СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ПОСЛЕДРОЖЖЕВОЙ МЕЛАССНОЙ БРАЖКИ Российский патент 1997 года по МПК C12F3/10 C12N1/16 C12N1/02 

Предполагаемое изобретение относится к дрожжевой промышленности, а именно к способам утилизации последрожжевой мелассной бражки с одновременной ее очистки и получением кормового продукта.

Основным загрязняющим агентом сточных вод дрожжевых заводов является бражка после первой сепарации дрожжей. Наличие в ней недоутилизированных веществ мелассы и продуктов метаболизма сахаромицетов характеризуют бражку не только как отход производства, но и как ценное вторичное сырье.

Большинство дрожжевых заводов до сих пор спускают свои стоки в городскую канализацию. На некоторых заводах имеются локальные очистные сооружения, где применяется в основном биохимический способ очистки в аэротенках. На некоторых дрожжевых заводах бражка в количестве до 30% возвращается в дрожжерастильный аппарат с мелассой или с раствором питательных солей.

Наиболее рациональным является способ очистки и утилизации последрожжевой бражки в процессе получения кормового белка.

Известен способ утилизации мелассной барды спиртового производства, по которому в мелассную барду добавляют необходимое количество минеральных солей (источники азота и фосфора), на ней выращивают кормовые дрожжи С. tropicalis СК-4, отделяют биомассу от питательной среды сепарированием, отработанную культуральную жидкость (или вторичную барду) подвергают биологической очистке активным илом, после чего полученную биомассу активного ила также отделяют от питательной среды и смешивают с биомассой дрожжей с получением при этом белкового кормового продукта, а отдельную жидкую фракцию подвергают дефекации и сатурации, после чего полученную техническую воду очищают фильтрованием через сульфоуголь КУ-2 и обратным осмосом через полупроницаемые мембраны, полученную воду возвращают в производство и используют для рассиропки мелассы (авт. св. СССР N 800186, С 12 F 3/10, 1981).

Недостатком известного способа является довольно сложная и дорогостоящая схема утилизации барды. Схема включает две стадии биологической очистки (на 1-ой стадии с помощь дрожжей C. tropicalis, на 2-ой с помощью микрофлоры активного ила) и многоступенчатую доочистку стока, а именно дефекацию (обработку СаО при перемешивании); сатурацию (обработку углекислым газом); фильтрацию через сульфоуголь КУ-2 либо совместно фильтрацию через барабанный вакуум-фильтр и обратный осмос через полупроницаемые мембраны типа "Владипор" с диаметром пор 20•10^-10μ.
Наиболее близким по сущности и достигаемому техническому результату и предлагаемому способу является способ, разработанный во ВНИИводгео, по которому одновременно с очисткой последрожжевой бражки получают кормовую бактериальную биомассу (Н.М. Семихатова, Т.П. Тарутина. Пути сокращения водопотребления и эффективные методы очистки вод в дрожжевом производстве. Хлебопекарная и кондитерская промышленность, 1985, N 6, 21, прототип).

Сущность известного способа заключается в том, что последрожжевая бражка через смеситель подается насосами в ферментер, который оборудован стационарной воздухораспределительной системой. В ферментере при постоянной аэрации размножаются микроорганизмы p. Pseudomonas. Из ферментера культуральная среда поступает в два конических отстойника. Здесь биомасса в течение 30 мин осаждается на дно, а очищенная бражка через переливные лотки спускается в канализацию. Часть биомассы из отстойников подается в регенератор, где аэрируется воздухом и как засевной материал самотеком поступает в ферментер-зону подачи свежей бражки. Оставшаяся часть биомассы направляется в сборник, где нагревается и выдерживается при определенной температуре, после чего в цистернах отпускается потребителям. Сгущенный концентрат содержит 5 - 6% сухих веществ.

Одновременно с получением кормового белка происходит очистка последрожжевой бражки. По известному способу эффективность очистки последрожжевой бражки составляет 94 96% по БПК₅.

Недостатком известного способа является, во-первых, использование для очистки бражки и получения кормовой биомассы бактерий p. Pseudomonas. Небольшой размер бактериальных клеток осложняет и делает дорогостоящим процесс выделения и сгущения биомассы. Кроме того, бактериальная биомасса не прошла таких длительных и многогранных медико-биологических исследований и испытаний, как кормовые дрожжи, поэтому очень осторожно может пока использоваться как кормовой белковый продукт.

Во-вторых, известный способ не предусматривает возврата очищенной бражки в производство (на стадию выращивания, разведения мелассы, приготовления растворов питательных солей), т.е. не сокращает водопотребления в производстве хлебопекарных дрожжей. Невозможность осуществления возврата очищенной бражки в производство опять же объясняется использованием для очистки и получения кормовой биомассы бактериальных культур, т.к. это может вызвать сильное инфицирование дрожжевого производства.

К недостаткам известного способа относится также то, что эффективность очистки бражки представлена только показателем БПК₅, а не БПК₂₀ или ХПК, которые более полно отражают эффективность очистки не только легкоокисляемых, но и трудноокисляемых соединений.

Предполагаемое изобретение решает следующие научно-технические задачи: повышает эффективность очистки последрожжевой бражки, сокращает водопотребление в дрожжевом производстве, повышает выход кормового продукта и обеспечивает получение продукта в соответствии с требованиями ГОСТа 20083-74.

Данные задачи решаются путем выращивания в условиях аэрации на питательной среде, содержащей последрожжевую мелассную бражку и минеральные соли, ассоциации кормовых дрожжей Сandida scottii ВСБ-592 (ВКПМ-J-199) и Trichosporon cutaneum ВСБ-775 (ВКПМ-J-255) в соотношении от 1:2 до 2:1, отделения биомассы сепарацией, доочистки биоокисленной последрожжевой бражки путем фильтрования через природный цеолит клиноптилолит и возврата очищенного стока на стадию выращивания хлебопекарных дрожжей.

Клиноптилолит является природным цеолитом осадочного происхождения, широко распространен в природе и среди известных природных цеолитов занимает особое место из-за его специфической биологической активности, термо- и кислотостойкости. Как цеолит, клиноптилолит обладает комплексом адсорбционных, ионообменных, молекулярно-ситовых и других свойств, делающих его универсальных сорбентом для разнообразных процессов очистки сточных вод, газовых выбросов.

Зерненный клиноптилолит отвечает требованиям фильтрующей загрузки, рекомендован для промышленного использования вместо кварцевого песка. На основании результатов исследований Минздрав СССР разрешил применение клиноптилолита в технологических процессах очистки питьевой воды. В литературе известно использование клиноптилолитового фильтра для очистки промышленных стоков химико-фармацевтических и нефтехимических заводов, обогатительных фабрик от аммонийного азота, хлорорганических соединений и аминов (Лян П.И. Применение клиноптилолита в процессах биотехнологии и промышленной экологии. Защита окружающей среды, утилизация отходов, очистка сточных вод и выбросов, промышленная санитария и гигиена в медицинской и микробиологической промышленности: Обзор. информ. М. ВНИИСЭНТИ Минмедбиопрома СССР, 1989, вып. 3).

Использование клиноптилолита для доочистки биологически очищенной последрожжевой мелассной бражки, а также послеспиртовой мелассной и последрожжевой гидролизной бражки не известно.

Выращивание ассоциации дрожжей C. scottii ВКПМ-J-199 и Trich. cutaneum ВКПМ-J-225 в соотношении от 1:2 до 2:1 на последрожжевой мелассной бражке с целью ее очистки и получения кормовой белковой биомассы также не известно. Ранее для этих целей использовались бактерии p. Pseudomonas, микрофлора активного ила, другие штаммы дрожжей (в спиртовой и гидролизной промышленности).

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Ассоциацию дрожжей C. scottii ВКПМ-J-199 и Trich. cut. ВКПМ-J-255 выращивают периодически или непрерывно в условиях аэрации на последрожжевой мелассной бражке, имеющей следующий состав: ХПК 9000 15000 мгО₂/л, РВ 0,2 0,6% органические кислоты 1,2 2,2 г/л, аммонийный азот 30 90 мг/л, фосфор - 15 35 мг/л, калий 900 1500 мг/л. В бражку добавляют минеральные источники азота и фосфора в виде жидкого аммонийфосфата (ЖАФ) либо моноаммонийфосфата (МАФ), либо фосфорной кислоты и сульфата аммония до содержания в среде аммонийного азота 100 200 мг/л и фосфора 150 300 мг/л. Расход воздуха составляет 40 60 м³/м³•ч, исходное значение рН среды 4,0 4,5. температура выращивания 30 32^oC. Выделение биомассы осуществляют сепарированием. Очищенную в процессе выращивания дрожжей бражку после отделения биомассы направляют на доочистку путем фильтрации. В качестве фильтрующей загрузки используют природный цеолит клиноптилолит с размером зерен 0,5 2,0 мм, высотой загрузки 1 2 м, скорость фильтрования 6 10 м/ч. После адсорбционной доочистки на клиноптилолите очищенный сток полностью возвращают в производство: до 50% к объему среды на стадию выращивания хлебопекарных дрожжей, остальное количество используют для разведения мелассы и приготовления растворов питательных солей.

Сгущенную биомассу кормовых дрожжей подвергают термообработке и сушке.

Полученная биомасса содержит 52 58% сырого протеина, 36 40% истинного белка, 6 7% золы.

Концентрация биомассы равнялась 2,5 6,0 г/л абсолютно сухого вещества (в зависимости от количества органических веществ в бражке), выход биомассы от РВ составлял 110 130%
Результаты экспериментальных исследований по выбору и обоснованию верхнего и нижнего пределов весового соотношения дрожжей C. scottii ВКПМ-J-199 и Trichosporon cutaneum ВКПМ-J-255 в ассоциации на технологические показатели процесса (концентрация биомассы, выход от РВ, эффективность очистки бражки по ХПК) приведены в таблице 1.

Из представленных в таблице 1 данных следует, что выращивание ассоциации дрожжей C. scottii ВСБ-592 и Trich. cutameum ВСБ-775 в весовом соотношении от 2: 1 до 1:2 наиболее эффективно по сравнению с раздельным выращиванием этих же культур. Так, технологические показатели по накоплению биомассы и эффективности очистки бражки по ХПК при раздельном выращивании C. scottii ВСБ-592 и Trichosporon cutaneum ВСБ-775 составляли соответственно 3,0 4,5 г/л АСВ и 50 65% а при выращивании ассоциации этих же культур в соотношении 2: 1 1:2 технологические показатели повысились соответственно до 4,0 6,5 г/л АСВ и 65 85% Наилучшие показатели получены при соотношении C. scottii ВСБ-592: Trich. cutaneum ВСБ-775 1:1. Соотношение дрожжей C. scottii и Trich. cutan. выше и ниже указанных пределов (2:1 1:2) нецелесообразно, т.к. технологические показатели близки к контролю.

Очищенная в процессе выращивания монокультур дрожжей C. scottii ВСБ-592 и Trich. cutaneum ВСБ-775 и их ассоциации последрожжевая бражка подвергалась в соотношении 1: 1 адсорбционной доочистке на фильтре с клиноптилолитовой загрузкой. Результаты адсорбционной доочистки биоокисленных бражек и суммарных эффективностей очистки последрожжевой бражки (биологической и адсорбционной) приведены в таблице 2.

Из данных таблицы 2 следует, что адсорбционная доочистка позволяет снизить количество загрязнений по ХПК еще на 20 65% в зависимости от химического состава биологически очищенных последрожжевых бражек. В итоге суммарная эффективность биологической и адсорбционной очистки была максимальной (90 95%) в случае использования ассоциации дрожжевых культур для биологической очистки последрожжевой бражки. При использовании монокультуры C. scottii ВСБ-592 суммарная эффективность очистки составляла 70 80% а при использовании монокультуры Trichos. cutaneum ВСБ-775 75 85%
В таблице 3 приведены результаты по выращиванию хлебопекарных дрожжей Sacchar. cerevisiae ЛК-14 на мелассе с возвратом очищенной бражки в количестве до 50% взамен свежей воды.

Из приведенных данных следует, что возврат очищенной бражки на стадию выращивания хлебопекарных дрожжей в количестве до 50% не влияет на технологические показатели процесса и качество биомассы по сравнению с контролем, т. е. выращиванием дрожжей на воде. Увеличение возврата очищенной бражки до 60% нецелесообразно, т.к. отмечено снижение выхода биомассы, снижение содержания белка и повышение содержания золы в биомассе.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления предлагаемого способа, иллюстрируются, но не ограничиваются нижеприведенными примерами.

Пример 1.

Ассоциацию дрожжей Candida scottii ВСБ-592 (ВКПМ-J-199) и Trichosporon cutaneum ВСБ-775 (ВКПМ-J-225) в соотношении 1:1 выращивали на последрожжевой мелассной бражке следующего состава: ХПК 15620 мгО₂/л, РВ 0,5% органические кислоты 2,2 г/л, аммонийный азот 37 мг/л, фосфор 11 мг/л, калий 1500 мг/л. В среду вносили 0,07 об. ЖАФ (жидкий аммонийфосфат) для повышения содержания аммонийного азота до 150 мг/л и фосфора до 300 мг/л. Выращивание осуществляли в колбах на качалке при исходном значении рН среды 4,5, температуре 30^oС, оборотах качалки n 200 об/мин, в течение 48 часов.

При этом концентрация биомассы равнялась 6,5 г/л АСВ, эффективность биологической очистки последрожжевой бражки по снижению показателя ХПК составляла 85% Полученная биомасса кормовых дрожжей по всем показателям соответствовала требованиям ГОСТ 20083-74.

Бражку после выращивания ассоциации дрожжей и отделения биомассы подвергали адсорбционной доочистке на фильтре с загрузкой из клиноптилолита. При высоте загрузки 1 м, скорости фильтрования 7 м/ч эффективность доочистки составляла 30% по ХПК.

В итоге суммарная эффективность очистки последрожжевой бражки (биологической и адсорбционной) составляла 95% по ХПК.

Очищенную бражку использовали на стадии выращивания хлебопекарных дрожжей Saccharomyces cerevisiae ЛК-14 на мелассе взамен свежей воды в количестве 50% от объема питательной среды. Выход биомассы от РВ при этом составлял 80% биомасса содержала 57% сырого протеина и 8,7% золы. В контроле, т.е. при выращивании сахаромицетов на воде (без возврата очищенной бражки) выход биомассы составлял 78% биомасса содержала 5% сырого протеина и 8,0% золы.

Пример 2.

Ассоциацию дрожжей C. scottii ВСБ-592 и Trich. cutaneum ВСБ-775 выращивали при тех же условиях, что и в примере 1. Только соотношение дрожжевых культур в ассоциации составляло 2:1 и выращивание осуществляли на последрожжевой мелассной бражке следующего состава: ХПК 9500 мгО₂/л, РВ 0,25% органические кислоты 1,8 г/л, азот аммонийный 31 мг/л, фосфор 7 мг/л. В среду добавляли 0,05 об. ЖАФ (жидкого аммонийфосфата) до содержания аммонийного азота 130 мг/л и фосфора 180 мг/л.

При этом концентрация биомассы равнялась 4 г/л АСВ, эффективность очистки бражки составляла 65% по ХПК. Полученная биомасса кормовых дрожжей по всем показателям соответствовала требованиям ГОСТ 20083-74.

Бражку после выращивания ассоциации дрожжей и отделения биомассы подвергали адсорбционной доочистке на фильтре с загрузкой из клиноптилолита. Параметры работы фильтра те же, что и в примере 1. При этом эффективность доочистки составляла 60%
В итоге суммарная эффективность очистки последрожжевой бражки (биологической и адсорбционной) составляла 80%
Очищенную бражку рециркулировали на стадию выращивания хлебопекарных дрожжей в количестве 10% к объему среды взамен свежей воды. Выход биомассы от РВ при этом составлял 79% биомасса содержала 58% сырого протеина и 7,8% золы. В контроле, т.е. при выращивании сахаромицетов на воде (без возврата очищенной бражки) выход биомассы составлял 78% биомасса содержала 57% сырого протеина и 7,3% золы.

Пример 3 (контроль 1).

Дрожжи С. scottii ВСБ-592 выращивали при тех же условиях, что и в примере 1. При этом концентрация биомассы равнялась 4,0 г/л, эффективность очистки бражки по ХПК составляла 60%
Бражку после выращивания монокультуры C. scottii ВСБ-592 подвергали адсорбционной доочистке на фильтре с клиноптилолитом. При этом эффективность доочистки составляла 20% по ХПК.

В итоге суммарная эффективность очистки последрожжевой бражки равнялась 70%
Пример 4 (контроль 2).

Дрожжи Trich. cutaneum ВСБ-775 выращивали при тех же условиях, что и в примере 2.

При этом концентрация биомассы равнялась 3,5 г/л, эффективность очистки бражки по ХПК составляла 55%
Бражку после выращивания монокультуры Trich. cutaneum подвергали доочистке на фильтре с клиноптилолитом. При этом эффективность доочистки равнялась 25%
В итоге суммарная эффективность очистки последрожжевой бражки составляла 75%
Таким образом, использование предлагаемого способа очистки и утилизации последрожжевой бражки с получением кормового продукта позволяет повысить эффективность очистки бражки по ХПК с 70 80% до 80 95% т.е. на 10 15% по сравнению с контролем, а также повысить выход биомассы с 3,0 4,5 г/л АСВ до 4,5 6,5 г/л АСВ, т.е. на 30 40% по сравнению с контролем. Качество получаемой биомассы кормовых дрожжей по всем показателям соответствует требованиям ГОСТа 20083-74.

Кроме того, предлагаемый способ позволяет сократить расход свежей воды в производстве хлебопекарных дрожжей на 50% за счет утилизации последрожжевой бражки путем возврата очищенной последрожжевой бражки на стадию выращивания сахаромицетов или использования ее для разбавления мелассы и приготовления растворов питательных солей.

Использование: в дрожжевой промышленности. Сущность изобретения: в последрожжевую мелассную бражку вносят минеральные соли, выращивают в условиях аэрации ассоциацию дрожжевых культур Candida scottii ВКПМ-J-199 и Trichosporon cutaneum ВКПМ-J-225 в весовом соотношении (2:1)-(1:2), отделяют биомассу от питательной среды, проводят очистку вторичной барды путем адсорбционной фильтрации через клиноптилолит и смешивают ее с мелассой в количестве до 50% к объему среды при производстве Saccharomyces cerevisiae. 3 табл.

Способ утилизации последрожжевой мелассной бражки, предусматривающий внесение в нее минеральных солей, выращивание кормовых дрожжей в условиях аэрации, отделение биомассы от питательной среды, очистку вторичной барды с последующим смешиванием ее с мелассой и использованием в производстве других видов дрожжей, отличающийся тем, что из кормовых дрожжей используют ассоциацию дрожжевых культур Candida Scottii ВКПМ-Y-199 и Trichosporon cutaneum ВКПМ-J-225 в массовом соотношении 2:1 1:2, очистку вторичной барды ведут путем адсорбционной фильтрации через клиноптилолит, а смешивание с мелассой ведут в количестве до 50% к объему среды при производстве Saccharomyces cerevisiae.