Технология производства сухих дрожжей
СОДЕРЖАНИЕ
Введение |
|
РАЗДЕЛ 1 Промышленное применение дрожжей и перспективы развития дрожжевого производства |
|
|
|
1.2 Применение сухих дрожжей в промышленности |
|
1.3 Общие сведения о дрожжевой промышленности в Украине |
|
РАЗДЕЛ 2 Технология производства сухих дрожжей |
|
2.1 Этапы производства |
|
2.2 Технологическая схема сухого дрожжевого производства |
|
2.3 Основные способы выращивания дрожжей |
|
2.4 Технологический режим |
|
2.5 Материальный баланс |
|
2.6 Подбор и расчет оборудования |
|
РАДЗЕЛ 3 Экологические аспекты производства |
|
3.1 Количественные и качественные характеристики сточных вод и методы их очистки |
|
3.2 Выбросы в атмосферу, мероприятия по их очистке |
|
3.3 Расчет циклон для очистки воздуха от дрожжевой пыли |
|
Заключение |
|
Библиография |
ВВЕДЕНИЕ
Дрожжевые организмы являются одноклеточными грибами. Они распространены по всему Земному шару — встречаются в почве, воде, в различных пищевых продуктах, на поверхности фруктов, ягод, в нектаре цветков, в соках, сочащихся из деревьев. В 1680 г. Антоний Ван Левенгук, рассматривая «осадок» дрожжей, образующийся во время сбраживания, через свое увеличительное стекло, обнаружил, что он состоит в основном из типичных овальных клеток. Однако прошло еще более 150 лет, когда Луи Пастер (1857) доказал, что дрожжи - это живые организмы, непосредственно ответственные за алкогольное брожение, открыв, таким образом, дорогу современным научным исследованиям дрожжей. Промышленное применение дрожжей в традиционных отраслях мало изменилось с течением веков. Дрожжи все еще играют главную роль в следующих производствах:
- в хлебопекарной промышленности;
- в производстве спирта, алкогольных напитков и пива.
В последующие годы к этим старинным отраслям применения дрожжей были добавлены другие.
Дрожжи используются:
- как ингредиенты продуктов питания или кормов либо в натуральном виде, либо чаще после автолиза в виде дрожжевых экстрактов;
- как продуценты витаминов (особенно комплекса В, аминокислот и др.) для фармацевтических целей, а также в виде белково-витаминного концентрата;
- для получения нуклеиновых кислот, ферментов и других веществ. Продукция, получаемая во всех перечисленных производствах, ее качество и количество зависят, от полноценности используемого сырья и степени совершенства технологического процесса, от их ферментативных и других свойств.
В сухих дрожжах при низкой влажности дрожжевая клетка находится в ‘спящем” состоянии и может сохраняться длительное время. Такие дрожжи известны как “сухие активные дрожжи” и представляют собой сферические гранулы около 1 мм в диаметре. Для их получения дрожжевая масса высушивается до влажности 7-8%. Сухие дрожжи представляют собой гранулы различного диаметра, внешний слой которых состоит из дрожжевых клеток в “спящем” состоянии и является защитным от влияния окружающей среды. Поэтому для восстановления активности дрожжей их необходимо растворить в воде.
Технология производства
дрожжей заключается в
Цель курсовой работы: Анализ технологии производства сухих дрожжей.
Исходя из поставленной цели курсовой работы , были выделенны следующие задачи :
- Охарактеризовать область промышленного применения сухих дрожжей.
- Описать технологию и этапы производства.
- Рассмотреть экологические аспекты производства.
РАЗДЕЛ 1 Промышленное применение дрожжей и перспективы развития дрожжевого производства
- Состав и классификация дрожжей
Дрожжевая клетка, как клетки большинства микроорганизмов, состоит из оболочки, протоплазмы, ядра, вакуоли, клеточных структур- рибосом, митохондрий, запасных включений - гликогена и волютина (см. рис. 1.1).
Рисунок 1.1 - Строение дрожжевой клетки
1-оболчка; 2-ядро; 3-митохондрии;4-рибосомы; 5-гликоген; 6- волютин; 7-протоплазма;8-вакуоль
Химический состав дрожжей непостоянен: он зависит от физиологического состояния дрожжевой клетки, расы дрожжей, состава питательной среды. Относительная плотность (уд.вес) хлебопекарных дрожжей составляет 1,100. Теплоемкость сухих дрожжей - 0,664, теплотворная способность 1 кг сушеных дрожжей составляет 4520 калл. Дрожжевые клетки в среднем содержат 67% воды и 3З% сухого вещества.
Элементарный состав дрожжей с содержанием 55 % белков включает 46% углерода, 6,9% водорода, 9,1% азота, 30% кислорода в 80% неорганических веществ, в основном калия и фосфора. Азотсодержащие вещества дрожжей представляют собой белковые вещества (63,8%), нуклеиновые вещества (26,1 %), амиды и пептоны (10,1 %). Белки состоят из аминокислот, число которых достигает 24. Соотношение аминокислот в разных белках различно. Около 64% общего азота дрожжей входит в состав белков.
По современной системе классификации дрожжи делятся на две группы: споровые и бесспоровые. В основу такого деления положены их физиологические признаки и способы размножения. Бесспоровые дрожжи — эта группа объединяет дрожжевые грибки, способные к образованию спор при неблагоприятных условиях. К этой группе относятся дрожжи рода сахаромицес, используемые в процессе производства хлебопекарных дрожжей. Они активно сбраживают сахара при отсутствии кислорода. Размножаются при температуре 28—ЗО °С. Бесспоровые дрожжи — эта группа объединяет дрожжевые грибы, неспособные к образованию спор. К этой группе относятся дрожжи родов кандида и торула, используемые в производстве кормовых дрожжей. Эти дрожжи слабо сбраживают сахара без кислорода, а при наличии его активно размножаются. Обе группы дрожжей включают ряд видов. Хлебопекарные дрожжи принадлежат к виду сахаромицес церевизее. Кормовые дрожжи принадлежат к видам кандида тропикалес и торулопсис утилис. Вид - это основная единица в систематике. Но в производстве имеются еще более мелкие единицы деления организмов - расы. Представители разных рас различаются своими производственными особенностями. Так, среди дрожжей сахаромицетов вида церевизе имеются организмы, отличающиеся один от другого своими производственными особенностями: слабо сбраживающие сахара и сильно сбраживающие, быстро размножающиеся и медленно и т. д. Таким образом, в каждом бродильном производстве употребляются свои дрожжи, свои расы дрожжей.
- Применение сухих дрожжей в промышленности
Сухие дрожжи применяются в хлебопекарном деле, виноделии, пивоварении и производстве квасов и т.п. напитков, промышленном производстве спирта, а также в медицине и науке (в биохимических исследованиях). Кроме того, существуют также специальные кормовые и пищевые дрожжи.
В различных частях земного шара вырабатывают огромное множество спиртных напитков. В основе производства большинства из них лежит сбраживание сахаров дрожжами.
При сбраживании сахаров образуется почти столько же углекислого газа, сколько и спирта: С6Н12О6= 2С2О5Н + 2СО2
Именно углекислый газ, вырабатываемый дрожжами, представляет собой продукт, имеющий важное значение для хлебопекарной промышленности. Тесто поднимается благодаря углекислому газу, который выделяют дрожжи, внесенные в тесто при его замешивании. Хотя в спиртовом производстве углекислый газ представляет собой побочный продукт, на ряде крупных винокуренных заводов его улавливают, нагнетают под давлением в баллоны и продают в виде жидкого углекислого газа. Один из потребителей такого углекислого газа — промышленность, производящая напитки: углекислый газ используется здесь для получения шипучих напитков. В ходе каждого процесса ферментации количество дрожжей увеличивается по сравнению с первоначально внесенным в культуру не менее чем в три раза. Излишек дрожжей от пивоварения и производства спирта традиционно использовался в качестве пекарских дрожжей. «Отработанные» дрожжи используются также в производстве кормов для животных. Большая часть дрожжей винокуренного производства в процессе перегонки разрушается и приобретает вид густой коричневой жидкости, называемой бардой. Барда находит применение в производстве кормов для животных, а в высушенном виде служит источником питательных веществ и других промышленных микробиологических процессах. Рост дрожжей в анаэробных условиях приводит к образованию большого количества этанола, но выход дрожжевых клеток на единицу затраченного субстрата при этом невысок. Сейчас промышленный спирт получают из нефти, однако в прошлом его вырабатывали микробиологическим путем. В настоящее время таким способом приходится получать только тот спирт, который применяется в пищевой промышленности и медицине. Кроме алкогольных напитков сюда относится спирт, предназначенный для лекарственных нужд, и спирт, используемый как исходное вещество в производстве уксуса.
В основе производства большинства
спиртных напитков, например пива, сидра,
виски, джина лежит процесс
Основная цель производства пекарских дрожжей состоит в получении дрожжей, которые с высокой скоростью вырабатывают в тесте углекислый газ; однако это производство можно рассматривать и как особый процесс накопления биомассы. Поскольку пекарские дрожжи добавляют к муке в концентрации 1 % от веса муки, они составляют важный источник микробной биомассы в пище человека. В Украине каждый человек потребляет с пищей около 2 г дрожжевого белка в неделю, В табл.1.2 приведен аминокислотный состав и содержание витаминов в пекарских дрожжах.
Таблица 1.2 – Аминокислотный состав и содержание витаминов в пекарских дрожжах
Традиционное
использование дрожжей в
- Общие сведения о дрожжевой промышленности в Украине
В Украине всего несколько компаний занимается производством сухих дрожжей, по сути, монополизировав рынок, 90% украинского рынка дрожжей контролируют всего три компании. Причем внутренним сбытом эти предприятия не ограничиваются, они экспортируют свою продукцию, успешно конкурируя с производителями из ближнего зарубежья.
Рисунок 1.2 – Соотношение производства дрожжей по областям Украины 2005-2011 год
В 1990-х в стране функционировало полтора десятка дрожжевых заводов. Но из-за изношенного оборудования и устаревших технологий много продукции эти предприятия производить не могли. К тому же качество дрожжей зачастую оставляло желать лучшего. С 2000 г. структура украинского дрожжевого рынка начала меняться. Чтобы выдержать конкуренцию на рынке, заводы вынуждены были искать способы модернизации оборудования и автоматизации производства. Первым реконструкцию начал львовский завод «Энзим», примеру которого позже последовали предприятия из Кривого Рога, Харькова и Одессы. В итоге эти производители и разделили между собой рынок.
Крупнейшим производителем дрожжей в Украине еще с начала ХХ в. является ЧАО «Энзим». Компания обеспечивает более 50% объема украинского рынка дрожжей. По итогам 10 мес. 2011 г., предприятие лидирует как по объемам производства (36,8 тыс. т), так и по экспорту (9,6 тыс.т на сумму 47,6 тыс. грн). Компания отделяет себя от конкурентов уникальностью произведенного продукта: «Энзим» – единственное предприятие в Украине и одно из немногих в Европе, которое выпускает именно сухие дрожжи. Рынками сбыта для отечественных сухих дрожжей стали Польша, Чехия, Болгария, Нидерланды, Россия, Словакия и Молдова. По общим итогам 10 мес. 2011 г. и по сравнению с 2010 г., компания несколько увеличила экспорт – от 8,5 тыс. до 8,7 тыс. т. в натуральном выражении (с 40,5 тыс. до 43,5 тыс. грн.). Это говорит о высокой конкурентоспособности украинского пекарского сырья на зарубежных рынках.
И сейчас, по мнению специалистов, несмотря на то, что производителей в стране немного, дрожжевая отрасль уже перенасыщена — дабы удовлетворить потребность украинцев в дрожжах, вполне достаточно двух заводов. По данным информационно-аналитического агентства «Союз-Информ», потребление дрожжей в Украине в 2011 г. сократилось на 7% по сравнению с 2010 г
Таблица 1.1 – Производство дрожжей в Украине
Год производства |
Тыс. тон |
2005 |
175,112 |
2006 |
162,360 |
2007 |
158,091 |
2008 |
149,815 |
2009 |
158,081 |
2010 |
161,392 |
2011 |
178,976 |
Непростая ситуация
и с приобретением оборудования
Спрос на отечественный продукт высок во всей Европе. В среднем на экспорт идет 20% продукции, но в некоторые месяцы этот показатель достигает 50%. Экспорт дрожжей производиться в Бельгию, Голландию, Чехию, Польшу, Россию, Молдову.
Выводы:
1. Химический состав дрожжей непостоянен: Дрожжевые клетки в среднем содержат 67% воды и 3З% сухого вещества.Элементарный состав дрожжей с содержанием 55 % белков включает 46% углерода, 6,9% водорода, 9,1% азота, 30% кислорода в 80% неорганических веществ, в основном калия и фосфора. По современной системе классификации дрожжи делятся на две группы: споровые и бесспоровые.
2. Сухие дрожжи применяются в хлебопекарном деле, виноделии, пивоварении и производстве квасов и т.п. напитков, промышленном производстве спирта, а также в медицине и науке.
3. Всего три компании контролируют 90% украинского рынка дрожжей. «Энзим» – единственное предприятие в Украине и одно из немногих в Европе, которое выпускает именно сухие дрожжи. Рынками сбыта для отечественных сухих дрожжей стали Польша, Чехия, Болгария, Нидерланды, Россия, Словакия и Молдова.
РАЗДЕЛ 2 Технология производства сухих дрожжей
2.1 Этапы производства
В процессе выращивания дрожжей из одной клетки получают несколько тонн продукта.
Начальная стадия выращивания проходит в микробиологической лаборатории. Прежде всего, с помощью микроскопа отбираются здоровые и невредимые клетки нужных дрожжей. Выбранную клетку помещают в стерильную пробирку, в которой уже находятся все необходимые для роста клетки ингредиенты.
В пробирке клетка начинает размножаться почкованием. Когда количество размножившихся клеток достигает определенной массы, их переносят в стерильную стеклянную колбу. Колба содержит жидкую смесь, называемую питательной средой. В этой среде есть все необходимое для дальнейшего роста клеток. Когда дрожжевая клетка многократно размножилась, начинается процесс брожения. Содержимое колбы с дрожжевыми клетками переносят в стерилизованные чаны для брожения. В них готовят намного больше питательной среды, что даст возможность дрожжевым клеткам размножаться дальше. Основным питанием для дрожжей становится меласса, в качестве источника углеводов, добавляют также витамины и минеральные вещества.
Растущие и размножающиеся клетки поступают по очереди в бродильные чаны с все большим объемом. Объем последнего в технологическом процессе бродильного чана – 100 м3 В конце брожения количество дрожжей измеряется тоннами.
После процесса брожения дрожжевые клетки поступают к промывным аппаратам, где промываются и отделяются от питательных веществ, с помощью сепараторов. Получается чистая и активная довольно густая дрожжевая масса.
Затем дрожжевую массу отделяют от лишней воды и фильтруют на вакуум-фильтре. Полученную дрожжевую массу помещают в большие холодильники и остужают до + 40С.
2.2 Технологическая схема дрожжевого производства
Процесс получения товарных дрожжей включает три основные стадии: выращивание, выделение из бражки и обезвоживание их.
Выращивание биомассы делится на два процесса: получение засевных дрожжей, на отделении чистой культуры и выращивании товарных дрожжей. Выделение проходит в две ступени: извлечение из бражки флотацией и сгущение на сепараторах.
Процесс обезвоживания также состоит из нескольких операций: сначала дрожжи плазмолизуются, затем упариваются на выпарной установки и после этого окончательно высушиваются на распылительной сушилке.
Схема 2.1 – Технологическая схема производства сухих дрожжей
1-чан; 2-малая дрожжанка; 3-большая дрожжанка; 4- малый инкулятор; 5-производственный инкулятор; 6-приемник; 7-сусло; 8-питательные соли; 9-аммиачная вода; 10-воздоходувка; 11-флотатор; 12-стакан флотатора; 13-сепаратор 1; 14-промывной чан; 15-сеператор 2; 17-плазмолизатор; 18-напорный бак; 19- вакуум-выпарную установка
Весь цикл производства
заключается в следующем. Чистая
культура дрожжей, выращенная в лаборатории,
засевается в малую дрожжанку 2, где
ведется выращивание
2.3 Основные способы выращивания дрожжей
Существуют два принципиально различных способа выращивания дрожжей: периодический и непрерывный. В первом случае в инокулятор задают питательную среду с солями, охлажденную до необходимой температуры, засевные дрожжи, затем подают воздух, перемешивают и таким образом ведут выращивание до полной утилизации РВ дрожжами. В ходе выращивания только поддерживают необходимую температуру, рН среды и расход воздуха. По окончании процесса содержимое инокулятора полностью выбирают, аппарат моют, стерилизуют и процесс выращивания начинают сначала. Таким способом ведут выращивание на первых стадиях приготовления чистой культуры дрожжей в отделениях чистой культуры производственных цехов. При этом способе выращивания дрожжи проходят в инокуляторе постепенно все стадии развития:
1) стадию покоя или лагфазу, когда клетки еще не растут, а лишь приспосабливаются к среде в подготавливаются к росту—в них в это время вырабатываются необходимые ферменты;
2) фазу логарифмического
роста, когда все клетки
3) фазу стационарного роста, когда скорость прироста клеток снижается ;
4) фазу затухания, когда рост дрожжей прекращается, так как весь сахар из среды использован.
Периодический способ выращивания невыгоден тем, что на протяжения цикла выращивания меняются состав среды и активность клеток, процесс нельзя автоматизировать. Мала производительность инокулятора из-за длительной лагфазы (период «разбраживания») и необходимости остановок для отбора готовых дрожжей и мойки посуды. Поэтому в больших промышленных инокуляторах выращивание ведут непрерывным способом. Он заключается в том, что после окончания разбраживания, когда дрожжи перешли в фазу логарифмического роста и находятся в самом активном состоянии, в инокулятор мелкими порциями или непрерывно с заданной скоростью приливают питательную среду и одновременно с той же скоростью отбирают среду с приросшими дрожжами. В инокуляторе поддерживают определенный запас дрожжей и бражки, поэтому при определенной скорости подачи среды дрожжи находятся в аппарате необходимое время, в течение которого они успевают усвоить питательные элементы среды и вырасти. При таком способе выращивания дрожжи находятся все время в постоянных условиях, скорость роста их максимальна, производительность инокулятора — тоже. Процесс полностью поддается автоматизации. Непрерывный способ выращивания дрожжей имеет три существенно различных варианта по соотношению времени роста дрожжей в времени нахождения бражки в инокуляторе. 1-й вариант.
Бражка и дрожжи отбираются из инокулятора с одинаковой скоростью, одним потоком (рис. 2.2).
Рисунок.2.2 - Схема выращивания дрожжей прямым методом:
1-инокулятор; 2-флотатор
2.4 Технологический режим
Технологический режим — это ряд условий, обеспечивающих ход технологического процесса в нужных направлениях и масштабе при максимальном выходе продукта. Факторы режима, необходимые для обеспечения требуемого направления жизнедеятельности дрожжей и максимального выхода, следующие: состав среды; состав питательных солей и количество их на единицу расхода питательной среды; рН среды и рН выращивания; температура выращивания; остаточная концентрация питательных веществ в бражке время роста дрожжей; время нахождения среды в инокуляторе; расход воздуха
Состав среды
Для выращивания дрожжей в промышленности применяются три вида гидролизных сред: гидролизат, барда и смесь барды с гидролизатом. Они служат источником основной составной части дрожжей — углерода. В процессе жизнедеятельности дрожжи усваивают углерод из таких, входящих в состав гидролизных сред соединений, как сахара и органические кислоты (главным образом уксусная). Основное различие между этими средами заключается в количестве содержащихся в них питательных веществ и в соотношении сахаров (редуцирующих веществ) и органических кислот. Так, в гидролизате содержится 3,0_3,5% редуцирующих веществ и только 03—О,45% органических кислот, что составляет лишь около 10/ от суммарного количества сахаров и кислот. В барде содержится 0,6—0,7%, редуцирующих веществ органических кислот—около 0,2%, т. е. доля их в сумме источков углерода для дрожжей составляет до 25%. В смеси барды и гидролизата это соотношение может быть самым разнообразным в зависимости от того, сколько гидролизата добавлено к барде. Состав сахаров барды и гидролизата также различен. В барде содержатся только пентозные сахара, в гидролизате около 20% сахаров составляют пентозы, около 80% гексозы. По питательной ценности сахара и органические кислоты неравнозначны.
Состав питательных солей
Для нормального развития дрожжей на какой-либо питательной среде необходимо, чтобы эта среда содержала источники всех элементов, которые входят в состав дрожжевой клетки. Чтобы выход дрожжей был максимальным, элементы в среде должны находиться в той же пропорции, что и в дрожжевой клетке. В гидролизном сырье элементы, необходимые для дрожжей, находятся в совершенно другой пропорции, чем в самих дрожжах. Таких элементов, как азот и фосфор, в древесине содержится незначительное количество. Поэтому их и некоторые другие элементы питания обязательно следует добавлять в гидролизные среды. Добавка осуществляется в виде раствора минеральных солей. Величина добавки той или иной соли рассчитывается в зависимости от состава дрожжевой массы, состава используемой древесины (или другого растительного материала) и выхода дрожжей от исходного сырья. Следует также предусмотреть некоторый избыток в расходе питательных солей, так как небольшие количества их должны обязательно оставаться в бражке (культуральной среде) после выращивания дрожжей.
В количестве меньшем, чем 0,1%, находятся в дрожжах такие элементы, как медь, железо, натрий, кремний, кобальт. Это так называемые микроэлементы
рН выращивания дрожжей
Следует различать рН среды, поступающей в инокулятор для выращивания дрожжей (сусла), и рН бражки в инокуляторе, т. е. рН, при котором растут дрожжи. Оба параметра нерасчетные, они подбираются опытным путем. рН сусла выбирается на основании условий, обеспечивающих наибольшую его доброкачественность и наименьшую агрессивность, а также из условий растворимости отдельных компонентов. Для сусла, получаемого путем гидролиза растительных материалов, принят рН в пределах 3,8—4,2. рН выращивания или рН бражки в инокуляторе обусловливается совершенно иными факторами, он должен: гарантировать оптимальные условия развития дрожжей; не являться оптимальным для биологических примесей, например таких, как бактерии; быть оптимальным для поддержания в растворенном состоянии всех компонентов сусла. рН, при котором дрожжи могут существовать в развиваться, колеблется в очень широких пределах: от 2,5 до 8,0. Эти пределы сильно зависят от других условий выращивания, таких, как температура, доброкачественность среды, возраст дрожжей, аэрация. Оптимальный рН, т. е. тот, при котором дрожжи, быстро развиваясь, дают высокий выход биомассы, лежит в гораздо более узких пределах. При слишком низких и слишком высоких значениях рН выход дрожжей уменьшается. Графически зависимость выхода дрожжей от рН можно представить кривой с максимумом, как это изображено на рис. 2.3.
Рисунок.2.3 - Зависимость выхода дрожжей от Рн
Для непрерывного выращивания на гидролизных средах оптимум рН находится между 3,8 в 5,4. Однако при рН больше 4,6 сильно снижается растворимость фосфорно-кальциевых солей, а также коллоидно- растворенных гуминовых кислот и лигнина; они начинают выпадать в осадок. Среды темнеют, товарные дрожжи-тоже. При высоком рН (5,0—5,4) хорошо развиваются бактерии и поэтому увеличивается возможность заражения ими инокулятора. Поэтому рН при выращивании дрожжей на гидролизных средах принимают равным 3,8—4,6, однако при производственной необходимости допускается выращивание в при рН 3,5—3,6, а также при рН 4,8—5,4.
Температура выращивания
Температура выращивания — нерасчетный параметр, принимаемый в зависимости от выбранной для производства культуры дрожжей.Зависимость выхода от температуры аналогична зависимости его от рН: тоже имеет максимум. При низкой температуре выход уменьшается из-за того, что увеличивается расход сахара на энергетические процессы в клетке. При температуре выше оптимальной выход быстро снижается, так как выходят из строя катализаторы биохимических реакций — ферменты. Как и другие белковые вещества при высокой температуре они сначала теряют активность, а потом свертываются и перестают действовать. Биохимические реакции так же, как и химические, ускоряются с повышением температуры (при увеличении температуры на 10°С скорость реакции возрастает вдвое). Поэтому выгоднее вести процесс при более высокой температуре: производительность аппаратуры будет больше. Кроме того, для производства большое значение имеет возможность работать при высоких температурах, так как можно тратить меньше воды для охлаждения сред