Промышленная биотехнология переработки отходов спиртовых заводов
А.Ю. Винаров, Ю.В. Ковальский, А.И. Заикина
Основным отходом при эксплуатации спиртопроизводящих заводов является спиртовая барда. При получении спирта (этанола) из зерносырья ее образуется более 13 м3 на 1 тонну зерна. Проблема утилизации барды образующейся при эксплуатации заводов, производящих спирт является до настоящего времени актуальной проблемой. Кроме этого, имеется ряд других веществ (эфирольдегидные фракции, сивушные масла, спиртовой конденсат и т.д.), имеющихся в условиях производства, которые привлекают внимание исследователей и практиков как сырье для переработки или в худшем случае как отходы.
Использование непосредственно послеспиртовой барды для кормления сельскохозяйственных животных мало эффективно из-за низкой питательной ценности (низкое содержание белка и витаминов). Учитывая все возрастающую производительность спиртовых заводов, а значит и значительный увеличение количества жидких отходов, на практике приводит к сбросу барды в очистные сооружения и загрязнению водоемов.
Известны технологии использования барды, богатой углеродсодержащими соединениями, в качестве основы питательной среды для выращивания биомассы микроорганизмов (дрожжи, бактерии) кормового назначения.
Нами, с целью переработки указанных отходов спиртового производства разработаны технологии получения кормового белка на следующих вариантах углеводсодержащего субстрата, представляющего:
1. – послеспиртовую барду и отходы зерномукомольного производства (отруби, мука);
11. - жидкие отходы производства спирта со стадии ректификации – головных фракций и сивушного масла;
111. – послеспиртовую барду с отходами зерномукомольного производства (отруби) и спиртовой конденсат после ректификационной колонны.
Разработка технологий включала несколько этапов:
1. Изучение химического состава барды производства спирта на основе зерна и гидролизного производства на основе отходов растительного происхождения (древесины и др.)
2. Изучение химического состава крахмалсодержащих добавок (отрубей, муки);
3. Селекцию культур-продуцентов кормового белка;
4. Отработку технологических параметров процесса культивирования на смешанном субстрате (двух- и трехкомпонентном);
5. Исследование готового продукта.
В основу разработанной нами базовой биотехнологии (1) переработки спиртовой барды положен способ непрерывной ферментации с добавлением в культуральную жидкость углеродсодержащего источника – зерносырья, что позволяет значительно увеличить выход белковой биомассы и сделать производство рентабельным. При том, в качестве продуцента используется устойчивая ассоциация подобранных микроорганизмов: дрожжи Saccharomycopsis fibuligera и бактерии Rhodococcus erythropolis, обладающая амилолитической активностью.
Оптимизированный режим ферментации со скоростью протока D=0,12 ч-1 и уровнем аэрации среды 0,7 об / об мин. обеспечивает получение готового продукта – кормовой белковой добавки, содержащей не менее 50-52% протеина от исходного сырья (в пересчете на сухие вещества) при 85-90% выхода продукта с наличием в нем всех незаменимых аминокислот.
Отработаны технологические параметры (аэрация, температура, рН, концентрация крахмалсодержащих добавок) процессов культивирования дрожжей и бактерий на смешанном субстрате. Концентрация крахмалсодержащей добавки, вносимой в барду, зависит от массообменных характеристик ферментатора.
Температура роста подобранной ассоциации микроорганизмов составляет 30-45 о С, рН среды 5,0-6,0.
Технология испытана в промышленных условиях в ферментерах интенсивного массообмена.
Таким образом, экологически безопасная биотехнологическая установка для промышленной реализации разработанной технологии включает в качестве основных стадий: ферментацию, концентрирование и сушку готового продукта и обеспечивает: - низкий расходный коэффициент по сырью при низком расходе солей; - получение белковой кормовой добавки (порошок или гранулы) содержащей сырого протеина не менее 50-52%, для обогащения им рационов сельскохозяйственных животных и птиц, содержащей полный набор необходимых аминокислот, витамины группы В, микроэлементы; - круглогодичную переработку до 100 тыс. тонн в год спиртовой барды.
Продуктивность процесса 6-10 кг/м3/час в зависимости от типа ферментера.
Рентабельность производства кормовых дрожжей на основе данной технологии обеспечивается при удельных энергозатратах на технологию 0,45-0,5 тыс. КВт.ч/т продукта и сроке окупаемости установки 1,7-2,0 года.
Задача разработки другой технологии (11), заключалась в разработке промышленного способа микробиологической переработки отходов спиртового производства – головной фракции этилового спирта и сивушного масла. Такие отходы содержат до 75% этилового спирта.
В качестве питательной среды использовали субстрат, содержащий до 0,8-1,5% углеродсодержащего сырья, в качестве которого используют смесь головной фракции этилового спирта и сивушного масла, взятых в соотношении от 1:0,5 до 0,5:1 соответственно.
Углеродсодержащее сырье предлагается подавать в процесс выращивания циклически. Определены оптимальные характеристики. Время цикла 0,5-1,5 часа циклического режима с учетом динамики роста микробных клеток.
В реализации технологии использовали дрожжи Candida lipolytica ВКПМ - Y – 2206, Сandida utilis ВСБ-651, бактерии Rhodocоccus erythropolis ВКПМ –S –1379.
Аэробное выращивание микроорганизмов проводят в непрерывном процессе со скоростью протока питательной среды D=0,1-0,3 ч-1. Температура 28-33 оС, рН 4,5-5,0. Уровень аэрации 0,5-1,0 об (об мин).
Технология обеспечивает: - утилизацию эфиров, альдегидов до 95%;
содержание белка в биомассе готового продукта до 54%.
Отличие следующей технологии (111) заключается в использовании смешанного субстрата, содержащего послеспиртовую барду (зерновая или гидролизная) в которую вносят отруби. Полученную смесь подвергают термообработке при 70-90 о С. Затем ее охлаждают до 30-35 о С и вносят спиртовой конденсат, содержащий 20% этилового спирта. Спиртовой конденсат добавляют в количестве 0,5-5% (объемных). Оптимальное соотношение компонентов в питательной среде зависит от массообменных характеристик ферментера.
При непрерывном процессе культивирования штамма-продуцента продуктивность составила 6,9-7,6 кг/м3/час при содержании сырого протеина в готовом продукте 49,7-50%.
Все разработанные биотехнологии защищены Патентами Российской Федерации.
Внедрение указанных технологий на гидролизных и спиртовых заводах позволит улучшить их технико-экономические показатели: увеличить выработку кормовых дрожжей и их качество по содержанию сырого протеина. повысить рентабельность и прибыль, а также решит экологическую проблему. Оценочный расчет показывает, при мощности производства 2 тыс. т в год кормового белкового продукта прибыль составит 2, 8 млн. руб.
Кроме того, утилизация (переработка) послеспиртовой барды и других не желательных примесей производства биотехнологическим способом обеспечит экологическую безопасность промышленных предприятий, производящих спирт (спиртовые и гидролизные) за счет устранения сброса барды в окружающую среду.