ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ФЕРМЕНТАЦИИ КОРМОВЫХ ДРОЖЖЕЙ

STUDY OF TECHNOLOGICAL CONDITIONS FOR FERMENTATION OF FEED YEAST

Ksenia Badeeva

student, Department of Biology and Chemistry, Vologda State University,

Russia, Vologda

Victoria Kuznetsova

student, Department of Biology and Chemistry, Vologda State University,

Russia, Vologda

Lyudmila Voropai

scientific supervisor, candidate of Sciences in Chemistry, associate professor, Vologda State University,

Russia, Vologda

Marina Nazarova

scientific supervisor, candidate of Sciences in Biology, associate professor, Vologda State University,

Russia, Vologda

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается проблема утилизации древесных отходов лесоперерабатывающих предприятий. Обоснована актуальность использования древесных отходов как возобновляемого ресурса для производства кормовых дрожжей и других ценных продуктов. Исследовано влияние ультразвуковой обработки на процесс гидролиза целлюлозы и лигнина, с целью увеличения выхода сахаров и снижения токсичности экстрактов для кормовых дрожжей. В работе проведен анализ различных факторов, влияющих на эффективность ультразвуковой экстракции, и определены технологические условия, способствующие разрушению лигнинового комплекса.

ABSTRACT

This article addresses the problem of utilizing wood waste from timber processing enterprises. The relevance of using wood waste as a renewable resource for the production of feed yeast and other valuable products is substantiated. The influence of ultrasonic treatment on the hydrolysis of cellulose and lignin is investigated, with the aim of increasing the yield of sugars and reducing the toxicity of extracts for feed yeast. The study analyzes various factors affecting the efficiency of ultrasonic extraction and identifies technological conditions that promote the breakdown of the lignin complex.

Ключевые слова: древесные отходы, кормовые дрожжи, ферментация, гидролиз, лигнин, ультразвук.

Keywords: wood waste, feed yeast, fermentation, hydrolysis, lignin, ultrasound.

В современных условиях развития лесной промышленности проблема рационального использования древесных отходов становится особенно актуальной. Лесоперерабатывающие предприятия генерируют значительное количество побочных продуктов: опилки, щепа, стружка, древесная мука и отходы лесоповала. Эти материалы, традиционно рассматриваемые как не перерабатываемые отходы, представляют собой ценный возобновляемый ресурс для производства различных продуктов.

Одним из перспективных направлений утилизации древесных отходов является их ферментация для получения кормовых дрожжей. Этот процесс позволяет преобразовать низкоценное сырье в высококачественный белковый корм для сельскохозяйственных животных и рыб. При этом получаемые дрожжи обладают богатым аминокислотным составом, который зависит от состава древесных отходов, и превосходят традиционные кормовые добавки по своей питательной ценности. Исследование технологических условий ферментации кормовых дрожжей особенно важно в контексте разработки экологически чистых и экономически эффективных методов утилизации древесных отходов.

Кроме кормовых дрожжей, из древесных отходов возможно производство широкого спектра продукции: целлюлозы, моносахаридов, канифоли, скипидара, уксусной кислоты, метанола, этанола, фурфурола, древесного угля. Это создает возможность для формирования замкнутого цикла производства на лесоперерабатывающих предприятиях и существенного снижения экологического воздействия отрасли.

Известен способ получения кормовых дрожжей из древесных отходов – кислотный гидролиз. Основной компонент древесных отходов целлюлоза, из которой получают глюкозу. Для увеличения активности гидролиза в качестве катализатора используют серную кислоту, или серную кислоту с азотной кислотой, или сернистую кислоту. После гидролиза выделяют экстракт, который нейтрализуют раствором соды до значения pH среды 6,5. Затем в него вносят закваску кормовых дрожжей Е18, адаптированных к экстрактам древесины.

Для интенсификации процесса гидролиза используют ультразвуковые технологии. За счет кавитации увеличивается скорость массообменных процессов, наблюдается повышение температуры и увеличивается эффективность экстрагирования сахаристых фракций и других компонентов, включая лигнин. Лигнин представляет собой полимер, производный от бензола и содержащий углеводородный радикал с гидроксильными, альдегидными, кетонными и другими функциональными группами. Его присутствие в виде лигноуглеводного комплекса затрудняет выращивание кормовых дрожжей. [1, 2, 3]

В связи с этим была поставлена цель – Исследовать влияние ультразвука на степень разрушения лигнинового комплекса, который является ядом для выращивания кормовых дрожжей.

В ходе работы решаются задачи: исследование влияния кавитации на протекание гидролиза целлюлозы и лигнина; выбор технологических условий процессов озвучивания: температура, pH среды, время; исследование влияния кавитации на окислительную деструкцию боковых радикалов лигнина за счет процессов окисления; определение токсичности ультразвуковых экстрактов по отношению к кормовым дрожжам; анализ результатов и выводы.

Объект исследования: Ультразвуковая технология получения сахаристых фракций для выращивания кормовых дрожжей. Предмет исследования: Исследование степени разрушения лигнина под действием кавитации.

При выполнении работы использовались следующие методы анализа:

1. Титриметрический: для определения сахаров и гидроксильных групп в лигниновом комплексе;
2. Фотоколориметрический: для определения содержания β-D-глюкозы и карбонильных групп в отходах древесины;
3. Гравиметрический: для определения нерастворимых фракций в отходах древесины;
4. Ионометрический: для определения в экстрактах рН среды.

На первом этапе эксперимента определили состав исходного сырья – опилки ели, березы, ольхи. После ситового анализа отбирают фракции размерами от 3 мм до 1 см и помещают их в раствор щавелевой кислоты массовой доли 2% с добавлением перекиси водорода при гидромодуле между опилками и раствором 1:8. Содержание перекиси водорода на раствор щавелевой кислоты 8%. Щавелевая кислота является подкислителем и катализатором реакции гидролиза. В отличие от серной кислоты она не вызывает коррозию, являясь ингибитором. Перекись водорода вызывает усиление гидролиза, а также окисление лигнинового углеводородного комплекса.

Для усиления эффективности разрушения углеводородного комплекса древесные отходы обрабатывают низкочастотным ультразвуком. Экспериментальным путем подбираются условия ультразвуковой обработки. Результаты исследования представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Зависимость содержания сахаристых фракций от условий кавитации

Результаты свидетельствуют, что оптимальное время озвучивания 30-35 мин. За счет кавитации наблюдается повышение температуры на 35-40 °С, а также протекают окислительно-восстановительные реакции разрешения углеводородного комплекса.  Экспериментально установлено, что при озвучивании в течение 30-35 минут происходит изменение характера среды рН от 5,5 до 6,8. Вероятно, подщелачивание происходит за счет реакций связывания образующейся бензойной кислоты с малорастворимыми углеводородами.

Эффективность реакции гидролиза определяют по изменению pH среды и концентрации глюкозы и бензойной кислоты. Результаты исследования представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Зависимость содержания окисленного лигноуглеводного комплекса от времени кавитации

Результаты свидетельствуют, что при повышении времени озвучивания от 5 до 15 минут на первом этапе повышается содержание лигноуглеводного комплекса и растет степень токсичности экстракта для кормовых дрожжей. При дальнейшем повышении времени озвучивания от 15 до 30 минут наблюдается разрушение лигноуглеводного комплекса, понижение его токсичности и образование промежуточных связанных комплексов бензойной кислоты с глюкозой. Также установлено, что данные комплексы являются питательной средой для выращивания кормовых дрожжей. За счет повышения их содержания понижается токсичность ультразвуковых экстрактов.

Установлено влияние видового состава древесины на получение экстрактов. Результаты исследования представлены на рисунке 1. Наиболее благоприятной средой являются экстракты, полученные при озвучивании ольхи. Для них установлено оптимальное время озвучивания 20 минут, что не соответствует литературным данным. Исходя из них наиболее благоприятной средой являются экстракты березы, а не ольхи. Вероятно, необходимо учитывать не только видовой состав отходов древесины, но и их возраст. С увеличением возраста древесины наблюдается повышение содержания целлюлозы и лигнина, который находится в связанном состоянии. При гидролизе он вымывается из комплекса и повышает степень токсичности.

Эффективность выращивания кормовых дрожжей определяют гравиметрическим методом анализа. Время ферментации составляет 36-48 часов при комнатной температуре в зависимости от видового состава древесины. После выдержанный раствор фильтруют и выделяют твердую массу, которая подвергается сушке при температуре 95-105 °С. При этих условиях остается твердый остаток – кормовые дрожжи. Для сравнения влияния эффективности ультразвуковой экстракции при выращивании кормовых дрожжей проводятся параллельные исследования получения кормовых дрожжей в растворе щавелевой кислоты и перекиси водорода без влияния ультразвука. Результаты исследования представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Влияние технологических условий на интенсивность выращивания дрожжей

Результаты свидетельствуют, что за счет ультразвука концентрация сахаристых фракций повышается, что способствует росту скорости ферментации кормовых дрожжей и увеличению массы конечного продукта.

На основании эксперимента следуют выводы:

1. Ультразвук вызывает разрушение целлюлозы с образованием низкомолекулярных сахаров, которые являются питательной средой для выращивания кормовых дрожжей
2. Эффективность выращивания кормовых дрожжей зависит от химического состава древесины: с увеличением содержания лигноуглеводного комплекса уменьшается скорость выращивания кормовых дрожжей;
3. Ультразвук вызывает разрушение лигноуглеводного комплекса за счет реакций окисления боковых радикалов лигнина;
4. Установлена зависимость между эффективностью выращивания кормовых дрожжей и содержанием сахаристых фракций: с увеличением содержания сахаров увеличивается скорость выращивания кормовых дрожжей.

Список литературы:

1. Влияние ультразвуковой кавитации на реакционную способность лигноцеллюлозных субстратов при биоконверсии растительной биомассы / А. Г. Донцов, А. П. Карманов, Л. С. Кочева [и др.] // Бутлеровские сообщения. – 2014. – № 9. – C. 52-57.
2. Патент 2311795 Российская Федерация, МПК51 С2 1/12. Способ обработки растительного сырья и устройство для его осуществления: Nº 2005116943/13 : заяв. 02.06.2005 : опубл. 10.12.2007, бюл. № 34. / Акберова Н. И., Шимкина Н. А.; заявитель и патентообладатель Акберова Н. И., Пимкина Н. А., Цейнштейн Ф.
3. Патент 2447674 Российская Федерация, МПК51 С23К 1/00. Способ получения биологически полной кормовой добавки : № 2010135931/10 : заяв. 31.08.2010 : опубл. 20.04.2012, бюл. № 11 / Сидоров А.В., Ковалев А.В., Мошкутело И.И.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «Ковикорм».