Файл: Технология гидролизных производств учебник..pdf

Пастера, можно регулировать спиртовое и дрожжевое производ­ ства.

Энергетический эффект различных типов дыхания. В результате аэробного дыхания происходит полное превращение окисляемых веществ в углекислоту и воду; при этом" вся связанная энергия освобождается. Так, при использовании дрожжами глюкозы одна ее грамм-молекула, т. е. 180 г, выделяет 686 ккал тепла. При анаэробном дыхании происходит неполное окисление органиче­ ских веществ и одна грамм-молекула глюкозы выделяет только 56 ккал тепла, так как этиловый спирт сохраняет значительную часть энергии в связанном виде и его можно использовать в каче­ стве энергетического материала для других микроорганизмов. Следовательно, процесс дыхания благоприятнее для снабжения клетки энергией, так как в этом случае молекула сахара расщепляется более глубоко. При анаэробном дыхании для полу­ чения определенного количества энергии расходуется значительно больше энергетического материала (например, углеводов). Следо­ вательно, с энергетической точки зрения процессы брожения являются менее экономными, чем процессы дыхания. Каким же образом микроорганизмы выработали такой энергетически не­ выгодный процесс? Почему им выгодно для получения энергии расходовать большое количество питательных веществ? Во-первых, потому, что процессы распада, идущие в отсутствии кислорода, эволюционно более древние, они появились еще тогда, когда в составе земной атмосферы не было кислорода. Во-вторых, кислород, необходимый для окисления органических веществ при аэробном дыхании, не так широко распространен в природе. Его нет на дне водоемов со стоячими водами, где имеется наиболь­ шее количество органических веществ. В таких условиях могут жить только анаэробные микроорганизмы, получающие необхо­ димую для их жизнедеятельности энергию в результате различ­ ных брожений. И, наконец, несмотря на то, что при брожении для получения энергии и расходуется большое количество питательных веществ, создаются условия, в которых не развиваются другие микробы, конкурирующие с микроорганизмами, вызывающими брожение. Так, продукт жизнедеятельности дрожжей этиловый спирт оказывает губительное действие на многие бактерии и плесени. Таким образом, анаэробное дыхание для многих микробов является целесообразным и оправданным жизненным процессом.

Микроорганизмы в процессе своей жизнедеятельности выделяют в окружающую среду тепловую или световую энергию. Тепла выделяется в результате неполного использования микроорга­ низмами энергии окисления органических веществ. Методом калориметрии установлено, что для своей жизнедеятельности микробы обычно используют 50—60% от общего количества выделяющейся при дыхании энергии, а многие не более 20—25%. В результате выделения микроорганизмами тепла в окружающую среду происходит саморазогревание некоторых органических

197

материалов — навоза, торфа. В этих условиях развиваются термо­ фильные микроорганизмы.

Некоторые микроорганизмы, принадлежащие к группе аэробных бактерий и грибов, выделяют часть энергии при окислительных процессах во внешнюю среду в виде света. Свечение микробов связано с наличием особых ферментов и свободного кислорода, который интенсивно окисляет фотогенные вещества, находящиеся в их теле.

Для жизнедеятельности светящихся микробов необходимы соли NaCl, KCl, поэтому они чаще встречаются в морской воде. Чем больше приток кислорода, тем интенсивнее и ярче свечение микро­ организмов.

Г л а в а IX ОСОБЕННОСТИ

РАЗВИТИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ В ГИДРОЛИЗНОМ И СУЛЬФИТНОМ СУСЛЕ

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ГИДРОЛИЗАТОВ И СУЛЬФИТНЫХ ЩЕЛОКОВ

КАК ПИТАТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ

Гидролизаты, получаемые в результате гидролиза древесных отходов и отходов от переработки сельскохозяйственного расти­ тельного сырья (сельскохозяйственных отходов), а также сульфит­ ные щелока — неблагоприятные и недостаточно полноценные среды для жизнедеятельности микроорганизмов. Эти среды пред­ ставляют полидисперсную многокомпонентную систему. Состав гидролизатов приведен на стр. 82. Гидролизаты и сульфитные щелока содержат моносахариды, состоящие из гексоз и пентоз. Сбраживаемыми на спирт сахарами являются гексозы, состоящие из глюкозы, маннозы, галактозы и небольшого количества фрук­ тозы. В состав несбраживаемых пентоз входят ксилоза и араби­ ноза. В гидролизатах содержатся также неинвертированные сахара (декстрины и олигосахариды), являющиеся продуктами неполного гидролиза полисахаридов.

В процессе гидролиза растительного сырья, кроме сахаров, образуются различные примеси. К ним относятся: летучие орга­ нические кислоты — муравьиная, уксусная, пропионовая; нелетучие органические кислоты — левулиновая, альдобиуроновые, щавеле­ вая, смоляные и высшие жирные кислоты; продукты разложения

198

и растворения части лигнина. Часть из них находится в раство­ ренном виде, а часть — в коллоидном состоянии.

Гидролизаты, полученные в результате гидролиза лиственной древесины и сельскохозяйственных отходов, содержат больше пентоз, фурфурола, альдобиуроновых кислот, меньше гексоз, и в них отсутствуют терпены. Гидролизаты сельскохозяйственных отходов содержат органические кислоты, минеральные и азоти­ стые вещества. Хлопковые гидролизаты содержат много органиче­ ского азота, 40—45% азота составляют белки и аминокислоты. Все эти вещества находятся в гидролизате как в растворенном, так и в коллоидном состоянии.

В состав гидролизатов входят также серная кислота (0,4—0,6%) или другая минеральная кислота, являющаяся катализатором при гидролизе, и продукты взаимодействия их с зольными элементами сырья. Благодаря наличию минеральных и органических кислот

содержится меньше, чем в гидролизате, моносахаридов (1,7—3,1% в зависимости от жесткости сульфитной варки). Из них гексозы составляют 1,1—2,2%, а пентозы 0,7— 1,2 %• В состав сульфитного щелока входят летучие и нелетучие вещества. К первым относятся: уксусная (0,2—0,4%), муравьиная (0,04—0,09%), свободная сернистая (0,06—0,10%) кислоты; метиловый спирт (0,03—0,06%), формальдегид (0,02—0,05%), фурфурол (0,02— 0,06%). Общее количество летучих веществ составляет 0,4—0,9%. К нелетучим веществам относятся: лигносульфоновые кислоты (3,5—7,0%), продукты окисления и разложения моносахаридов — глицериновый альдегид (0,01—0,02%)-, метилглиоксаль (0,04— 0,07%) и др.

При варке целлюлозы высокого выхода в щелоке содержатся олигосахариды. В сульфитном щелоке имеются также минераль­ ные соли сернистой, серной и других кислот: бисульфит кальция (0,03—0,8%), моносульфит (0,03—0,07%). Часть сахаров щелока связывается с бисульфитом или сернистой кислотой, образуя альдегидбисульфитные соединения (0,3—0,6%). Кислотность щелоков мягких и жестких варок различна: в первом случае pH равен 2,5—3,5, во втором 1,9—2,5. Температура щелока, отобран­ ного из котла, равна 80—95° С.

Многие из перечисленных веществ, входящих в состав гидро­ лизатов и сульфитного щелока, отрицательно влияют на жизне­ деятельность микроорганизмов, в частности дрожжей и дрожже­ подобных грибов, а следовательно, и на процессы спиртового брожения и выращивания кормовых дрожжей.

В гидролизных средах основным фактором, подавляющим обмен - веществ, рост и размножение дрожжей, является фурфурол. Тормозящее действие фурфурола на дыхание и накопление био­ массы дрожжей проявляется начиная с концентрации его в среде

199

0,02%- При концентрации 0,05—0,06% резко снижается степень утилизации сахара и выход биомассы, а при 0,1% подавляется

относятся к действию фурфурола. Наиболее чувствительны к нему дрожжеподобные грибы вида Candida scottii расы Кр-9. В не­ благоприятных условиях они чувствительны к концентрации фур­ фурола 0,02%, а при адаптации могут переносить концентрации его в среде 0,08—0,1%. Кроме того, в условиях непрерывного процесса и обильного доступа воздуха дрожжи могут переносить более высокие концентрации фурфурола. Особенно отрицательно действует фурфурол в начальной фазе размножения дрожжей. И только после превращения фурфурола в фурфуриловый спирт начинается накопление биомассы дрожжей. На процесс образо­ вания спирта фурфурол влияет при содержании в среде более 0,05-0,1% .

Оксиметилфурфурол (ОМФ), как и фурфурол, является ингиби­ тором процесса выращивания кормовых дрожжей. ОМФ оказы­ вает токсическое действие и на спиртовые дрожжи. При концен­ трации ОМФ 0,4—0,5% наступает значительное торможение спиртообразования у заводских дрожжей и при 0,3% у неадап­ тированной культуры. Содержание в среде 0,1—0,2% ОМФ не отражается на выходе спирта, тогда как выход биомассы кормо­ вых дрожжей снижается на 10%. Под действием ОМФ происходит ослабление деятельности фермента каталазы, снижение интенсив­ ности дыхания дрожжей, а следовательно, и торможение про­ цесса выращивания, в результате чего снижается прирост биомассы. Так, при содержании ОМФ в среде 0,3% интенсивность дыхания дрожжей снижается на 23%, а при 0,5% наблюдается полное подавление их жизнедеятельности.

Формальдегид при концентрации 0,004% замедляет размноже­ ние дрожжей на 52%, а при концентрации 0,006% — на 86%. Было установлено также, что при концентрации формальдегида 0,09% нарушается нормальная жизнедеятельность дрожжей, а при кон­ центрации 0,1% приостанавливается рост дрожжевых клеток.

Соли тяжелых металлов даже при незначительных концентра­ циях (например, соли меди при 0,004%. серебро при 0,000001%; мышьяк при 0,0005%) тормозят брожение и задерживают размно­ жение дрожжей.

В питательной среде не должно содержаться лигногуминовых веществ. Находясь в гидролизатах в тонкодисперсном и коллоид­ ном состоянии, они могут адсорбироваться на поверхности дрожжевых клеток, уменьшая их активную поверхность и тормозя процессы обмена. Так, скорость поглощения кислорода дрожже­ подобными грибами и, следовательно, интенсивность дыхания уменьшаются при наличии в среде 0,1% лигногуминовых веществ.

200