RU2361919C1 - Method of obtaining biocatalyst for alcoholic fermentation - Google Patents

Method of obtaining biocatalyst for alcoholic fermentation Download PDF

Info

Publication number
RU2361919C1
RU2361919C1 RU2007145168/13A RU2007145168A RU2361919C1 RU 2361919 C1 RU2361919 C1 RU 2361919C1 RU 2007145168/13 A RU2007145168/13 A RU 2007145168/13A RU 2007145168 A RU2007145168 A RU 2007145168A RU 2361919 C1 RU2361919 C1 RU 2361919C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
biocatalyst
solution
exopolysaccharide
alcoholic fermentation
gel
Prior art date
Application number
RU2007145168/13A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Арнольдович Винокуров (RU)
Владимир Арнольдович Винокуров
Ирина Васильевна Ботвинко (RU)
Ирина Васильевна Ботвинко
Артем Вадимович Барков (RU)
Артем Вадимович Барков
Анатолий Михайлович Татаринов (RU)
Анатолий Михайлович Татаринов
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Российский государственный университет нефти и газа им.И.М.Губкина
Ассоциация делового сотрудничества в области передовых комплексных технологий "АСПЕКТ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Российский государственный университет нефти и газа им.И.М.Губкина, Ассоциация делового сотрудничества в области передовых комплексных технологий "АСПЕКТ" filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Российский государственный университет нефти и газа им.И.М.Губкина
Priority to RU2007145168/13A priority Critical patent/RU2361919C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2361919C1 publication Critical patent/RU2361919C1/en

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10Biofuels, e.g. bio-diesel

Landscapes

  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)

Abstract

FIELD: food products; alcoholic beverages. ^ SUBSTANCE: method of obtaining biocatalyst for alcoholic fermentation comprises increasing biomass of yeast Saccharomyces cerevisiae and immobilising it by including it in helium matrix by way of mixing with gelling material solution with its subsequent curing by ions Ca++. Gelling material is represented by mixture of exopolysaccharide with molecular weight 1.5105-2.5105 Da, derived from Paracoccus denitrificans All-Russian collection of industrial microorganisms B-8617 bacteria strain and sodium alginate in mass ratio 0.1-0.9:3.5.-4.5. ^ EFFECT: obtaining highly active biocatalyst with long work period for alcoholic fermentation basing on free yeast cells for industrial production of ethanol as chemical while using it as fuel. ^ 1 tbl, 2 ex

Description

Изобретение относится к биохимической промышленности, а именно к способу получения иммобилизованных биокатализаторов на основе дрожжей для спиртового брожения для получения этилового спирта как химического продукта, используемого, в частности, в качестве топлива.The invention relates to the biochemical industry, and in particular to a method for producing immobilized yeast-based biocatalysts for alcoholic fermentation to produce ethyl alcohol as a chemical product used, in particular, as fuel.

Традиционным биокатализатором спиртового сбраживания солодового и виноградного сусла, виноматериалов, фруктовых, овощных и иных растительных соков, сахаро- и крахмалосодержащих материалов и т.д., с целью получения спиртосодержащих композиций, являются свободные дрожжевые клетки.Free yeast cells are the traditional biocatalyst of alcoholic fermentation of malt and grape must, wine materials, fruit, vegetable and other vegetable juices, sugar and starch-containing materials, etc., in order to obtain alcohol-containing compositions.

Необходимость в повышении технологичности процесса сбраживания потребовала разработки новых биокатализаторов, обеспечивающих, в частности, повышение длительности их использования в ферментационных процессах, упрощение стадии отделения биокатализатора от ферментационной среды, возможность регенерации и повторного использования отработанного биокатализатора, улучшение технологичности непрерывных процессов спиртового сбраживания.The need to increase the manufacturability of the fermentation process required the development of new biocatalysts, which, in particular, increased the duration of their use in fermentation processes, simplified the stage of separation of the biocatalyst from the fermentation medium, the possibility of regeneration and reuse of the spent biocatalyst, improved processability of continuous processes of alcoholic digestion.

Известен широкий ряд запатентованных технических решений [например, JP 57-150385, JP 60153794, JP 1067189, US 5079011, US 5334229, DE 3432923, FR 2320349, FR 2359202, FR 2601687, FR 2600673, FR 2586256, ЕР 388588, FR 2668081, ES 2192986], включающих в свой состав способы получения биокатализаторов спиртового брожения на основе дрожжей, частично решающих проблемы, возникающие при использовании свободных дрожжевых клеток при производстве вин, пива, шипучих напитков с различным содержанием алкоголя, а также шампанизации виноматериала.A wide range of patented technical solutions is known [for example, JP 57-150385, JP 60153794, JP 1067189, US 5079011, US 5334229, DE 3432923, FR 2320349, FR 2359202, FR 2601687, FR 2600673, FR 2586256, EP 388588, FR 2668081, ES 2192986], which includes methods for producing alcoholic fermentation biocatalysts based on yeast that partially solve the problems that arise when using free yeast cells in the production of wines, beer, effervescent drinks with different alcohol contents, and champagne material.

Общим существенным признаком этих известных способов является иммобилизация методом включения свободных дрожжевых клеток матрицей гелевого носителя с образованием твердых, как правило, сферических частиц, причем отверждение исходного гелеобразующего материала (например, натриевых или калиевых солей альгиновой кислоты) осуществляют либо методом ионного обмена с использованием ионов двухвалентных или трехвалентных металлов (хлористые кальций, барий, стронций, алюминий), либо полимеризацией включенного в исходную дрожжевую суспензию мономера, например акриламида, либо специфической обработкой исходной дрожжевой суспензии, включающей в свой состав полимер, например поливиниловый спирт, с образованием, так называемых, криогелей.A common essential feature of these known methods is immobilization by incorporation of free yeast cells with a gel carrier matrix to form solid, usually spherical particles, and the curing of the initial gelling material (for example, sodium or potassium salts of alginic acid) is carried out either by ion exchange using divalent ions or trivalent metals (calcium chloride, barium, strontium, aluminum), or by polymerization included in the original yeast suspension monomer, for example acrylamide, or by specific treatment of the initial yeast suspension, which includes a polymer, for example polyvinyl alcohol, with the formation of so-called cryogels.

Однако вышеприведенная технология получения биокатализаторов спиртового брожения предназначена для получения биокатализаторов для приготовления спиртосодержащих напитков, таких как вино, пиво, шампанское, шипучие напитки с различным содержанием алкоголя, и, согласно информации, приведенной в описаниях к вышеприведенным патентам, не может обеспечить получение высокоактивного, сохраняющего в течение длительного времени взаимодействия с ферментационной средой свои как биохимические, так и механические свойства, биокатализатора, предназначенного для промышленного получения этилового спирта.However, the above technology for producing alcoholic fermentation biocatalysts is intended to produce biocatalysts for the preparation of alcohol-containing drinks, such as wine, beer, champagne, effervescent drinks with different alcohol contents, and, according to the information given in the descriptions of the above patents, cannot provide highly active, preserving for a long time interacting with the fermentation medium, both its biochemical and mechanical properties, biocatalyst, pre designated for commercial production of ethanol.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является способ получения биокатализатора спиртового брожения, применяемый для получения этанола, описанный в патенте DE 3432923, характеризующийся следующей совокупностью существенных признаков.Closest to the invention in terms of essential features is a method for producing a biocatalyst of alcoholic fermentation, used to produce ethanol, described in patent DE 3432923, characterized by the following set of essential features.

Свободные дрожжевые клетки суспендируют в физиологическом растворе и смешивают с предварительно приготовленным стерильным водным раствором альгината натрия. Полученную суспензию раствора альгината натрия с клетками дрожжей подают в виде капель в ванну с раствором хлористого кальция. При попадании капель в ванну в результате обмена ионов Na+ на ионы Са++ образуются 3-х мм гелеобразные гранулы (жемчужины). Возникшие через ионотропное образование гелевые гранулы выдерживают в растворе хлористого кальция при постоянном перемешивании в течение 30 минут, отсеивают и многократно промывают проточной водой. Затем промытые гранулы в течение 15 минут при постоянном перемешивании полощут в растворе альгината натрия. Благодаря диффузии ионов Са++ из гелевых жемчужин в раствор альгината натрия вокруг гранул-жемчужин образуется достаточно толстая оболочка из Са-альгината. Гранулы вновь промывают проточной водой и погружают на 1 час в раствор хлористого кальция, после выдержки в растворе хлористого кальция гранулы вновь подвергают многократной промывке проточной водой. Полученные гранулы биокатализатора стерилизуют облучением в течение 5 минут 6 Вт-лампой УФ.Free yeast cells are suspended in physiological saline and mixed with a pre-prepared sterile aqueous solution of sodium alginate. The resulting suspension of a solution of sodium alginate with yeast cells is served in the form of drops in a bath with a solution of calcium chloride. When droplets enter the bath as a result of the exchange of Na + ions for Ca ++ ions, 3 mm gel-like granules (pearls) are formed. The gel granules that have arisen through ionotropic formation are kept in a solution of calcium chloride with constant stirring for 30 minutes, sieved and washed repeatedly with running water. Then washed granules for 15 minutes with constant stirring, rinse in a solution of sodium alginate. Due to the diffusion of Ca ++ ions from gel pearls into a solution of sodium alginate, a rather thick shell of Ca alginate is formed around the pearl granules. The granules are again washed with running water and immersed for 1 hour in a solution of calcium chloride, after exposure to a solution of calcium chloride, the granules are again subjected to repeated washing with running water. The obtained biocatalyst granules are sterilized by irradiation for 5 minutes with a 6 W UV lamp.

Недостатком описанного известного способа получения биокатализатора спиртового брожения является сложность его приготовления в промышленном масштабе с получением с высокими скоростями и низкой себестоимостью значительного количества биокатализатора высокого качества, в частности, из-за его многостадийности, а также сложности предотвращения агломерации образующихся на поверхности жидкости, содержащей сшивающий агент (CaCl2), гелевых частиц с включенными свободными дрожжевыми клетками.A disadvantage of the described known method for producing an alcoholic fermentation biocatalyst is the complexity of its preparation on an industrial scale with the high speed and low cost of producing a significant amount of high-quality biocatalyst, in particular because of its multi-stage nature, as well as the difficulty of preventing agglomeration of a liquid containing a crosslinking agent on the surface agent (CaCl 2 ), gel particles with free yeast cells included.

Кроме того, по известному способу получают биокатализатор, частицы которого окружены «достаточно толстым слоем» геля Са-альгинат, дополнительно отвержденного ионами Са++, не содержащего в своем составе иммобилизованных свободных дрожжевых клеток. Данный слой обеспечивает более длительный срок эксплуатации катализатора, затрудняя выход дрожжевых клеток из матрицы гелевого носителя, но затрудняя тем самым массоперенос между жидкой фазой питательной среды и гелевой фазой катализатора, содержащей, собственно, сам активный биокомпонент - дрожжевые клетки, что существенно снижает активность биокатализатора в целом.In addition, according to the known method, a biocatalyst is obtained, the particles of which are surrounded by a "sufficiently thick layer" of Ca-alginate gel, additionally cured with Ca ++ ions, which does not contain immobilized free yeast cells. This layer provides a longer catalyst life, making it difficult for yeast cells to exit the matrix of the gel carrier, but making it harder to mass transfer between the liquid phase of the nutrient medium and the gel phase of the catalyst, which contains, in fact, the active biocomponent itself - yeast cells, which significantly reduces the activity of the biocatalyst in whole.

Задача изобретения состоит в разработке более простого в исполнении, технологичного способа получения высокоактивного, обладающего повышенным сроком использования биокатализатора спиртового брожения на основе свободных дрожжевых клеток (иммобилизованные гранулированные дрожжи (далее - ИГД) для промышленного производства этилового спирта как химического продукта, используемого в качестве топлива за счет исключения протекания агломерации гелевых частиц с включенными свободными дрожжевыми клетками.The objective of the invention is to develop a simpler, more technologically advanced method for producing a highly active alcohol-fermentation biocatalyst with an increased shelf life based on free yeast cells (immobilized granular yeast (hereinafter - IHD) for the industrial production of ethyl alcohol as a chemical product used as fuel for due to the exclusion of agglomeration of gel particles with included free yeast cells.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения биокатализатора спиртового брожения, включающего наращивание биомассы дрожжей и ее иммобилизацию включением в гелевую матрицу путем смешения с раствором гелеобразующего материала с последующим его отверждением ионами Са++, согласно изобретению в качестве гелеобразующего материала используют смесь экзополисахарида с молекулярной массой 1,5·105-2,5·105 Da, полученного из штамма бактерий Paracoccus denitrificans ВКПМ В-8617, и альгината натрия в массовом соотношении 0,1-0,9:3,5-4,5.The problem is solved in that in the method for producing a biocatalyst of alcoholic fermentation, including the growth of biomass of yeast and its immobilization by incorporation into a gel matrix by mixing with a solution of a gel-forming material followed by its curing with Ca ++ ions, according to the invention, a mixture of exopolysaccharide with molecular is used as a gel-forming material weighing 1.5 · 10 5 -2.5 · 10 5 Da obtained from the bacterial strain Paracoccus denitrificans VKPM B-8617, and sodium alginate in a mass ratio of 0.1-0.9: 3.5-4.5.

Используемый экзополисахарид получают из штамма бактерий Paracoccus denitrificans ВКПМ В-8617 (RU 2006127257, 2006).The exopolysaccharide used is obtained from the bacterial strain Paracoccus denitrificans VKPM B-8617 (RU 2006127257, 2006).

Штамм Paracoccus denitrificans ВКПМ В-8617 характеризуется следующими признаками. В активной фазе клетки Paracoccus denitrificans ВКПМ В-8617 представляют собой толстые короткие палочки размером 1-1,5-1,5-2,0 мкм. Бактериальные клетки образуют колонии опалового цвета. Существует необходимость в дополнительных факторах роста (дрожжевой экстракт и пантотеновая кислота), растет на средах, содержащих метанол. Штамм Paracoccus denitrificans ВКПМ В-8617 не патогенен для мышей.The strain of Paracoccus denitrificans VKPM B-8617 is characterized by the following features. In the active phase, Paracoccus denitrificans VKPM B-8617 cells are thick short bacilli 1-1.5-1.5-2.0 μm in size. Bacterial cells form opal colonies. There is a need for additional growth factors (yeast extract and pantothenic acid), growing on media containing methanol. The strain of Paracoccus denitrificans VKPM B-8617 is not pathogenic for mice.

Указанный штамм размножается при 20-29°С; хранится при +4°С на скошенном глюкозокартофельном агаре или сусло-агаре. Среду стерилизуют при 0,75 атм и температуре 110°С. Частота пересевов -1 раз в 4-5 месяцев.The specified strain propagates at 20-29 ° C; stored at + 4 ° C on beveled glucose-potato agar or wort agar. The medium is sterilized at 0.75 atm and a temperature of 110 ° C. The frequency of reseeding -1 time in 4-5 months.

Культурально-морфологические признаки штамма Paracoccus denitrificans ВКПМ В-8617.Cultural and morphological characteristics of the strain of Paracoccus denitrificans VKPM B-8617.

Клетки бактерий грамотрицательные, неподвижные. В логарифмической фазе культура представляет собой толстые короткие палочки, в стационарной - коккоиды, расположенные парами, реже - в коротких цепочках. Спор не образуют. Размножение клеток осуществляется путем бинарного деления.Bacterial cells are gram-negative, motionless. In the logarithmic phase, the culture is thick short sticks, in the stationary one - coccoids arranged in pairs, less often in short chains. They do not form a dispute. Cell reproduction is carried out by binary division.

При росте на сусло-агаре или на скошенном глюкозокартофельном агаре штамм образует выпуклые блестящие слизистые опаловые колонии правильной формы, 4-6 мм в диаметре. При росте на жидкой среде с этанолом, в качестве единственного источника углерода, образует высоковязкую тягучую суспензию светло-кремового цвета. При многократном рассеве на твердой богатой сахаросодержащей среде диссоциация штамма не была обнаружена. Стабильной является мукоидная форма бактериальных клеток, синтезирующая стабильный продукт со стабильных выходом. Колониально-морфологическая изменчивость - единообразие клеток.When growing on wort agar or on mowed glucose-potato agar, the strain forms convex shiny mucous opal colonies of regular shape, 4-6 mm in diameter. When growing on a liquid medium with ethanol, as the only carbon source, it forms a highly viscous viscous suspension of a light cream color. When repeated screening on a solid rich sugar-containing medium, strain dissociation was not detected. Stable is the mucoid form of bacterial cells, which synthesizes a stable product with a stable yield. Colonial-morphological variability is the uniformity of cells.

Физиолого-биохимические признаки.Physiological and biochemical characteristics.

Аэроб. Каталазоположительный, оксидазоотрицательный, кислотонеустойчивый. Имеется супероксидисмутаза, пероксидаза отсутствует. Температурный диапазон роста 10-42°С. Оптимальная температура роста 24-30°С, рН 5,5-8,0, оптимум рН 7,0. Желатину не разжижает. Крахмал не гидролизует. Молоко не сбраживает. Нитраты не восстанавливает, сероводород, индол и ацетоин не образует.Aerobe. Catalase-positive, oxidase-negative, acid-unstable. There is superoxide dismutase, peroxidase is absent. The temperature range of growth is 10-42 ° C. The optimum growth temperature is 24-30 ° C, pH 5.5-8.0, optimum pH 7.0. It does not dilute gelatin. Starch does not hydrolyze. Milk does not ferment. It does not restore nitrates, does not form hydrogen sulfide, indole and acetoin.

Штамм Paracoccus denitrificans ВКПМ В-8617 относится к микроорганизмам, не патогенным для человека, согласно классификации микроорганизмов, приведенных в Санитарных правилах СП 1.2.731-99.The strain of Paracoccus denitrificans VKPM B-8617 refers to microorganisms that are not pathogenic for humans, according to the classification of microorganisms given in the Sanitary rules SP 1.2.731-99.

Штамм культивируется в аэробных условиях. Оптимум рН 7,0. Растет на средах, содержащих углеводы. Использует неорганические и органические источники азота. Нуждается в дополнительных факторах роста.The strain is cultivated under aerobic conditions. The optimum pH is 7.0. Grows on media containing carbohydrates. Uses inorganic and organic nitrogen sources. Needs additional growth factors.

Ниже приведен перечень компонентов питательной среды для культивирования Paracoccus denitrificans ВКПМ В-8617 (мас.%):The following is a list of the components of the culture medium for the cultivation of Paracoccus denitrificans VKPM B-8617 (wt.%):

КН2РO4·3Н2OKH 2 PO 4 · 3H 2 O 0,1-20.1-2 NaClNaCl 0,05-10.05-1 43·2Н2ONH 4 NO 3 · 2H 2 O 0,1-20.1-2 MgSO4·7Н2OMgSO 4 · 7H 2 O 0,01-10.01-1 FeSO4·7Н2OFeSO 4 · 7H 2 O 0,0001-0,010.0001-0.01 CaCl2·2Н2OCaCl 2 · 2H 2 O 0,005-0,050.005-0.05 Пантотеновая кислотаPantothenic acid 0,0001-0,0010.0001-0.001 Дрожжевой экстрактYeast extract 0,001-0,10.001-0.1 ГлюкозаGlucose 0,5-5.0.5-5.

В качестве дополнительного источника углерода используют этанол в количестве от 0,5 до 2 об.% на 100 об.% питательной среды.Ethanol is used as an additional carbon source in an amount of from 0.5 to 2 vol.% Per 100 vol.% Of the nutrient medium.

Возможно получение экзополисахарида с идентичными свойствами на альтернативной питательной среде, достоинством которой является ее дешевизна по сравнению с вышеуказанной.It is possible to obtain an exopolysaccharide with identical properties on an alternative nutrient medium, the advantage of which is its cheapness compared to the above.

Ниже приведен перечень компонентов альтернативной питательной среды для культивирования Paracoccus denitrificans ВКПМ В-8617 (мас.%).The following is a list of components of an alternative nutrient medium for the cultivation of Paracoccus denitrificans VKPM B-8617 (wt.%).

КН2РO4·3Н2OKH 2 PO 4 · 3H 2 O 0,1-20.1-2 NaClNaCl 0,05-10.05-1 NH4NO3·2Н2ONH 4 NO 3 · 2H 2 O 0,01-0,50.01-0.5 MgSO4·7Н2OMgSO 4 · 7H 2 O 0,01-10.01-1 СаСl2·2Н2OCaCl 2 · 2H 2 O 0,005-0,10.005-0.1 ВодаWater до 100.up to 100.

В качестве источников углерода и факторов роста использовались этанол в количестве 1,5 об.% и молочная сыворотка в количестве 30 об.%.As sources of carbon and growth factors, ethanol in an amount of 1.5 vol.% And whey in an amount of 30 vol.% Were used.

Культивирование Paracoccus denitrificans ВКПМ В-8617 для получения экзополисахарида осуществляют в ферментаторе при температуре 28-40°С в условиях аэрации и перемешивания при концентрации растворенного кислорода 20-40%, рН среды - 7,0, в течение 24-48 часов. Продуктивность штамма в описанных выше условиях оптимальна и составляет по биомассе (5,5±0,8)×108 клеток/мл, по количеству синтезируемого ЭПС - от 6 до 10 г/л.The cultivation of Paracoccus denitrificans VKPM B-8617 to produce exopolysaccharide is carried out in a fermenter at a temperature of 28-40 ° C under conditions of aeration and stirring at a concentration of dissolved oxygen of 20-40%, pH of 7.0, for 24-48 hours. The strain productivity under the conditions described above is optimal and amounts to (10.5 ± 0.8) × 10 8 cells / ml in biomass, and from 6 to 10 g / l in the amount of EPS synthesized.

Продуцируемый штаммом бактерий Paracoccus denitrificans ВКПМ В-8617 экзополисахарид выделяли из культуральной жидкости и очищали нижеописанным способом. Культуральную жидкость, содержащую ЭПС, диализовали против дистиллированной воды в течение 5 дней. Затем разводили дистиллированной водой в 3 раза и отделяли клетки ультрацентрифугированием. Супернатант концентрировали в вакууме при небольшом подогреве до начального объема, после чего ЭПС осаждали добавлением изопропанола. Осадок ЭПС промывали чистым изопропиловым спиртом и высушивали при температуре 40°С.The exopolysaccharide produced by the bacterial strain Paracoccus denitrificans VKPM B-8617 was isolated from the culture fluid and purified by the method described below. The culture fluid containing EPS was dialyzed against distilled water for 5 days. Then it was diluted with distilled water 3 times and the cells were separated by ultracentrifugation. The supernatant was concentrated in vacuo with slight heating to the initial volume, after which the EPS was precipitated by the addition of isopropanol. The EPS precipitate was washed with pure isopropyl alcohol and dried at a temperature of 40 ° C.

Выделенный описанным способом ЭПС представляет собой массу перепутанных коротких волокон (до 15 мм) от светло-желтого до белого цвета влажностью 10-12% и содержанием полисахарида 95-99%.EPS isolated by the described method is a mass of entangled short fibers (up to 15 mm) from light yellow to white with a moisture content of 10-12% and a polysaccharide content of 95-99%.

Экзополисахарид образован остатками глюкозы, галактозы, маннозы, рамнозы (соответственно 5:2:4:1), включает в свой состав глюкуроновую и пировиноградную кислоты, а также ацильные группы. Молекулярная масса экзополисахарида, определенная гель-фильтрацией на Sephadex G-200 (Швеция), лежит в 0,5×106-2×107 Д.The exopolysaccharide is formed by glucose, galactose, mannose, rhamnose residues (5: 2: 4: 1, respectively), includes glucuronic and pyruvic acids, as well as acyl groups. The molecular mass of exopolysaccharide, determined by gel filtration on a Sephadex G-200 (Sweden), lies in 0.5 × 10 6 -2 × 10 7 D.

Экзополисахарид растворяется в воде и полярных органических растворителях, таких как диметилформамид и диметилсульфоксид, образуя высоковязкие истинные растворы. Водные растворы экзополисахарида обладают псевдопластичностью и тиксотропией. При увеличении концентрации водного раствора экзополисахарида до 0,1% резко возрастает его кинематическая вязкость.The exopolysaccharide is soluble in water and polar organic solvents such as dimethylformamide and dimethyl sulfoxide, forming highly viscous true solutions. Aqueous solutions of exopolysaccharide have pseudoplasticity and thixotropy. With an increase in the concentration of an aqueous solution of exopolysaccharide to 0.1%, its kinematic viscosity sharply increases.

ЭПС осаждается из водных растворов спиртами (например, метанолом, этанолом, изопропанолом) и кетонами, например ацетоном. Добавление в водный раствор ЭПС неорганических солей (CaCl2) приводит к выделению или так называемому высаливанию ЭПС.EPS is precipitated from aqueous solutions by alcohols (e.g., methanol, ethanol, isopropanol) and ketones, e.g., acetone. The addition of inorganic salts (CaCl 2 ) to the EPS aqueous solution results in the isolation or so-called salting out of EPS.

Характерным свойством экзополисахарида является его способность к структурированию не только водных, но и углеводородсодержащих систем. При смешении водных растворов ЭПС (0,2-0,7%) с нормальными углеводородами (С612), например, при объемном соотношении соответственно 1:9 образуется стабильная, не расслаивающаяся во времени эмульсия, характеризующаяся псевдопластичностью и тиксотропией.A characteristic property of exopolysaccharide is its ability to structure not only aqueous, but also hydrocarbon-containing systems. When water solutions of EPS (0.2-0.7%) are mixed with normal hydrocarbons (C 6 -C 12 ), for example, with a volume ratio of 1: 9, respectively, a stable, non-time-stratifying emulsion is formed, characterized by pseudoplasticity and thixotropy.

Динамическая вязкость таких эмульсий при скорости сдвига 3 с-1 составляет 2500-4000 мПа·с.The dynamic viscosity of such emulsions at a shear rate of 3 s -1 is 2500-4000 MPa · s.

Существенным для использования в ряде областей производства свойством продуцируемого штаммом бактерий Paracoccus denitrificans ВКПМ В-8617 полисахарида является независимость динамической вязкости (при малых скоростях сдвига) его водных растворов от температуры раствора вплоть до 90°С. Реологические свойства водных растворов практически не изменяются и при неоднократном предварительном их нагревании вплоть до 130°С с последующим охлаждением до исходной температуры (обычно 20°С).An important property of the polysaccharide polysaccharide produced by the bacterial strain Paracoccus denitrificans VKPM B-8617 that is important for use in a number of production areas is the independence of the dynamic viscosity (at low shear rates) of its aqueous solutions from the temperature of the solution up to 90 ° C. The rheological properties of aqueous solutions remain practically unchanged even with their repeated preliminary heating up to 130 ° С followed by cooling to the initial temperature (usually 20 ° С).

Примечательными свойствами данного полисахарида являются также его пленкообразующие и волокнообразующие свойства.The remarkable properties of this polysaccharide are also its film-forming and fiber-forming properties.

Уникальные структурирующие свойства этого экзополисахарида, а также его химический состав, позволяют при его смешении с водным раствором альгината натрия предварительно сформировать такую структуру раствора полисахаридов (за счет высокой вязкости исходного раствора экзополисахарида при малой его концентрации) для формирования последующей структуры матрицы включения в результате ионотропного обмена с ионами отверждающего агента, которая обеспечивает отсутствие протекания процесса агломерации образующимся на поверхности отверждающего раствора частицам биокатализатора. Кроме того, при эксплуатации биокатализатора (ИГД) в процессе спиртового сбраживания физическая структура и химический состав отвержденной гелевой матрицы обеспечивают ей свойство в течение длительного времени удерживать в своем составе иммобилизованные ею свободные дрожжевые клетки, предотвращая их вымывание при взаимодействии с ферментационной средой, и облегчают при этом массоперенос между жидкой фазой питательной среды и гелеобразной фазой частиц биокатализатора.The unique structuring properties of this exopolysaccharide and its chemical composition make it possible to pre-form such a structure of a polysaccharide solution (due to the high viscosity of the initial solution of exopolysaccharide at a low concentration) when it is mixed with an aqueous solution of sodium alginate to form the subsequent structure of the inclusion matrix as a result of ionotropic exchange with ions of the curing agent, which ensures the absence of the agglomeration process formed on the surface of the curing the solution to the particles of the biocatalyst. In addition, during the operation of the biocatalyst (IHD) in the process of alcoholic digestion, the physical structure and chemical composition of the cured gel matrix provide it with the ability to retain free yeast cells immobilized by it for a long time, preventing their leaching during interaction with the fermentation medium, and facilitate this mass transfer between the liquid phase of the nutrient medium and the gel phase of the particles of the biocatalyst.

Сущность изобретения заключается в следующем.The invention consists in the following.

Для наращивание биомассы, культивирование дрожжей, например, рода Saccharomyces cerevisiae, осуществляют в ферментерах в условиях аэрации на питательной среде, включающей: глюкозу 15-20 г/л; (NH4)2SO4 15-18 г/л; MgSO4·7H2O - 4-5 г/л; К2НРО4 5-6 г/л; дрожжевой экстракт - 1-1,5 г/л; вода - до 1 л. Оптимальная температура для роста поддерживается в интервале 28-32°С, оптимальное рН - от 3,5 до 6,5. Время культивирования 36-48 часов. Результатом осуществления культивирования названных бактерий является получение биомассы в виде суспензии свободных дрожжевых клеток, используемой далее в способе получения биокатализатора спиртового брожения по изобретению (ИГД).To build biomass, the cultivation of yeast, for example, of the genus Saccharomyces cerevisiae, is carried out in fermenters under conditions of aeration on a nutrient medium, including: glucose 15-20 g / l; (NH 4 ) 2 SO 4 15-18 g / l; MgSO 4 · 7H 2 O - 4-5 g / l; To 2 NRA 4 5-6 g / l; yeast extract - 1-1.5 g / l; water - up to 1 liter. The optimum temperature for growth is maintained in the range of 28-32 ° C, the optimal pH is from 3.5 to 6.5. The cultivation time is 36-48 hours. The result of the cultivation of these bacteria is to obtain biomass in the form of a suspension of free yeast cells, which is further used in the method for producing alcoholic fermentation biocatalyst according to the invention (IHD).

Порошкообразный альгинат натрия вводят в 0,1-0,9% (мас.) водный раствор экзополисахарида в количестве, обеспечивающем получение концентрации альгината натрия в растворе полисахаридов 3,5-4,5% (мас.), динамическая вязкость раствора составляет 500-1000 сП. Полученный раствор стерилизуют путем его автоклавирования в течение 18-22 мин при температуре 118-124°С, затем охлаждают до комнатной температуры.Powdered sodium alginate is introduced into a 0.1-0.9% (wt.) Aqueous solution of exopolysaccharide in an amount providing a concentration of sodium alginate in a solution of polysaccharides of 3.5-4.5% (wt.), The dynamic viscosity of the solution is 500- 1000 cp. The resulting solution is sterilized by autoclaving it for 18-22 minutes at a temperature of 118-124 ° C, then it is cooled to room temperature.

Равные объемы полученного стерильного раствора полисахаридов и суспензии свободных дрожжевых клеток смешивают. Полученную суспензию в виде капель с помощью насоса подают через откалиброванный капилляр диаметром от 0,5 до 5 мм с высоты 10-30 см (вертикально) в раствор сшивающего агента - 2-2,5%-ный водный раствор хлористого кальция, взятый в избытке. В результате взаимодействия капель суспензии раствора полисахаридов и свободных дрожжевых клеток с раствором хлористого кальция в результате поверхностного обмена ионов натрия альгината натрия и ионов кальция из раствора сшивающего агента образуются гелевые гранулы сферической формы диаметром 1-4 мм (высота 10-30 см является оптимальной для образования сферических гранул). Образовавшиеся гелевые гранулы выдерживают в растворе хлористого кальция в течение 30-40 мин для окончательного их (утверждения, после чего промывают водой, предварительно подвергнутой стерилизации путем автоклавирования в течение 30 мин при 118-124°С.Equal volumes of the obtained sterile polysaccharide solution and suspension of free yeast cells are mixed. The resulting suspension in the form of droplets is pumped through a calibrated capillary with a diameter of 0.5 to 5 mm from a height of 10-30 cm (vertically) into a solution of a crosslinking agent - a 2-2.5% aqueous solution of calcium chloride, taken in excess . As a result of the interaction of droplets of a suspension of a solution of polysaccharides and free yeast cells with a solution of calcium chloride as a result of a surface exchange of sodium ions of sodium alginate and calcium ions from a solution of a crosslinking agent, spherical gel granules are formed with a diameter of 1-4 mm (height 10-30 cm is optimal for the formation of spherical granules). The resulting gel granules are kept in a solution of calcium chloride for 30-40 minutes for their final (approval, then washed with water, previously sterilized by autoclaving for 30 minutes at 118-124 ° C.

Полученные упругие белые полупрозрачные сферические гранулы диаметром 1-4 мм и являются биокатализатором спиртового брожения (ИГД), которые используют в ферментационном сбраживании сахаров для получения этилового спирта как химического продукта, применяемого, в частности, в качестве топлива.The obtained elastic white translucent spherical granules with a diameter of 1-4 mm are a biocatalyst of alcoholic fermentation (IHD), which are used in the fermentation fermentation of sugars to produce ethanol as a chemical product, used in particular as a fuel.

Гранулы биокатализатора (ИГД) включают в свой состав отвержденную в результате ионотропного обмена двухвалентными ионами кальция гелевую матрицу, состоящую из смеси экзополисахарида и Na-Са-альгината, и иммобилизованные отвержденной гелевой матрицей свободные дрожжевые клетки.Biocatalyst granules (IHDs) include a gel matrix cured by ionotropic exchange of divalent calcium ions, consisting of a mixture of exopolysaccharide and Na-Ca alginate, and free yeast cells immobilized by a cured gel matrix.

Данный биокатализатор проявляет высокую сбраживающую активность в продолжительных бродильных процессах и высокую конверсию Сахаров. Данный биокатализатор успешно может быть использован как в периодических, так и в непрерывных ферментационных процессах.This biocatalyst exhibits a high fermentation activity in continuous fermentation processes and a high conversion of sugars. This biocatalyst can be successfully used both in batch and continuous fermentation processes.

Испытания показали, что биокатализатор по изобретению в течение полугодового использования в процессах спиртового сбраживания для получения этанола как химического продукта, применяемого в качестве топлива, не претерпел существенных изменений не только в своих биокаталитических свойствах, но и в механических характеристиках. При этом этанол по своим характеристикам полностью соответствовал требованиям ASTM D 5798-99 Standard Specification for Fuel Ethanol for Automotive Spark-Ignition Engines.Tests showed that the biocatalyst according to the invention for six months in the processes of alcoholic digestion to obtain ethanol as a chemical product used as fuel, has not undergone significant changes not only in its biocatalytic properties, but also in mechanical characteristics. Moreover, ethanol in its characteristics fully met the requirements of ASTM D 5798-99 Standard Specification for Fuel Ethanol for Automotive Spark-Ignition Engines.

Сырьем для производства этилового спирта могут служить различные растительные материалы, содержащие в достаточном количестве сбраживаемые сахара или другие осахариваемые углеводы, в число которых входят традиционно используемые для этой цели крахмалсодержащие материалы - зерно (рожь, пшеница, кукуруза, ячмень, овес, просо) и картофель, сахаросодержащие материалы - меласса (отход сахарного и крахмало-паточного производства), дефектная сахарная свекла, а также древесина и отходы сельскохозяйственных растений.The raw material for the production of ethanol can be various plant materials containing fermentable sugars in sufficient quantities or other saccharinated carbohydrates, which include starch-containing materials traditionally used for this purpose - grain (rye, wheat, corn, barley, oats, millet) and potatoes sugar-containing materials - molasses (a waste of sugar and starch-syrup production), defective sugar beets, as well as wood and agricultural waste.

Использование экзополисахарида с молекулярной массой, а также массового соотношения экзополисахарида и альгината натрия, выходящих за пределы указанных выше значений не приводит к получению биокатализатора желаемых характеристик.The use of an exopolysaccharide with a molecular weight, as well as a mass ratio of the exopolysaccharide and sodium alginate, which go beyond the above values, does not produce the biocatalyst of the desired characteristics.

Приведенные ниже примеры иллюстрируют вариант заявленного изобретения, но не ограничивают его.The following examples illustrate a variant of the claimed invention, but do not limit it.

Пример 1Example 1

Дрожжи Saccharomyces cerevisiae SL 100 выращивают в колбах в микроаэрофильных условиях (в стационарном режиме) на питательной среде следующего состава: Глюкоза - 20 г/л; (NH4)2SO4 - 18 г/л; MgSO4·7H2O - 4 г/л; K2HPO4 - 5 г/л; дрожжевой экстракт - 1 г/л; при температуре 30°С, рН - 5,5. Время культивирования 36 часов. Конечная концентрация сухой биомассы в 100 мл составляет 12,3 г. Клетки дрожжей находятся в экспоненциальной фазе роста.Yeast Saccharomyces cerevisiae SL 100 is grown in flasks under microaerophilic conditions (stationary) on a nutrient medium of the following composition: Glucose - 20 g / l; (NH 4 ) 2 SO 4 - 18 g / l; MgSO 4 · 7H 2 O - 4 g / l; K 2 HPO 4 - 5 g / l; yeast extract - 1 g / l; at a temperature of 30 ° C, pH 5.5. The cultivation time is 36 hours. The final concentration of dry biomass in 100 ml is 12.3 g. Yeast cells are in an exponential growth phase.

В 0,1 мас.% водный раствор экзополисахарида с молекулярной массой 1,5·105-2,5·105 Da, добавляют альгинат натрия в количестве 4 г на 100 мл раствора (массовое соотношение 0,5:4) и перемешивают до полного его растворения. Полученный раствор полисахаридов автоклавируют в течение 20 мин при температуре 121°С. Охлажденный до комнатной температуры раствор полисахаридов (при полном отсутствии пузырьков воздуха) смешивают с равным объемом (по 100 мл) суспензии клеток. Полученную суспензию гомогенизируют и с помощью насоса через калиброванные капилляры с внутренним диаметром 1,5 мм со скоростью 5 мл/ч вертикально с высоты 20 см подают в реактор, заполненный 2 литрами 2,2%-ного водного раствора хлористого кальция. Образовавшиеся при соприкосновении капелек суспензии с раствором отверждающего агента (CaCl2) твердые сферические гранулы далее выдерживают в растворе хлористого кальция в течение 30 мин, после чего промывают стерильной водой. Биокатализатор (ИГД) представляет собой белые (иногда прозрачные) упругие сферические гранулы диаметром 1-4 мм.In a 0.1 wt.% Aqueous solution of exopolysaccharide with a molecular weight of 1.5 · 10 5 -2.5 · 10 5 Da, sodium alginate is added in an amount of 4 g per 100 ml of solution (mass ratio 0.5: 4) and stirred until it is completely dissolved. The resulting polysaccharide solution was autoclaved for 20 minutes at a temperature of 121 ° C. Cooled to room temperature, the polysaccharide solution (in the complete absence of air bubbles) is mixed with an equal volume (100 ml) of the cell suspension. The resulting suspension is homogenized and, using a pump, through calibrated capillaries with an inner diameter of 1.5 mm at a speed of 5 ml / h, vertically from a height of 20 cm is fed into a reactor filled with 2 liters of a 2.2% aqueous solution of calcium chloride. The solid spherical granules formed upon contact of the droplets of the suspension with a solution of a curing agent (CaCl 2 ) are then kept in a solution of calcium chloride for 30 minutes, after which they are washed with sterile water. Biocatalyst (IHD) is a white (sometimes transparent) elastic spherical granules with a diameter of 1-4 mm.

Пример 2Example 2

Промытые гранулы биокатализатора (ИГД), полученные по примеру 1, загружают в реактор и добавляют 2 л стерильной питательной среды следующего состава: глюкоза - 150 г/л; (NH4)2SO4 - 5,2 г/л; MgSO4·7H2O - 0,55 г/л; К2НРO4 - 1,5 г/л, вода - до 2 л рН питательной среды 4,0. Температура культивирования 30°С. Процесс ферментации осуществляют с контролем рН, температуры и скорости выделения СО2 (бродильная активность). После прекращения выделения СO2 (через 72 часа), что свидетельствует об окончании процесса сбраживания, определяют объемное содержание спирта в бражке и конверсию сахара.The washed granules of the biocatalyst (IHD) obtained in example 1 are loaded into the reactor and 2 l of a sterile nutrient medium of the following composition are added: glucose - 150 g / l; (NH 4 ) 2 SO 4 - 5.2 g / l; MgSO 4 · 7H 2 O - 0.55 g / l; To 2 НРО 4 - 1.5 g / l, water - up to 2 l pH of the nutrient medium 4.0. The cultivation temperature is 30 ° C. The fermentation process is carried out with control of pH, temperature and the rate of evolution of CO 2 (fermentation activity). After the cessation of CO 2 emission (after 72 hours), which indicates the end of the fermentation process, the volumetric alcohol content in the mash and sugar conversion are determined.

Постферментационную жидкость отделяют от гранул биокатализатора и направляют на дистилляцию и ректификацию, а в реактор с оставшимся катализатором вновь подают питательную среду и осуществляют процесс сбраживания.Post-fermentation liquid is separated from the biocatalyst granules and sent to distillation and distillation, and a nutrient medium is again fed into the reactor with the remaining catalyst and the digestion process is carried out.

Дистилляцию и ректификацию постферментационной жидкости осуществляют любыми известными способами с получением этилового спирта необходимой плотности.The distillation and rectification of post-fermentation liquid is carried out by any known method with the production of ethyl alcohol of the required density.

В нижеприведенной таблице приведены основные характеристики ферментационного процесса по примеру 2.The table below shows the main characteristics of the fermentation process of example 2.

Вид биокатализатораType of biocatalyst Максимальная бродильная активность, мл СО2 / (л среды·час)Maximum fermentation activity, ml СО 2 / (l of medium · hour) Конверсия сахара, %Sugar Conversion,% Выход этанола, % от теоретическогоEthanol yield,% of theoretical Конечное содержание спирта, %The final alcohol content,% ИГДIGD 956956 95,495.4 92,392.3 7,37.3

Таким образом, способ согласно изобретению позволяет повысить активность и срок службы биокатализатора вследствие отсутствия процесса агломерации при одновременном упрощении технологии процесса за счет сокращения его стадий.Thus, the method according to the invention allows to increase the activity and service life of the biocatalyst due to the absence of an agglomeration process while simplifying the process technology by reducing its stages.

Claims (1)

Способ получения биокатализатора спиртового брожения, включающий наращивание биомассы дрожжей и ее иммобилизацию включением в гелевую матрицу путем смешения с раствором гелеобразующего материала с последующим его отверждением ионами Са++, отличающийся тем, что в качестве гелеобразующего материала используют смесь экзополисахарида с молекулярной массой 1,5·105-2,5·105 Da, полученного из штамма бактерий Paracoccus denitrificans ВКПМ В-8617, и альгината натрия в массовом соотношении 0,1-0,9:3,5-4,5. A method of producing a biocatalyst of alcoholic fermentation, including the growth of yeast biomass and its immobilization by incorporation into a gel matrix by mixing with a solution of a gel-forming material followed by its curing with Ca ++ ions, characterized in that a mixture of exopolysaccharide with a molecular weight of 1.5 · is used as a gel-forming material 10 5 -2.5 · 10 5 Da obtained from the bacterial strain Paracoccus denitrificans VKPM B-8617, and sodium alginate in a mass ratio of 0.1-0.9: 3.5-4.5.
RU2007145168/13A 2007-12-06 2007-12-06 Method of obtaining biocatalyst for alcoholic fermentation RU2361919C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007145168/13A RU2361919C1 (en) 2007-12-06 2007-12-06 Method of obtaining biocatalyst for alcoholic fermentation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007145168/13A RU2361919C1 (en) 2007-12-06 2007-12-06 Method of obtaining biocatalyst for alcoholic fermentation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2361919C1 true RU2361919C1 (en) 2009-07-20

Family

ID=41047139

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007145168/13A RU2361919C1 (en) 2007-12-06 2007-12-06 Method of obtaining biocatalyst for alcoholic fermentation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2361919C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2574211C1 (en) * 2014-11-26 2016-02-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва" Method of production of levana exopolysaccharide

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2574211C1 (en) * 2014-11-26 2016-02-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва" Method of production of levana exopolysaccharide

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bardi et al. Immobilization of yeast on delignified cellulosic material for room temperature and low-temperature wine making
Bashir et al. Enzyme immobilization and its applications in food processing: A review
CN101215592B (en) Fermentation method for producing pullulan polysaccharide
CA2624443C (en) Ethanol fermentation process and products
Nguyen et al. Optimization of Saccharomyces cerevisiae immobilization in bacterial cellulose by ‘adsorption-incubation’method
CN111100825B (en) Bacillus and application thereof in industry
Yokoi et al. Simultaneous production of hydrogen and bioflocculant by Enterobacter sp. BY-29
CN105695518A (en) Method for repeatedly preparing gallic acid by converting tannic acid through immobilized bacteria biological method
JPH051718B2 (en)
CN111154747B (en) Method for improving chitin deacetylase yield through mixed fermentation
Shokatayeva et al. Bacterial cellulose and pullulan from simple and low cost production media
RU2361919C1 (en) Method of obtaining biocatalyst for alcoholic fermentation
Maal et al. Characterization of an Acetobacter strain isolated from Iranian peach that tolerates high temperatures and ethanol concentrations
RU2392321C1 (en) Production method of biocatalist for alcohol fermentation
KR960037821A (en) Manufacturing method of persimmon vinegar
JPH0358715B2 (en)
Gao et al. Cell‐recycle membrane bioreactor for conducting continuous malolactic fermentation
Buddhika et al. Identification and characterization of acetic acid bacteria species isolated from various sources in Sri Lanka.
DÖMÉNY et al. Fermented beverages produced by yeast cells entrapped in ionotropic hydrogels of polysaccharide nature
Zohri et al. Continuous Ethanol Production from Molasses via Immobilized Saccharomyces cerevisiae on Different Carriers on Pilot Scale
Panchani et al. Isolation and characterization of chitosan producing bacteria from soil
TWI792803B (en) Method of producing natural type n-acetylglucosamine
US20230114259A1 (en) Glucose production method and ethanol production method
RU2322493C1 (en) Microorganism strain paracoccus denitrificans as producer of exopolysaccharide and exopolysaccharide
WO2024068943A1 (en) Method for the production of microbial biocapsules, microbial biocapsules obtained by said method and uses thereof

Legal Events

Date Code Title Description
TK4A Correction to the publication in the bulletin (patent)

Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL: 20-2009 FOR TAG: (73)

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20121207

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20140610

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20181207