Биотехнология этилового спирта.

Основными промышленными продуцентами являются дрожжи Sacch.cerevisiae. Перспективным является использование дрожжей рода Candida, способных сбраживать пентозы сульфитных щелоков; дрожжей Kluyveromyces fradilis и Kl. Lactic, ассимилирующих лактозу (молочная сыворотка).Некоторые дрожжевые культуры – продуценты этанола обладают высокой амилолитической активностью (Candida fennica); дрожжи C.tropica-lis, Kluyveromyces marxianus образуют этанол из D-ксилозы в аэробных условиях; дрожжи Pichia stipitis и C.shehata могут использоваться для производства этилового спирта из гидролизатов растительного сырья.

Промышленные способы предусматривают использование трех видов сырья: сахаросодержащие (меласса, сок сахарной свеклы и сахарного тростника); крахмалсодержащее (ячменное и злаковое сусло, кукурузный сироп, рис); целлюлозосодержащее (гидролизаты древесины, сульфитный щелок, початки кукурузы, картофельная мезга, злаковая солома).

Для гидролиза (осахаривания) крахмалсодержащего сырья используют препараты α-амилазы, в т.ч. иммобилизованные; культуры дрожжей, обладающих высокой амилазной активностью. При использовании злаковой муки ее предварительно растворяют при температуре 70-80^оС. Гидролиз крахмала осуществляют при 50-60^оС, рН 6,0-6,5.

Целлюлозосодержащее сырье подвергают кислотному гидролизу при рН 1,8-2,2 (слабой серной кислотой) и нейтрализуют до рН, оптимального для культивирования продуцента (4,5-5,5).

Посевной материал дрожжей выращивают при 28-30^оС; рН 4,2-4,5; аэрации, как правило, на мелассных или крахмалсодержащих средах.

Способы промышленной ферментации:

- глубинное периодическое культивирование, продуктивность 1,8-2,5 г/л*ч (Zymomonas mobilis – чувствительны к этанолу);

- отъемно-доливной метод, позволяет повысить выход спирта в 2-2.5 раза;

- непрерывная ферментация, осуществляется в каскаде бродильных аппаратов; дрожжи выделенные на стадии сепарации рециклируют или концентрируют и высушивают (5-6 г/л*ч);

- вакуумный процесс – представляет собой одностадийное проточное культивирование; дрожжи рециклируют, культуральную жидкость упаривают под вакуумом (удаляют этанол, СО₂) и возвращают в ферментатор (20 г/л*ч);

- непрерывная ферментация с применением флорулирующих продуцентов и иммобилизованных клеток (30-50 г/л*ч).

В настоящее время наиболее распространенным способом является двухпоточная схема культивирования дрожжей на мелассных средах с добавлением фосфатов К, Mg, Ca, солей аммония и мочевины. Посевной материал, приготовленный двух-трех ступенчатым способом, заливают в дрожжегенераторы и культивируют при температуре 28-30^оС, рН 4.2-4,5, интенсивность аэрации 3-4 м³/м³*ч. Полученный посевной материал с концентрацией АСБ дрожжей 2,5-6,5% подают в главный бродильный аппарат и смешивают с мелассной средой в соотношении (1-1,2):1. Температура ферментации 32-34^оС, рН 4,5-5,0. Культивированная жидкость проходит каскад аппаратов. Концентрация остаточных сахаров в последнем аппарате 5,0-6,0%. Общая продолжительность процесса – 24 ч. Концентрация этанола в культуральной жидкости составляет 9,0-9,5%.

Выделение спирта из культуральной жидкости включает стадии:

- отделение дрожжей сепарацией (на рецикл или дальнейшую переработку);

- дистилляция – отделение летучих компонентов;

- концентрирование этанола в дистилляте до 30-96%;

- ректификация.

Этиловый спирт из молочной сыворотки вырабатывают различными способами. К основным группам можно отнести следующие: производство спирта из натуральной сыворотки с низким содержанием лактозы; производство спирта из концентрированной сыворотки с содержанием лактозы 15-20 %; производство спирта с использованием сыворотки, лактоза которой гидролизована b-галактозидазой; производство спирта с использованием иммобилизованных клеток микроорганизмов-продуцентов. В настоящее время наиболее отработан периодический способ производства спирта из молочной сыворотки.

Для производства спирта этим способом используют все виды молочной сыворотки. Технологический процесс выработки спирта, предложенный сотрудниками института микробиологии АН Беларуси, осуществляется в следующей последовательности: приемка сырья и оценка его качества; подготовка питательной среды для спиртового брожения; спиртовое брожение; отделение дрожжей из сброженной среды (бражки); дистилляция бражки и получение спирта-сырца.

Молочную сыворотку, очищенную от казеиновой пыли и жира, нагревают до температуры 92-95⁰С, выдерживают при этой температуре в течение 45-60 мин, отделяют денатурированные сывороточные белки и сгущают на вакуум-выпарных аппаратах до массовой доли лактозы в сгущенной осветленной сыворотке 16-18%. Допускается выделять сывороточные белки ультрафильтрацией, а концентрирование осветленной сыворотки проводить обратным осмосом. В сгущенную сыворотку вносят минеральные соли (сульфат аммония, диаммонийфосфат, соли калия и магния), устанавливают необходимое значение рН (4,0-4,5) и температуру 28-30⁰С. Питательная среда подготовлена для засева дрожжами.

Производственные дрожжи получают по схеме поэтапного накопления биомассы: коллекционная культура дрожжей (пробирка со скошенным агаризованным слоем) → рабочая культура дрожжей (пробирки с агаризованным пивным суслом или сывороточным агаром) → глубинная культура дрожжей (колбы на качалке) → засевные дрожжи (инокулятор) → производственные дрожжи (дрожжанка). Активную биомассу дрожжей выращивают в ферментерах, поддерживая постоянными рН, температуру и аэрацию. В качестве питательной среды служит осветленная сыворотка, в которую добавлены минеральные соли, необходимые для активного роста дрожжей.

В качестве продуцентов используют штаммы дрожжей Kluyveromyces fragilis или Candida рseudotropicalis, которые вносят в субстрат в количестве 8-10% от содержания лактозы в сыворотке. Также для производства этилового спирта могут использоваться Torula cremoris и Saccharomyces fragilis. Рост биомассы происходит при температуре 28-30⁰С, рН среды 4,5 и постоянном аэрировании. Полученная суспензия дрожжей используется в качестве посевного материала для проведения спиртового брожения в подготовленной сыворотке. Количество вносимой суспензии должно составлять 15% к массе перерабатываемой сыворотки.

Брожение проводят при температуре 28-30⁰С и рН 4,0-4,5. Процесс брожения подразделяют на три периода. Первый период начинается с момента засева дрожжей в подготовленную сыворотку. Для него характерно почкование дрожжевых клеток и накопление биомассы. После накопления дрожжевой биомассы процесс брожения ускоряется и с этого момента начинается второй период брожения. Для него характерно замедление процесса размножения клеток и ускорение процесса брожения. В среде снижается концентрация питательных веществ, идет накопление спирта и других продуктов метаболизма дрожжей. С этого момента начинает снижаться интенсивность брожения и начинается третий период, который называется дображиванием, т.к. оставшаяся лактоза медленно превращается в спирт. Конец брожения определяют по остаточному количеству лактозы (обычно 0,5 %).

После окончания брожения из сброженной сыворотки выделяют дрожжи фильтрацией на фильтр-прессе или на сепараторах-осветлителях. Осветленную бражку направляют на перегонку и получают спирт-сырец и барду (жидкие отходы). Выход спирта в производственных условиях составляет 80-86% от теоретического. Барду совместно с дрожжами используют на кормовые цели в жидком, сгущенном или сухом видах.

В зависимости от степени очистки спирт этиловый ректифицированный выпускают следующих видов: экстра; высшей очистки и 1-го сорта.