Дріжджогенерація / Ферментація

Реалізація технології VHG для одержання 17-18% міцності бражки в промислових умовах для одержання біоетанолу на виробництві з продуктивністю 10000 дал/доба.

Зміст

№	Розділ
1.	Дріжджогенерація
2.	Ферментація
3.	Комплекс ферментних препаратів «IFF» для ефективної VHG ферментації

1. Дріжджогенерація

Основою процесу дріжджогенерації є забезпечення умов росту  культури дріжджів, що буде служити інокулятом для ферментатора основного бродіння. 

Під час вибору дріжджів слід звернути увагу на наступні умови реалізації технології VHG в промислових умовах:

• Забезпечувати можливість зброджування сусла надвисоких концентрацій з вмістом СР до 36%.
• Ефективність використання в високих температурах та концентраціях спирту до 20% об.
• Забезпечувати максимальну швидкість протікання процесу бродіння.
• Витримувати достатній діапазон pH необхідний для оптимального зброджування.
• Утворення малих кількостей побічних продуктів, наприклад гліцерину, стійкість до молочної та оцтової кислот. 

Для сприяння стійкості до критичних факторів  середовища, росту і утворенню нових клітин необхідно належним шляхом забезпечити культуру дріжджів живленням.

До основних факторів, які впливають на ріст дріжджів та протікання процесу бродіння, відносяться:

• Вуглеводи (достатня кількість цукрів);
• Джерела азоту;
• Вітаміни та мінерали;
• Вода та кисень/стероли та ненасичені жирні кислоти;
• Рівень рН;
• Чистота обладнання та дотримання температурного режиму вирощування культури.

Джерелом вуглеводів виступають цукри, глюкоза, які утворюються підчас гідролізу крохмалю (декстрини – під дією альфа-амілази, глюкоза під дією глюкоамілази). Тому важливо використовувати ФП які забезпечують максимальне розрідження, а також синтез саме зброджуваних цукрів. Іншим важливим фактором також є оптимальне дозування ФП, щоб запобігти осмотичному шоку від високої концентрації цукрів в середовищі в період лаг-фази розвитку дріжджів. 

У якості джерел азоту можуть виступати карбамід, амінокислоти, амонійний азот. Їх використання безпосередньо впливає на кінцевий вихід етанолу під час основного бродіння.

Слід зазначити, що для синтезу амінокислот дріжджова клітина повинна спочатку перетворити сечовину (карбамід) в аміак, який буде джерелом азоту для подальших реакцій. Набагато легше клітина засвоює азот у амонійній формі та з амінокислот. Тому важливіше в першу чергу забезпечити наявність цих речовин у середовищі. 

У кукурудзяному зерні міститься до 7…8% протеїнів. Тому використання протеази під дією, якої руйнується їх структура до пептидів та амінокислот забезпечує додаткове живлення та дає змогу використати максимум зі складових зерна, без внесення надлишку інших речовин.

Можливе також використання діамоній фосфату (ДАФ). ДАФ також слугує додатковим джерелом фосфору.

Дані виробників ФП свідчать, що дозування карбаміду та протеази у проміжному діапазоні до певної міри можна поміняти місцями: більше протеази, менше карбаміду та отримати той самий вихід етанолу. Однак важливо використовувати обидві складові (карбамід і протеаза). Так як, за наявності достатнього вмісту карбаміду в середовищі, збільшення дози протеази, дозволяє дещо підвищити вихід етанолу. За зниженого вмісту карбаміду, без використання протеази спостерігається різке падіння виходу кінцевого продукту. 

До мікроелементів, необхідних для розвитку дріжджів та інтенсифікації процесу бродіння відноситься магній (Mg²⁺). Відомості з закордонних заводів, які використовують сировину з України, свідчать, що часто кукурудза має низький вміст магнію, тоді як більшість типів дріжджів потребують певної кількості Mg²⁺ для досягнення високої швидкості бродіння та успішного завершення процесу утворення етанолу. Низький вміст Mg²⁺ можна компенсувати додатковим внесенням сульфату магнію MgSO₄ в необхідному дозуванні. 

Інші фактори, що впливають на процес дріжджогенерації з утворенням необхідної кількості дріжджових клітин:

• чистота обладнання, використання антисептика та сірчаної кислоти (зниження рівня pH) для запобігання розвитку бактеріальних інфекцій;
• активне перемішування;
• дотримання температурного режиму дріжджогенерації.

2. Ферментація

Під час анаеробного бродіння дріжджів зброджуванні цукри у середовищі перетворюються на етанол, інші спирти та сполуки. Цей процес залежить від багатьох факторів, що впливають на вихід кінцевого продукту, тому важливо дотримуватись умов проведення технологічного процесу та необхідного дозування допоміжних речовин і ФП для досягнення максимальних показників продуктивності та кінцевого титру етанолу у готовій бражці.

Готова культура дріжджів після внесення у нове середовище проходить період адаптації. На цьому етапі для прискорення розвитку та інтенсифікації процесу бродіння необхідно також забезпечувати дріжджі живленням. Обов’язковими є використання в необхідному дозуванні джерел фосфору та азоту (карбамід і ФП протеаза). Результати досліджень та літературні дані свідчать, що використання карбаміду в необхідній кількості разом з оптимальним дозуванням протеази, в порівнянні без її використання дає можливість збільшення виходу етанолу в готовій бражці до 1,5% об..

Під час процесу бродіння та активного перемішування можливе утворення надлишку піни, тому технологія має передбачити використання піногасника. 

Одним з важливих факторів є температура всередині ферментатора, тому важливо дотримуватись рекомендацій виробника дріжджів для уникнення перегріву або захолодження дріжджів в ході бродіння. У другій половині бродіння збільшується утворення побічних продуктів (трегалоза, гліцерин, молочна, оцтова кислоти) як самими дріжджами, так і наявною сторонньою мікрофлорою. Для запобіганню цих процесів можливе зменшення температури в бродильному апараті до 29…30°С (залежить від використовуваної культури).

Обов’язковим також є внесення сірчаної кислоти на початку процесу для зниження pH до оптимального для уникнення розвитку сторонньої мікрофлори.

3. Комплекс ферментних препаратів «IFF» для ефективної VHG ферментації

SPEZYME® HN – високоефективний ферментний препарат, з вмістом альфа-амілази та термостабільної фітази.

Переваги використання:

• Швидке зниження в’язкості замісу, на 15% ефективніше в порівнянні з монокомпонентними альфа-амілазами, навіть за наявності низької концентрації Na, що дозволяє використовувати інші розчини, окрім каустичної соди для CIP-миття.
• Ефективний гідроліз крохмалю зі збільшенням показника декстрозного еквіваленту в порівнянні з іншими альфа-амілазами.
• Розчинення крохмалю від 93% і вище, що робить додатковий крохмаль доступним до оцукрювання.
• Запобігання негативного впливу фітатів на активність α-амілази, додаткове утворення на етапі розрідження вільного фосфору та інозитолу, що є джерелами живлення для дріжджів.
• Зменшення навантаження на обладнання за рахунок можливості приготування замісу з меншою в’язкістю.

Рекомендовані умови використання

Діапазон pH	4,8-6,0
Температура	82-90,5 °С
Вміст сухих речовин	30-37% мас./мас.
Дозування	0,0125-0,0175% мас./мас. зерна

OPTIMASH® TBG – багатокомпонентний термостабільний фермент, гідролітичної дії на некрохмальні полісахариди: целюлоза, геміцелюлоза, ß-D-глюкани та арабіноксилани (використовується на етапі оптимізації показників).

Переваги використання на етапі приготування замісу: 

• Додаткове зменшення в’язкості сусла.
• Підвищення розчинності крохмалю за рахунок гідролізу структури целюлози.
• Збільшення виходу етанолу до 3% (залежить від вмісту целюлози в зерні).

Під час виділення готового продукту фермент можна додавати до відпрацьованої барди/фугату до випарювання, щоб отримати наступні переваги:

• Можливість підвищення вмісту сухих речовин у кінцевому сиропі, за рахунок зниження в’язкості.
• Забезпечення кращої теплопередачі, менші потреби в енергії
• Зменшення забруднення випарної станції, зниження витрат на очищення

OPTIMASH® AX – термостабільна ксиланаза (використовується на етапі оптимізації показників).

Переваги:

– Максимальне використання крохмалю за рахунок гідролізу структури волокон і його вивільнення для розчинення.

– Зменшення залишкового крохмалю.

– Можливість збільшення кількості виробленого етанолу до 1%.

DISTILLASE® XP — це комплексний продукт преміум-класу, що містить глюкоамілазу, використовується для одночасного оцукрення та ферментації. Включає суміш ферментів з оптимальною активністю та дозуванням: 

• Глюкоамілаза 
• Кислотна альфа-амілаза 
• Кислотна протеаза 
• Трегалаза 

Переваги:

• Оптимальна активність глюкоамілази для поступового утворення глюкози, запобігаючи надлишку її в середовищі, що може бути згубним для роботи дріжджів.
• Зменшення до 40% залишкового крохмалю під час бродіння.
• За рахунок гідролізу білків, вивільнення додаткового азоту для живлення дріжджів, таким чином збільшення вихід етанолу, як правило на 0,5% об./об.
• Використання додаткових можливостей для утворення більшої кількості глюкози за рахунок використання трегалази для гідролізу «стресового цукру» трегалози, який утворюють дріжджі під час бродіння. Відповідно збільшуючи вихід етанолу та зменшуючи до 80% кількість незброджених дисахаридів після закінчення процесу.
• Зменшення до 5-10% кількість утвореного гліцерину.

OPTIMASH® SA – кислотна альфа-амілаза, що використовується для гідролізу крохмалю під час одночасної сахарифікації та бродіння. 

Переваги:

• Гідроліз залишкового крохмалю до декстринів (максимальне розчинення крохмалю).
• Зменшення кількості нерозчиненого крохмалю та залишкового крохмалю в DDGS.

Приклад розміщення обладнання та розчинів ФП і реактивів в кімнаті для допоміжних речовин на виробництві. Зображення на мнемосхемі

Окрім інтенсифікації технологічних аспектів, реалізація технології VHG з використанням ФП виробника «IFF»  також дозволяє:

• Використовувати мінімальну кількості ємностей для ФП: 

Spezyme® HN (заміна ємності 1 раз на місяць), 

Distillase® XP (заміна ємності 1 раз на 6-7 діб), 

Optimash® SA (заміна ємності 1 раз на місяць). 

Або можливість заміни 1-2 об’ємів за добу (у випадку використання каністр).

• Зменшити кількість точок подачі, мінімізувати контроль дозування за рахунок алгоритмів автоматизації.
• Зручно планувати та рахувати об’єми для використання та поставок.