Для создания материально-технической базы коммунизма огромное значение имеет резкое увеличение производства продуктов животноводства. Для этого необходимо иметь надежную кормовую базу. Решение этой задачи осуществляется многими путями. Однако ни один из них не может удовлетворить животноводство или птицеводство, если корма не содержат в достаточном количестве белки и витамины. Даже такие ценные корма, как кукуруза и сахарная свекла, дающие максимальное количество кормовых единиц с гектара земли, богатые углеводами, но не содержащие достаточного количества азотистых веществ, эффективно могут быть использованы только при добавлении полноценного белка, витаминов и минеральных веществ.
В 1 кг ржаной озимой соломы содержится всего 4 г перевариваемого белка, в кормовой свекле – 3 г, в овсяной мякине – 21 г, в луговом очень хорошем сене–50 г, в силосе кукурузном – 6 г, в зернах овса – 77 г перевариваемого белка.
Потребность же в перевариваемом белке составляет: для коровы недойной – 500–800 г в сутки, коровы дойной до 1500 г, молодой свиноматки до 500 г.
Во всех странах мира отмечается большой дефицит кормового белка, что имеет место и в нашей стране. Этот дефицит покрывается путем увеличения производства растительного протеина, содержащегося в сельскохозяйственных кормовых культурах: зерне, люцерне, сене и др.; увеличения выпуска рыбной и мясной муки, сухих молочных продуктов и обрата; применения для жвачных животных карбамида (мочевины) и более простых аммонийных соединений как частичных заменителей протеина. В последние годы в рационах кормления животных и птиц все большее значение приобретают кормовые дрожжи, полученные на гидролизных и целлюлозных предприятиях при использовании для этой цели углеводов, содержащихся в гидролизатах и сульфитных щелоках. Эти кормовые дрожжи являются биологически полноценным кормом, источником белка, витаминов и минеральных веществ. Гидролизные и сульфитные дрожжи содержат (%): 48–52 белка, 13–16 углевода, 2–3 жира, 22–40 безазотистых экстрактивных веществ и 6–10 золы. Кормовые дрожжи повышают биологическую ценность белков других кормов за счет содержащихся в них незаменимых аминокислот.
Кормовые дрожжи содержат все десять
жизненно необходимых
аминокислот в следующих количествах
(в % от сухого вещества дрожжей):
Валин – 3,1
Треонин – 2,5
Лейцин – 3,7
Метионин – 3,0
Изолейцин – 3,5
Триптофан – 0,3
Аргинин – 3,2
Тирозин – 4,2
Лизин – 4,4
Гистиди – 1,4
По содержанию аминокислот кормовые дрожжи близки к белкам животного происхождения.
Для повышения эффективности использования основных растительных белковых ресурсов очень важно вводить кормовые дрожжи в рационы кормления животных. Кормовые дрожжи содержат витамины группы Вив этом отношении превосходят все белковые корма, в том числе и рыбную муку.
По данным П. Н. Фишера, в 1 кг сухого вещества
биомассы дрожжей содержится витаминов (мг):
тиамина (B1) – 15–18
рибофлавина (В2) – 54–68
пантотеновой кислоты (В3) – 130–160
холина (B4) – 2600,0
никотиновой кислоты (В5–PP) – 500–600
пиридоксина (B6) – 19–30
биотина (B7H) – 1,6–3,0
инозита (B8) – 5000
фолиевой кислоты (B9, В10, В11, BcM) 3,4
кабаламина (B12) – 0,08
Естественное сочетание в дрожжах полноценных белков и иитлмииои группы В оказывается очень важным в питании животных и птиц. Витамины группы В тесно связаны с белковым обменом в организме животных и являются компонентами ферментных систем, активными катализаторами, необходимыми для усвоения аминокислот и синтеза белка.
Кормовые дрожжи являются богатым источником витамина Д2. Содержащийся в жировом составе дрожжей эргостерин (0,25–0,7% от абс. сухого веса биомассы дрожжей) прр облучении ультрафиолетовыми лучами превращается в витамин Д2. В 1 кг облученных кормовых дрожжей можно довести содержание витамина Д2 до 5000–12 000 интернациональных единиц. В золе кормовых дрожжей содержатся также ценные для животных и птиц макрои микроэлементы: фосфор, калий, кальций, железо, магний, натрий, сера, медь, марганец, кобальт идругие вещества. По общей питательности 1 кг кормовых дрожжей содержит до 1,03–1,16 кормовых единиц и особенно много перевариваемого (истинного) белка (до 380–480 г.).
Скармливание животным и птицам кормовых дрожжей в натуральном виде не рекомендуется, их можно употреблять лишь как белково-витаминную добавку в рационе питания.
Проведено значительное количество исследований по скармливанию дрожжей различным видам животных и птиц. Высокая эффективность использования кормовых дрожжей доказана многими сельскохозяйственными научными организациями в СССР и за рубежом, а также многолетней практикой.
Большое количество опытов, проведенных при откорме свиней, показало, что введение в их корм дрожжей в количестве 8–10% от сухого веса общего корма повышает привес животных на 15–20% и снижает затраты общих кормов на единицу привеса более чем на 10%. Опыты показали большую ценность кормовых дрожжей для племенных свиноматок: дрожжи улучшали их общее состояние, повышали молочность, снижали смертность поросят.
Кормовые дрожжи можно успешно скармливать телятам, коровам, быкам. Дрожжи могут заменить 20–30% нормы цельного молока при вскармливании телят и обеспечить при этом ежедневные привесы 650–750 г. При выращивании телят 1 кг дрожжей заменяет 4–6 кг молока и позволяет получить дополнительно до 320 г телятины.
При скармливании молочному скоту кормовые дрожжи повышают удои и процент жира в молоке: удои увеличиваются на 3–3,5 л в сутки, содержание жира на 0,4–0,6%.
Кормовые дрожжи являются ценным кормом для пушных зверей, заменяя на 30% мясной корм. Систематическое скармливание дрожжей на зверофермах привело к повышению сопротивляемости животных заболеваниям и значительному улучшению качества меха.
Дрожжи повышают рысистость и выносливость лошадей, снижают их утомляемость.
Использование кормовых дрожжей в птицеводстве особенно эффективно. Птица очень нуждается в белковом корме, содержащем комплекс витаминов В. Особенно необходимы дрожжи при клеточном содержании птиц, а также при выращивании цыплят. Добавление кормовых дрожжей в рацион в количестве 5% от общего веса корма увеличивает яйценоскость кур-несушек на 21–40% (в зависимости от породы кур). Добавление в рацион 10% кормовых дрожжей увеличивает яйценоскость на 26–51%. Килограмм дрожжей, скормленный курам, дает возможность получить дополнительно 30–40 яиц и более.
Установлено, что на Томилинской птицефабрике (Московская обл.), использующей кормовые дрожжи с 1952 г., яйценоскость кур увеличилась со 140 в год до 203 шт. Кроме того, 1 кгкормовых дрожжей позволяет получить дополнительно 2,2– 2,9 кг куриного мяса.
Кормовые дрожжи успешно используются при разведении цепной рыбы и в пчеловодстве для подкормки пчел ранней весной.
Комбикормовая промышленность предъявляет большой спрос на кормовые дрожжи. В рецептуре комбикормов для различных видов сельскохозяйственных животных кормовые дрожжи составляют 3–5%, в белковых концентратах для свиней 15–20%.
По данным Всесоюзного института животноводства,
для различных животных и птиц рекомендуются следующие количества
дрожжей в качестве добавки к основному корму на голову в сутки (г):
Крупный рогатый скот (быки, коровы) – 500
Молодняк крупного рогатого скота – 300
Телята – 200
Свиноматки – 250
Подсвинки племенные – 200
Подсвинки на откорме – 150
Овцы и козы – 50
Лошади рабочие, кобылы подсосные – 500
Жеребята – 300
Пушные звери – 8
Птица взрослая – 5
Цыплята – 2
Существует установившаяся практикой средняя норма использования дрожжей: 1 г сухих дрожжей в сутки на 1 кг живого веса животного.
Следовательно, кормовые дрожжи с успехом используются во всех отраслях животноводства и птицеводства. Потребность в кормовых дрожжах увеличивается из года в год. Получение гидролизных и сульфитных кормовых дрожжей является одним из направлений крупного промышленного производства кормового белка и витаминов.
Производство кормовых дрожжей является сравнительно молодой отраслью народного хозяйства.
Научные работы по облагораживанию сельскохозяйственных растительных отходов с целью получения из них концентрированных углеводных и белковых кормов были начаты у нас в стране в период первой пятилетки.
В 1933 г. было начато проектирование Верхнеднепровского опытного завода кормовых продуктов для животных, который был пущен в эксплуатацию в сентябре 1935 г. В качестве сырья использовались солома и кукурузная кочерыжка. Этот завод должен был из гидролизатов вырабатывать кристаллическую ксилозу, ксилозный оттек, ксилозную патоку, глюкозную патоку и технический клей. Одновременно велись работы по получению из гидролизного сахара белковых кормовых дрожжей.
В 1936 г. на Верхнеднепровском опытном заводе вступил в строй цех по производству кормовых дрожжей из пентозных соломенных гидролизатов. Сдхарсодержащие растворы, полученные путем мягкого кислотного гидролиза, после нейтрализации, очистки и охлаждения направлялись сначала в бродильное отделение для сбраживания гексозного сахара, а затем, после выделения этилового спирта, барда направлялась на выращивание кормовых дрожжей. Это был первый производственный опыт комплексной переработки растительных материалов на спирт и белковые кормовые дрожжи.
Результаты работы установки на Верхнеднепровском опытном заводе позволили приступить к разработке проектов промышленных цехов, использующих послеспиртовую барду гидролизных заводов для получения белковых кормовых дрожжей.
В 1939 г. ВНИИГС провел опыты по выращиванию белковых дрожжей на сульфитно-спиртовой барде Краснокамского завода. Положительные результаты этой работы также были использованы при проектировании и строительстве дрожжевых цехов. Два первых промышленных цеха были пущены в эксплуатацию в 1943 г. на Хорском гидролизном и Соликамском сульфитно-спиртовом заводах. Техническая оснащенность первых дрожжевых цехов была невысокой. Многие процессы были периодическими, в том числе и основной – выращивание дрожжей.
В первые годы развития дрожжевого производства основным сахарсодержащим сырьем была послеспиртовая барда, так как гексозный сахар, содержащийся в гидролизатах и сульфитных щелоках, использовался на производство этилового спирта.
Получение дрожжей являлось до некоторой степени производством, основанным на более глубоком использовании органических веществ в гидролизатах и в сульфитных щелоках, получаемых на гидролизных и целлюлозных заводах. Понятно, что й экономика этих дрожжевых цехов, особенно на гидролизных заводах, в первые годы стояла на невысоком уровне. Тем не менее эффективность, которую давали дрожжи в животноводстве и птицеводстве, была очень высокой и с успехом окупающей все затраты на их производство. С ростом мощности производства и совершенствованием технологии себестоимость дрожжей на гидролизных и особенно на сульфитно-спиртовых заводах значительно снизилась и в отдельных случаях составляет 50–60% от товарной цены.
До недавнего времени в качестве основного сырья для получения дрожжей в гидролизной промышленности была послеспиртовая барда гидролизных и сульфитно-спиртовых заводов целлюлозных предприятий. Но этих источников недостаточно для развития производства кормовых дрожжей. Потребность народного хозяйства в кормовых дрожжах может быть удовлеткорена лишь при условии создания многотоннажной гидролизно-дрожжевой промышленности.
Гидролизная промышленность в нашей стране существует немногим более 30 лет. Основным направлением ее было производство этилового спирта методом гидролиза непищевого растительного сырья: древесины, различных видов сельскохозяйственных отходов (кукурузная кочерыжка, подсолнечная лузга, хлопковая шелуха, солома, гуза-пая, камыш) и других растительных материалов.
В состав растения входят органические соединения, в том числе целлюлоза и гемицеллюлоза (полисахариды), образующиеся в результате сложных биохимических превращений из простейших углеводов (сахарозы). Если проводить реакцию присоединения молекулы воды в соответствующих условиях, можно получить обратную реакцию, в результате чего образуются моносахара, из которых были построены полисахариды (целлюлоза и гемицеллюлоза). Эта реакция, называемая гидролизом, осуществляется в промышленном масштабе на гидролизных заводах для получения сахарсодержащего раствора.
Гидролиз целлюлозы с образованием глюкозы осуществляется по уравнению
(C6H40O5)n + nН2O → nC6H12O6.
Целлюлоза Вода Глюкоза
При нормальной температуре и в чистой воде реакции гидролиза полисахаридов по существу не происходит. Гидролиз целлюлозы и гемицеллюлоз в целях ускорения реакции проводится в присутствии катализатора (минеральные кислоты – серная, соляная и др.), а также при повышенной температуре. Таким образом, в результате гидролиза полисахаридов можнополучить гидролизный сахар в виде раствора (гидролизат). Содержащийся в гидролизате сахар состоит из гексозного (глюкоза, манноза и галактоза) и пентозного (ксилоза и арабиноза). Гексрзный сахар, при биохимической его, переработке может быть использован на получение этилового спирта, а пентозный сахар, не применяемый для получения спирта методом брожения, может быть употреблен для получения кормовых дрожжей? По такой комплексной схеме использования сырья работают многие действующие гидролизные заводы.
Ниже приведена схема 1 основных производственных процессов получения этилового спирта и кормовых дрожжей при гидролизе растительного сырья. По этой схеме растительное сырье подвергается гидролизу разбавленной до 0,5–0,6% серной кислотой в гидролизаппаратах при температуре 175–190°. Образующийся попутно при этом фурфурол выводится в виде фурфуролсодержащего конденсата, а часть его остается в гидролизате. Оставшийся после гидролиза лигнин удаляется из аппарата. Полученный гидролизат с содержанием сахара до 3–3,5% в дальнейшем подвергается инверсии и нейтрализации нмпсстковым молоком или аммиачной водой. Полученный в результате известковой нейтрализации гипс вместе со всем шламом удаляется из раствора методом осаждения в отстойниках или сепарированием в вихревых очистителях (циклонах). После очистки от механических примесей нейтрализованный гидролизат охлаждается до 31–32°, после чего подается на спиртовое брожение в бродильное отделение гидролизного завода. При брожении, кроме спирта, образуется углекислота, которая выводится из бродильного отделения. Полученная в результате сбраживания гексозного сахара на спирт бражка направляется на перегонку и ректификацию, где происходит выделение спирта из бражки и его укрепление до 95–96°, а также отделение различных фракций (метанол, альдегиды и др.). Бражка, лишенная спирта (послеспиртовая барда), в основном содержит пентозный сахар (0,7–0,8% PB – редуцирующих веществ) и после охлаждения направляется на выращивание кормовых дрожжей. Для этого в дрожжерастильный чан подают засевные дрожжи чистой культуры, питательные соли, содержащие азот, фосфор, калий и другие необходимые для роста дрожжей элементы, а также воздух для обеспечения кислородом процесса образования биомассы дрожжей и осуществления дыхания дрожжевых клеток.
Схема 1
Выращенные дрожжи отбираются из чана в виде дрожжевой готовой бражки, которая в дальнейшем проходит стадии флотации и сепарирования для извлечения дрожжей из бражки, промывания и концентрирования. В дальнейшем дрожжевой концентрат упаривают до содержания 22–25% сухого вещества и сушат до влажности 8–10%. Полученные дрожжи упаковываются в бумажные мешки и отправляются на склад, а затем потребителю. При образовании моносахаров в процессе гидролиза растительных материалов образуется ряд других побочных веществ: фурфурол, оксиметилфурфурол, метиловый спирт, смолы, органические кислоты и другие вещества. Многие из них не имеют промышленного значения и являются даже вредными в процессе биохимической переработки гексозного и пентозного сахара на спирт и дрожжи.
Из некоторых веществ (лигнин, фурфурол, шлам, углекислота), образующихся в процессе гидролиза, получают ценные продукты для народного хозяйства.
Кормовые дрожжи могут быть получены также из гексозного сахара. В этом случае без получения этилового спирта все гексозные и пентозные сахара, содержащиеся в гидролизатах, утилизируются на кормовые дрожжи. По схеме 2 в настоящее время развивается в больших масштабах гидролизно-дрожжевая промышленность.
Схема 2
По этой схеме растительное сырье подвергается гидролизу почти в таких же условиях (концентрация раствора кислоты, температура), как по схеме 1. Последующие операции (инверсия, нейтрализация, очистка и чохлаждение) также подобны STHM операциям в схеме 1, за исключением специфических вспомогательных операций при подготовке сусла (подача большего количества питательных солей, большая степень удаления фурфурола, более глубокое охлаждение, разбавление сусла водой и отработанной бражкой). Дрожжи выращиваются при более высоких концентрациях сахара в сусле. Требуется подача аммиачной воды как источника азота для микробиологического синтеза белка и для поддержания рН среды. Флотация, сепарирование, упаривание и сушка дрожжей аналогичны этим операциям η схеме 1.
По обеим схемам использования растительного сырья на гидролизных предприятиях из 1 т абс. сухой хвойной древесины можно получить следующие количества товарной продукции (табл. 1).
Таблица 1
Сульфитный щелок, который раньше считался вредным отходом целлюлозных заводов, в настоящее время все больше используется для получения спирта и дрожжей. Сульфитный щелок является сахарсодержащим раствором, получаемым во время сульфитной варки целлюлозы. По существу, варка целлюлозы является также процессом гидролиза, но в других условиях: при температуре 130–140° и в водном растворе сернистого газа, содержащего какое-либо основание (кальциевое, магниевое, натриевое, аммониевое). При варке целлюлозы растворяются лигнин, гемицеллюлозы, смолы, жиры, минеральные соли. Остается целлюлоза, как продукт производства. Щелок содержит моносахара, полученные вследствие гидролиза гемицеллюлоз. В этом случае моносахара также состоят из гексозного и пентозного сахара и могут быть использованы на получение этилового спирта и кормовых дрожжей или только кормовых дрожжей. В схеме 3 показаны основные производственные операции при получении этилового спирта и кормовых дрожжей из сульфитного щелока.
Схема 3
По этой схеме древесина подвергается химической обработке (гидролизу) варочной кислотой с содержанием сернистого ангидрида до 6–8%, приготовленной на каком-либо основании. Процесс ведется при температуре 130–140° в специальных варочных котлах. После окончания варки все содержимое варочного котла выгружается в сцежи, из которых сульфитный щелок через узел отбора откачивается в емкость. Целлюлоза после отделения щелока и промывки идет на последующую обработку, а сульфитный щелок проходит стадию очистки (фильтрации) от целлюлозы, если она увлекается в недопустимо больших количествах со щелоком, а также отдувку паром от содержащегося в повышенных количествах сернистого ангидрида на специальных колоннах насадочного и тарельчатого типа. Эти операции, как правило, осуществляются непосредственно на целлюлозном заводе. Подготовленный таким образом сульфитный щелок поступает на сульфитно-спиртовой завод, где щелок нейтрализуют известковым молоком или аммиачной водой, а затем очищают нейтрализат от образовавшегося шлама. После очистки нейтрализованный и очищенный сульфитный щелок с содержанием сахара до 2,5–3,0%, пройдя предварительно охлаждение, поступает в бродильное отделение на спиртовое брожение. Выделяющаяся при этом углекислота отводится в атмосферу или используется с получением жидкой сварочной, твердой технической или пищевой углекислоты. Бражка, полученная в результате сбраживания гексозного сахара на спирт, направляется на перегонку и ректификацию, где осуществляется выделение спирта из бражки и его укрепление до 95–96°, а также отделение различных фракций, главным образом метанола. Обесспиртованная бражка (барда), содержащая в основном пентозный сахар (0,7–0,8% PB), после охлаждения поступает на выращивание дрожжей. Выращивание дрожжей и все последующие операции по схеме 3 весьма близки операциям по переработке барды на кормовые дрожжи гидролизного производства, за исключением промывки дрожжей, что будет подробно изложено в специальных разделах.
Кормовые дрожжи могут быть получены также из гексозной части сульфитного щелока без получения этилового спирта (схема 4). В этом случае все сахара – гексозные и пентозные – утилизируются на дрожжи. Дрожжевые цехи целого ряда целлюлозных заводов (Таллинский, Клайпедский, Кондровский, Ингурский и др.) работают по этой схеме. Все операции по подготовке щелока на целлюлозном заводе: отбор целлюлозы и сульфитного щелока, очистка щелока от волокон целлюлозы, ii также отдувка его от сернистого ангидрида выполняются так же, как в схеме 3. Последующие процессы резко отличаются от процессов схемы 3. Отпадает нейтрализация сульфитного щелока известковым молоком и очистка его от шлама. Отдутый от сернистого ангидрида сульфитный щелок охлаждается и поступает непосредственно в дрожжерастительные чаны на выращивание. При выращивании, кроме необходимых засевных дрожжей, питательных солей (азота, фосфора, калия) и воздуха, в чан для поддержания рН подается аммиачная вода. Учитывая, что щелок имеет повышенную кислотность, аммиачную воду подают в чан, нейтрализуя кислый щелок до определенного рН. Для поддержания определенной концентрации PB сусло разбавляют водой и отработанной бражкой.
Схема 4
Флотация, сепарирование, упаривание дрожжевого концентрпта и сушка осуществляются аналогично соответствующим процессам описанных выше схем, за исключением промывки дрожжей.
По обеим схемам использования сульфитного щелока при переработке 1 т абс. сухой хвойной древесины можно получить следующие количества товарной продукции (табл. 2).
Таблица 2
Кроме сульфитного щелока, для получения кормовых дрожжей целлюлозная промышленность располагает еще одним видом сахарсодержащего сырья – предгидролизатами сульфатноцеллюлозного производства. Для получения кормовых дрожжей предгидролизат необходимо предварительно подготавливать. Он содержит главным образом пентозный сахар и полисахариды, которые перед использованием нужно подвергнуть инверсии-реакции гидролиза полисахаридов в водном растворе минеральной кислоты при соответствующей температуре с образованием при этом моносахаридов, на которых можно выращивать кормовые дрожжи так, как описано в предыдущих схемах. Использование предгидролизатов сульфатно-целлюлозной промышленности в производстве кормовых дрожжей впервые в мире организовано на Братском ЛПК. Кроме того, получать белкововитаминные дрожжи можно из углеводородов нефти или из синтетических n-алканов природного газа.
Производство кормовых дрожжей в зарубежных странах находится на рйзном уровне. Наибольших успехов в этой отрасли промышленности добились ГДР, Франция, США и некоторые другие страны. Во Франции большой вклад в совершенствование технологии получения дрожжей внесла фирма «Сорис». Часть проектных и конструкторских работ эта фирма выполнила для Советского Союза. Некоторые из этих решений будут изложены в соответствующих главах данной книги.
В Советском Союзе большое строительство специальных гидролизно-дрожжевых заводов, а также отдельных дрожжевых цехов и заводов в составе целлюлозных предприятий стало возможно благодаря имеющимся научным и производственным достижениям в этой области.
За период развития дрожжевой промышленности в научных и проектных организациях, а также на предприятиях вырос целый ряд квалифицированных специалистов, внесших большой вклад в развитие производства кормовых дрожжей. Это дало возможность дрожжевой промышленности СССР выйти на первое место в мире как по масштабам производства, так и по технике и технологии получения кормовых белковых дрожжей.
