Fermentacja propionowa

Fermentacja propionowa – fermentacja wywołana przez bakterie propionowe Propionibacterium
(P. freudenreichii subsp. freudenreichii, P. freudenreichii subsp. shermanii, P. acidipropionici,
P. jensenii, P. thoenii).

Charakterystyka bakterii propionowych

• należą do rodzaju Propionibacterium

• mają kształt pałeczek

• są gram dodatnie

• są względnymi beztlenowcami

• nie wytwarzają przetrwalników

• mają zastosowanie przy produkcji serów dojrzewających, np. sera edamskiego (wytwarzający się kwas octowy i propionowy nadają serom charakterystyczny, nieco ostry smak, a dwutlenek węgla powoduje powstawanie oczek w serze)

• bakterie te towarzyszą bakteriom mlekowym w zakwasach chlebowych, a niekiedy też w
  kiszonkach

Równanie sumaryczne fermentacji propionowej

3CH₃CHOHCOOH + bakterie propionowe => 2 CH₃CH₂COOH + CH₃COOH + CO₂ + H₂O + kcal
(kwas mlekowy + bakterie → kwas propionowy + kwas octowy + energia)

Chemizm fermentacji propionowej

glukoza

kwas mlekowy, 2 kwas pirogronowy, kwas octowy

karboksylacja

kwas szczawiooctowy

redukcja

kwas jabłkowy

odwodnienie

kwas fumarowy

H⁺

bursztynylo Co-A

inwertaza +B 12 - koenzym

metylomalonylo Co-A

CH₃

karboksytransferaza

propionylo Co-A

kwas propionowy

Występowanie

• Bakterie kwasu propionowego występują głównie w środowisku jelitowym (w żwaczu
  i jelitach przeżuwaczy), a wtórnie w produktach mlecznych, zwłaszcza serach.

• Izoluje się je w warunkach beztlenowych z pożywki zaszczepionej serem szwajcarskim typu
  ementaler i zawierającej mleczan oraz ekstrakt drożdżowy.

• W serze tym bakterie propionowe odgrywają istotną rolą w procesach dojrzewania
  i wytwarzania smaku po koagulacji mleka we wczesnych etapach produkcji na skutek
  dodania renniny (podpuszczki).

Substraty do fermentacji:

• Bakterie propionowe uzyskują energię w procesie fermentacji. Rozwijają się one
  i wytwarzają kwas propionowy na podłożach zawierających glukozę, sacharozę, laktozę
  i pentozę, a także kwas mlekowy, kwas jabłkowy, glicerynę i inne związki.

• W związku z tym jako substraty odpadowe mogą być wykorzystywane do tej fermentacji
  m.in. serwatka, ługi posulfitowe lub hydrolizaty skrobiowe i celulozowe.

Synteza chemiczna
Kwas propionowy otrzymuje się na drodze etylenu, tlenku węgla i pary lub etanolu i tlenku węgla
przy zastosowaniu trójfluorku boru jako katalizatora. Inna metoda polega na utlenieniu aldehydu
propionowego lub alkoholu propylowego.

Warunki fermentacji

• Konwencjonalna metoda okresowa trwa 1-2 tygodnie w temp. 35⁰C, odczyn środowiska (pH=6-7) jest utrzymywane w czasie, poprzez dodanie do podłoży środków neutralizujących

• Produktywność wynosi 0.03 g/dm³(l)/godz.

• Kwas propionowy był odzyskiwany z płynu pohodowlanego przez rozszczepienie zawartych w nim propionianu wapnia lub przy użyciu kwasu

Usprawnienia fermentacji propionowej

W ostatnich latach wprowadzono jednak szereg istotnych usprawnień do fermentacji propionowej.
Dotyczyły one: potanienia produkcji kwasu propionowego poprzez zwiększenie jego wydajności,
zastosowanie tanich surowców, ulepszenie technologii fermentacji oraz zastosowanie nowych
metod odzyskiwania i oczyszczanie kwasu propionowego po fermentacji.

Oprócz fermentacji prowadzonej w sposób okresowy stosuje się

• hodowlę półokresową (okresowa z ciągłym dodawaniem pożywki - proces ze zmienną objętością czynną fermentora)

• fermentację ciągłą w fermentorze przepływowym zasilanym pożywką (z fermentora,
  w sposób ciągły, odprowadzany jest płyn pofermentacyjny z biomasą)

• fermentację ciągłą z recyrkulacją biomasy, fermentacja przebiegająca w fermentorze przepływowym, a odprowadzany z fermentora płyn pofermentacyjny z biomasą przechodzi przez sprzężony z fermentorem separator, gdzie komórki bakteryjne są zagęszczane za pomocą filtracji na różnego rodzaju membranach półprzepuszczalnych i ponownie zawracane do fermentatora głównego

(zwiększenie częstotliwości zagęszczenia zwiększa wydajność)

Wszystkie omówione procesy mogą wykorzystywać zarówno wolne jak i unieruchomione
komórki bakterii. W najnowszych rozwiązaniach, utworzony w czasie fermentacji kwas propionowy jest usuwany i oczyszczany po zakończeniu fermentacji lub w czasie jej trwania przy użyciu:

• elektrodializy,

• destylacji,

• estryfikacji,

• nanofiltracji,

• wymieniaczy jonowych

• ekstrakcji w różnego typu rozpuszczalnikach.

W systemach ciągłych z zawracaniem komórek bakteryjnych uzyskano produktywność kwasu propionowego na poziomie 14,3 g/dm3 (l)/ godz., która była około 480 razy wyższa niż w tradycyjnej fermentacji okresowej (0.03 g/dm3(l)/godz.).

Przeprowadzono również udane próby otrzymania kwasy propionowego zarówno w skali
pilotowej jak i przemysłowej. W tym ostatnim przypadku zastosowano fermentor o pojemności 37m3 oraz filtr ceramiczny do zagęszczenia bakterii o powierzchni 32m2.

Zastosowanie kwasu propionowego:

• do niedawna kwas propionowy służył niemal wyłącznie do otrzymywania związków zapachowych dla przemysłu perfumeryjnego.

• Zapotrzebowanie na kwas propionowy wzrosło dopiero pod koniec lat 60-tych, kiedy jego właściwości antyseptyczne, znane zresztą i wykorzystywane już wcześniej do konserwowania produktów żywnościowych (zwłaszcza w piekarstwie i przemyśle owocowo–warzywnym)

• zastosowano z dobrym skutkiem do ochrony pasz przez zniszczeniami mikrobiologicznymi.

• Z podobnym skutkiem może być kwas propionowy użyty do ochrony kiszonek oraz karmy
  w postaci mieszanek treściwych, które po spryskaniu nim nadają się do żywienia zwierząt w ciągu kilku dni od ich przygotowania, bez obawy zepsucia.

• Kwas propionowy należy do produktów naturalnej fermentacji i nie oddziałuje toksycznie na
  zwierzęta. Nie zmienia też smaku zakonserwowanych pasz, które w tej samej postaci chętnie
  spożywane są zarówno przez przeżuwaczy, jak i zwierzęta jednożołądkowe.

• Poza rolnictwem kwas propionowy i jego sole są wykorzystywane do produkcji herbicytów, rozpuszczalników estrowych, celulozowych tworzyw sztucznych a propionian sodowy jest stosowany w leczeniu zwierząt.