Анаэробные процессы

К анаэробным процессам относятся спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое, маслянокислое брожение и брожение пектиновых веществ.

1.1.1. Спиртовое брожение.Вызывается аскомицетовыми дрожжами рода Saccharomyces, a также некоторыми бактериями и отдельными представителями мукоровых грибов. Основные возбудители этого брожения дрожжи-сахаромицеты, являющиеся факультативными анаэробами (рис.1). В аэробных условиях дрожжи получают энергию путем полного окисления моно- и дисахаридов до СО₂ и Н₂О, т.е. путем аэробного дыхания. Этот процесс лежит в основе производства хлебопекарных (прессованных) и кормовых дрожжей, где необходимо, чтобы сахар потреблялся, главным образом, на размножение дрожжей, в результате чего накапливалась бы значительная биомасса.

В анаэробных условиях необходимую для жизнедеятельности энергию дрожжи получают путем сбраживания моно- и дисахаридов по следующему суммарному уравнению:

С₆Н₁₂О₆ --» 2СНзСН₂ОН + 2СО₂ +118 кДж

Глюкоза Этиловый спирт

Рис.29. Дрожжи рода Saccharomyces

Процесс этот, как и любое брожение - сложный многоэтапный протекающий при участии комплекса разнообразных ферментов, имеющихся у дрожжей. Каждая стадия катализируется соответствующим ферментом.

Наряду с основными продуктами брожения в незначительных количествах образуются побочные продукты: глицерин, уксусный аль­дегид, уксусная и янтарная кислоты, сивушные масла (смесь высших спиртов).

Общие условия спиртового брожения. На развитие дрожжей и ход брожения оказывают влияние многие факторы, состав сбражи­ваемой среды, содержание спирта, температура, рН, раса дрожжей.

Большинство дрожжей способы сбраживать моносахариды (глюкозу, фруктозу) и дисахариды (сахарозу, мальтозу). Некоторые дрожжи могут сбраживать пентозы (ксилозу, арабинозу). Крахмал дрожжи не сбраживают, так как амилолитические ферменты у них от­сутствуют, поэтому крахмалистое сырье для бродильных производств предварительно подвергают осахариванию при участии ферментов амилаз различного происхождения. Концентрация сахара 10-15 % наиболее благоприятна для боль­шинства дрожжей.

В качестве источника азота для дрожжей наиболее благоприятны аммонийные соли органических кислот, могут использоваться также аминокислоты.

На дрожжи оказывает неблагоприятное действие этиловый спирт, накапливающийся в среде. Отношение различных дрожжей к спирту неодинаково. Угнетающее действие проявляется уже при кон­центрации 2-5об.%, брожение прекращается в большинстве случаев при 12-14 об.%. Имеются и спиртоустойчивые дрожжи, они выносят до 18 об.% спирта.

По отношению к температуре дрожжи-сахаромицеты подразде­ляются на верховые и низовые. Верховые (рис.30 б), или дрожжи верхового бро­жения вызывают бурное и быстрое брожение при температуре 20-28⁰С, всплывают на поверхность под действием выделяющегося диоксида углерода. По окончании брожения дрожжи оседают на дно бродиль­ных сосудов, образуя рыхлый осадок.

а б

Рис. 30. Дрожжи низового (а) и верхового (б) брожения

Низовые (рис.30 а), или дрожжи низового брожения осуществляют более спокойное или медленное брожение, особенно если его ведут при тем­пературе 5-10⁰С. Газ выделяется постепенно, пены образуется меньше. По окончании брожения дрожжи оседают на дно сосуда, образуя плотный осадок.

Спиртовое брожение протекает при кислых значениях рН 4 - 4,5. При подщелачивании среды до рН 8 или при введении в среду сульфи­та (или бисульфита) натрия дрожжи в качестве основного продукта брожения накапливают не спирт, а глицерин (до 40% по отношению к сброженному сахару). Это так называемая глицериновая форма спир­тового брожения:

2С₆Н₁₂О₆ + Н₂О = 2СН₂ОНСНОНСН₂ОН + СН₃СН₂ОН +

глюкоза глицерин этиловый спирт

+ СН₃СООН + 2СО₂ + Х кДж

уксусная

кислота

Этот процесс используется для промышленного получения гли­церина, применяющегося в различных отраслях промышленности.

Ряд пищевых производств основан на жизнедеятельности дрожжей-сахаромицетов, вызывающих спиртовое брожение. Оно ле­жит в основе производства этилового спирта, пива, вина, а также хле­бопечения.

Совместно с молочнокислым брожением оно используется для производства кваса, кефира, кумыса. Дрожжи, используемые на том или ином производстве, обладают специфическими качествами. Более того, в одном и том же производстве могут применяться разновид­ности одного и того же вида, отличающиеся между собой одной или несколькими особенностями. Такие культуры обычно называют раса­ми (штаммами). Их получают, как правило, из одной клетки. Каждое производство располагает несколькими расами, удовлетворяющими определенным требованиям.

Этиловый спирт находит широкое применение во многих отрас­лях народного хозяйства. Основными потребителями спирта являются пищевая, медицинская и химическая промышленности. Ведущиеся ис­следования и разработки показали, что спирт может быть использован и как источник углерода для производства биомассы микроорганиз­мов, в частности, дрожжей. Кроме того, в ряде стран ведутся работы по использованию спирта в качестве транспортного топлива.

Сырьем для производства пищевого этилового спирта служат уг­леводы' растительного происхождения (картофель, злаки, сахарная свекла) и отходы свеклосахарного производства (меласса). Для получе­ния технического спирта используются отходы целлюлозно-бумажной промышленности (сульфитный щелок), гидролизаты древесины и различных сельскохозяйственных отходов.

Производство пищевого этилового спирта включает следующие основные стадии: подготовку сырья для сбраживания; сбраживание сусла; отгонку спир­та из бражки и его очистку. Каждая стадия имеет свои технологические особенности, обуславливаемые используемым сырьем.

Крахмалосодержащее сырье в процессе подготовки к сбражива­нию разваривают и подвергают осахариванию - гидролизу крахмала амилолитическими ферментами. В качестве источников ферментов используется солод - проросшее и высушенное зерно злаковых культур, и микробные ферментные препараты.

Подготовка мелассы для сбраживания включает разбавление ее водой и добавление источников фосфора и азота.

Для производства спирта применяют расы верховых дрожжей S. cerevisiae, быстро размножающиеся, обладающие активным комплек­сом ферментов, спиртоустойчивые и способные переносить высокие концентрации сухих веществ в среде.

Дрожжи - возбудители брожения, предварительно выращивают в аэробных условиях на сусле, подкисленном серной кислотой.

Основной стадией производства спирта является брожение. Обычно в спирт сбраживают сусло с 13-15 % сахаров при температуре 29-32^ОС, рН 4,2-5,2. Процесс брожения ведут 2-3 суток.

По окончании брожения дрожжи выделяют из сброженного сусла (бражки), а спирт - отгоняют на специальных перегонных аппаратах. Получают спирт - сырец, который далее подвергается ректификации.

Выделенные из бражки спиртовые дрожжи после промывания и прессования используют в качестве хлебопекарных дрожжей, Отходом спиртового производства является СО₂ и барда (остаток после отгонки спирта), которую используют как корм для животных или как пита­тельную среду для выращивания кормовых дрожжей.

Производство пива