ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В качестве питательных сред для выращивания кормовых дрожжей используются различные сахарсодержащие растворы. На предприятиях гидролизной и целлюлозно-бумажной промышленности для этих целей используются сахара, содержащиеся в гидролизатах, сульфитных щелоках или предгидролизатах. Если схемы подготовки питательных сред из всех этих видов сахарсодержащих растворов различны, то схемы переработки их на дрожжи во многом сходны между собой. Поэтому описание технологических схем, а также режима получения дрожжей из всех видов питательных сред будет совмещено. И лишь в необходимых случаях будет указана та или иная особенность, характерная для некоторых видов питательных сред.

Производственно-технологический процесс получения дрожжей in подготовленных субстратов разделяется в основном на следующие операции (схема 5):

• выращивание засевных дрожжей чистой культуры; выращивание товарных дрожжей;
• выделение дрожжей из суспензии методом флотирования и сепарирования при одновременной промывке дрожжей водой, сгущение дрожжевой суспензии; витаминизация; плазмолиз;
• обезвоживание дрожжевой суспензии методом упаривания для получения дрожжевого концентрата;
• сушка дрожжей и складирование готовой продукции.

Схема 5

В технологической схеме дрожжевого производства стадия выращивания дрожжей является главной операцией, основанной на микробиологическом синтезе. Для накопления биомассы дрожжей надо иметь соответствующую емкость, т. е. аппарат для выращивания товарных кормовых дрожжей, засевные дрожжи чистой культуры, питательную среду и воздух.

Каждый из указанных факторов имеет значение в процессе выращивания дрожжей. После выращивания дрожжи необходимо выделить из отработанной среды, промыть и довести до сухого состояния. Выделяют и обезвоживают дрожжи флотированием, сепарированием, фильтрацией, упариванием и сушкой. Таким образом, технологические операции получения дрожжей разделяются на биохимические, механические и тепловые.

За годы развития производства кормовых дрожжей все операции технологического процесса прошли определенный путь технического совершенствования. Учеными, специалистами проектирования и производства, а также передовиками-рационализаторами производства проведена большая работа по совершенствованию технологических схем, отдельных операций, конструкций оборудования для выращивания и обезвоживания дрожжей. Все производственные процессы являются непрерывными. Опыт производства дал возможность перейти к разработке технологии и аппаратуры для предприятий большой мощности.

Готовые кормовые дрожжи в соответствии с ТУ 143–52 по качеству должны отвечать следующим требованиям. Дрожжи являются сухим порошком в виде чешуек, гранул; цвет коричт невый; вкус и запах – свойственный дрожжам. Посторонний привкус и запах не допускаются. Физико-химические показатели: влажность не более 10%; кислотность (в мг уксусной кистоы на 100 г продукта) не более 900. Содержание общего белка не менее 45%. Содержание истинного белка не менее 35%. Содержание золы не более 12%.

 

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ПО МИКРОБИОЛОГИИ

Дрожжи – это одноклеточные микроорганизмы, способные расти и» питательной среде, содержащей сахар, азот, фосфор π другие различные минеральные вещества, в условиях обеспеченности растворимым кислородом. При образовании биомассы дрожжей протекают сложные ферментативные реакции, обеспечипнющпс образование белка и витаминов из углеводов, содержишься в питательной среде.

В природе имеется чрезвычайно много различных видов и рас дрожжей и дрожжеподобных одноклеточных организмов. Согласно классификации дрожжей по Лоддер и Kperep Ван-Рей (1952 г.) дрожжи, не образующие споры, разделены на три группы или семейства. К одной из групп аспорогенных дрожжей относятся дрожжи семейства Cryptococcaceae. У этих дрожжей нет копуляции (полового размножения) и спорообразования, относятся они к классу несовершенных грибов. В этом семействе имеется три подсемейства, одно из них Cryptococcoideae пключает в себя семь родов различных дрожжей, в том числе широко распространенные в гидролизной и сульфитно-спиртовой промышленности роды Torulopsis и Candida. К другому подсемейству Trichosporoideae относятся дрожжи рода Trichosporon, также встречающиеся в практике производства кормовых дрожжей.

Каждый род на основании морфологических, физиологических и культурных признаков делится на виды. Наибольшее число видов установлено в широко распространенных родах Candida и Torulopsis. Род Candida содержит 30 видов, из которых наиболее типичными и распространенными являются С. utilis, С. albicans и С. tropicalis. Род Torulopsis содержит 22 вида. Деление на семейства основано на способности дрожжей образовывать аскоспоры, бластоспоры. Классификация по родам основывается большей частью на морфологических признаках: способе размножения, способности образовать мицелий или ложный мицелий и артроспоры.

Для подразделения на виды большое значение имеет способность сбраживать и ассимилировать сахара: глюкозу, галактозу, сахарозу, мальтозу, лактозу, рафинозу. Дрожжи, сбраживающие или усваивающие глюкозу, обычно способны сбраживать и усваивать также фруктозу и маннозу. Большое значение при классификации придается вегетативному размножению. Из способов размножения можно различить только почкование или почкование и деление одновременно (Trichosporon).

Почки могут возникать в любом месте клетки по одной или несколько или только на полюсах клетки. Выросшая почка может сразу отделяться от материнской клетки или несколько вновь образовавшихся клеток могут быть соединены одна с другой в виде цепочки, что приводит к образованию ложного мицелия (псевдомицелия).

Псевдомицелием называют нити, или цепочки, состоящие из удлиненных клеток, образовавшихся путем почкования и соединенных друг с другом. Эти нити часто разветвлены. На нитях псевдомицелия расположены (обычно в местах соединения клеток) круглые или овальные дрожжевидные клетки (бластоспоры). В группе неспорообразующих дрожжей образование псевдомицелия и бластоспор является характерным признаком дрожжей рода Candida, отдельные виды которого определяются, кроме физиологических признаков, по характеру расположения мицелия и бластоспор.

Род Torulopsis отличается от рода Candida отсутствием хорошо развитого псевдомицелия. Существуют, однако, переходные случаи, когда псевдомицелий слабо развит и трудно решить, есть он или нет.

Род Trichosporon характеризуется наличием не только псевдомицелия, но также истинного многоклеточного мицелия и артроспор, на которые мицелий расчленяется. Артроспоры – отдельные цилиндрические и округленные членики мицелия – часто располагаются зигзагообразно.

Вид дрожжей определяют по их способности ассимилировать и сбраживать различные сахара, усваивать различные формы азота и этиловый спирт, по форме и размеру клеток, по росту на солодовом сусле, характеру штриха на солодовом агаре и т. д.

Дрожжи родов Candida и Torulopsis используются на гидролизных и сульфитно-спиртовых заводах в качестве основных культур дрожжевых цехов. Дрожжеподоные грибы рода Trichosporon являются частой примесью основных культур.

Род Candida. Клетки различной формы. Размножается многосторонним почкованием. Ложный мицелий развит более или менее обильно. Кроме того, может встречаться истинный мицелий. Бластоспоры располагаются на ложном мицелии типично для каждого вида.

Род Torulopsis. Клетки круглые или овальные, редко удлиненные. Размножаются многосторонним почкованием. Клетки образуют капсулу. Ложный мицелий не образуется или слабо развит.

Род Trichosporon. Обильное развитие истинного и ложного мицелия, артроспор и бластоспор. Бластоспоры развиваются просто – маленькими цепочками или веночками. Степень развития бластоспор может быть очень различна. Клетки разнообразной формы.

На рис. 15 показаны выращенные на чашке Петри гигантские колонии вышеуказанных трех родов дрожжей. Каждый род и вид дрожжей на чашке Петри вырастает в характерные для них конфигурации гиганских колоний, по которым можно их различать.

Рис. 15. Гигантские колонии дрожжей:
1 – род Candida; 2 – род Torulopsis; 3 – род Trichosporon

 

К виду С. tropicalis отнесены следующие производственные рассы дрожжей: Хорская 9, Саратовская 5, Тавдинская 1, Лобвинская 2, Краснодарская 14, Сухонская 2, Выборгская 2, Приозерская 3, Сокольская 5, Сухонская 4.

К видам Candida utilis и Torulopsis utilis отнесены Канская 2, Красноярская 2, Соликамская 1, Приозерская 1, Выборгская 1.

Появление в дрожжевых цехах различных видов грибов наблюдается в период сильного заражения, что обычно бывает связано с каким-либо аварийным положением на заводе и притоком со стороны инфицированных сред. Сильное заражение заводских дрожжерастильных аппаратов посторонними микроорганизмами приводит к необходимости полной дезинфекции в цехе.

Если роль дрожжей спиртового брожения была известна давно, то значение кормовых дрожжей как огромного источника белка и витаминов стало известным недавно. Все производства, пользующиеся дрожжами в промышленных целях, в болынин-стве случаев применяют чистые культуры одного какого-либо вида дрожжей. В зависимости от задач, стоящих перед производством, применяются те или иные расы дрожжей. На очистных сооружениях для обезвреживания микробиологическим способом сточных вод промышленных предприятий и коммунальных хозяйств применяются также различные культуры микроорганизмов.

Наиболее изученными и широко применяемыми на заводах кормовыми дрожжами являются дрожжи Candida utilis, изучению биохимических особенностей которых посвящены многочисленные работы Финка и его сотрудников, доказавших способность этого микроорганизма утилизировать ксилозу и органические кислоты. Эти дрожжи получили широкое распространение на заводах кормовых и пищевых дрожжей в ГДР, ФРГ, США, Канаде.

В дрожжевой клетке, являющейся живым микроорганизмом, происходят сложные биохимические процессы, обеспечивающие ее жизнедеятельность. Эти процессы, с одной стороны, связаны с усвоением (ассимиляцией) клеткой питательных веществ, поступающих из внешней среды, а с другой – с распадом соединений в организме (диссимиляцией) и выделением их за пределы клетки. Происходит обмен веществ, характерный для любого живого организма. В основе химических превращений органических веществ лежат синтез и распад. При синтезе простые вещества превращаются в более сложные органические соединения при условии поглощения энергии. Процесс расщепления сложных соединений в простые связан с освобождением энергии. Ассимиляция обеспечивает синтез новых химических соединений, необходимых для образования и роста новых клеток и для их жизнедеятельности, а диссимиляция обеспечивает организм энергией, необходимой для построения живого вещества.

Для нормального питания дрожжам требуется источник углерода для роста и энергии, источник азота для синтеза белков и других азотсодержащих соединений, а также различные неорганические элементы для создания нормальной структуры клетки. Кроме того, дрожжи нуждаются в более сложных веществах: биосе, или стимуляторах роста (дрожжевых витаминах).

Стимуляторы роста ускоряют ход биохимических реакций, направляют жизненный процесс в определенном порядке, влияют на выход дрожжей и определяют физиологическое состояние полученных дрожжей.

В производстве кормовых дрожжей применяются дрожжи и дрожжеподобные грибы, способные усваивать гексозы, пентозы и органические кислоты. Такие дрожжи и грибы хорошо ассимилируют в аэробных условиях глюкозу, галактозу, маннозу, ксилозу, арабинозу, рамнозу, уксусную кислоту, содержащиеся в гидролизатах и сульфитных щелоках.

Все жизненно важные вещества клеточного содержимого состоят из простых и сложных белков. Простые белки – протеины составляют 47–55%. Важнейшие клеточные части строятся из сложных белков – протеидов, представляющих собой соединение белков с нуклеиновыми кислотами (нуклеотидами). Из протеидов построена наиболее активная часть живой клетки, ее биохимическая основа.

На рис. 16 показаны чаще всего встречающиеся в практике различные дрожжевые клетки. Форма и величина дрожжевой клетки определяют некоторые физические и физико-химические ее особенности. Форма дрожжевых клеток чаще всего округлая, яйцевидная (овальная). Встречаются клетки удлиненные. Величина клеток сильно колеблется у разных видов и родов и зависит от условия питания, возраста дрожжей и других факторов. Размер ее измеряется микронами. Средняя величина отдельной клетки, например дрожжей из рода Torulopsis, по диаметру 5–7 мк и длине 7–8 мк. По сравнению со спиртовыми дрожжами (10–11 мк) и пекарскими (6–8 мк) клетки кормовых дрожжей мельче. Отношение поверхности клетки к ее объему сказывается на скорости диффузии питательных веществ внутрь клетки и выделения продуктов обмена. Чем это отношение больше, тем интенсивнее жизнедеятельность клетки.

Рис. 16. Дрожжи, выращенные на гидролизной (I и II) и сульфитно-спиртовой (III и IV) барде:
I – Candida Sp. Кр-9; II – Candida tropicalis СД-5; III – Candida troplcalis СК-4; IV-Candida utilis К-2

 

Клетки дрожжей состоят из оболочки, цитоплазмы (протоплазмы) и ядра (рис. 17).

 

Рис. 17. Строение дрожжевой клетки:
1 – делящееся ядро; 2 – гликоген;
3 – волютин; 4 – хондриосомы

 

Оболочка определяет форму клетки, защищает ее от вредных воздействий окружающей среды. У молодых клеток оболочка тонкая и едва различимая в микроскоп, а с возрастом онаутолщается и ясно видна. Особенно сильно оболочка утолщается при воздействии на клетку неблагоприятных внешних условий: при резком повышении температуры среды, в которой находятся дрожжи; при недостатке питательных веществ; при увеличении кислотности и концентрации вредных веществ в среде, таких, как фурфурол, сернистый ангидрид и др.

В состав оболочки входят полисахариды типа гемицеллюлоз (70–80%), а также белок, аминокислоты и другие вещества. Молекулярное строение клеточной оболочки должно обеспечить доступ к цитоплазме питательных веществ. Оболочка является не механическим барьером, а активной физико-химической системой, обеспечивающей обмен веществ.

Протоплазма, заполняющая всю полость клетки, состоит в основном из белковых веществ и довольно значительного количества воды, вследствие чего она представляет собой вязкую жидкость. Вязкость повышается по мере старения клетки. В протоплазме протекают все важнейшие жизненные процессы. Проникающие сюда через оболочку питательные вещества претерпевают сложнейшие изменения с образованием новых сложных соединений и выделением продуктов обмена. В протоплазме с ее составными структурными элементами (хондриосомы, микросомы, вакуоли и другие включения) протекают важнейшие ферментативные процессы. При старении клетки в протоплазме появляется мелкая вакуолизация и равномерная зернистость. В старых клетках протоплазма приобретает еще большую зернистость и располагается тонким слоем вдоль оболочки. Центральную часть клетки занимает большая вакуоль. Увеличение зернистости, съеживание протоплазмы и уменьшение объема клеток происходит у голодающих клеток.

В протоплазме находятся составные части клетки, выполняющие различные функции. К таким частям относятся хондриосомы, микросомы, вакуоли, ядро. Кроме того, в ней находятся запасные вещества дрожжевой клетки – волютин, гликоген, жиры.

Хондриосомы имеют форму зернышек, палочек или нитей. Они содержат в своем составе примерно 30% липидов (жировых веществ) и более 50% структурного белка. Они регулируют окислительно-восстановительные процессы клеток. Здесь же происходит реакция активизирования аминокислот для процессабиосинтеза белка. Хондриосомы состоят главным образом из липопротеидов, т. е. из соединения белков с жироподобными веществами – липоидами. В клетках, растущих в аэробных условиях, хондриосомы равномерно рассеяны по всей протоплазме, в бродящих же клетках (в анаэробных условиях) они сливаются в толстые тяжи, располагающиеся в виде скоплений на периферии клетки. При размножении клетки происходит и деление хондриосом, т. е. нити или палочки распадаются на отдельные части, причем в каждую почку и дочернюю клетку обязательно попадает отделившаяся часть хондриосомы.

Микросомы представляют собой включения в виде субмикроскопических зернышек, состоящих из липоидов (в том числе фосфолипиды и холестерины), белков и рибонуклеиновых кислот, которые обеспечивают синтез белка за счет активизированных аминокислот.

Вакуоли представляют собой округлую полость, окруженную тончайшей оболочкой и заполненную водянистым содержимым– клеточным соком. Кроме растворенных в воде электролитов (Na, К, Ca, Mg, Cl, SO₄ и PO₄), в вакуолях содержатся также белки, жиры и углеводы в коллоидном состоянии и ферментативные системы. В вакуолях протекают активные окислительно-восстановительные и протеолитические процессы благодаря имеющимся в них растворенным ферментам. Характерной особенностью вакуолей дрожжевых клеток является наличие в них метахромотина (волютина).

Ядро дрожжевой клетки имеет форму округлую или овального пузырька, окруженного очень нежной оболочкой. Пузырек содержит прозрачную жидкость – нуклеоплазму (кариоплазму) и более плотную – кариосому. В состав ядра входят нуклепротеиды, т. е. соединения белка с нуклеиновыми кислотами (нуклеотидами). Физиологическое значение ядра не вполне выяснено, хотя значение его в жизни дрожжевой клетки огромно, в частности, в процессах ферментативного характера, ассимиляции и роста.

Волютин (метахроматин) относится к запасным веществам азотистого соединения, предположительно, – к производным нуклеиновой кислоты. Он изменяется количественно и зависит от присутствия фосфатов в питательной среде. В голодающих клетках количество волютина быстро уменьшается. Наиболее вероятно, что он связан с общими процессами, обусловливающими рост и размножение клеток, а также с аккумуляцией энергии.

Гликоген – углевод, близкий к крахмалу, также относится к резервным веществам. Накопление его происходит при выращивании дрожжей на средах, богатых сахаром. При недостатке углеродистого питания гликоген быстро расходуется дрожжами.

Жиры также образуются на средах, богатых углеводами. В протоплазме жир молодых клеток распределяется в видемельчайших включений, а у зрелых и старых клеток он собирается в крупные капли.

В жизни клетки весьма важное значение имеют вырабатываемые живой клеткой органические катализаторы, называемые энзимами (ферментами). Некоторые энзимы (пепсин, трипсин и др.) являются простыми белками, но большинство энзим состоит из сложных белков (протеидов). Энзимы участвуют в процессе распада и синтеза. Они либо выделяются клеткой в окружающую среду (экзоферменты) и проявляют свою деятельность вне клетки, расщепляя такие соединения, как белок, крахмал, жир, и тем самым способствуя проникновению их в клетку, либо бывают сосредоточены на различных внутриклеточных поверхностях и включениях (эндоферменты) и катализируют процессы дыхания и синтеза самого вещества протоплазмы.

В составе дрожжевой клетки должны быть как минимум следующие жизненно необходимые группы белковых соединений: нуклепротеиды, липопротеиды и энзимы.

Дрожжевые клетки размножаются, как правило, почкованием (вегетативно). При этом на материнской клетке образуется почка, которая вырастает в дочернюю клетку и по достижении приблизительно объема материнской отделяется от нее. Отделению вновь выросшей клетки способствует движение жидкости. До момента разделения между старой и новой клеткой существует прочная внутренняя связь. При почковании во вновь выделившуюся клетку переходит часть структурных образований клеточной плазмы, которые затем в молодой клетке разрастаются. В среде, лишенной кислорода, дрожжи размножаются относительно слабо, но зато многие расы дрожжей способны при этих условиях сбраживать сахар на спирт. При аэрации сред резко возрастают синтетические процессы и интенсивно протекает почкование и размножение клеток. При этом происходит реакция окисления сахара, его сжигание кислородом воздуха, т. е. реакция, лежащая в основе клеточного дыхания.

Дрожжевое производство, которое заинтересовано в максимальном накоплении биомассы дрожжей и не использует продукты обмена микробиологических процессов, естественно, стремится только к интенсификации процесса размножения.

Для того чтобы из одной клетки образовалось две, требуется определенное время, называемое периодом генерации. Считается, что полное развитие дрожжевой клетки, т. е. образование новой дочерней клетки, заканчивается приблизительно в течение 2 ч. Однако в действительности размножение протекает медленнее, и в условиях дрожжевого производства оно составляет от 3 до 5 ч.

Для того чтобы судить, какие элементы и в каких количествах требуются для получения значительного выхода дрожжей, нужно иметь представление о составе биомассы дрожжей. Основные элементы: углерод, азот, водород и кислород – составляют до 94% веса сухих дрожжей. Соединение углеродных атомов является остовом всех органических веществ. Углерод, способный создавать различные соединения, образует основу всех веществ клеточного тела. Содержание некоторых элементов в клетке обычно зависит от концентрации данного химического элемента в среде. Так, на среде, содержащей много азота, получаются дрожжи с большим количеством азота. Повышение концентрации азота сверх оптимальной увеличивает не выход дрожжей, а содержание в них азота.

При изучении вопроса о питании дрожжей необходимо выявить оптимальную потребность дрожжей в различных неорганических элементах и других питательных веществах и снабдить ими дрожжи в достаточном количестве для получения заданного выхода биомассы. Чрезмерное снабжение дрожжей питательными веществами приведет только к перегрузке ими клеток и потерям веществ с отработанной дрожжевой бражкой. В питательной среде надо всегда иметь немного больше солей, чем это требуется для максимального развития дрожжей, так как существует определенное соотношение между концентрацией соли вне и внутри клетки.

Все биохимические процессы, связанные с обменом веществ, протекают в водном растворе. В самой дрожжевой клетке 75% ее веса принадлежит воде, а 25%–главным образом органическим (до 90–92%) и зольным веществам (8–10%). Среди зольных веществ основное место занимает фосфор (до 50%), затем калий (до 25%) и далее Ca, Mg, S, Na, ι Fe, Mn и Cl. Имеются следы Zn, Mo, J, Cu, Со, В, Ni, Ti. Основная масса сухого вещества дрожжей состоит из белков – протеидов. Важнейшие клеточные части состоят из сложных белков – протеидов. Кислород значительно ускоряет размножение дрожжей. Механизм действия кислорода как стимулятора размножения дрожжей полностью не изучен. Развиваясь в аэробных условиях, дрожжи получают необходимую энергию в процессе дыхания. В этом случае идет окисление органических веществ, преимущественно Сахаров, кислородом воздуха до конечных минеральных продуктов: углеродные цепочки разрываются, и весь углерод превращается в CO₂. При этом освобождается вся связанная энергия. Этот процесс можно выразить следующим образом:

C₆H₁₂O₆ + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О + 674 калории.
сахар + кислород = углекислота + вода+тепло

При разложении 1 грамм-молекулы сахара освобождается энергии в 23 раза больше, чем при брожении. Оба процесса – дыхание и брожение – связаны с размножением дрожжей и с тратами сахара на построение вещества протоплазмы. Однако прирост дрожжей идет с различной интенсивностью. При дыхании 100 г глюкозы могут дать 236 г држжей. При большом содержании сахара в сусле, но при недостатке других веществ, необходимых для роста дрожжей, будет ограниченный выход биомассы дрожжей, потому что избыток сахара будет использован непродуктивно – только на дыхание или получение продуктов метаболизма. Скорость размножения дрожжей зависит от применяемого штамма дрожжей, условий среды, к которым относятся достаточное снабжение сахаром, неорганическими солями, стимуляторами роста, а также степень и эффективность аэрирования. Очень важно также поддерживать подходящую температуру и рН. Необходимо, чтобы в среде отсутствовали ингибиторы роста, т. е. вещества, замедляющие процесс размножения дрожжей или препятствующие ему.

Если размножение дрожжей происходит в аэрируемом сусле, содержащем достаточно питания, и если подается достаточно воздуха, то скорость размножения возрастает по логарифмической кривой.

Дрожжи размножаются и увеличивают вес путем отпочкования дочерней клетки, которая отделяется от материнской в конце отрезка времени х – времени генерации дрожжей в данных условиях. В конце этого отрезка времени масса дрожжей будет удвоена: в конце второго отрезка времени от начала опыта (2х) масса опять будет удвоена. Таким образом, начальная масса засевных дрожжей α будет возрастать следующим образом:

следующим образом

Окончательная формула, которой можно выразить размножение дрожжей, имеет следующий вид:

А = A₀е^rt,

где А – общее количество дрожжей в конце периода t;
A₀ – начальное количество дрожжей;
е – основание натурального логарифма, равное 2,718;
к – коэффициент скорости образования биомассы дрожжей.

Конечный выход дрожжей в каждом процессе накопления биомассы дрожжей будет зависеть от количества заданных засевных дрожжей, скорости прироста и длительности периода, в течение которого протекает этот процесс. Замечено, что кроме сахара и питательных солей, дрожжам для их развития требуются еще небольшие количества органического вещества, названного биосом. Установлено, например, что для развития некоторых дрожжей необходимы следующие витамины: биотин, инозит, пантотеновая кислота, тиамин, пиридоксин, никотиновая кислота. Некоторым дрожжам требуются все указанные витамины для их роста, а другим только два или три из них.

Потребность в витаминах у дрожжей очень разнообразна. Однако встречаются дрожжи, которые не требуют для своего роста витаминов, так как сами синтезируют их. Такие дрожжинаиболее ценны для производства. Выход дрожжей из сырья тесно связан с их потребностью в стимуляторах роста и количественным содержанием этих веществ в сырье.

Развитие дрожжей протекает наиболее эффективно тогда, когда имеется правильное соотношение всех необходимых элементов питания, в противном случае получаются потери сахара и других питательных веществ, что наносит ущерб производству. Стимуляторы роста поступают в аппарат для выращивания дрожжей с сырьем, а также с засевными дрожжами. Часть стимуляторов роста можно ввести с автолизатом.

В дрожжевой промышленности применяется разнообразное сырье, на котором культивируются дрожжи. Это в свою очередь требует от микробиологов и специалистов дрожжевой^ промышленности соответствующего внимания к подбору необходимых для данных конкретных условий питательных сред, культур микроорганизмов, технологических режимов, способных дать максимальный выход дрожжевой массы.

 

ПОДГОТОВКА ЧИСТОЙ КУЛЬТУРЫ ЗАСЕВНЫХ ДРОЖЖЕЙ

В технологическом процессе дрожжевого производства под названием засевные дрожжи принято понимать начальный или дополнительный приток дрожжей чистой культуры в основные производственные дрожжерастильные чаны. Под чистой культурой в производстве кормовых дрожжей следует понимать 100%-ную биомассу дрожжей, рекомендуемую производству для культивирования на перерабатываемом в данный период времени сырье.

Засевные дрожжи чистой культуры приготавливаются по особому режиму, начиная от лабораторной пробирки и кончая производственным дрожжерастильным чаном. Установка для приготовления чистой культуры дрожжей работает периодически или непрерывно, в зависимости от потребности. В начальный период пуска дрожжевого цеха (при вводе его в эксплуатацию или после остановки цеха на капитальный ремонт и на дезинфекцию) включают в работу установку приготовления чистой культуры для передачи засевных дрожжей в производственные дрожжерастильные чаны. Потребность эта периодическая, непостоянная. В случае же применения дрожжей, подверженных вытеснению другими, обычно неурожайными дрожжами, эта установка работает постоянно для непрерывного восстановления культивируемых в производстве дрожжей. Степень неустойчивости дрожжей различна, поэтому и установки по подготовке засевных дрожжей нй заводах работают по разному режиму. Так, на некоторых заводах (Ленинградский, Выборгский, Ингурский и др.) эти установки работают редко, так как внедренные производственные дрожжи устойчивы и не нуждаются в обновлении.

Очень редко работают такие установки и на некоторых зарубежных заводах кормовых дрожжей.

Необходимость обновления и восстановления засевных дрожжей или пополнения ими основного производственного потока определяется микробиологической службой на заводе. Безусловно, что задачей производственного и научного персонала на заводах является подбор для производственного процесса такой культуры дрожжей, которая удовлетворяла бы требованиям высокого выхода биомассы и была бы устойчивой для данной питательной среды.

Перед процессом выращивания дрожжей после капитального ремонта или в пусковой период перерабатываемый субстрат должен быть засеян определенным количеством активных дрожжей урожайной чистой культуры. Опыт показал, что в начальный период в субстрате количество биомассы засевных дрожжей, содержащей до 75% влаги, не должно превышать половины веса сахара, предназначенного для загрузки чана. При непрерывном выращивании товарных дрожжей в случае неустойчивости производственной культуры рекомендуется постоянно добавлять засевные дрожжи в количестве 10% от веса биомассы дрожжей, находящихся в аппаратах. Если работают четыре аппарата по 320 м³ каждый с заполнением дрожжевой суспензией на 30% и со средним содержанием в ней дрожжей 15 г/л (в пересчете на влажные – 75%), то в сутки необходимо добавать следующее количество засевных дрожжей такой же влажности: 4•320•0,3 х 0•015•0,1 = 576 кг, что составляет 4–5% от общей средней выработки дрожжей на всех аппаратах.

Исходя из этого, для некоторых заводов определяется состав и производительность оборудования установки приготовления засевных дрожжей чистой культуры.

Процесс выращивания засевных дрожжей разбивается на ряд операций, основными из которых являются:

• выращивание чистой культуры дрожжей в лабораторных условиях;
• выращивание засевных дрожжей в малой дрожжанке;
• выращивание засевных дрожжей в большой дрожжанке;
• выращивание засевных дрожжей в малом дрожжерастильном аппарате.

С увеличением мощностей на действующих и особенно на проектируемых заводах не исключена возможность изменения стадийности наращивания биомассы чистой культуры дрожжей и включения дополнительно еще одной последующей операции – выращивания засевных дрожжей в инокуляторе средней емкости.

Выращивание чистой культуры дрожжей в лабораторных условиях осуществляется микробиологом также в несколько, стадий в колбах различной емкости 0,25; 3 и 20–25 л. Эти стадии лабораторных работ определяются специальными инструкциями и зависят от количества дрожжей, необходимого производству. Микробиологическая лаборатория должна быть оснащена необходимым оборудованием и средствами, обеспечивающими получение на глюкозе чистой культуры засевных дрожжей. В лаборатории очень важно поддерживать постоянную температуру в сосуде, в котором происходит наращивание биомассы дрожжей. С этой целью на Выборгском комбинате по предложению И. А. Кругликова выполнено устройство для автоматического регулирования температуры выращивания дрожжей при помощи терморегулятора по схеме, показанной на рис. 18.

Рис. 18. Схема автоматического регулирования температуры:
1 – бутыль с чистой культурой дрожжей; 2 – контрольный термометр;
3–баллончик термометра ТС-100; 4 –водяная баня; 5 – капилляр;
6 – манометрический термометр ТС-100; 7 – реле;
8 – исполнительные контакты; 9 – электроплитка

 

Основной деталью – датчиком терморегулятора служит манометрический термометр типа TC-100. Кроме подвижной стрелки, термометр имеет две неподвижные стрелки– красную и желтую, соединенные с неподвижными контактами. Подвижной контакт жестко укреплен на указывающей стрелке и скользит по неподвижным контактам. Для регулирования температуры неподвижные стрелки соединяются и устанавливаются на верхнем пределе регулировки, в частности 31°. Контакты соединены с реле переменного тока, имеющим исполнительные контакты, которые включают и отключают электроплитку.

Действует реле следующим образом: до тех пор, пока температура воды в бутыли с чистой культурой ниже 31°, контакты электрореле замкнуты и электроплитка, находящаяся под водяной баней, включена, вода в этом случае подогревается. При достижении температуры 31° контакты термометра замыкаются, реле сбрасывает и размыкает цепь питания электроплитки, тогда вода не подогревается. При понижении температуры раствора в бутыли на 0,5° процесс повторяется. Таким образом, терморегулятор поддерживает температуру в бутыли постоянной с колебаниями ±0,5°. При его помощи может быть задан любой диапазон регулирования температуры в пределах от 0 до 100° в соответствии со шкалой прибора.

Выращенные в лабораторных условиях дрожжи передаются в производство для подготовки чистой культуры дрожжей. Схема такой установки, обычно рекомендуемой ВНИИГидролизом, применительно к суточной производительности дрожжевого цеха 3–4 т товарных кормовых дрожжей, показана на рис. 19.

Рис. 19. Схема установки приготовления засевных дрожжей чистой культуры:
1 – стерилизатор-нейтрализатор; 2 – сборник питательной среды; 3 – автолизатор;
4 – малая дрожжанка; 5 – большая дрожжанка; 6 – малый инокулятор; 7 – насос

 

В качестве питательной среды на всех стадиях установки чистой культуры применяют нейтрализованный гидролизат или сульфитный щелок. Питательную среду подготавливают в специальном аппарате, так называемом стерилизаторе-нейтрализаторе, к которому подведены пар, воздух, известковое молоко, раствор сульфата аммония и водная вытяжка суперфосфата. Аппарат, заполненный нейтрализованным гидролизатом или сульфитным щелоком, с целью стерилизации подготовляемой среды нагревается до 80° и дополнительно нейтрализуется до рН=5,5–5,8 при непрерывном воздушном или механическом перемешивании. При этом добавляются питательные соли: раствор сульфата аммония (из расчета 0,056 кг азота на 1 кг PB), водная вытяжка суперфосфата (0,031 кг Р2О5 на 1 кг PB) и хлористый калий (0,015 кг на 1 кг PB). Все содержимое в стерилизаторе-нейтрализаторе аэрируется путем подачи воздуха через барботер в течение 2–2,5 ч.

В питательную среду желательно добавить дрожжевой автолизат из расчета 10 л на 1 м³. Добавка автолизата ускоряет процесс размножения дрожжей и делает их физиологически активными. Для приготовления автолизата предназначены автолизаторы необходимой емкости с обогревом горячей водой до температуры 50–60°. Раствор сульфата аммония и водную вытяжку суперфосфата подают через мерные напорные бачки или через ротаметры для учета количества задаваемых растворов.

Питательную среду можно употреблять после отстаивания и охлаждения. Отстаивание обычно продолжается 5–8 ч. Для очистки от осадка в стерилизаторе-нейтрализаторе предусмотрены декантационные устройства, а для механической выгрузки осадка из аппарата – боковой и верхний люки. Весь процесс подготовки питательной среды обычно занимает 8–12 ч. Для обеспечения непрерывности подготовки засевных дрожжей требуется иметь два стерилизатора-нейтрализатора или же один стерилизатор-нейтрализатор и один сборник питательной среды, чтобы создать некоторый запас для обеспечения ритмичной работы установки.

На специальных гидролизно-дрожжевых заводах и заводах, перерабатывающих сульфитный щелок только на кормовые дрожжи, обычно не приготовляют питательную среду, так как субстраты готовят по общему дрожжевому режиму. В этих случаях питательную среду для засевных дрожжей чистой культуры только нагревают для стерилизации, отстаивают для лучшего осветления и охлаждают.

Все три или четыре стадии выращивания засевных дрожжей осуществляются в дрожжерастильных аппаратах различной емкости. Каждый аппарат снабжен воздухораспределительной системой, змеевиком для охлаждения питательной среды или подогрева ее водой, барботером для пропарки аппарата, а также для подогрева и кипячения воды, необходимой в случае разбавления гидролизата или сульфитного щелока в самом начале процесса выращивания. Все аппараты изготовляются из кислотоупорной стали.

Первая стадия выращивания засевных дрожжей в производственных условиях осуществляется в малой дрожжанке общей емкостью 500 л. Вначале в дрожжанку набирают 180 л кипяченой охлажденной воды, затем подают 40 л подготовленной питательной среды. В этот субстрат засевают выращенные в лаборатории дрожжи в количестве 120–140 г в пересчете на прессованные, вместе со средой, на которой они выращивались. Питательная среда в малой дрожжанке должна быть с содержанием PB в пределах 0,4–0,5%.

Все содержимое в дрожжанке интенсивно продувается воздухом в течение 12–14 ч с постепенной за это время добавкой (по режиму ВНИИГидролиза) питательной среды с таким расчетом, чтобы к концу периода в малой дрожжанке было 310 л всей жидкости. При выращивании засевных дрожжей поддерживается рН=4,0–5,5 путем подачи аммиачной воды. При отсутствии ее на заводе можно пользоваться щелочью. При снижении PB до 0,25–0,3% в малую дрожжанку задается новая порция питательной среды. На первой стадии за один цикл получают 3,5–4,5 кг биомассы дрожжей, содержащих 75% влаги.

Вторая стадия выращивания засевных дрожжей осуществляется в большой дрожжанке общей емкостью 4,5–5 м³. Весь процесс второй стадии аналогичен процессу первой стадии. В дрожжанку подается кипяченая вода (1300 л), питательная среда (200 л) и все засевные дрожжи вместе с отработанной средой с первой стадии (300–310 л). Процесс протекает в течение 10–11 ч. К концу периода в большой дрожжанке в соответствии с режимом дозировки питательной среды накапливается 2500 л.

Третья стадия выращивания засевных дрожжей в производственных условиях осуществляется в малом дрожжерастильном аппарате емкостью 12–15 м³. Аппарат заполняют кипяченой охлажденной водой (1500 л), засевными дрожжами вместе с. отработанной средой со второй стадии (2500 л) и свежей подготовленной средой (500 л). Начальный объем жидкости в малом аппарате составляет 4500 л. Засевных дрожжей должно быть не менее 7,5–15% от веса PB1 перерабатываемых в малом аппарате. Процесс протекаем в течение 8–9 ч. За это время в малом аппарате в соответствии с режимом дозировки питательной среды накапливается 6000 л среды с содержанием в ней до 90–100 кг биомассы дрожжей. В 1 л среды накапливается 15–20 г дрожжей, содержащих 75% влаги.

При накоплении этого количества дрожжей начинается непрерывный отбор по 1–1,5 м³ в час засевных дрожжей вместе с отработанной средой из малого аппарата в производственный дрожжерастильный аппарат, где выращиваются товарные дрожжи. Одновременно в малый аппарат задается такое же количество свежей питательной среды, содержащей 12–15 кг PB. Желательно, чтобы содержание PB в приточной жидкости не превышало 1–1,2%. Непрерывная работа малого аппарата продолжается 5–7 суток. С целью поддержания непрерывного режима работы малого аппарата кипяченую воду для разбавления питательной среды в этот период готовят в специальном стерилизаторе или же в большой дрожжанке. На восьмые сутки следует повторить процесс выращивания чистой культуры засевных дрожжей, начиная с лабораторного размножения отобранных наиболее эффективных производственных дрожжей, полученных от первого оборота. Этим приемом повторной селекции достигается получение высокоурожайной и устойчивой в производственных условиях культуры дрожжей. Срок непрерывной работы малого аппарата может меняться, но не должен превышать 15–18 дней, так как в противном случае можно утерять основные свойства чистой культуры из-за накопления в ней различных примесей грибов и диких дрожжей.

На более крупных заводах по производству кормовых дрожжей можно осуществлять еще и четвертую стадию выращивания засевных дрожжей в среднем дрожжерастильном аппарате общей емкостью 40–100 м³. При этом на первых трех стадиях выращивание дрожжей периодическое, а на последней непрерывное. В связи с увеличением потока на четвертой стадии стерилизация питательной среды и воды должна осуществляться путем непрерывного пропуска их через специальные подогреватели, обогреваемые паром. Температура среды и воды доводится до 100°. После этого, пропуская через охлаждающие теплообменники, среду и воду охлаждают до 30–31°. Однако на многих заводах нет надобности в стерилизаторах субстрата, так как температура гидролизата или сульфитного щелока, поступающего на установку чистой культуры, вплоть до отстойников составляет не менее 80°. Поэтому опасность заражения среды посторонними микроорганизмами отпадает.

За работой установки чистой культуры дрожжей установлен систематический лабораторный контроль. Ниже приведена примерная схема работы лаборатории по химико-техническому контролю за процессом наращивания биомассы применительно к гидролизно-дрожжевому заводу (табл. 8).

Таблица 8

При наличии большого дрожжерастильного аппарата в составе установки приготовления чистой культуры схема химикотехнологического контроля остается аналогичной схеме контроля при малом дрожжерастильном аппарате.

Специфика сьфья, культуры дрожжей, мощность завода и ряд других обстоятельств могут изменить схему, режим и состав оборудования установки по подготовке засевных дрожжей чистой культуры. Выше были приведены данные, отработанные ВНИИгидролизом для трехстадийного выращивания дрожжей на установке чистой культуры в дрожжевом цехе Приозерского целлюлозного завода. На других заводах схемы и режимы работы установок отличаются от описанной выше. Инженер Лефрансуа (французская фирма «Сорис») для дрожжевых цехов рекомендует двухи трехстадийную схему установки подготовки засевных дрожжей чистой культуры. Двухстадийную схему он рекомендует для раствора с более высоким содержанием PB, например для гидролизатов и сульфитных щелоков, а трехстадийную – для растворов с пониженным содержанием PB, например для отработанной послеспиртовой барды.

Технологическая схема установки приготовления чистой культуры засевных дрожжей, рекомендуемая Лефрансуа, показана на рис. 20. Оборудование установки состоит из малой дрожжанки емкостью 0,5 м³, смесителя, большой дрожжанки емкостью 5,7 м³ и насоса. Засевные дрожжи, выращенные в лаборатории, засеваются на питательную среду, приготовленную в малой дрожжанке, к которой подведены трубопроводы сусла, горячей и холодной воды, пара, воздуха, подсевных дрожжей из большой дрожжанки.

Рис. 20. Схема установки приготовления засевных дрожжей
чистой культуры французской фирмы «Сорис»:
1 – малая дрожжанка; 2 – смеситель; 3 – большая дрожжанка; 4 – насос

 

Засевные дрожжи, выращенные в малой дрожжанке, передаются самотеком в большую дрожжанку через смеситель, в который подаются также сусло, горячая и холодная вода, промытые дрожжи после 3-й сепарации, засевные дрожжи из малой дрожжанки и дрожжи подсевные из большой дрожжанки. Питательные вещества: азот в виде аммиачной воды, фосфор в виде суперфосфатной вытяжки, хлористый калий в виде раствора в малую и большую дрожжанку, как правило, подаются вручную, так как вследствие малых количеств регулировать их подачу при помощи КИП трудно.

У обеих дрожжанок предусмотрено наружное охлаждение путем орошения холодной водой их боковой поверхности. Из смесителя все содержимое сливается в большую дрожжанку, в которой при подаче воздуха происходит процесс дальнейшего накопления биомассы. Из большой дрожжанки засевные дрожжиперекачиваются в производственные дрожжерастильные чаны. Большая дрожжанка может работать в непрерывном потбке. Однако из-за невысокой производительности она не может обеспечить получение большого количества засевных дрожжей с целью значительного обновления производственных дрожжей. Поэтому для заводов большой мощности требуется введение еще одной стадии выращивания чистой культуры засевных дрожжей.

При разработке схемы двухстадийного выращивания чистой культуры дрожжей Лефрансуа исходил из того, что на сусле с высокой концентрацией PB должно происходить интенсивное наращивание производственных товарных дрожжей. Вытеснение их другими культурами должно, как правило, исключаться, а поэтому мощность установки по подготовке засевных дрожжей не должна быть большой. Кроме того, предполагается, что к каждой среде заранее должна быть подобрана устойчивая культура дрожжей. Третью стадию подготовки чистой культуры засевных дрожжей Лефрансуа рекомендует лишь для получения дрожжей из сусла с низким содержанием PB, т. е. из послеспиртовой барды. Для этого он рекомендует чан – малый дрожжерастильный аппарат емкостью 40–70 м³, через который должно быть пропущено до 10% всего потока сусла с целью непрерывного выращивания на нем соответствующего количества засевных дрожжей чистой культуры. К этому чану подведены сусло, воздух, питательные соли, засевные дрожжи из большой дрожжанки. Из малого аппарата дрожжи непрерывно откачиваются в производственные дрожжерастильные аппараты.

В случае подбора на заводе устойчивой культуры дрожжей, не требующей обновления, этот малый аппарат может быть отключен.

Непрерывная работа установки чистой культуры дрожжей говорит о неустойчивости внедряемой в производственных условиях культуры. Разнообразие имеющихся в природе видов и рас дрожжей позволяет подобрать к конкретным условиям среды необходимую устойчивую культуру. Это первостепенная задача микробиологов научных и производственных лабораторий.

 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ
И СХЕМЫ ВЫРАЩИВАНИЯ ДРОЖЖЕЙ

С целью достижения максимального производственного успеха и получения наибольшей эффективности при ведении микробиологического процесса необходимо знать и учитывать индивидуальные физиологические особенности дрожжей и соответственно присущие им функции. Задача дрожжевого производства заключается в наращивании биомассы дрожжей. Соответственно этой задаче необходимо обеспечить подготовку питательной среды, т. е. раствора, в котором содержатся все необходимые компоненты: сахар, минеральные соли, азот, фосфор и другие вещества, а также обеспечить подачу необходимого количества воздуха, кислород которого требуется для размножения дрожжевых клеток. Многие ученые и производственники добиваются практического подбора такой культуры кормовых доржжей, которая давала бы широкое разнообразие витаминов и была бы максимально урожайной, устойчивой, не реагирующей на вредные включения, способной переносить временно меняющиеся условия среды. Для культивирования таких дрожжей нужно строго соблюдать многие условия, благоприятствующие выращиванию определенной культуры дрожжей. Практически к одной и той же среде, при одних и тех же условиях могут адаптироваться (приспосабливаться) различные микроорганизмы. Некоторые из них существуют совместно, а некоторые, размножаясь, вытесняют друг друга. Часто нужная производству культура вытесняется другой, малоурожайной, непригодной для производства, и также дрожжеподобными грибками, которые менее эффективны, чем дрожжи.

Состояние культуры кормовых дрожжей, а также нормальное наращивание биомассы дрожжей в промышленных условиях зависит от очень многих факторов и обстоятельств, основными из которых являются следующие:

• подбор необходимой и соответствующей производственным требованиям культуры дрожжей;
• обеспечение процесса выращивания дрожжей необходимым количеством кислорода (аэрирование);
• обеспечение сахаром необходимой концентрации и качества; обеспечение питательными веществами: азотом, фосфором, калием и другими элементами, входящими в субстрат в растворенном состоянии;
• поддержание температуры среды при выращивании дрожжей, соответствующей условиям размножения;
• максимальное снижение содержания в субстрате вредных веществ (ингибиторов роста): фурфурола, сернистого ангидрида, продуктов разложения органических и других веществ;
• поддержание постоянства рН, соответствующего оптимальному режиму наращивания биомассы дрожжей определенной культуры;
• соблюдение стерильных производственных условий.

 

ПОДБОР КУЛЬТУРЫ ДРОЖЖЕЙ

За период промышленного производства кормовых дрожжей в нашей стране Всесоюзными научно-исследовательскими организациями: ВНИИГС – теперь ВНИИГидролиз (г. Ленинград) и МОВНИИГС (г. Москва), а также непосредственно на предприятиях выведено значительное количество различных культур кормовых дрожжей. Большое разнообразие культур дрожжей адаптировано в производственных условиях за рубежом (ГДР, ФРГ, Франция и др.). Наиболее распространенными видами кормовых дрожжей являются Candida tropicalis и Candida utilis, показанные на рис. 15. Эти культуры дрожжей широко применяются на различных средах, в зависимости от изменения которых дрожжи получили свое разнообразие и различную эффективность по выходу биомассы. Адаптируясь в различных средах, они частично видоизменяются, получая в каждом отдельном случае соответствующий штамм. Оба вида, как правило, внедряются отдельно, но иногда культивируются совместно в различных соотношениях. Эти виды считаются наиболее урожайными. Но и среди этих культур имеются отдельные видоизменения, дающие меньший выход биомассы при использовании одинакового количества энергетического материала.

В производственных условиях на гидролизных заводах наиболее широкое применение получил штамм кормовых дрожжей Кр-9 Candida Sp., выведенный на Красноярском гидролизном заводе. Этот штамм дрожжей по сравнению с другими дает наибольший выход биомассы, но он менее устойчив в среде с повышенным содержанием фурфурола. Однако не на всех гидролизных заводах этот штамм кормовых дрожжей успешно адаптируется. При внедрении он часто теряет свои положительные свойства. Иногда целесообразно смешивать различные культуры дрожжей, так как при этом расширяется диапазон ассимиляции различных видов углеводов. Некоторые виды дрожжей из пятиатомных Сахаров усваивают не только ксилозу, но и арабинозу; ими ассимилируются также органические кислоты.

Те дрожжи, которые адаптировались в условиях, обычно тормозящих их рост, являются ценными культурами. Эти культуры получают широкое промышленное применение.

Нормальным следует считать выход кормовых дрожжей (в сухом весе) 40–50% от использованного сахара, полученного из разных растительных материалов. Насколько важно правильно подобрать культуру дрожжей в производственных условиях, показывает целый ряд примеров практической работы заводов. Так, на Выборгском ЦБК при пуске дрожжевого цеха внедрялась культура дрожжей под шифром СХ-2. В течение 9 месяцев через 7–10 дней приходилось менять все дрожжи в производственном потоке вследствие их неустойчивости. Но впоследствии путем проверки нескольких штаммов дрожжей удалось найти такой, который давал хорошие результаты: культура оказалась устойчивой, урожайной. Для среды Выборгского ЦБК такой культурой были дрожжи штЬмма СК-4. В результате успешного подбора культуры дрожжей отпала необходимость возобновления ее на установке чистой культуры дрожжей. Эта установка была остановлена и не работает уже в течение многих лет. Аналогичным примером может быть работа дрожжевого завода в г. Вольфен (ГДР), где внедренная смесь различных штаммов дрожжей достаточно устойчиво обеспечивает нормальную работу и выход товарных дрожжей в течение многих лет без замены чистой культурой дрожжей.

Весьма важным в практической работе гидролизно-дрожжевых заводов является подбор культуры дрожжей, работающей на неразбавленных гидролизатах с содержанием PB до 3–3,5%. Многие заводы из-за отсутствия такой культуры вынуждены работать на разбавленных средах, вследствие чего усложняется производство, затрачиваются лишние материалы и увеличиваются габариты и количество единиц оборудования.

Практическая работа микробиологов заводских лабораторий должна быть направлена на испытание различных культур применительно к местным средам с целью подбора наиболее пригодной и устойчивой культуры. В ряде случаев вырождение культуры является следствием систематического заражения среды вносимыми с водой или воздухом посторонними микроорганизмами. Этого можно избежать, улучшая санитарные условия территории и изменяя источник поступления воды.

 

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВОЗДУХОМ

Одним из важнейших условий выращивания аэробных культур микроорганизмов для накопления белка является подача воздуха, являющегося источником кислорода. Кислород, водород, углерод и азот, содержащиеся в воздухе, нужны для жизнедеятельности дрожжей. В частности, кислород необходим для построения органических соединений дрожжевой клетки. Микроорганизмы используют кислород и другие вещества из воздуха в растворенном состоянии. Эти вещества проникают внутрь клеток через оболочки. Для полного удовлетворения микроорганизмов кислородом воздуха необходимо создать определенную минимальную концентрацию его.

Микроорганизмы (дрожжевые клетки) обладают весьма развитой удельной поверхностью, через которую происходит контактирование с газожидкостной системой. Научная | мысль направлена на изучение закономерностей взаимодействия фаз и массопередачи в газожидкостной системе. Истинное определение потребности воздуха при выращивании биомассы имеет большое значение, так как недостаток его приводит к снижению выхода биомассы, а значительное его превышение – к сооружению сложных воздуходувных и воздухораспределительных устройств. Стремление приблизить фактические расходы воздуха к теоретически необходимым обязывает работать над совершенствованием системы воздухораспределения.

Расход кислорода на получение абсолютно сухой биомассы может быть найден по уравнению
V = 0,25gK_K,
где V – расход кислорода, кг·,
0,25 – содержание сухих веществ в биомассе, кг/кг;
g – прирост сырой биомассы, кг/ч;
K_K–коэффициент расхода кислорода, кг на 1 кг абс. сухой биомассы.

Кинетика накопления биомассы микроорганизмами в единицу времени выражается зависимостью
g = DK,
где D – количество сырой биомассы в дрожжерастильном аппарате, кг;
К – константа скорости роста.

Подставив в уравнение значение g, получим:
V = 0,25DKK_K.

Зная константу скорости роста того или иного вида дрожжей, можно определить и расход воздуха. Потребность в кислороде на синтез биомассы зависит от многих условий и причин: от качества среды, культуры дрожжей, возраста клеток и др. Данные различных исследований показывают, что в среднем для накопления биомассы микроорганизмов теоретический расход кислорода составляет 0,7–0,8 кг на 1 кг кормовых дрожжей. Практически же дозировку воздуха иногда рассчитывают исходя из объема перерабатываемой жидкости, принимая в зависимости от системы воздухораспределения и концентрации PB в сусле от 30 до 120 м³ воздуха в час на 1 м3 культуральной жидкости.

Более правильным методом определения расхода воздуха следует считать расход на 1 кг выращиваемых дрожжей. Расход воздуха на 1 кг абс. сухих дрожжей на отдельных предприятиях колеблется от 20 до 50 м³ нормального воздуху. Колебание расхода воздуха зависит также в значительной степени от системы воздухораспределения в дрожжерастильном аппарате. Увеличенные расходы воздуха приводят к повышению расхода электроэнергии для привода в действие воздуходувных машин. И по этой причине надо стремиться к максимальному снижению непроизводительного расхода воздуха. А для этого надо обеспечить максимальное распыление (диспергирование) частиц воздуха в жидкой среде, на которой выращиваются дрожжи. Кислород относится к труднорастворимым газам, и при прохождении через жидкость только некоторая часть его переходит в раствор, а остальное количество не используется.

Диспергирование воздуха в жидкости, на которой выращиваются дрожжи, может быть осуществлено различными путями, в соответствии с чем в технике производства кормовых дрожжей существует большое разнообразие воздухораспределительных систем, установленных в дрожжерастильных аппаратах. Имеются общеизвестные барботажные системы, системы с механическими средствами распыления воздуха, аэрлифтные и ряд других.

По мнению некоторых специалистов, чем, мельче распылен воздух в самом начале его ввода в среду, тем полнее он будет утилизирован при дальнейшем его прохождении через весь слой жидкости. Эта мысль возникла в связи с внедрением барботажной системы воздухораспределения. Стали максимально уменьшать сечение отверстий для воздуха, увеличивая их количество. Логично было думать, что, нагнетая воздух через отверстия еще меньшего диаметра, можно добиться лучшего результата. В конце концов воздух стали подавать через пористые материалы, что в свою очередь привело к значительному увеличению мощности электродвигателей воздуходувных машин, которые компенсируют большие потери напора на сопротивление прохождению воздуха через мельчайшие поры керамических свечей и других материалов.

Увеличение выхода дрожжей из сахара при распылении воздуха через пористые материалы в лабораторных условиях было показано работами Бункера и других специалистов. По их данным, с уменьшением диаметра пузырька воздуха в соответствии с порами в трубах с 62 мк до 8–10 мк выход сухих дрожжей увеличивается с 15–16% до 50–54%.

Но последующими работами специалистов (Лефрансуа, Покровский и др.) было доказано, что это утверждение справедливо лишь для лабораторных чанов малой высоты, а начиная примерно с высоты 1 м размеры пузырьков воздуха не зависят от величины отверстия, из которого они выходят. Окончательно сформировавшиеся размеры пузырьков воздуха, т. е. консистенция всей эмульсии, зависит прежде всего от физических особенностей жидкости и степени ее перемешивания. Роль отверстий в воздухораспределительной системе состоит по существу во введении воздуха в питательную среду в необходимом количестве и с соответствующей скоростью. На этом принципе основаны конструкции ряда дрожжерастильных аппаратов, в частности аппаратов системы Шоллер-Зайделя, Лефрансуа-Марийе и др.

В. К. Покровский утверждает, что степень насыщения жидкости воздухом зависит от равномерности его распределения по сечению дрожжерастильного аппарата, т. е. от организации движения насыщенной пузырьками и противотока ненасыщенной пузырьками жидкости. При этом размеры пузырьков находятся в зависимости от интенсивности движения и перемешивания жидкости.

Поверхность контакта жидкой и газообразной фаз в аппарате тем больше, чем больше расход воздуха и степень насыщения им жидкости, которые становятся предельными, когда высота столба насыщенной воздухом жидкости достигнет критической величины. Утверждается, что расход кислорода, а также воздуха в процессе аэрации жидкости уменьшается прямо пропорционально увеличению столба жидкости, а с увеличением гидростатического столба жидкости в аппарате и высоты самого аппарата снижаются удельные затраты электроэнергии на аэрацию, улучшается использование емкости аппарата.

В соответствии с теоретическими доказательствами В. К· Покровский приводит расчетные данные (табл. 9).

Таблица 9

Приведенные данные требуют экспериментальной проверки. По этим данным целесообразно сооружать высокие дрожжерастильные аппараты с барботерной системой воздухораспределения. Несмотря на то, что в этом случае требуется воздуходувка с большим напором воздуха, из-за резкого снижения его расхода удельные затраты электроэнергии будут незначительны. О необходимости увеличения высоты дрожжерастильных чанов указывает в своих работах Д. Уайт.

Однако барботажная система воздухораспределения не обеспечивает интенсивного перемешивания среды в дрожжерастильных аппаратах, в связи с чем степень диспергирования воздуха недостаточна. Кроме того, барботажная система создает восходящие потоки, способствующие флотации дрожжей, при которой в верхних слоях жидкости дрожжерастильного аппарата накапливается большая масса дрожжей, а в нижних происходит обеднение среды. Неравномерность распределения дрожжей по высоте аппарата приводит к неудовлетворительному процессу накопления биомассы.

В целях усиления диспергирования воздуха в питательной среде применяют мешальные устройства различных конструкций: системы Фрикса, Фогельбуша, Вальдгофа, Райнлендера, Розенквиста, шайбовое воздухораспределение и другие системы. Некоторые конструкторы для достижения максимальной степени механического распыления воздуха в питательной средесоздают аппараты с повышенным числом оборотов метальных устройств в несколько этажей (аппарат Хемап), в связи с чем удельные затраты электроэнергии на привод таких механизмов большие, даже при малых емкостях аппаратов. Особенно они возрастут в аппаратах большой емкости. Так, фирма «Хемап» для дрожжерастильного аппарата емкостью 15 м³ рекомендует установить мешальный механизм мощностью свыше 100 квт. Безусловно, при оборотах мешального механизма до 2000 об/мин и выше степень диспергирования воздуха значительно повышается, увеличивается коэффициент использования кислорода воздуха, а в свою очередь повышается использование емкости аппарата и увеличивается его производительность. Горизонтальные многоярусные мешальные устройства даже при больших числах оборотов не обеспечивают необходимой вертикальной циркуляции жидкости.

Для создания в аппарате усредненных условий по концентрации воздуха без механического мешального устройства лучшей следует считать аэрлифтную систему подачи воздуха в аппарат. В этой системе напор воздуха не теряется при вводе в аппарат, а используется для создания циркуляционных потоков, усредняющих все показатели работы чана: концентрацию дрожжей, температуру, рН, концентрацию сахара, воздуха. Положительным является также увлечение неиспользованного воздуха обратно в нисходящий поток. Анализ работы различных воздухораспределительных систем дает основание полагать, что механические средства воздухораспределения являются ограниченными и должны быть направлены главным образом на создание хорошей циркуляции в аппаратах с целью содействия условиям максимального диспергирования воздуха и усреднения всех параметров питательной среды.

Воздух в дрожжерастильные аппараты подается по трубам от воздухонагнетательных машин различных систем и марок. Напор воздуха, выходящего из турбовоздуходувки, определяется необходимостью преодоления столба жидкости в чане и потерь в системе воздуховодов. Имеющиеся на предприятиях дрожжерастильные чаны обычно поддерживают уровень жидкости 3,5– 4 м вод. ст. Сечение воздуховодов обеспечивает минимальные потери напора. Для этого, как правило, скорости воздуха в трубах принимаются сравнительно невысокими – от 10 до 15 м/сек с целью уменьшения потерь напора. На трассе воздуховода должно быть минимально необходимое количество поворотов, отводов и других фасонных деталей, создающих сопротивления.

Перед вводом в дрожжерастильный аппарат воздуховод должен быть поднят над аппаратом для создания на воздушной трубе гидрозатвора, исключающего всасывание вместе с воздухом жидкости из дрожжерастильного аппарата в воздуходувку при внезапной ее остановке. Для устойчивой работы дрожжерастильного аппарата (постоянство напора и количества подаваемого воздуха) целесообразно для каждого аппарата иметь отдельную воздуходувку. Питание воздухом небольшого количества аппаратов от общего коллектора менее целесообразно, так как требуется более сложная регулировка подаваемого на каждый аппарат воздуха. Однако в производстве ставят одну воздуходувку на дня-три аппарата или две на три; четыре. аппарата. Это объясняется различной производительностью каждого завода по товарным дрожжам, некоторой ограниченностью в выборе имеющихся в промышленности воздуходувок и рядом других причин. Установка общего коллектора при увеличенном количестве дрожжерастильных аппаратов допустима, так как остановка или включение одного аппарата меньше влияет на изменение давления в общем коллекторе.

В случае подачи воздуха на два-три дрожжерастильных аппарата от одной воздуходувки или от общего коллектора регулировать количество подаваемого воздуха на каждый аппарат становится более затруднительно. Для устойчивой работы каждого аппарата целесообразно все дрожжерастильные аппараты соединить по низу специальными трубами, сделать их сообщающимися. Это исключит влияние разности столбов жидкости на напор и количество подаваемого воздуха в каждый дрожжерастильный аппарат.

Воздух, подаваемый в дрожжерастильные аппараты, должен быть максимально чистым, не зараженным посторонними микроорганизмами. Для этого забор воздуха необходимо осуществлять с мест, удаленных от гнилостных и запыленных участков. В первые годы освоения дрожжевого производства на ряде заводов для очистки и охлаждения воздуха после турбовоздуходувок устанавливали специальные скрубберы, которые заполнялись несколькими слоями колец Рашига и орошались сверху водой. Практика показала нецелесообразность такой очистки по ряду причин, основными из которых были следующие: вследствие больших скоростей воздуха кольца Рашига легко перетирались; по этой же причине происходил унос воздухом влаги; воздух, очищаясь от пыли, принимал в себя орошающую влагу, часто зараженную различными вредными микроорганизмами; при росте мощности производства сильно увеличивалось количество и размеры скрубберов. Эти и ряд других причин привели к выводу о нецелесообразности установки скрубберов. В последние годы почти все заводы работают без них, забирая воздух вне здания через индивидуальные всасывающие воздухозаборные трубопроводы или через коллектор.

Индивидуальные всасывающие трубопроводы лучше всего применять тогда, когда не требуется осуществлять тонкую очистку воздуха от механических примесей, когда достаточно для очистки воздуха смонтировать сетку или жалюзийную решетку. Такую очистку воздуха допускают турбовоздуходувки марки ТВ, изготавливаемые заводом «Узбекхиммаш». Воздуходувные машины-нагнетатели Хабаровского завода «Энергомаш», как правило, работают с большим числом оборотов и для этих машин завод ставит условие: содержание механических примесей в воздухе, поступающем на всасывание, не должно превышать 10 лег в 1 м³ воздуха. В связи с этим необходимо очищать воздух на масляных фильтрах. В этом случае иногда целесообразно иметь общий всасывающий коллектор, на котором можно смонтировать группу масляных фильтров. Однако по требованиям компоновки могут создаться условия для установки индивидуальных фильтров и всасывающих трубопроводов.

До последнего времени дрожжевая промышленность пользовалась воздуходувными машинами, изготовлявшимися для других отраслей промышленности. На заводах малой производительности широко применялись воздуходувки ТК-700/5 и модернизированные аналогичные воздуходувки ТВ-80-1,6 со следующими характеристиками:

Для заводов большой мощности дрожжевые цехи укомплектовываются воздуходувными машинами повышенной производительности: турбовоздуходувками марки ТВ-175-1,6 или нагнетателями марки 0-325-1IM со следующими характеристиками:

Для заводов большой мощности можно рекомендовать следующие нагнетатели:

 

ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРА В ПИТАТЕЛЬНОЙ СРЕДЕ

Гидролизаты, идущие на производство дрожжей, представляют собой водные растворы различных органических и минеральных веществ. Важнейшими в составе гидролизатов являются нелетучие органические вещества, в том числе моносахара, полисахариды, органические кислоты, а также лигниновые и гуминовые вещества, жиры, смолы и т. д.

Моносахара состоят из пентоз (ксилоза и арабиноза), гексоз (глюкоза, "манноза, галактоза) и метилпёнтоз (рамноза).

KopMOBibfe дрожжи легче всего и в первую очередь усваивают гексозы. По данным В. И. Шаркова, общее содержание в гидролизатах моносахаров составляет 3,72 г в 100 мл раствора. Практически на заводах содержание общих PB гидролизатах колеблется в пределах от 2 до 3,5%. При предварительной переработке гидролизата на спирт содержание моносахаров в растворе за счет утилизации гексозного сахара резко уменьшается. Послеспиртовая барда содержит общих PB 0,58–0,68%, в том числе моносахаров 0,43–0,56%. Сульфитный щелок, получаемый на целлюлозном заводе от варки еловой древесины на кальциевом основании, содержит до 2,6–2,8% PB, в том числе моносахаров 2,2–2,4%. При предварительной переработке сульфитного щелока на спирт содержание моносахаров после утилизации гексозного сахара снижается и составляет по содержанию PB 0,58–1,1%, в том числе моносахаров (ксилоза) 0,42–1,0%.

Скорость накопления биомассы дрожжей в питательной среде зависит от интенсивности дыхания дрожжевой клетки. На скорость накопления биомассы дрожжей больше всего влияет концентрация сахара в субстрате и количество взятых на засев дрожжей. В промышленных условиях при высоком (более 1,5–1,7%) содержании PB выращивание дрожжей идет замедленно с неполной утилизацией углеводов. Однако научные работы, проведенные МОВНИИГС в лабораторных условиях, показывают [9], что концентрация сахара в перерабатываемой среде, а следовательно, начальная концентрация его в субстрате может быть значительно увеличена (до 3–5% PB), но при этом дрожжи следует обеспечить достаточным количеством растворенного кислорода. По этим данным, выход биомассы, выраженный в процентах по отношению к (Использованному сахару, не зависит от концентрации его в исходной среде, если дрожжи обеспечены во время своего роста растворимым кислородом. Содержание в них белка, фосфора, золы тоже остается постоянным и не зависит от концентрации сахара в среде. Скорость прохождения жидкости через аппарат при непрерывном процессе выращивания дрожжей на средах, содержащих разную концентрацию сахара в указанных условиях обеспечения кислородом, является постоянной.

Пока в практике не достигнуты данные научно-исследовател ьских ρ а бот и заводы работают на растворах с содержанием PB 1,2–1,8%. Ясно, что в лабораторных условиях возможно достичь высокой степени диспергирования воздуха и циркуляции жидкости, чтобы создать благоприятные условия для обеспечения дрожжевых клеток растворимым кислородом. Этого не удается сделать в промышленных условиях. Вероятно, одной из причин повышенных недобродов является наличие в гидролизате и сульфитном щелоке различных по качеству Сахаров. Весьма важным условием глубокой утилизации Сахаров является наличие всех необходимых для наращивания биомассы стимуляторов роста.

В промышленных условиях в настоящее время гидролизат или сульфитный щелок разбавляют водой. Так, на заводе «Агфа» (ГДР) сульфитный щелок от варки буковой древесины, имеющей первоначальное содержание около 3,7% PB, при подаче в дрожжерастильный аппарат системы Вальдгофа разбавляется до 2,5% PB, а в аппарат системы Фрикса – до 1,6%. На Таллинском целлюлозно-бумажном комбинате сульфитный щелок при подаче на выращивание дрожжей также разбавляется водой до 1,5%, и тем не менее остаточное содержание PB в отработанной бражке (недоброд) составляло 0,6–0,8%.

Разбавляют гидролизат водой и на других отечественных гидролизных заводах (Краснодарский, Астраханский и др.), доводя содержание PB в субстратах до 1–1,8%. Сульфитный щелок и предгидролизат можно разбавлять лишь в тех случаях, когда отработанная дрожжевая бражка, вышедшая из дрожжевого цеха, не используется для получения бардяных концентратов. Когда она поступает на выпарную станцию для упаривания с целью получения бардяных концентратов, разбавление щелока водой недопустимо, так как вводимую воду нужно упаривать, затрачивая на это большое количество тепла. Для достижения максимальных выходов кормовых дрожжей из сульфитного щелока или гидролизата, имеющих повышенное содержание PB (выше 2%), необходимо осуществлять ряд специальных мер, например: разбавление гидролизата или сульфитного щелока отработанной дрожжевой бражкой; двухступенчатое выращивание дрожжей, при котором на первой ступени осуществляется выращивание биомассы на неразбавленных гидролизатах с недобродом до 1-–1,2%, а после отделения дрожжей – выращивание биомассы на второй ступени с окончательной утилизацией остаточных Сахаров; увеличение времени выращивания с введением в дрожжерастильные аппараты соответствующей культуры дрожжей, усваивающей все виды Сахаров. Некоторые из этих мер допустимы при определенных условиях. Так, количество отработайной дрожжевой бражки, возвращаемой на разбавление гидролизата или сульфитного щелока, требует уточнения. Из-за опасения накапливания продуктов разложения, содержащихся в дрожжевой бражке, количество возвращаемой бражки может быть определено опытным путем. Примерно оно может составлять 60–80 % от количества отработанной бражки в каждом отдельном случае требуется тщательно исследоватеь состав бражки.

Самым лучшим приемом использования неразбавленного гидролизата или сульфитного щелока может быть подбор соответствующей культуры дрожжей, до конца усваивающей все виды Сахаров. Не менее хорошим решением данного вопроса был бы подбор не одной, а двух-трех культур, которые в смеси обеспечивали бы полную утилизацию различных видов Сахаров.

Установлено, что для сохранения определенной производительности дрожжерастильного аппарата при непрерывном процессе выращивания дрожжей необходимо обеспечивать соответствующую концентрацию биомассы в единице объема жидкости, находящейся в аппарате. Это положение справедливо, когда степень аэрации может обеспечить растворимым веществом большую концентрацию биомассы дрожжей, чем это обеспечивает энергетический материал исходной среды. Например, при переработке послеспиртовой барды, содержащей не более 5–6 г сахара в литре, можно ожидать образования биомассы дрожжей в количестве 10–12 г в литре.

Перерабатывать такую питательную среду в дрожжерастильHOM аппарате, имеющем аэрлифтную систему, которая обеспечивает кислородом 28–32 г биомассы дрожжей в литре среды, было бы нерентабельным, так как почти в 2 раза упадет производительность аппарата и его возможности по скорости сорбции кислорода не будут использованы. Для этой цели в аппарат для выращивания задается некоторое количество дрожжей с установки чистой культуры (засев), а также дрожжей, выделенных из готовой дрожжевой бражки (подсев), непрерывно отбираемой из дрожжерастильного аппарата. Это мероприятие позволяет увеличить общую концентрацию биомассы, дрожжей, а следовательно, достичь максимальной производительности аппарата.

Увеличивая концентрацию биомассы дрожжей в среде аппарата путем повышения количества засевных и подсевных дрожжей, можно значительно поднять производительность аппарата путем достижения максимально возможного протока среды через аппарат при непрерывном процессе выращивания дрожжей. При этом подачей засевных дрожжей с установки чистой культуры достигают частичного обновления культуры и сохраняют в аппарате урожайные дрожжи определенного вида.

Подачей подсевных дрожжей, выделенных из основного потока, повышают концентрацию дрожжей. Предполагается, что подсевные дрожжи не заражены посторонними малоурожайными дрожжами или грибами. В практике подсева дрожжей иногда их частично очищают от посторонних микроорганизмов при выделении на сепараторах. С отработанной дрожжевой бражкой уходит часть мертвых дрожжей и некоторое количество посторонних микроорганизмов.

П. Н. Фишер приводит данные о влиянии количества засевных и подсевных дрожжей на процесс образования биомассы дрожжей в субстрате (табл. 10).

Таблица 10

Приведенные цифры показывают, что при увеличении концентрации дрожжей в дрожжерастильном аппарате путем подачи подсевных и засевных дрожжей выход биомассы от израсходованного сахара частично увеличивается, содержание в дрожжах золы, белка и фосфора не изменяется, а производительность дрожжерастильного аппарата повышается значительно. Однако это положение верно для случая, когда данная концентрация биомассы дрожжей обеспечена кислородом.

 

ЗНАЧЕНИЕ ПИТАТЕЛЬНЫХ СОЛЕЙ

Дрожжевая клетка, как и всякий живой организм, для развития требует необходимого минерального питания. Питательные вещества проникают внутрь дрожжевой клетки через оболочку. Питательными минеральными веществами являются соединения азота, фосфора, калия, магния, серы, железа и других элементов. Все эти питательные вещества могут проникнуть в клетку только в виде водного раствора. Отсутствие или недостаток, а также большой избыток некоторых элементов в среде приводит к снижению жизнедеятельности клетки. Выбор той или иной питательной среды определяется поставленными задачами. При получении кормовых дрожжей, когда требуется интенсивное их размножение, необходимо добавлять значительное количество соединений азота, фосфора, магния, калия. Не все известные соединения указанных элементов усваиваются дрожжами. Так, дрожжи большей частью хорошо усваивают аммонийные соли: сернокислый аммоний (сульфат аммония) (NH₄)₂SO₄; фосфорнокислый аммоний (аммофос) NH₄H₂PO₄ и водный раствор аммиака NH₄OH. Соединения азота в виде соли азотной кислоты не всегда усваиваются дрожжами. Только некоторые виды дрожжей способны усваивать нитраты.

По-разному усваиваются дрожжами соединения фосфора: лучше всего однозамещенный фосфорнокислый аммоний NH₄H₂PO₄, фосфорнокислые соли кальция Са(Н₂Р0₄)₂ (суперфосфат), фосфорная кислота Н₃РО₄; плохо фосфорнокислые соли железа и алюминия. Калий усваивается в виде хлористого калия KCl и магний в виде хлористого магния MgCl₂ или сернокислого магния MgSO₄•7Н₂О.

В некоторых гидролизатах и сульфитных щелоках имеются в небольшом количестве потребные для дрожжевой биомассы микроэлементы, перешедшие в раствор из древесины или других растительных материалов, подвергающихся гидролизу в присутствии кислоты при высокой температуре. С водой приходят также некоторые микроэлементы. На ряде гидролизных заводов (Волгоградский, Тавдинский и др.) замечено, что в осенне-зимний период, когда жесткость воды выше, т. е. когда в воде содержится наибольший комплекс микроэлементов, выход дрожжей заметно выше. Артезианская вода также богата различными солями, особенно солями кальция и магния, а также другими микроэлементами. Опыты, проведенные на Волгоградском гидролизном заводе, показывают, что добавление артезианской воды в волжскую воду увеличивает выход дрожжей в среднем на 7,9%. Для уточнения потребности в питательных солях заранее изучают древесину, растительные материалы, гидролизат или сульфитный щелок, а также воду на содержание в них тех или иных питательных веществ.

В последние годы химическая промышленность стала выпускать в готовом виде соединения аммофоса (однозамещенный и двухзамещенный фосфорнокислый аммоний). Эти соли найдут широкое применение в промышленности кормовых дрожжей. Вследствие дефицитности суперфосфата рекомендуется применять фосфоритную муку, в которой содержится 21% Р₂О₅. Выращивание дрожжей на гидролизатах растительного сырья, обогащенных фосфором из фосфоритной муки, приводит к результатам, близким к результатам выращивания с использованием суперфосфата, а дрожжи в этом случае получаются вполне полноценными по содержанию в них фосфора и белка.

Исследованиями разных видов сырья и условий выращивания дрожжей определены средние потребности в различных питательных солях, включающих в себя азот, фосфор, калий и другие элементы, необходимые для роста дрожжевых клеток.

На выращивание 1 кг дрожжей (в пересчете на товарные, 8–10-ной влажности) требуется в виде сухой соли (г):
суперфосфата (ГОСТ 8382 – 57) – 280
сульфата аммония (ГОСТ 9097 – 65) – 360
хлористого калия (ГОСТ 4568 – 65) – 50

При переработке сельскохозяйственных отходов (кукурузная кочерыжка и подсолнечная лузга) потребность в хлористом калии может отпасть, так как в самих растительных материалах часто содержится большое количество солей калия.

 

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ СРЕДЫ

Выращивание кормовых дрожжей обычно проводят при температуре от 32 до 40°. Каждому микроорганизму свойственна определенная оптимальная температура. Различие в температурном режиме выращивания зависит не только от культуры дрожжей, но и степени ее адаптации к более высоким и низким температурным условиям.

Температура ниже 32° замедляет процесс обмена веществ, снижает активную жизнедеятельность дрожжевой клетки. С повышением температуры увеличивается скорость синтеза, но это происходит до определенных пределов, так как наряду с повышением скорости процессов синтеза увеличиваются процессы распада.

Московское отделение ВНИИГС проводило исследование влияния температуры на активность дыхания дрожжей ряда производственных культур [16]. Установлено, что наибольшая активность дыхания у большинства исследуемых дрожжей наблюдается при температуре 38–40°. При температуре среды выше 40° активность поглощения кислорода резко падает, снижается выход биомассы, а содержание белка в дрожжах уменьшается с 48–49 до 36–37%. На рис. 21 показано влйяние температуры на интенсивность дыхания дрожжей для рас Candida utilis и Candida Sp. Кр-9в1. При температуре среды выше допустимой наблюдается агглютинация – группирование дрожжевых клеток в комочки, что говорит о начавшемся распаде, омертвлении дрожжевых клеток.

Рис. 21. Влияние температуры
на интенсивность дыхания дрожжей

 

Практически, если допускают условия технологии, целесообразно процесс выращивания дрожжей вести на верхнем пределе температур, так как в этом случае можно для охлаждения применять воду с повышенной температурой.

При выращивании кормовых дрожжей происходит значительное выделение тепла (от 2500 до 3500 кал на 1 кг сухой массыдрожжей). Это тепло повышает температуру среды, следовательно, его необходимо отвести, т. е. систематияески охлаждать жидкость дрожжерастильного аппарата. Для этого в аппаратах устанавливают специальные охлаждающие поверхности.

В дрожжерастильных чанах емкостью 200–250 м³ с шайбовым воздухораспределением среду охлаждают, как правило, при помощи змеевиков, уложенных вдоль стенок внутри аппарата. Змеевики выполняют из труб диаметром 100 мм, изготовленных из простой или кислотоупорной стали в зависимости от коррозионных свойств среды. На чан емкостью 250 м³ требуется 160 м² охлаждающей поверхности змеевика. Чем больше производительность дрожжерастильного аппарата, тем больше выделяется тепла, а соответственно этому необходимо предусматривать меры по отводу его во избежание повышения температуры среды в аппарате. Например, в аппарате с аэрлифтной системой воздухораспределения емкостью 600 м³ при переработке гидролизата, разбавленного до 1,5–1,7% PB, предусматривать получение в сутки около 6000 кг товарных дрожжей. Считая, что на 1 кг сухих дрожжей выделится 2800 кал тепла, общее количество выделяющегося тепла составит величину 2800•6000•0,9 калорий в сутки, или 700 000 кал в час. Часть этого тепла в количестве до 70000 кал в час будет отведена с воздухом, уходящим через верх аппарата, а остальная часть тепла должна быть отведена при помощи охлаждающих устройств. В этой конструкции аппаратов предусмотрен отвод тепла через поверхность диффузора, выполненного в виде двустенного стакана, а также путем охлаждения методом орошения наружных стенок дрожжерастильного аппарата. Примерные подсчеты показывают, что через поверхность диффузора в аппарате 600 м3 в отдельных случаях можно отвести тепла до 100 000 кал в час и благодаря наружному орошению до 500 000 кал в час. Приведенный пример распределения отводимого тепла является весьма приближенным, так как практически распределение зависит от очень многих, в каждом отдельном случае меняющихся факторов, в частности от температуры наружного воздуха, силы ветра (интенсивности обдувания), температуры охлаждающей воды, производительности, места расположения аппарата и т. д.

Разбавление сусла холодной водой также используется как средство охлаждения среды в аппарате. Особйй эффект охлаждения достигается при использовании грунтовой воды, обычная температура которой даже в летнее время не превышает 12–15°.

Процесс выращивания дрожжей обычно ведется при температурах 36–38°. В зависимости от времени года меняется и температура подаваемого в аппарат сусла. Так, в зимнее время аппараты, находящиеся вне цеха, не приходится охлаждать. Более того, температуру сусла, подаваемого в аппарат, приходится поддерживать в пределах 38–42°, т. е. выше температуры среды в аппарате. Все тепло, выделяющееся при выращивании, отводится частично пропускаемым через аппарат воздухом, а в основном вследствие наружного охлаждения стенок холодным воздухом. В аппаратах малой емкости такое охлаждение осуществляется более интенсивно, и в этом случае во избежание переохлаждения среды приходится давать некоторое количество пара в трубу, подводящую воздух в аппарат от турбовоздуходувки, или в зимнее время подавать теплую воду в систему, при помощи которой в летнее время отводится тепло, выделяющееся при выращивании дрожжей.

В летнее время сусло перед подачей в дрожжерастильный аппарат нужно охлаждать до 25–26°. Смешиваясь со средой в чане, сусло воспринимает часть тепла, а остальное тепло должно быть отведено с воздухом и путем охлаждения наружной поверхности аппарата водой и пропуска воды через диффузор. Практически целесообразно по мере надобности в отводе тепла охлаждение проводить вначале орошением наружных стенок аппарата, а затем включать охлаждение через диффузор, так как часто на предприятиях обычная вода, идущая на охлаждение, содержит различные механические примеси. Загрязнение неразбираемой и недоступной для очистки змеевиковой полости диффузора механическими примесями допускать нельзя.

Наблюдения за степенью нагрева воды, охлаждающей наружную поверхность аппарата, показывают, что вода за время стекания по боковой поверхности сверху донизу успевает нагреться на 3–5°. Колебания зависят от наружных атмосферных условий.

Заслуживает внимания проведенное на Выборгском ЦБК мероприятие для увеличения эффективности работы змеевиков, уложенных в дрожжерастильных чанах с шайбовым воздухораспреДелением. По предложению механика завода И. М. Зингера змеевики из труб гнули на вальцевом станке. При гнутье они получали овальную форму, приводящую к уменьшению площади сечения трубы без уменьшения ее повёрхности. Вода, пропускаемая через них, приобретала повышенную скорость, что увеличивало коэффициент теплопередачи.

С увеличением емкости, а также производительности одного дрожжерастильного аппарата отбор выделяющегося тепла приобретает большую трудность. Конструктивно невозможно разместить внутри аппарата необходимую поверхность охлаждения. В связи с этим в отдельных случаях охлаждение жидкости осуществляется на специально сооружаемых выносных теплообменниках с циркуляцией; через них отбираемой'. из дрожжерастильного аппарата дрожжевой суспензии при помощи центробежного насоса. В этом случае требуется дополнительная затрата электроэнергии на циркуляцию суспензии через теплообменник.

С целью максимальной экономии свежей воды на производство и, в связи с этим организации оборотного водоснабжения получение со стороны для охлаждения аппаратов холодной воды в значительной степени ограничивается. Поэтому в последнее время назрела необходимость сооружения на заводах холодильных машин, охлаждающих воду для системы охлаждения дрожжерастильных аппаратов.

 

ВЛИЯНИЕ И ДОПУСТИМЫЕ ПРЕДЕЛЫ СОДЕРЖАНИЯ
ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ В СРЕДЕ

Качество, среды, в которой выращиваются кормовые дрожжи, определяется не только содержанием химических соединений, положительно влияющих на рост дрожжевых клеток, но и веществ (ингибиторов), задерживающих жизнедеятельность дрожжей и губительно влияющих на них.

В гидролизатах, полученных в промышленных условиях из 1 г абс. сухой древесины, содержится до 500 кг различных веществ, которые могут служить источником углеродного питания для дрожжей, в том числе 430 кг Сахаров, 40–50 кг уксусной и муравьиной кислот, 50 кг левулиновой кислоты. Но одновременно в гидролизате содержится до 40 кг вредных для дрожжей веществ, снижающих биологическую доброкачественность субстрата.

В гидролизатах, полученных в результате гидролиза древесины или других растительных материалов, вредными соединениями являются фурфурол – 7 кг из 1 г абс. сухой древесины, оксиметилфурфурол–13 кг, продукты разложения сахара, растворимые полисахариды (декстрины), соли меди, хлористый натрий, смолистые вещества, красящие вещества и коллоиды гуминового и лигнинового происхождения – до 20 кг и другие вещества. В сульфитном щелоке, полученном от варки целлюлозы, вредными соединениями являются сернистый ангидрид (SO₂), фурфурол, сахаробисульфитные соединения, метанол, некоторые органические кислоты, соли лигносульфоновых кислот и др. Все эти примеси в той или иной степени оказывают влияние на биологическую доброкачественность растворов.

Большинство видов дрожжей можно в той или иной степени приспособить к среде, имеющей в своем составе вредные примеси. Тем не менее, однако, имеются определенные допустимые пределы их содержания.

Сильно вредят жизнедеятельности дрожжей продукты карамелизации, разложения Сахаров и в особенности вещества гуминово-лигнинового комплекса, находящиеся в гидролизате в коллоидном состоянии. Эти вещества при интенсивной аэрации среды коагулируют, выпадают из субстрата и примешиваются к дрожжевой массе. Кроме того, сами дрожжи частично сорбируют на своей поверхности коллоидные вещества из питательной среды. Вследствие этого готовые дрожжи имеют темный цвет и горький вкус. Но наиболее вредное влияние эти вещества оказывают при ферментации, ослабляя интенсивность дыхания и обмен веществ.

Для снижения степени разложения сахара нужна такая конструкция гидролизаппарата и фильтрующей его части, при которой бы свободно, без задержки выводился образующийся гидролизный сахар за пределы происходящих внутри аппарата реакций.

Для очистки от красящих и коллоидных веществ ВНИИгидролиз рекомендует применять коагулянты (сульфат аллюминия, хлорное железо и др.). Добавка каогулянтов по данным ВНИИгидролиза снижает содержание коллоидных веществ и увеличивает выход дрожжей на 3–5%.

По данным ВНИИГС, уксусная кислота, содержащаяся в гидролизатах и сульфитных щелоках, прежде считавшаяся вредной в составе субстрата, может быть утилизирована некоторыми видами дрожжей с выходом, аналогичным при переработке гексозного сахара. Кормовые дрожжи снижают выход биомассы до 72–60% по сравнению с контрольным образцом при наличии 0,15–0,2% смолистых веществ в субстрате, содержащем около 2% сахара.

Токсическое действие смолистых веществ прежде всего проявляется в ослаблении ферментативной активности дрожжей, а также в уменьшении интенсивности их дыхания.

Как правило, в дрожжерастильных аппаратах со слабой циркуляцией жидкости, в частности в прежних конструкциях аппаратов с шайбовым воздухораспределением, под нижней шайбой накапливаются мертвые дрожжи. Мертвые дрожжи, имея больший удельный вес по сравнению с живыми дрожжевыми клетками, осаждаются в нижней зоне аппарата, где они чаще циркулируют или просто выпадают на дно. Таких дрожжей на дне чана иногда накапливается значительное количество (до 5– 10 м³). Мертвые дрожжи вредно влияют на состояние жизнедеятельности живых клеток, так как выделяют продукты отравления. Поэтому необходимо время от времени механически очищать дрожжерастильные чаны от мертвых дрожжей, проводя последующую химическую и тепловую дезинфекцию.

Интересное явление было замечено на некоторых гидролизных заводах, использующих в качестве катализатора при гидролизе гловерную серную кислоту, имеющую в своем составе повышенные содержания мышьяковых соединений. Эти соединения, попадая в гидролизаты, оказывали вредное влияние не только на рост дрожжей, но увеличивали во много раз по сравнению с допустимыми нормами содержания мышьяка в составе готовых дрожжей.

Фурфурол – неизбежный продукт процесса гидролиза растительных материалов и варки целлюлозы. В гидролизате древесины содержание фурфурола составляет от 0,035 до 0,1%. Московское отделение ВНИИГС проводило исследование влияния фурфурола на процесс выращивания дрожжей, чтобы установить зависимость активности дыхания и размножения дрожжей производственных рас от концентрации фурфурола. В опытах использовали дрожжи Candida Sp. КР-9в1, Candida tropicalis СК-4 и Л-2K(54). На основании данных исследований установлено, что фурфурол неодинаково действует на активность дыхания дрожжей. Наиболее чувствительны к влиянию фурфурола дрожжи Candida Sp. Кр-9в1. Даже при концентрации фурфурола 0,02% интенсивность поглощения кислорода дрожжами этой расы снижается в 3 раза против контрольного образца без фурфурола. Но далее с увеличением содержания фурфурола до 0,3% активность дыхания дрожжей этой расы почти не изменяется. Расы дрожжей Candida tropicalis СК-4 и Л-2К(54) более устойчивы и лишь уменьшали поглощение кислорода при содержании фурфурола в среде выше 0,05%.

Данные проведенных опытов по исследованию влияния фурфурола на накопление биомассы дрожжей при выращивании их на гидролизатах древесины показаны в табл. 11.

Таблица 11

Как видно из данных табл. 11, при незначительном содержании фурфурола (при 0,01%) уже заметно уменьшается выход биомассы дрожжей (кроме СК-4). Особенно резко снижается выход при содержании фурфурола 0,05%. Следует считать оптимальной концентрацией фурфурола вереде около 0,03%. Эти же опыты показали, что увеличение концентрации дрожжей в среде улучшает их стойкость по отношению к фурфуролу.

Для снижения фурфурола в сусле, подаваемом на выращивание дрожжей, необходимо прежде всего стремиться к минимальному его образованию во время процесса гидролиза, а затем уже к максимальному удалению фурфурола в процессе подготовки гидролизата к выращиванию дрожжей. Производство пока не располагает режимами гидролиза, обеспечивающими получение гидролизата без содержания фурфурола. В проектах предусмотрено частичное извлечение фурфурола из гидролизата путем многократного самоиспарения гидролизата. Однако при жестких режимах варки эти меры оказываются недостаточными и содержание фурфурола превышает допустимые величины. На ряде предприятий количество фурфурола в сусле для взращивания дрожжей снижают путём разбавления водой, что увеличивает выход дрожжей, кроме того, попутно снижает содержание фурфурола.

Медь также относится к группе веществ, оказывающих вредное действие на развитие микроорганизмов. Ионы меди ухудшают обмен веществ дрожжей. Медь оказывает тормозящее действие на дыхание дрожжей даже при низких концентрациях: 0,15; 0,175 и 0,3 мг/л, а на накопление биомассы влияют более, высокие концентрации меди. При концентрации меди 0,1 мг/л выход биомассы у дрожжей расы Candida Sp. Кр-9в1 снижается на 3–4%, а при концентрации 1 мг/л падает особенно интенсивно. Выход биомассы дрожжей расы Candida tropicalis СК-4 и Л-2К(54) не снижается при содержании меди 0,3 мг/л, при большей концентрации падает особенно интенсивно у дрожжей Л-2К(54).

Предельное содержание сернистого ангидрида SO₂ в сульфитных щелоках, подготовленных к выращиванию дрожжей, не должно превышать 0,03–0,04 %.

В практике эксплуатации дрожжевых цехов можно наблюдать отрицательное влияние механических включений в составе сусла. Различные кристаллы гипса, окалина и другие примеси во время циркуляции механически воздействуют на оболочку дрожжевой клетки, разрывают ее и этим наносят определенный ущерб процессу накапливания биомассы дрожжей.

На выход дрожжей влияет основание варочной кислоты при производстве целлюлозы. При переработке сульфитного щелока с аммониевым основанием в г. Пирна (ГДР) было замечено ухудшение качества и снижение выхода дрожжей из Сахаров по сравнению с выходом их при кальциевом основании. Наиболее вероятными причинами этого являются следующие:

1. Сульфат аммония при благоприятных условиях образует сахаробисульфитные соединения.

2. В результате биохимической переработки в связи с утилизацией аммония образуется свободная лигносульфоновая кислота, способная в кислой среде резко конденсироваться и осаждаться на дрожжевых клетках, нарушая нормальный обмен веществ.

3. Азот в избыточном количестве оказывает отрицательное влияние на дрожжи. Предполагают, что причиной этому является повышенная концентрация органических производных азота. Предельно допустимая концентрация азота в пересчете на NH₃ не должна превышать 0,3%.

Выведение сульфита аммония из раствора и нейтрализация лигносульфоновой кислоты осуществляются нейтрализацией известковым молоком.

 

ВЛИЯНИЕ рН И КИСЛОТНОСТИ СРЕДЫ

Активная кислотность среды оказывает действие на активность ферментной системы дрожжевой клетки. Для интенсивного размножения дрожжей необходимо поддерживать концентрацию водородных ионов (рН) в бражке на определенном оптимальном уровне. Получаемый из гидролизаппаратов кислый гидролизат, а также из варочных котлов сульфитный щелок с показателями рН, равными 2–2,5, непригоден для роста дрожжей. Непригодны для роста дрожжей и щелочные условия среды. Допустимым пределом рН, в котором кормовые дрожжи разных культур могут нормально жить и размножаться, является 3,5–5,5. Отклонения в ту и другую сторону резко снижают жизнедеятельность дрожжевых клеток, рН ниже 3,0 резко снижает интенсивность дыхания дрожжей.

Для жизнедеятельности дрожжей требуется, чтобы питательная среда была слабокислой. Наилучшая кислотность колеблется в пределах 0,4–1,0% (кислотность в миллилитрах 1 н. H2SO4 на 100 мл жидкости).

В процессе размножения дрожжей на послеспиртовой барде, как правило, кислотность падает вследствие того, что содержащиеся в ней некоторые органические кислоты, образовавшиеся при брожении спирта, утилизируются дрожжами. Чтобы не допустить щелочной реакции среды, следует поддерживать основную (головную) нейтрализацию гидролизата или сульфитного щелока в необходимых пределах. На Таллинском ЦБК, где было смонтировано оборудование французской фирмы «Сорис», режимом, переданным этой фирмой, для поддержания рН была рекомендована подача серной кислоты в дрожжерастильный аппарат. Практическое осуществление этого режима привело к сильной гипсации всего аппарата, образовавшейся при воздействии серной кислоты на растворенные в сусле кальциевые соединения с выпаданием гипса. Следовательно, для повышения кислотности при выращивании дрожжей не всегда целесообразно пользоваться серной кислотой.

При размножении дрожжей на гидролизате или сульфитном щелоке происходит обратный процесс, т. е. повышение кислотности среды. Во время бурного размножения дрожжи усваивают из аммонийных солей радикал NH₃ и оставляют в среде радикал SO₃ в виде серной кислоты (SO_{3 +} H₂O = H₂SO₄), в результате чего рН среды снижается. В этом случае очень хороший эффект дает использование аммиака в виде аммиачной воды. Аммоний уравнивает значение рН и одновременно доставляет дрожжам азотное питание.

 

СТЕРИЛИЗАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ И ТРУБОПРОВОДОВ

Появление вредных для процесса выращивания кормовых дрожжей микроорганизмов в средах, аппаратуре и трубопроводах приводит к снижению выхода товарной продукции. Посторонние микроорганизмы утилизируют значительное количество сахара, выделяя при этом в питательную среду продукты своего обмена, подавляющие жизнедеятельность внедренного вида дрожжей. Посторонние микроорганизмы могут попадать в среду с сырьем, водой, воздухом, а также с подсевными дрожжами из основных производственных чанов. При переработке гидролизатов и сульфитных щелоков попадание инфекции в раствор из перерабатываемой древесины невозможно, так как гидролизаты и сульфитные щелоки, прежде чем попасть на производство кормовых дрожжей, подвергаются в гидролизаппаратах и варочных котлах такому тепловому и кислотному воздействию, при котором погибают почти все микроорганизмы.

Наиболее вероятными источниками попадания посторонних микроорганизмов в среду является воздух, поступающий от воздуходувок, а также окружающий открытые емкости дрожжерастильных чанов. Заражение среды может произойти от сырой воды, подаваемой на разбавление крепких гидролизатов и сульфитных щелоков. Так или иначе, в производственных условиях постепенно накапливаются посторонние микроорганизмы: вереде, на стенках и на крышках оборудования, – часто почти полностью вытесняя производственную культуру кормовых дрожжей. К вредным микроорганизмам относятся грибы, микодерма, бактерии. Основным средством борьбы с ними является систематическая дезинфекция всего оборудования и трубопроводов с последующей заменой зараженной дрожжевой суспензии новой, выведенной в стерильных условиях на установке приготовления чистой культуры. Систематическая дезинфекция необходима также в связи с тем, что в производственных условиях и различных малодоступных местах оборудования и трубопроводах отлагаются кормовые дрожжи, белок которых через некоторое время загнивает, выделяя ядовитые вещества. Мертвый белок относится к категории ядовитых веществ.

Дезинфекцию можно проводить тремя основными способами: механическим, химическим и тепловым. Как правило, в практике пользуются всеми этими, способами. Механический способ заключается в очистке поверхностей аппаратов и трубопроводов от осевших дрожжей и осадков различными инструментами: лопатой, скребком, щетками и другими приспособлениями. К этому способу можно отнести также очистку поверхностей чанов и аппаратуры при помощи воды, под большим напором подаваемой из водопровода.

После механической очистки проводят химическую дезинфекцию. В качестве химических средств для этого используют хлорную известь, формалин, хлорамин и др. Раствор хлорной извести готовят растворением сухой хлорной извести, содержащей 30% активного хлора, в соответствующем количестве холодной воды. Как правило, раствор хлорной извести готовят с содержанием активного хлора 0,1–0,2%. Формалин и каустик употребляются в виде растворов при концентрации от 0,5 до 1%. Данные о действии растворов хлорной извести, формалина и каустика на некоторые виды микроорганизмов приведены в табл. 12.

Таблица 12

Открытые емкости, к каким относятся находящиеся вне здания дрожжерастильные чаны с аэрлифтной системой воздухораспределения, флотаторы и некоторые другие виды оборудования, очищают двумя способами – механическим и химическим.

Химическую дезинфекцию проводят путем опрыскивания внутренней поверхности при помощи переносного опрыскивателя, затем тщательно промывают оборудование водой.

Закрытые емкости и трубопроводы, кроме механической очистки и химической дезинфекции, подвергают тепловой обработке путем прямого воздействия острым паром давлением 1–2 атм в течение 40–60 мин. С этой целью к соответствующим местам подводят острый пар путем разводки паровой коммуникации или же при помощи переносных паровых шлангов, подключая их к врезанным в необходимых местах штуцерам на паропроводе. Таким способом проводят тепловую обработку всех поверхностей и трубопроводов при температуре около 100°.

При этой температуре все дрожжи, грибки и микроорганизмы, за исключением лишь особо термоустойчивых, плазмолизируются (разрушаются клетки) и тогда свободно смываются водой. Тепловую обработку проводят в несколько приемов с поочередной пропаркой и смывкой водой остатков и различных осадков в канализационную сеть.

Все канализационные лотки и трапы очищают механически, промывают водой и дезинфицируют химическим способом – обработкой хлорной известью. При отсутствии хлорной извести можно применять 2%-ный раствор кальцинированной соды или 1 % -ный раствор каустической соды. Раствор хлорной извести по требованию техники безопасности следует применять только в холодном виде. Кипячение его воспрещается. Растворы кальцинированной соды или каустической соды применяются в горячем виде. Капитальную дезинфекцию следует проводить не реже 1 раза в 2–3 месяца.

 

ВЫХОД КОРМОВЫХ ДРОЖЖЕЙ

Основным веществом питания дрожжей является сахар, содержащийся в растворе гидролизата или сульфитного щелока. Поэтому выход дрожжей считают по степени утилизации сахара относительно потребленных редуцирующих веществ (PB), содержащихся в растворе. Практически выход дрожжей из PB меньше, чем из такого же количества глюкозы. К определяемым в растворе PB относятся не только усваиваемые дрожжами сахара, но и другие вещества, как-то: неутилизируемые сахара, метилпентозы, фурфурол, некоторые органические кислоты и др. Кроме того, в производственных условиях не полностью утилизируются доброкачественные сахара, протекают посторонние микробиологические процессы, использующие сахара; наблюдаются потери дрожжей на различных стадиях производственного процесса (на флотаторах, сепараторах, в сушилках и т. д.). При микробиологическом синтезе выделяется тепло, на которое также расходуется часть энергетического материала.

Наилучшие показатели выхода дрожжей со 100 кг PB по дрожжерастильному чану равны 48–50 кг сухой массы. Если в питательной среде содержатся органические соединения – несахара, за их счет можно увеличить выход дрожжей. К таким соединениям можно отнести этиловый спирт, уксусную, молочную и лимонную кислоты, углерод которых в присутствии подходящих стимуляторов роста и сильной аэрации быстро усваивается дрожжами с образованием нового клеточного вещества.

Применение биогенных стимуляторов, воздействующих на обмен веществ дрожжевой клетки, для интенсификации развития микроорганизмов в дрожжевой промышленности еще недостаточно изучено. Первые попытки применения в опытном порядке биостимуляторов дали положительные результаты. Применение нефтяного ростового вещества (HPB) при выращивании кормовых дрожжей на гидролизных средах и на сульфитных щелоках дало увеличение выхода биомассы на 4–5%. При этом затрачивалось 5 мг HPB на 1 л гидролизной среды. Однако, использование HPB может отрицательно влиять на качество дрожжей. Применение в качестве биостимулятора кукурузного экстракта в количестве 0,01–0,1% также увеличивало выход дрожжей на 3–4%. Значительно увеличивается выход дрожжей, если к питательной среде добавить аминокислоты, такие, как аспарагин, аспарагиновую и глютаминовую кислоты, которые используются дрожжами одновременно как источники углерода и азота [2].

В гидролизных средах содержится значительное количество летучих органических кислот, в основном уксусная. Содержание этих кислот достигает 0,3–0,4%. При нейтрализации гидролизатов эти кислоты переходят в растворимые кальциевые соли, которые в процессе выращивания дрожжей являются дополнительным источником увеличения выхода дрожжей. При утилизации уксуснокальциевой соли выход дрожжей составляет 33–35% от использованной уксусной кислоты.

Освоенное в последние годы вакуум-охлаждение гидролизата улучшило доброкачественность гидролизного сусла, идущегсГ на выращивание дрожжей. В результате работ, проведенных на Волгоградском гидролизном заводе, установлено, что вакуумохлаждение снизило содержание фурфурола на 28,4%, оксиметилфурфурола на 26,6%, экстрагируемых веществ на 16,1% и бромируемых веществ на 14%. Это, в свою очередь, повысило выход дрожжей на 8–10%.

На увеличение выхода дрожжей влияет также возврат на разбавление сусла отработанной последрожжевой бражки, содержащей остаточное количество PB и дрожжевые клетки.

 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ

Кормовые дрожжи в промышленных условиях выращивают в специальных дрожжерастильных аппаратах. Для достижения глубокой степени утилизации сахара в растворе и получения наибольших выходов дрожжей необходимо в каждом отдельном случае правильно выбрать технологическую схему процесса выращивания дрожжей.

На рис. 22 показаны различные схемы включения дрожжерастильных аппаратов. В одночленной батарее осуществляется в одном аппарате полный цикл утилизации сахара с получением дрожжей. Подается в аппарат сусло, воздух и питательные соли, отводится из него дрожжевая суспензия. По этой схеме работают многие заводы в Советском Союзе и за границей.

Рис. 22. Схемы работы дрожжерастильных аппаратов:
а –· одночленная батарея; б – двухчленная батарея с последовательным потоком; в – двухчленная батарея с параллельно-последовательным потоком

 

В двухчленной батарее с последовательным потоком осуществляется дробная утилизация сахара, поданного с суслом. В головном аппарате в таком случае обычно утилизируется 70–80% сахара и в концевом остальной сахар. В двухчленной (трехчленной) батарее с параллельным потоком предполагается дробнаяутилизация сахара с одновременным и равномерным распределением нагрузки по наращиванию биомассы между всеми аппаратами и включая концевой.

Анализ практической работы дрожжерастильных аппаратов по разным схемам показал, что каждая из них имеет определенные преимущества, но также и недостатки. В одночленной батарее наиболее полноценно утилизируются сахара в растворах с низкой концентрацией, но с увеличением ее степень утилизации сахара, как правило, снижается, соответственно увеличивается недоброд. Для сравнения можно привести пример работы двух предприятий: Таллинского ЦБК, работавшего на сульфитном щелоке, разбавленном до 2% PB, и Слокского ЦБК, работавшего на послеспиртовой барде, имеющей содержание PB 0,7–0,8%.

На Таллинском ЦБК недоброд составлял 0,8–0,9 PB, а на Слокском 0,3–0,35%· Как видно, содержание PB в отработанной дрожжевой бражке на Таллинском ЦБК выше, чем начальное содержание PB в сусле, идущем на выращивание дрожжей на Слокском ЦБК. Безусловно, что в отработанной дрожжевой бражке Таллинского ЦБК остается значительное количество неиспользованного сахара. На Выборгском ЦБК при двухчленной батарее удавалось достигать более глубокой степени утилизации сахара, но в этом случае производительность дрожжерастильных аппаратов заметно снижалась, так как концевой аппарат работал с весьма низкой производительностью. В первом (головном) аппарате происходило основное сбраживание сахара (до 80%), а на концевой аппарат оставалось лишь до20%. В головном аппарате происходило интенсивное накапливание дрожжевой массы, которая, перетекая в составе дрожжевой суспензии в концевой аппарат, оказывалась в условиях недостаточности питания, что сказывалось на состоянии дрожжей.

В двухи четырехчленной батарее со смешанным потоком предусматривается осуществлять питание дрожжей суслом в нескольких (два–три) параллельно работающих дрожжерастильных аппаратах, а переток из них направлять в один концевой аппарат как дображивающий. Такая схема заслуживает внимания, так как она дает возможность увеличивать нагрузку по утилизации сахара на концевой аппарат. Однако и эта схема имеет недостаток, заключающийся в том, что в концевом аппарате скорость потока жидкости увеличивается во столько раз, сколько имеется параллельно работающих с одинаковой нагрузкой головных аппаратов. Продолжительность пребывания жидкости в концевом аппарате соответственно сокращается, в связи с чем не хватает времени для полного использования сахара и для роста дрожжей. Недоиспользованный сахар частично вымывается из концевого аппарата с общим потоком дрожжевой суспензии. Тем не менее такие схемы применять целесообразно не только в целях более глубокой степени утилизации сахара, но для сбора дрожжевой суспензии из разных аппаратов в единый поток.

На рис. 23 (см. вкл. стр. 33) показана принципиальная технологическая схема дрожжевого цеха. По этой схеме гидролизат, прошедший предварительную обработку на станции нейтрализации и очистку методом отстоя, центробежным насосом 1 подается на охлаждение. С целью более глубокого извлечения из гидролизата фурфурола и других вредных примесей, затрудняющих накопление дрожжевой массы, рекомендуется охлаждать сусло в две стадии, причем основное охлаждение (до 35–38°) провести на четырехступенчатой вакуумохладительной установке 2 (см. описание в главе III). Далее доохлаждение сусла до требуемой температуры осуществляется при помощи пластинчатых теплообменников 3. Охлажденное сусло подается в дрожжерастильный аппарат 4 с аэрлифтной системой воздухораспределения.

Рис. 23. Принципиальная технологическая схема дрожжевого цеха:
1 – насосы; 2 – вакуумохладительная установка; 3 – теплообменник; 4 – дрожжерастильный аппарат; 5 – воздуходувки; 6 – флотатор; 7 – газоотделитель; 8 – сборник; 9 – сепараторы; 10 – водоструйный насос; 11 – сборник дрожжевого концентрата; 12 – подогреватель-плазмолизатор; 13 – напорный бак; 14, 15 – выпарные аппараты; 16 – барометрический конденсатор; 17 – барометрический ящик; 18 – сборник упаренного дрожжевого концентрата; 19 – распылительная сушилка; 20 – вентилятор; 21 – циклоны НИИОГАЗ; 22 – бункер для дрожжей

 

В аппарат для выращивания кормовых дрожжей, кроме сусла, подаются воздух, скомпремированный воздуходувкой 5 до 0,5–0,6 ати; вода и отработанная бражка на разбавление сусла; питательные соли в виде аммофоса; аммиачная вода для поддержания рН; засевные или подсевные дрожжи для поддержания культуры дрожжей и необходимой концентрации дрожжевой суспензии в аппарате. Отводят тепло путем орошения водой наружной поверхности аппарата и подачи воды в двухстенный диффузор. Выращенные дрожжи в виде дрожжевой суспензии непрерывно отводятся из трех-четырех аппаратов во флотатор 6, в котором методом флотации в одну или две стадии осуществляется выделение дрожжей. Отработанная дрожжевая бражка выводится из флотатора второй-ступени и направляется на разбавлениесусла или в канализацию, а частично сконцентрированная дрожжевая суспензия через газоотделитель 7 насосом откачивается в сборник 8, а из него в сепараторы 9 первой ступени сепарирования. Отработанная жидкость из этой группы сепараторов для снижения потерь дрожжей сбрасывается во вторую ступень флотации или же в канализацию, а дрожжевая суспензия при помощи водоструйного насоса, разбавленная в нем водой, подается на сепараторы 9 второй ступени сепарирования и сгущения дрожжей. Отработанная промывная вода со второй группы сепараторов для снижения погерь возвращается на промывку дрожжей в газоотделитель 7, в котором смешивается с дрожжевой суспензией, а затем смесь подается на первую ступень сепарирования. Сгущенная дрожжевая суспензия после второй ступени сепарирования собирается в сборнике 11, а из него через подогреватель 12, в котором при помощи пара нагревается и плазмолизуется концентрат дрожжей, подается через напорный бак 13 на упаривание в двухступенчатую вакуумвыпарную установку. Упаренный дрожжевой концентрат из выпарной установки откачивается насосом и подается в сборник 18, а из него в сушильную установку, состоящую из распылительной сушилки 19, вентилятора 20, циклонов 21, топки для подогрева воздуха и другого вспомогательного оборудования. Сухие дрожжи пневмотранспортом поступают в бункер 22, а из него на упаковку в бумажные мешки. Отдельные узлы описанной технологической схемы в ряде проектов отличаются друг от друга вследствие специфичности местных условий, мощности предприятия, вида сырья, качества воды и других факторов. В последний период ряд заводов проектируется без стадии промывки дрожжей.

Предложенная французской фирмой «Сорис» технологическая схема дрожжевого цеха несколько отличается от схемы, описанной выше.

На рис. 24 представлена схема узла выращивания, сепарирования и промывки дрожжей для переработки послеспиртовой барды сульфитно-спиртового завода, предложенная фирмой «Сорис». По такой схеме работает несколько заводов в Советском Союзе. На ряде заводов по этой схеме работают два-три дрожжерастильных аппарата 10 с отбором дрожжевой суспензии из них в единую емкость, называемую деэмульгатором П. По замыслу автора схемы Лефрансуа предполагалось, что в деэмульгаторе будет происходить гашение эмульсии. Кроме того, в нем будет находиться дрожжевая суспензия в течение 15–20 мин с целью дозревания дрожжей для окончательной утилизации PB. С этой целью в деэмульгатор, емкость которого рассчитана на 15–20-минутное пребывание в нем суспензии, был подведен воздух через барботерные трубы. Однако в связи с тем, что суспензия в деэмульгаторе пенилась, невозможно было подавать в него воздух. Поэтому дозревание дрожжей могло идти лишь благодаря насыщенности воздухом суспензии, поступающей из дрожжерастильного аппарата. На Таллинском ЦБК, работающем по схеме фирмы «Сорис» (три дрожжерастильных аппарата работают на один деэмульгатор), степень дополнительной утилизации PB в сульфитном щелоке нельзя считать удовлетворительной из-за быстроты потока питательной среды в деэмульгаторе.

Рис. 24. Технологическая схема выращивания, сепарарирования и промывки дрожжей фирмы «Сорис»:
1 – бражная колонна; 2 – сборник барды; 3 – насосы; 4 – теплообменник; 5 – бак для разбавления солей;
6 – мерник питательных солей; 7 – смеситель; 8 – дрожжанка; 9 – малый дрожжерастильный чан;
10 – дрожжерастильный чан; 11 – деэмульгатор; 12 – газоотделитель; 13 – компрессоры;
14 – фильтры; 15 – бак для воды; 16 – сепараторы; 17 – промывные баки;
18 – сборник дрожжевого концентрата; 19 – плазмолизатор; 20 – витаминизатор

 

В схему фирмы «Сорис» включен малый дрюжжерастильный чан 9, имеющий назначение пропускать часть (10%) послеспиртовой барды для получения засевных дрожжей с целью поддержания в производстве необходимой культуры дрожжей.

Схема фирмы «Сорис» предусматривает организацию периодической промывки дрожжей в промывных баках и непрерывного сепарирования с целью концентрирования дрожжей на сепараторах. Дрожжи, сконцентрированные на последней группе сепараторов, пропускают через плазмолизатор и витаминизатор, а далее насосом откачивают на упаривание и сушку. В технологической схеме фирмы «Сорис» имеются также некоторые другие, менее значимые особенности, например включение в схему смесителя 7, фильтров 14 перед сепараторами, напорного бака для воды 15 и др. Установка фильтра перед сепараторами диктуется необходимостью очистки дрожжевой суспензии от механических включений, попадающих из дрожжерастильных чанов в деэмульгатор. При наличии флотатора рта необходимость отпадет, так как при флотации дрожжевая суспензия очищается от многих механических примесей.

Вышеописанные схемы работы дрожжерастильных аппаратов в составе одночленных и многочленных батарей в той или иной степени приемлемы для работы на разбавленных сахаросодержащих растворах (до 1,5–1,7% PB). Для работы на растворах с более высоким содержанием PB (выше 2%) эти схемы менее пригодны, так как дают повышенные недоброды, часть сахара остается неиспользованной, а следовательно, низки выходы дрожжей. Практика многих действующих заводов подтверждает это положение. На некоторых гидролизных заводах и целлюлозно-бумажных комбинатах для увеличения выхода дрожжей гидролизат и сульфитный щелок разбавляют водой до 1–1,5%. Но разбавление гидролизата или щелока в свою очередь приводит к увеличению удельного расхода воды, состава оборудования (дрожжерастильных аппаратов, флотаторов, сепараторов, насосов, трубопроводов, мощности водонасосных станций и очистных сооружений), расхода электроэнергии и другим затратам. Поэтому разбавление гидролизата и сульфитного щелока водой при выращивании дрожжей не всегда экономически целесообразно. А на ряде предприятий работа с разбавленными растворами сахара вообще недопустима, в частности на целлюлозно-бумажных комбинатах, на которых сульфитный щелок перерабатывается только на дрожжи с последующим получением из отработанных сульфитных щелоков бардяных концентратов (Комсомольский, Вишерский, Ингурский и др.)

При использовании сульфитного щелока по схеме дрожжи – бардяные концентраты обязательным является то, что на стадии производства дрожжей ни в коем случае нельзя допускать разбавления сусла водой, так как последующая стадия – получение бардяных концентратов – основана на упаривании отработанной дрожжевой бражки. Всякая добавка воды в сусло приведет к соответствующему увеличению расхода пара на ее упаривание. При этом следует учесть, что даже при шестикорпусной выпарке расход пара на 1 т упариваемой влаги составляет не менее 0,25 г. Примерные расчеты показывают, что если сусло сульфитного щелока разбавить хотя бы в 2 раза, то затраты только на пар при упаривании дополнительно введенной воды будут не меньше стоимости дополнительно полученных дрожжей на разбавленном сусле. А если учесть расходы воды, электроэнергии, рабочей силы, амортизационные отчисления и др., то такая схема получения дрожжей будет с технико-экономической точки зрения нецелесообразна. Отечественная и заграничная практика пока не имеет положительного опыта использования неразбавленных растворов (гидролизатов и сульфитных щелоков) для получения кормовых дрожжей без потерь PB с недобродом. Техническая мысль научных и проектных организаций направлена на решение данного вопроса. Для производственной проверки и освоения предлагаются два варианта: первый – вести разбавление сусла отработанной дрожжевой бражкой, возвращаемой после флотаторов или сепараторов в процесс в необходимом количестве; второй – вести выращивание дрожжей на неразбавленных гидролизатах или сульфитном щелоке в две ступени.

Вариант работы дрожжевого цеха с возвратом отработанной дрожжевой бражки на разбавление сусла довольно прост. Вместо воды на разбавление сусла, поступающего в дрожжерастильный чан, в данном случае подается отработанная дрожжевая бражка. Несмотря на простоту схемы, данный вариант требует глубокой и длительной производственной проверки.

Предлагаемая трудность его освоения заключается в постепенном накоплении в процессе выращивания дрожжей продуктов разложения, которые могут существенно ухудшить условия накопления дрожжевой массы. Тем не менее при производственной проверке могут быть найдены пути, ослабляющие влияние данной причины. Кроме того, возврат отработанной среды (бражки) может вызывать заражение культивируемых дрожжей нежелательными посторонними микроорганизмами, потребует также дополнительного охлаждения бражки.

Тем не менее возврат отработанной бражки на разбавление заслуживает большого внимания. При этом резко сокращаетсярасход свежей воды на производство. Это особенно существенно на заводах большой мощности. Кроме того, при возврате бражки можно сократить потери, вернув в процесс часть уносимых дрожжей с отработанной жидкостью из флотаторов и сепараторов.

Одним из способов снижения степени зараженности отработанной бражки может быть озонирование, т. е. обработка бражки озоном.

Некоторые отечественные и зарубежные гидролизные заводы успешно используют отработанную бражку для разбавления гидролизата.

Вариант работы дрожжевого цеха при выращивании дрожжей на сусле с высокой концентрацией PB по двухступенчатой схеме предложен А. А. Андреевым в 1962 г. Технологическая схема этого способа заключается в том, что процесс выращивания дрожжей разделяется на две ступени: первая – выращивание в условиях выских концентраций PB, вторая – в условиях низких концентраций. Дрожжи, выращенные на первой ступени, полностью отделяются от жидкости, прежде чем освобожденная от дрожжей жидкость поступит на повторное использование (во вторую ступень). В дрожжерастильных аппаратах первой ступени процесс выращивания протекает с подачей на питание неразбавленного водой сусла (3–3,5% PB), и в них поддерживается повышенный недоброд (1–1,2%). В этих пределах снижения концентрации PB утилизируется главным образом гексозный сахар, т. е. наиболее легко усвояемая часть Сахаров. В дрожжерастильных аппаратах второй ступени выращивание дрожжей протекает на растворах с содержанием PB 1 –1,2%, и на этой ступени предполагается окончательная и полная утилизация оставшегося сахара. Остаточными сахарами здесь являются главным образом пентозные. Для утилизации их может быть использована другая культура дрожжей в связи с изменением состава среды. На рис. 25 показана технологическая схема этого способа выращивания дрожжей, заключающаяся в следующем.

Рис. 25. Технологическая схема двухступенчатого выращивания дрожжей на сусле с высоким содержанием PB
(применительно к Комсомольскому ЦБК):
1 – дрожжерастильный аппарат I ступени; 2 – дрожжерастильный аппарат
ступени; 3– одноступенчатый флотатор; 4 –двухступенчатый флотатор; 5 – газостделители; 6 – насосы;
7 – сепаратор после I ступени; 8, 9, 10 – сепараторы 1, 2 и 3-й групп сепарирования;
11, 12 – сборники для промывки дрожжевой суспензии; 13 – сборник сгущенной дрожжевой суспензии; 14 – теплообменник

 

Подготовленный сульфитный щелок или гидролизат (сусло) с содержанием 3–3,5% PB поступает на первую ступень дрожжерастильных аппаратов 1, где происходит выращивание дрожжей с утилизацией сахара до остаточного содержания PB в дрожжевой суспензии 1–1,2%. В дрожжерастильные аппараты задают все необходимые питательные соли, воздух, аммиачную воду и засевные дрожжи. Дрожжевая бражка с содержанием 30–35 г/л (в пересчете на прессованные) дрожжей и 1–1,2% PB из аппарата I ступени отбирается в одноступенчатый флотатор 3 для отделения дрожжей. Так как обездрожженная бражка далее вновь поступает в качестве питательной среды (сусла) на следующую ступень выращивания, то первое выделение дрожжей из суспензии, не опасаясь потерь, можно осушествить в одноступенчатом флотаторе при максимальном сгущении. На следующую (вторую) ступень дрожжерастильных аппаратов 2 отработанная бражка подается центробежным насосом 6 через газоотделитель, куда также сливается отработанная дрожжевая бражка от сепараторов 7 первой ступени. На сепараторы дрожжевая суспензия из флотатора первой ступени поступает с содержанием дрожжей 120–150 г/л и концентрируется до 550–600 г/л. Здесь необходимо достичь максимальной концентрации дрожжей, не опасаясь уноса их с отработанной бражкой, которая поступает далее через газоотделитель в дрожжерастильные аппараты второй ступени. Максимальной концентрации дрожжей добиваются с целью уменьшения жидкой фазы, имеющей повышенное содержание PB (1–1,5%), которая далее не используется, а попадает в общий поток с дрожжами после II ступени.

По приближенным расчетам, потери PB составят всего 1–1,5% от общих, поступивших с суслом на I ступень выращивания. Стремление вернуть их вряд ли целесообразно, так как дополнительной рассиропкой даже отработанной дрожжевой бражкой со II ступени флотаторов и сепарированием полностью вернуть эту незначительную часть сахара не удастся, а на повторное сепарирование будут затрачены дополнительные средства.

Выращивание дрожжей на II ступени дрожжерастильных аппаратов производится обычным способом, но в иных условиях по сравнению с I ступенью. Количество и качество сахара, а также другие включения в сусле создают новую среду, и выведенные засевные дрожжи с установки чистой культуры будут адаптироваться к новым условиям. Целесообразно провести предварительный подбор соответствующих культур дрожжей для условий I и II ступени выращивания. В практике часто встречаются случаи, когда одна и та же культура адаптируется к различным условиям, частично видоизменяясь в соответствии с этими условиями, давая хороший выход дрожжей.

Содержание PB в дрожжевой суспензии после второй ступени выращивания не должно превышать 0,25–0,35% PB (не сбраживаемые PB). Выделение дрожжей после II стадии выращивания осуществляется во флотаторе 4, в котором конструктивно объединены две ступени флотирования. Двухступенчатые флотаторы с внутренним стаканом для сбора сгущенной дрожжевой суспензии и с боковым внутренним карманом для второй ступени флотации разработаны Гипрогидролизом для многих заводов. Отработанная среда – дрожжевая бражка с некоторым содержанием дрожжей из кольцевого пространства флотатора центробежным насосом 6 подается в кольцевой карман (отсек), где дополнительно выделяется остаток дрожжей, а сгущенная дрожжевая суспензия из стакана флотатора через газоотделитель насосом откачивается в первую группу сепараторов 8 для дополнительного сгущения дрожжей. Дрожжи из сепаратора сливаются в первый сборник для промывки, а отработанная дрожжевая бражка объединенным потоком с отработанной дрожжевой бражкой после I ступени флотирования центробежным насосом подается на II ступень. Со II ступени отработанная дрожжевая бражка попадает в газоотделитель для отделения воздуха, а затем центробежным насосом откачивается на выпарку бардяных концентратов или сбрасывается в канализацию. Остальная часть схемы сепарирования и промывки почти ничем не отличается от многих других схем, принятых на ряде заводов. Последующее сгущение дрожжей производится еще на двух группах сепараторов 9, 10.

Промывают дрожжи водой, подаваемой в промывной сборник 12. Отработанная промывная вода, которая уносит с собой часть дрожжей после сепараторов 3-й группы 10, сбрасывается в промывной сборник 11, а отработанная промывная вода после сепараторов 2-й группы 9 сбрасывается в канализацию. Дрожжи после окончательного сгущения с содержанием около 600 г/л сливаются в сборник сгущенной дрожжевой суспензии, а далее насосом подаются на упаривание и затем на сушку.

Расчеты показывают, что при работе дрожжевого цеха по двухступенчатой схеме выращивания дрожжей состав технологического оборудования увеличивается незначительно. Этот способ дает возможность увеличить выход дрожжей не менее чем на 10–15% по сравнению с одноступенчатой схемой и устранить затраты пара на упаривание разбавленных сульфитных щелоков.

Ниже приведены некоторые особенности технологических схем.

Передача дрожжевой суспензии из дрожжерастильных аппаратов во флотатор или непосредственно на сепараторы на ряде предприятий встречает затруднения в связи с тем, что дрожжерастильные аппараты и флотаторы расположены на разной высоте и далеко друг от друга. Особенностью передачи дрожжевой суспензии во флотатор является то, что по трубе в этом случае перетекает диспергированная жидкость, содержащая в себе значительное количество воздуха, в связи с чем удельный вес этой суспензии низкий, доходит до 0,3 г/см³. При движении диспергированной жидкости по трубам происходит частичное гашение содержащихся в ней воздушных пузырьков с выделением воздуха из суспензии. На предприятиях отбор суспензии из дрожжерастительных аппаратов во флотаторы осуществляется при помощи насосов или самотеком.

Перекачка центробежными насосами осуществляется на Выборгском, Приозерском, Светогорском и ряде других заводов. Но учитывая качественную характеристику дрожжевой суспензии, необходимо устанавливать насосы, производительность которых в 2–2,5 раза больше, чем у насосов для перекачки обычной жидкости, а число оборотов не должно превышать 1500 в минуту. В связи с увеличенной производительностью насоса мощность электродвигателя не должна быть повышенной, так как удельный вес суспензии соответственно меньше. Для перекачки эмульгированной суспензии наиболее подходящими являются центробежные насосы типа НФ или винтовые, т. е. насосы с уширенным рабочим колесом. При работе центробежных насосов с большим числом оборотов (3000 об/мин) во всасывающей трубе получается разрыв струи, образование воздушных «пробок», приводящих к перебоям в работе насоса.

На многих заводах передача эмульгированной жидкости из дрожжерастильных аппаратов осуществляется самотеком. Переточная линия от дрожжерастильного аппарата к флотатору (или деэмульгатору) не должна иметь мешков, больших подъемов и снижений. При монтаже необходимо следить за тем, чтобы эта линия была горизонтальной или чуть наклонной. При движении суспензии происходит частичное самогашение эмульсии с освобождением части воздуха. В трубопроводе с большим уклоном к флотатору освобождающийся воздух будет стремиться вверх, т. е. в этом случае в обратную сторону – к дрожжерастильному аппарату, препятствуя сливу суспензии. Если эта линия имеет большой подъем к флотатору, происходит другое явление: самогашение эмульсии в трубе приводит к ожижению ее; жидкая фаза в первую очередь стекает в сторону уклона трубы, т. е. в направлении, обратном движению суспензии. Поэтому нужно следить за тем, чтобы переточная линия от дрожжерастильного аппарата к флотатору была горизонтальной, допуская лишь небольшой уклон для опорожнения ее. При выборе диаметра этой переточной линии также следует учитывать низкий удельный вес перетекаемой суспензии.

При компоновке оборудования нужно максимально приближать флотаторы к дрожжерастильным аппаратам и не допускать лишних поворотов.

 

ДРОЖЖЕРАСТИЛЬНЫЕ АППАРАТЫ

В настоящее время отечественная и зарубежная промышленность по производству кормовых дрожжей располагает большим разнообразием конструкций дрожжерастильных аппаратов. Правильные выбор или разработка конструкции новых аппаратов имеют большое значение, так как они определяют мощность всего дрожжерастильного производства. Если прежде средняя суточная выработка кормовых дрожжей на одном заводе достигала 4–10 г, то теперь развертывается строительство и осуществляется пуск новых заводов с суточной выработкой до 40– 80 г и более.

В конструкциях дрожжерастильных аппаратов важными являются элементы, обеспечивающие хорошее диспергирование жидкости воздухом, усреднение диспергированной массы в аппарате и отвод тепла. При удовлетворении всех этих требований процесс выращивания дрожжей будет протекать в наилучших условиях с максимальным выходом продукции. Конструкторы, технологи и исследователи разработали различные конструкции дрожжерастильных аппаратов, сосредоточив наибольшее внимание на способе воздухораспределения. В отечественной и зарубежной промышленности имеются дрожжерастильные аппараты системы Фрикса, Вальдгофа, Фогельбуша, Шоллер-Зайделя, Розенквиста, Лефрансуа, а также аппараты с шайбовым и барботерным воздухораспределением, аэрлифтные многозонные, периферийные и др. Имеются также разновидности названных конструкций.

В ряде случаев дрожжерастильные аппараты называют ферментерами, исходя из наименования проводимого в них процесса ферментации.

Диспергирование создает условия контактирования воздуха с жидкостью, а следовательно, с каждой дрожжевой клеткой, и обеспечивает таким образом питательную среду растворимым кислородом, необходимым при обмене веществ во время интенсивного образования биомассы дрожжей. Это является важнейшей необходимостью при росте дрожжевых клеток. Диспергирование должно осуществляться по всему объему дрожжерастильных аппаратов для создания равномерных условий работы во всех частях аппарата. Но равномерное диспергирование жидкости воздухом еще не может создать однородных условий для жизнедеятельности дрожжевых клеток, так как при выращивании дрожжей среда в условиях аэрации имеет тенденцию расслоения по высоте; верхние слои обогащены дрожжами и обеднены питательной средой, а нижние слои – наоборот.

Необходима такая конструкция аппарата, которая обеспечила бы эффективную циркуляцию содержимого, чтобы иметь равномерную концентрацию дрожжей и питательной среды по всему объему аппарата. Кроме того, в аппарате нужно поддерживать постоянную температуру, соответствующую оптимальным условиям роста дрожжей.

Ниже приведено описание дрожжерастильных чанов, получивших распространение в СССР и различных странах для выращивания кормовых дрожжей.

 

ДРОЖЖЕРАСТИЛЬНЫЙ ЧАН
С БАРБОТАЖНЫМ ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЕМ

Чан изготовляется из листовой стали или деревянной клепки. На дне чана укладывают барботеры – воздушные трубы с отверстиями диаметром 0,2–1 мм. Барботер выполняют в виде спирали, а иногда в виде параллельно уложенных труб, соединенных общим коллектором, к которому сверху подведен воздушный стояк (рис. 26).

Рис. 26. Барботажная воздухораспределительная система

 

Для максимального соприкосновения воздуха с жидкостью конструкторы обычно стремились уменьшить сечение отверстийв барботерах, доводя их до 0,2 мм и даже менее, с одновременным увеличением их числа. Это же стремление в свое время привело к новой конструкции барботажного воздухораспределения – устройству на воздушных подводящих трубах в чане пористых керамиковых свечей (стаканов) вместо мелких отверстий в барботажных трубах. Свечи имели форму цилиндра диаметром 60 мм, длиной 250–300 мм. Размер пор в необожженной керамике весьма незначительный (от 25 до 30 мк), вследствие чего воздух распылялся на мелкие пузырьки и лучше растворялся в среде. Но на преодоление сопротивления прохождению воздуха через пористую керамику требовался повышенный напор, примерно на 1–2 м больший, чем при обычной барботажной системе с мелкими отверстиями. Главным образом по этой причине, а также по причине засоряемости свечи не получили промышленного распространения. Но вместо них по этому же принципу в дрожжевом цехе Соликамского целлюлозно-бумажного комбината на патрубки воздушных труб, уложенных на дне, были надеты мешочки, сшитые из отработанного сукна или пожарного рукава. Они для распыления воздуха оказались вполне пригодными. Недостатком их была также частая засоряемость пор в ткани и образование мест для инфекции дрожжей.

Барботажная система воздухораспределения содействует образованию восходящих потоков, что приводит к расслоению среды, т. е. к образованию в верхних слоях повышенной концентрации дрожжей, а в нижних – низкой концентрации. Такое положение нельзя считать нормальным. Поэтому барботажная система в этом виде имеет ограниченное применение. Давление воздуха зависит от высоты слоя жидкости в дрожжерастильном чане и от системы воздухораспределения. При слое жидкости в чане 3 м в барботажной системе необходимо иметь давление в подводящем воздуховоде не менее 4 м вод. ст. Повышение давления в системе увеличивает затраты электроэнергии.

Барботажная система воздухораспределения широко развита в цехах по производству пекарских дрожжей. Охлаждают дрожжевую суспензию при помощи уложенных вдоль боковых стенок внутри аппарата змеевиков, через которые пропускают холодную воду. Дрожжерастильный чан имеет штуцеры для вводапитательной среды – сусла, подготовленного к выращиванию дрожжей, питательных солей, воздуха и вывода дрожжевой суспензии.

 

ДРОЖЖЕРАСТИЛЬНЫЙ ЧАН СИСТЕМЫ ФРИКСА

Дрожжерастильный чан системы Фрикса (рис. 27) является дальнейшим развитием барботажной системы. Здесь вместо свечей стоят барботерные колпачки, через которые воздух подается в зону выращивания дрожжей. Колпачки смонтированы по аналогии с барботерными устройствами, имеющимися на тарелках ректификационных колонн. На воздухоподводящих трубах имеются открытые патрубки диаметром 25 мм которые накрыты колпачками. Воздух из-под колпачка попадает в жидкостную среду. Воздух поступает через 24 колпачка при диаметре чана 6800 мм и емкости 250 м³. Воздухоподводящие трубы диаметром 100 мм находятся на дне чана в виде двух концентрично расположенных шестигранников. В чане на вертикальном валу, вращающемся со скоростью 75 об/мин, для интенсивного перемешивания среды и ее усреднения имеется мешальное устройство, выполненное в виде двух ярусов лопастей 3 с размахом 1800 мм, выгнутых в форме пропеллерного винта. На этом же валу на среднем уровне по высоте чана расположено так называемое «беличье» колесо 4 диаметром 1400 мм и высотой 1000 мм. «Беличье» колесо представляет собой набор вертикально расположенных лопастей (12–16 шт.), закрепленных при помощи двух крестовин на втулке, находящейся на вертикальном валу. Такое устройство предназначено для механического пеногашения верхних слоев пенной эмульсии и создания циркуляционных потоков в чане, содействующих усреднению жидкости. Отбирают дрожжи в виде эмульсии через верхний боковой сливной штуцер.

Рис. 27. Дрожжерастильный чан системы Фрикса:
1 – корпус; 2 – воздухораспределительные трубы с колпачками;
3 – лопасти; 4 – «беличье» колесо; 5 – змеевики; 6 – редуктор

 

Содержимое чана охлаждают при помощи уложенных внутри около боковых стенок змеевиков 5, через которые пропускают холодную воду. При работе на сусле из сульфитного щелока на заводе «Агфа» в г. Вольфен (ГДР) в чане емкостью 250 м³ уложены алюминиевые змеевики с общей поверхностью 75 м³. На этом же заводе в других чанах имеются змеевики, изготовленные из кислотоупорной стали с присадкой ванадия марки V4A; вал и «беличье» колесо изготовлены также из кислотоупорной стали, лопасти из алюминия. Корпус 1 чана изготовлен из деревянной (лиственница) клепки. Вал с насаженными на нем лопастями и с «беличьим» колесом вращается, делая 75 об/мин, и приводится через редуктор 6 от электродвигателя мощностью 58 квт. Поскольку чан выполнен из дерева, привод (электродвигатель, редуктор, вал) крепится на отдельно стоящей металлической конструкции, не связанной с чаном.

При работе в чане поддерживается гидростатический уровень, соответствующий жидкостному объему 70 м3. Расход воздуха в этой системе дрожжерастильных чанов составляет около 50 м³ на 1 кг сухих дрожжей.

По данным завода «Агфа», пропускная способность каждого дрожжерастильного чана емкостью 250 м³ системы Фрикса, считая по приточному суслу (до разбавления) с содержанием 2,2% PB, составляет 8 м³ в час. Практически чаны работают на разбавленном сусле до 1,6% PB.

 

ДРОЖЖЕРАСТИЛЬНЫЙ ЧАН СИСТЕМЫ ФОГЕЛЬБУША

Эта система основана на распылении воздуха до мельчайших частиц по всему сечению аппарата и создании циркуляции жидкости для усреднения ее. С этой целью воздух вводится в среду через вращающиеся перфорированные лопасти, устроенные в виде полых пропеллеров (рис. 28). Такая система воздухораспределения была смонтирована в опытном порядке на дрожжевом заводе в Гайденау (ГДР). Устроена она так: внутри чана емкостью 250 м² (диаметр 7000 мм) от самостоятельного привода вращается полый вал, на нижний конец которого насажены две воздухораспределительные лопасти в виде перфорированного пропеллера, имеющего мельчайшие отверстия: на 1000 см² поверхности приходится около 10 000 отверстий. Отверстия с внутренней стороны расширены наподобие сопла. Диаметры их увеличиваются от 2 до 5 мм с удалением от оси вращения. Иногда в этих системах на вал крепится четыре лопасти. Воздух поступает в вал под давлением 6000 мм вод. ст. и выходит через отверстия лопастей в зону выращивания дрожжей при вращении вала и лопасти с числом оборотов 27–55 в минуту.

Рис. 28. Дрожжерастильный чан системы Фогельбуша:
1 – корпус; 2 – воздухораспределительная система Фогельбуша;
3 – пеноотводные лотки; 4 – дезинтеграторы для механического гашения пены;
5 – газоотделители диаметром 900 мм;
6 – вентилятор для отвода СО₂; 7 – змеевики; 8 – редуктор

 

Диаметр пропеллерных воздухораспределительных лопастей равен 5750 мм. При такой аэрационной системе для вращения вала и лопастей с числом оборотов 27–30 в минуту требуется мощность электродвигателя около 20 квт. Скорость вращения вала от 27 до 55 об/мин может изменяться при помощи редук-гора 8 с переменным (до восьми положений) передаточным числом.

Интенсивность поступления воздуха и степень распыления его зависят от числа отверстий в лопасти, их диаметров и шага между отверстиями, от количества лопастей. Чаны системы Фогельбуша расходуют воздуха на 30–40% меньше, чем обычная барботажная система. Чан в рабочем состоянии заполнен приблизительно на 30–35%. Следовательно, при емкости его 250 м² приведенная (гидростатическая) высота жидкости составит 2–2,2 м. Работа чана с аэрационной системой Фогельбуша сопровождается сильным пенением.

Для гашения пены на заводе в Гайденау в опытном порядке осуществлены особые устройства, основанные на механическом способе пеногашения. Пена по лоткам 3, находящимся под крышкой чана, засасывается вентилятором в дезинтеграторыэксгаустеры 4, в которых специальными лопатками разбивается и гасится до жидкого состояния. Дрожжевая суспензия, образовавшаяся из пены, обратно через газоотделитель 5 сливается в чан, а воздух, выделяясь из пены, отсасывается специальным вентилятором 6 с мощностью электродвигателя 10 квт через газсютделитель диаметром 900 мм и выбрасывается в атмосферу. В чане имеются два аналогичных, расположенных один против другого устройства для механического пеногашения. На каждом дезинтеграторе установлен электродвигатель мощностью 30 квт с непосредственным приводом и числом оборотов 750 в минуту. Таким образом, общая мощность всех установленных электродвигателей на одном чане при описанной конструкции механического пеногашения составляет 90 квт. Корпус 1 дрожжерастильного чана изготовляется деревянным. Привод (электродвигатель, редуктор) смонтирован на самостоятельной опоре, не связанной с деревянным корпусом. Для охлаждения суспензии внутри чана уложен змеевик 7, разделенный на три самостоятельно работающие секции с общей охлаждающей поверхностью 75 м².

Все детали мешального и воздухораспределительного устройства, а также змеевики, соприкасающиеся с жидкостю, при работе на сульфитных щелоках изготовлены из стали с присадкой ванадия (марка V2A или V4A). Змеевики часто изготовляются из алюминия. В связи с усиленным пенообразованием в дрожжерастильных чанах с системой воздухораспределения Фогельбуша на отдельных заводах ГДР механический пеногаситель вентилятор-дезинтегратор заменен «беличьим» колесом с диаметром 1400 мм и высотой 1000 мм, находящимся в средней части чана. Но особое отличие этого устройства в данном случае заключается в том, что «беличье» колесо насажено на отдельный (наружный) вал, внутри которого проходит основной вал, приводящий в движение всю воздухораспределительную систему. Наружный вал вращается в обратную сторону с увеличенным числом оборотов (от 70 до 100 об/мин) от отдельного электродвигателя через редуктор с переменным передаточным числом. Общая мощность электродвигателей в данном случае равна 55 квт. Практика выращивания дрожжей в дрожжерастильных чанах с воздухораспределительной системой Фогельбуша показывает, что степень перемешивания жидкости в чанах недостаточна, в связи с чем на дрожжевом заводе в г. Розенталь (ГДР) на вертикальный вал между воздухораспределительными пропеллерными лопастями и «беличьим» колесом были установлены дополнительные мешальные лопасти.

 

ДРОЖЖЕРАСТИЛЬНЫЙ ЧАН СИСТЕМЫ ВАЛЬДГОФА

В конструкции дрожжерастильного чана системы Вальдгофа (рис. 29) подача воздуха осуществляется через полый вал с находящимися на нижнем его конце отводами труб 2 в количестве 5–6 шт. в форме сегнерова колеса. Полый вал диаметром 200 мм вращается со скоростью 320 об/мин через редуктор 5 от электродвигателя мощностью 125 квт. Воздух, поступающий через центральный полый вал, выбрасывается через открытые торцы загнутых труб диаметром 70 мм. Эти отводы длиной 650 мм крепятся к распределительной коробке, насаженной неподвижно на полом валу.

Рис. 29. Дрожжерастильный чан
с воздухораспределительной системой Вальдгофа:
1 – корпус; 2 – воздухораспределительные трубы;
3 – направляющий цилиндр; 4 – змеевики; 5 – редуктор

 

Поскольку число оборотов повышенное, то воздух распыляется в среде сравнительно мелко. Для создания циркуляции в чане на высоте 600 мм от дна установлен направляющий цилиндр 3. Предполагается, что отбрасываемая воздухом жидкость будет подниматься по сечению кольца между цилиндром и стенкой чана, далее опускаться через цилиндр, затем снова около дна чана будет отбрасываться струей воздуха на периферию и т. д. Такая циркуляция помогает усреднению содержимого в чане и снижает степень пенообразования. В результате циркуляционных потоков в аппарате уменьшается степень расслоения среды и различие концентраций дрожжей по высоте чана. Отбор дрожжевой суспензии из чана производится снизу через боковой штуцер, расположенный на расстоянии 300 мм от дна. Охлаждение содержимого в чане во время выращивания дрожжей осуществляется охлаждающей водой при помощи змеевиков 4, уложенных около цилиндрической стенки чана. В этой системе чанов приведенный (гидростатический) уровень поддерживается на высоте 1,7–1,8 м. Коэффициент заполнения чана 22–25%. Расход воздуха составляет 50 м³ на 1 кг сухих дрожжей. По данным завода «Агфа» (г. Вольфен, ГДР), где установлены такие чаны емкостью 210 м³ пропускная способность их, считая по приточному (до разбавления) сульфитному щелоку с содержанием 3,7% PB, составляет 6 м3 в час.

Эта конструкция немецкими специалистами рекомендуется для работы на растворах с повышенным содержанием сахара. В частности, на указанном выше заводе эти чаны работают на сусле, разбавленном до 2,5% PB. Корпус 1 чана изготовляется из деревянной клепки; металлические детали (вал, воздухораспределительные трубы) – из кислотоупорной стали; внутренний циркуляционный цилиндр – из гумированной стали; змеевики, как правило, алюминиевые, а иногда из стали марки V4A.

В отдельных конструкциях направляющий цилиндр внутри чана делается двухстенным и между стенками пропускается вода для охлаждения дрожжевой суспензии.

 

ДРОЖЖЕРАСТИЛЬНЫЙ ЧАН
СИСТЕМЫ ШОЛЛЕР-ЗАЙДЕЛЯ

Чан с воздухораспределительной системой Шоллер–Зайделя (рис. 30) успешно работает в ГДР. Одним из создателей этой конструкции является проф. Рихе. Он считает, что для выращивания кормовых дрожжей эта конструкция является наиболее приемлемой по своей простоте и по производительности. Конструктивно эта система чана существенно отличается от описанных выше.

Рис. 30. Дрожжерастильный чан системы
Шоллер-Зайделя:
1 – корпус; 2 – циркуляционные трубы;
3 – пеноотборный стакан;
4 – механический пеногаситель;
5 – свеча Зайделя; 6 – отборная труба

В этой конструкции осуществляется интенсивная циркуляция дрожжевой суспензии с одновременным насыщением ее воздухом при помощи 12 выносных вертикально расположенных циркуляционных труб 2 диаметром 350 мм, установленных вокругчана. Система основана на принципе мамут-наноса. Чан емкостью 200 мг с соотношением диаметра к высоте примерно 1:2,5 внутри не имеет никаких механизмов. Единственной деталью внутри чана является пеноотборный стакан 3 и труба от него для отвода пены на механический пеногаситель 4.

Во время работы чана дрожжевая суспензия засасывается со дна в циркуляционные трубы и при помощи воздушных форсунок– свечей Зайделя 5 поднимается по ним вверх, выбрасываясь в виде эмульсии в чан. В эти же циркуляционные трубы подается свежее приточное сусло – питательная среда, которая в потоке смешивается с дрожжевой суспензией и воздухом. Так как эмульсия выбрасывается из трубы в чан, образуя значительное количество пены, чаны изготовляются более высокими по сравнению с чанами других систем. Часть пены отбирается через стакан, находящийся на верхнем уровне, и отводится по отборной трубе 6 к механическому пеногасителю 4, представляющему собой центрифугу Клауса. В ней пена сжижается до состояния суспензии и подается на сепарирование.

Воздух в циркуляционные трубы поступает под давлением 6000 мм вод. ст. В циркуляционные трубы воздух вдувается через керамиковые сопла – свечи Зайделя, выполненные для удобства чистки разборными из отдельных колец. Каждую циркуляционную трубу во время работы можно отключить на случай ремонта или чистки сопла, для чего внизу трубы имеется задвижка. Через боковой люк в циркуляционной трубе можно произвести необходимые работы по разборке и снятию свечей. Приведенный (гидростатический) уровень жидкости в чане поддерживается в пределах 30% от высоты всего аппарата. Развитая боковая поверхность чана, а также поверхность циркуляционных труб создают условия для воздушного охлаждения циркулирующей дрожжевой суспензии. В случае необходимости дополнительное охлаждение осуществляется путем орошения боковой поверхности чана и циркуляционных труб холодной водой. Важным преимуществом воздухораспределительной системы Шоллер-Зайделя является отсутствие подвижных частей в чане, несложное обслуживание и повышеннаяпроизводительность. По утверждению немецких специалистов, дрожжерастильный чан емкостью 170 м³, оборудованный воздухораспределительной системой Шоллер-Зайделя, может переработать в час до 18–22 м³ сусла и выработать до 3–4 т сухих дрожжей в сутки.

На целлюлозной фабрике в Аттисгольце (Швейцария) в дрожжерастильном чане аналогичной конструкции емкостью 250 м³ перерабатывалось от 1000 до 1200 м³ барды и вырабатывалось около 5 т сухих дрожжей в сутки. Через шесть циркуляционных труб подавалось 5000 м³ в час воздуха при давлении 6000 мм вод. ст., на что расходовалось 150–160 квт электроэнергии. Продолжительность брожения сравнительно мала (2,5 ч). Отбираемая из чана в виде пены дрожжевая суспензия перед подачей на сепараторы разбивалась в пеногасящей центрифуге Клауса.

 

ДРОЖЖЕРАСТИЛЬНЫЙ ЧАН
СИСТЕМЫ РАЙНЛЕНДЕРА

Один из дрожжевых заводов США выращивает кормовые дрожжи на сульфитном щелоке по схеме Райнлендера и выпускает 4,5 т сухих дрожжей в сутки. Сульфитный щелок, полученный с целлюлозного завода при рН = 2,5, перед подачей на выращивание дрожжей проходит отдувку паром для удаления из него сернистого ангидрида и охлаждение на теплообменниках. Всего в сутки поступает 560 м³ щелока с содержанием сахара 1,5%. Чан для выращивания дрожжей емкостью 160 м³ имеет необычную форму: диаметр 7000 мм и высоту 4200 мм. В открытом чане внутри имеется центральная труба-диффузор диаметром 1200 мм, не доходящая до дна. Под диффузором для аэрации находится вращающийся полый диск с отходящими от него изогнутыми трубами, как и в чане системы Вольдгофа. К диску сверху подведена воздушная труба от центробежного компрессора. Вращение диска осуществляется при 300 об/мин от привода с электродвигателем 300 квт, расположенного под днищем чана. Следует заметить, что вращающееся под диффузором приспособление для аэрации, кроме того, перемешивает среду, благодаря чему отпадает потребность в химическом пеногасителе.

Процесс выращивания дрожжей ведут при температуре 36–37° и рН = 5,0, который поддерживается при помощи аммиачной воды. Другой особенностью описываемой схемы является выносное охлаждение дрожжевой суспензии, осуществляемое в трубчатом теплообменнике. Дрожжевая суспензия, отбираемая центробежным насосом, разделяется на два потока: один идет на сепарирование, а другой со скоростью 42 м³ в минуту, пройдя охлаждение на трубчатом теплообменнике, вновь возвращается как подсевные дрожжи. Чаны изготовлены из биметалла: простая сталь плакирована кислотоупорной.

 

ДРОЖЖЕРАСТИЛЬНЫИ ЧАН
СИСТЕМЫ ЛЕФРАНСУА-МАРИЙЕ

Французский специалист Лефрансуа для выращивания дрожжей предложил конструкцию дрожжерастильного чана с простейшим воздухораспределительным устройством без механических мешалок и пеногасительных лопастей. Отсутствие механических приводов существенным образом снижает удельный расход электроэнергии по сравнению со многими другими вышеописанными конструкциями дрожжерастильных чанов. Эта конструкция по принципу действия относится к типу аэрлифтных, или мамут-насосов, использующих напор подаваемого от воздуходувок воздуха для циркуляции диспергированной воздухом жидкости с дрожжами. На рис. 31 приведена принципиальная схема устройства дрожжерастильного чана.

Рис 31. Дрожжерастильныи чан системы
Лефрансуа-Марийе емкостью 320 м³:
1 – корпус; 2 – диффузор; 3 – кювета

 

В отечественной и зарубежной промышленности имеются чаны этой системы различной емкости: 250, 320 и 600 м³. В частности, на целлюлозно-бумажных комбинатах в Таллине, Слоке, Клайпеде и на Ахметском гидролизном заводе французской фирмой «Сорис» установлены дрожжерастильные чаны емкостью 250 и 320 м³, а на Запорожском гидролизно-дрожжевом заводе – емкостью 600 м³. Чаны этой конструкции не имеют механических средств для пеногашения. Поэтому самогашение образующейся пены осуществляется за счет давления столба эмульсии и ее циркуляции. При вдувании воздуха в нижнюю часть чана из жидкости, содержащейся в чане, и подаваемого сусла образуется диспергированная масса, которая поднимается по центральному стакану (диффузору) 2 почти до верха чана. Диаметр вертикального диффузора должен соответствовать потоку поднимающейся диспергированной жидкости. Часть воздуха отделяется от потока жидкости и уходит через открытый верх чана в атмосферу, а часть воздуха вместе с пеной опускается через кольцевое пространство, образуемое стенками чана и диффузора. При движении вниз пена гасится и ожижается. Попадая в поток подаваемого в чан воздуха, жидкость и свежее сусло, подаваемое в кювету З, вновь диспергируется и через диффузор поднимается. Осуществляемая таким образом циркуляция со скоростью 2– 3 об/мин обеспечивает усреднение питательной среды и максимальный контакт этой жидкой среды с воздухом.

Промышленные чаны имеют высоту 12–15 м, пена в них поднимается на 10–12 м. Приведенный так называемый монолитный столб жидкости достигает 3,5–4,5 м. За каждым чаном закреплена отдельная воздуходувка с напором воздуха 6 м вод. ст., обеспечивающая таким образом продувание слоя жидкости до 4,5–5 м. Охлаждение чана осуществляется путем орошения наружной стенки, а также подачи охлаждающей воды в змеевик диффузора, выполненного в виде двустенного стакана. Чаны изготовляются из кислотоупорной стали. Вот некоторые практические данные работы описываемых конструкций дрожжерастильных чанов системы Лефрансуа-Мерийе. Наиболее успешно эти чаны работают на сульфитных щелоках, разбавленных до 1,5–1,8% PB. Так, на Таллинском ЦБК такой чан емкостью 320 м³ дает 4–4,5 т сухих дрожжей в сутки. На целлюлозно-бумажном комбинате «Слока» при работе на послеспиртовой барде с концентрацией PB 0,8% чан емкостью 290 м³ дает выход дрожжей 2–2,3 т в сутки.

Проектом фирмы «Сорис» на выращивание 1 кг дрожжей (в пересчете на сухие) предусмотрена подача воздуха в количестве 18–20 м³.

 

ДРОЖЖЕРАСТИЛЬНЫЙ ЧАН
СИСТЕМЫ РОЗЕНКВИСТА

Дрожжерастильный чан системы Розенквиста (рис. 32) имеет емкость 300 м³ диаметр 8000 мм и высоту 6500 мм. В центральной части чана вертикально установлен стакан-диффузор 2, внутри которого для усиления циркуляции вмонтирован трехлопастной пропеллер 3, вращающийся со скоростью 600 об/мин от привода, расположенного вместе с редуктором под чаном. Диффузор диаметром 1800–2000 мм и высотой 2500 мм расположен над днищем чана на высоте 1000 мм.

 

Рис. 32. Дрожжерастильный чан
системы Розенквиста:
1 – корпус; 2 – стакан-диффузор;
3 – трехлопастной пропеллер;
4 – перфорированные барабаны;
5 – редуктор

Конструкция чана рассчитана на выращивание дрожжей в пенном слое. С этой целью воздух подается от низконапорной воздуходувки-вентилятора к месту выхода эмульсии из диффузора. Воздух подают через два вращающихся горизонтальных перфорированных барабана 4 диаметром 318 MM1 расположенных противоположно друг другу около диффузора. Барабаны вращаются со скоростью 9 м/сек. Воздух низкого давления, подаваемый вентилятором через полые оси внутрь этих барабанов, выходя через отверстия, распыляется. Часть воздуха увлекается жидкой фазой вниз чана. Поток пены попадает вновь под диффузор и пропеллером выталкивается в верхнюю часть чана. Для такой системы дрожжерастильных чанов требуется механический пеногаситель.

 

ДРОЖЖЕРАСТИЛЬНЫЙ ЧАН
С САМОВСАСЫВАЮЩЕЙ МЕШАЛКОЙ

В производстве медицинских препаратов, антибиотиков и других видов микроорганизмов при выращивании их используют чаны с самовсасывающей мешалкой. На рис. 33 показаны основные элементы этого чана. Обычно он имеет небольшую емкость– от 2 до 15 м³. Основной отличительной особенностью работы этого чана является отсутствие воздухонагнетательной машины для подачи воздуха, так как воздух, необходимый для выращивания микроорганизмов, засасывается через вращающийся полый вал и вдувается в среду через воздухоотводы, приваренные к полому валу в виде крестовины.

Рис. 33. Дрожжерастильный чан
с самовсасывающей мешалкой:
1 – корпус; 2 – полый вал; 3–крестовина;
4–метальная лопасть;
5–механический пеногаситель;
6 – змеевики; 7 – привод

 

Отводы выполняются в виде труб, торец которых срезан под углом 45° с обратной стороны от направления вращения. При вращении вала с крестовиной вследствие центробежной силы воздух с некоторым напором через отводы вдувается в жидкость, которую обогащает кислородом и одновременно интенсивно перемешивает. Крестовина как лопастная мешалка служит также средством для перемешивания жидкости в аппарате. Степень напора воздуха, вдуваемого в жидкость, зависит от окружной скорости выходных отверстий для воздуха в отводах крестовины. Окружная скорость в свою очередь зависит от числа оборотов и диаметра крестовины. Стремление работать при повышенных уровнях жидкости в чане с целью более эффективного использования его емкости должно привести к необходимости увеличения напора воздуха, а это возможно лишь при увеличении числа оборотов или диаметра крестовины. То и другое приводит к увеличению потребной мощности электродвигателя, вращающего через редуктор вал с крестовиной.

Этот способ подачи воздуха в чан и диспергирование жидкости нельзя считать совершенным, тем более для больших емкостей аппаратов с высоким уровнем жидкости, для которых требуются электродвигатели и редукторы большой мощности. Например, для чана емкостью 17 м³ требуется электродвигатель мощностью 20 квт. Способ выращивания дрожжей с самовсасывающей мешалкой более пригоден для малых чанов. Такие чаны работают без специальных воздуходувных машин. Однако иногда чаны с самовсасывающей мешалкой комплектуются с низконапорными воздуходувными машинами – вентиляторами. Это применяется при выращивании дрожжей с пониженным уровнем жидкости. Вентилятором воздух нагнетается в полый вал, а из него через крестовину вдувается в жидкость. Напор воздуха на выходе из крестовины увеличивается на величину напора вентилятора, исключая местные потери.

Чан с самовсасывающей мешалкой имеет ряд разновидностей и конструктивных дополнений. В некоторых конструкциях на валу над крестовиной устраивается лопастная мешалка для дополнительного размельчения воздушных пузырьков, поднимающихся от крестовины вверх. На вращение лопастной мешалки требуется дополнительная мощность электродвигателя и редуктора. Имеются конструкции чанов с самовсасывающей мешалкой, у которых на вращающемся валу выше крестовины укрепляется диск с радиально расположенными ребрами на стороне, обращенной вниз, для отбрасывания поднимающегося воздуха от центра к периферии. В настоящее время разрабатываются конструкции с эжекционной системой воздухораспределения, где движущей силой является аэрируемая жидкость, с большим напором подаваемая в эжектор.

 

ДРОЖЖЕРАСТИЛЬНЫЕ ЧАНЫ
С АЭРЛИФТНОЙ СИСТЕМОЙ ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ

На рис. 34 показан дрожжерастильный чан емкостью 600 Mz с аэрлифтной системой воздухораспределения. Использование напора воздуха, поступающего в аппарат, для создания в нем циркуляционных потоков дрожжевой суспензии, что обеспечивает усреднение всех показателей (РВ, температура, рН, концентрация дрожжей и др.), является одним из важных достоинств данной конструкции. В чанах с аэрлифтной системой отсутствуют механические средства для перемешивания суспензии и пеногашения, что резко уменьшает эксплуатационные расходы на процесс выращивания дрожжей и повышет надежность работы аппарата. Для улучшения использования воздуха над диффузором иногда устанавливается пенонаправляющий зонт, который содействует направлению части воздуха, вырывающегося из центрального стакана-диффузора в поток, устремляющийся вниз по кольцевому сечению между корпусом аппарата и диффузором. Целесообразность этого мероприятия подтверждается исследованиями, проведенными Украинским научно-исследовательским институтом спиртовой промышленности, а также практической работой на Уфимском заводе. Воздух в аппарат поступает от воздуходувки через центральную трубу и воздухораспределительную систему, расположенную в середине днища и имеющую кольцевую щель, через которую воздух вырывается в чан со скоростью 20–25 м/сек. Количество воздуха, подаваемого на 1 кг абсолютно сухих дрожжей, в этой конструкции чана составляет 23–25 м³. Для нормальной циркуляции суспензии в чане напор подаваемого воздуха на входе в чан должен быть не менее 4–4,5 м вод. ст. Гашение пены осуществляется за счет столба эмульсии, поддерживаемой в чане, т. е. благодаря самогашению без каких-либо химических и механических средств. Соотношение диаметра к высоте чана составляет примерно 1:2. Тепло, образующееся при выращивании дрожжей, отводится с уходящей через открытый верх чана паровоздушной смесью, а также при охлаждении через внутренний циркуляционный стакан и при охлаждении наружной стенки чана орошением водой. Штуцер для отбора дрожжевой суспензии расположен на высоте 1700 мм от днища чана. Чан при чистке опорожняют через нижний штуцер. При переработке гидролизатов в качестве материала для изготовления корпуса чана может быть использована малолегированная углеродистая сталь, а при переработке сульфитных щелоков – кислотоупорная сталь марки 1Х21Н5Т. Внутренний циркуляционный стакан, а также все детали, подверженные интенсивной эрозии, изготовляются в любом случае из кислотостойких материалов.

Рис. 34. Дрожжерастильный чан емкостью 600 м³ с аэрлифтной системой воздухораспределения

 

ДРОЖЖЕРАСТИЛЬНЫЙ ЧАН
С СИСТЕМОЙ ШАЙБОВОГО ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Дрожжерастильные чаны с системой шайбового воздухораспределения были широко распространены в Советском Союзе в начальный период развития производства кормовых дрожжей. За 20-летний с лишним срок их существования отдельные элементы конструкции претерпели существенные изменения. На рис. 35 представлена схема дрожжерастильного чана с шайбовым воздухораспределением в том виде, в каком этот чан впервые появился в промышленности.

Рис. 35. Дрожжерастильный чан с системой шайбового воздухораспределения:
1 – корпус; 2 – нижняя шайба; 3 – средняя шайба; 4 – «беличье» колесо;
5 – цилиндрический редуктор; 6 – конический редуктор; 7 – воздушный коллектор;
8 – телескопический штуцер; 9 – пенонаправляющая спираль

 

Чан емкостью 150–250 м³ внутри имеет вращающиеся дискишайбы. Задача этих шайб при вращении – максимально распылить воздух, обеспечив наибольший контакт питательной среды с воздухом. Достигается это следующим образом: на вертикальном валу, вращающемся со скоростью 75–80 об/мин, насажены на определенном расстоянии один от другого три мешальных устройства. Нижние две шайбы конструктивно похожи на рабочее колесо центробежного насоса. Воздух с необходимым напором подводится от воздуходувки через вертикальные патрубки распределительного коллектора 7, расположенного под нижней шайбой 2. Выйдя из патрубков, воздух попадает в полость шайбы, имеющей направляющие лопасти. Этими лопастями при вращении шайбы воздух отбрасывается на периферию и механически смешивается с питательной средой.

Считается, что окружная скорость нижней шайбы должна быть не менее 7,5–8 м/сек. Для обеспечения такой окружной скорости диаметр нижней шайбы при вращении вала со скоростью 75–80 об/мин должен быть не менее 2000 мм. Например, в чанах емкостью 250 м³ диаметр нижней шайбы равен 2500 мм. Назначение средней шайбы 3 – дополнительно механически распылить воздух, который прорывается по центру чана вверх. Верхнее мешальное устройство – «беличье» колесо 4 – предназначено для механического пеногашения. Диаметр «беличьего» колеса (1400 мм) составляет ориентировочно 1/5 или 1/6 диаметра дрожжерастильного чана. В тех случаях, когда диаметр чана равен 7000 мм, диаметр «беличьего» колеса принимается равным 1300–1400 мм. Для привода этой системы воздухораспределения на опорной конструкции, размещающейся на крышке чана, устанавливается электродвигатель мощностью 40 квт с числом оборотов 975 об/мин и редукторы. Прежде привод укомплектовывался коническим редуктором 6 марки КО-6 с передаточным числом 2 и цилиндрическим редуктором 5 марки ГO-V-5,6 с передаточным числом 5, 6. В настоящее время взамен этих редукторов привод укомплектовывается вертикальными редукторами марки ВД-V-1 40/75 = 1000.

Дрожжерастильные чаны с системой шайбового воздухораспределения использовались главным образом для выращивания дрожжей из послеспиртовой барды гидролизных и сульфитноспиртовых производств. Содержание PB в послеспиртовой барде обычно колеблется в пределах 0,6–0,9%. Характерной особенностью работы описываемой конструкции чана является большое расслоение содержащейся в чане жидкости. Нижние слои, представляющие собой жидкую фазу, обеднены дрожжами, верхние слои, представляющие собой пенную эмульсию, обогащены ими. При переработке барды в верхних слоях содержание дрожжей доходит до 40–50 г на 1 л (в пересчете на дрожжи влажностью 75%), а в то же время внизу чана содержание дрожжей составляет 3–6 г/л. На отдельных заводах эти концентрации дрожжей несколько меняются, но в целом различие концентраций для этой конструкции неизбежно. Это является следствием того, что в чане нет соответствующей циркуляции содержащейся жидкости. Все шайбы отбрасывают жидкость и образующуюся пену только к стенке чана, а воздух, пробиваясь снизу вверх, флотирует из этой жидкости дрожжевые клетки, увеличивая их концентрацию в верхнем, главным образом, пенном слое.

По этой причине такие чаны работают неравномерно. Вверху сконцентрированная масса дрожжей быстро утилизирует питательные вещества, а внизу из-за недостатка дрожжей питательные вещества остаются неиспользованными. Поскольку дрожжевая суспензия выводится из нижней части чана, то, естественно, имеет место частичный недоброд и снижение выходов дрожжей из поданного в чан сахара. Свежее сусло подается в чан через штуцер, расположенный в крышке. Для ориентировочного определения количества подаваемого сусла на входном штуцере каждого чана устанавливается щелевой расходомер. Жидкость из чана отбирают на некоторой высоте от днища через специальное декантирующее устройство, представляющее собой подвижный штуцер телескопического типа. Это устройство позволяет найти наиболее выгодную для отбора концентрацию дрожжей, соответствующую приросту их в чане. Практика работы чанов с шайбовым воздухораспределением показывает, что оптимальной высотой отбора жидкости из чана является 1200– 1500 мм.

Чаны для работы заполняют на 30–40% (в пересчете на жидкую фазу). При высоте чана 8000 мм столб жидкости в чане составляет до 3200 мм. С учетом некоторых потерь воздуха в системе воздуходувные машины ТК-700/5 или ТВ-80-1,6 (при напоре на выходном штуцере 0,4–0,6 атм) обеспечивают нормальную работу этих чанов.

В чане размещается змеевик с поверхностью охлаждения от 50 до 80 м² в зависимости от емкости чана и производительности.

 

РАЗНОВИДНОСТИ ДРОЖЖЕРАСТИЛЬНЫХ ЧАКОВ
С СИСТЕМОЙ ШАЙБОВОГО ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Чан с пенонаправляющими спиралями. Неравномерность распределения концентрации дрожжей по высоте дрожжерастильного чана с шайбовым воздухораспределением приводит к необходимости изменения описанной выше конструкции чана или дополнения ее отдельными конструктивными элементами. Одним из таких дополнений являются две верхние пенонаправляющие спирали, показанные на рис. 35. Спирали представляют собой металлические листы, свальцованные в виде неполной буквы С и приваренные противоположно одна другой к крышке. Низ спиралей находится на уровне верха «беличьего» колеса. Высота спирали 1000–1200 мм. Предполагалось, что когда пена будет подниматься выше «беличьего» колеса, она спирально расположенными лопастями будет отгоняться к центру чана, механически гаситься «беличьим» колесом. Все остальные конструктивные элементы чана при этом сохранены.

Эксплуатация таких спиралей на ряде заводов показала, что они соответствуют этому назначению, но в строго определенных условиях, т. е. когда пена частично омывает спираль. Когда пена не доходит до спирали, она вообще не работает. Когда же уровень пены повышается и «беличье» колесо полностью погружается в ней, эффективность его работы заметно снижается. «Беличье» колесо из механического пеногасителя превращается в обычное перемешивающее устройство. В таком случае направляющие спирали не удерживают пены. Строгая ограниченность высоты жидкости в чане, при которой нормально могут работать в комплексе направляющие спирали и «беличье» колесо, затрудняет эксплуатацию чанов, а поэтому видоизмененная конструкция чана с направляющей спиралью не получила широкого распространения, а на заводах, где спирали были установлены раньше, они в большинстве случаев демонтированы.

Чан с наклонными лопастями на «беличьем» колесе. В целях создания условий для равномерной работы чана с шайбовым воздухораспределением по предложению А. А. Андреева впервые на Выборгском ЦБК были внесены в чан конструктивные изменения, давшие положительный результат. Как уже указывалось, равномерность работы чана по высоте в значительной степени зависит от циркуляции жидкости. В чане с шайбовым воздухораспределением была оставлена только нижняя шайба. Средняя шайба изъята. Механический пеногаситель, т. е. «беличье» колесо, был понижен до отметки несколько выше середины чана. На механическом пеногасйтеле вместо вертикальных лопастей было приварено шесть наклонных лопастей под углом 55°. Ширина каждой лопасти 200 мм.

Осуществление этих мероприятий во многом изменило характер работы чана. Наклонные лопасти на механическом пеногасйтеле при йращении стали выполнять двойную роль: гасят образующуюся пену и заворачивают поток с периферии в середину чана/ Нижняя шайба, кроме выбрасывания на периферию жидкости с воздухом, стала содействовать движению жидкости в центре чана сверху вниз. Создалась организованная циркуляция жидкости с достаточно хорошим перемешиванием и усреднением ее. На Выборгском ЦБК концентрация дрожжей в верхней и нижней части чана стала почти одной и той же. Лишь иногда вверху содержание дрожжей было 24 г/л, а внизу 21 г/л. В этом случае жидкость можно отбирать из любой зоны чана. Эти мероприятия увеличили производительность чана на 10– 15%, повысили выход дрожжей из PB, исключили накапливание пены в верхней зоне чана, так как вся пена собиралась в воронку, образованную вращением «беличьего» колеса с наклонными лопастями, и в движении потока гасилась. На рис. 36 показана схема работы чана. Положение «беличьего» колеса с наклонными лопастями не создало перегрузки электродвигателя. Нормально «беличье» колесо должно находиться на уровне средней линии чана, не затрагивая глубоко слоя эмульсии. Потребная мощность электродвигателя увеличилась не более чем на 10%. Ощутимого увеличения нагрузки при нормальных условиях не может быть также из-за того, что изъята средняя шайба, которая также приводила к увеличению нагрузки на электродвигатель.

Рис. 36. Дрожжерастильный чан с наклонными
лопастями на «беличьем» колесе:
1 –· корпус; 2 – нижняя шайба;
3 – «беличье» колесо с наклонными лопастями;
4 – змеевик

 

Примером неудовлетворительной работы механического пеногасителя с вертикальными лопастями в дрожжерастильном чане малой емкости является чан, установленный на узле чистой культуры дрожжей Апполоновского гидролизного завода. Во время работы образующаяся в верхней зоне пена сплошной массой устойчиво держалась выше «беличьего» колеса, которое при вертикальном расположении лопастей никак не могло направить её в поток. Вследствие этого в пене, не обеспеченной свежим, питанием, происходили процессы разложения, пена чернела и еще до окончания первого слива в чистой культуре уже содержались всякие посторонние микроорганизмы. В нижней зоне чана также не было надлежащей циркуляции жидкости, поэтому там содержание дрожжей было чрезвычайно низким. Чан работал неравномерно. Устройство «беличьего» колеса с наклонными лопастями устраняет все эти недостатки.

 

ДРОЖЖЕРАСТНЛЬНЫЙ ЧАН С ВИБРАЦИОННОЙ
СИСТЕМОЙ ВОЗДУХОРАСПРСДЕЛЕНИЯ (BHИИГС)

В конструкции дрожжерастильного чана, предложенного ВНИИГС, основным элементом, отличающим его от других систем, является наличие в отверстии на выходе воздуха вибрационной пластинки.

От движения вырывающегося под напором воздуха через зазор пластинка вибрирует, производя колебательные движения, дающие эффект наибольшего контактирования воздуха со средой. Таких воздухоподводящих точек в чане емкостью 200–250 м³ устанавливается шесть–восемь, расположенных равномерно по всему чану в виде паука. По этому принципу работает ряд чанов на гидролизных и сульфитно-спиртовых заводах, перерабатывающих послеспиртовую барду с содержанием PB 0,6–0,8%. Наблюдения ВНИИГС подтверждают преимущество этой воздухораспределительной системы. Но так как воздух в этой системе подводится через разные точки по сечению чана, то имеет место усиленное пенение и флотация дрожжей в верхней зоне. Для снижения степени пенения авторы рекомендуют механический пеногаситель, т. е. обычное лопастное колесо типа «беличьего» с вертикальными лопастями. Потребность в электроэнергии в данном случае, по сравнению, с шайбовым воздухораспределением меньше, так как на вращающемся валу расположено только «беличье» колесо.

 

ДРОЖЖЕРАСТИЛЬНЫЙ АППАРАТ
СО ВСТРОЕННЫМ ФЛОТАТОРОМ (ВНИИГИДРОЛИЗ)

В целях упрощения технологической схемы узла выращивания и выделения дрожжей специалистами ВНИИгидролиз (К. П. Андреев, К. Д. Мартыненко, А. В. Резухина, С. А. Сапотницкий) была предложена конструкция дрожжерастильного аппарата со встроенным флотатором (авторское свидетельство № 174587) [21]. По замыслу авторов эта конструкция должна одновременно обеспечивать наращивание биомассы и отделение методом флотации части дрожжевой суспензии с выводом ее за пределы аппарата при помощи флотатора. На рис. 37 схематично изображен дрожжерастильный аппарат со встроенным флотатором. Он представляет собой цилиндрический резервуар с размещенными на его днище воздухоподводящим коллектором 2 и воздухораспределительными вибрационными устройствами 3.

Рис. 37. Дрожжерастильный аппарат
со встроенным флотатором:
1 – корпус; 2 – воздухоподводящий коллектор;
3 – вибрационные устройства; 4 – сборный стакан;
5 – циркуляционный насос; 6 – вытяжной колпак;
7 – отводная труба для пены; 8 – коллектор;
9 – форсунки; 10 – диск; Il – змеевики; 12 – крышка;
13 – цилиндр; 14 – электропривод; 15 – трубопровод;
16 – гидрозатвор

 

Внутри, в центре аппарата, на днище для сбора отработанной бражки устроен сборный стакан 4 и над ним вытяжной колпак 6 с трубой 7 для отвода из аппарата дрожжевой пены. Для подачи питательной среды в верхней части аппарата на стенке подвешивается коллектор 8 с форсунками 9. Предусматривается гашение пены при помощи диска 10 с подачей на него отработанной дрожжевой бражки при помощи циркуляционного насоса 5. Охлаждение суспензии осуществляется при помощи расположенных внутри аппарата змеевиков 11. Отвод отработанной дрожжевой бражки осуществляется при помощи трубы 15 и гидрозатвора 16.

Основным преимуществом этой конструкции является компактность. В данном случае не требуется иметь отдельно стоящий флотатор и связанные с ним трубопроводы.

Данная конструкция требует более строгого соблюдения режима работы. Понижение или повышение уровня, изменение флотационных способностей дрожжевой суспензии повлияют на степень отбора дрожжей и потери их с отработанной бражкой.

 

ДРОЖЖЕРАСТИЛЬНЫЙ ФЕРМЕНТЕР
(АППАРАТ) ФИРМЫ ХЕМАП (ШВЕЙЦАРИЯ)

С целью интенсификации процесса выращивания дрожжей фирма Хемап разработала ферментеры (дрожжерастильные аппараты) с метальными устройствами.

Рекомендуются различные емкости ферментеров – от 20 (лабораторные) до 100 000 л (производственные). Соотношение высоты к диаметру примерно 3:1 или 4:1. Материал – кислотоупорная сталь. Внутри стенки шлифованные и полированные, снаружи – только шлифованные. Аппарат может работать под давлением 2,5–3,5 атм. Для отвода тепла имеется двойная рубашка. Аппарат оснащен вертикальным валом с закрепленными на нем крыльчатками и механическим пеногасителем, приводом, вертикальной трубой (стаканом) с отверстиями для эмульгации и для подсоса, трубой для подачи воздуха и штуцерами различш ного назначения. Привод мешалки работает от расположенного внизу электродвигателя с различным числом оборотов постоянного или переменного тока.

Показанный на рис. 38 аппарат по движению воздуха является многоступенчатым, так как воздух многократно меняет направление, контактируя с перемешиваемой метальными устройствами средой. Этот многоступенчатый аппарат, работающий с большим числом оборотов, сконструирован для максимального массообмена, необходимого для микробиологического процесса с большим потреблением кислорода и для ферментации нерастворимых в воде углеводородов. При этом наблюдается эффективное диспергирование жидкости воздухом.

Рис. 38. Дрожжерастильный аппарат –
ферментер фирмы Хемап:
1 – корпус; 2 – вертикальная труба (стакан);
3 – вертикальный вал с крыльчатками;
4 – труба для подачи воздуха;
5 – механический пеногаситель; 6 – привод

 

На центральной вращающейся вертикальной оси находится несколько двухсторонних, расположенных одно под другим рабочих колес (крыльчаток). Они заключены в многоступенчатую циркуляционную трубу. В верхней части (над эмульгационными колесами) труба имеет относительно мелкие выходные отверстия, а в центре (между колесами) – большие отверстия для подсоса. Путь жидкости показан на рис. 38 стрелками. После всех ступеней эмульгации в аппарате образуется мелкодисперсная смесь жидкости и газа. При числе оборотов 2 500–3000 в минуту размеры частичек в нерастворенной фазе, по данным фирмы, колеблются от 1 до 10 мк в зависимости от размеров эмульгационных отверстий. Крупные пузыри воздуха не проходят снизу вверх. В микробиологическом процессе часто необходимо интенсивное механическое гашение пены, в связи с чем для этих целей в верхней части аппарата на вертикальном валу закреплен специальной конструкции механический пеногаситель.

Для приведения всего многоступенчатого мешального механизма и пеногасителя во вращательное движение с большим числом оборотов (2 500–3 000 об!мин) требуется установка электропривода значительной мощности (например, для аппарата емкостью 15 м³– 150 л. с.).

 

ДРОЖЖЕРАСТНЛЬНЫЙ АППАРАТ
СИСТЕМЫ ЛЕФРАНСУА УВЕЛИЧЕННОЙ ЕМКОСТИ
(ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ)

Увеличивающаяся мощность действующих и вновь проектируемых заводов приводит к необходимости иметь в эксплуатации дрожжерастильные аппараты большой емкости и высокой производительности. Для этого простое моделирование не приемлемо. Требуется введение новых конструктивных элементов. Известно, что одним из' важнейших условий нормальной работы дрожжерастильного аппарата является достаточная циркуляция содержащейся в нем жидкости с одновременным перемешиванием ее для усреднения субстрата по содержанию в нем питательных веществ, концентрации дрожжей, температуре и другим факторам. В аппаратах большого объема (1200 м³ и более) диаметр корпуса достигает 10–12 м. В этих случаях одноточечный подвод воздуха не обеспечит нормальной циркуляции содержащейся в аппарате жидкости.

На рис. 39 показана конструкция дрожжерастильного аппарата увеличенной емкости системы Лефрансуа. В аппарат емкостью более 1000 м³ вставлен второй цилиндр, который со стенкой корпуса образует кольцевой зазор высотой около 1/3 высоты аппарата. Внизу кольцевой зазор, также как и вверху, соединен с аппаратом. Питательная среда вместе с солями подается по трубе вниз кольцевого зазора. Туда же через специальную щель вдувается воздух для аэрации. Образующаяся эмульсия поднимается непосредственно вдоль стенок чана πό кольцевому зазору и через верхний борт поступает во внутренний стакан, проходит вверх, горизонтально и вниз внутри его. Опускаясь вниз, эмульсия частично гасится, а восходящим потоком по кольцевому зазору вновь поднимается вверх. Таким путем осуществляется интенсивная циркуляция. Отбор суспензии осуществляется через нижний штуцер, расположенный в центре днища аппарата. Жидкость в аппарате охлаждается за счет наружного охлаждения стенок аппарата.

Увеличивая подачу воздуха через нижнюю щель, можно повысить скорость циркуляции жидкости. При необходимости продолжительность времени подъема жидкости колеблется в пределах от 15 до 40 сек и более. В целях усиления циркуляции условий массообмена Лефрансуа предлагает установить в верхней части аппаратов большой емкости пропеллерную мешалку, которая должна ускорить движение жидкости сверху вниз. В аппаратах большой емкости следует избегать появления больших волн и особенно не допускать появления постоянного пенного слоя.

Конструкторы и технологи работают над созданием многих других конструкций дрожжерастильных аппаратов большой производительности. Дрожжерастильный чан большой производительности и с усложненной системой воздухораспределения выходит далеко за пределы масштабов прежних чанов этого назначения. Теперь этот чан играет роль высокопроизводительного аппарата.