СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ СТЕРИЛЬНОГО СУСЛА ПРИ КУЛЬТИВИРОВАНИИ МИКРООРГАНИЗМОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК C12N1/00 C12M1/00 

Изобретение относится к области микробиологии, биотехнологии и может быть использовано при культивировании микроорганизмов в пищевой промышленности, например, дрожжей для спиртового брожения, продуцентов ферментов, антибиотиков.

При непрерывном культивировании микроорганизмов, в частности микроскопического гриба Asp.awamori, в ферментер необходимо непрерывно вводить стерильное охлаждение сусло.

Известны способы и устройства выращивания микроорганизмов [1], предусматривающие непрерывный проток питательной среды через батарею ферментеров, приток свежей среды в головной ферментер, отделение от культуральной среды фракции с пониженной микробной популяцией и концентрирование биомассы головного ферментера.

Недостатком такого способа и устройства является необходимость многоступенчатой обработки культуральной жидкости с разделением на две фракции, что приводит к инфицированию среды.

Известны установки для непрерывного культивирования микроорганизмов глубинным способом [2], состоящие из последовательно соединенных в батарею ферментаторов с мешалками и снабженные системой трубопроводов для перепуска культивируемой массы из каждого предыдущего ферментатора в последующий, в нижней части каждого ферментатора имеются патрубки с форсунками для подвода стерильного воздуха, аэрирующего массу, которая самотеком перемещается по батарее. Ферментаторы снабжены дозирующим приспособлением (арматурой) для разделения потока питательной среды в заданном соотношении, а каждый ферментатор - фильтром для стерилизации вводимого в него воздуха.

Недостатком известной установки является невозможность работы длительное время в непрерывном режиме из-за инфицирования и необходимость периодической остановки технологического процесса приготовления питательной среды (сусла) и культивирования микроорганизма для стерилизации аппаратов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является известный способ приготовления стерильного сусла при культивировании микроорганизмов [3], включающий приготовление замеса, разваривание замеса, охлаждение разваренной массы, осахаривание и получение осахаренного сусла, стерилизацию полученного сусла с последующей подачей его в ферментатор.

Недостатком такого способа является невозможность обеспечения непрерывности технологического процесса в течение длительного времени из-за инфицирования системы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является установка для приготовления сусла [4], содержащая смеситель-предразварник, насос, подогреватель замеса, контактную головку, связанную через паропровод с системой генерации острого пара, варочные колонны, стерилизатор, паросепаратор, вакуум-испарительную камеру, связанную с вакуумным насосом, сборники-дозаторы, трубопроводы и вентили.

Недостатками такого устройства являются сложность, обусловленная большим количеством оборудования.

В предлагаемом способе и устройстве достигается новый технический результат, заключающийся в устранении указанных выше недостатков известного способа и известного устройства.

Это достигается в способе приготовления стерильного сусла при культивировании микроорганизмов, включающем приготовление замеса, разваривание замеса, охлаждение разваренной массы, осахаривание и получение осахаренного сусла, стерилизацию полученного сусла с последующей подачей его в ферментатор тем, что до подачи в ферментатор сусло охлаждают в вакуум-испарительной камере путем снижения давления в ней, после чего производят набор приготовленного сусла в два буферных герметичных сборника-дозатора, из которых поочередно подают сусло в ферментатор, причем заполнение суслом каждого сборника-дозатора осуществляют при выравнивании давления в вакуум-испарительной камере и соответствующем сборнике-дозаторе, а в момент заполнения суслом одного из сборников-дозаторов в него подают стерильный воздух под давлением не менее 0,4 ати и осуществляют подачу из него сусла на ферментатор, до полного освобождения сборника-дозатора, после чего подачу сусла на ферментатор производят из другого заполненного буферного сборника-дозатора и обеспечивают непрерывный приток сусла в ферментатор, причем очередное наполнение вакуум-испарительной камеры суслом и его охлаждение производят по окончании заполнения суслом второго буферного сборника-дозатора.

Упрощение конструкции устройства и обеспечение непрерывности процесса получения стерильного сусла достигается в устройстве для приготовления стерильного сусла при культивировании микроорганизмов, содержащем смеситель, разварники-осахариватели, насос, выход которого соединен с контактной головкой, подключенной через соответствующий паропровод к системе генерации острого пара, стерилизатор, теплообменник, сборники-дозаторы, вакуум-испарительную камеру, вакуумный насос, продуктовые трубопроводы и вентили, тем, что в нем выходы смесителя соединены с входами первого и второго разварников-осахаривателей, выходы которых соединены через первый и второй вентили с входом насоса, на первом и втором сборниках-дозаторах установлены воздушники с третьим и четвертым вентилями, выход контактной головки подключен к входу стерилизатора, выход которого соединен через первый продуктовый трубопровод с входом вакуум-испарительной камеры, верхняя часть которой соединена с одной стороны с теплообменником, подключенным к вакуумному насосу, а с другой стороны - через последовательно включенные пятый и шестой вентили с системой подготовки сжатого стерильного воздуха, участок трубопровода между пятым и шестым вентилями соединен соответственно через седьмой вентиль с верхней частью первого сборника-дозатора, а через восьмой вентиль - с верхней частью второго сборника-дозатора, нижняя часть вакуум-испарительной камеры соединена с вторым продуктовым трубопроводом, подключенным соответственно через девятый и десятый вентили с входами сборников-дозаторов, выходы которых соединены соответственно через одиннадцатый и двенадцатый вентили с третьим продуктовым трубопроводом, являющимся выходом устройства.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена аппаратурно-технологическая схема устройства, в котором реализуется предлагаемый способ.

Устройство для приготовления стерильного сусла при культивировании микроорганизмов содержит смеситель 1, соединенный через трубопроводы 2 с двумя разварниками-осахаривателями 3 и 4, выходы которых соединены через первый и второй вентили 5 и 6 с насосом 7, выход которого соединен с контактной головкой 8, подключенной через паропровод 9 к парогенератору (не показан).

Выход контактной головки 8 подключен к стерилизатору 10 (на чертеже обведен пунктиром), выход которого через первый продуктовый трубопровод 11 - входу вакуум-испарительной камеры 12, верхняя часть которой соединена через трубопровод 13 с конденсатором 14, связанным с вакуумным насосом 15.

Устройство содержит также первый и второй сборники-дозаторы 16 и 17 с воздушниками 18 и 19, на которых установлены третий и четвертый вентили 20 и 21 соответственно.

Верхняя часть вакуум-испарительной камеры 12 соединена через пятый вентиль 22, трубопровод 23 и шестой вентиль 24 с системой подготовки сжатого стерильного воздуха (не показана).

Участок трубопровода 23 между пятым и шестым вентилями 22 и 24 соединен через седьмой вентиль 25 с верхней частью первого сборника-дозатора 16, а через восьмой вентиль 26 - с верхней частью второго сборника-дозатора 17.

Нижняя часть вакуум-испарительной камеры 12 соединена с вторым продуктовым трубопроводом 27, подключенным соответственно через девятый вентиль 28 к входу первого сборника-дозатора 16, а через десятый вентиль 29 к входу второго сборника-дозатора 17.

Выходы сборников-дозаторов 16 и 17 соединены через одиннадцатый и двенадцатый вентили 30 и 31 с третьим продуктовым трубопроводом 32, являющимся выходом устройства.

Третий продуктовый трубопровод 32 соединен с входом ферментатора 33 (показан пунктиром, так как в состав устройства для приготовления сусла не входит).

Разварники-осахариватели 3 и 4 содержат в своем корпусе трубчатые змеевики 34 и мешалки 35, оси которых механически связаны с приводом 36.

Стерилизатор 10 состоит из двух выдерживателей 37, сепаратора 38 и трех вентилей 39, 40 и 41, расположенных в нижней части выдерживателей 37 и сепаратора 38.

Согласно предлагаемому способу в нем осуществляется следующая последовательность операций.

Приготавливают и разваривают замес. Для этого измельченное зерно (кукурузы, пшеницы) в смесителе 1 смешивается с горячей водой при гидромодуле (1: 3,5) и после прибавления α- -амилазного ферментного препарата (амилосубтилина) подогревается до температуры разваривания и выдерживается.

Затем осуществляется охлаждение разваренной массы, после чего производится осахаривание путем ввода препарата глюкаваморина, в результате чего получают осахаренное сусло.

Осахаренное сусло сразу же подвергается стерилизации, путем нагрева в контактной головке 8 и подачи в стерилизатор 10.

Далее простерилизованное сусло охлаждают в вакуум-испарительной камере 12 путем снижения давления в ней с помощью вакуумного насоса 15.

Последующие операции связаны с поочередной загрузкой суслом сборников-дозаторов 16, 17 и непрерывной подачей сусла в ферментер 33.

Для этого заполнение суслом каждого сборника-дозатора осуществляют при выравнивании давления в вакуум-испарительной камере 12 и соответствующем сборнике-дозаторе 16 (17).

В момент заполнения суслом одного из сборников, например, первого (16) в него подают стерильный воздух под давлением не менее 0,4 ати и осуществляют подачу из него сусла в ферментатор 33 до полного освобождения первого сборника дозатора (16).

Затем производят подачу сусла из другого (второго) заполненного сборника-дозатора 17 также до полного освобождения. Тем самым обеспечивают непрерывный приток сусла в ферментатор 33.

При этом чтобы обеспечить согласованную во времени работу сборинков-дозаторов 16, 17, из которых сусло в ферментатор должно поступать непрерывно, очередное наполнение вакуум-испарительной камеры 12 суслом и его охлаждение производят по окончанию заполнения суслом второго сборника-дозатора 17.

Конкретным схемы аппаратурной реализации предлагаемого способа могут быть различными, но последовательность выполняемых в них операций по приготовлению сусла остается одной и той же.

Одним из возможных вариантов устройства, реализующего предлагаемый способ приведен на чертеже.

Устройство работает следующим образом.

Измельченное на молотковой или другой дробилке (на чертеже не показаны) зерно (кукурузы, пшеницы) смешиваются в смесителе 1 с горячей водой, образуя гидромодуль в соотношении компонентов 1:3,5. Одновременно в смеситель добавляется ферментный препарат амилосубтилин с концентрацией 2 ед. Ac/г крахмала.

На смесителе 1 стрелками условно показаны входы для подачи компонентов. Затем смесь подогревается ретурным паром, поступающим по паропроводу 9 от сепаратора 38 до температуры 68 - 70^oC в течение 45 мин.

Полученная подогретая смесь загружается через трубопроводы 2 в разварники 3, 4, в котором расположены мешалки 35, приводимые в действие приводом 36.

Смесь подогревается до 97^o в течение 12 мин, затем температура повышается до 112^oC, давление - до 0,7 ати, выдерживается около 10 мин.

Подогрев смеси в разваринках 3, 4 осуществляется острым паром, поступающим по паропроводу от парогенератора (не показан).

Затем смесь охлаждается до 62^oC, путем пропускания воды через змеевики 34 при работе мешалок 35 со скоростью 40-60 об/мин.

После этого в разварники 3, 4 вводится ферментный препарат глюкаваморин с концентрацией 6 ед. Гл.А/г. крахмала и смесь осахаривается в течение 30 мин.

Для стерилизации осахаренное сусло из разварников 3, 4 через открытые вентили 5, 6 насосом 7 подается на контактную головку 8, куда одновременно поступает острый пар от парогенератора (не показан), и далее в стерилизатор 10, где выдерживается в течение 20 - 25 мин в двух выдерживателях 37.

Из выдерживателей 37 осахаренное сусло самотеком поступает в паросепаратор 38, в котором осуществляется отделение от сусла пара, направляемого на подогрев замеса в смесителе 1.

Простерилизованное осахаренное сусло, освобожденное от избыточного давления пара в паросепараторе 38, поступает через открытые вентили 39, 40, 41 и первый продуктовый трубопровод 11 в вакуум-испарительную камеру 12.

После этого включается вакуумный насос 15, создающий разряжение в конденсаторе 14 и через трубопровод 13 в вакуум-испарительной камере 12. В результате этого температура сусла в камере 12 снижается до 30 - 32^oC.

Охлажденное сусло согласно предлагаемому способу должно быть поочередно подаваться в сборники-дозаторы 16, 17.

Для этого вначале открывают вентили 22, 25, 26 и выравнивают давление в вакуум-испарительной камере 12 и сборниках-дозаторах 16, 17.

После выравнивания давления указанные вентили вновь закрывают. Для уравнивания давления в сборниках-дозаторах 16, 17 с атмосферным давлением служат вентили 20, 21 и воздушники 18, 19.

При наборе сусла в сборники-дозаторы 16. 17 эти вентили закрывают и подключают вначале сборник-дозатор 16 через второй продуктовый трубопровод 27 к нижней части вакуум-испарительной камеры 12, в результате чего стерильное и охлажденное сусло поступает в сборник-дозатор 16 до полного его заполнения
Набор сусла во второй сборник-дозатор 17 осуществляется при открытом вентиле 29.

После заполнения суслом первого сборника-дозатора 16 он подключается к системе сжатого воздуха (не показана) через открытые вентили 24, 25.

Одновременно с этим открывается вентиль 30 и охлажденное и простерилизованное сусло по третьему продуктовому трубопроводу 32 поступает в ферментатор 33.

Объем вакуум-испарительной камеры 12 до нужного уровня заполняют суслом из стерилизатора 10 непрерывно.

После того как сусло из первого сборника-дозатора полностью перейдет в ферментатор 33, вентили 30 и 25 закрывают, открывают вентиль 31 и подключают второй сборник-дозатор 17 к системе стерильного сжатого воздуха через открытые вентили 26, 24.

При этом сусло из второго сборника-дозатора 17 начинает поступать через третий продуктовый трубопровод 32 в ферментатор 33, в который, таким образом, сусло поступает непрерывно. Ферментатор 33 является головным в батарее ферментаторов и дальнейший технологический процесс по выращиванию микроорганизмов осуществляется известными способами.

Одновременно с этим первый сборник-дозатор 16 вновь подключается к вакуум-испарительной камере 12 и заполняется суслом.

Таким образом, питание суслом ферментатора 33 осуществляется непрерывно.

При этом все блоки и элементы устройства (смеситель 1, разварники 3, 4, стерилизатор 10, вакуум-испарительная камера 12, вентили 5, 6, 39, 40, 41, 22, 24, 25, 28, 26, 29, 30, 31) должны работать строго согласованно во времени с учетом скорости заполнения и объемов емкостей, в которые осуществляется переток сусла.

Процесс может быть автоматизирован, поскольку открытие и закрытие вентилей осуществляется по жесткой временной диаграмме.

Предлагаемый способ и устройство были реализованы в экспериментальной лаборатории, что позволило значительно повысить производительность при выращивании микроорганизмов благодаря обеспечению непрерывности процесса.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 485142, кл. C 12 B 1/08, 1975.

2. Авторское свидетельство CCCH N 206491, кл. C 12 B, 1965.

3. Технология спирта. Под ред. В.А. Смирнова. М.: Легкая промышленность, 1981, с. 161-165.

4. Справочник по производству спирта. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981, с. 114-115.

Использование: в микробиологии, биотехнологии, при культивировании микроорганизмов для приготовления стерильного сусла. Сущность изобретения: способ включает приготовление замеса, разваривание замеса, охлаждение разваренной массы, осахаривание, стерилизацию, до подачи в ферментер сусло охлаждают в вакуум-испарительной камере путем снижения давления в ней, после чего производят набор приготовленного сусла в два буферных герметичных сборника-дозатора, из которых поочередно подают сусло в ферментатор, заполнение суслом каждого сборника-дозатора осуществляют при выравнивании давления в вакуум-испарительной камере и соответствующем сборнике-дозаторе, в момент заполнения суслом одного из сборников-дозаторов в него подают стерильный воздух под давлением, обеспечивают непрерывный приток сусла в ферментатор. Устройство содержит смеситель, разварники-осахариватели, насос, выход которого соединен с контактной головкой, стерилизатор, теплообменник, два сборника-дозатора, вакуум-испарительную ка еру, вакуумный насос, продуктовые трубопроводы и вентили. 2 с.п.ф-лы. 1 ил.

1. Способ непрерывного приготовления стерильного сусла при культивировании микроорганизмов, включающий приготовление замеса, разваривание замеса, охлаждение разваренной массы, осахаривание и получение осахаренного сусла, стерилизацию полученного сусла с последующей подачей его в ферментатор, отличающийся тем, что до подачи в ферментатор сусло охлаждают в вакуум-испарительной камере путем снижения давления в ней, после чего производят набор приготовленного сусла в два буферных герметичных сборника-дозатора, из которых поочередно подают сусло в ферментатор, причем заполнение суслом каждого сборника-дозатора осуществляют при выравнивании давления в вакуум-испарительной камере и соответствующем сборнике-дозаторе, а в момент заполнения суслом одного из сборников-дозаторов в него подают стерильный воздух под давлением не менее 0,4 атм и осуществляют подачу из него сусла на ферментатор до полного освобождения сборника-дозатора, после чего подачу сусла на ферментатор производят из другого заполненного буферного сборника-дозатора и обеспечивают непрерывный приток сусла в ферментатор, причем очередное наполнение вакуум-испарительной камеры суслом и его охлаждение производят по окончании заполнения суслом второго буферного сборника-дозатора. 2. Устройство для непрерывного приготовления стерильного сусла при культивировании микроорганизмов, содержащее смеситель, разварники-осахариватели, насос, выход которого соединен с контактной головкой, подключенной через соответствующий паропровод к системе генерации острого пара, стерилизатор, теплообменник, сборники-дозаторы, вакуум-испарительную камеру, вакуумный насос, продуктивые трубопроводы и вентили, отличающееся тем, что в нем выходы смесителя соединены с входами первого и второго разварников-осахаривателей, выходы которых соединены через первый и второй вентили с входом насоса, на первом и втором сборниках-дозаторах установлены воздушники с третьим и четвертым вентилями, выход контактной головки подключен к входу стерилизатора, выход которого соединен через первый продуктивный трубопровод с входом вакуум-испарительной камеры, верхняя часть которой соединена с одной стороны с теплообменником, подключенным к вакуумному насосу, а с другой стороны через последовательно включенные пятый и шестой вентили - с системой подготовок сжатого стерильного воздуха, участок трубопровода между пятым и шестым вентилями соединен соответственно через седьмой вентиль с верхней частью первого сборника-дозатора, а через восьмой вентиль - с верхней частью второго сборника-дозатора, нижняя часть вакуум-испарительной камеры соединена с вторым продуктовым трубопроводом, подключенным соответственно через девятый и десятый вентили и с входами сборников-дозаторов, выходы которых соединены соответственно через одиннадцатый и двенадцатый вентили с третьим продуктовым трубопроводом, являющимся выходом устройства.