Россия
В настоящее время отрабатываются и реализуются новые технологии производств белково-витаминных кормовых добавок (БВКД). Одно из этих направлений – производство автолизатов (ферментализатов) различных дрожжевых культур, в частности, пивных.
ферментолиз, автолиз, пивные дрожжи, белково-витаминные добавки, аминокислоты, плазмолиз.
Производство и использование автолизатов кормовых дрожжей позволяет:
– существенно увеличить биологическую ценность кормов и эффективность скармливания;
– повысить их усвояемость;
– значительно уменьшить потребности в зерне и других компонентах, затрачиваемых для получения сбалансированных кормов;
– использовать продукт, получаемый из отечественного сырья, по отечественной технологии, имеющей перспективу и не зависящую от импорта.
Известны попытки отработки технологии производства автолизатов с использованием культур пивных дрожжей. Они были успешно апробированы в разных масштабах в животноводческих хозяйствах с КРС, свиньями, лошадьми, курами. Во всех случаях испытаний получены положительные результаты и по общему состоянию животных, и по абсолютным привесам. При этом абсолютные дозировки добавок автолизатов по отношению к комбикорму оптимальны в диапазоне 0,1–1%. В то время как необходимые дозировки дрожжевых добавок достигают 5–7% и более.
В описываемой разработке в качестве исходного сырья предложены не активные пивные дрожжи, а отработанные и, по принятой в настоящее время на пивных заводах, технологии, сбрасываемые в канализацию. Это обстоятельство создаёт дополнительный положительный экологический эффект, т.к. очистка подобных стоков очень затруднена и приравнивается по трудоёмкости к очистке стоков нефтеперерабатывающих предприятий.
Использование автолизатов для балансирования комбикормов в малых удельных дозировках должно обеспечить эффект сохранения 100% поголовья сельскохозяйственных животных, увеличение привесов, надоев, яйценоскости в два раза и т.д. Имеется реальная возможность при внедрении этой технологии получать значительные (до 5 млн т. в год и более) количества сбалансированных комбикормов.
Основы технологии производства автолизатов отработанных пивных дрожжей
В известных технологиях производства автолизатов наиболее сложными и дорогостоящими, определяющими высокую их себестоимость, являются стадии сепарации клеток пивных дрожжей от «горькой», в основном из-за использования хмеля, культуральной жидкости и использование на стадии ферментолиза дрожжей дорогостоящих ферментов или их композиций.
Простой анализ результатов сепарационного сгущения суспензии пивных дрожжей показывает, что при исходной концентрации дрожжей в суспензии от 3 до 7 % и конечной концентрации сгущения до 20–22% на этой стадии возможно удаление «горечи» в количестве от 50 до 70% от её исходного содержания. Но, поскольку ранее проведённые испытания доказали возможность использования автолизатов в качестве кормовых добавок для получения полноценных комбикормов в дозировках от 0,1 до 1% (в зависимости от вида животных), условное разбавление БВКД на этой стадии составляет 99–99,9. Таким образом, в варианте получения кормовых (а не пищевых) добавок стадию сепарации следует считать нерациональной. Дальнейшие испытания показали, что исключение стадии сгущения не вызывает отторжения и каких-либо отрицательных эффектов при скармливании сельскохозяйственным животным комбикормов, содержащих автолизаты пивных дрожжей [1, 2, 3].
Результаты испытаний новой технологии
Использовались отработанные пивные дрожжи со следующими характеристиками:
– исходная концентрация 5–8% (весовых);
– микроскопия: почкующиеся клетки – 10%, непочкующиеся – 90%;
– рН – 4,6.
Изначально отработаны два варианта общепринятых технологий автолиза [4, 5, 6].
Вариант 1
В качестве активатора процесса и пеногасителя использовалась олеиновая кислота. Её оптимальная дозировка, как показали исследования, составила 0,025% к исходной суспензии. Автолиз проводился при двух режимах: рН=4,6 (исходная суспензия) и рН=7,0, температура – 550С. Контрольным показателем эффективности автолиза являлось – содержание аминного азота (%) в жидкой фазе. Результаты испытаний представлены в табл. 1
Таблица 1
Результаты автолиза пивных дрожжей по аминному азоту
|
Продолжительность автолиза |
0 |
1ч.40мин. |
3ч.40мин. |
5ч.40мин. |
Аминный азот, % |
||||
|
РН 4,5+0,025% олеиновая кислота |
0,6 |
1,30 |
2,0 |
2,38 |
|
рН 7,0+0,025% олеиновая кислота |
0,6 |
1,0 |
1,85 |
2,32 |
Из табл. видно, что некоторые преимущества имеет технология, проводимая без предварительной нейтрализации суспензии.
Вариант 2
Испытан режим технологии с использованием активного фермента – амилосубтилина в оптимальной дозировке 0,065% к объёму суспензии, время ферментолиза 4 часа 30 мин. При этом средний показатель по аминному азоту составил 2,5% (выше варианта с использованием олеиновой кислоты).
В обоих случаях выявлено, что после ферментолиза (автолиза) концентрация твёрдой фазы после обычного отстоя составляет 11–14%, что соизмеримо с концентрацией после центробежного разделения. Органолептически замечена значительно (ориентировочно – в 3–4 раза) более высокая степень «горечи» в осадке по сравнению с осветлённой фазой, что позволяет в случае необходимости использовать операцию декантации [7, 8, 9, 10].
Предлагаемый вариант
Ранее в режимах автолиза дрожжей типа Candida авторами был испытан режим нативного автолиза. Было показано, что при наличии в суспензии активных клеток (в данном случае до 10%) возможно использование собственных ферментов, выделяемых живыми клетками, продолжающими какое-то время жизнедеятельность на остатках питательной среды.
В данном случае был отработан и реализован следующий режим технологии:
- Подогрев суспензии до 32–34 0С.
- Выдерживание её при барботажном перемешивании (аэрации) с расходом воздуха 0,5–0,7 литра на литр суспензии в минуту в течение 30 мин. На этом этапе идёт накопление «собственных» ферментов.
- Нагрев суспензии до 58 – 600С в течение 4-х часов. За это время реализуется интенсивный ферментолиз клеток. Показано, что дезактивация нативных ферментов происходит только после перегрева суспензии выше 63–660C.
В этом режиме достигался показатель по аминному азоту в диапазоне 2,4 – 2.55%, и получается автолизат следующего состава табл. 2 и табл. 3.
Таблица 2
Свободные аминокислоты автолизата пивных дрожжей
|
Наименование |
% от АСВ |
Наименование |
% от АСВ |
Триптофан |
0,58 |
Глицин |
2,2 |
|
Лизин |
5,0 |
Аланин |
4,1 |
|
Гистидин |
1,4 |
Цистин |
0,5 |
|
Аргинин |
2,1 |
Валин |
3,1 |
|
Аспарагиновая кислота |
4,7 |
Метионин |
0,98 |
|
Треонин |
2,85 |
Изолейцин |
3,3 |
|
Серин |
2,5 |
Лейцин |
3,8 |
|
Глутаминовая кислота |
7,0 |
Тирозин |
1,78 |
|
Пролин |
1,55 |
фениланин |
2,6 |
Таблица 3
Витамины, макро- и микроэлементы автолизата пивных дрожжей
|
Витамины |
мг/кг. |
Макро- и микроэлементы |
г/100г |
В1 (тиамин) |
12,7 |
К |
2,32 |
|
В2 (рибофлавин) |
61,5 |
Na |
0,52 |
|
В3 (пантотеновая кислота) |
145 |
Са |
0,08 |
|
В6 (пиридоксин) |
27 |
Mg |
0,25 |
|
РР (никотиновая кислота) |
501 |
Р |
1,92 |
|
Холин |
|
Si |
0,045 |
|
Фолиевая кислота |
3,4 |
S |
0,016 |
|
Биотин |
2,0 |
Fe, Mn, Zn, Cu |
следы |
Таким образом, убедительно доказано, что в режиме оптимально организованного нативного ферментолиза (автолиза) достигаются показатели по конечной концентрации переведённых в раствор веществ (в том числе, биологически активных добавок) на уровне лучших показателей при реализации активного ферментолиза. В этом случае, также как и в технологии активного ферментолиза, проблема пенения решается периодическим вводом пеногасителя (олеиновая кислота, пропинол Б и др.).
По результатам проведенных исследований разработаны исходные данные на создания условного производственного модуля мощностью 50 м3 в сутки (3,5 – 6 т в сутки по сухому автолизату). Так же разработаны технические условия на автолизат отработанных пивных дрожжей [11, 12, 13, 14, 15].
Производственный модуль мощностью 50 м3/сутки
Технологическая схема модуля представлена на рис. 1.
Производственный цикл реализуется следующим образом.
Этап 1. По технологическим возможностям пивоваренных заводов разовый завоз исходной дрожжевой суспензии определён в 15–20 м3. В этой связи производство реализуется по следующей схеме. Исходная суспензия принимается в аппарат (поз 1, V=30м3), где ведётся заданный технологический режим автолиза. В случае преждевременного прибытия очередной партии исходного сырья до завершения цикла автолиза, суспензия перекачивается в аппарат №2 (поз. 2), где завершается цикл «дозревания» и т.д. по мере поступления сырья.
Этап 2. Из аппарата №2 суспензия перекачивается в плазмолизатор (поз №3), где процесс ведётся при температуре T=100–105°C. Аппараты поз. 1-3 аналогичной конструкции оснащены мешалками и системой теплообмена. Обогрев аппаратов осуществляется паром через теплообменники или (при достижении режимной температуры) – «острым» паром.
По результатам испытаний объёмная концентрация остатков дрожжей после автолиза уменьшается в 5–6 раз. Таким образом, весовая концентрация клеточных оболочек в концентрате составляет не более 2–3%.
В известных технологиях производства автолизатов пивных дрожжей для пищевого применения исходная дрожжевая суспензия подвергалась 5–10-кратному разбавлению водой с добавкой поваренной соли с целью отмывки хмелевых смол (осмос горечи оболочек), далее, после автолизата оболочки отделялись сепарационным методом и сбрасывались в канализацию. В нашем основном варианте производства автолизата с исключением стадии сепарационного сгущения выявляются следующие преимущества:
– исходная суспензия дрожжей до поступления на активный автолиз подвергается частичному нативному автолизу под действием ферментов, присущих культуре пивных дрожжей. Таким образом, при сбросе концентрата (где содержание клеточных оболочек не более 20%) в канализацию теряется лишь до 10% органических веществ (в том числе автолизатов);
– исключается перегрузка очистных сооружений;
– само исключение стадии сепарации определяет дополнительный экономический эффект.
Тем не менее, в варианте получения автолизатов пищевого назначения этот узел может быть предусмотрен в проекте.
Второй вариант «борьбы с горечью» – сепарация клеточных оболочек после автолиза без предварительной отмывки исходных дрожжей. По расчётам в этом варианте при сепарации «горечь» снижается вдвое, а по дальнейшему балансу: при сушке – происходит увеличение «горечи» в 9–10 раз, в то же время при приготовлении комбикорма за счёт небольшой доли введения автолизатов «горечь» конечного продукта снижается в сотни раз. При этом также становится необходимым сброс ценного автолизата с концентратом клеточных оболочек. Довод о том, что после отделения клеточных оболочек повышается общее содержание белка в автолизате – является самообманом.
Тем не менее, в варианте технологии с получением автолизатов пищевого назначения рассчитана и заложена в проект стадия сепарационного отделения клеточных оболочек. Целесообразность этого решения определяется также возможным расширением технологии на одном производстве [16, 17, 18, 19].
По схеме принята установка трёх сепараторов, например, СДС – 531-Т2. Эти сепараторы оснащены барабанами в титановом исполнении, что необходимо для сепарации суспензии с рН=4,5 и t=70-80°С. Таким образом, перед подачей стерилизованного автолизата на сепарацию суспензия должна охлаждаться до указанной температуры или теплообменом с окружающей средой через стенку (при запасе времени) или подачей холодной воды в рубашку аппарата. Производительность сепаратора по суспензии 15–17м3. Следовательно, два действующих сепаратора (поз. 4) способны отсепарировать весь суточный поток суспензии за 3–3,5 часа (один сепаратор в резерве). Это необходимо для обеспечения непрерывного режима работы сушилки. С этой же целью в схеме предусмотрена установка сборника фугата – осветлённой суспензии (поз. 5) или суспензии непосредственно после плазмолиза. Объём аппарата V=15м3, аппарат оснащён мешалкой. Суспензия из аппарата (поз. 5) подаётся на сушилку (поз 6). В схеме принята установка вакуум – сушилки с конденсацией паров и сбором конденсата. При заказе сушилки целесообразно определить условия грануляции и упаковки готового продукта [20, 21, 21, 22].
Общие выводы
-
-
-
- Разработан принципиально новый, упрощенный режим нативного ферментолиза (автолиза) отработанных пивных дрожжей. Эффективность технологии не уступает вариантам с использованием дорогостоящих ферментов. При этом содержание белка в готовом сухом продукте без предварительной сепарации клеточных оболочек составляет ~ 46,0%, а в варианте с предварительным отделением клеточных оболочек достигает 52%.
- По результатам проведённых исследований и испытаний определён оптимальный диапазон дозировок автолизата (по сухому продукту) к общему количеству комбикорма. Для различных групп животных она составляет 0,1–1%.
- По результатам исследований разработана принципиальная технологическая схема, план размещения оборудования для условного модуля по переработке 50м3/сут. пивных дрожжей (3,5 – 6 т./сут. по сухому автолизату).
- Разработаны технические условия на автолизат пивных дрожжей.
-
-
1. Луканин А.В., Кривой Б.А., Кан С.В. «Способ выделения биомассы микроорганизмов», А.С. №1091545 от 8.01.1994.
2. Долгов В.А. Повышение биологической ценности кормовой биомассы. Диссертация канд. биологических наук [Текст] / В.А. Долгов. - Львов 1991.
3. Бандоян А.К. Автолиз бактерий с применением специальных регуляторов органических соединений [Текст]: дисс. канд. биол. наук / А.К. Бандоян. - М., 1983.
4. Кривой Б.А., Сорокин Г.В., Буров С.Н. «Способ получения биомассы», АС №1218671 от 15.11.1985.
5. Луканин А.В. Инженерная биотехнология: процессы и аппараты микробиологических производств [Текст]: учебное пособие / А.В. Луканин.- М.: Научно-издательский центр ИНФРА-М, 2016. - 451 с.
6. Flow hydrodynanics and vass transfer in a bubbling liquid layer /a.v. Lukanin Lukanin A.V., Solomakha G. //Теоретические основы химической технологии. 1988. - Т. 22. - № 4. - С. 435.
7. Луканин А.В. Разработка массообменных аппаратов для систем производства микроводорослей, их гидравлические и массообменные характеристики [Текст]: дисс. канд. техн. наук / А.В. Луканин. - М., 1984. - 219 с.
8. Луканин А.В. Экологическое совершенствование крупнотоннажных производств кормового белка [Текст]: дисс. д-р техн. наук / А.В. Луканин. - М., 1994. - 269 с.
9. Луканин А.В. Инженерная экология: Процессы и аппараты очистки сточных вод и переработки осадков: учебное пособие [Текст]: учебное пособие / А.В. Луканин. - М: Научно-издательский центр ИНФРА-М, 2017. - 605 с. + доп. материалы.
10. Луканин А.В. Утилизация отработанных пивных дрожжей с получением белково-витаминных добавок [Текст] / А.В. Луканин // Моск. международная научно-практическая конференция БИОТЕХНОЛОГИЯ: Экология крупных городов, 15-17 марта 2010. М., 2010. С. 186.
11. Луканин А.В., Систер В.Г. Технология получения кормовых добавок из отходов пивоваренных заводов [Текст] / А.В. Луканин Инженерная экология: проблемы города, промышленности, подготовки кадров: сб. научных трудов. М., МГУИЭ, 2004. С. 224 - 232.
12. Вышелесский А.Б., Кривой Б.А., Луканин А.В., Систер В.Г. Способ получения кормовой белково-витаминной добавки. Патент РФ №2290831 от 10.01.2007.
13. Вышелесский А.Б., Кривой Б.А., Луканин А.В., Систер В.Г. Способ получения кормовой добавки. Патент РФ №2295869 от 27.03.2007.
14. Луканин А.В. Новая технология производства кормовых добавок для комбикормовой промышленности [Текст] / А.В. Луканин // Комбикорма. -2009. - №1. - С. 51-52.
15. Луканин А.В. Инженерная экология: защита литосферы от твердых промышленных и бытовых отходов [Текст]: учебное пособие / А.В. Луканин. - М: Научно-издательский центр ИНФРА-М, 2018. - 556 с.
16. Луканин А.В. Компостирование твердых бытовых отходов городского хозяйства [Текст] / А.В. Луканин // Экология и промышленность России. 2012. Январь. С. 8-11.
17. Луканин А.В., Тарасова Т.А. Установка для очистки и дезодорации газовоздушных выбросов ферментеров. Патент РФ № 2060273.
18. Луканин А.В. Процессы и аппараты биотехнологической очистки сточных вод [Текст]: учебное пособие / А.В. Луканин. - М: Научно-издательский центр ИНФРА-М, 2016.
19. Луканин A.В. Технология переработки автолизатов пивных дрожжей [Текст]: учебное пособие / А.В. Луканин // Комбикорма. - 2009. - № 1. - С. 51-52.
20. Луканин А.В. Инженерная биотехнология. Основы технологии микробиологических производств [Текст]: учебное пособие / А.В. Луканин. - М: Научно-издательский центр ИНФРА-М, 2016.
21. Луканин A.В. Модульные установки для получения белкововитаминных добавок [Текст] / А.В. Луканин // Комбикорма. - 2008. - № 5. - С. 52-53.
