СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОМАССЫ Российский патент 2011 года по МПК C12N1/16 C12P21/00 

Изобретение относится к микробиологической, пищевой, комбикормовой и перерабатывающей промышленности и может быть использовано для получения биомассы путем ее выращивания бактерий на питательной среде, образующейся после щелочной обработки крахмалсодержащего растительного сырья.

Известен способ получения биомассы путем выращивания микроорганизмов в условиях аэрации на питательной среде, содержащей солому в качестве источника углерода, источник азота и минеральные соли, для максимального накопления белка в биомассе, причем для повышения выхода продукта за счет более высокой скорости роста и степени конверсии сырья в качестве микроорганизмов используют консорциум штаммов гриба Aspergillus fumigatus ВКМ F-1020 и дрожжей Rodotorula aurotiaca ВКМ У-327 или Candida rugosa ВКПМ У-445 или гриба Allescheriterrestris ВКМ F 6062 и дрожжей Candida rugosa ВКПМ У-445, или гриба Sporotrichum pulverilentum ВКМ F-1764 и дрожжей Candida rugosa ВКПМ У-445, или Rodotorula aurotiaca ВКМ У-327, при этом штаммы грибов и дрожжей вводят в среду в соотношении от 3:1 до 1:1 по массе [патент SU 1479509, кл. 4МПК C12N1/22, C12N1/14, C12N1/16, приоритет от 31.07.1987 г.].

К недостаткам способа относятся низкое содержание белка в получаемом продукте, невысокая степень конверсии и возможный лизис дрожжевой биомассы за счет протеолитических ферментов культуры грибов, используемых в качестве продуцентов. Кроме того, способ аппаратурно не оформлен.

Наиболее близким к изобретению по сущности и достигаемому результату является способ получения биомассы [патент RU 2041946, кл. 4МПК C12N1/22, C12N1/14, C12N1/16, приоритет 26.11.1993 г., прототип], включающий выращивание дрожжей на питательной среде, содержащей в качестве источника углерода муку и/или отходы переработки злаковых культур, подвергнутые предварительно ферментативной обработке с помощью протеолитических или амилолитических ферментов. Способ позволяет получать высокобелковую биомассу, которую используют в качестве кормовой добавки для сельскохозяйственных животных. Получаемый продукт содержит помимо белка незаменимые аминокислоты и витамины. Недостатком способа является ограниченное количество источников сырья, получение кормового белка на основе увеличения биомассы дрожжей, что предполагает достаточно сложную реализацию способа, выражающуюся в поддержании рН среды в достаточно жестких пределах, а также высокая стоимость протеолитических или амилолитических ферментов, которая приводит к удорожанию и снижению конкурентоспособности готового продукта.

Технической задачей изобретения является разработка способа получения биомассы, позволяющей использовать в качестве источника питательных веществ широкий спектр растительного сырья, получать продукт с высоким выходом и с высоким содержанием белка, а также снижение себестоимости получаемого продукта.

Поставленная техническая задача достигается за счет того, что предлагаемый способ получения заключается в получении биомассы бактерий, проходящей в условиях аэрации на питательной среде, содержащей источник углерода, минеральные соли и микроэлементы с последующим выделением целевого продукта, причем в качестве источника углерода используют крахмалсодержащее растительное сырье, подвергнутое щелочной обработке крахмала аммиачной водой с содержанием аммиака не менее 25%, расходуемой в количестве до 0,1 м³ на 1 т готового продукта. В процессе щелочной обработки крахмал, содержащийся в растительном сырье при определенных условиях: температуре 65-75°С, рН 6,0-7,0 в водной среде, расщепляется до сахаров, являющихся питательной средой для последующей стадии гидролиза, проходящей в условиях избытка ионов железа и фосфора.

Выращивание биомассы осуществляют в условиях активного роста культуры дрожжей Saccharomycopsis fibuligera (ВСБ-12) ВКПМ Y-2173 при Т 32-34°С. При этом питательная среда характеризуется следующими показателями, мг/л: N₂ 300-700, Р 20-150, К⁺ 100-500, Fe⁺⁺ 7-15, Mg⁺⁺ 10-30, Zn⁺⁺ 0,5-5,0, Mn⁺⁺ 0,5-2,0 при наличии сахара не менее 5 г/л.

В качестве аммиачной воды используется «Аммиак водный технический» ГОСТ 9-92, марок А, Б с содержанием аммиака не менее 25%. Оптимальная для продуцентов биомассы рН среды обеспечивается введением в субстрат до 0,1 м³ аммиачной воды на 1 т готового продукта. В качестве крахмалсодержащего сырья используют злаковое крахмалсодержащее сырье - рис, пшеница, кукуруза и т.д. Способ проиллюстрирован следующими примерами.

Пример 1. К 10% водной суспензии крахмалсодержащего растительного сырья при температуре 65°С, рН 5,0 добавляется аммиачная вода до 0,1 м³ на 1 т готового продукта. Время выдержки при перемешивании до 3 ч. Затем осуществляют охлаждение суспензии до 20°С и последующую ферментацию при температуре 32-34°С, причем засев производится одним из микроорганизмов, например, Saccharomycopsis fibuligera (ВСБ-12) ВКПМ Y-2173. Субстрат характеризуется содержанием, мг/л: N₂ 300-700, Р 20-150, К⁺ 100-800, Fe⁺⁺ 7-15, Mg⁺⁺ 10-30, Zn⁺⁺ 0,5-5, Mn⁺⁺ 0,5-2 содержание сахара не менее 5 г/л.

Выращивание ведут при рН 5,0 при температуре 30-34°С (в зависимости от вида продуцента), скорости разбавления 0,1-0,3 ч^-1. По окончании процесса суспензия подвергается сепарации, инактивации, выпарке и распылительной сушке. В результате получается продукт, качественно отличающийся от исходного (крахмалсодержащего растительного сырья), содержащий белка 37%. Выход готового продукта от исходного материала 60%. степень перевариваемости 75% по сравнению с 50% исходного продукта. Содержатся витамины группы В, Е, D, А, а также аминокислоты, в том числе такие, как триптофан 0,8%, лизин 5,1%, гистидин 2,6%, аспарагиновая кислота 5,2% и др.

Пример 2. К 10% водной суспензии при температуре 60°С, рН 5,5, далее, как в примере 1. В результате получают продукт, содержащий 37% белка. Выход готового продукта составляет 58% от исходного продукта. Качество, как в примере 1.

Пример 3. К 10% водной суспензии при температуре 72°С, рН 6,0, далее, как в примере 1. В результате получается продукт, содержащий белка 45%. Выход готового продукта составляет 65% от исходного. В полученном продукте содержатся витамины группы В, Е, D, А, а также аминокислоты, в том числе такие как триптофан 1,1%, лизин 5,1%, гистидин 3,6%, аспарагиновая кислота 5,4%.

Пример 4. К 10% водной суспензии при температуре 65°С, рН 6,2, далее, как в примере 1. В результате получается продукт, содержащий белка 47%. Выход готового продукта составляет 66% от исходного. В полученном продукте содержатся витамины группы В, Е, D, А, а также аминокислоты, в том числе такие как триптофан 1,0%, лизин 6,1%, гистидин 3,6%, аспарагиновая кислота 5,8%.

Пример5. К 10% водной суспензии при температуре 70°С, рН 6,5, далее, как в примере 1. В результате получают продукт, содержащий 45% белка. Выход готового продукта составляет 65% от исходного продукта. Качество, как в примере 3.

Пример 6. К 10% водной суспензии при температуре 72°С, рН 6,7, далее, как в примере 1. В результате получается продукт, содержащий белка 52%. Выход готового продукта составляет 69% от исходного. В полученном продукте содержатся витамины группы В, Е, D, А, а также аминокислоты, в том числе такие как триптофан 1,6%, лизин 6,5%, гистидин 3,6%, аспарагиновая кислота 6,0%.

Пример 7. К 10% водной суспензии при температуре 70°С, рН 7,0, далее, как в примере 1. В результате получается продукт, содержащий белка 56%. Выход готового продукта составляет 72% от исходного. Качество, как в примере 6.

Пример 8. К 10% водной суспензии при температуре 70°С, рН 7,5 далее, как в примере 1. В результате получается продукт, содержащий белка 37%. Выход готового продукта составляет 55% от исходного. Качество на уровне примера 1.

Пример 9. К 10% водной суспензии при температуре 75°С, рН 7,7 далее, как в примере 1. В результате получается продукт, содержащий белка 38%. Выход готового продукта составляет 60% от исходного. Качество на уровне примера 1.

Пример 10. К 10% водной суспензии при температуре 60°С, рН 7,7 далее, как в примере 1. В результате получается продукт, содержащий белка 32%. Выход готового продукта составляет 50% от исходного. Качество на уровне примера 1.

В случае проведения процесса щелочной обработки при температуре ниже 65°С наблюдается неполное расщепление крахмала и замедление процесса расщепления крахмала до глюкозоаминокислот и глюконовых кислот, что приводит к снижению содержания белка до 32%. При осуществлении способа выше 75°С наблюдается «спекание» крахмала и переход его в форму, недоступную для расщепления бактериями. При рН ниже 6,0 и выше 7,0 также снижается активность бактерий, что приводит к уменьшению степени деструкции составляющих исходного продукта, при этом наблюдается снижение выхода готового продукта до 50% от исходного. В случае снижения времени перемешивания меньше 3 ч процесс ферментативного гидролиза не достигает равновесного состояния, а при перемешивании более 3,5 ч практически достигается равновесие.

Полученная заявляемым способом биомасса характеризуется повышенным содержанием белка (до 56%) и высоким выходом готового продукта (до 72%), в то время как в ближайшем аналоге выход белка достигает только 50%, выход готового продукта - 68%. Содержание аминокислот, таких как триптофан, лизин, аспарагиновая кислота, существенно превосходит (до 100%) содержание аминокислот в биомассе, полученной по способу - ближайшему аналогу, что характеризует ее как более качественную и ценную.

При использовании в качестве крахмалсодержащего сырья муки и/или отходов переработки злаковых культур (по наиболее близкому аналогу) необходимо обязательное внесение ферментов на стадии подготовки сырья. В предлагаемом способе дополнительное внесение ферментов исключается и заменяется условиями среды приготовления сырья, что приводит к значительному удешевлению способа, также использование предлагаемого крахмалсодержащего сырья в заявляемом способе позволяет расширить базу исходных источников для получения биомассы.

Способ получения биомассы предусматривает выращивание дрожжей в условиях аэрации на питательной среде, содержащей источник углерода, минеральные соли и микроэлементы, характеризующейся содержанием, мг/л: N₂ 300-700, Р 20-150, К⁺100-800, Fe⁺⁺ 7-15, Mg⁺⁺ 10-30, Zn⁺⁺ 0,5-5, Mn⁺⁺ 0,5-2, с последующим выделением целевого продукта. В качестве дрожжей используют штамм Saccharomycopsis fibuligera (ВСБ-12) ВКПМ Y-2173. В качестве источника углерода используют крахмалсодержащее растительное сырье, подвергнутое щелочной обработке аммиачной водой с содержанием аммиака не менее 25%, взятой в количестве до 0,1 м³ на 1 т готового продукта. Щелочную обработку проводят при температуре 65-75°С, рН 6,0-7,0 в течение 3-3,5 ч в условиях избытка ионов железа и фосфора. Способ позволяет получить целевой продукт с высоким выходом и содержанием белка. Выход продукта составляет 50-72%, содержание белка 37-56%.

Способ получения биомассы, включающий выращивание дрожжей в условиях аэрации на питательной среде, содержащей источник углерода, минеральные соли и микроэлементы, характеризующейся содержанием, мг/л: N₂ 300-700, Р 20-150, К⁺ 100-800, Fe⁺⁺ 7-15, Mg⁺⁺ 10-30, Zn⁺⁺ 0,5-5, Mn⁺⁺ 0,5-2, с последующим выделением целевого продукта, отличающийся тем, что в качестве дрожжей используют штамм Saccharomycopsis fibuligera (ВСБ-12) ВКПМ Y-2173, а в качестве источника углерода используют крахмалсодержащее растительное сырье, подвергнутое щелочной обработке аммиачной водой с содержанием аммиака не менее 25%, взятой в количестве до 0,1 м³ на 1 т готового продукта, причем обработку проводят при температуре 65-75°С, рН 6,0-7,0 в течение 3-3,5 ч в условиях избытка ионов железа и фосфора.