§ 2. Способы и основные показатели процесса культивирования дрожжей

При выращивании дрожжей применяют бесприточный, воздушно-приточный и воздушно-проточный способы, различающиеся режимом подачи питательных веществ, воды, воздуха и продолжительностью процесса.

Бесприточный способ выращивания дрожжей. Этот способ предусматривает подачу всех питательных веществ и воды при загрузке дрожжерастильного аппарата. Культуральную среду либо аэрируют, либо воздух подают периодически в небольшом количестве на протяжении всего периода выращивания дрожжей. По этому способу получают дрожжи ЧК в начальных стадиях и первую стадию дрожжей ЕЧК.

Воздушно-приточный способ выращивания дрожжей. Он предусматривает выращивание дрожжей в одном дрожжерастильном аппарате с постепенным притоком питательных веществ (мелассы, азот- и фосфорсодержащих солей) и постоянной аэрацией культуральной среды. Такой режим называют периодическим, так как он ограничен во времени. Продолжительность процесса в основном составляет 8-17 ч. Этот способ используют при получении дрожжей ЧК и ЕЧК, а также при выращивании товарных дрожжей.

Объем культуральной среды в аппарате и концентрация дрожжей на протяжении всего процесса не постоянны. В культуральной среде, несмотря на постоянный приток свежей питательной среды, к концу процесса накапливаются продукты жизнедеятельности клеток, тормозящие их рост, что отрицательно влияет на состояние клеток. Скорость роста дрожжей к концу процесса понижается. Периодические процессы, как правило, малопроизводительны.

Воздушно-проточный способ выращивания дрожжей. Это способ, при котором дрожжи выращивают с постоянной аэрацией культуральной среды, постепенным притоком питательных веществ в дрожжерастильный аппарат и одновременным оттоком культуральной среды в отборочный аппарат, т. е. дрожжи выращивают в проточной среде с постоянной концентрацией питательных веществ при постоянной концентрации биомассы в дрожжерастильном аппарате. Этот процесс называют непрерывным. Он протекает в двух дрожжерастильных аппаратах (основном и отборочном) и включает в себя два периода: накопительный и проточный (отточный). Накопительный период протекает в основном дрожжерастильном аппарате при постоянной подаче питательных веществ, воды и воздуха. Дрожжи растут по закону периодического способа. В своем развитии они проходят лагфазу и фазу логарифмического роста. В дрожжерастильном аппарате к концу периода накапливается рабочая биомасса, количество которой зависит от массообменных характеристик дрожжерастильного аппарата (его конструкции). Затем начинается второй период - период непрерывного роста клеток (проток), во время которого рабочая биомасса непрерывно дает прирост дрожжей, который вместе с культуральной средой выводится из основного дрожжерастильного аппарата в отборочный. Количество среды, отбираемой ежечасно, соответствует (по объему) количеству питательной среды и воды, поступающей в основной дрожжерастильный аппарат, поэтому уровень среды в нем остается постоянным.

В периоде оттока дрожжи находятся в стадии логарифмического роста. Для достижения высокой продуктивности процесса проток начинают при высокой скорости роста дрожжей, не допуская перехода клеток в стационарную фазу их развития.

При правильно организованном процессе прирост биомассы постоянен, неизменно также и качество продукта, так как процесс стабилизируется. Устанавливается постоянное соотношение клеток по величине и ферментативной активности. Отборочный период не ограничивается во времени при соблюдении следующих условий:

скорость роста клеток равна скорости разбавления среды;

дрожжевые клетки обеспечены всеми необходимыми для их жизнедеятельности питательными и ростовыми веществами, а также кислородом;

непрерывный вывод из основного дрожжерастильного аппарата продуктов обмена клеток, тормозящих их рост и размножение;

непрерывный вывод из основного дрожжерастильного аппарата прирастающей биомассы;

соблюдение параметров процесса, обеспечивающих оптимальные условия жизнедеятельности клеток.

Стационарная фаза развития дрожжевых клеток в непрерывном процессе наступает только в отборочном аппарате, в который питательные вещества не поступают. Клетки для поддержания жизнедеятельности используют оставшиеся в культуральной среде вещества, масса их увеличивается, т. е. проходит процесс дозревания дрожжей.

Трудность в ведении непрерывного процесса на предприятиях состоит в инфицированности культуральной среды вследствие использования нестерильного воздуха, воды, а иногда и питательной среды, что понижает качество готового продукта. В связи с этим продолжительность периода оттоков культуральной среды на предприятиях в настоящее время в основном составляет 12-24 ч.

Непрерывный процесс обеспечивает более высокую скорость роста по сравнению с периодическими процессами. Дегенерации клеток не наблюдается, если дрожжи выращивают на полноценной питательной среде при полном обеспечении клеток кислородом.

Таким образом, от правильности ведения накопительного периода зависит продуктивность процесса, так как он характеризуется активностью ферментных систем, а от правильности ведения отточного периода - качество готового продукта.

Основные показатели процесса. Для оценки способов культивирования дрожжей пользуются показателями, которые подразделяются на основные, производные и результирующие. К основным, наиболее важным показателям, определяющим процесс выращивания дрожжей, относятся кратность разбавления KR, скорость роста μ, скорость разбавления L (для непрерывных процессов) и количество стадий. К производным показателям, зависящим от основных, относятся продолжительность процесса, температура, величина засеваемого в дрожжерастильный аппарат материала. К результирующим показателям процесса относятся выход продукта, концентрация дрожжей и съем биомассы с дрожжерастильного аппарата.

Кратность разбавления сырья. Она показывает, во сколько раз разбавлена густая меласса. Кратность разбавления KR определяют по формуле

где V_п - объем культуральной среды в дрожжерастильном аппарате, л; М - масса неразбавленной мелассы, перерабатываемой на данной стадии, кг.

Например, если в дрожжерастильном аппарате на стадии Б перерабатывают 2000 кг густой мелассы, объем среды составляет 20 м3, то

От величины кратности разбавления зависит съем биомассы с дрожжерастильного аппарата, обусловливающий продуктивность процесса и качество готового продукта. По мере совершенствования технологии величина кратности разбавления значительно снизилась. Многие отечественные предприятия работают в настоящее время при кратности разбавления KR 17. Однако в последние годы наметилась тенденция перехода на получение дрожжей в более концентрированных средах при KR 10-12 на отечественных предприятиях и KR 10-4 на зарубежных. При этом концентрация сахара в культуральной среде постепенно увеличивалась с 1,66 до 5,0% и более. Повышение концентрации среды стало возможным только после бурного развития науки в области изучения физиологии дрожжевой клетки, законов массообмена, создания новых дрожжерастильных аппаратов и систем воздухораспределения, обеспечивающих высокое насыщение среды кислородом.

Переработка более концентрированных сред резко увеличила продуктивность процесса и выход дрожжей, так как высокая концентрация питательных веществ в среде способствует лучшему усвоению их клетками, что подтверждается приведенными ниже цифрами по концентрации дрожжей в культуральной среде и удельному съему биомассы (количество дрожжей, снимаемых с 1 м³ среды в 1 ч). Так, при KR 30-25 концентрация дрожжей в культуральной среде составляла 25-30 кг/м³, при KR 17-45-50, а при KR 10-8-100-140 кг/м³. Удельный съем биомассы также возрос и составил при KR 17-3,5-5,0 кг/м³/ч, а при KR 10-8-7,5-9,5 кг/м³/ч и более. Одновременно улучшилось и качество готового продукта, что обусловлено формированием клеток с более высоким содержанием сухих веществ. При повышении концентрации питательных веществ в культуральной среде содержание сухих веществ в клетке увеличивается с 25 (KR 20-30) до 28-33% (KR 8-10).

Скорость роста дрожжей. Этот показатель также определяет продуктивность процесса. Чем выше скорость роста, тем больше биомассы накапливается в дрожжерастильном аппарате при одинаковой продолжительности процесса. Отечественные режимы, как правило, рассчитываются на высокую скорость роста дрожжей. Например, непрерывный процесс предусматривает скорость роста 0,150-0,160 ч^-1, Тбилисский режим - 0,303-0,335 ч^-1.

Скорость роста дрожжей обусловлена применяемой расой и технологическим режимом, например, температурой, рН, подачей питательных веществ, количеством засеваемого в дрожжерастильный аппарат материала, продолжительностью процесса и т. д. Невысокая скорость роста дрожжей рекомендуется для получения прессованных дрожжей, предназначенных для сушки, а высокая - для получения прессованной продукции.

Скорость разбавления среды L. Этот показатель является важным фактором при получении дрожжей по непрерывному способу. Скорость разбавления характеризует скорость потока на единицу объема. Определяют ее по формуле

где F - скорость потока среды, т. е. количество питательной среды и воды, поступающей в аппарат за 1 ч и одновременно отводимой из аппарата культуральной среды в том же количестве, м³/ч; V - объем культуральной среды в дрожжерастильном аппарате, м³.

Например, в дрожжерастильный аппарат ежечасно подают 10 м³ питательного раствора и воды и одновременно отбирают 10 м³ культуральной среды (F = 10 м³); объем жидкости в аппарате составляет 60 м³, тогда скорость разбавления составит

Только при μ = L устанавливается равновесие между прирастающей и выводимой из аппарата биомассой, а концентрация ее в культуральной среде остается постоянной. Это равенство является необходимым условием при ведении непрерывного процесса.

Одним из важных свойств непрерывного процесса культивирования является способность саморегулирования. Так, если по каким-либо причинам скорость разбавления увеличивается (L>μ), то скорость роста клеток уменьшается и концентрация дрожжей в аппарате снижается, так как дрожжи вымываются увеличенным протоком. При этом концентрация питательных веществ в среде возрастает, что приводит к увеличению скорости роста. Этот процесс продолжается до тех пор, пока скорость роста не достигнет величины, равной новому значению скорости разбавления, т. е. опять наступит установившийся режим (L = μ), но при более низкой концентрации.

При уменьшении протока (L<μ) концентрация дрожжей в аппарате увеличивается, а концентрация питательных веществ в среде уменьшается. Это приведет к снижению скорости роста до значения, равного скорости разбавления, и процесс вновь уравновешивается, но при более высокой концентрации биомассы в среде.

Переход клеток с одной скорости роста на другую, т. е. в новое равновесное состояние, требует много времени на внутриклеточную перестройку в соответствии с новыми условиями. Кроме того, для каждого равновесного состояния необходим свой комплекс параметров, например, обеспеченность клеток кислородом, концентрация питательных веществ и др. В результате перестройки системы продуктивность процесса падает, т. е. снижается съем биомассы с дрожжерастильного аппарата. Выход дрожжей также снижается.

Продолжительность культивирования дрожжей и величина засева в основном обусловлены скоростью роста дрожжей. Высокая скорость роста и большая величина засева позволяют сократить продолжительность процесса. Величина засева в основном регламентируется наличием маточных дрожжей на данном предприятии, т. е. возможностью цеха чистых культур. Температурный режим зависит от используемой на предприятии расы.

Удельный съем и концентрация дрожжей в основном зависят от скорости роста дрожжей и кратности разбавления сырья. Последняя величина обусловлена массообменными характеристиками дрожжерастильного аппарата, т. е. возможностью воздухораспределительных систем обеспечивать культуральную среду кислородом. Выход биомассы обусловлен соблюдением всех параметров процесса, правильно рассчитанным технологическим режимом и используемой на предприятии расы дрожжей.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Охарактеризуйте общую схему материального потока.

2. Назовите и охарактеризуйте способы культивирования дрожжей.

3. Назовите и охарактеризуйте показатели, по которым оценивают способы культивирования дрожжей.