Нефтехимическое сырье

19.11.2014

Еще несколько лет тому назад казалось, что использование нефти в качестве сырья для производства микробиального протеина (протеина одноклеточных) способно в короткий срок устранить или значительно уменьшить дефицит кормового белка. Разрабатывались планы строительства заводов производительностью 100 тыс. и более тонн белка ежегодно.
Однако планы оказались далеки от реального воплощения.
Во-первых, из-за нестабильных, быстро растущих цен на нефть, во-вторых, в регионах с наибольшим дефицитом белка (например, Индия), как правило, нет собственной нефти в достаточном количестве, а также свободных финансов для организации промышленного производства БО. Далее — человечество заинтересовано прежде всего в утилизации отходов, загрязняющих окружающую среду. Кроме того, повсеместно распространено мнение (чаще всего безосновательное) о вредных последствиях скармливания животным протеина одноклеточных, выращенных на углеводородном сырье.
Технология производства БО с использованием нефтехимического сырья имеет свои особенности: это аэробный непрерывный процесс, концентрация биомассы не превышает 3%, производительность установки зависит прежде всего от конструкции ферментера.
При производстве БО субстрат всегда обогащают минеральными веществами (главным образом, для увеличения содержания N и Р). При использовании нефтехимического сырья вносят также Mg, Fe, некоторые микроэлементы, витамины, и стимуляторы роста (например, в форме дрожжевого экстракта или кукурузной вытяжки). Для поддержания оптимального pH следует добавлять щелочи (например, NH4OH, которая при этом используется и как азотистая подкормка).
При использовании нефтехимического сырья можно точно рассчитать продуктивность процесса на основании известных факторов вытяжки и уравнений кинетики роста. Чрезвычайно эффективно применение методов математического моделирования и оптимизации в предпроизводственной стадии.
Продуктивность оборудования объема V рассчитывается по уравнению:

Знание кинетики процесса позволяет делать все расчеты на ЭВМ.
Технологическая схема производства представлена из рисунке 1. Главным производственным оборудованием является ферментер, в который загружают водный раствор минеральных веществ и углеводородный субстрат. Даже когда культивирование не требует асептических условий, при аэрировании следует подавлять только профильтрованный воздух, ибо содержащиеся в нем, помимо микроорганизмов, нежелательные примеси (особенно липофильные) переходят в жидкую фазу, а затем в биомассу микроорганизмов. Это, по-видимому, является причиной появления поликонденсатных ароматических веществ в дрожжах, даже если они выработаны из очень чистого сырья. Фильтрация воздуха устраняет этот недостаток.

Перемешивание и аэрирование требует больших затрат энергии. Новейшие ферментеры потребляют примерно 0,45 кВч на 1 кг O2, старого образца — гораздо больше. Ферментеры бывают двух типов: с механическим перемешиванием и без него. Ферментеры второго типа, как правило, менее производительны (по переносу кислорода), хотя с точки зрения потребления энергии, они более выгодны и требуют меньших капитальных затрат. Перемешивание, однако, необходимо для лучшей гомогенизации содержимого реактора, увеличения поступления кислорода, улучшения охлаждения.
Количество теплоты, выделяемой при росте биомассы (без учета теплоты, образуемой за счет перемешивания), составляет:

Они равны для сахаров — 17,6 кДж/г, углеводородов — 47,7 кДж/г, биомассы — 17—19,7 кДж/г (дрожжи из n-алканов).
Кроме охладителей, ферментер должен быть оснащен оборудованием для обеспенивання (добавка обеспечивающих веществ, а иногда гашение пены механическим путем, поддержание оптимального pH) приборами для измерения концентрации растворимого кислорода с анализатором содержания CO2 и O2 в газах, выходящих из ферментера.
Процесс культивирования является одноступенчатым, но при использовании алканов считается необходимым иметь в качестве дополнительного обрудования ферментер для «дозревания» биомассы, где производительно потребляется часть углеводородов, не использованных в главном ферментере.
Дальнейшая технологическая переработка зависит от типа сырья, организма-продуцента, а также целей использования биомассы (на корм животным, в питание человеку и т. д.).
На обычных центрифугах уровень сухого вещества в биомассе дрожжей повышают до 14—15%. Иногда после этого (в частности, при использовании дизельного топлива) ее промывают и снова центрифугируют. Затем сразу же или после термолиза сушат (сушилками-распылителями). При использовании дизельного топлива сухую биомассу экстрагируют растворителями, устраняя тем самым ароматические углеводороды и большую часть липидов. Влажную биомассу можно экстрагировать растворителями, смешанными с водой,— это облегчает дальнейшую сушку.
При использовании в качестве организма-продуцента бактерий из-за маленьких размеров биомассу нельзя сгущать на обычных центрифугах. По мнению исследователей, центрифугированию должен предшествовать этап флотации, или флокуляции. На основании опубликованных данных трудно судить о результатах, достигнутых в этой области. Ввиду растущего стратегического значения белков существенные технологические детали засекречиваются, публикуется мало данных об экономической стороне производства. Из нефтехимического сырья практическое значение имеют:
— алканы (дизельное топливо, изолированные n-алканы);
— алкоголи (этанол, метанол);
— некоторые отходы нефтехимии (например, малеат);
— метан.