Тема 10. Вторичное сырьё используемое в биотехнологическом производстве

Для выращивания микроорганизмов могут использоваться различные виды сырья: отходы древесного и сельскохозяйственного растительного сырья, суль­фитные щелоки, жидкие и газообразные углеводороды, метиловый и этиловый спирты, отходы сельского хозяйства, пищевой, рыбной и мясоперерабатывающей промышленности. К используемым отходам сельского хозяйства, плодо- и лесо­перерабатывающей промышленности относятся: хлопковая и рисовая шелуха, кукурузная кочерыжка, подсолнечная лузга, гузапай (стебли хлопчатника), солома, оболочка какао-бобов, скорлупа кокосовых орехов, кожура фруктов, овощей, листья. жмых, мякина, выжимка плодов и овощей, капустная и картофельная мезга, на­воз, кора, хвоя, опилки, древесное волокно, листья, щепа, ветки, обрезки древе­сины, городские отходы, старая бумага, картон, сточные воды.

Различный состав сырья, неодинаковые количественные и качественные характеристики источников углерода, азота и других необходимых для жизнедея­тельности микроорганизмов соединений дают разный выход биомассы микроор­ганизмов из 1 кг абсолютно сухого сырья (в кг): отходы древесного и сельскохо­зяйственного сырья 0,18-0,22, сульфитные щелоки 0,01-0,02, н-парафины 0,80-1,00, газообразные углеводороды 0,80-1,00, метанол 0,40-0,45, этанол 0,45-0,50, свекловичная меласса 0,22-0,26, молочная сыворотка 0,02-0,03.

^

Растительное сырье

Растительное сырье - древесные отходы лесного хозяйства и побочные продукты земледелия, составляют традиционную углеводную базу для биотехно­логических процессов.

Составными частями растительной массы являются углеводы в виде цел­люлозы, гемицеллюлозы, пентозанов, крахмала, сахаров, пектина, а также масла, жиры, воски, нуклеиновые кислоты, лигнин, хитин, смолы, белковые вещества, витамины, соли и т.д.

^ Древесное сырье.Представляет собой многолетние растительные ткани, содержащие целлюлозу, лигнин, пентозаны, гемицеллюлозы и др. вещества..

Целлюлоза- наиболее важный субстрат для получения белка. Раститель­ные, особенно древесные отходы содержат около 5% целлюлозы, что в мировом масштабе превышает 2 млн. т. в год. Это весьма перспективное сырье, но мик­робная клетка способна утилизировать только продукт деградации целлюлозы -глюкозу или пентозы и органические кислоты, образующиеся при гидролизе гемицеллюлозных субстратов и пентозанов. Поэтому древесное сырье подвергают предварительной обработке: измельчают и гидролизуют. Полисахариды древеси­ны при высоких температурах в присутствии кислот или щелочей переходят внизкомолекулярные усвояемые микроорганизмами соединения, но процесс тре­бует значительных энергетических затрат и ведет к образованию нежелательных побочных продуктов. Кроме того, древесина - продукт дефицитный, так как в ми­ре ее больше используется, чем воссоздается.

^ Растительные отходы сельского хозяйства.Кукурузная кочерыжка, под­солнечная лузга, рисовая и хлопковая шелуха, солома, стебли хлопчатника (гузапай) и др.

^ Хлопковая шелухапредставляет собой твердую оболочку семян хлоп­чатника, покрытую короткими волокнами хлопка. Это отход хлопкоочиститель­ных и маслобойных заводов. Состав хлопковой шелухи зависит от сорта хлоп­чатника. Она содержит 36-48% целлюлозы, 20-31% - лигнина и 21-28% пентозанов.

Средний выход шелухи при шелушении хлопковых семян 31,4% их массы, что составляет в нашей стране 1,2 млн. т в год. При получении кормовых дрож­жей хлопковую шелуху гидролизуют кислотой.

^ Кукурузная кочерыжка- это стержень, остающийся после отделения ку­курузных зерен от початков. Выход кочерыжки - 25-35% массы початков. Состав стержней (в % к массе стержней): вода 8, сырой протеин 2,8, сырой жир 0,7, без­азотистые экстрактивные вещества 54,7, сырая клетчатка 32,8, зола 1.

По кормовой ценности перемолотые стержни могут быть приравнены к се­ну или яровой соломе. Но в чистом виде для корма они не используются: в них мало белка, витаминов, минеральных веществ, особенно кальция, фосфора, йода и кобальта. Кукурузная кочерыжка - это сырье для получения кормовых дрожжей на гидролизных заводах.

^ Подсолнечная лузга- отход при производстве масла из семян подсолнеч­ника. Выход ее составляет 30-40% массы семян подсолнечная лузга содержит 1,4% богатого углеродом пигмента фитомелана, 23,6-28 пентозанов, 52-66 клет­чатки, 24,8-29,6 лигнина, 31-42,4% целлюлозы и является ценным сырьем для получения кормовых дрожжей, гидролизного спирта, фурфурола и других про­дуктов. Для выращивания кормовых дрожжей используют пентозогексозные гидролизаты лузги после удаления из них фурфурола. На 1 т кормовых дрожжей расходуется 6,7 т лузги, выход дрожжей составляет около 150 кг.

^ Рисовая шелуха- сырье для гидролизного производства и получения кор­мовых дрожжей. Она содержит 18% легко-, 29% трудногидролизуемых полисаха­ридов. Общий выход РВ 50-58%.Гузапай(стебли хлопчатника), так же как камыш и солома служит сырьем для гидролизного производства. Верховой малоразложившийся торфтакже используется в качестве сы­рья для производства кормовых дрожжей. Его состав близок к составу растений Это сходство тем больше, чем меньше степень разложения торфа. Верховой торф со степенью разложения 15-20% содержит 25-27% легко- и 9-13% трудногидролизуемых полисахаридов, 0,7-0,4% азотсодержащих соединений, основная часп которых входит в состав гуминовых веществ, 7-10% аминокислот. Морские водорослив Японии предложено использовать комплексно. При кислотном гидролизе водорослей образуются альгиновая кислота, витамины пигменты и белки, на гидролизатах возможно культивирование микроорганизмов - продуцентов белка. При обработке щелочью получают маннит, йод, калий, фукоидин. Сами водоросли после промывки и сушки могут служить дм пищевых целей или основой питательной среды для микроорганизмов - проду­центов белка. Отходы этих процессов используют для получения метана, а вто­ричные отходы - как удобрение при выращивании морских растений, чем замы­кается цикл.

^

Промышленные отходы

Отходы пивоварения- хороший, но небольшой источник углеводов: пив­ная дробина, солодовые ростки, отходы подработки несоложеного ячменя. Дли получения кормовых дрожжей эти отходы гидролизуют и вводят в среду в соот­ношении 8:0,2:0,5 (дробина: ростки: отходы ячменя)

К отходам картофелекрахмального производства,использующимся в качестве сырья для выращивания микроорганизмов, относят клеточный сок кар­тофеля и соковые воды, промывные воды после гидросмыва крахмала и мезга.

^ Клеточный сок картофелясодержит 6% сухих веществ, его объем дохо­дит до 50% к массе перерабатываемого картофеля и составляет около 1,3 млн. п год. Клеточный сок картофеля содержит аминокислоты, оксид калия, фосфорную кислоту, соединения кальция и магния. Уровень использования клеточного сои картофеля в настоящее время составляет около 33%.

^ Картофельная мезгасодержит (в % к массе сухих веществ): крахмал 50, клетчатку 25. Растворимые углеводы 2,5, минеральные вещества 6,2, сырой про­теин 6 и прочие вещества 10,3. Влаги в мезге 86-87%, что делает ее малотранспортабельной. Концентрация клетчатки и крахмала в этом виде сырья низка, гид­ролиз его экономически не оправдан. На этом сырье культивируют микроорга­низмы, обладающие гидролитическим комплексом ферментов и использующие при росте биополимеры.Отходы, не требующие специальных методов обработки.К ним относятся меласса, последрожжевая барда спиртовых заводов, молочная сыворотка.Свекловичная меласса- отход производства сахара из свеклы (выход 3,5-5% к массе свеклы), богата органическими и минеральными веществами, необхо­димыми для развития микроорганизмов. Она содержит 45-50% сахарозы, 0,25-2,0 - инвертного сахара, 0,2-3,0% рафинозы.

Из азотистых веществ в мелассе содер­жатся бетаин, пирролидонкарбоновая, глутаминовая, аспарагиновая кислоты, лейцин, изолейцин, аланин, валин, из органических кислот - молочная, муравьи­ная, уксусная, масляная, лимонная. В малых количествах в ней содержатся ко­бальт, железо, свинец, бор, цинк, кремний, серебро, йод, марганец, молибден. Свекловичная меласса представляет собой дорогое и дефицитное сырье и в про­изводстве кормовых дрожжей используется редко.

^ Мелассная бардаявляется отходом производства этанола на мелассе и со­держит 6-12% сухих веществ. Это полноцепное сырье для производства кормо­вых дрожжей. В настоящее время для производства кормовых дрожжей исполь­зуется более 70% первичной послеспиртовой мелассной барды.

^ Зерновая и картофельная барда- отход спиртового производства. Состав зерновой и картофельной барды различен. Зерновая барда содержит 3,2-4,1% су­хих веществ, картофельная - 6,7-8%. В сухих веществах картофельной барды меньше протеина, чем в зерновой (18,7-19,5% против 26,8-27,5), меньше жиров (3,1% против 5,9-7,5). Картофельная барда богаче зерновой по содержанию угле­водов (56,2-58,5 % против 40-41,8). Больше в ней и минеральных веществ. Для получения кормовых дрожжей используется 14,6% получаемой в настоящее вре­мя зернокартофельной барды.

^ Барда ацетоно-бутилового производствасодержит до 0,7-1,0% РВ, азо­тистые вещества, минеральные соли и стимуляторы роста. В ней присутствует немного (0,07-0,30 г/л) бутанола, что требует адаптации к нему микроорганизмов.

^ Молочная сыворотка- сырье для получения белковых препаратов. В сы­воротке содержатся (в % СВ): лактоза 70-80, белковые вещества 7-15, жир 2-8, минеральные соли 8-10. Кроме того, молочная сыворотка имеет в своем составе значительное количество витаминов, гормонов, органических кислот, микро- и ультрамикроэлементов.

^ Отходы консервной промышленности.В нашей стране ежегодно в консервы перерабатывается 4 млн. т овощей и плодов. При этом образуется 700-800 тыс. т отходов и вторичных продуктов, ко­торые могут использоваться в качестве сырья при приготовлении питательных сред для производства кормовых дрожжей. Отходы отличаются по химическому составу не только в зависимости от вида сырья, но и от степени зрелости, усло­вий хранения, вида изготовляемой продукции.

Томатыв основном идут на производство концентрированных томатопродуктов и томатного сока. В первом случае общее количество отходов составляет 4-5% к массе сырья. Количество пульпы в отходах составляет 51-78%, семян - 6-14, кожицы - 6-13, сосудистых волокон - 1-3, связанной воды - 8-15%.

При производстве томатного сока отжимают около 65% сока и мякоти к массе сырья. Остальные 35%, идущие в отходы, состоят на 88% из мякоти и сока и на 12% из кожицы и семян. На растворимую часть в отходах приходится 2,5-5%. Рациональным способом хранения и использования отходов томатного про­изводства является их высушивание и получение из них муки.

Отходы переработки зеленого горошка- это ботва и створки. Выход зерен горошка составляет 15-20% скошенной массы. Отходы содержат до 40% безазо­тистых экстрактивных веществ, до 11% минеральных веществ и другие соедине­ния Отходы могут использоваться для получения микробных белковых препара­тов.

Отходы переработки капусты, моркови, свеклы и других овощей -эта ботва, очистки, испорченные овощи и т.п. Ежегодно этих отходов получают око­ло 100 тыс. т. Отходы составляют от массы перерабатываемых овощей (в %): ка­пуста 22,5, морковь 17-20, свекла 24-29 и т.д. Эти отходы используются для по­лучения микробных белковых препаратов.

Отходы овощесушильного производстваподразделяют на твердые и жидкие. К твердым относят мелкие некондиционные клубни картофеля, снятую при очистке кожицу, глазки, мелкие частицы, получаемые при сушке, инспекции и фасовке, к жидким - промывные воды, получаемые при бланшировании, варке и других операциях, а также мезгу. Отходы при переработке картофеля состав­ляют 25-45% всех отходов овощесушильного производства. Это прекрасное сы­рье для производства белковых препаратов и крахмала.

Отходы переработки плодовсостоят из выжимок, получаемых при прес­совании, остающихся при варке компотов варенья, джемов и т.д. Эти отходы являются полноценной средой для выращивания микроорганизмов. При переработке яблок отходы составляют около 30-34%. При приготовлении сока ю винограда образуется до 18% виноградных выжимок, состоящих на 43-45% и кожицы с остатками мякоти, на 22-32% из семян и на 24-26% из гребней. Вы­жимки содержат примерно 5% сахара и используются как компонент питатель­ной среды при производстве кормовых дрожжей.

При выработке соков и компотов из цитрусовых образуется около 60% от­ходов к общей массе плодов. В них содержится ряд ценных веществ: эфирное масло (1,2%), пектиновых веществ (1,5-2%) и гесперидин (1,2-1,5%).

В США из отходов производства соков из цитрусовых получают эфирные масла и гесперидин. Оставшиеся выжимки измельчают, обрабатывают известью до рН 6, затем аммиаком и прессуют. Фильтрат используют в качестве питатель­ной среды для дрожжей.

Отходы винодельческой промышленности- это гребни, виноградные выжимки, семена, дрожжевые осадки. Смоченные суслом гребни содержат 1-1,5% сахара, до 2,54% минеральных веществ, азотистые вещества.

Виноградные выжимки содержат 4-10% сахара, азотистые, пектиновые, дубильные вещества, жиры, клетчатку, до 1,2-3,6% минеральных веществ и могут использоваться в составе сред для выращивания дрожжей. Ежегодный объем ви­ноградных выжимок в стране около 2,6 млн. т.

Дрожжевой осадок составляет 3-8% объема вина и содержит (в % на сухое вещество): минеральные вещества 5-10, углеводы 25-50, азот 5-17, белковые вещества 30-75 и жиры 2-5. Из дрожжевого осадка получают этанол, высшие спир­ты, альдегиды и кормовые дрожжи.

^ Отходы молокоперерабатывающих предприятий.

При сепарировании молока, производстве сметаны, сливочного масла, натуральных сыров, творога и молочного белка по традиционной технологии получают побочные продукты – обезжиренное молоко, пахту и молочную сыворотку.

Обезжиренное молоко, пахта и молочная сыворотка, относящиеся к вторичным ресурсам молочного подкомлекса АПК, должны использоваться полностью и рационально. В сочетании с цельным молоком и сливками вторичные сырьевые ресурсы формируют комплекс который можно назвать термином «молочное сырье».

Применение новых физико-химических и биологических методов, молекулярно-ситовой фильтрации и криотехнологии позволяет направленно разделять и концентрировать компоненты молока с исключением побочных продуктов.

При производстве 1 т сливочного масла получают до 20 т обезжиренного молока и 1,5 т пахты; при производстве 1 т сыра и творога – до 9 т молочной сыворотки. В обезжиренное молоко, пахту и сыворотку переходит от 50 до 75% сухих веществ молока. Обезжиренное молоко и пахта содержат практически весь белковый, углеводный и минеральный комплекс молока и частично молочный жир. В молочную сыворотку переходит углеводный комплекс,

сывороточные белки и минеральные соли.

Пищевая ценность вторичного молочного сырья, как и молока, очень высокая, хорошая усваяемость, оптимальное соотношение питательных веществ, биологическая и физиологическая совместимость. Энергетическая ценность обезжиренного молока и пахты составляет 5,8, а молочной сыворотки – 36% от цельного молока, что следует учитывать при организации промышленной переработки.

Кроме получения вторичных продуктов, переработка молока связана с неизбежными потерями сырья, которые в целом по отросли составляют миллионы тонн (в пересчете на молоко). Также к отходам относятся аполоски от мытья молочного оборудования и даже отбросы (сепарационная слизь). Кроме того необходимо необходимо учитывать отходы образующиеся в результате потребленных молочных продуктов, их хранения, упаковывания и реализации. Принципы безотходных технологий были сформулированы ООН.

Практическая реализация этих принципов возможна в отрасли при соблюдении следующих принципов:

разработка безотходных технологий производства новых продуктов с полным использованием всех компонентов молока.

разработка альтернативных вариантов технологий различных продуктов питания, кормовых средств, медицинских препаратов и полуфабрикатов из всех видов основного и побочного сырья.

Энергосбережение, минимальные затраты труда и средств при переработке молока и отходов молочной промышленности.

Оценив уровень эффективности применения технологий переработки молока, можно рассчитать стоимость полученной продукции из 1 т молочного сырья, степень использования сухих веществ и отдельных компонентов молока. Решение проблемы безотходности молочного дела на современном уровне возможно только за счет организации промышленной переработке вторичных сырьевых ресурсов (сыворотка, пахта и т.д.), а также рационального использования готовой продукции. Получаемые отходы должны перерабатываются с применением биотехнологических технологий как в пищевую так и в кормовую продукцию без остатка.

^ 3. Отходы животноводства.

К отходам животноводства относят навоз и стоки животноводческих ферм. Различают подстилочный, твердый навоз (влажность 75-80%); бесподстилочный, который делится на полужидкий (смесь экскрементов с мочой, влажность до 90%) и жидкий - навоз с примесью воды (влажность 90-93%); навозные стоки -навоз, разбавленный водой (влажность более 93%). С выделениями крупного ро­гатого скота, свиней, кур, при богатейшем содержании выводится до 30-40% пи­тательных веществ, получаемых животными с кормами. В основном органиче­ское вещество экскрементов представлено структурными веществами с высоким содержанием углерода (целлюлоза, лигнин, пентозаны).

Объем питательных элементов во всех стоках животноводческих ферм на­шей страны в год эквивалентен 2,2 млн. т. азота, I млн. т. фосфора и 1 млн. т. ка­лия. Это в 4 раза превышает количество загрязнений от сточных вод пищевой промышленности и хозяйственно-бытовых стоков объемом 11,8 млн. м3 в год. В настоящее время одним из перспективных способов утилизации стоков животно­водческих ферм является культивирование микроорганизмов на питательных средах из этих отходов с получением кормовой и технической биомассы.