отвода бродящего сусла из дрожжегенераторов установлены воронки 1, соединенные с наклонным коллектором 3. Дрожжевое сусло вводят в дрожжегенераторы с диаметрально противоположной стороны от места расположения воронки. Трубопровод для сусла проходит через крышку и оканчивается над уровнем жидкости, что снижает вероятность проскока сусла со зрелыми дрожжами. Приток сусла контролируют при помощи щелевого расходомера 2.

Воздух, поступающий по центральному трубопроводу 5, выходит из воздухораспределителя 6. Газожидкостная смесь по внутреннему цилиндру 4 устремляется вверх, а затем по межкольцевому пространству – вниз, вызывая интенсивную циркуляцию сбраживаемой среды в вертикальном направлении.

Диоксид углерода и воздух из верхней части дрожжегенераторов отводятся по трубопроводу в пено- и спиртоловушку. Все дрожжегенераторы соединены параллельно в батарею общим коллектором для отвода сбраживаемой среды из дрожжегенераторов, общей нижней спускной коммуникацией, общей газоотводной линией и коммуникацией для подвода сусла. При очень бурном пенении пену в дрожжегенераторах гасят олеиновой кислотой или соапстоком.

Общая вместимость всех дрожжегенераторов в зависимости от направленности производства составляет 20-35% от суммарной вместимости дрожжегенератора и бродильных аппаратов и должна быть равна 20-25% при выработке только спирта, 30-35% – при выработке наряду со спиртом хлебопекарных дрожжей.

Полезный объем дрожжегенератора (м³)

V₀ = F/D,

где F – объем сусла, поступающего в дрожжегенератор, м³/ч; D – скорость разбавления сбраживаемой среды, ч.

Удельная скорость роста дрожжей зависит от многих факторов – состава сырья, интенсивности массообмена, наличия ингибиторов и стимуляторов роста, физиологического состояния дрожжей и т.д., поэтому суммарный полезный объем всех дрожжегенераторов рассчитывают на неблагоприятные условия. При хорошем качестве мелассы один из дрожжегенераторов может быть выключен, а скорость разбавления среды увеличена до 0,27-0,30 ч^-1.

Интенсивное дрожжегенерирование – важный фактор для обеспечения микробиологической чистоты брожения, увеличения биомассы дрожжей и их качества. Повышенное количество дрожжей способствует ускорению брожения и более полному сбраживанию Сахаров.

Известно, что в условиях аэробиоза при понижении концентрации растворенного в среде кислорода до 0,5-1 мг/л, считающейся критической, размножение дрожжей почти прекращается. Скорость использования растворенного кислорода дрожжами, а, следовательно, и скорость размножения их не зависит от концентрации кислорода, если она выше критической.

По данным УкрНИИСПа, концентрация растворенного кислорода в мелассном сусле равна 2-4% от полного насыщения, т.е. 0,1-0,2 мг/л О₂. При этом происходит умеренное размножение дрожжей и спиртовое брожение, причем скорость растворения кислорода значительно меньше скорости его потребления дрожжами.

Количество кислорода, потребленное дрожжами (м³/ч),

^{Qk-Qb-QbjE^,}

где Qb – расход воздуха на аэрирование, м³/ч; К_в – содержание кислорода в воздухе, доли единицы; AV – содержание кислорода в отходящих газах после поглощения из них О₂, доли единицы.

Прирост дрожжей при дрожжегенерировании (кг/г)

Од - Fx,

где F – объем жидкостного потока, м³/ч; х – концентрация дрожжей в сбраживаемой среде, г/л.

При расходе воздуха на аэрирование сусла в дрожжегенераторах с барботажным воздухораспределением 1,9-6,6 м³/(м³ч) количество используемого кислорода воздуха изменяется незначительно и составляет в среднем 3,12%. Потребление кислорода на 1 кг прироста сухих веществ дрожжей изменяется от 23 до 83 г и зависит, главным образом, от количества воздуха, используемого на аэрирование. При расходе его от 2,25 до 3,5 м³/(м³ч) дрожжи потребляют в среднем 39 г/кг кислорода, при расходе 3,8-5,3 м³/(м³ч) – 62 г/кг. Из 1 м³ воздуха, необходимого для аэрирования 1 м³ сбраживаемой среды в дрожжегенераторах в 1 ч, на прирост 1 кг дрожжей затрачивается 13,3 г кислорода.

Коэффициент скорости использования дрожжами кислорода, отнесенный к 1 м³/(м³ч) воздуха, составляет 2-4 е кислорода на 1 кг сухих вещеста дрожжей в 1 час, а прирост дрожжей 75%- й влажности на 1 м³ полезного объема дрожжегенераторов – 2.0-2.5 кг/(м³-ч).

Коэффициент полезного действия барботажного воздухораспределения по сравнению с другими его видами самый низкий. При использовании более совершенных аэрирующих устройств количество кислорода воздуха, используемого дрожжами, может достигать 20%, а иногда и более.

Наибольший ограничивающий фактор при передаче кислорода – его малая растворимость в питательной среде. При полном насыщении воды при 30ºС в ней содержится 7,63 мг/л О_2. Растворимость кислорода уменьшается с повышением в питательной среде концентрации сухих веществ, рН и температуры. В сусле, находящемся в дрожжегенераторах, при полном насыщении его кислородом растворяется около 5 мг/л О₂. Чем больше скорость разбавления среды, тем меньше средний возраст клеток в аппарате и тем выше их физиологическая активность. За единицу возраста дрожжевых клеток принимают время, в течение которого количество клеток удваивается.

Конструкция дрожжегенератора должна удовлетворять следующим основным требованиям: обеспечивать высокую скорость массообмена, что достигается интенсивным перемешиванием сусла во всем объеме, тонким диспергированием воздуха и непрерывным удалением пены и флотируемых дрожжей; предусматривать герметичность аппарата и минимальное число в нем внутренних устройств простой конструкции для предотвращения инфицирования сусла посторонними микроорганизмами и доступность для механизированной мойки и дезинфекции. Этим требованиям отвечает конструкция дрожжегенератора УкрНИИСПа.

Обычно дрожжегенератор имеет форму цилиндра с коническим днищем и крышкой. Внутри него находятся воздухораспределительное устройство, направляющий цилиндр и змеевик с поверхностью охлаждения 0,25 м² на 1 м³ сусла.

Удельная производительность дрожжегенератора (объем биомассы дрожжей в килограммах с 1 м³ полезного объема в 1 ч)

P=Fx/Vo,

где F – объем сусла, поступающего в дрожжегенератор в 1 ч, м³; х – содержание биомассы дрожжей в сбраживаемой среде, кг/м³; Ко – полезный объем дрожжегенератора, м³.

Так как F/V_{0 я} D, то

P=Dx.

Удельная производительность дрожжегенератора с пневмоциркуляционным аэратором составляет 3,1 кг/(м³ч), а с трубчатым – 1,8 кг/(м³ч). В дрожжегенераторах с трубчатыми аэраторами удельная скорость размножения дрожжей 0,15-0,16 ч~1 _с пневмоциркуляционными – 0,25-0,27 ч^-1 и более. Таким образом, объем дрожжегенераторов с эффективными аэрирующими устройствами может быть значительно уменьшен.

Расход воздуха на 1 м³ аэрируемого сусла в дрожжегенераторах при данном аэрирующем устройстве с учетом коэффициента использования кислорода воздуха и расхода растворенного кислорода на 1 кг прироста абсолютно сухих дрожжей (АСД) [mV(m³-4)]

<2 = Щ1 О_к/(0,143Ю₂),

где х – содержание АСД в сусле, г/л; ц – удельная скорость роста дрожжей, ч~'; Ок – расход растворенного кислорода на 1 кг прироста АСД, г (в зависимости от условий дрожжегенерирования изменяется от 30 до 100 г); к – коэффициент использования кислорода воздуха, %; Ог – содержание кислорода в воздухе, об.%.

Давление воздуха, обеспечивающее нормальные условия аэрирования (кПа),

р = (ксНг + ро)10-²,

где кс – коэффициент, учитывающий сопротивление воздухопроводов, обычно равный 1,2; Я – высота столба сусла, м; у – концентрация сухих веществ сусла, кг/м³; р₀ – давление над суслом в дрожжегенераторе, кПа.

Для подачи воздуха в дрожжегенераторы используют воздуходувки ВК-1, ВК-12, ВК-24; турбовоздуходувки ТВ-50 применяют только на спиртовых заводах большой мощности. В них воздух подогревается до 50-60ºС, вследствие чего повышается температура аэрируемого сусла.

Даже при незначительном изменении сопротивления в одном из дрожжегенераторов (изменение уровня жидкости и др.) количество воздуха, поступающего из общего воздуховода в разные дрожжегенераторы, может измениться в несколько раз, что нарушит режим дрожжегенерирования. Общий расход воздуха и расход его на каждый дрожжегенератор необходимо поддерживать постоянным и измерять. Для измерения устанавливают ротационные счетчики РГ-400, РГ-600, РГ-1000 или расходомеры типа дифманометров.

Технологические показатели дрожжевого сусла и производственных дрожжей приведены в таблице. Концентрацию сухих веществ сусла регулируют вручную или с помощью автоматического рефрактометра в комплекте с вторичным прибором, выполненным на базе прибора ЭПИД, воздействуя на приток холодной волы в смесителе.

В производственных дрожжах определяют видимую концентрацию сухих веществ и кислотность через каждые 2 ч, содержание спирта и биомассу дрожжей – один раз в смену. Концентрация биомассы должна быть 12-15 г/л, а в случае выделения хлебопекарных дрожжей – 16-18 г/л. Температуру производственных дрожжей контролируют и регулируют автоматически при помощи многоточечных мостов и блоков реле.

Датчиками температуры служат термометры сопротивления; вторичными приборами для контроля и регулирования температуры – электронные мосты типа ЭМП-209. Вторичные приборы через блоки реле и электродвигательные исполнительные механизмы типа ДР управляют работой регулирующих органов подачи холодной воды в теплообменники.

содержание   ..  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  ..