2.2 Накопичення біомаси дріжджів

Приготування поживного середовища. Середовище повинне відповідати певним вимогам:

а) забезпечувати максимальний приріст біомаси;

б) складатися з відносно дешевих компонентів;

в) мати гарну фільтруючу здатність;

Найбільш оптимальним субстратом для накопичення біомаси дріжджів у процесі отримання ергостерину є н-алкани, оскільки вони сприяють максимальному виходу цільового продукту. Під час використання н-алканів проблема складу поживного середовища являється особливо актуальною, оскільки макро- та мікроелементи відсутні у вихідній сировині. За загальноприйнятою схемою в розчин макроелементів вносять наступні солі: сульфат амонію (~1,5 кг/м³) та хлорид натрію (~0,9 кг/м³). Розчин мікроелементів готується окремо і складається із ряду сульфатів, що являються джерелом таких речовин, як магній, манган, залізо, цинк, мідь, натрій. Крім того, для підтримки постійного значення рН, що знижується в процесі культивування, в ферментер подається аміачна вода, яка одночасно є додатковим джерелом азоту [3].

Компоненти поживних середовищ для основного процесу біосинтезу та приготування посівного матеріалу подаються у змішувачі 3 та 3а відповідно (див. схему у додатку 1). Підготовлена вода подається у змішувачі із резервуарів 1 та 1а через мірники 2 та 2а відповідно. Приготовані поживні середовища подаються для подальшого проведення стерилізації.

Стерилізація поживного середовища. Використовується безперервний метод стерилізації. Приготовлені середовища із буферних збірників 4 та 4а подаються в стерилізаційну колону 5 та 5а, через які пропускають гостру пару (тиск пари близько 505 Па). Пару подають зверху по внутрішній трубі, що має щілиноподібні прорізи, завдяки чому він надходить у середовище, швидко її нагріваючи. Середовище в колону подається знизу й рухається по спіралі навколо внутрішньої труби.

Безперервний метод стерилізації має ряд переваг: можливість автоматичного регулювання процесу, швидке й рівномірне нагрівання середовища, забезпечення більш повної стерильності середовища й ін.

Середовища, нагріті в колоні до необхідної для стерилізації температури (~130 °С), надходять у витримувачі 6 та 6а, де вони витримуються певний час за температури 125 - 130 °С. Час витримки залежить від складу середовища й триває 5 - 10 хвилин. Звідси стерильні середовища надходять спочатку у теплообмінники-рекуператори 7 та 7а, а потім у пластинчасті теплообмінники 8 та 8а, де вони охолоджуються до 30 - 35 °С (на виході) [4].

Поживне середовище для отримання посівного матеріалу подається в інокулятор 10.

Процес біосинтезу. Умови культивування дріжджів загалом визначені наявністю в даному випадку чотирьохфазної системи: газ - вода - рідкі парафіни - клітини дріжджів.

Вивчення розподілу клітин в рідких фазах показало, що 1/3 клітин росте у водній фазі, споживаючи краплі алкану діаметром менше 3 мкм, а близько 2/3 клітин адсорбується на поверхні парафінових крапель діаметром від 3 до 5 мкм. Адсорбція на краплях великого діаметру незначна, тому диспергування н-алканів у водній фазі має велике значення в процесі культивуванні. Окрім перемішування на ефективність диспергування впливає поверхневий натяг, тому внесення ПАР знижує поверхневий натяг і підвищує питому швидкість росту дріжджів.

Оскільки вуглеводневі субстрати можуть засвоюватись дріжджами тільки в аеробних умовах, то на ефективність процесу великою мірою впливає аерація середовища. На окиснення н-алканів потребується в 2,6 - 2,8 разів більше кисню, ніж на окиснення вуглеводів, що викликає значне тепловиділення під час процесу культивування. Таким чином, одночасно з проблемою підвищення інтенсивності аерації виникає проблема забезпечення ефективного тепловідведення.

Великий вплив на ріст і розвиток клітин дріжджів чинить рН середовища, значення якого в процесі ферментації підтримується на рівні 4,0 - 4,5. Проте, в якості проміжного продукту окиснення н-алканів виділяються жирні кислоти, що знижує рН водної фази в процесі вирощування і потребує постійної подачі лужного агенту в ферментер. Одним із головних параметрів процесу культивування являється температура середовища, яка не повинна підтримуватись на рівні 32 - 34 °С. Вирощування за більш високих температур (більше 36 °С) призводить до зменшення швидкості росту клітин, зменшення активності біосинтезу білкових речовин, і як результат, зниження економічного коефіцієнта засвоювання субстрату. Перебіг процесу за занадто низьких температур (нижче 28 °С) також призводить до зниження швидкості росту, тобто відбувається зниження продуктивності ферментеру.

Всі секції послідовно сполучені між собою. Для подачі повітря і перемішування культуральної рідини в кожній секції змонтований ежектор, який обертається від двигуна, встановленого на кришці ферментера. Ежектор є двоярусною конструкцією з нижньою та верхньою горловинами для входу та виходу рідини. Повітря засмоктується ежектором і рухається по трубі, яка герметично сполучена з турбіною. Для створення необхідної циркуляції культуральної рідини в кожній секції змонтовані дифузори, перегородки, конічні вставки. На дифузорах змонтовані змійовики-теплообмінники для охолодження культуральної рідини [5].

Суспензія клітин послідовно проходить через усі секції апарату. Із останньої секції виходить суспензія із мінімальним вмістом н-парафінів і максимальною концентрацією біомаси. Це досягається наявністю в ферментері Б-50 двохступеневого культивування: в секціях 1 - 9 - відбувається активний ріст і розвиток дріжджових клітин, а в 10 - 12 - процес «дозрівання» біомаси. Цей процес передбачає витримування біомаси в секціях, до яких припинена подача субстрату (н-алканів) та поживних речовин. Життєдіяльність клітин відбувається за рахунок ендогенних джерел живлення із одночасним використанням залишкових вуглеводнів. Стадія «дозрівання» (голодування) дріжджів спрощує їх виділення та виключає необхідність екстрактивної очистки біомаси від залишкових вуглеводнів.

Встановлений в кожній секції ежекційний щілинний перемішувально-аеруючий пристрій забезпечує достатнє перемішування та інтенсивне змішування повітря із рідиною, насичуючи її киснем.

Для відведення тепловиділень із ферментера, що складає близько 34 - 40 МДж/кг, в кожну секцію вбудовані змійовики з теплообмінною поверхнею 3000 м².

Час вирощування дріжджів складає 8 - 8,5 год. Витрата повітря на одиницю робочого обєму 113 м³/м³•год.

Засів проводять великою кількістю інокуляту. Культивування проводять за високої температури і сильної аерації середовища, що містить великий надлишок джерел вуглецю по відношенню до джерела азоту [3].

Отримання біомаси дріжджів. Культуральну рідину із ферментера 9 перекачують у двохступеневий флотатор 11, де відбувається початкове концентрування дріжджових клітин у їх суспензії. Із флотатора суспензія перекачується через деаератор 12, де відбувається відділення розчинених у суспензії газів. Підготовлена таким чином суспензія проходить дві стадії сепарування на сепараторах 13. Концентрована суспензія дріжджових клітин подається у буферний резервуар 14, з якого вона вже безпосередньо потрапляє на розпилювальну сушарку 15. Далі суха біомаса дріжджових клітин надходить на стадії отримання ергостерину (провітаміну D₂) [2].