PRZEMYSŁ SPOŻYWCZY Obejmuje kilkanaście branż w których odbywa się przerób surowców pochodzenia roślinnego jak i zwierzęcego. Wykorzystanie surowców w tych branżach nie jest 100% i w procesie ich przerobu występują ubytki: naturalne w trakcie transportu, straty produkcyjne, oraz odpady surowca. W procesie przerobu tych surowców powstaje ogromna ilość odpadów zawierająca cenne składniki (białka, tłuszcze, węglowodany)-a więc stanowią one cenny surowiec do racjonalnego zagospodarowania. Obecnie zagospodarowanie tych odpadów jest niedostateczne. Atrakcyjnym kierunkiem zagospodarowania i przetwarzania produktów ubocznych i odpadowych jest zastosowanie metod biotechnologicznych.

Odpady tłuszczowe: Zakłady tłuszczowe wytwarzają wiele produktów ubocznych i odpadów zanieczyszczających środowiska. Odpady te to: *tłuszcze odpadowe w tym parafinacyjne kwasy tłuszczowe *szlamy olejowe, *oleje autoklawowe, *zaolejona ziemia bieląca.

Tłuszcze to estry wyższych kwasów tłuszczowych i glicerolu. Kwasy tłuszczowe zawierają najczęściej parzystą liczbę atomów węgla C₁₆-C₂₀ i mogą to być kwasy tłuszczowe nasycone lub nienasycone od 1-3 wiązaniach podwójnych. Zagospodarowanie tych odpadów jest trudne, i stanowi nierozwiązany problem gospodarczy lub ekologiczny.

Do utylizacji tych odpadów można wykorzystać: *preparaty enzymatyczne, *mikroorganizmy (wówczas produktem biokonwersji jest biomasa mikrobiologiczna bogata w tłuszcze, białka, witaminy).

Źródłem węgla C i energii dla drobnoustrojów są: *tłuszcze (triacyloglicerole), *wodne kwasy tłuszczowe, *węglowodany. Aby związki te mogły zostać wykorzystywane przez mikroorganizmy muszą zostać rozłożone do kwasów tłuszczowych i tylko w takiej formie stanowią one źródło węgla dla mikroorganizmów. Kwasy tłuszczowe stanowią równoważne źródło węgla dla drobnoustrojów jak cukry, ale bogatsze w energię stąd też mniej kwasów zużywanych jest na potrzeby energetyczne a więcej do biosyntezy biomasy mikroorganiz-wiąże się to ze zdolnością wzrostu wydajności procesu.

Obecne kierunki wykorzystania odpadów tłuszczowych to: *produkcja białka jednokomórkowców (biomasa mikrobiologiczna lub SCP), *produkcja metabolitów wtórnych np. kwasu cytrynowego, jednakże produkcja ta jest nieco trudniejsza do realizacji niż produkcja (SCP), *produkcja preparatów enzymów lipolitycznych rozkładających tłuszcze np. LIPAS, *enzymatyczna konwersja (przekształcenie) nieatrakcyjnych tłuszczów lub tłuszczów odpadowych (np.ze ścieków) w wartościowe tłuszcze przydatne w przemyśle spożywczym, kosmetycznym lub jako komponenty paliw płynnych.

Serwatka to produkt uboczny w produkcji serów, po usunięciu tłuszczu i kazeiny (białko mleka).Wyróżniamy 2 rodzaje serwatki: *serwatka słodka tzw. podpuszczkowa o pH 6-7 która powstaje w produkcji serów, *serwatka kwaśna o pH <5, która powstaje w produkcji serów, twarogów i kazeiny kwasowej.

Formy serwatki: *płynna lub suszona ze słodkiej lub kwaśnej serwatki, *odbiałczana chemicznie lub termicznie, *filtrat otrzymany w procesie ultrafiltracji, *filtrat odmineralizowany w wymieniaczach jonowych.

Światowa produkcja serwatki wynosi 145x10⁶ ton/rocznie, a w tym 6x10⁶ ton/rok laktozy.

Głównym najcenniejszym składnikiem serwatki jest „laktoza” stanowiąca 78% suchej masy serwatki. Serwatka stanowi poważne zagrożenie ekologiczne ze względu na dużą jej objętość i dużą zawartość składników organicznych. Wysoka wartość BZT₅ i ChZT wynosząca odpowiednio 30g O₂/dm³ oraz 60- O₂/dm³ wynika z obecności laktozy. Obecnie tylko 50% światowej serwatki jest przetwarzane na różne produkty spożywcze, z czego 45% bezpośrednio w postaci ciekłej; 30% w postaci proszku serwatkowego a 15% w postaci laktozy i bezlaktozowych produktów ubocznych, resztka w postaci preparatów białek serwatkowych.

W przetwórstwie serwatki stosuje się następujące procesy membranowe: *odwrócona osmoza, *ultrafiltracja, *diafiltracja, *elektrodializa, *wymiana jonowa, *filtrację żelową.

W Polsce do uzdatniania serwatki najczęściej wykorzystuje się proces „ultrafiltracji” w której serwatkę rozdziela się na: *koncentrat zawierający całość białek, część laktozy i część soli mineralnych, *odciek zawierający: laktozę, sole mineralne, niebiałkowe związki azotowe +H₂0.W procesie ultrafiltracji odzyskiwana jest cała ilość białek, natomiast problem stanowi zagospodarowanie odcieku.

Ponieważ w przetwórstwie mleka powszechnie stosowana jest ultrafiltracja a więc białka otrzymuje się w formie skoncentrowanej, natomiast problemem pozostaje nadal wykorzystanie odcieku zawierającego sole mineralne i laktozę. O przydatności serwatki w procesach biotechnologicznych decyduje w niej zawartość laktozy , kwasu mlekowego, witamin i mikroelementów.

Wykorzystanie serwatki:

A - Produkcja napojów z serwatki - Na bazie serwatki produkowane są następujące napoje: fermentacja laktozy prowadzona przy pomocy bakterii mlekowych (Streptococcus, Lactobacillus) prowadzi do powstania napoju o przyjemnym, orzeźwiającym, lekko kwaskowatym smaku; napoje fermentowane otrzymane tak jak poprzednio (przy pomocy bakterii mlekowych) do których dodaje się koncentraty owocowe lub warzywne; piwo o właściwościach podobnych do tradycyjnego, w którym 30% H₂0 do produkcji zastąpiono serwatką, pozwala to na zmniejszenie ilości dodanego słodu lub dodatków niesłodowanych; (korzyść to utylizacja serwatki, jednocześnie do piwa wprowadza się więcej cukru) piwo otrzymane na bazie tylko serwatki, ma wygląd zbliżony do piwa tradycyjnego i zawiera 8% ekstraktu i 1,5 % alkoholu; Rivella –to napój musujący otrzymywany na bazie serwatki. W procesie produkcji po odbiałczaniu serwatki prowadzi się jej fermentacje przy pomocy drożdży które po tym procesie odfiltrowuje się, roztwór zagęszcza się dodaje przyprawy smakowe, wysyca C0₂ i pasteryzuje.

B - Otrzymywanie kwasu mlekowego i jego soli: Kwas mlekowy i jego sole-stosowany jest w przemyśle spożywczym jako substancje ukwaszające i konserwujące oraz jako surowce do produkcji polimerów np.: kwasu polimlekowego i akrylowego. Proces produkcji odbywa się przy pomocy bakterii mlekowych, a wytworzony kwas mlekowy wydziela się w postaci nierozpuszczalnych soli amonu lub wapnia. Sole te po oddzieleniu z roztworu rozkłada się do kwasu mlekowego przez zakwaszanie środowiska. Do oddzielenia kwasu mlekowego można również stosować: wymianę jonową, odwróconą osmozę lub elektrolizę.

C - Otrzymywanie kwasu propionowego i jego soli: Kwas propionowy wykorzystywany jest w przemyśle spożywczym: w produkcji wędlin, do przedłużenia trwałości pieczywa, do utrwalania ziarna zbóż i wysłodzin. Proces fermentacji serwatki-prowadzi się przy pomocy bakterii propionowych, a kwas propionowy wydziela się z roztworu podobnie jak kwas mlekowy, zaś cennym produktem odpadowym tego procesu jest biomasa będąca bogatym źródłem witaminy B₁₂.

D - Otrzymywanie kwasu cytrynowego i jego soli: Proces fermentacji prowadzi się przy pomocy pleśni, jednakże wydajność kwasu cytrynowego jest kilkakrotnie niższa niż w podłożu z sacharozą, glukozą lub fruktozą. W celu zwiększenia wydajności serwatkę wzbogaca się w laktozę, substancje azotowe, metanol lub hydrolizaty białek roślinnych.

E - Otrzymywanie butanolu: Butanol to wartościowy surowiec w przemyśle chemicznym i petrochemicznym. Proces fermentacji prowadzi się w warunkach beztlenowych.

F - Otrzymywanie mikrobiologicznych polisacharydów: Serwatka to dobry składnik podłoża do biosyntezy biopolimerów tzw. Egzopolisacharydów (EPS) np. guma ksantanowa, glukan, mangan, pullulan. Biosynteza prowadzona jest przy pomocy drożdży i polimery te nagromadzają się w ścianie komórkowej, którą rozkłada się i prowadzi ekstrakcję tych polimerów. Spośród tych polisacharydów największa przyszłość ma produkcja ksantanu, ze względu na prostotę i ekonomikę.

G - Otrzymywanie polisacharydów: Enzymatyczna hydroliza laktozy prowadzi do otrzymywania glukozy i galaktozy. Otrzymany hydrolizat po demineralizacji stosowany jest do produkcji syropów cukrowych, które mogą być wykorzystywane do: *produkcji piwa i wina, *jako zamienniki syropów skrobiowych w piekarnictwie lub cukiernictwie, *do otrzymywania fruktozy po izomeryzacji glukozy do fruktozy.

H - Otrzymywanie rybonukleotydów: Serwatka może być wykorzystana do produkcji tzw. wzmacniaczy smakowo- zapachowych, czyli guanozyno-5`-monofosforan (5`-GMP) i inozyno-5`-monofosforan (5’-IMP).

I - Otrzymywanie oligopeptydów: Hodowla specjalnych drożdży na serwatce prowadzi do otrzymania oligopeptydy o aktywności biologicznej, które sprzyjają absorpcji składników mineralnych w jelicie.

J - Przetwarzanie serwatki na cele paszowe: biomasa bakterii mlekowych lub drożdży namnożona na serwatce wykorzystywana jest do biologicznego utrwalania i detoksykacji poekstrakcyjnej śruty rzepakowej lub ziarna żyta lub śruty żytniej. Pozwala to na obniżenie zawartości związków wolotwórczych w śrucie rzepakowej i alkilorezorcyny w życie. serwatka z namnożoną biomasą bakterii mlekowych wykorzystywana jest do produkcji kiszonek paszowych. ukwaszona serwatka wykorzystywana do utrwalania odpadowych drożdży piwowarskich, wysłodzin i odpadów rybnych.produkcja probiotyków- bakterie mlekowe wyhodowane na serwatce dodane do paszy pozwalają na eliminację mikroflory chorobotwórczej z przewodu pokarmowego zwierząt co ułatwia trawienie i pozwala na lepsze wykorzystanie paszy.Otrzymywanie drożdży paszowych na serwatce - Drożdże paszowe są bogatym źródłem białka zawierają go w ilości ok. 50%, a jeżeli do tego celu wykorzystuje się drożdże olejkodajne wówczas zawierają one do ok. 25%

K – Otrzymywanie etanolu: Serwatka to najtańszy surowiec do produkcji etanolu. Procesu tego nie mogą prowadzić drożdże piekarniane ponieważ laktoza nie może wnikać przez błonę komórkową, gdyż drożdże nie wytwarzają enzymów ułatwiających wnikanie tej laktozy. Drożdże też nie mają enzymu hydrolizującego laktozę do monosacharydów, dlatego też nie mogą fermentować laktozy do etanolu. Proces ten w przemyśle prowadzi się następująco: do serwatki dodaje się enzym rozkładający laktozę do cukru, a następnie prowadzi fermentację etanolową przy pomocy drożdży. Przyszłościowo proces ten będzie prowadzony przy pomocy mikroorganizmów genetycznie modyfikowanych z wbudowanym genem enzymu (β - D – galaktozydazy) rozkładającego laktozę. Wadą tego procesu jest powolny wzrost, mała stabilność genetyczna i mała wydajność. Serwatka może być wykorzystana jako woda produkcyjna do produkcji etanolu w gorzelniach.

L - Otrzymywanie biogazu: Fermentacja beztlenowa serwatki prowadzi do otrzymania biogazu. Zaletą jest otrzymanie dużej ilości energii, wadą zaś konieczność tlenowego oczyszczania ścieków.

Ł - Wykorzystanie hydrolizatów laktozy: Hydroliza laktozy prowadzona jest przy pomocy enzymu B-D- galaktozydazy. Otrzymane hydrolizaty laktozy wykorzystuje się do: rozmnażania drożdży piekarskich, do otrzymywania koncentratów glukozowo- galaktozowych dla przemysłu piwowarskiego, cukierniczego i piekarskiego, do otrzymywania fruktozy po enzymatycznej izomeryzacji glukozy do fruktozy, otrzymanie galaktozy – na hydrolizatach laktozy hoduje się specjalne drożdże, które wykorzystują z tego hydrolizatu tylko glukozę, pozostałą w roztworze galaktozę ekstraktuje się etanolem.

M - Otrzymywanie barwników: Na bazie serwatki można otrzymywać różne barwniki, w tym celu serwatkę wzbogaca ekstrakt drożdżowy, skrobia lub etanol oraz mikroelementy i prowadzi hodowlę specjalnych pleśni. Strzępki i zarodniki tego grzyba zawierają barwny kompleks złożony z: monaskorubrina (czerwień), rubropunctatina (pomarańczowy), monaskoflawina (żółty), monaskorubramina (czerwony). Skrobia sprzyja wzrostowi grzybni i intensywności zabarwienia (pożywki), zaś dodatek etanolu decyduje o nagromadzaniu się czerwonego barwnika grzybni. Barwniki te są powszechnie stosowane do barwienia mięsa lub jego substytutów czyli białka mikrobiologicznego białka mleka, roślin. Do otrzymywania barwników mogą być wykorzystane również drożdże które wytwarzają barwnik –astaksantyna, która jest wykorzystywana do barwienia jaj i mięsa ryb łososiowatych.

N - Otrzymywanie innych bioproduktów: Serwatka + miękisz chleba stanowią dobre podłoże do hodowli pieczarki i boczniaka ostrogowatego. Serwatke można wykorzystać do: produkcji innych kwasów organicznych i ich soli (np. kwas glukonowy, sole Ca, sole Mg), produkcja glicerolu, produkcja witamin ( B₂- ryboflawina, B₁₂- kobalamina), produkcji aminokwasów, produkcji difosforanu fruktozy, produkcja karotenów.

PRZEMYSŁ CUKROWNICZY: W przemyśle tym głównymi odpadami są wysłodki buraczane i melasa. Wysłodki to tania wysoko energetyczna pasza dla bydła, trzody chlewnej i koni. Melasa- to odpad po produkcji cukru z buraków cukrowych lub trzciny cukrowej stanowiący pozostałość roztworów, którego nie udaje się wykrystalizować z sacharozy. Jest to brązowy syrop zawierający 50% sacharozy. Oprócz sacharozy melasa zawiera inne cukry, takie jak glukoza, fruktoza oraz składniki niecukrowe czyli substancje organiczne i nieorganiczne oraz bezazotowe i zawierające azot. Wśród substancji azotowych aż 50% stanowi wolny aminokwas –kwas glutaminowy. W melasie obecne są również witaminy z grupy B, oraz związki toksyczne takie jak lotne pirole, pirazyny azotowe, furany i fenole. Najczęstsze kierunki wykorzystania melasy to: produkcja drożdży piekarskich, produkcja kwasu cytrynowego, produkcja etanolu.

O przydatności melasy do procesów biotechnologicznych oprócz zawartości w niej cukru decyduje zawartość azotu aminokwasowego, całkowita zawartość azotu oraz substancje niepożądane takie jak: betaina, kwasy lotne, związki wapnia, koloidy powstające z pektyn, karmel. skarmelizowane barwniki, metale ciężkie takie jak: Pb, Cu, Fe; azotany (V) i azotyny (III), pozostałości pestycydów. Wśród substancji mineralnych i melasy aż 50% stanowią sole potasu. Główny kierunek utylizacji melasy to wykorzystanie sacharozy jako źródła węgla dla organizmów. Podstawowy kierunek wykorzystania melasy to gorzelnictwo. Melasę rozcieńcza się w stosunku 1:2 lub 1:3 wzbogaca w łatwo przyswajalne źródło azotu i fosforu i prowadzi fermentację przy pomocy drożdży piekarniczych uzyskując etanol w stężeniu ok. 8,5 -10%.

Otrzymywanie drożdży paszowych i piekarskich: Melasę rozcieńcza się tak jak poprzednio wzbogaca w substancje wzrostowe i przy silnym napowietrzaniu prowadzi się hodowlę drożdży piekarskich. Otrzymane drożdże odwirowuje się, przemywa się wodą, ponownie wiruje i otrzymane tzw. mleczko drożdżowe zagęszcza się na filtrach próżniowych, następnie formuje się z nich kostki i pakuje. W identyczny sposób prowadzona jest produkcja drożdży paszowych przy zastosowaniu w tym procesie innych drożdży, które zawierają do 50% białka.

Biosynteza kwasu cytrynowego: Proces można prowadzić metodą powierzchniową lub wgłębną. Zaletą metody powierzchniowej jest większa wydajność procesu, mniejsze ilości towarzyszących innych kwasów i mniejsza wrażliwość na przerwy w napowietrzaniu. Zaletą metody wgłębnej jest prowadzenie procesu metodą ciągłą, duża objętość i szybkość procesu, automatyzacja procesu i jałowość podłoża. Melasa rozcieńcza się i wzbogaca w substancje wzrostowe i prowadzi fermentację cytrynową przy pomocy pleśni. Po procesie fermentacji grzybnie oddziela się a otrzymany roztwór zawiera 5-6% kwasów –w tym ok.80% kwasu cytrynowego. W celu wytrącenia z roztworu kwasu cytrynowego dodaje się do niego wodorotlenek wapnia i wówczas z roztworu wytrąca się cytrynian triwapnia jako nierozpuszczalny osad. W celu rozłożenia tego związku i uwolnienie kwasu cytrynowego osad ten rozkłada się przy pomocy kwasu siarkowego i wówczas powstaje rozpuszczalny w H₂O kwas cytrynowy i nierozpuszczalny w H₂O siarczan wapnia. Po tym procesie roztwór zagęszcza się i krystalizuje kwas cytrynowy. Inna możliwością wydzielenia kwasu cytrynowego jest zastosowanie do tego celu jonitów.

Biosynteza kwasu mlekowego: Biosyntezę tą prowadzi się przy pomocy bakterii mlekowych, a wytworzony kwas mlekowy wytrąca się w postaci nierozpuszczalnej soli wapnia, a następnie sole te rozkłada się do kwasu mlekowego przy pomocy kwasu siarkowego. Otrzymany kwas mlekowy zagęszcza się. Melasa może być również stosowana do biosyntezy biopolimerów czyli egzopolisacharydów.

PRZEMYSŁ PIWOWARSKO-SŁODOWNICZY:Odpady te powstają w całym procesie produkcji słodu i piwa. W produkcji słodu jęczmień jest oczyszczany, zamaczany, kiełkowany, suszony i odkiełkowywany. Następuje wówczas wytwarzanie enzymów w ziarnie, zmiana właściwości fizyko-chemicznych, uzyskanie charakterystycznego zapachu i smaku. Procesie słodowania powstają odpady: poślad i łuska –odpady powstające przy czyszczeniu jęczmienia, kiełki słodowe – odpady powstające przy odkiełkowywaniu słodu. Odpady wykorzystywane są jako cenna pasza. W browarze słód poddawany jest zacieraniu. Osad po tym procesie odfiltrowuje się, a do roztworu, czyli tzw. brzeczki dodaje się chmiel i gotuje. Osad powstały w tym procesie to wysłodziny, czyli młóto.

Wysłodziny – to nierozpuszczalne w wodzie resztki słodu, łuski, niescukrzonej skrobi białka. Jest to produkt odpadowy w produkcji brzeczki piwnej (110-120kg mokrych wysłodzin/100kg słodu). Odpad ten zawiera ok. 75% wody. Ze względu na dużą zawartość wody jest to odpad nietrwały i trudny do przechowywania. W celu jego utrwalenia poddaje się go kiszeniu. W tym celu dodaje się do tego odpadu gęstwy drożdżowej, dodaje ukwaszonej i zagęszczonej serwatki, a otrzymany produkt ma dobra smakowitość, zapewnia dobry rozwój zwierząt i duże przyrosty masy. Alternatywną do tej metody jest fermentacja beztlenowa w produkcji biogazu. W browarze brzeczka jest fermentowana przy pomocy drożdży, a otrzymane tzw. młode piwo jest poddawane leżakowaniu. Odpadem po procesie fermentacji są drożdże odpadowe tzw. gęstwa drożdżowa zawierająca ok. 90% wody. Drożdże browarniane to bogate źródło białka (ok.60%), węglowodanów (ok.10%), tłuszczu (ok.2-4%), witamin grupy B, składników hormonalnych i enzymów.

Otrzymywanie enzymatycznych hydrolizatów: Drożdże odgorycza się poprzez przemywanie ich wodą a następnie rozkłada się ścianę komórkowa jedna z 3 metod:

przez autolizę- czyli enzymami zawartymi w drożdżach, plazmolizę, dezintegracje mechaniczną – przez zniszczenie mechaniczne ściany. Następnie na zawiesinę działa się enzymami rozkładającymi białka i otrzymany produkt suszy się metodą rozpryskową. Otrzymany produkt ma niewielką ilość kwasów nukleinowych. Dobrze absorbuje tłuszcz i wodę i posiada gorsze właściwości pianotwórcze. W Anglii 75% drożdży tak się utylizuje.

Inne kierunki utylizacji: produkcja ekstraktów drożdżowych po autolizie i plazmolizie drożdży ; stosowane do wypieku chleba, ciasta i do wyrobów wędliniarskich surowiec do produkcji preparatów enzymatycznych, fosfolipidów i witamin B-glukanu. otrzymywanie mannoprotein (głównych składników ścian komórkowych) stosowanych jako związki powierzchniowo- czynne, dla przemysłu spożywczego i kosmetycznego.

Inne odpady browarnicze: *osady z brzeczki i piwa powstające w warzelni i w leżakowaniu, stosowane jako dodatek do wysłodzin. *CO₂- wytworzony w czasie fermentacji utylizowany jest na potrzeby browaru, czyli do nasycania piwa oraz na sprzedaż.