Казанский Государственный Технологический Университет Кафедра химической кибернетики УСТАНОВКА ВЫРАЩИВАНИЯ ЧИСТОЙ КУЛЬТУРЫ СПИРТОВЫХ ДРОЖЖЕЙ ПО АЭРОБНОЙ. - презентация

1 Казанский Государственный Технологический Университет Кафедра химической кибернетики УСТАНОВКА ВЫРАЩИВАНИЯ ЧИСТОЙ КУЛЬТУРЫ СПИРТОВЫХ ДРОЖЖЕЙ ПО АЭРОБНОЙ ТЕХНОЛОГИИ Емельянов В.М., Мухачев С.Г., Шавалиев М.Ф., Якушев И.А.

2 БИОЭТАНОЛ Основой развития материальной базы современной земной цивилизации является спектр используемых энергоносителей, их доступность и обеспеченность запасами сырья для производства. Биоэтанол является апробированным энергоносителем, производимым из возобновимого сырья и используемым с начала XX века.

3 Актуальность разработки Действующие технологические схемы имеют ряд недостатков, снижающих эффективность спиртового производства: низкая засевная плотность дрожжевой культуры; высокая вероятность инфицирования инокулята и посевного материала; «старение» дрожжевой культуры и т.д. В результате – снижение качества и выхода этилового спирта. В связи с этим модернизация узла дрожжегенерации - участка чистой культуры спиртовых дрожжей - является крайне актуальной.

4 Существующая технология получения чистой культуры В соответствии с технологическим регламентом по производству спирта разведение чистой культуры спиртовых дрожжей проводят в анаэробных условиях, на пастеризованном сусле путем последовательного пересева с колб в бутыли, из бутылей в маточник, получая на выходе концентрацию дрожжевых клеток млн/мл. Время подготовки культуры - 72 часа

5 Анаэробная дрожжегенерация Процесс роста и размножения дрожжей требует больших затрат энергии. Эта энергия получается в результате их дыхания и брожения. В условиях анаэробиоза дрожжевая клетка получает очень небольшое количество энергии, которая выделяется в результате брожения сахара и используется для поддержания ее жизнедеятельности. С 6 Н 12 О 6 2С 2 H 5 ОН + 2СО ккал

6 Аэробная дрожжегенерация С 6 Н 12 О 6 6СО 2 + 6Н 2 О + 686ккал В присутствии кислорода спиртовое брожение прекращается, и дрожжи получают энергию для размножения и роста за счет дыхания.

7 Преимущества аэробной дрожжегенерации В условиях свободного доступа кислорода процесс спиртового брожения ингибируется и активизируется дыхание («эффект Пастера»). При этом клетки более экономно расходуют питательный материал. Затраты сахара на синтез 100 млрд. клеток дрожжевой массы, выращенной анаэробно, составляют 8 грамм, при слабой аэрации – 3 грамма, т.е. примерно в 2,5 раза меньше.

8 Рост спиртовых дрожжей в аэробных (с подпиткой субстратом) и анаэробных условиях

9 Даже простейшая схема комплексной переработки органического сырья с получением биоэтанола требует использования нескольких установок генерации дрожжевых культур: на стадии выращивания спиртовых дрожжей; на стадии выращивания кормовых дрожжей с целью переработки спиртовой барды.

10 1. Гарантированное обеспечение асептических условий; 2. Минимальное число единиц технологического оборудования; 3. Предельно возможное исключение человеческого фактора; 4. Низкие эксплуатационные затраты. Основные требования к аппаратурному оснащению стадий выращивания производственных культур микроорганизмов:

11 Биореакторное оборудование участка чистой культуры: 1.Инокулятор (стадия наращивания биомассы до 40 кг АСБ/м 3 ); 2. Секционированный аппарат чистой культуры (две стадии наращивания биомассы до 60 – 100 кг АСБ/м 3 ).

12 ИНОКУЛЯТОР В силу малого объема аппарат не должен иметь сложных систем перемешивания и массообмена, оснащенных механическими приводами. Решаемые проблемы: - обеспечение равномерного движения жидкости и распределения компонентов, локальные концентрации которых могут оказать ингибирующее действие, - корректный отбор газовой и жидкой фаз.

13 Схема потоков в инокуляторе О 2 техн. Отрабо- танный газ Мемб- раны Рецикл Инокулят Схема потоков газа и КЖ Мемб- раны

14

15 Интенсивная аэробная технология культивирования микроорганизмов с применением мембранных способов подачи кислорода Предлагается эффективный способ интенсификации аэробных биотехнологических процессов с высокими требованиями к асептике и с повышенным пенообразованием. Мембранный способ обеспечивает асептические условия подвода кислорода; существенное сокращение пенообразования при беспузырьковом введении кислорода в культуральную жидкость через мембрану

16 Характеристики нокулятора повышенной асептики с мембранным устройством газового питания Рабочий объем от 5 до 200 л. Концентрация инокулята до 40 гАСБ/л. Возможные направления применения: в качестве биореактора для лабораторных установок исследовательского и учебного направления; в качестве ячейки для контроля бродильной активности, тестирования штаммов, оценки биологической доброкачественности питательных сред и их компонентов; в качестве инокулятора первой ступени для отделений чистой культуры биотехнологических производств, в частности для производства биоэтанола.

17 СЕКЦИОНИРОВАННЫЙ АППАРАТ ЧИСТОЙ КУЛЬТУРЫ 1. Обеспечивает наращивание биомассы в идентичном гидродинамическом и массообменном режимах при последовательном доливе среды. 2. Обеспечивает (при необходимости) получение сверхплотной культуры за счет рециклирования биомассы и высокой интенсивности массообмена кислорода.

18 Результаты выращивания посевного материала в производственном биореакторе интенсивного действия объемом 10 м 3

19 Устройство и внешний вид секционированного биореактора интенсивного действия

20 Схема обвязки секционированного аппарата чистой культуры Обозначения: К– компрессор; Н– насос, дозатор; Ф– фильтр; С– сборник,R – редуктор Ф2 Блок емкостей для питательных сред и титрующих агентов Блок дозаторов С1– С5 Н1– Н5 Отраб. вода Охл. вода Стерильный воздух Пар Охл. вода, пар Отраб. вода, конденсат Воздух отраб.R2 Сброс конденсата Газоанали- тическая станция, О 2, СО 2 Газ. сч. В атмо- сферу Биореактор Н6 Отбор КЖ (проб) Отбор фильтрата Отбор биомассы Рецирку- ляционный контур Посевной материал Возврат потока Ф4 Ф3 Ф1 R1 К1 Забор воздуха Очищенный воздух

21 Конструктивные особенности секционированного аппарата установки чистой культуры 1.Сокращение числа переливов и иных технологических операций – достигается двустадийностью процесса, обусловленной секционированностью аппарата (выбирается соотношение объемов секций). 2. Обеспечение равномерного ввода энергии достигается многоярусными дисковыми мешалками и отражательными перфорированными перегородками управляемой геометрии.

22 Секционированный аппарат с управляемой геометрией перемешивающего устройства интенсивного массообмена Рабочий объем от 10 до л. Концентрация биомассы до 100 гАСБ/л. Возможные направления применения: в качестве биореактора для лабораторных установок исследовательского и учебного направления; в качестве биореактора второй ступени для отделений чистой культуры биотехнологических производств, в частности для производства биоэтанола; в качестве биореактора для микробиологических производств биологически активных веществ (антибиотики, витамины, закваски, аминокислоты и др.); в качестве генератора биомассы для крупнотоннажных микробиологических производств (получение кормового белка, переработка спиртовой барды и других отходов, производство аминокислот и др.).

23 Разработанная аппаратура и компановка участка чистой культуры позволяют вести периодические и отъемно-доливные процессы. Опыт реализации отъемно-доливных операций в условиях Шумбутского спиртзавода показал, что число стадий отъема-долива ограничено 5-6 операциями в полу-асептических условиях. Применение предлагаемой установки может увеличить число возможных операций отъема-долива в 5-10 раз, т.е. фактически перейти к непрерывному асептическому производству посевных культур.

24 Технологические результаты · вдвое сокращено время подготовки чистой культуры; · в 10 раз увеличена концентрация чистой культуры спиртовых дрожжей; · повышена физиологическая активность дрожжевой массы; · на 20% снижена продолжительность процессов брожения; · на 34% снижено содержание несброженных углеводов в бражке; · на 1/3 снижен расход сырья на подготовку засевных дрожжей при сохранении уровня производства этанола.

25 БЛАГОДАРИМ ЗА ВНИМАНИЕ!