Файл: Технология гидролизных производств учебник..pdf

ные вещества коагулируют, выпадают из субстрата и примешива­ ются к дрожжевой массе. Наружная оболочка клетки сорбирует эти вещества из среды, в результате чего дрожжи становятся горькими и темными. Выход биомассы дрожжей снижается на 60—72% при наличии в субстрате 0,15—0,2% смолистых веществ. Токсическое действие их проявляется в снижении интенсивности дыхания и ферментативной активности дрожжей.

Основным вредно действующим на дрожжи веществом сульфит­ ного щелока является сернистый ангидрид. Отрицательное дей­ ствие на брожение оказывает титруемый SÖ2 в количестве

Полностью прекращается рост дрожжей при концентрации 0,2% титруемого S 0 2 и 0,4% альдегидносвязанного S 0 2. Альдегидбисульфитные соединения не сбраживаются дрожжами. Тормозящее действие бисульфитных соединений на процесс брожения объяс­ няется тем, что уксусный альдегид, образующийся в процессе спиртового брожения как промежуточный продукт, не превраща­ ется в дальнейшем в этиловый спирт, а дает с бисульфитом стойкое соединение, которое дрожжи не могут сбродить. При кон­ центрации альдегидбисульфитных соединений в щелоке 0,8% брожение практически прекращается. Кроме того, бисульфит и сернистая кислота оказывают угнетающее действие на дрожжи, снижая их спиртообразующую способность. Так, при концентра­ ции свободного S 0 2 более 0,015% дрожжи полностью теряют способность сбраживать сахар. Отрицательное влияние бисуль­ фита на дрожжи проявляется в меньшей степени. Лишь при кон­ центрации его 0,1% Дрожжи перестают сбраживать сахар.

На основании сказанного можно сделать вывод, что гидроли­ заты и сульфитные щелока являются средами, недостаточно пригодными для жизнедеятельности микроорганизмов по следую­ щим причинам: 1) в этих средах отсутствуют легкоусваиваемые соединения азота и недостаточно фосфорных соединений; 2) отсут­ ствуют биостимуляторы роста и витамины; 3) в гидролизатах и щелоках в значительном количестве содержатся различные вред­ ные примеси, снижающие биологическую доброкачественность сред, нарушающие нормальные физиологические функции дрож­ жей и дрожжеподобных грибов и тормозящие их развитие. К таким примесям относятся: фурфурол, оксиметилфурфурол, сернистый ангидрид, формальдегид, лигногуминовые вещества. Снижают биологическую доброкачественность также декстрины и растворимые полисахариды, содержащиеся в гидролизатах и щелоках.

Под биологической доброкачественностью гидролизатов и щелоков следует понимать показатель, отражающий степень влияния вредных примесей среды на процесс выращивания дрожжей или выход полезных продуктов их жизнедеятельности.

Таким образом, биологическая доброкачественность сред за­ висит от содержания в них примесей, мешающих развитию

201

микроорганизмов, отрицательно действующих на их жизнедеятель­ ность, тормозящих процессы спиртового брожения и выращивания дрожжей. Доброкачественность сред определяют биологическим методом, например по выходу биомассы дрожжей или по количе­ ству углекислоты, выделившейся при спиртовом брожении в единицу времени. Чем меньше выход, тем ниже биологическая доброкачественность среды. О доброкачественности среды можно судить и по физиологической активности дрожжей. Доброкаче­ ственной средой следует считать такой субстрат, где функция размножения дрожжевых клеток не подавляется и не замедля­ ется, и клетки синхронизированно (одновременно) и в короткий срок удваивают свою численность и массу, и это удвоение проте­ кает с экономной тратой сахара.

Для получения биологически доброкачественных гидролизатов и сульфитных щелоков и создания оптимальных условий для эф­ фективной жизнедеятельности дрожжей необходимо эти среды соответствующим образом подготовить.

1. Питательная среда должна быть слабокислой. Активная кислотность ее в значительной степени влияет на деятельность ферментов дрожжей и на состояние их клеток, состоящих в основ­ ном из коллоидных веществ. Поэтому минеральные кислоты и большую часть органических нейтрализуют и этим уничтожают их токсическое действие на микроорганизмы. Для того чтобы дрожжи наиболее эффективно сбраживали древесный сахар на спирт, pH среды должен быть оптимальным и равным для древес­ ных гидролизатов 4,2—4,5; для гидролизатов, полученных из сельскохозяйственных отходов, pH сусла должен быть более низким, 3,8—4,0, так как оно легко заражается посторонними микроорганизмами; для сульфитных щелоков от варок в жестких условиях — 5,0—5,8, от варок в мягких условиях — 4,5—5,2. Для выращивания кормовых дрожжей необходимо нейтрализовать избыточную кислотность до pH 4,8—5,3. Процесс непрерывного выращивания можно вести при pH 3,8—4,0, если нет прямого воздействия минеральных кислот на дрожжеподобные грибы

ив среде содержатся в основном органические кислоты.

2.Питательная среда не должна содержать вредные примеси.

Летучие ядовитые вещества (фурфурол, метанол, формальдегид, терпены и др.) в основном удаляются со сдувочными парами или с парами самоиспарения гидролизата при продувке его паром и вакуум-охлаждении. Так, в результате вакуум-охлаждения содер­ жание фурфурола снижается в среднем на 28%, ОМФ — на 27%. Выход дрожжей повышается на 10%• Часть фурфурола восста­ навливается дрожжами в фурфуриловый спирт. Сернистый ангидрид, метиловый спирт и другие летучие примеси удаляются из щелока при продувке его паром или воздухом при температуре 70—80° С. Альдегидбисульфитные соединения разрушаются при удалении сернистой кислоты нейтрализацией или продувкой щелока воздухом.

2 0 2

Для освобождения от оксиметилфурфурола горячие гидролизаты продувают воздухом. В процессе жизнедеятельности дрожжей, особенно дрожжеподобных грибов, происходит также восстанов­ ление ОМФ до соответствующего спирта и, следовательно, снижение содержания его в" субстрате. Образующийся спирт утилизируется дрожжами. Часть коллоиднорастворенных веществ гидролизатов коагулирует при нейтрализации и во время охлаж­ дения нейтрализата; часть их адсорбируется активированным углем или коагулирует при действии различных химических реагентов и вместе с загрязнениями, взвешенными частицами отделяется при отстое и фильтрации. Аэрация сусла также облагораживает его и повышает биологическую доброкачествен­ ность в результате окисления и коагуляции лигногуминовых и дру­ гих веществ.

Полного удаления вредных примесей из гидролизатов и суль­ фитных щелоков не удается достичь. Некоторое количество их остается в сусле, однако они практически не влияют на выращи­ вание дрожжей и спиртообразование. Дрожжи постепенно к ним привыкают, акклиматизируются, вырабатывают новые ферменты, изменяют свои свойства. Установлены предельно допустимые кон­ центрации некоторых из вредных примесей. Так, содержание фурфурола в питательной среде не должно превышать 0,03—0,04%, оксиметилфурфурола 0,05—0,10% для дрожжеподоб­ ных грибов и 0,3% для спиртообразующих дрожжей, свободного S 0 2 0,005%, непосредственно титруемого S 0 2 0,03—0,06%, бисуль­ фита 0,03%, альдегидносвязанного S 0 2 0,2—0,3%. При непрерыв­ ном способе выращивания дрожжей величина допустимых дозировок токсических веществ возрастает. Например, допустимая концентрация ОМФ при выращивании дрожжей на гидролизате составляет 0,2%.

3. Неинвертированные сахара — декстрины и олигосахариды — не утилизируются дрожжами и снижают биологическую доброка­ чественность гидролизных сред. Кроме того, декстрины плохо ис­ пользуются микроорганизмами-минерализаторами при очистке сточных вод и увеличивают их ВПК. Для повышения биологиче­ ской доброкачественности необходимо производить инверсию гидролизатов и щелоков. Приватом происходит не только гидролиз растворимых полисахаридов до моносахаридов, но и ряд реакций,

врезультате которых снижается содержание оксиметилфурфурола

иколлоидных веществ; последние при этом частично коагулируют

ивместе со смолистыми веществами выпадают в осадок. Количе­ ство вредных веществ уменьшается за счет поликонденсации

фурфурола и ОМФ.

4. В гидролизном и сульфитном сусле содержится недостаточ­ ное количество соединений азота, фосфора и калия, поэтому его обогащают питательными солями-— сульфатом аммония, супер­ фосфатом, хлористым калием или добавляют водный раствор ам­ миака. В этом случае скорость сбраживания сахара и накопление

203

щий ферменты и способный сбраживать сахар на спирт и угле­ кислоту, долгое время не удавалось.

В 1871 г. М. М. Манассеина впервые установила, что спиртовое брожение может происходить под действием клеточного сока без участия живых дрожжей. Бесклеточный дрожжевой сок она полу­ чила путем растирания дрожжей с измельченным горным хрусталем. Немецкий ученый Э. Бухнер в 1897 г. получил клеточ­ ный сок из растертых дрожжей путем прессования под большим давлением, равным 500 кгс/см2, и с ним проводил спиртовое бро­ жение. Таким образом было доказано, что процесс брожения вызывается не собственно дрожжевыми клетками, а ферментами или энзимами, содержащимися в них (по-гречески «эн зюме» обозначает «в дрожжах»), В 1911 г. русский ученый А. Н. Лебедев (1881— 1938) предложил наиболее совершенный метод получения ферментного сока из дрожжей. Подсушенные в термостате при 25—30° С дрожжи обрабатываются водой в течение 2 ч при темпе­ ратуре 35° С и затем отфильтровываются. Этот дрожжевой сок получил название мацерационного сока Лебедева (мацерация обозначает выщелачивание, размачивание). Исследователи раз­ ных стран применяют этот сок для изучения химизма спиртового брожения.

В дрожжевом соке были найдены различные ферменты, в част­ ности комплекс ферментов, участвующих в спиртовом брожении (до расшифровки его называли зимаза). Дальнейшие исследова­ ния показали, что некоторые ферменты после диализа инактивиру­ ются вследствие удаления коферментов, причем активность ферментов может быть восстановлена добавлением диализата, т. е. веществ, удаляемых при диализе. Эти вещества, в отсутствии которых спиртовое брожение прекращается, были названы коферментами. Следовательно, для брожения необходимы как ферменты, так и коферменты. Процесс брожения, вызываемый клеточным ферментным соком, оказался аналогичен брожению живыми дрожжевыми клетками.

Многие исследователи изучали вопросы спиртового брожения. В 1903 г. Л. А. Иванов впервые установил значение фосфорной кислоты и ее соединений для процессов брожения. Он показал, что в присутствии неорганических соединений фосфора скорость брожения быстро возрастает; стимулирующее действие фосфата сводится к образованию промежуточных соединений фосфорной кислоты (фосфорных эфиров), способных к дальнейшим превра­

пользуя ферментный сок, полученный по его методу. Английские ученые А. Гарден и Т. Юнг в 1907 г. разработали схему спирто­

промежуточный продукт спиртового брожения, восстанавливаю­ щийся в этиловый спирт, и установил общие черты в спиртовом,

205