RU2140449C1

RU2140449C1 - Method of biologically converting vegetable material

Info

Publication number: RU2140449C1
Application number: RU98104322A
Authority: RU
Inventors: А.И. Колесов
Original assignee: Колесов Александр Иванович
Priority date: 1998-02-24
Filing date: 1998-02-24
Publication date: 1999-10-27

Abstract

FIELD: feed industry. SUBSTANCE: invention is intended for preparing protein feed products based on vegetable raw material. Material is mixed with water and/or nutrient mineral medium and activated by pumping mixture for at least 1 min through rotor-pulsation or centrifugal hydrodynamic machine generating cavitation effect. After that, material is inoculated with microorganisms and cultured to give desired product. Such method of biological conversion of vegetable material improves quality of product. Vegetable raw material with low content of carbohydrates available can also be used for bioconversion. EFFECT: simplified process due to excluded stage of sterilizing vegetable material and mineral nutrient medium. 1 tbl

Description

Изобретение относится к области биотехнологии, а именно к способам получения белковых кормовых продуктов на основе растительного сырья. The invention relates to the field of biotechnology, and in particular to methods for producing protein feed products based on plant materials.

Известен способ получения белкового кормового продукта путем биоконверсии растительного сырья с использованием смешанной культуры штаммов дрожжей и бактерий /см. SU N 1674771, МПК C 12 N 1/16/. При относительно высоком выходе целевого продукта способ характеризуется необходимостью соблюдения чрезвычайно узкого диапазона параметров режима его осуществления, что затрудняет реализацию способа в производственных условиях. A known method of producing a protein feed product by bioconversion of plant materials using a mixed culture of strains of yeast and bacteria / see SU N 1674771, IPC C 12 N 1/16 /. With a relatively high yield of the target product, the method is characterized by the need to observe an extremely narrow range of parameters of the mode of its implementation, which complicates the implementation of the method in a production environment.

Прототипом изобретения является способ получения кормовой белковой биомассы, включающий активирование растительного субстрата путем помола зерна пшеницы до состояния дробленой крупы, приготовление питательной минеральной среды, введение в нее активированного растительного субстрата, стерилизацию и иннокуляцию смеси микроорганизмами с последующим их культивированием и выделением целевого продукта /см. SU N 1601115 МПК C 12 N 1/16/. Способ позволяет повысить питательную ценность белкового корма по протеину примерно в два раза. К недостаткам способа следует отнести сложность его осуществления за счет необходимости использования растительного субстрата с высоким исходным содержанием доступных углеводов и наличия операции стерилизации смеси растительного субстрата и питательной среды. The prototype of the invention is a method for producing fodder protein biomass, including activating a plant substrate by grinding wheat grains to a state of crushed cereals, preparing a nutrient mineral medium, introducing an activated plant substrate into it, sterilizing and inoculating the mixture with microorganisms, followed by their cultivation and isolation of the target product / cm. SU N 1601115 IPC C 12 N 1/16 /. The method allows to increase the nutritional value of protein feed for protein about twice. The disadvantages of the method include the complexity of its implementation due to the need to use a plant substrate with a high initial content of available carbohydrates and the presence of the operation of sterilization of a mixture of plant substrate and nutrient medium.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности способа при одновременном его упрощении и расширении области применения. Повышение эффективности способа заключается в улучшении качества целевого продукта - биомассы, упрощение - в исключении операции стерилизации смеси растительного сырья и питательной минеральной среды, а расширение области применения обеспечивается за счет использования растительного сырья с низким исходным содержанием доступных углеводов. The present invention is aimed at achieving a technical result, which consists in increasing the efficiency of the method while simplifying and expanding the scope. Improving the efficiency of the method consists in improving the quality of the target product - biomass, simplification - by eliminating the operation of sterilization of a mixture of plant materials and a nutrient mineral medium, and the expansion of the scope is achieved through the use of plant materials with a low initial content of available carbohydrates.

Для достижения этого технического результата способ биоконверсии растительного сырья, включающий активирование растительного сырья, приготовление питательной минеральной среды, смешение растительного сырья и питательной минеральной среды, иннокуляцию полученной смеси микроорганизмами с последующим их культивированием и выделением целевого продукта отличается тем, что перед активированием растительного сырья его смешивают с водой и/или с питательной минеральной средой, а активирование растительного сырья осуществляют путем прокачивания в течение не менее одной минуты через роторно-пульсационную или центробежную гидродинамическую установку, реализующие эффект кавитации. To achieve this technical result, the method of bioconversion of plant materials, including activating plant materials, preparing a nutrient mineral medium, mixing plant materials and a nutrient mineral medium, inoculating the resulting mixture with microorganisms, followed by their cultivation and isolation of the target product is different in that it is mixed before activating the plant material with water and / or with a nutrient mineral medium, and the activation of plant materials is carried out by proc Chivanov for at least one minute through the rotary-pulsation or centrifugal hydrodynamic installation realizing the effect of cavitation.

Гидродинамическая /ГДУ/ установка может представлять собой агрегат, по оси корпуса которого последовательно размещены камера предварительного смешения /дополнительной обработки/ в форме диффузора, генератор колебаний и центробежный насос, установленный на валу соосно генератору колебаний. Благодаря оригинальной конструкции гидродинамическая установка позволяет реализовать различные физические эффекты, в частности кавитации, которые способствуют повышению эффективности приготовления эмульсий и суспензий. Hydrodynamic / GDU / installation can be an aggregate along the axis of the housing of which a pre-mixing chamber / additional processing / in the form of a diffuser, an oscillation generator and a centrifugal pump mounted on a shaft coaxially with the oscillation generator are sequentially placed. Thanks to the original design, the hydrodynamic installation allows you to realize various physical effects, in particular cavitation, which contribute to increasing the efficiency of the preparation of emulsions and suspensions.

В качестве растительного сырья использовали отходы мукомольного и сельскохозяйственного производства с широким диапазоном исходного содержания доступных углеводов: пшеничные отруби /PC-1/, жмых свекольный /PC-2/, измельченные кукурузные кочерыжки /PC-3/, некондиционный измельченный лен /PC-4/. Wastes of milling and agricultural production with a wide range of initial content of available carbohydrates were used as plant raw materials: wheat bran / PC-1 /, beet-meal / PC-2 /, crushed corn cobs / PC-3 /, substandard chopped flax / PC-4 /.

Для биоконверсии использовали штамм бактерий Acinetobacter calcoaceticus /ШТ-1/ и штамм дрожжей Candida scottii /ШТ-2/. For bioconversion, a bacterial strain Acinetobacter calcoaceticus / ШТ-1 / and a yeast strain Candida scottii / ШТ-2 / were used.

Биоконверсию растительного сырья осуществляли в лабораторных условиях в колбах объемом 750 мл, на качалке /220 об/мин/, при температуре 30-32^oC и pH среды 6,8 - 7,0 /для ШТ-1/ и 5,0 - 5,5 /для ШТ-2/. Содержание минерального питания /N, P, K и Mg/ задавали из расчета следующей концентрации элементов в биомассе /мг/г/: N = 80-100, P = 50-160, K = 40-90, Mg, = 5-10. Производили иннокуляцию полученной смеси микроорганизмами. На 100 мл суспензии из растительного сырья и минерального питания добавляли 1,5 мл /единиц оптической плотности/ штамма бактерий Acinetobacter calcoaceticus или штамма дрожжей Candida scottii. Затем в течение 48 часов осуществляли культивирование, после чего выделяли биомассу и определяли качество целевого продукта по содержанию глюкозы /редуцирующих веществ без инверсии/

г/л /по методике Максименко О.А., Зюкова Л.А., Андреев Н.С. и Федорович Р.М., /Метод одновременного определения различных моносахаридов в биологических объектах. Аналитическая химия, т. XXVI, N 12, N 1971. с. 2467-2471/ и сырого протеина СП, % /по ГОСТ 13.496.4-93/.Bioconversion of plant materials was carried out under laboratory conditions in 750 ml flasks, on a shaker / 220 rpm /, at a temperature of 30-32 ^o C and a pH of 6.8 - 7.0 / for ШТ-1 / and 5.0 - 5.5 / for ШТ-2 /. The content of mineral nutrition / N, P, K and Mg / was set based on the calculation of the following concentration of elements in biomass / mg / g /: N = 80-100, P = 50-160, K = 40-90, Mg, = 5-10 . The resulting mixture was inoculated with microorganisms. 1.5 ml / units of optical density / strain of bacteria Acinetobacter calcoaceticus or strain of yeast Candida scottii was added per 100 ml of suspension from plant material and mineral nutrition. Then, cultivation was carried out for 48 hours, after which biomass was isolated and the quality of the target product was determined by the content of glucose / reducing substances without inversion /

g / l / according to the method of Maksimenko O.A., Zyukova L.A., Andreev N.S. and Fedorovich RM, / Method for the simultaneous determination of various monosaccharides in biological objects. Analytical Chemistry, vol. XXVI, N 12, N 1971. p. 2467-2471 / and crude protein SP,% / according to GOST 13.496.4-93 /.

Пример осуществления способа. An example implementation of the method.

Приготавливают водную суспензию с содержанием пшеничных отрубей /PC-1/ 15 г/л и ввели питательную минеральную среду из расчета /в мг/г/: N = 80, P = 160, K = 90, Mg = 10. Производят активацию растительного сырья путем прокачивания в течение трех минут полученной смеси через роторно-пульсационную или центробежную гидродинамическую установку, каждая из которых реализует эффект кавитации. Отбирают 100 мл смеси в колбу, измеряют температуру смеси /31,5^oC/ и ее pH /7,0/. Затем производят иннокуляцию полученной смеси микроорганизмами путем введения 1,5 мл штамма ШТ-1 и включают качалку. Процесс культивирования продолжают в течение 48 ч, поддерживая температуру на уровне исходной. По окончании культивирования выделяют биомассу и определяют ее качество /

= 8,1 г/л, СП=22%/.Prepare an aqueous suspension containing wheat bran / PC-1/15 g / l and introduced a nutrient mineral medium at the rate of / in mg / g /: N = 80, P = 160, K = 90, Mg = 10. Activate plant materials by pumping the resulting mixture for three minutes through a rotary pulsation or centrifugal hydrodynamic installation, each of which implements the effect of cavitation. Select 100 ml of the mixture in a flask, measure the temperature of the mixture / 31.5 ^o C / and its pH / 7.0 /. Then, the resulting mixture is inoculated with microorganisms by introducing 1.5 ml of strain ST-1 and include a rocking chair. The cultivation process is continued for 48 hours, maintaining the temperature at the initial level. At the end of cultivation, biomass is isolated and its quality is determined /

= 8.1 g / l; SP = 22% /.

В соответствии с приведенным примером были исследованы различные варианты осуществления способа. Результаты исследований приведены в таблице. In accordance with the above example, various embodiments of the method have been investigated. The research results are shown in the table.

В опытах 1-5 биоконверсию растительного сырья осуществляли известным способом, принятым в качестве ближайшего аналога, то есть исходное растительное сырье проходило "сухое" активирование /измельчение в шнековом измельчителе/, а его смесь с минеральным питанием перед иннокуляцией микроорганизмами стерилизовалась. В опытах 6-20 растительное сырье подвергали гидродинамическому активированию путем прокачивания через гидродинамическую установку. При этом были исследованы варианты активирования растительного сырья в виде водной суспензии /опыты 6-16/, после введения его в питательную минеральную среду /опыты 17-18/ и после смешения предварительно приготовленных суспензии растительного сырья и питательной минеральной среды /опыты 19, 20/. В опытах 6-16 после гидродинамического активирования ВС вводили минеральное питание и стерилизовали полученную смесь. В опытах 17-20 стерилизация не проводилась. In experiments 1-5, bioconversion of plant raw materials was carried out in a known manner, adopted as the closest analogue, that is, the initial plant raw material was "dry" activated / grinding in a screw shredder /, and its mixture with mineral nutrition was sterilized before being inoculated with microorganisms. In experiments 6-20, plant materials were subjected to hydrodynamic activation by pumping through a hydrodynamic installation. In this case, the options for activating plant materials in the form of an aqueous suspension / experiments 6-16 / were studied, after introducing it into the nutrient mineral medium / experiments 17-18 / and after mixing the previously prepared suspension of plant materials and nutrient mineral medium / experiments 19, 20 / . In experiments 6-16, after hydrodynamic activation of the sun, mineral nutrition was introduced and the resulting mixture was sterilized. In experiments 17-20, sterilization was not carried out.

Анализ результатов, представленных в таблице, показывает, что известный способ биоконверсии растительного сырья /опыты 1-5/ обеспечивает получение целевого продукта с

в пределах от 2,0 до 3,0 г/л и СП в диапазоне от 14,5 до 15,9%. Если же исходное растительное сырье подвергают гидродинамическому активированию путем прокачивания не менее одной минуты через гидродинамическую установку /опыты 7-20/, то содержание глюкозы в целевом продукте повышается до 6,4 - 9,8 г/л, а сырого протеина - до 17,5 - 32,0%. Таким образом, активирование в роторно-пульсационной или центробежной гидродинамической установке, реализующей эффект кавитации, позволяет /при прочих равных условиях/ повысить питательную ценность /качество/ биомассы примерно в два раза. При этом, различные варианты осуществления способа /использование различных штаммов микроорганизмов, активирование растительного сырья в водной суспензии, в питательной минеральной среде или в их смеси, стерилизация смеси /показывают практически одинаковые результаты. Следовательно, эти факторы не являются существенными для получения искомого технического результата. Что же касается длительности гидродинамического активирования, то ферментация растительного сырья, прошедшего гидродинамическое активирование в течение 0,5 мин /опыт 6/ оказывается не эффективной. Поэтому длительность гидродинамического активирования должна составлять не менее одной минуты.Analysis of the results presented in the table shows that the known method of bioconversion of plant materials / experiments 1-5 / provides the target product with

in the range from 2.0 to 3.0 g / l and SP in the range from 14.5 to 15.9%. If the original plant material is subjected to hydrodynamic activation by pumping for at least one minute through a hydrodynamic unit / experiments 7-20 /, then the glucose content in the target product rises to 6.4 - 9.8 g / l, and the crude protein to 17. 5 - 32.0%. Thus, activation in a rotary-pulsation or centrifugal hydrodynamic installation that implements the effect of cavitation, allows / ceteris paribus / to increase the nutritional value / quality / biomass by about two times. At the same time, various variants of the method / use of different strains of microorganisms, activation of plant materials in an aqueous suspension, in a nutrient mineral medium or in a mixture thereof, sterilization of the mixture / show almost the same results. Therefore, these factors are not essential for obtaining the desired technical result. As for the duration of hydrodynamic activation, the fermentation of plant materials that underwent hydrodynamic activation for 0.5 min / experiment 6 / is not effective. Therefore, the duration of hydrodynamic activation should be at least one minute.

Данное изобретение позволяет улучшить качество целевого продукта /биомассы/, упростить процесс получения продукта и использовать для получения биомассы исходного растительного сырья с низким исходным содержанием. This invention allows to improve the quality of the target product / biomass /, to simplify the process of obtaining the product and use to obtain biomass of the source of plant materials with a low initial content.

Claims

Способ биоконверсии растительного сырья, включающий активирование растительного сырья, приготовление питательной минеральной среды, смешение растительного сырья и питательной минеральной среды, инокуляцию полученной смеси микроорганизмами с последующим их культивированием и выделением целевого продукта, отличающийся тем, что перед активированием растительного сырья его смешивают с водой и/или с питательной минеральной средой, а активирование растительного сырья осуществляют путем прокачивания в течение не менее 1 мин через роторно-пульсационную или центробежную гидродинамическую установку, реализующие эффект кавитации. A method of bioconversion of plant materials, including activating plant materials, preparing a nutrient mineral medium, mixing plant materials and a nutrient mineral medium, inoculating the resulting mixture with microorganisms, followed by their cultivation and isolation of the target product, characterized in that before activating the plant material it is mixed with water and / or with a nutrient mineral medium, and the activation of plant materials is carried out by pumping for at least 1 min through the rotor o-pulsation or centrifugal hydrodynamic installation, realizing the effect of cavitation.