Биотехнология. принципы и применение - Бич Г.
ISBN 5-03-000058-5
Скачать (прямая ссылка):
Существуют три основных способа сбраживания сахар-со~ держащего сырья:
периодический, периодический с повторным1 использованием клеток и
непрерывный. При периодическом процессе субстрат сбраживается после
внесения в него свежевыра-щенной закваски, полученной в аэробных
условиях. Брожение протекает в анаэробных условиях, и весь оставшийся
субстрат превращается при этом в спирт. После завершения брожения дрожжи
удаляют, и для следующего цикла получения спирта выращивают новую порцию
закваски. Размножение дрожжей является дорогостоящей процедурой, так как
расходуется много субстрата.
При использовании дрожжей по периодической схеме около 5% сахара
расходуется на рост клеток и энергообеспечение синтеза других соединений:
глицерола, уксусной кислоты, ацеталь-дегида и сивушных масел (в основном
высших спиртов). По этой причине максимальный выход составляет около 48%
от субстрата по массе. При использовании дрожжей продуктивность варьирует
в пределах 1-2 г этилового спирта в 1 ч на 1 г клеток (сухое вещество).
Более значительные выходы (2,5-3,8 г) получены в опытах с бактериями,
например Zymomonas mobitis, однако такие организмы еще только предстоит
внедрить в промышленность. Продуктивность ферментера зависит от режима
работы, штамма дрожжей, плотности клеток и природы субстрата. Она
варьирует от 1 г-л_1-ч_1 до более 10 г-л_1-ч-1. Поскольку концентрация
спирта при брожении растет, а субстрата- уменьшается, за разумные
промежутки времени полностью использовать сахар иногда не удается.
Недостатки процесса (длительное сбраживание и неполное использование
субстрата) можно частично устранить, применяя периодическую схему с
повторным использованием клеток. При этом в конце цикла дрожжевые клетки
отделяют от сброженной пульпы и сохраняют для использования в следующем
цикле. Следует иметь в виду, однако, что положительным в периодическом
процессе является его устойчивость к нарушениям режима, поэтому установку
может обслуживать персонал не слишком высокой квалификации. В то же время
для него характерна малая объемная продуктивность: за 36 часов брожения
образуется 5%-ный (вес/объем) раствор спирта, что соответствует
70
Глава 2
образованию в среднем 1,4 г спирта на 1 л за 1 ч. Путем применения схемы
с повторным использованием клеток или же непрерывного брожения выход
можно повысить до более чем 10 г-л_1-ч-1. При этом клетки отделяют от
барды и используются заново; тем самым поддерживается высокая
концентрация клеток в среде.
Для работы по этим схемам нужны квалифицированные работники, более
крупные капиталовложения и сложные контролирующие устройства. При
непрерывном процессе степень использования субстрата для образования
спирта зависит от разведения. Для достижения высокой продуктивности она
должна быть велика, но при таких условиях уменьшается среднее время
задержки субстрата. Иными словами, задачи оптимизации двух факторов -
объемной продуктивности и полноты использования сахара - противоречат
друг другу. Выбор регламента сбраживания должен строиться исходя из
стоимости субстрата, необходимых капиталовложений и производственных
расходов. Они в свою очередь должны определяться в связи с особенностями
всей схемы получения продукции.
По завершении сбраживания концентрация спирта составляет 6-12%. Она
зависит от штамма дрожжей и начальной концентрации сахара. Важно достичь
наивысшей концентрации •спирта, так как от этого зависит расход пара на
перегонку: он увеличивается от 2,25 кг на 1 л 96%-ного спирта при отгонке
10%-ного раствора до более чем 4 кг при отгонке 5%-ного. Дополнительный
пар нужен для получения безводного спирта из азеотропной смеси вода -
этиловый спирт, кипящей при постоянной температуре. Обычно для этого
используют десятикратный по отношению к количеству удаляемой воды объем
бензола. Сначала при 64-84°С отгоняется азеотропная смесь бензола, воды,
спирта, а после удаления всей воды, при 68,25 °С, - другая азеотропная
смесь - бензола и спирта. После отгонки всего бензола остается лишь
абсолютный спирт, который собирают, а бензол используют повторно.
Главными побочными продуктами производства являются С02, дрожжи, сивушные
масла и кубовые остатки. Каждый из них обладает определенной ценностью,
но переработка жидких остатков может быть затруднена. В большинстве
случаев, поскольку за пищевой спирт нужно платить большой налог, алкоголь
денатурируют. Для этого добавляют вещества, придающие ему горький вкус,
или смешивают его с бензином.
2.5.4. Энергобаланс
Общий баланс энергии как при производстве спирта, так и при анаэробной
переработке может быть слабо положительным или даже отрицательным,
поскольку при производстве сырья, его
Энергия и биотехнология
71
переработке, сортировке, очистке или отжиме потребляется значительное
количество энергии. Эти энергозатраты покрываются за счет использования
остатков растительного сырья (багассы или соломы), сжигания древесины или
ископаемого топлива. Используются также "тепловые отбросы"
