Файл: 1. Биотехнология и медицина. 2.docx

Существенным резервом сбраживаемых углеводов являются некрахмальные полисахариды --uеллюлоза, B-1,3-1,4-rлюкан, кcилоглюкан и другие разновидности гемицеллюлоз, в состав которых входит глюкоза. За счет сбраживания глюкозы некрахмальных полисахаридов выход спирта из зернового сырья может быть повышен на 10-12%.

Гидролиз целлюлозы и гемицеллюлоз не только дает непосредственно сбраживаемую глюкозу, но и повышает доступность крахмала ферментативному гидролизу. Особено важно гидролизовать В-1,3-1,4-глюкан - существенный элемент клеточных стенок эндосперма злаков (у ячменя и овса глюкан составляет 75% массы клеточных стенок эндосперма). В свою очередь, гидролиз крахмала повышает доступность целлюлозы, и в присутствии амилолитических ферментов степень расщепления целюлозы несколько повышается. Поэтому цитолитические ферментативные препараты целесообразно применять на стадии осахаривания замесов, совместно с a-aмилазой и глюкоaмилазой.

При испытании способности отечественных ферментных пpenаратов гидролизовать целлюлозу и reмицеллюлозу фракций зерна установили, что оптимальная дозировка целлюлазы составляет 14-16 ед/r субстрата, rидролиз при 60 ^оС заканчивается за 2-4 ч расщеплением около 50% целлюлозы.

Эффекты, даже для фракции крупного помола, невелики, но в технологии спирта, достигшей определенной стабильности показателей, они значительны. при различной абсолютной крахмалистости фракций выход спирта на единицу крахмала во всех вариантах практически одинаков -62,5-65,3 мл/100 г крахмала. Существенного повышения выхода, которое можно было ожидать в крупной и средней фракциях за счет гидролиза некрахмальных полисахаридов, не произошло. Это свидетельствует о неполном гидролизе фракций целлюлозы и гемицеллюлозы.

При обработке целлюлозoсодержащей фракции ячменя выход сnирта увеличился на 38-67%, пшеницы на 23% (контролем служили те же фракции зерна, обработанные без добавки цитолитических ферментов). Максимальный выход спирта в первом случае получен с «Ксилoглюканофоeтидином», во втором - с «Целлофторином».

Более низкий эффект при обработке грубой фракции пшеницы объясняется тем, что в стенках эндосперма этого злака преобладает не глюкан, а арабиноглюкуроноксилан, расщепление которого дает незначительное количество сбраживаемых углеводов. Кроме того, в варианте ячменного сырья эффект обусловлен не только непосредственным увеличением количества сбраживаемых сахаров, но и снижением вязкости сусла и, соответственно, интенсификацией всех массообменных процессов, связанных с жизнедеятельностью дрожжей и продолжающимся в ходе брожения гидролизом полимерных субстратов.

---

При сбраживании сырья с высоким содержанием В-гюканов (ржи, ячменя) рекомендуют применять препараты В-глюкaназы не только для осахаривания, но и для разжижения замеса, при общем расходе в смесителе и осахаривателе от 3 до 6 ед. В-rлюканазы/r сырья.

Интенсивное сбраживание сырья дрожжами возможно лишь при создании условий для их активного размножения. Лимитирующим фактором роста на гидролизатах сырья, полученных с применением ферментов карбогидразного действия, является низкое содержание свободных аминокислот. С целью обогащения сусла аминокислотами используют ферментные препараты грибного происхождения, имеющие высокую экзопeптидазную активность.

Ферментативный комплекс препаратов из культур различных штаммов Asp. oryzaе («Проторизин», «Амилоpизин», «Амилoпроторизин) включает, наряду с эндопептидазами (сериновой каробоксильной и металлопротеиназой), экзопemтидазы- лейцинаминопeптидaзу и карбоксипептидазу. Этот комплекс обеспечивает более глубокий гидролиз белка, чем комплекс бактериального препарата «Протосубтилина», основная активность которого определяется металопротеиназой .

При обработке осахаренного сусла и ячменной болтушки пpeпаратами грибного и бактериального происхождения, при дозировке этих препаратов по протеолитической активности 5 ед./г белка, очевидно преимущество грибных препаратов. Наиболее полно расщепляется белок в картофельном сусле: при действии грибных препаратов на 75,7-85,7%, при действии «Протосубтилина» 47,7%. В ячменном сусле доля свободнных аминокислот от их суммы составила соответственно 5.3-7 и 3,9%. Прирост свободных аминокислот происходит в основном за счет глутаминовой, аспарагиновой кислот и пролина.

Обработка пшеничного замеса на стадии осахаривания амилолитическими ферментами совместно с «Проторизином Г10х» (5 ед./г белка) увеличивает накопление биомассы дрожжей в 2 раза, сокращая продолжительность главного брожения с 32-36 ч до 18-20 ч, а продолжительность дображивания- с 36-42 ч, до 20-24 ч. Интенсивное сбраживание сахаров сопровождается повышением степени гидролиза крахмала глюкоaмилазой.

Наличие в среде свободных аминокислот, их прямое в включение в клетки дрожжей снижает затраты глюкозы на энерrетический и конструктивный метаболизм. Более экономичное использование глюкозы увеличивает выход спирта на 2,8 %. Параллельно снижается количество побочных продуктов брожения на 19%, а в пересчете на клетку - в 2,4 раза. При дозировке глюкоaмилазы 6 eд/г крахмала и протеазы 1 крахмала (или 5 ед./г белка) брожение заканчивалось за 42-46 ч, при повышении дозировок соответственно до 15 и 1,6 ед./г крахмала продолжительность брожения сокращалась до 28 ч.

---

Дрожжи, выращенные на среде с богатым азотистым питанием, имеют повышенную осмофильность и толерантность к продуктам брожения, что позволяет сбраживать за 72 ч сусло с содержанием СВ 22% вместо обычных 16%, получая соответствующие технологические показатели. Крахмалсодержанее сырье является основным в производстве этанола. Наряду с ним могут использоваться другие виды углеводного сырья. Некоторые виды дрожжей родов Candida и Kluwerоmyces обладают способностью сбраживать лактозу в этанол, что связано наличием В-галактозидазной активности. При исследовании способности различных штаммов этих родов дрожжей к образованию этанола при ферментации на молочной сыворотке выбран штамм К. marxianus var lactis SK.

Перспективным видом сырья, способным в значительной мере заменить крахмалсодержащее сырье, является целлюлоза. В настоящее время целлюлозо-содержащее сырье используют для выработки технического этанола (знергоносителя). Сырьем для получения этанола может служить измельченная древесина быстрорастущих пород деревьев (тополя, осины, ивы и др.), обработанная методом парового взрыва.

Паровой взрыв- это кратковременное (1-10 мин) выдерживание увлажненного сырья, пропитанного сернистым газом, при температуре от 120 до 250 °С, с последующим резким сбросом давления. Результатом кратковременного гидролиза в кислой среде и механического разрушения при сбросе давления становится дезацетилирование и расщcпление гемицеллюлоз, переходящих в раствор, выплавление части лигнина и ослабление лигноуглеводных связей.

Взорванная лигнoцеллюлоза имеет развитую поверхность и хорошо гидролизуется. Препятствуют сбраживанию гидрoлизатов побочные продукты деструкции древес (ацетат, фурфурол и его производные, n-оксибензойная кислота и др.), которые могут быть удалены промыванием сырья горячей водой.

Разваривание зерна происходит с целью разрушения их клеточных стенок. В результате этого крахмал высвобождается и переходит в растворимую форму. В таком состоянии он намного легче осахаривается ферментами. Зерно обрабатывается паром при избыточном давлении 500 кПа. Когда разваренная масса выходит из варочного аппарата, сниженное давление приводит к образованию пара (из содержащейся в клетках воды).

Подобное увеличение в объеме разрывает клеточные стенки и превращает зерно в однородную массу. На сегодняшний день разваривание крахмалосодержащего сырья производят одним из трех способов: периодическим, полунепрерывным или непрерывным. Наибольшую популярность получил непрерывный метод. Температура разваривания составляет 172°С, а продолжительность варки около 4 минут. Для получения более качественного результата исходное сырье рекомендуется измельчать.

---

Сам процесс разваривания включает операции:

· Строгая дозировка зерна и воды;

· Нагрев замеса до температуры варения;

· Выдержка массы при заданной температуре.

Измельченное зерно следует смешать с водой в количестве 3 литра на 1 кг. зерна. Зерновой замес нагревается паром (75°С) и подается насосом в контактное отверстие установки. Именно здесь происходит мгновенный нагрев кашицы до температуры 100°С. После этого подогретый замес помещается в варочный аппарат.

В процессе осахаривания в охлажденную массу добавляют солодовое молоко для расщепления крахмала. Активное химическое взаимодействие приводит к тому, что продукт становится абсолютно пригодным для дальнейшего процесса сбраживания. В результате получается сусло, которое содержит 18% сухого сахара с кислотностью 0,3 град. Когда из массы делается проба на йод, то окрас сусла должен оставаться неизменным.

Сбраживание сусла начинается при введении в осахаренную массу производственных дрожжей. Мальтоза расщепляется до глюкозы, которая в свою очередь сбраживается в спирт и диоксид углерода. Также начинают образовываться вторичные продукты брожения (эфирные кислоты и т.д.). Данный процесс должен проходить в закрытой бродильной установке, которая предотвратит потери спирта и выделение диоксида углерода в производственный цех.

Выделяющийся в процессе брожения диоксид углерода и пары спирта из бродильной установки поступают в специальные отсеки, где происходит отделение водно-спиртовой жидкости и диоксида углерода. Содержание этилового спирта в бражке должно равняться до 9,5 об.%.

Далее приступают к отгонке спирта из бражки и его ректификации. Спирт начинает выделяться из бражки в результате кипения при разных температурах. Сам механизм перегонки основан на следующей закономерности: спирту и воде свойственны разные температуры кипения (вода - 100 градусов, спирт - 78°С). Выделенный пар начинает конденсироваться и собираться в отдельную емкость. Очистку спирта от примесей производят на ректификационной установке[5].

Подогревание браги до 90°С пары начинают подниматься по колоне в конденсатор, где они полностью охлаждаются. После этого чистый спирт поступает в специализированную колонну, имея крепость 50-55 об.%

---

Производство этилового спирта из этилена растет с каждым годом и в настоящее время достигло больших масштабов. Синтетический спирт значительно дешевле спирта, полученного из пищевого сырья.

Производство этилового спирта путем сернокислотной гидратации началось лишь после 1930 г. В Советском Союзе исследования в области промышленного применения этого способа производились М. А. Далиным с сотрудниками, и в 1936 г. в Баку была построена первая установка для производства этилового спирта из этилена нефтезаводских газов.

Производство этилового спирта путем прямой гидратации этилена, полученного при пиролизе этана, должно быть предусмотрено дальнейшим развитием химической промышленности в Грозном.

Список использованных источников

1. Баракова Н.В. Анализ сырья, приготовление осахаренного сусла, зрелой бражки и этилового спирта: Учеб.-метод. пособие. – СПб.: НИУ ИТМО, 2013. – 37 с.

2. Егорова Т.А., Клунова С.М., Живухина Е.А. Основы битехнологии, М.: Академия, 2005, 208 с.

3. Кафаров В. В., Винаров А. Ю., Гордеев Л. С. Моделирование и системный анализ биохимических производств.—М.: Леей, нром-сть, 1985.— 280 с. 

4. Математическое моделирование микробиологических процессов [Текст] : [Сборник статей] / Редколлегия: проф. А. М. Безбородов (отв. ред.) [и др.] ; АН СССР. Науч. центр биол. исследований. Ин-т биохимии и физиологии микроорганизмов. - Пущино-на-Оке : [б. и.], 1973. - 271 с

5. Рогов И.А. Пищевая биотехнология. Кн.1: Основы пищевой биотехнологии: учебник / И.А.Рогов, Л.В.Антипова, Г.П.Шуваева. - М.: Коло

---