WYKŁADY

MIROBIOLOGIA PRZEMYSŁOWA

BIOTECHNOLOGIA II ROK

ROCZNIK 2009/2010

Prof. J. Szczodrak

I. Wprowadzenie do mikrobiologii

Mikrobiologia przemysłowa i interesuje się drobnoustrojami dla celów produkcji określonych metabolitów o znaczeniu gospodarczym

W Japonii otrzymano szereg szczepów, które w każdym momencie mogą zostać użyte do syntezy aminokwasów. Interesowano się tam mikroorganizmami, które wytwarzają metabolity i z wysoką produktywnością generują efektywność procesu np. etanol przez szczepy drożdży Saccharomyces cerevisiae. Większość drożdży syntetyzuje go w wysokiej ilości, są tez drobnoustroje które produkują małe ilości metabolitów, są używane z uwagi na ich duże znaczenie dla człowieka, np. grzyby wytwarzające penicylinę. Teraz znane są szczepy modyfikowane tego grzyba zdolne wytwarzać ten antybiotyk w ilości 185 tys. jednostek.

W procesie syntezy metabolitów wykorzystywane są głównie substraty będące produktem ubocznym przemysłu rolnego. Obecnie synteza chemiczna rozwinęła na tyle, że wyparła syntezę mikrobiologiczna podobnie jak fermentacja alkoholowa. Rozwój mikrobiologii przemysłowej wiąże się z połączeniem syntezy chemicznej np. produkcji witamin, enzymów, antybiotyków, hormonów, aminokwasów.

Biotransformacja- wzajemne uzupełnianie się procesów chemicznych i mikrobiologicznych, przesuwanie ważnych grup chemicznych w wyniku czego zmieniają się właściwości steroidów (uzyskiwanie korzystnych lub niekorzystnych związków farmakologicznych) możemy tu wyróżnić procesy:

• chemiczne - otrzymywanie prekursorów dla mikroorganizmów

• biologiczne – przekształcanie prekursorów przez mikroorganizmy.

Enzymy wytwarzane są jedynie na drodze biologicznej.

Celem mikrobiologi przemysłowej jest pozyskiwanie drobnoustrojów o wartości produkcyjnej lub otrzymywanie mutantów (poprzez mutacje, krzyżowanie gamet, fuzji protoplastów, rozmnażanie paraseksualne) i selekcje szczepów do technologii przemysłowej

Podział mikrobiologii przemysłowej:

biosyntezy (wszystkie procesy i bioprocesy zwyczajowo są tu nazwane fermentacjami)

* fermentacje drożdżowe

>etanolu w gorzelniach, winiarniach

>biomasy drożdżowej

* fermentacje bakteryjne

* właściwe fermentacje bakteryjne (masłowa, mlekowa, propionowa)

* pseudofermentacje ( fermentacje kwaśne, tlenowe)

*fermentacje z udziałem grzybów nitkowatych

>fermentacje kwaśne

> wytwarzanie enzymów, witamin

* technologiczne zastosowanie promieniowców

> produkcje witamin głownie B12

>produkcje antybiotyków

W mikrobiologii przemysłowej wszystkie procesy biosyntezy to fermentacje, które dzielimy na fermentacje właściwe i pseudofermentacje.

Fermentacje właściwe

Zachodzą w warunkach ściśle beztlenowych, produkty są nie w pełni utlenione, a wydzielana energia jest niewielka. Zysk energetyczny fermentacji alkoholowej to 56,19kJ. W związku z tym, że występują bardzo duże różnice pomiędzy zyskiem energetycznym fermentacji, a oddychaniem tlenowym, proces beztlenowy zachodzi z bardzo duża szybkością a wyprodukowany etanol jest jako toksyczny metabolit wydalany na zewnątrz.

Pseudofermentacja

Proces pośredni miedzy oddychaniem tlenowym, a fermentacją właściwą w warunkach tlenowych. Powstały produkt jest nie w pełni utleniony. Bilans energetyczny znajduje się pośrednio między fermentacja właściwą, a oddychaniem tlenowym.

Fermentacje drożdżowe

Drożdże i drożdżaki mieszczą się w trzech klasach: workowcach, podstawczakach, grzybach niedoskonałych, przy czym zdecydowana większość to workowce i grzyby niedoskonałe. Rozmnażają się tworząc worki lub jak w nibydrożdżach nie tworzą zarodników.

Podział technologiczny drożdzy:

>dzikie

>szlachetne

Drożdże dające się użyć do jakiejś produkcji to drożdże szlachetne, a te które nie przynoszą żadnej korzyści, a czasami szkodzą w produkcji to drożdże dzikie. Zdolność do przetwarzania węglowodanów mają nie tylko drożdże, ale w przyszłości mogą one zostać zasępione przez bakterie.

Drożdże Saccharomyces cerevisiae są jednokomórkowe saprofityczne względnie tlenowe wiąże się to z efektem Pasteura (polega na zahamowaniu aktywności fermentacyjnej pod wpływem tlenu) i efektem Crabtree. Podobnie jak wszystkie grzyby rozwijają się w środowisku kwaśnym w temperaturze 25-27°C fermentują mono- i oligosacharydy, zaś nie rozkładają wielocukrów, przy czym Saccharomycopsis capsularis Lipomyces, Trichosporum wydzielają amylazy i mają zdolność rozkładu skrobi oraz większość z nich nie fermentuje cukrów.

Rozmnażanie drożdży

Drożdże rozmnażają się przez podział oraz przez kopulacje dwóch komórek. Często jednak powstające na skutek kariogamii komórki mogą dzielić się mejotycznie. Szczepy wykorzystywane w przemyśle są poliploidalne lub diploidalne. Warunkach głodowych diploidalne komórki przekształcają się w worek.

Wyróżniamy różnokształtne komórki drożdży. Różnice komórek są uzależnione od cech szczepowych i stanu rozwoju populacji np. drożdże piekarnicze 6-8 mikrometra. Przy takich drobnych rozmiarach w komórkach drożdży występuje bardzo pozytywny stosunek powierzchni do objętości.

Cytologia Komórki drożdżowej

Komórka drożdżowa składa się z: ściany komórkowej, cytoplazmy, jądra komórkowego. Ściana komórkowa jest dość elastyczna, ale mimo to nadaje jej odpowiedni kształt. W skład ściany wchodzi hemiceluloza z grupy mannanów i inne polisacharydy jak glikogen. Wszystko to stanowi 84%.

• Ściana komórkowa jest wielowarstwowa i włóknista

• Podczas hydrolizy hemicelulozy powstają mannany

• Do tej warstwy przylegają glikozaminy, fosfolipidy i lipidy

• Białko występuje w ilości 6-7% w formie związanej z mannami w stosunku 1:12

• W ścianie komórkowej znajduje się tez wiele aminokwasów Cys, Gly, Asp, i chityna -3%

• Polisacharydy tworzą najbardziej zewnętrzna stronę ściany, bliżej cytoplazmy jest coraz więcej aminokwasów, które posiadają grupy sulfonowych

• Struktura ściany komórkowej ma charakter luźny, posiada pory przez które prześwitują substancje organiczne i nieorganiczne. Cząsteczki o znacznej masie np. glukoza przenikają o wiele szybciej niż jony metali. Świadczy to o tym, że ściana reguluje dopływ i odpływ substancji do komórki nie tylko na zasadzie dyfuzji prostej.

• W ścianie komórkowej zlokalizowane są liczne enzymy jak: fosfatazy, inwertazy

• Komórka pozbawiona ściany komórkowej nie ma zdolności wykorzystania sacharozy ze względu na brak enzymów jak inwertaza

• Błona cytoplazmatyczna stanowi peryferyczne warstwy cytoplazmy o grubości do 10nm, zbudowana jest z kompleksu lipidowo-białkowych połączeń. Posiada przenikliwość dla soli, reguluje dopływ i odpływ substancji do komórki, ściśle współpracuje ze ścianą komórkową

• Ciśnienie osmotyczne wewnątrz komórki wynosi 0,3-06 MPa

• Cytoplazma posiada strukturę heterogenną w skład protoplazmy wchodzi:

- woda

- węglowodany

- substancje białkowe i tłuszczowe

- rybo nukleoproteidy

- zagęszczenie cytoplazmy zależy od wieku komórki.

Mitochondria

Struktury wielkości 0,3- 0,5 mikrometra kształtu kulistego lub elipsoidalnego. W ich skład wchodzą:

- substancje tłuszczowe 30%

- białka 50% (strukturalne)

- własne DNA i RNA

- rybosomy znajdują się pod kontrolą własnego DNA sterującego 10% białek mitochondrialnych oraz lipidów błony zewnętrznej, a pozostałe są pod kontrolą DNA jądrowego.

Otoczone są dwoma błonami. Matriks zawiera białka enzymatyczne.

• W warunkach beztlenowych komórki nie mają wykształconych mitochondriów, ale mają część błony z dehydrogenazą i nie maja cytochromu. Łańcuch oddechowy jest wysoce zdekompletowany.

• Przy dostępnie tlenu błony łączą się, fałdują i tworzą właściwe mitochondria. Zawierają szereg enzymów: peroksydaza i enzymy łańcucha oddechowego w którym przebiegają procesy fosforylacji

• Matriks posiada enzymy do cyklu Krebsa

• W mitochondriach zachodzi też proces aktywacji aminokwasów oraz przemiany związków tłuszczowych

Rybosomy

• Składają się z substancji tłuszczowych (fosfolipidy, cholesteryny, białka)

• Ciężar rybosomu wynosi 4,1x10^6.

• Rybosomy są centrum syntezy białek

Wakuole

• Wypełnione elektrolitami, białkami, tłuszczami, enzymami, węglowodanami, o konsystencji koloidu

• Wolutyna to polifosforan spełniający rolę magazynu grup fosforanowych

• W warunkach optymalnego rozwoju w komórkach materiały zapasowe gromadzone są w waluoli

• Wolutyna występuje też w połączeniach z metafosforanem

Jądro komórkowe

• Bardzo wyraźnie wyodrębnione

• Posiada porowatą błonę jądrowa i jąderko wypełnione karioplazmą i kariosomem- tworzącym ciałka chromosomalne

• W zależności od gatunku możemy wyróżnić 4-12 chromosomów

• W jądrze występuje bardzo duża ilość RNA maskującego obecność DNA

• W komórkach fermentujących objętość jądra może ulec powiększeniu 20-30% w stosunku do komórki oddychającej tlenowo. Jądro zwiększa się też przy podziale komórki

Drożdże Saccharomycess cerevisiae wykorzystuje się w gorzelnictwie do otrzymywania etanolu w procesie fermentacji.

Przemysł gorzelniczy nie ma długiej tradycji rozwinął się w średniowieczu. Technika destylacji była znana Asyryjczykom, ale tylko do otrzymywania eterycznych esencji. Natomiast Arabowie wykorzystali wino palmowe do otrzymywania stężonego alkoholu. Do XVII wieku produkcja spirytusu odbywała się bez znajomości technologii. Stwierdzono, że przy ogrzewaniu alkoholu traci on zdolność obumierającą. Wyniki badań Gay-Lussaca i Pasteura posłużyły jako podstawa do określenia biologicznego przebiegu fermentacji.

• W 1817 roku skonstruowano pierwszy aparat destylacyjny umożliwiający uzyskanie spirytusu wysokoprocentowego

• Dzięki Hollenfrondowi sprowadzono parownie ziemniaków przy nadciśnieniu

• Roczna produkcja etanolu to dziś 25-30 mld litrów

• Produkcja spirytusu nastąpiła w powojennej Polsce, oprócz gorzelni rolniczych znane są również melasowe 15, owocowe

• Roczna zdolność produkcyjna spirytusu w Polsce 400 mln m₃³ (70 % gorzelnie rolnicze, 26% melasowe, )

• Jako surowców do produkcji alkoholu etylowego używa się surowców zawierających cukry proste i względne oligosacharydy jak: buraki cukrowe, buraki pastewne, owoce świeże, suszone melasowe.

• Do surowców, które mogą być używane w przyszłości do syntezy etanolu należy: serwatka, przeważa tutaj laktoza – jej fermentacja musi być poprzedzona hydrolizą do cukrów prostych poprzez laktazę lub specjalne enzymy drożdży (permeaza laktozowa)

• Drugą grupą surowców, są surowce skrobiowe jak ziemniaki, zboża (w tym żyto, a rzadziej pszenica, kukurydza, jęczmień, ryż) mąka nie nadająca się do bezpośredniego konsumowania, otręby i produkty uboczne krochmalnictwa

• Trzecią grupę stanowią surowce zawierające inulinę łatwo przekształcającą się we fruktozę, korzenie cykorii, bulwy topinamburu

• Aby użyć tych surowców trzeba wykorzystać skrobie dzięki enzymom zawartym w kiełkujących nasionach lub wytworzonym z Bacillus subtilis

• Surowce celulozowe –drewno i odpadki drzewne, Trihoderma recie produkuje enzymy rozkładające celulozę

• Można również używać ługów polisulfidowych (produkty odpadu przemysłu papierniczego) zawierają od 2 do 3 % węglowodanów używanych do produkcji alkoholu, a także może być z nich produkowana masa drożdżowa.

II. Gorzelnictwo

Rozróżniamy gorzelnie:

• Przemysłowe – wykorzystują surowce najtańsze (melasa) pracują cały rok

• Rolnicze- praca kompanijna, okresowa od późnej jesieni do wczesnej wiosny, gdy jest zapotrzebowanie na wywar pofermentacyjny ( pasza zastępcza w okresie zimowym)

Pierwszy etap technologii-produkcji spirytusu, to przygotowanie słodu gorzelniczego

• Pierwszym etapem tego punktu jest moczenie zboża, większa ilość wilgoci wzmaga wegetacje. Szybkość wchłaniana wody na początku jest duża, a następnie maleje (uwodnienie wzrasta od 25 do 40%). Podgrzana woda zmniejsza czas moczenia.

• Następnym czynnikiem jest wielkość i kształt nasienia. W ziarnach dużych i zbitych czas moczenia jest większy, dlatego też przed moczeniem ma miejsce sortowanie ziaren pod względem wielkości i zbitości.

• Moczenie ziaren dokonuje się w tak zwanych zalewniach, tj. w potężnych skrzyniach lub kadziach wykonanych z cegły, metalu lub betonu.

• Do zalewni odpowiednim przewodem doprowadza się wodę.

• Spławki wynoszone są przez sito na samą górę (dno ażurowe zabezpieczające przed uciekaniem ziaren)

• Określoną ilość ziarna wsypuje się od góry, a od dołu wprowadza się wodę, która przedziera się przez dno ażurowe, powodując mieszanie ziarna i usuwanie spławek osadzających się na odpływie.

• Proces moczenia wykonuje się na przemian w dwóch fazach:

1. Moczenie mokre

2. Moczenie powietrzne – spuszcza się wodę i pozostawia się ziarno w kontakcie z wilgotnym powietrzem, w okresie letnim wykorzystuje się od 2 do 4 razy dziennie, a w zimie 1 raz na dobę.

• Proces moczenia prowadzi się do osiągnięcia nawilgotnienia ziarna rzędu 42-43%. Sprawdza się poprzez ujecie ziarna w dłoń i obserwowanie czy nie czuje się mokrego, czy nie wypływa mleczko skrobiowe lub ziarno na przekroju poprzecznym ma białą plamkę z szarą otoczką.

Słód jęczmienny

Jest to źródło enzymów do hydrolizy ziemniaków. Pierwszym etapem produkcji jest moczenie zboża, ponieważ zboże wysuszone zawiera tylko 12% wody (aby zapobiec pleśnieniu), a do wegetacji potrzeba jej więcej. Podczas moczenia ziarno nasiąka wodą do 40% najpierw szybko potem wolniej. Moczenie wpływa też na wielkość, kształt i jakość zboża – proces zdobywania wilgoci jest znacznie wolniejszy w małych ziarnach. Cały ten proces odbywa się w urządzeniach zwanych – zalewniami.

Po okresie moczenia spuszcza się wodę na około 4h i pozostawia ziarno w kontakcie z powietrzem, potem zalewa się je ponownie wodą. Celem tego zabiegu jest, aby namiękające ziarno miało kontakt z tlenem, który pobudza procesy kiełkowania.

Proces moczenia ziarna przeprowadzany jest w temperaturze 12-15°C. Z ziarna nie powinno wyciekać mleczko skrobiowe, a na przekroju poprzecznym powinno zawierać biały punkcik. Czas moczenia jest różny, na ogół dłuższy dla ziarna opleśnionego niż dla nieopleśnionego (żyto, pszenica). Dla jęczmienia jest to 48-72h, dla pszenicy i żyta 12-40h. Stosuje się delikatne środki odkażające w celu przeciwdziałania rozwojowi niekorzystnej mikroflory, są to: wapno chlorowane, formalina i wapno palone. Dodawane są one do ostatniej wody do zalewania, potem po usunięciu takiej wody, ziarno jest przemywane.

Drugim etapem najistotniejszym po procesie moczenia jest proces kiełkowania namoczonego ziarna – roszczenie słodu. Uzyskuje się maksymalną ilość enzymów amylolitycznych. W kiełkującym ziarnie gromadzą się enzymy amylolityczne i proteolityczne, które zmieniają cukry złożone na proste. W celu odpowiedniego wzrostu zapewnia się kiełkującym ziarnom odpowiednią temperaturę, wilgotność oraz dostęp do tlenu. W ziarnach zachodzą zmiany:

• anatomiczne:

• wyrastają korzonki (3-5), pokryte licznymi włoskami oraz wykształcają się kiełki (liścienie)

• słodowanie odbywa się przy ograniczonym dostępie światła, bo na świetle chlorofil sprzyja syntezie węglowodanów, a celem słodowania jest wytworzenie enzymów amylolitycznych (zielony kiełek świadczy o słabej jakości słodu)

• biochemiczne:

• uruchomienie enzymów ziarna, tzw. cytaz

• cytazy rozluźniają strukturę komórek bielma i jest to pierwszy proces enzymatyczny podczas kiełkowania – tzw. proces rozluźniania ziarna

• po rozluźnieniu ziarna działają enzymy amylolityczne diaspory i proteolityczne

• enzymy amylolityczne (α- i β-amylazy atakują ziarna skrobi w wyniku czego najpierw pojawiają się rysy i pęknięcia, a potem ziarno skrobi ulega rozpuszczeniu zgodnie ze schematem:

skrobia→maltoza→glukoza

• ilość enzymów amylolitycznych wzrasta w czasie słodowania, które trwa 16dni

Słód gorzelniczy to słód długi (16dni). Odróżnia się go od słodu krótkiego (w browarnictwie), który trwa 7-8dni. Różnica polega na tym, że w browarnictwie słód jest potrzebny tylko do hydrolizy ziarna własnego jęczmienia, a w gorzelnictwie dodatkowo do hydrolizy zacieru ziemniaczanego, więc aktywność enzymatyczna musi być wyższa. Poza tym w browarnictwie słód się suszy, w gorzelnictwie nie.

Słodownia od strony technicznej:

Po opuszczeniu ostatniej wody ziarno pozostawia się w zalewie na okres 8h i wyrzuca się na posadzkę wzrostowni. Ziarno układa się w grzędy o grubości 8cm. Temperatura tam panująca to ok. 12-15 °C i nie powinna przekraczać 18°C. W niższej temperaturze jest mniejsze prawdopodobieństwo zakażenia. Dla ułatwienia wymiany gazowej grzędy poddaje się przerzucaniu szuflą lub drewnianym pługiem. Jednocześnie usuwany jest CO₂.

Ziarno takie następnie jest nawilżane, skrapla się je wodą w ilości 2,5l/100kg słodu. Na kilka dni przed końcem słodowania zaprzestaje się skraplania grzęd. W słodowni gorzelniczej ze 100kg jęczmienia uzyskuje się 150kg słodu długiego, o zawartości 50% wody i 25% skrobi. Do scukrzenia 100kg skrobi w surowcu podstawowym trzeba użyć 12kg słodu. Słodowanie bębnowe przeprowadza się w bębnach metalowych, zaopatrzonych w system napowietrzania i zraszania wodą. Prawidłowo wyprodukowany słód ma białe liścienie o długości 0,5-1,5 długości ziarna, silnie skręcone korzonki, musi być wolny od ziaren spleśniałych. Ziarno powinno mieć jasną barwę i przyjemny i lekko ogórkowy zapach. Zawierać także powinien nie więcej niż 5% ziaren nieskiełkowanych. Istotną rolę odgrywają kwasy giberelinowe. Fitochromy te powodują u roślin wydłużanie się łodygi, pobudzają kwitnienie, aktywują enzymy. Drobne ich ilości znajdują się w ziarnach, natomiast bardzo efektywne jest działanie kwasu giberelinowego na uszkodzone ziarna. 1G gibrofitu H (sól sodowa kwasu giberelinowego) na tonę ziarna dodany do ostatniej wody lub do wody do zraszania słodu, zmniejsza dawkę słodu nawet o 20%. Preparat Gibrescol stosowany jest w browarnictwie w celu przyspieszenia kiełkowania ziarna.

Następnie słód się płucze (tylko, gdy są pleśnie) i gniecie. Potem moczy się go w wodzie przez 10min. Potem pozostawia się go na okres 10-20min i kieruje się je do rozgniatania. Płukanie powinno się odbyć bez względu na to, czy są infekcje czy ich brak. W procesie rozcierania część mikroorganizmów ginie. Słód podlega rozdrobnieniu w celu wyługowania enzymów (amylaz, proteaz). Rozcieranie dawniej odbywało się w gniotowniach, teraz w aparatach AMS czy aparatach do mleczka słodowego. W skład takiego aparatu wchodzi zbiornik, 1-stopniowa pompa wirowa i zespół rur przemysłowych.

Ważne jest, że w ostatnich latach słód jako środek hydrolizujący jest zastępowany preparatami enzymatycznymi wytwarzanymi poza gorzelniami. Wytwarzane są enzymy amylolityczne: α- i β-amylaza. Enzymy amylolityczne są w postaci preparatów stałych lub ciekłych, o dużej koncentracji enzymu, którego aktywność enzymatyczna jest normowana. Istnieje niewątpliwa wyższość preparatów enzymatycznych nad słodem. Stosowanie preparatów amylolitycznych wytwarzanych metodami mikrobiologicznymi:

• Pektowin - w Jaśle

• Amylopol P – wytworzony metodą wgłębną z użyciem Aspergillus

• Amylopol CS – preparat pochodzenia bakteryjnego z Bacillu subtilis

• Glukopol P – wytworzony metodą wgłębną z użyciem Aspergillus awamori

krajowa produkcja preparatów amylolitycznych nie zaspokaja jednak potrzeb gorzelnictwa, importuje się ją z Danii.

Przygotowanie surowca do produkcji etanolu:

Tym surowcem w produkcji gorzelniczej jest ziemniak.

1. etap oczyszczania ziemniaków na sucho przy pomocy raf (sit o dużych oczkach), na skutek wzajemnego ocierania się ziemniaków usuwana jest ziemia, ułatwia to ruch drgający sit.

2. etap ma miejsce w spławniach (spławiakach) jest to urządzenie, które zapewnia transport surowca na drodze wodnej do płuczek. Spławnie zbudowane są z drewna i obite blachą, bądź stanowią je betonowe koryta.

3. etap płuczki, zapewnia właściwe mycie ziemniaków. Płuczki mają kształt wydłużonego pojemnika z podwójnym dnem: właściwym i ażurowym. Wzdłuż tego naczynia znajduje się wał obrotowy, na którym pod wyższym kątem zlokalizowane są łopatki w różnej odległości (dłuższe i krótsze). Wewnątrz znajduje się również urządzenie odpływowe posiadające zawór zamykający. Płuczka wypełniona jest prawie po brzegi wodą i ostatecznie najdłuższa łopatka-łyżka wyłapuje umyte już ziemniaki. Natomiast wszystkie zanieczyszczenia są usuwane z wodą odpływową przez dno ażurowe.

4. kubełki przenoszą umyte ziemniaki do kosza zapasowego, a następnie dokonuje się ważenia ziemniaków w celu określenia ilości zawartej w nich skrobi. Etap ważenia odbywa się na wadze Parowa-Reimanna i w ciągu 2 min odbywa się ważenie 5kg porcji na powietrzu, a następnie pod wodą. Ma to na celu oznaczenie ciężaru właściwego, który jest ściśle skorelowany z procentową zawartością skrobi w ziemniakach.

5. skrobia nie podlega bezpośrednio fermentacji i dlatego uprzednio musi ona zostać wydobyta z komórek roślinnych. Aby umożliwić hydrolizę, niszczy się osłony komórkowe i tym samym strukturę komórki.

Niszczenie osłon odbywa się na drodze termicznej lub mechanicznej:

W metodzie termicznej

Zważone ziemniaki kierowane są do rozparowywania w parnikach ciśnieniowych, jednak proces ten poprzedza bardzo mało wydajne wcześniejsze gotowanie i tłuczenie ziemniaków (skrobia wówczas ulega jedynie sklejkowaniu). Parniki ciśnieniowe mają postać cylindrycznych stożków, odwróconych stożków lub stożkowo-cylindrycznych form. Najczęściej stosowane są stożkowo-cylindryczne o stosunku 2:1 stożka do cylindra- takie formy dają najlepsze wyniki parowania, a co za tym idzie-ekonomiczność. Proces ten może być periodyczny lub ciągły.

Parowanie periodyczne

Parniki zbudowane są ze stalowej, nierdzewnej blachy o grubości minimum 10mm. Naczynie wyposażone jest w otwór wpustowy od góry, służący do wprowadzania umytych ziemniaków, ponadto posiada ono klapy, czyli urządzenia umożliwiające szczelne zamknięcie naczynia. Doprowadzenie pary z kotłowni przemysłowej może następować od góry, bądź od dołu przez zawór górny lub dolny.

Zawór odprowadzający wodę sokową, monowakuometr- kurek odpowietrzający ma za zadanie pokazywać nad- i podciśnienie, tym samym kontroluje zmiany ciśnienia wewnątrz naczynia. Pojemność parnika ciśnieniowego waha się od 35 do 45 hektolitrów i może pomieścić od 26 do 30 dt (decyton). Sam proces może przebiegać różnie, w zależności od skrobiowości ziemniaków.

• Ziemniaki niskoskrobiowe poniżej 17%- para wprowadzana jest od góry, styka się z zimnymi ziemniakami, ulegając skropleniu tworzy wodę sokową i obmywa je przez 15-30 min. Po tym czasie ziemniaki są jednolicie ogrzane. Przez otwór odprowadzający wodę, zostaje ona wyprowadzona, następnie parownik ulega zamknięciu i następuje faza wstępna parowania-podparzania- trwa ona 20-30min. Po tym czasie zawór doprowadzający parę od góry ulega zamknięciu, a otwiera się zawór doprowadzający parę od dołu. Jest to początek właściwego procesu parowania, trwa on 25-35min., przy czym następuje wzrost ciśnienia od 0,3-0,35 MPa (3-3,5 Atm), co odpowiada temp. 142-145°C. Proces parowania prowadzony jest do czasu uzyskania jednolitej masy ziemniaczanej o brunatnej barwie. Ziemniaki ulegają upłynnieniu. Ważne jest by nie przekroczyć temp., ponieważ wówczas dochodzi do skarmelizowania skrobi.

• Ziemniaki wysokoskrobiowe powyżej lub równe 17% - para wprowadzana jest jedynie przez zawór dolny, zatem może nastąpić konieczność doprowadzenia pewniej ilości wody (stosunek skrobi do wody 1:4). Jeśli zaś ziemniaki mają skrobiowość równą 17% to nie wprowadza się wody. Parowanie przeprowadza się poprzez wprowadzenie pary zaworem dolnym, przy jednoczesnym otwarciu kurka odpowietrzającego, który jest otwarty do momentu, aż pojawi się przebije się para. W tym momencie kurek się zamyka, a my obserwujemy wzrost ciśnienia. Kiedy skrobiowość ziemniaków jest większa od 17% stosuje się wzrost ciśnienia do 0,4MPa, proces parowania trwa 25-40 min. Natomiast całkowity proces od momentu załadowania ziemniaków trwa 1-1,5h, zaś przy stosowaniu ziemniaków o mniejszej skrobiowości czas ten jest dłuższy od 1,5h.

Parowanie ciągłe – zalety:

• likwidacja czasu potrzebnego na naładowanie i rozładowanie parownika

• likwidacja ryzyka przegrzania surowca

• łatwa automatyzacja

Wprowadzenie parowania ciągłego wymaga:

• rozdrobnienia surowca, np. na tarkach,

• równoczesnego wymieszania z wodą,

• dysponowania pompą wtłaczającą tę zawiesinę pod nadciśnieniem 0,5MPa

Urządzeniem tym jest system pionowych, połączonych ze sobą rur, wewnątrz których wbudowane są przegrody co 2-2,5m, mają one otworki zajmujące 10-20% powierzchni.

Podgrzana masa podawana jest przez pompę …...i ta masa jest poddawana działaniu pary o temp. 160-165°C (0,8Mpa). Podgrzana w tym naczyniu masa przesuwa się rurami przechodząc przez dziurkowane przegrody, co powoduje skoki ciśnienia dodatkowo rozdrabniające surowiec-korzystna dezintegracja. W systemie rur masa trafia jeszcze do dwóch naczyń, w których następuje wyrównanie temperatur i z których można w miarę potrzeby wypuścić nadmiar pary oraz substancje lotne. Urządzenie to umożliwia rozparowanie 5 ton surowca na godzinę, a jego całkowita objętość to 1,5m³.

Metoda mechaniczna

Metoda mechaniczna uzyskiwania skrobi – podobno nie jest już stosowana. Stosowano młyny mechaniczne, rozdrabniacze bijakowe, tarki krochmalnicze, młyny mechaniczne, produktem działania tych maszyn zawsze były rozdrobnione cząstki produktu o średnicy do 1,5mm. W metodzie tej stosowano wyższe pH, które było korzystniejsze dla działania enzymów hydrolitycznych.

Zacieranie rozparowanych ziemniaków

Obejmuje skomplikowane reakcje chemiczne. Jest to umieszczenie słodu z rozparowanymi ziemniakami w kadziach zaciernych. Ma kształt wielkiego, zamykanego od góry cylindra o szerokości 3-4m i wysokości 0,5m. Chłodnica w postaci spiralnej rury obiega kadź od wnętrza i w zależności od potrzeby przebiega przez nie zimna woda lub gorąca para. Mieszadło składa się z dwóch skrzydeł tuż nad dnem kadzi zaciernej. Urządzenie do wstępnego schładzania uparowanych ziemniaków – aparat Hessego-cylinder metalowy posiadający miejsce spustowe, umożliwiające pobieranie próbek scukrzonego zacieru (przecieru) do kadzi, w której znajdują się drożdże gorzelnicze. Kadź zacierna również zawiera rurę spustową, dzięki temu po zaszczepieniu drożdżami scukrzony, zaszczepiony zacier przenoszony zostaje do kadzi fermentacyjnej.

Wykonanie:

Do kadzi zaciernej wprowadza się ok.1/3 przygotowanego słodu (rozgniecionego), który miesza się z wodą w celu uzyskania mleczka słodowego. Do otrzymanego mleczka wprowadza się pierwszą partię sparowanych ziemniaków, mieszadło i miesza. Gdy mieszanina (ziemniaki+słód) osiągną temperaturę 50°C uruchamia się chłodnicę, w celu zapobiegania dalszego wzrostu temperatury. Następnie wprowadzona zostaje kolejna 1/3 słodu i partia ziemniaków, tak aby temperatura w kadzi nie przekroczyła 55°C. Kiedy w kadzi znajdzie się ¾ ziemniaków, wprowadza się ostatnią partię mleczka i ziemniaków, tak aby temperatura utrzymała się w granicach 61-62°C. Następnie włącza się mieszadło i pozostawia proces w celu docukrzania (rozkład skrobi do maltozy lub glukozy). Cały proces trwa od 1,5 do 2h. W określonych odstępach czasowych, w trakcie trwania procesu pobierane są próbki zacieru przy pomocy aparatury Hessego. Pobrane próbki poddawane są roztworawi Lugola, proces prowadzony jest tak długo, aż kolejne z próbek dadzą negatywny wynik próby. Wówczas proces suszenia zastaje zakończony, a substrat może być poddany fermentacji.

Skrobia i jej skład

Składa się z amylozy w 22% i w 78% z amylopektyny. Stosunek ten jest zmienny w zależności od przynależności do gatunku rośliny. Jednostką strukturalną skrobi jest maltoza. Amyloza nie pęcznieje, a rozpuszcza się w wodzie, daje granatowe zabarwienie z płynem Lugola. Posiada łańcuch nierozgałęziony, skręcone łańcuchy w ß-helisę, jednostki strukturalne połączone są wiązaniami glikozydowymi typu α-1,4. Amylopektyna zaś pęcznieje w wodzie tworząc kleik skrobiowy, z jodem daje purpurowe zabarwienie. Jej łańcuch jest rozgałęziony, rozgałęzienia połączone są wiązaniami glikozydowymi typu α-1,6.

W skład roślinnych amylaz wchodzą α- i β- amylazy, dekstryny graniczne oraz enzymy towarzyszące. Działanie amylaz jest trójstopniowe: rozpuszczające, deksrtynujące i scukrzające. Zdolność dekstrynująca polega na tym, iż ze skrobi powstają najpierw: amylodekstryny (barwiące się jodem na fioletowo), erytrodekstryny (na czerwono) i achiodekstryny (dające negatywną reakcje z jodem). To α-amylaza rozszczepia hydrolityczne cząstki skrobi, przekształcając formę nierozpuszczalną w wodzie na rozpuszczalną. Zaś zdolności scukrzające ma β-amylaza, rozkłada ona skrobię na maltozę, która fermentuje pod wpływem działania drożdży.

β-amylaza występuje tylko w roślin (jęczmień, pszenica). Enzym ten atakuje skrobię tylko z zewnątrz (egzoamylaza)- odszczepia stopniowo, redukując grupę β-maltozy. Powoduje to całkowity rozkład amylozy i w 50% amylopektyny, bo działanie tego enzymu zatrzymuje się na wiązaniach typu α-1,6. Działanie β-amylazy na skrobię powoduje szybsze scukrzanie, powstaje dość szybko duża ilość cząsteczek glukozy, dlatego nazywany jest amylazą scukrzającą, jest ona bardzo wrażliwa na wzrost temperatury powyżej 60˚C, optimum pH wynosi 5,2.

α-amylaza występuje u roślin, zwierząt i mikroorganizmów. Atakuje ona wiele wiązań typu α-1,4, nazywana jest endoamylazą. Przy działaniu na amylopektynę powstają takie produkty jak: maltoza, glukoza i dekstryny, stąd nazwa - amylaza dekstrynująca. Szybko upłynnia skrobię i działa w sposób przypadkowy, nie rozkłada wiązań typu α-1,6. α-amylaza skrobiowa działa w temperaturze 70-75˚C i nie ulega inaktywacji w temperaturze 80˚C. Jej optimum pH wynosi 5-5,4.

Pullulanozy dekstryny graniczne (amylo-1,6-glukozydazy), specyficzne hydrolazy występujące u roślin i u zwierząt. Zdolne są do rozkładu α-1,6,a niektóre także do rozkładu α-1,4. W wyniku ich działania fermentująca izomaltoza (glukoza połączona wiązaniem α-1,6) zostaje rozłożona na cząstki glukozy występujące w słodzie. Optimum temperatury dla jej działania to 40˚C i pH 5,1.

Przygotowanie drożdży

Saccharomyces cerevisiae fermentacji górnej charakteryzują się dużym stopniem odfermentowania. Tworzą od 9-10 v/v% etanolu w ciągu 2-3 dni. Są oporne na wytwarzany alkohol. Drożdże gorzelnicze to heterotroficzna grupa organizmów beztlenowych, zdolnych do fermentacji, ale i oddychania

Drożdże fermentacji górnej – gorzelnicze i piekarskie:

• wytwarzają duże ilości CO₂

• są wynoszone w końcowej fazie fermentacji na powierzchnię zacieru w postaci piany, a potem po długim opadają na dno tanku

• rozkładają rafinozę (trisacharyd złożony z fruktozy i dwucukru melibiozy) tylko w 1/3 części, powodowane jest to jedynie rozkładem- fermentacją fruktozy, gdyż nie rozkładają melibiozy, wynika to z tego, że nie posiadają enzymu melibiazy ( α-galaktozydazy) odpowiedzialnej za hydrolizę melibiozy do glukozy i galaktozy.

Drożdże fermentacji dolnej- piwowarskie i winiarskie:

• zlepiają się i tworzą koagulanty, które osiadają na dnie

• rafinozę rozkładają całkowicie gdyż posiadają enzym melibiazę

• drożdże kłaczkowate: mają zdolność do tworzenia kłaczków

• drożdże pyliste w płynie fermentacyjnym tworzą równomierną zawiesinę, pozostają w stanie rozpylonym

• zdolność do koagulacji zależy od charakteru błony komórkowej – komórki z błoną z fosforanem wapnia i kwasem krzemowym ławo koagulują i szybciej opadają na dno kadzi fermentacyjnej.

Proces namnażania drożdży w gorzelniach przebiega w drożdżowniach w kadziach. Dla każdej partii zacieru przygotowane są drożdże zarodowe, hodowane są dzień wcześniej na specjalnym podłożu-przecierce drożdżowej-część scukrzonego zacieru odebrane z kadzi zaciernej. Przecierek drożdżowy wzbogacony jest przez pewną ilość tzw. słodu krótkiego. Ma to na celu zwiększenie zawartości związków azotowych. Po dodaniu słodu całość jest ogrzewana jest parą do temperatury 65˚C i pozostawiona na ok 2h, czyli doprowadza się do warunków optymalnych dla działania enzymów proteolitycznych i doprowadzenia do scukrzania. Polepsza to rozwój drożdży zarodowych. Ilość przecierku kształtuje się na poziomie 7-8% w stosunku do głównej masy zacieru poddawanego fermentacji. Tak to wygląda w przypadku fermentacji 3-4 dobowej, w przypadku fermentacji 2 dobowej jest on większy. Zacierek musi być ukwaszony, bo drożdże są organizmami kwasolubnymi, kwaśny odczyn stymuluje ich rozwój. Zakwaszenie odbywa się na drodze chemicznej, zaś stopień zakwaszenia w gorzelnictwie określa się w stopniach Delbrucka (1° oznacza 1ml 1N ługu potrzebnego do zobojętnienia 20ml roztworu). Obecnie w gorzelniach stosuje się do ukwaszenia kwasy mineralne, ponieważ one silniej dysocjują i wywierają silniejszy efekt biologiczny. Początkowo temperatura to 28-30°C, do zacieru dodaje się matkę drożdżową, która w ciągu doby ma się rozwinąć. Potem temperaturę obniża się i jest to temperatura nastawienia drożdży. Trwa to około doby, w trakcie namnażania temperatura nie powinna przekroczyć 30°C. Po zaszczepieniu zacier jest przenoszony do kadzi fermentacyjnej.

Proces fermentacji składa się z trzech etapów:

1) Faza 24 godzinna zafermentowanie- intensywne namnażanie drożdży na skutek dużego natleniania, które potęguje się przelewaniem zawartości z kadzi do kadzi. Natomiast w miarę upływu czasu, gdy stężenie O₂ spada, spada również intensywność namnażania drożdży, wpływa na to ma także wzrost stężenia etanolu. Gdy stężenie etanolu wzrośnie powyżej 5% następuje całkowite zahamowanie namnażania. CO₂ który się tworzy początkowo rozpuszcza się w zacierze, lecz gdy jest go za dużo tworzy się piana, która wzrasta, potęguje się i wprawia w ruch fermentujący zacier. W tym momencie tego procesu przechodzi się do fermentacji głównej – maltozowej. Temperatura wzrasta od 15°C do 23°C.

• z tlenem 1g masy drożdży wymaga 4-10g cukru

• bez tlenu 1g masy drożdży wymaga 60-80g cukru

• w sytuacji gdy stężenie cukru jest wyższe niż 5% następuje fermentacja zamiast oddychania

2) Faza - fermentacja główna/ maltozowa- charakteryzuje się silnym burzeniem środowiska reakcji, energicznie mieszający się roztwór intensywnie pulsuje i niekiedy w otwartych kadziach może dochodzić do przelewania się roztworu – fermentacja pienista. Kierunek burzenia się powinien przebiegać od ścian kadzi do środka tak, by zapobiec wylewaniu. Temperatura nie powinna przekroczyć 30°C (gdyż ogranicza fermentację), zaś w normalnych warunkach dochodzi do 27-28°C. Trwa ona ok.15h, kończy się gdy wyczerpie się maltoza i glukoza.

3) Faza – dofermentowanie – głównym substratem w tej fazie są dekstryny, zaś możliwość ich wykorzystania zależy od zawartości w nich pullanaz. Po zhydrolizowaniu pewnej ilości skrobi następuje równowaga dynamiczna z cukrami prostymi, wówczas aby dekstryny mogły zostać zużyte, muszą być obecne pullulanazy. Taki proces ma miejsce w kolumnie spirytusowej, skąd przechodzą do …..., skąd po skropleniu otrzymujemy etanol o stężeniu 90% (surówka), stężenie to może również dochodzić do 95% (wraz ze wzrostem odpowiednio liczby półek). Poza obrębem gorzelni surówka ulega kolejnym obróbkom. Etap ten jest najwolniejszy i trwa 30h. Tu następuje spadek wizualnych objawów fermentacji, następuje spadek CO₂ i temperatury z ok.30°C do 25-26°C.

Areometr Ballinga-Brixa (cukromierz) – pozwala ustalić wagowo-objętościowy procent (w/v%) zawartości sacharozy w roztworach wodnych o temperaturze 20°C (jeśli zawierają tylko ten rodzaj cukru) lub zawartość ich suchej masy (jeśli zawierają jeszcze inne substancje). Użycie tego cukromierza pozwala na oznaczenie w zacierach lub brzeczkach zawartości w nich ekstraktu, czyli suchej masy.

Areometr Trallesa (alkoholomierz) - używany jest do ustalania procentu objętościowo-objętościowego (v/v%) etanolu zawartego w roztworach wodnych w temperaturze 20°C. Odczytu dokonuje się w stopniach Trallesa (°Tr) oznaczających zawartość tego alkoholu w centymetrach sześciennych alkoholu absolutnego. 1°Tr = 1cm³ absolutnego etanolu w 100cm³ uwodnionego roztworu.

°Blg (Ballinga) stosowane są głównie w gorzelnictwie i browarnictwie.

°Bx (Brixa) stosowane są głównie w cukrownictwie i syropiartwie.

Stopień odfermentowania wyrażony w °Blg powinien wynosić 0,8-1,5 świadczy to o tym, że fermentacja przebiega prawidłowo. Gdy zaś odczyt wynosi powyżej 1,5°Blg, świadczy to o niewłaściwej trzeciej fazie, czyli odfermentowaniu (najprawdopodobniej z powodu nieaktywnych enzymów).

Kadzie fermentacyjne : kiedyś były prostopadłościenne, betonowe, dziś mogą być drewniane, stożkowate wysokości 1,5 raza większej od średnicy. Najczęściej obecnie spotykane to cylindryczne, całkowicie, hermetycznie zamknięte, ze stali nierdzewnej. Takie rozwiązanie pozwala na zmniejszenie strat w produkcji alkoholu ze względu na jego parowanie.

Oddestylowanie przefermentowanego zacieru- odpęd spirytusu:

Oddestylowanie przefermentowanego zacieru, czyli odpęd spirytusu odbywa się w aparatach odpędowych lub aparatach do destylacji ciągłej w których powstają (produkty). Na skutek destylacji otrzymuje się alkohol surowy czyli tzw.:surówkę-okowitę, zawiera ona przynajmniej 90% alkoholu etylowego (brana do produkcji koniaków, winiaków). Drugim produktem jest tzw.: wywar, który służy jako pasza dla zwierząt w okresie jesienno-zimowym.

Mechanizm:

Do kolumny zacierowej podaje się zacier. Kolumny w aparacie mają półki pomiędzy którymi są przejścia. Zacier idzie w dół, natomiast pary alkoholu do góry. Pary powstające na półkach są zagęszczane na każdej kolejnej, gdyż na każdej z nich zachodzi oddzielna destylacja. Aby alkohol był 90%, tych półek musi być około 80 (im więcej półek tym wyższe stężenie alkoholu). Dzięki kolumnie spirytusowej pary ulegają zagęszczeniu, zawartość alkoholu w parach rośnie, zaś w ściekającym zacierze maleje. Zacier spływa z górnej półki kolumny zacierowej na coraz niższe, aż trafia do regulatora wywaru. Równocześnie w przeciwnym kierunku doprowadzana jest para wodna, spotyka ona na swej drodze gorący zacier, co doprowadza do wrzenia, w tym momencie oddzielają się pary alkoholu. Powstałe pary przechodzą kolejno na górną półkę i cykl się powtarza. W wywarze zaś nie ma alkoholu. Pary z kolumny spirytusowej trafiają do deflegmatora (chłodnicy).Na końcu powstaje okowita. Stężenie alkoholu w surówce może wzrosnąć do 94-95%, gdy zwiększymy ilość półek i zwiększymy nakład energii, jednak optimum wynosi 90%.

Surowy alkohol oprócz etanolu zawiera produkty uboczne:

• aldehydy (octowy, furfural);

• kwasy organiczne ( CH₃COOH, HCOOH, kw. masłowy);

• wyższe alkohole (fuzle)

Teorie powstawanie fuzli:

• Teoria Perlicka (Enricha?): Fuzle powstają w wyniku dezaminacji aminokwasów powstałych przez rozkład białek w czasie fermentacji. Grupa aminowa zostaje wbudowana do drożdży, a reszta zostaje przekształcona w fuzle.

• Teoria Genovois i Lafona: Wyższe alkohole powstają z cukrów, które najpierw są przekształcone w ketokwasy, a następnie w procesie transaminacji przekształcają się w aminokwasy lub częściowo w fuzle w wyniku karboksylacji.

Fuzle reprezentowane są przez:

• Alkohol amylowy

• Alkohol izobutylowy

• Alkohol izopropylowy

Domieszkami surówki są także estry. Surówkę gorzelniczą poddaje się obróbce retryfikowanej w retryfikatorach. Polega na oczyszczaniu fuzli i nadmiaru H₂O przez podwójną destylację. Najpierw rozcieńczamy roztwór do 40-50%, dodajemy KMnO₄, w celu utleniania np. aldehydów. Następnie neutralizuje się roztwór roztworem NaOH, który wprowadza się, by zneutralizować kwasy organiczne. Taki roztwór poddaje się destylacji frakcjonowanej na:

• przedgon- temperatura wrzenia niższa niż temperatura wrzenia etanolu, oddzielają się : aldehyd octowy, aldehyd mrówkowy, octany etylu, octany metylu

• frakcja zasadnicza – temperatura wynosi 78,3°C, tu zbiera się tylko etanol

• niedogon – temperatura wrzenia jest wyższa od temperatury wrzenia etanolu, powstają oleje fuzolowe – 0,4%

Po rektyfikacji otrzymujemy etanol o wysokim stopniu czystości, pomiar alkoholomierzem, daje wynik 95-96°Tr v/v % etanolu. Dalsze odwodnienie alkoholu nie jest już możliwe. Etanol odczynnikowy otrzymuje się na skutek użycia: trichloroetylenu, benzenu, CaO jako odwadniaczy. Najczęściej spirytus skaża się acetonem.

W Polsce spirytus otrzymuje się tylko metodami biologicznymi. Syntetyczny otrzymuje się w procesie uwodnienia etylenu lub uwodornienia aldehydu octowego, na drodze uwodnienia etylenu otrzymuje się gazohol- mieszankę napędową.

Alkohol etylowy znajduje zastosowanie w:

-produkcja włókien sztucznych

-sztuczna guma

-wyrób farb i lakierów

-preparatów farmaceutycznych

-produkcji aldehydu octowego

-produkcja acetonu

-produkcja octu

-produkcja spirytusu opałowego

-denaturaty

-wykorzystywany jako rozpuszczalnik

-wykorzystywany jako antyseptyk

-dodawany do mieszanek napędowych-paliwo ekologiczne

W gorzelniach rolniczych etanol nie jest podstawowym produktem finałowym. Podstawowym produktem jest wywar, a przy okazji spirytus. W gorzelniach przemysłowych produkcja jest nastawiona tylko na etanol, dlatego wykorzystuje się jak najtańszy surowiec. W Polsce jest to melasa.

Melasa - melas jest produktem odpadowym przemysłu cukrowniczego. Zawiera dużą ilość sacharozy (45-55%). Sacharoza jest cukrem łatwo metabolizowanym przez drożdże i w tym przypadku nie ma potrzeby stosowania słodu lub jakiegoś preparatu amylolitycznego do wstępnej obróbki substratu.

Ziele melasowe - brzeczka melasowa przed wykorzystaniem do fermentacji potrzebuje uzupełnienia produktami azotowymi i fosforanowymi- źródłem tych substancji są kiełki słodowe i autoliza drożdżowy. Kiełki słodowe są produktem odpadowym w przemyśle browarniczym. Siarczan amonowy jako źródło azotu, superfosfat- fosforan jednowapniowy- źródło fosforu, fosforan amonowy- źródło azotu i fosforu.

Proces produkcji w gorzelniach przemysłowych można podzielić na 4 etapy.

I ETAP

Przygotowanie surowca- brzeczki melasowej- zacieru, który ma być poddany procesowi fermentacji.

Melas zostaje umieszczona z wodą w odpowiednich kadziach metalowych. Następnie jest uzupełniana dodatkami zawierającymi azot i fosfor. Roztwór melasowy miesza się i napowietrza poprzez doprowadzenie sprężonego powietrza. Ukwaszenie brzeczki melasowej z użyciem kwasu siarkowego. Stopień ukwaszenia jest różny, zależy od tego w jakim celu brzeczka ma dalej służyć:

• część brzeczki służy do namnażania kultury zarodowej drożdży-w tym przypadku kwasowość jest nieco wyższa: 0,8-1,2 Db⁰

• drugi rodzaj brzeczki to podłoże zasadnicze, na którym odbywa się proces fermentacji-ukwaszenie wynosi 0,5-0,6 Db⁰

Gęstość brzeczki –stopień rozcieńczenia zależy od celu jakiemu brzeczka ma służyć. Gdy służy do namnażania inokulum- matki drożdżowej wynosi 10-14Blg^o . gdy brzeczka służy jako główny substrat do fermentacji to gęstość waha się od 15-50 Blg^o - te duże wahania wynikają z tego że w czasie fermentacji głównej często następuje uzupełnienie podłoża nowymi porcjami brzeczki, dlatego aby utrzymać w czasie całego procesu fermentacji stężenie cukru na tym samym poziomie każda następna dawka melasy musi mieć nieco większa gęstość, tak aby po rozcieńczeniu z poprzednią partią zawartość cukru kształtowała się na mniej więcej tym samym poziomie.

II ETAP

Przygotowanie inokulum do fermentacji - przygotowanie matki drożdżowej

W pierwszej fazie matkę drożdżową przygotowuje się w laboratorium przyzakładowym w niewielkiej ilości roztworu melasy w kolbach o pojemności ok. 5dm³ . kolejne fazy namnażania charakteryzują się zwiększoną objętością: taką objętość 5dm³ przeszczepia się na tzw. aparaty propagacyjne. Propagatory to zbiorniki o pojemności 1 500-2000 dm³ . namnożone w propagatorze drożdże są następnie przepompowywane do kadzi drożdżowych o odpowiednio zwiększonej objętości. Po namnożeniu drożdży w kadziach część z nich jest okresowo odprowadzana i służy później do zaszczepienia kadzi fermentacyjnej. Pozostałe namnażają się na świeżej porcji doprowadzonej brzeczki. Ilość drożdży zarodowych, które wprowadzane są do fermentacji głównej w gorzelniach przemysłowych jest znacznie wyższa w gorzelni rolniczej (6-8%). W gorzelni przemysłowej ilość drożdży zarodowych służących do zaszczepienia fermentacji głównej waha się od 30-60%- w końcowych przypadkach nawet połowa całego roztworu fermentacyjnego pochodzi z drożdży zarodowych-wynika to z wad organicznych surowca-melasy. Żeby te wady przezwyciężyć daje się olbrzymią ilość inokulum.

III ETAP

Fermentacja główna trwa od 24 do 30 godz. i przeprowadzana jest porcjowania brzeczki melasowej, czyli stopniowego doprowadzania coraz gęstszej brzeczki lub doprowadzana jest w sposób ciągły z takim wyliczeniem, aby zawartość cukru w fermentującej brzeczce przez cały okres fermentacji wynosiła 9-12,5 Blg^o . W miarę ubytku doprowadzane są następne porcje brzeczki melasowej, aby otrzymana koncentracja cukru była zawsze zachowana. Początkowo stosujemy brzeczkę o koncentracji 15 Blg^o , a w miarę upływu czasu dodajemy brzeczkę o stęż. 50 a nawet powyżej 50 Blg^o . po zakończeniu fermentacji gęstość roztworu odfermentowanego powinna charakteryzować się wartością od 6 do 7 Blg^o . wówczas zostaje uzyskana maksymalna wydajność produkcji spirytusu. W przypadku zakłóceń np. przy nieodpowiedniej jakości surowca- melasy stopień odfermentowania jest wyższy i może wynosić 10 i więcej Blg^o .

IV ETAP

Oddestylowanie brzeczki odfermentowanej, czego dokonuje się w aparatach odpędowych. Ilość uzyskanego alkoholu wynosi 28-30 dm³ 100% spirytusu z każdych 100kg melasy (wydajność w gorzelniach przemysłowych). W gorzelniach rolniczych wydajność jest mniejsza: ze 100kg ziemniaków o zawartości 16-18% skrobi uzyskuje się średnio ok. 11 dm³ (od 9-14 dm³ ) alkoholu etylowego oraz otrzymuje się wywar 150-200 dm³ z 100kg ziemniaków.

Od czego zależy jakość melasy?

Stopień przydatności melasy określają 2 główne czynniki:

• występowanie substancji koloidowych w melasie. Duża zawartość koloidów, może przyczynić się do utrudnionej fermentacji, ponieważ połączenia koloidalne powodują zlepianie się komórek drożdży w czasie fermentacji. Ich wytrącanie i wypadanie z roztworu skutkuje wyłączeniem ich z procesu fermentacji.

• Stopień zakażenia – zainfekowanie melasy. Bakterie mlekowe i octowe, które mają niekorzystny wpływ na przebieg fermentacji alkoholowej. Bakterie octowe zamieniają alkohol na ocet. Radykalnym sposobem przeciwdziałania temu byłoby wyjałowienie brzeczki melasowej- jednak to wiąże się z dużymi wydatkami energetycznymi, dlatego w gorzelniach przemysłowych sterylizacji termicznej się nie przeprowadza. Stosuje się odkażanie przy użyciu środków dezynfekujących np. formalinę lub wapno chlorowane – aktywnie wpływają na rozwój mikroflory towarzyszącej- przeciwdziałają jej rozwojowi, a nie wywierają hamującego wpływu na drożdże.

Produkty uboczne – odpadowe:

drożdże - w przeciwieństwie do fermentacji w gorzelniach rolniczych, gdzie drożdże trudno byłoby technicznie oddzielić od masy ziemniaczanej- zacieru, w gorzelnictwie przemysłowym drożdże oddzielane są po zakończeniu fermentacji na drożdże dekantacyjne, czyli opadu na dno lub można je oddzielić poprzez odciągnięcie płynu odfermentowanego lub w szybkoobrotowych wirówkach przemysłowych. Oddzielone drożdże są po przemyciu prasowane (zawierają ok. 25% suchej masy i 75% wody) są sprzedawane w sklepach jako drożdże piekarniane. Częściej drożdże gorzelnicze poddaje się procesowi suszenia i w takiej formie stanowią tzw. drożdże paszowe

4,5%-powstałe drożdże prasowane

1,5%- drożdże suszone

Czyli 4,5 kg drożdży prasowanych można otrzymać ze 100kg melasy lub 1,5 kg suszu drożdżowego z tej samej porcji melasy.

CO₂ proces fermentacji musi być prowadzony w kadziach zamkniętych, z których CO₂ jest odprowadzany do tzw. kompresorów. Następnie zestalany na tzw. suchy lód, czyli jest sprężony i zamrożony do niskiej temp.

składniki popielne- sole mineralne o znaczeniu gospodarczym, które uzyskuje się poprzez spalanie wywaru melasowego.

Wywar melasowy przed spaleniem poddaje się procesowi drożdżowania. W tym celu wzbogaca się go w drożdże- stosuje się tu drożdże paszowe z rodzaju Candida. Można także otrzymać betainy(?) z melasy.

Betainy- pochodna aminokwasu o 3 grupach metylenowych przy atomie azotu gr aminowej. Są wewnętrznymi czwartorzędowymi solami amoniowymi.

Przemysł gorzelniczy jest doskonałym przykładem zmian jakie niesie dla przemysłu fermentacyjnego współczesna biotechnologia. Zmiany te obejmują praktycznie wszystkie etapy produkcji. Tradycyjna baza surowców skrobiowych została rozszerzona o surowce celulozowe- produkcja enzymów hydrolizujących celulozę jest bardzo tania. Enzymy te produkowane są na bazie laktozy a nie celulozy.

Wprowadzono wiele mikroorganizmów zdolnych do wytwarzania alkoholu etylowego np. bakteria Zymomonas mobilis, Clostridium, grzyby Fusarium.

Opracowano nowe techniki fermentacji np. fermentacja purynowa, nadciśnieniowa, w reaktorach membranowych, fermentacja z unieruchomionymi komórkami drożdży, proces z recyrkulacją komórek.

Wskaźnikiem pokazującym postęp technologii fermentacji może być produktywność fermentorów. W gorzelniach rolniczych pracujących według tradycyjnej technologii trzydobowej wskaźnik ten wynosi przy klasycznej fermentacji 2g etanolu na 1dm3 na 1h. podczas gdy przy zastosowaniu najnowszych trendów i technologii wskaźnik ten wynosi 80g etanolu na 1dm3 na 1h.

Dzisiaj w produkcji etanolu wykorzystuje się preparaty enzymatyczne do depolimeryzacji polisacharydów zastępując w dużym stopniu słód gorzelniczy, dla oszczędności energii reakcje te prowadzi się w możliwie najniższej temp. Biokatalizatory zawarte w tych preparatach często używa się w postaci unieruchomionej, czyli immobilizowanej, co pozwala na wielokrotne ich stosowanie.

Jednym z największych sukcesów w gorzelnictwie jest opracowanie i wprowadzenie mikroorganizmów transformułowanych metodami inżynierii genetycznej- udało uzyskać się szczepy mające zdolności do szybkiej fermentacji glukozy i innych monosacharydów, jak i zdolność do hydrolizy enzymatycznej skrobii.

Skonstruowano nowe typy fermentorów oraz doskonalsze systemy kontrolnopomiarowe. Mamy olbrzymi postęp w separacji komórek i etanolu. W Izraelu opanowano technikę perwaporacyjną. Perwaporacja- coś co zastąpi kolumny odpędowe – destylacyjne w gorzelni; technika ta polega na selektywnym wydzielaniu etanolu z brzeczki bez stosowania destylacji poprzez hydrofobowe membrany- oddzielani metanolu od soli mineralnych i komórek drożdżowych.

III. BROWARNICTWO

Produkcja piwa jest jedną ze starszych dziedzin znanych z czasów starożytnych. Ojczyzną piwa była starożytna Mezopotamia. Już przed 7tys. lat wytwarzano je z jęczmienia. Umiejętność ważenia piwa była tez znana w starożytnym Egipcie oraz Grecji i Rzymie. W tych ostatnich krajach trunek ten był mniej ceniony niż wino.

Fermentacja brzeczki słodowej otrzymywanej z jęczmienia odbywała się niegdyś samorzutnie podobnie jak moszczu winogronowego. Dzisiaj w browarach stosuje się do tego celu specjalne szczepy drożdży. Jednak nadal niektóre gatunki piwa produkowane są według tradycyjnej receptury- fermentacji samorzutnej, w której uczestniczą drożdże i bakterie mlekowe, zasiewając brzeczkę wprost z otaczającego środowiska. Znanym ośrodkiem produkcji piw przez samofermentację jest Gandara –Belgia, gdzie wyrabiane są takie gatunki piw jak Faro, Labic, Krigen Lambic.

W Polsce produkcja piwa znana była niemal od początku naszej państwowości. Podobna nazwa piwnicy wywodzi się od produkcji piwa, w której ono powstawało. W historii polskiego państwa mamy przykłady znacznych osiągnięć. Należy do nich tradycja produkcji piwa jasnego o szczególnych walorach smakowych znanego dzisiaj pod nazwą piwa Grodziskiego. Stało się ono w kraju jak i na świecie źródłem sławy Grodziska Wielkopolskiego, w którym piwo to jest ważone od XIII w. obecna technologia niewiele różni się od stosowanej przez naszych przodków, a wywodzącej się z tzw. STATUTU PIWOWARSTWA W GRODZISKU. Piwo w Grodzisku produkuje się ze słodu pszennego ( a nie z jęczmiennego), który jest suszony spalinami drewna dębowego lub bukowego, dzięki czemu uzyskuje się charakterystyczny posmak produktu wędzonego. Do fermentacji używa się mieszanki 3 różnych ras drożdży tzw. górnej fermentacji, które również przyczyniają się do powstania swoistych walorów smakowych. Do wyrobu tego piwa stosuje się przedniej jakości chmiel oraz wodę Grodziska. Ze wszelkich piw zawiera najwięcej naturalnie wyprodukowanego przez drożdże dwutlenku węgla i z tego powodu za granicą jest nazywane Polskim szampanem. Piwo to zawiera naturalny osad w butelce, a dzięki pszennemu słodu posiada gęstą, trwałą pianę. Piwo to otrzymało międzynarodowy znak jakości Q.

W Polsce działa obecnie 78 browarów i 54 słodownie należące do 31 przedsiębiorstw. W ciągu ostatnich 15 lat produkcja piwa wzrosła 3-krotnie i w roku 2005kształtowała się na poziomie 3mln hektolitrów rocznie, a słodu 946 tys. ton rocznie. Picie piwa w kraju w 2005r wynosiło 80 dm3 na osobę na rok. W Niemczech 140dm3 na os/rok.

Dzisiaj stan produkcji można podzielić na odrębne działy:

• wyrób słodu (w słodowniach)

• wyrób piwa (w browarach)

W przeciwieństwie do gorzelni rolniczych, gdzie produkcja słodu prowadzona jest na terenie tego samego zakładu , w browarnictwie mamy rozdzielną produkcję. Wynika to z tego, ze słód w browarnictwie jest trwały. Słód browarniczy może być wytwarzany z różnych rodzajów zboża. Jednak z reguły do tego celu jest używany jęczmień- specjalne jego odmiany zawierające mało β-glukanów. Ich duża ilość powoduje, że brzeczka jest gęsta i trudno się filtruje. Słód browarniczy jest tzw. słodem krótkim- okres jego produkcji nie trwa dłużej niż 7-8dni. W przeciwieństwie do słodu gorzelniczego, który jest zielony. Browarniczy jest suchy- nie musi być od razu używany w browarze w przeciwieństwie do słodu gorzelniczego. Przy wyrobie słodu browarniczego zależy nam na uzyskaniu takiej ilości enzymów amylolitycznych, które byłyby w stanie zhydrolizować skrobię własną w ziarnach jęczmienia.

W gorzelni musimy uzyskać maksymalną ilość enzymów niezbędnych jeszcze do scukrzenia skrobi ziemniaczanej oprócz słodu.

Produkcja słodu browarniczego:

Oczyszczanie ziarna za pomocą urządzeń nazywanych wialniami. Są to urządzenia, w których przy pomocy strumienia powietrza dokonuje się oddzielenia od ziarna zanieczyszczeń w postaci pustych ziaren, kurzu, plew, pyłu itp. Oczyszczone ziarno poddaje się procesowi dalszego oczyszczania w tzw. aparatach magnetycznych (SCHEMAT) – cel: usunięcie zanieczyszczeń metalowych. Aparaty magnetyczne zawierają w swoim wnętrzu magnes- który wytwarza pole magnetyczne. Urządzenie to posiada jeszcze płaszcz metalowy, który wprawiany jest w ruch obrotowy. Ziarno wysypywane jest z jednej strony, a części metalowe są wychwytywane przez metalowy płaszcz. Oczyszczone zboże odbierane są do zastojnika? (zasobnika). Innymi urządzeniami do oczyszczania zboża są triery-są to maszyny, które usuwają ziarna uszkodzone- selekcjonują ziarna. Po oczyszczeniu jęczmień ulega procesowi sortowania, w celu podzielenia ziarna na grupy identyczne pod względem wielkości- do tego celu służą specjalne sita (schemat). Są to najczęściej skośnie ułożone sita cylindryczne. Sita te o kształcie walca, cylindra podzielone są na 3 strefy, z których każda charakteryzuje się obecnością na powierzchni otworów o różnej wielkości. Najdrobniejsze otwory są w pierwszym sektorze , w drugim większe, a w trzecim największe. Sita te wprawiane są w ruch obrotowy i do ich wnętrza doprowadzane jest ziarno, które ma podlegać sortowaniu. Przez najdrobniejsze otwory wypadają najdrobniejsze ziarna – w ten sposób oddzielany jest tzw. poślad, czyli ziarna trzeciego gatunku. Przez otworki strefy średniej wypadają ziarna nieco większe- drugi gatunek. Przez ostatni odcinek wypadają ziarna największe – pierwszy gatunek.

Podobnie jak w produkcji gorzelniczej także i tutaj sortowanie ziarna- dobór ziarna odpowiedniej wielkości jest ważne, aby późniejszy proces jego mieszania i słodowania przebiegał sprawnie tzn. żeby nie występowały zjawiska nierównomiernego namaczania ziarna.

Przesortowany jęczmień podlega zmagazynowaniu przy czym nie chodzi tu tylko o czasowe przetrzymanie ziarna ze względu na to że w całości nie może być użyte do procesu produkcyjnego, ale chodzi także o uzyskanie efektu technologicznego- o uzyskanie pełnej dojrzałości ziarna- dojrzałość techniczna. Świeże ziarno wykazuje niedostateczną siłę kiełkowania- posiada zbyt małą energię kiełkowania. W celu osiągnięcia właściwej siły kiełkowania ziarno przed słodowaniem musi być poddane procesowi magazynowania, w którym kontrolowane są takie warunki jak wilgotność, temp. oraz dostęp powietrza. Magazynowanie przeprowadza się w tzw. spichlerzach, które mogą być spichlerzami podłogowymi, gdzie zboże rozmieszczone jest w warstwach od 30 do 50cm lub spichlerze komorowe zwane silosami zbudowane z żelazobetonu i wyposażone są w odpowiedni system kanałów powietrznych- zboże ma tu zapewnioną wymianę gazową i jest odpowiednio napowietrzone podczas przechowywania.

Po okresie zmagazynowania, gdy ziarno osiągnie odpowiednią dojrzałość następuje operacja zwana moczeniem. Proces ten w wersji klasycznej jest prowadzony w taki sam sposób jak w przypadku ziarna przeznaczonego do produkcji słodu gorzelniczego.

Wysuszone ziarno jęczmienia ma wilgotność wyjściową w granicach 14-15% i proces moczenia ma na celu zwiększenie tej wilgotności w granicach do 43-46% wilgoci. Proces ten podobnie jak w gorzelnictwie prowadzony jest na przemian przez moczenie albo powietrzne- polegające na usunięciu wody i pozostawieni na jakiś czas ziarna w kontakcie z powietrzem. Mniej więcej co 8h stosuje się zmianę wody i co te 8h pozostawia się ziarno w kontakcie z powietrzem. Do drugiej wody moczącej zwykle dodaje się antyseptyk, czyli wapno chlorowane 200-300g na ….wody. dodatek wapna chlorowanego korzystnie wpływa na rozpuszczalność substancji garbnikowych. W zależności od przyjętego systemu moczenia proces ten może wahać się od 50 do 100h i zależy od tego jakiego rodzaju słód wykorzystujemy.

W browarnictwie mamy do czynienia z 2 typami słodu:

• słód jasny, służy do produkcji piwa jasnego

• słód ciemny, służy do produkcji piwa ciemnego

Ziarno przeznaczone do produkcji słodów jasnych moczone jest nieco krócej. Natomiast to, które ma służyć do produkcji słodów ciemnych podlega dłuższemu moczeniu. Namoczone ziarno jęczmienia jest ostatecznym produktem, które ma służyć do wyrobu słodu wyjściowego. Słodowanie polega na doprowadzeniu namoczonego słodu do stadium wykiełkowania i trwa od 7do 8 dni w słodowni. W czasie tego procesu uaktywniają się amylazy i następuje częściowy rozkład związków chemicznych: skrobi, białek i innych do substancji prostych. Maltoza nadaje słodowi posmak słodki. Produkt słodowania nazywa się słodem surowym lub zielonym i w celu jego zakonserwowania zostaje on wysuszony.

Innym typem słodowni( oprócz klepiskowych) są słodownie pneumatyczne- nawietrzne lub z systemem przepuszczania powietrza.

Rozróżnia się dwa typy słodowni pneumatycznych:

• słodownie bębnowe- system Gallanda

• słodownie skrzyniowe, odkryte – system Saladina

Słodownia bębnowa Gallanda (schemat) może pomieścić od 2 do 3,5 tony namoczonego ziarna jęczmienia. Na przekroju poprzecznym ma kształt bębna na obwodzie którego znajduje się szereg przewodów rurowych napowietrzających ziarno. Przestrzeń pomiędzy osią centralną bębna, a obwodowymi rurami doprowadzającymi powietrze wypełniona jest namoczonym ziarnem jęczmienia. Powietrze doprowadzane jest przewodem w taki sposób, że przenika do rur obrotowych i otworami, które się w nich znajdują wprowadzane jest do wnętrza bębna. Następnie powietrze jest odprowadzane rurą centralną i wychodzi na zewnątrz.

Słodownia bębnowa jest uruchamiana w pewnym okresie słodowania od 4 do5 razy na dobę za każdym razem na ok. 1do 2h. szybkość obrotu bębna jest niewielka- 1 obrót na 45min. równocześnie CO₂ jest wyprowadzany na zewnątrz. Pod koniec procesu słodowania częstotliwość uruchamiania bębna jest mniejsza: wynosi 2 razy na dobę za każdym razem na okres ok. 2h. w pierwszym okresie napowietrzania stosuje się powietrze suche zaś pod koniec jest to powietrze klimatyzowane, które jest odpowiednio nawilgocone tak, aby podtrzymać żywotność ziarna i nie spowodować jego przedwczesnego przywiędnięcia.

Słodownie skrzyniowe Saladina mają kształt skrzyni z podwójnym dnem: dno zasadnicze i dno ażurowe(wewnętrzne). Słodownia ta (schemat) wyposażona jest w wentylator, który tłoczy powietrze do tzw. komory klimatyzacyjnej, w której znajdują się natryski powodujące nawilgocenie powietrza tłoczonego przez wentylator. Powietrze przechodzi do spodniej części skrzyni i przez otworki w dnie ażurowym wprowadzane jest do wnętrza skrzyni. Skrzynia napełniona jest warstwą namoczonego jęczmienia o wysokości 60-70cm. Na górze skrzyni znajdują się szyny, na których znajduje się wózek z tzw. przetrząsaczami śrubowymi- wykonuje ruch posuwisty do przodu i ruch śrubowy. Przetrząsacz ten przesuwa się od jednego końca skrzyni do drugiego i powoduje przemieszczanie słodu. Wózek ten przemieszcza się z szybkością 60 cm na 1 mini włączany jest od czasu do czasu. W pierwszym etapie słodowania nie zachodzi potrzeba nawilgacania. Dopiero w drugim okresie powietrze jest nasycane wodą.

Następnie słód poddaje się suszeniu. Słód browarniczy w przeciwieństwie do gorzelniczego jest dlatego suszony, aby otrzymać produkt trwały oraz żeby pozbyć się zapachu słodu zielonego. Proces suszenia odbywa się w suszarniach. Zwykle stosuje się do tego celu 2 typy suszarni: suszarnie dwu- lub trójsiatkowe. Przy czym w naszych warunkach przeważają suszarnie dwu siatkowe- wyposażone są w dwa poziomy rozpiętych siatek jedna nad drugą w pewnej odległości od siebie. Na siatki nakładany jest słód bezpośrednio po zakończeniu procesu słodowania. Nad paleniskiem znajdują się kaloryfery czyli grzejniki poprzez które ciepło emitowane jest do wnętrza suszarni i dociera do siatek, na których znajduje się mokry słód. Wyjątkowo do suszenia słodu mogą być używane spaliny takie jak dym drzewa dębowego.

Proces suszenia w przypadku słodów jasnych zwanych pilzneński trwa zwykle 24h przy czym pierwsze 12h słód, który jest rozmieszczony w warstwie 25 cm suszony jest na siatce górnej, gdzie temp. Osiąga wartość końcową 45⁰ C. Po 12h zawartość wody w słodzie maleje do 10% i po upływie 12h podsuszony na siatce górnej przerzuca się następnie się następnie na siatkę dolną, a na jego miejsce wprowadza się świeżą porcję słodu. Suszenie na siatce dolnej trwa następne 12h, temp. wynosi 75⁰ C a po 12h suszenia zawartość wody w słodzie jasnym maleje do 3-4%. W przypadku słodów ciemnych- monachijskie reżim suszenia jest bardziej drastyczny. Proces suszenia trwa dłużej niż 48h. stosuje się silne suszenie. Temp na górnej siatce osiąga wartość 50⁰ C, a na dolnej dochodzi do 105⁰ C. rezultatem jest uzyskanie słodu, który zawiera od 1,5 do 2% wody – jest silnie wysuszony niż słód jasny. Po za słodem jasnym i ciemnym produkowane są słody pośrednie i słody specjalne np. słód karmelowy.

Odkiełkowanie słodu: jest to oddzielenie korzonków od słodu w trakcie kiełkowania korzonków. Mianem kiełków lub kwiatu określamy korzonki. Wytworzone kiełki (kwiat słodowy) są odkiełkowane natychmiast po wysuszeniu, ponieważ wówczas mają właściwości higroskopijne i jest to łatwe do wykonania. Oddzielone kiełki zawierają dużo: substancji goryczowej, które są ważnymi substancjami organoleptycznymi, ponieważ powodują duże zmiany smakowe piwa.

Kiełki są odpadowym produktem słodowania wykorzystywanym w:

• rolnictwie jako dodatek do pasz

• jako cenny dodatek – wzbogaca zaciery melasowe przy produkcji alkoholu etylowego, drożdży piekarskich, kwasów organicznych, np. octowego.

Dojrzewanie, odleżenie słodu trwa 6–7 tyg. w magazynach i silosach, w tym czasie ma miejsce wtórne uwodnienie słodu do zawartości 5% wody, pęcznienie ziaren. Po oleżeniu słód może być użyty do produkcji piwa po wcześniejszym zmieleniu (ześrutowanie) i wyługowaniu substancji organicznych.

Humulus lupulus – chmiel:

• roślina dwupienna

• dla celów browarnictwa wykorzystywane są kwiatostany żeńskie, a męskie są usuwane

• w dojrzałych szyszkach żeńskich (jasnożółte) na wewnętrznej stronie łusek znajdują się ziarna lupulinowe,zawierające wydzielinę gruczołową zawierającą wszystkie substancje nadające wartości organoleptyczne: olejek chmielowy, substancje goryczkowe,substancje garbnikowe.

A. Olejek chmielowy

• substancja oleista,

• płynna, przeźroczysta,

• o lekko żółtej barwie,

• słabo rozpuszczalny w wodzie, a dobrze w eterze;

• nadaje charakterystyczny zapach dla piwa.

• Zawiera składniki terpenowe (terpeny– seskwiterpen- mają właściwości antynowotworowe)humulen C15H24; myrcen C10H16 – olejki te stanowią 80 – 90 % całego olejku chmielowego

• rozpuszczanie olejku chmielowego ma miejsce przy gotowaniu z brzeczką, gdzie większość olejku odparowuje.

B. Substancje goryczkowe występują:

• występują w dwu postaciach: jako ciała krystaliczne i ciała bezpostaciowe

• w postaci ciała krystalicznego są to kwasy goryczkowe:

- α-kwas goryczkowy zwany humulonem

- β-kwas goryczkowy zwany lupulonem

• w postaci ciał bezpostaciowych występują:

- α- i β- żywice miękkie,

- γ- żywica twarda

α- i β- kwasy goryczkowe pod wpływem utleniania przechodzą w α- i β- żywice miękkie, a dalszy proces utleniania przemienia α- i β- żywice miękkie w γ- żywice twarde. Są dobrze rozpuszczalne w wodzie i przechodzą podczas gotowania z brzeczką do piwa. γ- żywica jest twarda, niepodatna, nierozpuszczalna w wodzie, bez wartości utleniania. Chmiel nie może być przechowywany dłużej niż rok.

C. Substancje garbnikowe:

• występują w liściach, szyszkach i podczas gotowania z brzeczką –następuje ługowanie/ekstrahowanie do roztworu brzeczki tak iż tworzą się substancje z połączeniami goryczkowo–białkowymi

• występują w postaci połączeń garbnikowo-białkowych lub w stanie wolnym

• niezachowanie właściwej ilości substancji goryczkowych, daje nieprzyjemny cierpki posmak piwa

Chmiel obecnie zastępowany przez ekstrakty chmielowe. Zaletą ekstraktów jest to, że nie ulegają utlenianiu, mimo to nie mogą one całkowicie zastępować chmielu, tylko część z dodawanego do produkcji piwa to czysty ekstrakt. Ekstrakty w postaci proszków mogą być dłużej przechowywane niż chmiel i nie następuje utrata ich cech technologicznych (substancji goryczkowych). Dawniej w Lublinie znajdowała się jedyna w Polsce ekstraktownia, która zaopatrywała wszystkie browary w ekstrakt.

Proces warzenia piwa

Mamy słód, zatem możemy uzyskać brzeczkę słodową. Następuje przygotowanie brzeczki ze słodu browarniczego:

I FAZA – uzyskanie brzeczki słodowej

• rozdrobnienie słodu, poprzez ześrutowanie, zmielenie na młynkach lub śrutownikach

• zacieranie słodu, stosowane są dwie metody: dekokcyjna i infuzyjna

W metodzie dekokcyjnej wyróżniamy trzy systemy:

trój-, dwu-, lub jednowarowy (jedno - zbiornikowym,- czasowym,- warowym). Panwia jest to zbiornik.

Śrut (zasyp) wprowadzany jest do kadzi zaciernej, po czym następnie dodajemy wodę .

Śrut (zasyp) + zalew (woda) – w różnych proporcjach, wpływa na jakość piwa;

Zatem uzyskujemy trzy rodzaje piwa:

• piwo lekkie– najtańsze, uzyskane z brzeczki mniej ekstraktywnej, zatem uzywane jest mniej zasypu, a więcej wody-do 10%

• piwa pełne - piwo o wyższych walorach smakowych – produkowane z brzeczki zawierającej więcej substancji ekstraktywnych, używane jest 10-12% ekstraktu

• piwa mocne – piwo o bardzo wyraźnych walorach smakowych – stanowi je ponad 14% ekstraktu

Ważnych surowcem piwa jest woda, o średnim stopniu twardości. Wpływa ona na jakość piwa ze względu na zawarte związki mineralne, które łączą się z chmielem wodzie o średnim stopniu twardości. Zbyt twarda woda nadaje odcień czerwony i gorzkie piwo.

Metoda dekokcyjna – system trójstopniowy:

Temperatura wyjściowa zacieru wynosi 35 °C. 1/3 zacieru z kadzi zaciernej przenosimy do kotła zaciernego. W kotle zaciernym mam miejsce I war, czyli ogrzewanie do wrzenia, wrzenie to następuje przez 20 min. Podczas gotowania mają miejsce dwie przerwy. Pierwsza przerwa po osiągnięciu temperatury 50°C i trwa 10min.- to tzw. przerwa białkowa – dla działania enzymów proteolitycznych, aby mogło dojść do rozkładu białek na aminokwasy; Po upływie 10 min. gotowanie kontynuujemy, aż do temperatury 60- 62°C i po jej osiągnięciu następuje druga przerwa-przerwa scukrzająca, trwa 15–20 min.- otrzymanie enzymów dla amylolitycznych scukrzających skrobię przynajmniej do maltozy. Potem znów doprowadzamy do wrzenia w 100°C. Ten I war zagotowanego zacieru zawracamy/przenosimy znów do kadzi zaciernej i łączymy za zacierem głównym, tak iż temperatura kadzi zacieranej wzrasta od 35 do 50°C.

Teraz z kadzi zaciernej pobiera się II war i też w 1/3 przenosi się do kotła zaciernego i znów ogrzewa do wrzenia przez 20 min. przy tym ogrzewaniu ma miejsce tylko jedna przerwa scukrzająca przy temp 62-63°C . Ten II war po doprowadzeniu do wrzenia i gotowaniu przez 20 min. war znów zostaje zawrócony do zacieru, czyli przeniesiony do kadzi. Tak iż w kadzi temperatura wzrasta do 62 – 63°C.

Ostatni III war również 1/3zacieru przerzuca się do kotła zaciernego, tym razem jednak bez żadnej przerwy gotuje się w temperaturze wrzenia przez 20min. Z chwilą zawrócenia ostatniego waru do kadzi zaciernej i połączeniu z zacierem głównym, następuje wzrost jego temperatury do 75°C, stanowi to koniec zacierania (denaturacja białka), rozpoczyna się łączenie zacierów i trwa ono 5-6h. Przy produkcji piwa ciemnego stosowany jest system trójstopniowy, zaś przy produkcji piwa jasnego, stosuje się dwu- lub jednostopniowy system.

Metoda infuzyjna:

Proces scukrzania następuje bez stosowania warów, zatem wszystko ma miejsce w jednym naczyniu. Temperatura końcowa wynosi 60°C. Stosowane są dwie przerwy: białkowa po osiągnięciu 50°C oraz scukrzająca po osiągnięciu 62- 63°C.

W warunkach europejskich stosowana jest metoda dekokcyjna zacierania, zaś w krajach amerykańskich, popularna jest metoda infuzyjna.

II FAZA - filtrowanie brzeczki:

Ma miejsce w kadziach filtracyjnych- są duże, płaskie naczynia z podwójnym dnem. Dno ażurowe składa się z 8 – 12 elementów-desektorów, drobne otwory o średnicy 0,5–0,6 mm, pod tym dnem znajduje się dno właściwe.

Przebieg filtracji w kadzi filtracyjnej trwa 1- 2h. Następuje samoczynne klarowanie zacieru, zostaje utworzona naturalna warstwa filtracyjna, tzw.: część stała-młóto. Na dno ażurowe spływa część płynna. Brzeczka przechodząc przez młóto ulega samoczynnemu klarowaniu.

Jeśli otrzymujemy brzeczkę mętną – zawraca się ją i ponownie przenosi do kadzi filtracyjnej, w celu odpowiedniego sklarowania.

Jeśli otrzymujemy klarowaną brzeczkę, wówczas przenosi się ją do następnej kadzi tzw. kotła warzelnego i po odfiltrowaniu wymywa się młóto wodą o temperaturze 70°C, w celu odzyskania zaległej części brzeczki zawartej w młócie.

• Gdy gęstość brzeczki wynosi poniżej 0,1° Ballinga – to takiej brzeczki nie zawraca się do kadzi, gdyż jest to odpad, tzw.: wysłodziny, doskonałe na pasze.

• Gdy gęstość wynosi 14-15° Blg, wówczas jest to brzeczka sklarowana, nie jest ona poddawana gotowaniu z chmielem, nazywana jest brzeczką przednią niechmielową

• Obecnie w browarach dodawana jest odpowiednia ilość sacharozy, tak aby uzyskać gęstość brzeczki o 17–18°Blg.

• Brzeczkę niechmielową rozcieńcza się wodą i otrzymuje agar

FAZA III – gotowanie brzeczki z chmielem:

Zwana inaczej chmielowaniem i odbywa się w kotle warzelnym. Do brzeczki dodaje się porcjami lub w całości chmiel lub jego ekstrakt w ilości 150-550g na hektolitr brzeczki. Do piwa jasnego dodaje się 300g, zaś do ciemnego 150g. Po dodaniu chmielu brzeczkę ogrzewa się do wrzenia. Powstają stronty, które opadają na dno, czyli następuje wyklarowanie/łamanie brzeczki. Gotowanie to stanowi późną sterylizację. Po wygotowaniu brzeczkę spuszcza się do kotła warzelnego, jest to tzw.: wybicie brzeczki, następnie wprowadza się cedzak, w celu odfiltrowania cząstek stałych – strątu i szyszek chmielowych. Potem następuje wychłodzenie do temperatury 4°C. Stosuje się system zamknięty chłodzenia brzeczki w wymiennikach ciepła - w jednym układzie krąży substancja chłodząca, a w drugim ciecz do schłodzenia. Po schłodzeniu brzeczka jest kierowana do kadzi fermentacyjnej w fermentowniach, gdzie zapewniona jest temperatura poniżej 5°C poprzez system przewodów rurowych lub system klimatyzacyjny wprowadzający jałowe powietrze.

Brak fermentacji!!!

IV. Winiarstwo

Historia winiarstwa wiąże się ze zdolnością do uprawy przez ludzi winorośli. Opiekunem winiarstwa w starożytnym Rzymie był Bahus, w Egipcie Ozyrys a na Cyprze Saturn. Po raz pierwszy istotę winiarstwa opisał Ludwik Pasteur. Określił on również metabolizm drożdży. Wino jest to produkt powstały z moszczu gronowego.

Klasyfikacja win:

• ze względu na barwę wyróżniamy:

• wina białe (otrzymywane z soku winogron białych lub z innych owoców dających biały moszcz),

• wina czerwone (uzyskuje się z odfermentowanej miazgi – soku i skórki, winogron czerwonych; po zafermentowaniu z miazgi do moszczu przechodzą garbniki i antocjany – sam moszcz bez skórek po zafermentowaniu powoduje powstawanie win różowych; innymi surowcami do produkcji win czerwonych są wiśnie, jagody i czerwone porzeczki),

• wina różowe;

• ze względu na zawartość alkoholu:

1. wina słabe (lekkie) do 10 v/v%

2. wina łagodne do 12 v/v%

3. wina mocne 12-14 v/v%

4. wina wzmacniane powyżej 14 v/v%

• ze względu na zawartość cukru:

• wytrawne – cały cukier ulega przefermentowaniu, najłatwiejsze do uzyskania,

• półwytrawne – zawierają do 3% cukru,

• półsłodkie – 4-6% cukru, podobnie jak półwytrawne najtrudniejsze do uzyskania,

• słodkie – powyżej 6% cukru,

• deserowe – pow. 6%,

• likierowe – mają wysokie stężenie alkoholu i cukru.

Wina szampańskie produkowane są z młodego wina, do którego dodaje się taniny, rozlewa do grubościennych butelek, zakorkowuje i układa w piwnicach w temp. 12-15^oC w celu dokonania się fermentacji wtórnej. Wydzielony w trakcie tego procesu CO₂ gazuje wino. Po upływie 40-50 dni butelki przechyla się i odkorkowuje na chwilę, ubytek wina uzupełnia się winem doborowym lub koniakiem i ponownie zakorkowuje. Klasyczny sposób szampanizacji przeprowadzamy jest rzadko.

Częściej stosowana jest szampanizacja zbiornikowa, gdzie dofermentowanie i wysycenie CO₂ zachodzi w zamkniętych zbiornikach, a po zakończeniu tego procesu wino rozlewane jest do butelek pod ciśnieniem. Metoda ta jest o wiele tańsza od klasycznej jednak powstające wino ma gorsze właściwości organoleptyczne.

Wina gazowane – sztucznie nasycane CO₂ ,mają charakter oranżady .

Vermuth – otrzymywane z win doprawianych mieszankami ziołowymi na bazie piołunu, niekiedy dodatkowo wzmacniane alkoholem.

Miody pitne – produkowane w różnych asortymentach: czworniaki (miody uzyskiwane z brzeczki i wody w stosunku 1:3), najcieńsze, najtańsze i najłatwiejsze do uzyskania), trójniaki, dwojniaki i półtoraki. Brzeczka miodowa w półtorakach jest bardzo gęsta i stosuje się tu Zygosaccharomyces rougcii i Zygosaccharomyces mellsi zdolne przeciwstawić się wysokiemu cisnieniu osmotycznemu.

Spośród win gronowych najczęściej produkuje się wina wytrawne, rzadziej słodkie gdyż zawartość cukru w winogronach wynosi jedynie 20%. Ze względu na to, że nie można wprowadzać do win gronowych żadnych substancji chemicznych to dla uzyskani słodkich win gronowych nadłamuje się kiście gronowe przed zbiorem, co zagęszcza sok gronowy. Podobny efekt wywołuje obecność na plantacji pleśni szlachetnej Botrytis cinarea, która poraża skórkę jagód. Winogrona tracą wówczas część wody, co skutkuje podgęszczeniem soku i nadaje winu specyficzny posmak. Ponadto winogrona takie szybciej dojrzewają. Wina deserowe w Polsce powstają przez dosłodzenie sacharozą zagęszczonych moszczów gronowych lub win pochodzących z zagranicy m.in. Tokaj.

Produkcja win owocowych:

Surowce: moszcze jabłkowe, wiśniowe, porzeczkowe, malinowe, jeżynowe, z czarnych jagód. Za najbardziej szlachetne uchodzą moszcze porzeczkowe, wiśniowe i z czarnego bzu, dlatego są one często stosowane jako materiały kuparzowe – dodatki uszlachetniające inne moszcze.

Technologia produkcji win:

Owoce najpierw ulegają dokładnemu umyciu w celu usunięcia zanieczyszczeń i mikroflory towarzyszącej. Następnie ulegają one rozdrobnieniu, po czym miazga trafia na prasy hydrauliczne, gdzie układana jest warstwowo. Po uruchomieniu prasy pod nadciśnieniem oddzielany jest moszcz, a wytłoki stosuje się jako dodatek do pasz. Moszcz następnie poddaje się doprawieniu: najpierw rozcieńcza się go, w celu obniżenia koncentracji kwasów, co jednocześnie obniża zawartość cukru. Ubytki cukru uzupełniane są sacharozą, jednocześnie dodaje się związki amonowe, np. fosforan amonu w ilości 100-200mg/dm³. Mimo wstępnego mycia owoców moszcz może zawierać wiele zanieczyszczeń drobnoustrojami tj. drożdżami z rodz. Klockera apiculata, Candida, Pichia, bakteriami: Lactobacillus buchneri, bakteriami fermentacji octowej, grzybami: Asperigillus niger, Aspergillus flavus, Botrytis cinarea. W celu wyjałowienia moszczu i ochrony przed jego pociemnieniem konserwuje się go poprzez siarkowanie (20-30 mg SO₂/dm³). W procesie sulfidowania można również oprócz SO₂ stosować H₂SO₃ w postaci r-ru 6%. Tuż przed rozpoczęciem fermantacji moszcz poddaje się desulfidacji, a do procesu stosuje się rasy drożdży opornych na siarczany. Pierwotnie technologia operała się na samorzutnym procesie fermentacji przy pomocy mikroflory bytującej na owocach. Obecnie stosuje się wyselekcjonowane rasy hodowlane w postaci czystych kultur przystosowane do specjalnych warunków panujących w moszczu, nadające lepszy bukiet winu i wyższe stężenie alkoholu.

Drożdże winiarskie – Saccharomyces ellipsoideus, drożdże fermentacji dolnej (zdolność do koagulacji na dnie), charakteryzują się wysokim stopniem odfermentowania moszczu, szybką sedymentacją po zakończeniu fermentacji, wysoką opornością na duże stężenie alkoholu i SO_{2 ,} dporność na garbniki i wysokie ciśnienie CO₂ ,tworzeniem małej ilości kwasów lotnych, wytwarzaniem ubocznych produktów fermentacji co nadaje winu charakterystyczny bukiet. Na bukiet mają również wpływ rodzaj surowca, doprawienie moszczu i proces kuparzowania. Optimum temperatury dla pracy drożdży to 25-30 ^oC, ale istnieją również winiarskie drożdże kriofilne o optimum temp. przy 10-15 ^oC. Metodami modyfikacji genetycznej uzyskuje się dziś komórki drożdżowe osmofilne, zdolne do hydrolizy skrobi, posiadające aktywne geny killer (mające zdolność niszczenia obcych komórek, co może zastępować proces siarkowania).

Doprawiony moszcz zaszczepia się matka drożdżową. Najpierw inokulm przeszczepia się na niewielką ilość moszczu ( temp. 28-30 ^oC, warunki tlenowe, czas 36-38h), następnie przenosi się inokulm przez szereg kolb o wzrastającej objętości, a ostatecznie rozmnażanie drożdży prowadzi się w propagatorach. Fermentacja odbywa się w zamkniętych kadziach fermentacyjnych. Proces jest dwufazowy i wyróżniamy tutaj fermentację burzliwą i wtórną. Fermenacja burzliweja rozkłada się na:

• zafermentowanie – przeważa tu rozwój drożdży, przy stężeniu alkoholu na poziomie 5% rozmnażanie całkowicie ustaje, proces trwa 2-7dni, charakteryzuje się silnym zmętnieniem, ma tu miejsce zapoczątkowanie wydzielania CO_2, co powoduje lekki spienienie moszczu;

• fermentacja główna (burzliwa) – energiczna przemiana cukru na alkohol i CO_2, intensywne burzenie płynu (można to porównać do gotującego płynu), wydzielanie ciepła, czas trwania 3-6 tygodni;

• dofermentowanie – zanik aktywności fermentacyjnej drożdży, sedymentacja ich wraz z błonnikiem, pektynami i substancjami białkowymi powoduje klarowanie się wina, co trwa co najmniej 2 tygodnie, przy czym czas ten jest tym krótszy, im lżejszy typ wina jest produkowany oraz im wyższa temperatura procesu.

Po tym czasie młode wino oddziela się znad osadu na drodze dekantacji i podlega ono leżakowaniu (fermentacji wtórnej). Ma ono bowiem zbyt wysokie stężenie CO_2, nie jest całkowicie klarowne, a jego smak nie jest zsynchronizowany. Podczas leżakowania wino nabiera właściwych cech organoleptycznych. Proces prowadzony jest w temp. 5-12 ^oC w kadziach prawie całkowicie wypełnionych winem w celu zachowania środowiska beztlenowego zabezpieczającego przed zakażeniami i utlenieniem substancji zawartych w winie. W czasie dofermentowania wina powstają tez estry, acetale, związki ketonowe i związki Maillarda (aminocukry, mają wpływ na barwę wina) mające wpływ na właściwości organoleptyczne produktu. Odbywa się tu również redukcja kwasów do aldehydów – biologiczne odkwaszanie wina. Proces dojrzewanie win wynosi od kilku miesięcy (w warunkach przemysłowych) do kilku lat. Miody pitne wymagają znacznie dłuższego okresu leżakowania. Po zakończeniu dojrzewania ma miejsce dokańczanie wina: kuparzowanie (mieszanie różnych partii), przefiltrowanie, dodanie różnych dodatków – dosłodzenie, wyrównanie niedostatków kwasowości przez dodanie kwasu winowego lub cytrynowego, aromatyzowanie, karbonizowanie (przy winach musujących) lub zwiększanie stężenia alkoholu (dla win deserowych)

Ostatnią fazą jest rozlew i pasteryzacja wina. Rozlew prowadzi się automatycznie. W przypadku win mocniejszych nie zachodzi konieczność ich dodatkowego zabezpieczenia, wina lekkie poddaje się pasteryzacji. Przy przechowywaniu wina należy pamiętać, że światło, zbyt wysoka lub niska temperatura powodują zmętnienie (optimum temperatury wynosi 10-15 ^oC).

Zakażenia przemysłu winiarskiego: Drożdże dzikie: Pichia i Candida valida (drożdże kożuchujące), Schizosaccharomyces, bakterie fermentacji octowej, mlekowej, mannitowej (odkwaszenie wina, wino nabiera posmaku mysiego).

Właściwości wina: Wino charakteryzuje się pewnymi właściwościami chorobobójczymi, np. tyfus (Vibrio cholerae), dotyczy to głonie win czerwonych ze względu na wyższą zawartość polofenoli.

• Flawony i antocjany zawarte w winie eliminują wolne rodniki mające toksyczny wpływ na organizm.

• Obecny w winach gronowych oenidol charakteryzuje się silnym działaniem przeciw gronkowcom.

• Wino pepsynowe znajduje się w wykazie leków.

• Pobudza wydzialanie soków trawiennych.

• Spożywanie wina białego przed posiłkiem wzmaga wydzielanie moczu i ściekanie żółci do dwunastnicy.

• Wina gronowe mają pewne właściwości dietetyczne, ze względu na obecność witamin (gł. B12, B1, B2), aminokwasów, pierwiastków śladowych (gł. Se) przy czym wina młode mają znacznie większe stężenie witamin niż wina dojrzałe.

V. PRODUKCJA ZWIĄZKÓW PRZEZ DROŻDŻE

Produkcja gliceryny przez drożdże

Gliceryna produkowana jest poprzez fermentację glicerynową opierającą się o fermentację alkoholową, która zostaje zakłócona poprzez wprowadzenie kilku czynników. Głównymi surowcami do procesu są tłuszcze naturalne – estry gliceryny i kw. palimitynowego, stearynowego lub oleinowego,, które rozbijane są na kwasy i glicerol na drodze zmydlania. Podczas fermentacji alkoholowej w środowisku kwaśnym powstaje ok. 3% glicerolu jako produkt uboczny, jednak zmiana pH na alkaliczne powoduje przestawienie procesu i produkcje glicerolu przy śladowych ilościach syntezowanego etanolu i kwasu octowego. Metody biotechnologicznego pozyskiwania glicerolu przy użyciu drożdży Saccharomyces cerevisiae opisali w 1915r. Constein i Lüdeck. Do podłoża wprowadzane są etapowo siarczyny wapnia w ilości 20%. Fermentacja trwa 20-36h i udaje się uzyskać 21-37% wydajność produkcji. Po zakończeniu roztwór zadaje się kredą i poddaje oddestylowaniu w celu uzyskania aldehydu octowego – redukuje się go do etanolu lub utlenia do kwasu. Pozostałość poddaje się destylacji z parą wodną przez szereg chłodnic – pierwsza powietrza (deflegmator) gdzie osadza się glicerol, druga wodna. Drożdże osmofilne jak Zygosaccharomyces mają zdolność fermentacji glukozy na glicerynę z wydajnością 50%, zaś Pichia, Candida i Debaryomyces produkują glicerol bez potrzeby użycia środków chemicznych jak disiarczyny.

Produkcja drożdży piekarnianych

Surowcami do produkcji są tutaj melasa buraczana bądź melasa z trzciny cukrowej (sacharoza w stężeniu ok. 50%; ok. 10% związków nieorganicznych, w tym 5% połączeń potasowych i 0.8% związków sodowych). Tylko ok. 0.1% własnych zasobów azotowych melasy drożdże są w stanie wykorzystać, dlatego stosuje się tutaj dodatki w postaci amoniaku, siarczanu amonu, a także fosforan potasu lub amonu w celu uzupełnienia niedoborów fosforu w melasie. Związki te wpływają na proces buforowania melasy i są źródłem pierwiastków do syntezy organicznej.

Technologia produkcji drożdży piekarnianych:

Pierwszym etapem produkcji jest rozcieńczenie i klarowanie melasy w celu uzyskania brzeczki melasowej. Wytrącane są tu połączenia koloidalne z melasy, które utrudniają rozwój drożdży i późniejsze oddzielenie ich od brzeczki. Proces rozcieńczania prowadzi się tak, aby uzyskać brzeczkę o gęstości 20-25 ^o Blg, następnie brzeczka ulega podkwaszeniu chemicznemu kwasem siarkowym (0.3-0.4 ^oDb) lub biologicznemu bakteriami.

Wyprowadzenie czystej kultury drożdży:

Saccharomyces cerevisiae fermentacji górnej są cenione w piekarnictwie ze względu na szybkie namnażanie się, wysoką trwałość przy przechowywaniu i dużą siłę pędną. Na ogół do produkcji stosuje się te same rasy co w gorzelnictwie, albo mieszanki niektórych ras, których cechy uzupełniają się nawzajem. Wyprowadzenie czystej kultury rozpoczyna się od pobrania komórek ze skosu agarowego lub z postaci zliofilizowanej i przeniesienie do kolbki Freudenreicha zawierającej 50-60cm³ jałowej brzeczki słodowej o gęstości 12-15 ^oBlg i kwasowości 4-8.5. Namnażanie drożdży trwa tutaj 24h w temperaturze 28-30 ^oC. Następnie całość przelewa się do kolby Pasteura o pojemności 250 cm³ i po 24h do kolby Carlsberga o pojemności 5-8 dm³ zawierająca brzeczkę słodowo-melasową o gęstości i pH identycznym jak uprzednio. Proces trwa tu 24h. Po tym czasie namnażanie prowadzi się w małym aparacie Lindnera (propagator) o pojemności 40 dm³ zawierający brzeczkę melasową. Po 12-20h cała zawartość jest przekazywana na duży aparat Lindnera o pojemności 250 cm³ i kwasowości 4.6-4.8, a okres inkubacji trwa tu 16-24h.

Faza przemysłowa namnażania inokulum:

Otrzymywanie kultury matecznej przebiega w czterech generacjach: A, B, I i II, czasami jest też kadź generacji K. Czysta kultura jest przekazywana w całości do kadzi generacji A zawierającą brzeczkę melasową w ilości 150-250 kg. Proces trwa 10-14h, bez napowietrzania. Wytworzona biomasa służy do zaszczepienia kadzi generacji B zawierającą melasę w ilości 500-1000kg. Stosuje się tu lekkie napowietrzanie, a proces trwa 8-10h. Następnie całość przenosi się do kadzi generacji I (względnie drożdże kadzi generacji B poddaje się zagęszczeniu uzyskując mleczko drożdżowe stosowane do zaszczepienia kadzi generacji I) proces trwa tu 8-9h i następuje tu intensywne napowietrzanie. Oddzielone drożdże (gęstwa drożdżowa) w ilości 15-20% służy zaszczepieniu kadzi generacji II (melasa w ilości 3-4t, intensywnie napowietrzana, czas przeprowadzania procesu to 8-9h). Drożdże następnie ulegają odprasowaniu i służą zaszczepieniu kadzi drożdżowych. Namnażanie drożdży w kadziach drożdżowych nie za każdym razem wymaga wyprowadzenia czystej kultury, może ona śłużyć do kilku kolejnych szarży. Technicznie czysta kultura z kadzi generacji B jest częściowo (ok. 10%) odbierana, traktowana H₂SO₄ i służy do zaszczepienia kadzi generacji A w następnym cyklu wyprowadzania kultury matecznej. Po upływie określonej ilości rotacji wyprowadza się czystą kulturę. Kadź drożdżową zaszczepia się 10-15% drożdży w stosunku do użytej melasy. Wyjściowy odczyn brzeczki to 5.6 -6, w pierwszym okresie napowietrzanie w wielkości 40-45 m³ powietrza/m³ pożywki/godz. W okresie kolejnych 10h napowietrzanie wzrasta do 80-100 m³ powietrza/m³ pożywki/godz. i pod koniec fazy intensywność ta maleje aż do całkowitego wyłączenia. Następnie drożdże podlegają dojrzewaniu przez 1-2h i separacji. Brzeczka ulega ponownemu klarowaniu na gorąco (ogrzewanie do 60 ^oC, kiedy sedymentacja zachodzi szybciej) lub zimno (dodaje się pewną ilość wapna lub ziemi okrzemkowej przyspieszające klarowanie). Proces ten trwa 10-20h i prowadzi się go w kadziach o kształcie ściętego stożka. Przy kadziach przeprowadzających klarowanie na gorąco obecna jest bełkotka rozdrabniająca strumień pary, co powoduje równomierne nagrzewanie i mieszanie ogrzewanej melasy. Urządzenie odprowadzające służy wyprowadzeniu brzeczki sklarowanej. Klarowanie może być przyspieszone poprzez przepuszczenie melasy przez klaryfikatory – wiórki przepływowe lub prasy. Następnie brzeczkę poddaje się sterylizacji i prowadzi się do kadzi dopływowej wyposażonej w skalę z pływakiem (wykazuje zawartość brzeczki sklarowanej).

Podłoże oddziela się najpierw poprzez wirowanie na separatorach - znaczna część drożdży zostaje tu oddzielona, następuje zagęszczenie drożdży do postaci mleczka drożdżowego, które ulega dwukrotnemu przelaniu wodą i wirowaniu, co pozwala na dalsze oddzielenie podłoża. Następnie ma miejsce prasowanie drożdży na prasach filtracyjnych pod ciśnieniem, po czym prasy są rozmontowywane , a masy drożdży o wilgotności 70-75% zbiera się do pojemników. Ostatnim etapem jest formowanie kostek przy udziale odpowiednich formiarni. Produkuje się kostki o m=0.5kg do celów hurtowych lub pakowane w folie aluminiową o m=50dag. Wydajność produkcji drożdży prasowanych kształtuje się na poziomie 85% do masy surowca użytego na początku i 50% względem użytego cukru. Drożdże po uformowaniu składane są w temperaturze 2-4 ^oC przez pewien czasu, a ich trwałość wynosi 1-2 tygodni.

Siła pędna i trwałość to kryteria drożdży

Siła pędna to zdolność do wywołania fermentacji ciasta – jego podnoszenia się na skutek wydzielanego CO₂ – w mące są obecne cukry proste, które razem z dodawanymi cukrami są źródłem fermentacji. Siła pędna to czas potrzebny do podniesienia ciasta na daną wysokość w określonych warunkach. Im czas ten jest krótszy, tym większa siła pędna. Odprasowane drożdże przechowywane są w temperaturze 35 ^oC i jeżeli nie rozpływaja się, to ich trwałość jest duża. Trwałość drożdży jest tym większa, im dłużej zachowują swą kondycję fizjologiczną.

Drożdże przeznaczone do suszenia muszą się charakteryzować wysokimi parametrami siły pędnej (do 65 minut), trwałości (powyżej 140h), nie mogą zawierać białka w ilości większej niż 42%. Proces suszenia musi być delikatny, by nie uszkodzić struktury biologicznej drożdży. Można tutaj stosować liofilizację lub suszyć drożdże w suszarniach kanałowych w temperaturze 32-38 ^oC. Po wysuszeniu drożdże zawierają ok. 10% wody i mają dość wysoką trwałość do 6 miesięcy.

Infekcje w drożdżownictwie:

1. - bakteryjne – tlenowe laseczki wytwarzające endospory gł. Bacillus megaterium i Bacillus subtilis nie powodują zaburzenbia w produkcji, ale przyczyniają się do strat substraru – spadek wydajności procesu; bakterie nieprzetrwalnikujące jak E.coli i Proteus vulgaris, których źródłem najczęściej jest woda; ziarniaki mlekowe powodują zakwaszenie środowiska, np. Leuconostoc powoduje powstawanie dekstranów i sluzu;

   - drożdże dzikie jak Candida i drożdże kożuchujace występujące na powierzchniach kostek drożdżowych utrudniają wirowanie przez pienienie, obniżają siłę pędną i trwałość drożdży;

   - grzyby strzępkowe jak Geotrihium candidum, Aspergillus i Penicillium atakują finalny produkt i powoduje, a obniżenie jego trwałości.

Przemysł fermentacyjny ulepsza cechy fizjologiczne drożdży piekarskich metodami inżynierii genetycznej oraz poprzez wprowadzenie kultur mieszanych drożdży i bakterii mlekowych.

Drożdże paszowe

Znajdują zastosowanie do produkcji pasz treściwych wzbogacanych w substancje białkowe. Ilość białka z 20dt jęczmienia można zastąpić 600t drożdży paszowych, które można uzyskać z 3t melasy w ciągu 12h.

Drożdże paszowe: Candida metschnikowia, Rhodotorula, Candida utilis, Candida tropicalis, Metschnikowia pulcherrima, Rhodotorula gracilic, Rhodotorula glutinis, Pichia.

Przy produkcji drożdży paszowych stosuje się substraty ściśle odpadowe, bardzo rzadko jest to melasa, nie mające innego zastosowania i mogące zostać zdrożdżowane. Gatunki drożdży paszowych muszą mieć zdolność wykorzystywania pentoz (ksylozy, arabinozy etc.) gdyż, np. w przypadku ługów posulfitowych jako substratu (odpad przemysłu papierniczego) gł. źródłem węgla są pentozy. Do produkcji drożdży paszowych wykorzystywane są również hydrolizaty drzewne, wywar pospirytusowy i ścieki fenolowe. Rozwój drożdży odbywa się na pożywkach płynnych bardzo napowietrzanych. Różnicą technologiczną w porównaniu z produkcją drożdży piekarnianych jest produkt końcowy: drożdże piekarnicze zawierają dużo wilgoci, podczas gdy drożdże paszowe występują jedynie w stanie suchym. Drożdże po namnożeniu ulegają zagęszczeniu, a następnie ostatecznemu suszeniu. Dawniej odbywało się to dwóch ogrzanych obracających się walcach, przez które było przepuszczane mleczko drożdżowe, wskutek czego woda była odparowywana pozostawiając na walcach suche drożdże. Obecnie stosuje się suszenie przepływowe, gdzie mleczko podobnie jak powietrze rozpylane jest na zasadzie spray'u. Masa drożdżowa jest gwałtownie suszona i opada na dno. Tak wysuszone drożdże są przechowywane w workach polietylenowych, co zabezpiecza je przed działaniem wody, aby nie uległy wtórnemu namoczeniu. Zawartość białka w drożdżach paszowych na ogół waha się w granicach 38-61% suchej masy, a wydajność wynosi powyżej 60% w stosunku do uzytego do produkcji cukru. Niekiedy drożdże paszowe dodawane są do produktów spożywczych m.in. do czekolady. Stanowić mogą one również podstawę do produkcji enzymów.

Pozyskiwanie tłuszczu:

Przez odpowiednie przestawienie metabolizmu komórek można uzyskać drożdże o zwiększonej biosyntezie tłuszczy. Taki efekt można uzyskać np. w warunkach wysokiego stężenia cukru i O₂. Dawniej do produkcji tłuszczu wykorzystywano Trihosporum polurans, obecnie znacznie lepsze wyniki daje Rhodotorula glutinis wytwarzająca 60% tłuszczu w stosunku do swojej masy lub Lypomyces lipoferus czy Lypomyces starkeyi 50-63% tłuszczu w stosunku do swojej masy. Niektóre drożdże produkują witaminy jak witamina B2 wytwarzana przez drożdżaki Ashibya gossipii i grzyby niższe Evomodecium. Wykorzystują one różne cukry proste uzupełnione ekstraktem drożdżowym lub namokiem kukurydzy jako źródło azotu. Produkcje prowadzi się w temperaturze 25-26 C, w czasie 6-7dni). Witaminę B2 wytwarza również Candida bruyermendi. Ergosterol może być również produkowany przez drożdże tj. Saccharomyces cerevisiae (zamienia się on pod wpływem światła w witaminę D).

VI. BIOSYNTEZA KWASU OCTOWEGO

Odkryta przez Ludwika Pasteura, ale wyrób octu z wina i piwa był już znany w starożytności. Są to procesy fermentacyjne przebiegające w warunkach tlenowych w wyniku których powstają częściowo utlenione(podobieństwo do fermentacji) związki organiczne wydalane na zewnątrz komórki, dlatego proces ten nazywany jest pseudofermentacją lub fermentacją tlenową. Mikroorganizmy w wyniku fermentacji utleniających uzyskują większą ilość energii niż w przypadku klasycznej fermentacji, jednak o wiele mniejszą niż w przypadku oddychania tlenowego.

Systematyka bakterii octowych ciągle ulega zmianie;

Klasyfikacja wg. Henneberga, podzielił bakterie kwasu octowego na 4 grupy (Acetobacter);

• Brzeczkowe

• Piwne

• Winne

• Szybko octujace

Później Frater podzielił bakterie octowe według procesów biochemicznych(Acetobacter);

• Peroxydans przy wyższym stężeniu etanolu wytwarzają kwas octowy, a gdy stężenie etanolu spada zaczynają utleniać nagromadzony kwas do CO₂ i H₂O

• Oxydans

• Mezoxydans utleniają kwes octowy bardzo powoli

• Suboxydans nie utleniają nagromadzonego kwasu octowego

Obecnie najnowsza klasyfikacja wg Bergeya dzieląca bakterie octowe na 3 rodzaje;

• Acetobacter (urzęsione peritrychalnie) A. aceti, A.diazotrophicus, A.hansenii, A.liquefaciens, A.xylinum, A.pasteurianus, A.methanolicus

• Gluconobacter (urzęsione polarnie) G.asaii, G.frateurii, G.oxydns, G.pectinovorum, G.saccharobutyricum

• Gluconoacetobacter

Cechy wspólne bakterii octowych;

1. Tworzenie kwasów na drodze częściowego utleniania cukrów i alkoholi oraz częściowe lub całkowite wydzielanie ich do podłoża jako produkty pośrednie.

• Pomimo urzęsienia są mało ruchliwe.

• Mają kształt krótkich pałeczek i mogą występować pojedynczo, po dwie lub w łańcuszkach,

• Cechuje je jednak duża zmienność morfologiczna, tworzą formy inwolucyjne o nieznanym znaczeniu(głównie Acetobacter)

• Nie wytwarzają przetrwalników

• Są ścisłymi tlenowcami

• Są mezofilami i chemoorganotrofami

• Mają zdolność utleniania alkoholu etylowego do kwasu octowego (u Gluconobacter proces ten zachodzi mało intensywnie dlatego najczęściej stosuje się Acetobacter)

• Acetobacter są zdolne do dalszego utleniania kwasu octowego do CO₂ i H₂O- nadoksydacja (Gluconobacter nie)dlatego w produkcji nie należy dopuścić do całkowitego wykorzystania alkoholu, należą do nich m.in.; A.xylinum, A.aceti, A.rancens.

• W celu rozróżnienia oksydantów, suboksydantów i peroksydantów hoduje się je w mętnym roztworze węglanu wapnia. Pojawiająca się strefa przejaśnienia u suboksydantów jest trwała natomiast u per oksydantów nie ponieważ kwas octowy jest dalej metabolizowany

• Gluconobacter utleniają cukry do keto kwasów. Rodzaj ten jest zwykle katalazo dodatni (wytwarzają katalazę), nie metabolizują laktozy i skrobi. Optymalna temperatura wzrostu 25-30C, pH 5,4-6,3. Rosną również na podłożach o pH 4-4,5 na podłożach alkalicznych slaby wzrost.

• Bakterie te można spotkać wszędzie tam gdzie alkohol ; zepsute warzywa, owoce, ocet itp.

• Gluconobacter preferuje źródła bogate w cukier ; kwiaty, owoce, warzywa, piwo, wino, gleba ogrodowa.

Technologiczna strona procesu:

Wyróżniamy trzy metody produkcji;

• Metoda orleańska (najstarsza)

• Metoda szybkiego octowania (Schutzenbacha)

• Metoda wgłębna

Metoda orleańska; metoda francuska, tradycyjna , wolno przebiegająca, metoda wytwarzania octu z wina (rzadziej piwa) leżakującego w poziomo ułożonych beczkach(acetyfikacja-przerób alkoholu na ocet), daje najsmaczniejszy ocet. Wino przeznaczane na ocet to wino pośredniej marki lub takie które samo zaczęło fermentować. Proces przeprowadza się zazwyczaj w beczkach w pozycji horyzontalnej napełnionych do ¾ objętości (duża powierzchnia styku z powietrzem). Na powierzchni płynu tworzy się błonka (biofilm) zawierająca bakterie octowe, niekiedy wzmacnia się ją rusztowaniem z cienkich listewek lub trzciny. Wino poddawane przerobowi na ocet miesza się z niewielką ilością Świerzego octu w takiej proporcji, że do 2/3 wina dodaje się 1/3 octu gotowego, zawierającego żywe bakterie octowe. W ten sposób uzyskuje się zalewę która zawiera ok. 2% kwasu octowego i ok. 4% alkoholu etylowego (obecność octu reguluje pH i zapobiega infekcją). Proces zachodzi bardzo powoli (kilka tygodni), metoda mało wydajna, 300mg/dm³/24h. Otrzymany ocet zawiera 5-6% kwasu octowego. Zaletą metody jest produkcja octu charakteryzującego się najwyższymi walorami smakowo-zapachowymi.

Metoda szybkiego octowania; polega na stworzeniu dużej powierzchni na której osadzone będą bakterie kontaktujące się z jednej strony z powietrzem a z drugiej z zalewą. Stojak Schutzenbacha-drewniana kadź o kształcie stożkowym materiał wypełniający to wióry bukowe, kanały doprowadzające powietrze i otwory boczne umożliwiają napowietrzanie i cyrkulację powietrza. Od góry wlewa się zalewę; etanol, sole odżywcze ( fosforany i sole amonowe), ocet zarodowy, węglowodany w celu pobudzenia wzrostu. Zalewa spływająca od góry ku dołowi po wiórach wcześniej zalanych bakteriami (jest to rodzaj immobilizacji). Coraz bardziej stężony kwas octowy spływa ku dołowi i jest tam odbierany i z powrotem wlewany od góry ,czynność ta powtarzana jest wielokrotnie czasem nawet kilkadziesiąt szarż.

Bardzo ważny jest skład zalewy, który powinien zawierać odpowiednią ilość etanolu tak aby nie doprowadzić do jego całkowitego wykorzystania. Napowietrzanie zachodzi dzięki różnica temperatur (konwekcja)między stojakiem a otoczeniem (gorzej w lecie gdy temperatury są wyrównane). Najbardziej efektywne procesy zachodzą w górnej części stojaka, prawdopodobnie wpływa na to kwasowość środowiska, im jest wyższa tym efektywność niższa.

Bardziej usprawniony i zautomatyzowany proces za pomocą generatorów Fringsa, aparatów o pojemności 20-120 m³ ( Schutzenbacha 2,5-5m³) jest to układ zamknięty i zautomatyzowany, wyposażony w instalację tłocząca do środka jałowe powietrze oraz instalację chłodzącą zapewniającą optymalną temperaturę 25-26°C. procesy fermentacji prowadzone są do uzyskania 4% zawartości kwasu octowego. Materiałem wypełniającym są również wióry bukowe. Szybkość kwaszenia 4-6g/dm³/24h.

Metoda wgłębna: bezwiórowa, prowadzona w reaktorach zwanych acetatoram. Są to aparaty ze stali kwasoodpornej zapewniające pełną sterylność i hermetyczność, zaopatrzenie w urządzenie napowietrzające, wszystko zautomatyzowane. Bakterie (w postaci czystych kultur) są tutaj zawieszone w roztworze , który zawiera odpowiednią ilość alkoholu etylowego, po czym roztwór ten jest intensywnie napowietrzany jałowym filtrowanym powietrzem. Szczególną uwagę należy zwrócić na to jak wielka zmiana fizjologiczna zaszła w bakteriach, które wcześniej rosły na powierzchni a teraz są zawieszone w Szybkość produkcji 40g/dm³/24h.

Polska produkuje ok. 60 mln dm³ octu rocznie z czego ¼ jest zuzywana do produkcji musztardy i majonezu. Produkcja wina gronowego w Polsce jest trudna z powodu niesprzyjających warunków klimatycznych. Wina słodowe z produktów zbożowych wykorzystywane do produkcji octu słodowego.

Chemiczna strona procesu; (powinno być w schematach)

Wg Wielanda proces fermentacji kwasu octowego zachodzi w trzech etapach przy udziale dehydrogenazy alkoholowej. W I etapie w skutek utlenienia etanolu powstaje aldehyd octowy, w kolejnym etapie aldehyd octowy zastaje uwodniony tworząc wodzian aldehydu octowego, a następnie utleniony przez dehydrogenazę do kwasu octowego. Procesy te pochłaniają ponad 71 kJ na cząsteczkę etanolu. Wydzielony w tych reakcjach wodór ulega utlenieniu do wody i powstaje 561kJ energii co daje zysk netto na plusie. Proces egzoergiczny dlatego wydzielane jest ciepło. Utlenienie kwasu octowego do CO₂ i H₂O daje ponad 860kJ energii dlatego gdy nie ma etanolu bakterie metabolizują kwas octowy.

Szkodniki octownictwa:

• Bakterie nadoctujace A. xylinum, który wytwarza znaczne ilości śluzu, co powoduje odcinanie bakterii od tlenu, oraz uniemożliwia immobilizację, występuje pojedynczo lub w łańcuszkach, jest pałeczką 0,6-0,8 µm. Mimo wszystko jest wykorzystywany do produkcji octu słodowego i winnego.

• Węgorek octowy Anguilla aceti nicień widzialny gołym okiem, żyworodny, szybko rozmnażający się. Może żyć długo w occie 10% ale nie rozmnaża się . nie powoduje szkód w gotowym occie, prawdopodobnie żywi się martwymi bakteriami, wpływa niekorzystnie na klarowność roztworu i nie jest akceptowany przez konsumentów. Występuje tylko w metodzie powierzchniowej, orleańskiej we wgłębnej go nie ma.

• Muszki octowe Drosophila fenestrarum- właściwa muszka octowa która wylęga się w resztkach słodkich cieczy ulegających fermentacji alkoholowej, gnijące i fermentujące owoce a także fermentory powierzchniowe i ociekowe oraz Drosophila funebris dla której właściwym środowiskiem są gnijące lub spleśniałe podłoża organiczne. Mogą roznosić szkodliwe mikroflory, zwłaszcza bakterie nadoctujące.

Wykorzystanie bakterii octowych poza octownictwem:

Do produkcji;

• L-sorbozy

• Dihydroksyacetonu

• Kwasu D-winowego

Największe zastosowaanie ma tutaj G.oxydans oraz A.aceti i A.xylinum. L-sorbozę otrzymuje się z D-sorbitoly. Sorbitol jest składnikiem jarzębiny i jest ona substratem wyjściowym do jego produkcji. Poprzez fermentację (met. Powierzchniową lub wgłębną) D-sorbitol w wyniku odwodornienia przekształca się w L-sorbozę (przykład biotransformacji). Przykład biotransformacji mikrobiologicznej, której efektem jest zmiana struktury sorbitolu polega na odłączeniu 2 atomów wodoru przy węglu C-2. L-sorboza jest substratem wyjściowym do produkcji kwasu askorbinowego (witamina C). Otrzymuje się ją przez chemiczną przemianę L-sorbozy. W procesie fermentacji podłoże, na którym hodowana jest ta bakteria oprócz sorbitolu trzeba uzupełnić w substancje odżywcze tj. ekstrakt drożdżowy i wyciąg z kukurydzy, poza tym niezbędny jest węglan wapnia w celu zobojętnienia pH . W warunkach metody wgłębnej potrzebne są substancje przeciw pienne.

W przypadku produkcji dihydroksyacetonu substratem wyjściowym jest glicerol. Jest to proces odwodornienia glicerolu do dihydroksyacetonu (proces odwrotny do fermentacji glicerolowej). Oprócz glicerolu stosowanego w stężeniu 6% dodaje się ekstrakt drożdżowy i prpwadzi proces w tem. 30C przy pH 5,5-7. Uzyskuje się stosunkowo wysoka wydajność 90-95%.

Kwas D-winowy powstaje przez odfermentowanie glukozy prowadzone przez G.oxydans. proces ten zachodzi tylko w obecności specjalnych katalizatorów-soli wandanu. Otrzymuje się kwas D-winowy w postaci soli di potasowych.

VII. FERMENTACJA MLEKOWA

WYKORZYSTANIE BAKTERII MLEKOWYCH

Fermentacja mlekowa przeprowadzana przez grupę bakterii mlekowych. Z efektem działania bakterii mlekowych człowiek zetknął się po przejściu na pastwiskowy tryb życia. Pierwsza kulturę wyodrębniono w 1880 i był to Streptococcus lactis (obecnie Lactococcus lactis).

Grupa bakterii mlekowych jest grupą fizjologiczną a nie systematyczną. Są to bakterie charakteryzujące się zdolnością do wytwarzania kwasu mlekowego, który jest jednym z produktów końcowych albo głównym.

Znane są cztery główne rodzaje: Lactobacillus, Lactococcus, Leuconostoc, Pediococcus. Rozszerza się je o Bifidobacterium, Corynebacterium, Enterococcus, Bacillus, Propionibacterium, Streptococcus, Listeria.

Charakterystyka bakterii;

• Pałeczki (bacterium) i ziarniaki (coccus)

• Gram+

• Zdolność do przemiany cukru w kwas mlekowy

• Nie wytwarzają przetrwalników poza Bacillus coagulans

• Nie ruchliwe

• Nie rozpuszczają żelatyny ( Streptococcus faecalis subsp. liquefaciens)

• Względnie beztlenowe (niektóre rozwijają się w warunkach beztlenowych ale tlen im nie szkodzi)

• Brak wytwarzania katalazy

• Niektóre są mezofilami lub termofilami

• Najlepiej rozwijają się na podłożach naturalnych mleko, brzeczka,serwatka itp.

• Pałeczki są bardziej wybredne ziarniaki mniej i mogą być hodowane na podłożach syntetycznych

Kwaśne hydrolizaty białkowe nie mogą być używane do podłoży bo niektóre aminokwasy ulegają wtedy degradacji np. tyrozyna.

Podział systematyczny bakterii mlekowych w ujęciu Orla Jensena:

• Bakterie właściwej fermentacji mlekowej:

• Bakterie homofermentacji mlekowej (produktem końcowym przemiany materii jest tylko kwas mlekowy):

• Lactococcus

• Streptobacillus

• Thermobacillus

• Bakterie hetero fermentacji mlekowej (poza kwasem mlekowym produkty takie jak alkohole glicerol, kwas octowy, CO₂):

• Leuconostoc

• Lactobacillus

• Bifidobacterium(wchodzą w skład mikroflory przewodu pokarmowego dzieci karmionych mlekiem matki)

• Bakterie pseudofermentacją mlekowej

• Micrococcus

• Microbacterium

LACTOCOCCUS charakterystyka

• Prowadzi homofermentację mlekową

• Lactococcus lactis subsp. lactis paciorkowiec mleczny, wytwarza kwas mlekowy do 1%, zapoczątkowuje kwaśnienie mleka

• Lactococcus lactis subsp.cremoris paciorkowiec śmietankowy, który zakwasza śmietanę do produkcji masła , tworzy kwas mlekowy w granicach 0,6-0,7%

LACTOBACILLUS (Streptobacillus) charakterystyka

• Homofermentacyjna pałeczka mlekowa

• Rozwija się wolniej niż ziarniaki, wytwarzają kwas mlekowy w większym od nich zakresie(do 1,5%)

• Przedstawiciele rodzaju wykorzystywane w serowarstwie bo mają zdolność rozwoju w wąskim zakresie temperatury

• Zwykle mają tez wysoka zdolność hydrolizy białek do aminokwasów, co ma działanie antyalergiczne

• Lactobacillus casei subsp.casei występuje w postaci łańcuszków, fermentuje laktozę, odgrywa dużą role w dojrzewaniu serów (przemiana kazeiny do aminokwasów)

• Lactobacillus plantarum bierze udział w kiszeniu kapusty, ogórków, kiszonek rolniczych

Pałeczki produkujące kwas mlekowy:

Lactobacilus czyli laktobakterie są to homofermentacyjne pałeczki mlekowe, rozwijają się one wolniej niż ziarniaki, ale zakwaszają lepiej (do 1,5%). Prowadzą drugi etap fermentacji, po ziarniakach. Maja zdolności proteolityczne, rozkładają białka do aminokwasów. Wykorzystywane są w serowarstwie, gdyż mogą pracować w niskim zakresie temperatur.

Lactobacillus casei ssp. casei ich prawidłowa nazwa powinna brzmieć Laktobacterium, gdyż są to pałeczki, a nie laseczki. Są one pałeczkami, więc nie przetrwalnikują. Odgrywają ważną rolę w dojrzewaniu serów, zamieniają kazeinę.

Lactobacillus plantarum są obecne w materiale roślinnym. Biorą czynny udział w zakwaszaniu kapusty, ogórków, kiszonek roślinnych.

Thermobacillus należy do rodzaju Lactobacilus są to pałeczki o wysokich optimum temperatury rozwoju.

Lactobacillus delbrucki ssp. bulgaricus są obecne w jogurcie, wymagają optimum temp 40-42C. Produkuje 1 - 1,6% kwasu mlekowego. Występują pospolicie w mleku klimatu ciepłego.

Lactobacillus Rhamnozus rozwijają się na roślinach. Są to długie pałeczki: 7 mikrometrów. Optimum temperatury wynosi dla nich 48-50C. Wytwarzają 1,8% kwasu mlekowego (2 - 2,2% max). Kiedyś używane były w gorzelnictwie.

Bakterie heterofermentacji mlekowej:

Dawnej Betacocus, teraz Leuconostok jest to ziarniak, zbliżony do Lactococus. Oprócz kwasu mlekowego tworzą inne produkty takie jak: kwas octowy, alkohol etylowy, CO₂ etc. Nigdy nie występują w mleku. W roślinach (w kapuście) produkują lewoskrętny kwas mlekowy. Niektóre są fabrycznie wykorzystywane do produkcji dekstranu.

Betabacterium należy do Lactobacillus przedstawicielem jest Lactobacillus brevis występujący w ziarnach kefirowych, bierze udział w produkcji kefiru.

Bakterie pseudofermentacji mlekowej:

Dawniej Thetracocus, teraz Micrococus są to ziarniaki, pakietowce, które wytwarzają niewielkie ilości kwasu mlekowego z cukru oraz redukują azotany przy pomocy katalazy.

Microbacterium są to pałeczki. Redukują azotany i tworzą katalazę, produkują niewiele kwasu mlekowego.

Chemizm fermentacji mlekowej:

a) homofermentacja mlekowa - glikoliza - kwas pirogronowy ulega redukcji przy udziale dehydrogenazy mleczanowej do kwasu mlekowego

b) heterofermentacja - oprócz kwasu mlekowego powstają inne produkty

Z aldehydu fosfoglicerynowego powstają:

• kwas mlekowy - glówny produkt finalny

• alkohol etylowy

• kw. octowy

Z fosfodihydroksyacetonu powstaje :

• glicerol

Wykorzystanie bakterii mlekowych:

a) bezpośrednia synteza czystych metabolitów : produkcja kwasu mlekowego na drodze biotechnologicznej (homofermentacja) i dekstranu (heterofermentacja)

b) cele pośrednie: przerób, utrwalanie produktów spożywczych

Produkcja kwasu mlekowego:

Kwas mlekowy po raz pierwszy zidentyfikował w 1780 r. chemik szwedzki Scheele w surowym mleku, natomiast w 1847 wyodrębnił go jako produkt finalny procesu fermentacyjnego. Po raz pierwszy odkryty w zsiadłym mleku, stąd nazwa kwas mlekowy. Pierwsza praca Pasteura dotyczyła stereometrii kwasu mlekowego. Wyodrębnił on Streptococcus (dzisiejsza nazwa Lactococcus) lactis

Metody produkcji:

a) chemiczna – wypierana przez biotechnologiczną

b) biotechnologiczna (około 90%)

Roczna wydajność obu metod wynosi 80tys. ton (10% synteza chemiczna)

Kwas mlekowy - 2-hydroksypropionowy ma 3 odmiany:

1) D(-) lewoskretna

2) L(+) prawoskretna

3) DL racemiczna, optycznie nieczynna, posiada tyle samo D i L(synteza chemiczna)

Metodami biotechnologicznymi powstaje więcej L(+) niż D(-)

Wytworzona forma kwasu mlekowego zależy od stereospecyficznosci dehydrogenaazy melczanowej i obecności racemazy mleczanowej.

L - grupa OH po lewej stronie

D - grupa OH po prawej stronie

Ad1 Lewoskrętny nie jest szkodliwy dla organizmu, ale nie może być wykorzystywany w celach energetycznych i do budowy. Jest stopniowo wydalany przed organizm.

Lewoskrętny: Leconostoc mezenteroides, Lactobacillus leichmanni

Ad2 Prawoskrętny jest w pełni przyswajany przez organizm ludzki

Prawoskrętny: Lactococus lactis, Lactobacillus rhamnozus

Ad3 Racemiczny Lactobacillus brevis

Kwas mlekowy podczas podgrzewania łatwo tworzy estry, jedna cząsteczka odgrywa rolę alkoholu, a druga kwasu i tworzy się liniowy dimer czyli kwas laktylomlekowy najprostszy ester, a później wyższe polimery. Podczas dalszego ogrzewania wewnątrz cząstkowego estryfikują i powstają cykliczne laktydy, są one punktem wyjściowym do syntezy biodegradowalnych opakowań w przemyśle spożywczym.

Bitechnologiczna produkcja kwasu mlekowego:

• odpowiedni gatunek bakterii fermentacji mlekowej do wytworzenia wybranego surowca

• surowiec jest produktem odpadowym

- serwatka - odpad produktu mleczarskiego (laktoza)

- melasa - syrop po krystalizacyjny (sacharoza)

- skrobia - po zhydrolizowaniu enzymu

- inulina - po zhydrolizowaniu enzymu

Lactobacillus brevis – wysoka wydajność fermentacji pentoz na kwas mlekowy, więc można je wykorzystać np. do utylizacji ługów posulfitowych, dodaje się do nich kiełki.

Produkcja kwasu z serwatki:

• laktoza, podstawowy cukier.

• Lactobacillus derbrucki ssp. Bulgaricus(częście występuje) lub Lactobacillus helveticus

• Odfermentowują serwatkę naturalna i permeat serwatkowy (pozostałość po odbiałczaniu serwatki na filtrze)

• Pałeczki termofilne optimum temperatury powyżej 40°C

• Mają permeazę laktozową, która transportuje laktozę, hydrolizuje enzymy

• B-galaktozydaza – hydrolizuje laktozę to glukozy i galaktozy

Etapy produkcji:

1) Jałowy roztwór mleka odtłuszczonego do namnażania inoculum w ilości 1dm3 inkubuje się w 43°C przez 24h.

2) Po tym czasie przelewa się kulturę do pasteryzowanego, odtłuszczonego mleka w 45dm3 i inkubuje się w 43°C przez 24h.

3) Po tym czasie przelewa sie do kadzi ze stali nierdzewnej, wyłożonej wewnątrz glazurą porcelanową lub stalową o pojemności 1900dm3 podłoże ze spasteryzowanej serwatki, adaptacja inoculum w 43°C przez 24h.

• Koniec produkcji inoculum zarodowego

Produkcja przemyslowa:

Dawniej w kadziach drewnianych, dzisiaj stal nierdzewna o pojemności 20m³ - zawiera serwatkę spasteryzowaną . Wlewa się cale inokulum na 42-45 h w temperaturze 43°C.

Prowadzi sie okresowe zobojętnianie kwasu mlekowego, by nie ustala fermentacji. Co 6h wprowadza się porcję CaOH₂, zamienia on kwas mlekowy w mleczan wapnia.

Aż do momentu kiedy będzie 0,6% max ilość kwasu mlekowego wolnego. Większa ilość kwasu może niszczyć bakterie. Granica ich wytrzymałości to 2%, wtedy ustaje zamiana glukozy w kwas mlekowy.

1. Zacier pofermentacyjny neutralizuje się całkowicie CaOH₂, aby większość kwasu została związana. (0,1% pozostaje)

   Zacier jest ogrzewany do 98°C za pomocą gorącej pary co niszczy bakterie, które nie są już potrzebne i wytraca substraty białkowe do osadu.

   Płyn z nad osadu przeprowadza się do innej kadzi gdzie dodaje się CaOH₂ w nadmiarze 0,1% ma to na celu maksymalne oczyszczenie kwas, roztwór lekko alkaliczny.

   Po czym dodaje się środowisko klarujące czyli ziemia okrzemkowa i węgiel aktywny pozostawiamy zawiesinę na 15 minut w celu wyklarowania roztworu.

   Odwirowanie (odfiltrowanie)

   Lekkie zakwaszenie mleczanem(neutralizacja), a następnie zakwaszanie do 0,05%.

   Roztwór mleczanu wapnia ulega dalszemu oczyszczaniu po dodaniu ziemi okrzemkowej i węgla aktywnego.

   Oddzielony roztwór od osadu ulega zagęszczaniu, krystalizacji i przemywaniu.

Zagęszczanie:

• W aparatach wyparnych, wyparkach

• W podciśnieniu by pozbyć się pewnej ilości H₂O, ale nie rozłożyć mleczanu wapnia.

• Proces prowadzimy

aż roztwór osiągnie gęstość 15°Baume (używane do określania gęstości NaCl, % NaCl w roztworze)

Areometr Bauma - służy do oznaczania gęstości NaCl, ale jest przydatny w oznaczaniu gęstości kwasów nieorganicznych i organicznych(podobieństwo koncentracji NaCl i kwasów).

Po osiągnięciu 15°Baume, mleczan poddawany jest krystalizacji.

Krystalizacja:

• Krystalizator metalowy z stali nierdzewnej, naczynie o dużej powierzchni, ma podwójne ściany miedzy którymi cyrkuluje woda.

• obniżenie temp do 10-15°C.

• 150 dm3 pojemność krystalizatorów które są płaskie (chodzi po powierzchnię).

• Czas krystalizacji 10-12h

• Wypadanie z roztworu kryształów mleczanu wapnia, które trafiają do wirówki.

• Kryształ wydzielony zostaje przemyty H₂O . Odciek zagęszcza się do 15° Baume i ponownie się krystalizuje by zminimalizować straty. Przemyty kryształ to kryształ I.

• Po 10-15h proces się powtarza. Przemywanie kryształów uzyskanych w wirowce. Odciek do krystalizatora. Przemyte kryształy to kryształy II.

• Kryształy przemywa się 3 raz odciek do ścieków. Kryształ po przemyciu to kryształ III. Kryształy I, II, III łączy się ze sobą i rozpuszcza w wodzie w 66C Wprowadza się środki klarujące czyli ziemię okrzemkową, węgiel aktywny, po czym roztwór trafia na filtr, który oddziela osad, który odrzucamy. Odfiltrowany przesącz znów trafia do krystalizacji następuje zagęszczanie do 11,5° Baume na 11-12h. Krystalizacja w takich samych warunkach.

Po odfiltrowaniu powstają kryształy kwasu mlekowego, które są przemywane, a odciek jest zawracany. Uzyskane kryształy ulęgają czyszczeniu i rozszczepianiu pod wpływem siarczanu, powstaje wówczas gips - nierozpuszczalny siarczan wapnia CaSO4.

Odmiany kwasu mlekowego:

a) techniczny- najmniej oczyszczony, niekrystalizowany. Ma brązowy kolor. Wyjściowe stężenie 22% kwasu mlekowego, ostateczna zawartość 44-50%.

b) spożywczy – wyższa czystość, wypiera kwas octowy , który jest szkodliwy. Uzyskiwany z kryształów wapnia po 1 krystalizacji. Jest przezroczysty. Koncentracja 44-50% kwasu mlekowego.

c) czysty – oczyszczany w najwyższym stopniu, na potrzeby przemysłu chemicznego 65% koncentracji kwasu mlekowego

Produkcja kwasu mlekowego na melasie:

Lactobacillus Rhamnosus – jest to pałeczka o wysokiej aktywności fermentacji sacharozy i glukozy do kwasu mlekowego.

Przygotowanie melasy:

• Rozcieńczanie melasy by zawierała 10% węglowodanów w brzeczce. Uzupełnianie kiełkami słodowymi 2% w stosunku do cukru(wspomagają wzrost bakterii)

• Ogrzewanie roztworu do 55°C aby napęczniały kiełki, aktywacja enzymów proteolitycznych.

• Ogrzewanie do 75°C - przetrzymywanie przez 1h - pasteryzacja

• Schłodzenie do 50 C - wprowadza się wtedy innoculum 2-3% w stosunku do objętości brzeczki

• Okresowo neutralizuje się kwas mlekowy by nie hamować fermentacji (CaO to neutralizator, który zamienia kwas na mleczan wapnia)

• 5-10 dni trwa fermentacja (zależy od jakości melasy)

• Podniesienie temp do 90°C zabija bakterie i wytrąca białka (zakończenie fermentacji)

• Zacier traktuje się CaO by związać kwas

• Filtrowanie , wirowanie by uzyskać roztwór, który trafia do kadzi rozszczepialnej przez dodanie kwasu siarkowego, dodaje się środki klarujące czyli węgiel aktywny, żelazocyjanek potasu.

• Filtrowanie - 16% kwasu mlekowego, zagęszcza się na aparatach wyparnych do 50-80%

• Filtracja powstaje kwas techniczny

• Wydajność 40-45% w przeliczeniu na 100% kwasu mlekowego w stosunku do użytej brzeczki. Aby uzyskać inne kwasy krystalizujemy.

Usprawnienia:

• Fermentacja wsadowa(okresowa)

• Fermentacja półokresowa - ciągle doprowadzanie pożywki do fermentatora

• Fermentacja ciągła - odprowadzanie płynu pofermentacyjnego biomasę w sposób ciągły. Prowadzona na bioreaktorze przepływowym zasilanym ciągle pożywka

• Fermentacja ciągła z recyrkulacja biomasy - w fermentatorze przepływowym przez separator przechodzi płyn pofermentacyjny z biomasa, gdzie zagęszczane są komórki bakteryjne, które są zawracane do fermentatora przepływowego.

Modyfikacje w procesie produkcji kwasu mlekowego:

(takie jak hodowla ciągła, pół ciągła) mogą wykorzystywać zarówno wolne komórki jak i immobilizowane, czyli bakteryjne kom unieruchomione. Metody immobilizacji: 1) półapkowanie w żelach agarowych , poliakrylamidowych, albuminianowych lub żelach wykonanych z alkoholu poliwinylowego (endosolacja)

2) adsorpcja na nośnikach stałych – na błonach, materiałach ceramicznych , szkle porowatym, wiórach polipropylenowych

3) stworzenie takich warunków że bakterie występują w formie agregatów (metoda naturalna)

4) stosowanie aparatów zawiesinowych typu ciecz-ciało stałe

5) system wykorzystujący kom immobilizowane są bioreaktory z nieruchomym złożem w formie upakowanej kolumny lub z złożem cyrkulacyjnym.

Kwas mlekowy może być usuwany i oczyszczany po zakończeniu lub w czasie trwania fermentacji. Najnowsze metody wydzielania kw mlekowego: dializa, elektrodializa, destylacja, odwrócona osmoza, mikro i ultra filtracja, wymieniacze jonowe, absorpcja lub ekstrakcja rozpuszczalnikiem.

Ilość kwasu produkowana na świecie: 100 tys ton rocznie i wzrasta. Najczęściej stosowana jest metoda biosyntezy kwasu mlekowego a nie syntetaza chemiczna ( 90% kw pochodzi z biosyntezy a 10% z syntezy chemicznej). Z ogólnej ilości wytwarzanego kwasu mlekowego 30-50% to kwas racemiczny.

W Polsce prod kw mlekowego odbywa się w Lesznie – firma Akwawit. W Polsce produkowane jest 2 tys ton rocznie. Jego niedobór to kolejne 2tys ton. W Lesznie produkcja odbywa się na bazie cukru białego przy użyciu bakterii Lactobacillus rhamnozus. Uzyskana masa bakteryjna jest wykorzystywana później w rolnictwie do produkcji kiszonek rolniczych. Produkcja na czystej sacharozie daje czystszy produkt w porównaniu z produkcja na melasie. W Lesznie produkowany jest także mleczan wapnia wykorzystywany w przemyśle farmaceutycznym.

Wykorzystanie

• Kw mlekowy –w przemyśle spożywczym i chemicznym

-garbarstwo- odwapnianie skór

-włókiennictwo-zaprawa do barwienia tkanin

-wyrób mas elastycznych

-produkcja biodegradowalnych folii

• Mleczan żelazowy –przemysł farmaceutyczny

• Mleczan sodowy- w medycynie jako lek

• Mleczan miedziowy- znaczenie metodach galwano plastyki

• Mleczan wapnia-prod. leków, proszku do pieczenia, wyrobów cukierniczych

-prod chleba i innego pieczywa pszennego

-tzw. „stały” kw mlekowy – mieszanina kwasu mlekowego i mleczanu wapnia; poprawia jakość pieczywa

Kwas mlekowy

• jest w pełni przyswajalny dla organizmu ludzkiego , jest glikogenotwórczy- pobudza wydzielanie glikogenu

• może zastąpić w prod lemoniad kw cytrynowy i winowy

• może zastąpić kw octowy w przemyśle spożywczym –jest zdrowszy niż kw octowy

• konserwowanie mięsa, przetworów roślinnych

Konserwowanie pasz zwierzęcych lub jako dodatek do wody pitnej dla zwierząt zwiększa ich żywotność , zapobiega biegunkom, sprzyja przyrostowi masy mięsnej przez aktywowanie enzymów trawiennych.

Działa jak prebiotyk (związki chemiczne, które działają aktywująco na korzystną mikroflorę jelit).

DEKSTRAN

Metoda produkcji dekstranu z wykorzystaniem ziarniaków mlekowych została opatentowana w 1953 roku przez Grunwald i Ingelwana , a została wprowadzona do produkcji w latach 50.

Dekstrany są to rozgałęzione wielocukrowce. Homoglikany pochodzenia bakteryjnego. O wzorze strukturalnym (C₆H₁₀o₅)_n . zbudowany z cząst D-glukozy połączonych wiązaniami glukozydowymi α-1,6. związki zwykle są rozgałęzione (zazwyczaj co 5 cząst glukozy). Wiązania α-1,2 ; α-1,3;α -1,4 występują w punktach rozgałęzień.

Dekstran ma postać śluzu, jest rozpuszczalny w wodzie, przypomina przezroczystą gume. Poddany hydrolizie rozpada się na D- glukozę. Występuje w postaci otoczek śluzowych wytwarzanych przez bakterie Leuconostoc mesenteroides ssp. mesenteroides i ssp. dextranicum. Dekstran jest wytwarzany z glukozy podczas hydrolizy sacharozy za pośrednictwem enzymu dekstranosacharazy=sacharoza dekstranowa = glukozylotransferaza (GTF). Enzym ten ma aktywność inwertazy (rozkłada sacharozę na glukozę i fruktozę) i transferazy (przenosi glukozę na następna cząsteczka glukozy lub inny odcinek dekstranu).

Dekstran zbudowany jest z n czasteczek glukozy, jego wielkość waha się od 14kDa do 40 MDa. Podane wyżej bakterie mają wysoka wydajność w tworzeniu dekstranu i sacharozy, jednak są to bakterie heterofermentacji dlatego powstaje wiele produktów ubocznych: kw mlekowy, mannitol, fruktoza.

Zastosowanie dekstranu:

1.w lecznictwie jako środek zastępujący osocze krwi (powodował uczulenie

2. ze względu na właściwości emulgujące i dużą lepkość – produkcja tkanin drukowanych

3. w produkcji papieru

4. w przemyśle spożywczym jako stabilizator do prod syropów cukrowych, lodów i innych wyrobów cukrowniczych

5. usieciowione pochodne dekstranu – produkcja Sephadexu, wykorzystywane w chromatografii żelowej jako sita molekularne

Proces produkcji:

I ETAP wyprowadzenie kultury zarodowej bakterii. Surowiec wyjściowy: 5-15% roztwór sacharozy, + składniki pokarmowe: mineralne sole odżywcze taki jak fosforany, siarczan magnezu, chlorek sodu, + mikroelementy, substancje z witaminami i sub wzrostowe np. autoliza drożdżowy, wyciąg z kiełków słodowych , wyciąg z pomidorów, namok z kukurydzy

II ETAP podłoże poddaje się sterylizacji, do wyjałowionego podłoża wprowadza się szczepionkę bakteryjną L. mesenteroides w ilości 5% w stosunku do ilości podłoża

III ETAP fermentacja trwa 2-6 dni w temp. 20-25⁰c

IV ETAP po zakończeniu fermentacji bakterie usuwa się z przefermentowanego roztworu przez odwirowanie i z klarownego supernantu wytrąca się dekstran alkoholem (etanolem lub metanolem) w stosunku 1:1, czyli na każdą objętość przefermentowanego podłoża dodaje się taką samą ilość alkoholu. Dekstran wypada w postaci białej gąbczastej masy, który oddziela się od roztworu. Dekstran jest rozpuszczalny w wodzie, mieszamy go z alkoholem i wytrącamy przez precypitację

V ETAP hydroliza dekstranu – łagodna hydroliza przy użyciu słabych r-r kw solnego , działanie podwyższonej temp lub na drodze enzymatycznej działaniem dekstranazą typu endo (tnie czast od środka przez co spada ich lepkość)

Dekstran do celów medycznych to dekstran o wadze ok. 75kDa zastępujący osocze krwi po wypadkach.

VI ETAP po łagodnej hydrolizie dekstran ponownie wytrąca się alkoholem

VII ETAP proces oczyszczania – poprzez rozpuszczenie w roztworze węgla aktywnego lub ziemi okrzemkowej lub może być traktowany wymieniaczami jonowymi

VIII ETAP zagęszczenie w warunkach uniemożliwiających rozkład

Dekstran wysuszony w postaci proszku może być kierowany do sprzedaży. Dla celów medycznych sporządza się roztwór 6% dekstranu 75kDa w soli fizjologicznej

Produkcja dekstranu metodą enzymatyczną.

W miejsce bakterii stosuje się produkowany przez nie zewnątrzkomórkowy enzym glukozylotransferazę dekstranu.

W Polsce w Kutnie znajduje się zakład produkujący dekstran metodą fermentacyjną głównie do celów leczniczych.

PRODUKCJA NAPOJÓW MLECZNYCH

-napoje naturalne bez dodatków

-napoje z wsadami owocowymi, warzywnymi, zbożowymi i z dodatkiem aromatów

Asortyment napojów mlecznych wzrósł z 36 w roku 1964 do ponad 250 w roku 1970.

Obecnie napoje mleczne produkuje się z udziałem szczepionek o ściśle zdefiniowanym składzie.

Stosowanie czystych kultur w przemyśle:

- upraszcza technologie

- poprawia jakość gotowego wyrobu

-przedłuża jego trwałość

-umożliwia standaryzację pod względem wartości odżywczej i cech sensorycznych

Szczepionki w postaci czystych kultur występują w postaci:

-płynnej

-liofilizowanej

-zamrożonej

-suszonej

Pierwsze kwaśne mleko z wykorzystaniem czystych kultur kw mlekowego powstało we Francji w 1906r.

ZSIADŁE MLEKO

Powstaje w sposób samorzutny. Jeśli pozostawi się mleko w temp 18-20⁰C to w tych warunkach następuje samorzutne ukwaszenie się mleka, które jest rezultatem szybko rozwijających się paciorkowców mlecznych głównie Lactococcus lactis ssp lactis. W wyniku zakwaszenia białko zawarte w mleku –kazeina ulega ścięciu z chwilą gdy ilość kw mlekowego spowoduje pH środowiska do wartości punktu izoelektrycznego kazeiny : 4,5. powstaje jednolity skrzep kazeiny.

Mleko przetrzymywane w temp powyżej 20⁰C jest terenem działalności E. coli. Następstwem tego jest rozrywanie powstałego skrzepu na skutek wytwarzania dużej ilości gazów głównie CO₂.

JOGURT

Jogurt bułgarski – typ mleka kwaśnego. W ujęciu klasycznym produkt z mleka bawolego przetrzymywanego w temp 40⁰C

W Polsce i innych krajach jogurt otrzymywany jest z mleka krowiego, które ewentualnie przed przerobem poddaje się lekkiemu zagęszczeniu, aby otrzymać produkt o większej ciężkości. Jest to bułgarski typ kwaśnego mleka klasycznie wytwarzany z mleka bawolego , dziś wytwarzany jest dość szeroko z mleka krowiego poddanego lekkiemu zagęszczeniu. Mikroflora to pałeczki mlekowe: lactobacillus delbrueckii ssp. Bulgaricum (służy do produkcji kwasu mlekowego z serwatki), Lactobacillus helveticum, Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus biphidobacterium bifidum, ziarniaki: streptococus serivarium ssp thermophilus (uczestniczy w przemianie cukrów na kwas mlekowy) Duże znaczenie dietetyczne, reguluje problemy żołądkowe i jelitowe w jelicie grubym,

Lactobacillus acidofilus – naturalny składnik mikroflory (lakcid, trilac, acidolac) wydziela substancje p/bakteryją acydofilinę – bakteriocynę, zdolność do wytwarzania vit B, nie wrażliwy na antybiotyki, są to probiotyki (przyjazne do życia ), żywe kultury bakterii korzystnie oddziałowują na gospodarza , poprez stymulacje rozwoju mikroflory p/pokarmowego. Obecnie do fermentacji mlekowych sa stosowane szczepy bakteri wyizolowane z organizmu zdrowego człowieka (np. bifidobacterium – bifidyny, lactobacilus acidofilus, L. casei – kazeicyny)

Wyroby mleczne wytwarzane ta metodą nazywane są produktami mlecznymi III generacji.

Generacje:

I generacja – wyroby tradycyjne oparte na fermentacji

II generacja – wyroby oparte o czyste kultury tradycyjnych bakterii kwasu mlekowego czyli szczepionki

III generacja – wyroby produkowane w oparciu o bakterie wyizolowane z organizmu zdrowych ludzi

IV generacja – wyroby gdzie zachodzi fermentacji z udziałem bakteri pro biotycznych o udokumentowanych w badaniach poprawy zdrowia człowieka

HUŚLANKA:

Produkt z Ukrainy z husalszczyny, charakteryzuje się intensywnym rozwojem bakterii mlekowych które silnie zakwaszają mleko i dlatego trwałośc tego produktu jest duza i jest przechowywany w beczkach sciśle zamknietych hermetycznych, nawet przez kilka miesięcy.

KEFIR:

Ojczyzna jest Kaukaz. Powstaje w procesie złozonej fermentacji: mlekowej i alkoholowej dzieki drożdze mleczne. Jest wiec produktem bakterio-drozdżowym lub produktem fermentacji alkoholowo mlekowej.fermentacje tą wywołują grzybki kefirowe (ziarna) sklejone ze sobą śluzem bakterii mlekowych i drożdzy które współżyją ze sobą na zasadzie symbiozy. Wystepują tutaj ziarniaki mlekowe: lactococus lactis ssp lactis,oraz laseczki mlekowe lactobacillus delbruceckii ssp burgalicum, lactobacilus kefir, laktobacillus kefiranofaciens, lactobacillus brevis, oraz Drożdże: Candica kefir

Grzybki maja postać białych Ziarenek (rozgotowany ryz) przyjemny aromat, obecnie tych ziaren się nie wykorzystuje bo dystrybucja jest dosyc złożona. Dzisiaj stosuje się liofilizowane kultury kefirowe. Produkcja: grzybki lub szczepionki zalewa się mlekiem pasteryzowanym na 24h, następuje skrzepniecie mleka, przelewa przez sita, lub gazę a kefir rozlewany do butelek i tam pozostawiany do dojrzewania. Oprócz kwasu mlekowego zawiera 1% alkoholu.

KUMYS:

Produkt fermentacji bakteryjno-drozdżowej z tym jednak, że do jego produkcji stosuje się mleko klaczy lub oślicy. Zawiera do kilku procent alkoholu bo mleko klacze zawiera więcej laktozy. Torula kumys, Lactobacillus delbrueckii spp. bulgaricum

LEOBEN:

Produkowany z mleka krowiego, koziego albo bawole, północna Afryka i Azja mniejsza , fermentacja alkoholowo-mlekowa zawiera alkohol

Są to produkty z mleka pełnego odtłuszczonego częściowo lub całkowicie regenerowanego z proszku poddanego fermentacji przez specyficzne mikroorganizmy, które muszą występować w odpowiedniej liczbie żywych komórek

MAŚLARSTWO:

Bakterie mlekowe zostały wykorzystane do ukwaszania śmietany, dawniej śmietanę zbierało się po odstaniu mleka, tłuszcz oddzielał się od zawiesiny, ten okres wystarczył do wytworzenia bakterii mlekowych, dzięki którym śmietana była kwaśna, a masło wytwarzane z takiej śmietany charakteryzuje się określonym smakiem, dlatego dzisiaj mimo że nie musimy czekać na oddzielnie się śmietany (otrzymujemy słodką śmietanę) musimy ją ukwasić w tym celu stosuje się zakwas mleczarski który składa się z czystych szczepów bakteryjnych, dodawany do śmietany w postaci płynnych lub sproszkowanych szczepionek, które zawierają wyłącznie ziarniaki mlekowe. Zapobiega to też rozwojowi szkodników rozkładających białko i tłuszcz, obniżenie pH śmietany wpływa korzystnie na proces zmaślania tłuszczu mlecznego. Oprócz podkwaszania ważne są też cenne walory zapachowe – wytwarzanie di acetylu, który pochodzi z utlenienia acetoiny (acetylo-metylo- karbinolu) zdolność tą mają niektóre ziarniaki mlekowe należące do grupy hetero fermentacji mlekowej tj.: leuconostoc mesenteroides ssp. Cremoris, L. mesenteroides ssp. Deztranocum. Dzięki temu nastepuje zakwaszenie środowiska i powstaja substancje zapachowe. Kultury te mogą być używane z Lactococcuc lactis ssp lactis.

Biacetyl nadaje masłu orzechowy, migdałowy aromat. Te kultury mieszane mogą być zastapione przez jedną homofermentatywna bakterie Lactococcus lactis ssp lactis biovar diacetyllactis (paciorkowiec kwasząco – acetylujący).

Zakwas: do mleka chudego dodaje się 5-10% śmietanki, która jest ukwasza na matecznikach. Najpierw się ją pasteryzuje a następnie dodaje się czyste kultury zakwasu na 1 dobę w temp 20-25C. taki zakwas wykorzystuje się do przygotowania następnego zakwasu (na następy dzień) a reszte zaszczepia się ukwaszoną śmietanką. Całość przetrzymujemy 17-20C przez 20 h i kieruje się do zmaślania w maselnicach

Udział fermentacji mlekowej w serowarstwie:

Z mleka wytrącamy kazeinę – sernik z grupy fosfoprotein, główny składnik białkowy składnik mleka – za pomocą podpuszczki (hymotrypsyny) ulega wytrąceniu z r-ru co jest wyzyskiwane w produkcji sera, podpuszczka –chymozyna, reninna, enzym proteolityczny występujący w soku żołądkowym cieląt, rozkłada ją na parakazeinę i albumozę, rozpuszczalna prakazaina łączy się z zawartym w mleku wapniem i tworzy parakazeinian wapnia który wytrąca się w postaci twarogu. To wytracanie przebiega w odp. warunkach temperatury i kwasowości. Ta wytrąconą masę serowa oddziela się od serwatki (odciek serowy), masę pozostawia się do dojrzenia w którym decydująca role odgrywają enzymy syntetyzowane przez rozwijające się mikroorganizmy.

Najprostszym typem serów są sery miękkie i kwasne tzw sery twarogowe. Na skutek rozwoju mikroflory nastepuje jego ukwaszenie, następuje obniżenie pH środowiska do 4,5 i wytrącanie kazeiny. Mechanizm czysto kwasowy dlatego są to sery miękkie i kwasne.

- sery enzymatyczne twarde – obecnie stosowane sa Skrzepy podpuszczkowe (pochodzące z żołądków cielecych) skutkiem tego działania jest wytrącanie się parakazeinianu wapnia odczyn może być obojętny 6,0 – 6,5 pH, w wyniku działania podpuszczki na mleko otrzymuj esie sernik słodki, który jest nie trwały i musi ulec utrwaleniu, sery te noszą nazwe serów podpuszczkowych (sery twarde, prasowane)( szwajcarski lub holenderski) jak i sery miękkie (camembert, limburski),

Obecnie sery produkuje się z mleka pasteryzowanego, otrzymuje się jednolity produkt ze względu na zniszczenie w mleku naturalnej mikroflory, o różnych właściwościach biochemicznych.

Szczepionki serowarskie - czyste kultury , najbardziej skomplikowany układ o różnych uzdolnieniach bochemicznych, podstawe stanowią bakterie mlekowe niezbędne w procesach dojrzewania sera, ponadto zawiera bakterie propionowe, pleśnie i drożdze. O składzie szpienioni decyduje typ sera i proces technologiczny,

Proces produkcji serów podpuszczkowych polega na tym że pasteryzowane mleko zaszczepiane jest czysta kulturą serowarską i pozostawiany jest do dojrzewania, rozwijają się paciorkowce mlekowe, potem mleko jest traktowane enzyem i tworzony jest skrzep. Skrzep jest krojony, mieszany i dosuszany. W czasie tych procesów rozwój bakterii nie jest hamowany, za wyjątkiem dosuszania i dogrzewania, w tej fazie pozostają tylko bakterie termofilne. Sreptococcus sarivarius ssp thermofilius. Z tego szczepu otrzymuje sery twarde lub miękkie podpuszczkowe.

Sery miękkie mają znaczna zawartość wody a procesy dojrzewania charakteryzują się przenikaniem produktów fermentacji od zew do wew.

Sery twarde charakteryzują się odmiennymi przemianami od wew do powierzchni ( procesy te zachodzą głównie w warunkach beztlenowych), uzyskuje się je przez odprasowanie skrzepu, dzieki temu ich konsystencja jest sprężysta i twarda (stąd nazwa twarde)

Dojrzewanie serów:

Następuje przemiana węglowodanów, białek i tłuszczy, najintensywniejsza przemiana węglowodanów (laktozy do kwasu mlekowego – ziarniaki mlekowe), białka przechodza w aminokwasy (czynny udział paciorkowców proteolitycznych), tłuszcze przechodzą w najmniejszym stopniu, ulegaja hydrolizie do gliceryny i wyzszych kwasów tłuszczowych.

Drożdże i pleśnie maja największy udział w tych przemianach.

Zew obiawami jest powstawanie oczka w serze – tworzą się w wyniku wytrzania produktów gazowych przez bakterie hetero fermentacji mlekowej oraz bakterie fermentacji propionowej.

Dużą rolę odgrywaja bakterie fermentacji mlekowej - lactobacillus Helvetius oraz ziarniaki sterptococus sarivarius ssp thermofilusoraz drożdże candida i bakterie fermentacji propionowej

W późniejszych fazach procesu udział mają tez pałeczki gnilne i ziarniaki Microccocus.

W serach miękkich (bryndza) udział maja nieprzetrwalnikujące Brevibacterium lines. Drożdże Geotrichus candidum oraz pleśnie

W przypadku nieprawidłowego dojrzewania rozwijają się także – Bacillus subtilis, i Clostridium - laseczki gnilne

Wśród serów miękkich znaczna pozycje zajmują sery pleśniowe np. camembert, roquefort, angielski stilon czy włoski gorgonzola a także polski rokpol.

Sery pleśniowe charakteryzują się korzystna właściwością oddziaływania na samopoczucie konsumenta. Roquefort dzięki pleśniowemu alkaloidowi – rokweforynie A – ma działanie antydepresyjne a także odznacza się zdolnością do wywoływania lokalnych znieczuleń.

Sery nie dojrzałe są trujące bo pleśnienie zachodzi w jelitach.

Szkodniki serownictwa:

- E. Coli – nieprawidłowe oczkowanie (powstają szpary i spękania), gąbczastość serów

- bakterie masłowe Clostridium butyricum - nieprawidłowe oczkowanie, zapach zjełczałego tłuszczu

- występowanie zakażeń przez gatunki gnilne powodują zniszczenie masy serowej, głównie w serach typu ementaler, oraz rozwój drożdży i bakterii Mocrococcu

- powstawanie barwnych plam w wyniku działalności Pseudomanas aeruginosa

- rozwój Bacillus subtilis, B. cereus, B. brevis może spowodować gorzknienie serów

• czernienie serów jest spowodowane rozwojem gatunków drożdży

Utrwalenie produktów spożywczych pochodzenia roślinnego – kiszenie kapusty i ogórków

Kiszenie kapusty – przetwórstwo przemysłowe, szczególnie wartościowe są duże twarde główki odporne na brunatnienie w brzegach o cienkim, zbloczkowanym unerwieniu. Zawartość cukru nie mniej niż 3% Witamina C (nie mniej niż 30mg%)jest też dość istotna powinno się stosować kapustę o odpowiednim stopniu dojrzałości i nieuszkodzenia.

Skład chemiczny:

- zmienny, zależny od odmiany warunków klimatycznych, gleby

- sucha masa 5,6 – 9%

- węglowodany: glukoza fruktoza (85% wszystkich węglowodanów)

- wolne aminokwasy, w tym egzogenne decydujące o wartości odżywczych

- niskokaloryczność

- sole mineralne (wapń, potas, siarka, żelazo, miedź, cynk, jod)

- witaminy – tiamina, pirydoksyna, kwas pantotenowy, Wit A,E,C (długo zachowuje swoją trwałość, działanie przeciw szkorbutowe)

- sok z kapusty zawiera wiele cennych składników jak substancje działające przeciwko owrzodzeniu żołądka ma też działanie bakteriobójcze przeciwko E.coli, Enterobakter, Pseudomonas, Flavobakterium

- aminy biogenne (występują w produktach fermentowanych powstają w wyniku dekarboksylacji niektórych aminokwasów, dobra kapusta zawiera niewielkie ilości) azotany, azotyny, nitrozo aminy, glukozoinolany

-w kapuście kiszonej – histamina (przeciwko bólom głowy, podwyższonemu ciśnieniu, przeciwdziała wysokiej temperaturze)

Badania wykazały ze kapusta dobrej jakości zawiera niewielkie ilości amin biogennych. Duża zawartość azotanów w kapuście sprzyja ich redukcji do azotynów które łączą się z hemoglobiną. Pośrednio łączą się z aminami II rzędowymi i tworzą nitrozo aminy. W przypadku prawidłowej fermentacji nie ma azotynów.

Glukozoinolany – związki te pod wpływem tioglukozydazy (inaczej mirozynazy) przekształcają się do aglikanów przez odszczepienie glukozy, aglikon jest mniej stabilny i ulega dalszym przemianom. Nitryl, tiocyjanian, izotiocyjanian tworzą charakterystyczny aromat kapusty i mają właściwości przeciwnowotworowe w jelicie grubym.

Przerób kapusty to proces mało skomplikowany. Zwykle 1-2 dni przed przerobem pozostawia się do samo zagrzania w pryzmach, aby się odbarwiła. Usuwa się liście zew, wydłuża się głąby, i kieruje do szatkowania mechanicznego. Następnie kieruje się ją do kadzi drewnianych lub silosów betonowych, równocześnie prowadzi się solenie kapusty do około 1,8 -2,5%. Do polepszenia smaku kapusty wprowadza się dodatki (marchwi jabłek), czasem używa się wina gronowego jak i owocowego. Kapustę układa się warstwami i dokładnie ubija aby usunąć powietrze. Po szczelnym wypełnieniu zbiornika przykrywa się go pokrywą. Są to warunki które sprzyja rozwojowi bakterii fermentacji mlekowej, ale uczestniczą też inne bakterie i drożdże .

Etapy produkcji kapusty.

• Zalewa oprócz NaCl zawiera inne składniki które stanowią doskonałą pożywkę dla drobnoustrojów, mikroflory tlenowej drożdży pleśni. Pozostała mikroflora- Bacillus, Pseudomonas, Enterobacter, Erwinia herbicola – swoim rozwojem w I fazie przyczynia się do powstania substancji aromatycznych. Sok fermentującej kapusty zaczyna się pienić. Temp kiszenia nie powinna być wyższa niż 20C.

• Szybkie ograniczenie rozwoju mikroflory tlenowej (brak tlenu, obecność NaCl ogranicza to rozpuszczalność tlenu i rozwój bakterii postronnych, zwiększa się też wydzielanie soku, nagromadzenie kwasu mlekowego, obniża się pH) największe znaczenie mają Leuconostoc mesenteroides – ziarniaki hetero fermentacji mlekowej. Wytwarzane są też mannitol, dekstran, estry, kwas octowy. I i II etap trwają razem około 3 dni

• W trzecim etapie znaczenie maja bakterie homofermentacji mlekowe Lactobacillus plantarum. Temp. nie powinna przekraczać 20ć. Stężenie kwasu mlekowego wzrasta do 1,5-2%. Bakterie wytrzymują wysokie stężenie kwasu mlekowego do 12%

• Pewne resztki węglowodanów przemieniane ą na kwas mlekowy. Kluczową rolę odgrywa Lactobacillus brevis, który utlenia pentozy arabinozę i ksylozę. Zawartość kwasu mlekowego wzrasta do około 2,5%. Ilość ta nie może wzrosnąć bo są to ostateczne stężenia aby kapusta nie uległa przekwaszeniu. W tej fazie rozwijają się Pediococcus damnosus, P.acodilactici, Streptococcs faeclic. W sumie cały okres fermentacji mlekowej waha się od 3-5 tygodni.

Czyste kultury bakterii

Ostatnio bada się do kiszenia kapusty czyste kultury bakteryjne, jednak ich wyniki nie są zadowalające. Stosowanie czystych kultur nie wiąże się uzyskaniem lepszych produktów w wyniku przemian biochemicznych. Duży potencjał wytwarzania związków w wyniku metabiozy powoduje powstanie dużej ilości związków które dają korzystne efekty.

Wady w czasie kiszenia kapusty

Związane z występowaniem niepożądanej mikroflory

- rozwój bakterii masłowych Clostridium butyricum zachodzi tylko przy dużych zaburzeniach procedury daje kapuście ostry zjełczały posmak

- Enterobacter aerogenes w wyniku rozkładu białek gromadzi się indol i skatol

- drożdże Aureobasidium pullulans – czernienie kapusty, Rhodotorula – czerwienienie kapusty

- Penicillium zielona barwa kapusty

- drożdże kożuchujące Pichia anomala i Candidia valida – śluzowacenie kapusty, związane z produkcją śluzu przez te drożdże w kontakcie z powietrzem

Kiszenie ogórków

Ogórki kiszone:

• Ograniczona trwałość ogórków

• Zakiszenie – nie dłużej niż 8 godz. od zebrania (więdnięcie , zmniejszenie zawartości węglowodanów o 1-2% w wyniku oddychania)

• W przypadku ogórków fermentacja w zalewie gdzie ogórki są kwaszone bardziej ubogie środowisko

• Wybiera się niezbyt dojrzałe ogórki

• Powinny być zielone, mieć niewiele brodawek (skórki z brodawkami łatwiej miękną)

• Preferowane odmiany o małych komorach nasiennych

• Ogórki przed kiszeniem nakłuwa się a także moczy gdyż przywraca im to jędrność

Kiszenie ogórków w skali przemysłowej

• Ogórki układa się w drewnianych lub metalowych zbiornikach czy kadziach (kilka tyś litrów) lub w zbiornikach z tworzyw sztucznych (50-500l)

• Wprowadza się koper (2-3%), liście porzeczki winogronu, dębu cebule chrzan gorczycę pieprz czosnek, dla polepszenia smaku, wydzieleniu olejków – działanie bakteriobójcze, odcinają zalewę od powietrza, zapobiegają rozwojowi szkodliwej mikroflory.

• Beczki zlewa się wodą z solą (4-10% soli )

• Czasem dodaje się pewną ilość cukru

• Woda o określonej twardości 10stopni niemieckich – jony wapnia łączą się z pektyną co powoduje jędrność skórki ogórków

• W przypadku mniejszej twardości dodaje się chlorek wapnia

• Po wprowadzeniu zalewy ogórki przykrywa się gazą i płytą z obciążnikiem (10%masy ogórków)

• Wskutek utraty turgoru ogórków i wnikaniu soli kurczą się one i stają coraz cięższe objętość zmniejsza się

Fermentujące ogórki przykrywa się z wierzchu plastikową folią, na to kładzie się drewniane wieczko i obciążnik o masie 10% całej masy kiszonych ogórków. Wraz z upływem czasu masa kiszonych ogórków zmniejsza się – jest to spowodowane obkurczaniem ogórków. Kiszenie trwa 5 tygodni, w temp. 20-25°C przy 0,8 – 1,2 % zawartości kwasów: 0,6 – 0,9% - kwas mlekowy, 0,3% - kwas octowy, 0,3% - alkohol etylowy.

W pierwszym okresie fermentacji obecne są bakterie tlenowe – propionizujące, E. coli, Eulerobacter aerogenes. Po wykorzystaniu tlenu pojawiają się bakterie fermentacji mlekowej i ziarniaki Leuconostoc mesenteroides, a później Lactobacillus plantarum – ogólnie bakterie hetero fermentacji mlekowej (Lactobacillus brevis). Produktami ubocznymi są: dwutlenek węgla, mannitol, dekstran.

Po zakończeniu kwaszenie ogórki z silosów trafiają do drewnianych beczek o pojemności 100 dm3. Beczki są wyparafinowane, w nich układa się ogórki warstwami i zalewa zalewą. W takiej beczce mieści się około 70 kg ogórków. Beczki trafiają do piwnic o temperaturze maksymalnej 10°C, najlepiej 5°C. Beczki można też zakopywać w ziemi w 2 m dołach, bądź zatapiać w stawach. Drożdże też mają niewielki udział w kwaszeniu – tworzą alkohol, który w reakcji z kwasami daje estry.

Pleśnie i drożdże kożuchujące, powodują zmiany w procesie zakwaszania: rozkładają kwasy organiczne co wpływa na trwałość ogórków w zalewie. Żeby to ograniczyć trzeba ograniczyć dostęp tlenu, albo dodać kwas sorbowy 0,03-0,05%.

W latach 80-tych w Polsce zaczęto prowadzić proces kiszenia w chłodzonych pomieszczeniach. Pojemniki są hermetycznie zamykane, leżą poziomo, dodaje się do nich przyprawy. W czasie wypełniania zbiorników jak i w procesie fermentacji temperatura w zakwaszalnikach wynosi 5-8°C. Fermentacja trwa 30-80 dni. Po czym następuje zmiana temperatury przechowywania na 10°C. Otrzymuje się wtedy zawartość kwasów 0,8-1%. W temp 10°C aktywność enzymów proteolitycznych jest niższa niż w 25°C, ponadto nie powstają dziury w ogórkach bo CO₂ ma niższą temperaturę, nie powstają też substancje śluzowe. Bakterie mlekowe rozwijają się spokojnie w tej temp. Przyszłość kiszenia jest związana z odpowiednim chłodzeniem.

Wady:

Mięknięcie powoduje największe straty. Utrata jędrności przy jednoczesnym tworzeniu pustych kanałów jest wynikiem rozpadu związków pektynowych – mogą powodować to grzyby, bądź zbyt mała ilość kwasów.

Protopektynaza – enzym rozkładający propektyny w rozpuszczonej w solance pektynie (?).

Zapobieganie: inhibitory enzymów proteolitycznych w formie dodawanych liści, unikanie wysokich temperatur, dodawanie chlorku wapnia (7,5 kg/litr) przed rozpoczęciem fermentacji Jony wapnia uniemożliwiają hydrolityczną depolimeryzację, zapobiegają też przejściu formy spiralnej pektyny do liniowej.

• Pustaki – kanały powietrzne w ogórku, są wynikiem fermentacji gazowej [Enterobacter, drożdże, bakterie heterofermentacji mlekowej]. By tego uniknąć należy stosować odpowiednie odmiany ogórków lub używać antyseptyków (0,05% sorbinian potasu), bądź usuwać CO2 przez przedmuchiwanie N2 i niskie temperatury przechowywania .

• Czernienie zalewy – powodują: Bacillus subtilis varietas niger, Bacillus subtilis varietas aterrimus

• Ciągliwość zalewy – powoduje: Enterobacter aerens

Podsumowanie działania bakterii mlekowych:

Najważniejsza jest jakość mikroflory w mleczarstwie. Obserwujemy standaryzację produkcji mlecznych, dlatego potrzebne są dobre odmiany pozyskiwane na drodze genetycznych modyfikacji. Bardzo ważne są: odporność na zakażenia fagami, odporność na antybiotyki, odpowiedni profil enzymatyczny, brak proteaz (odpowiedzialne za gorzki posmak), produkujące substancje smakowe i zapachowe. BAKTERIE DOSTOSOWUJEMY DO TECHNOLOGII, NIE NA ODWRÓT !!! Poszukiwane są również substytuty podpuszczek np. proteinazy. [Naturalne proteinazy: pepsyna wołowa, z kurcząt, grzybów, wieprzowa.

Gen reniny lub prochymozyny cielęcej wklonowano do E. coli – bezproblemowa produkcja na skalę przemysłową – SUKCES BIOECHNOLOGÓW

Konstrukcja rekombinowanych mikroorganizmów zastosowanych w odżywianiu zwierząt: Lactobacillus plantarum –posiada enzymy rozkładające celulozy, pentozy (ważne w kiszeniu).

Transformacja bakterii żwacza genami umożliwiającymi aktywność celulolityczną i proteolityczną

Ultrafiltracja – frakcjonowanie składników mleka i serwatki – lepsze wykorzystanie substratów.

VIII. FERMENTACJA MASŁOWA

1. Odkrywcą jest L. Pasteur w 1861r. – po raz pierwszy stwierdził istnienie życia bez dostępu tlenu. Surowce : węglowodany, mleczany (np. mleczan wapnia)

   Kwas masłowy to produkt moczenia lnu, fermentacji błonnikowej, przemian produkcji białkowych i ich gnicia.

KWAS MASŁOWY:

• Bezbarwny,

• Ostry smak,

• Woń potu,

• Lotny (destyluje się z kwasem octowym, mrówkowym, propionowym),

• W przyrodzie występuje w formie glicerydów,

• Przyczynia się do jełczenia masła,

• Zastosowanie: cukrownictwo, przemysł perfumeryjny ( jego estry mają owocowy zpach), wyrób tworzyw sztucznych (acetylomaślan celulozy)

Bejerinck - podejmował próby wyodrębnienia bakterii fermentacji masłowej. Podział pierwotny: rodzaj => Granulobacter (rozkład granulozy przed tworzeniem przetrwalników, cukier podobny do skrobi). Dzisiaj : Clostridium (Adam Prażmowski [POLSKI AKCENT] zaproponował nazwę)

gatunki:

• Granulobacter sacharobutylicum => Clostridium – kwas masłowy powstaje z przemian cukrów.

• Granulobacter lactobutylicum => Clostridium butyricum – kwas masłowy powstaje z zoli kwasu mlekowego.

• C. butylicum - substrat węglowodanowy przekształcany w butanol.

• C. polymyxa => Bacillus polymyksa – wytwarza śladowe ilości kwasu masłowego.

Winogbracki – odkrył Clostridium pasterianum – w glebie wiąże azot z powietrza.

Obecne bakterie to Clostridium butylicum, Pasterianum, Tyrobutylicum.

Morfologia:

• 4-10µm długości

• Poruszają się dzięki obecności rzęsek (peritrichalnie)

• Tworzą endospory

• Ścisłe beztlenowce

• Endospory: centralne (wrzecionowate Clostridia), biegunowe (plektridium, maczugowate Clostridia)

• Przekształcają cukry bądź mleczany na kwas masłowy i dodatkowo na CO2

• Wiążą wolny azot

• Optimum pH 5,5-7

• 37-42 st. C.

• Gram dodatnie

Proces fermentacji masłowej:

Teoria Guyvera: podstawowe ogniwo, z którego powstaje kwas masłowy to aldehyd octowy. Najpierw cukry rozpadają się na triozy do kwasu pirogronowego, który ulega dekarboksylacji i powstaje aldehyd octowy. Przemiana polega na procesie rozpadu i wtórnej kondensacji. Produkty uboczne: kwas octowy, kwas kapronowy, kwas kaprylowy, butanol, aceton.

Technologia:

• Dawniej hodowlę prowadzono na podłożach cukrowych zaszczepionych starym serem (źródło pożywienia i bakterii). Najpierw zachodziła fermentacja mlekowa, dopiero po 2 tygodniach zaczynała się fermentacja masłowa wykorzystująca powstałe maślany.

• Obecnie substraty to: skrobia (ze zbóż lub ziemniaków), krochmal albo melasa.

Clostridia mają dużą aktywność celulo, amylo i pektolityczną dlatego substratów nie trzeba hydrolizować. W praktyce substrat skrobiowy poddaje się wstępnej hydrolizie aby rozcieńczyć r-r skrobi, który ma dużą lepkość i stwarza problemy w produkcji bo zapycha sita. Skrobię poddaje się hydrolizie kwasowej przy użyciu 0,4- 0,5 H2SO4. Kultury bakteryjne używane w procesie fermentacji to Clostridium butyricum.

Podłoża uzupełnia się mąką (wysłodki, fasola) – obecność azotu. Potem sterylizuje się wzbogacone podłoża i zaszczepia inoculum.

Fermentacja trwa 8 dni, w tym czasie cukry w ilości 10% w podłożu z 50% wydajnością są zamieniane kwas masłowy. Bakterie masłowe nie lubią kwaśnego środowiska dlatego dodaje się środki neutralizujące – strąca się maślan wapnia. Po 8 dniach r-r zagęszcza się, potem dodaje się HCl by uwolnić kwas masłowy w postaci tłustego oka na powierzchni. Na powierzchni ogrzewanego r-ru tworzy się błona, która uniemożliwia dalsze uwalnianie kwasu masłowego. Poza tym zmniejsza się rozpuszczalność chlorku wapnia. Obecnie dodaje się siarczanu (VI) sodu aby uwolnić kwas masłowy (sok Glauberska). Powstaje gips, który wypada z r-ru a powstały maślan sodu, nie stwarza problemów przy dalszym odparowywaniu kwasu masłowego.

IX. FERMENTACJA ACETONOWO-BUTANOLOWA

• Obecnie to historia, ale może kiedyś wróci do łask 

• Produkty: butanol, aceton, etanol

• Odkrywcą jest Pasteur ale naukowo udowodnił to Fitz. Wyodrębnił Bacillus butylicus z gleby. Jego badania miały charakter czysto poznawczy, ale rozwój motoryzacji przyczynił się do wzrostu jej znaczenia (zapotrzebowanie na kauczuk). Butadien – substrat do produkcji kauczuku, łatwo otrzymywany z butanolu. Weismann i Ferubach odkryli, że oprócz butanolu bakterie te wytwarzają także aceton. W czasie wojny na znaczeniu zyskał aceton. Po wojnie zapotrzebowanie na butanol spadło, bo zaczęto hodować drzew kauczukowe. Ratunek dla tej fermentacji to znów samochody – butanol jest dobrym rozpuszczalnikiem dla lakierów samochodowych. Obecnie znaczenie tego procesu jest niewielkie – aceton i butanol są produkowane z ropy naftowej. W Polsce była kiedyś fabryka w Raciborzu, obecnie to ruina.

Fermentacja acetonowo-butanolowa jest trudna bo występują zaburzenia powodujące straty. Szczepy produkcyjne uległy degeneracji i straciły aktywność produkcyjną, były atakowane przez fagi zbierające się na ich powierzchni. By tego uniknąć stosowano liczne pasaże w połączeniu z szokiem termicznym. Pasażowano 4-7 dni a później działano wysoką temperaturą 100 st. C. – ginęły fagi i słabsze bakterie. Bakterie, które przetrwały znów były pasażowane. Zalecano pasażowanie do 100 razy.

Etapy produkcji :

1. Laboratoryjny:

• Wyprowadzenie z pierwszego stadia kultur.

• Sprawdzenie szczepów ze względu na ich labilność, określanie aktywności fermentacyjnej.

50 zaparafinowanych probówek – liczba czystej kultury przechowywanej w chłodni. Ważność 30 dni. Po tym czasie znów przeprowadzano mikrofermentację, gdy były sprawne przenoszono do 300 probówek kultury zarodowej – ważne 60 dni. Potem znów przeprowadzano mikrofermenatację i przedłużano ważność o kolejne 60 dni.

Jedna probówka z kulturą zarodową stanowi inoculum do zaszczepienia 20% zacieru ziemniaczanego – inkubacja 18 godzin, temperatura 37,5 °C.

Następnie wybiera się probówki z najlepszymi objawami fermentacji: podniesienie części stałych ziemniaka na skutek działania uwolnionych gazów, zapach kwasu masłowego.

Aparaty Czystych Kultur – (a.cz.k.) – 8 litrów pojemności, bańki metalowe z 6% zacierem jęczmiennym. Do każdej bańki dodaje się 1 probówkę z przefermentowanym podłożem ziemniaczanym. Później wybiera się a.cz.k. z najlepszym wynikiem fermentacji – 37,5°C. przez 18 godzin. Po zakończeniu fermentacji określa się kwasowość zacieru (ok.6 cm3 0,1 NaOH – 10 ml zacieru) – jeśli kwasowość jest wyższa świadczy to o infekcji. Bada się czas odbarwienia błękitu metylenowego => oznaczenie aktywności dehydrogenaz (czas nie może być dłuższy niż 6 minut)

2. Etap półtechniczny:

W inkubatorach z podwójnymi ściankami (płaszcz do przepuszczania zimnej wody lub pary wodnej ). Inkubatory wypełnione są 6% r-rem zacieru jęczmiennego sterylizowanego poprzez płaszcz. Zawiera mieszadło. Temperatura zacieru obniża się 37,5°C. poprzez zimną wodę w płaszczu. Mają pojemność 600litrów. Przygotowywano 4 inkubatory. Szczepi się je zawartością a.cz.k. na 14 godzin w temp 37,5 °C. Kontroluje się przebieg fermentacji: co dwie godziny pobiera się próbki, bada tempo spadku stężenia cukru, kwasowość i odbarwienie błękitu metylenowego.

Kadzie małe – 100 hektolitrów, duże – 600 hl. Często etap małych kadzi zostaje pominięty, żeby skrócić czas trwania procesu i zmniejszyć ryzyko zakażenia. Zwykle dwie kadzie małe zaszczepiano 2 inkubatorami, ale gdy pomija się ten etap to 1 kadź dużą zaszczepia się 4 inkubatorami. Kadź zawiera 7% r-r melasowy uzupełniany 1% zacierem jęczmiennym plus sole amonowo-fosforowe. Etap przemysłowy trwa 62 godziny.

Kontrola: czas odbarwienia błękitu (mała kadź mniej niż 3 min, duża mniej niż 4 min na początku, a 1 min na końcu), oznaczanie kwasowości 4ml 0,1 NaOH – 10 ml podłoża – mała kadź, 5,5ml NaOH na 10 ml podłoża w kadzi dużej., spadek gęstości zacieru (nie wyższa niż 2 st. Blg)

Później zacier poddawany jest destylacji frakcjonowanej: butanol, etanol, aceton (60:10:30)

Badanie kwasowości:

Gdyby w czasie produkcji rosła kwasowość znaczyłoby to o zakażeniu bakteriami kwasowymi, bakteriami fermentacji mlekowej, Lactobacillus bckerii, pałeczkami homofermentacji – zahamowują one rozwój bakterii masłowych, które nie lubią środowiska kwasowego i zamieniają kwasy na obojętne rozpuszczalniki.

Najpierw powstaje kwas octowy i masłowy => C. acetobutylicum, ma zdolność do zamiany kwasu masłowego w butanol, kwasu octowego w aceton. Kwasowość maleje i bakterie mogą się rozwijać dalej. Zakażoną fermentację można uratować przez natychmiastowe wprowadzenie środków neutralizujących i odnowienie działalności bakterii masłowych. Główny zakaziciel – Lactobacillus lactis !!Głównym źródłem bakterii mlekowych jest dodawana 1% mąka jęczmienna. Drożdże, Bacillus subtilis - też zakażają. Infekcja fagami –jedyne wyjście w tym przypadku to stworzenie bakterii odpornych.

Biochemia:

Teoria Guyvera: Hydroliza heksoz. Produkty: CO2, H2, butanol, aceton, etanol, alkohol izopropylowy, pośrednio kwas octowy i masłowy. 2,3 butanodiol – może łatwo powstać w procesie fermentacji: Enterobacter aerogenes.

X. FERMENTACJA ACETONOWO- ETANOLOWA I

IZOPROPANOLO- BUTANOLOWA.

ACETONOWO-ETANOLOWA:

Należy do grupy fermentacji masowych, ma fazę kwaśną i obojętną. Przeprowadzają ją bakterie B. acetoetylicus = Bacillus macerans . Produkty: kwas octowy, mrówkowy, CO2, H2, etanol, aceton

Bacillus macerans:

• Ruchliwa laseczka

• Endospory na końcach, odporna na wysokie temperatury,

• Względne beztlenowce (posiada cytochrom), rozwija się na stałych podłożach.

• Wywołuje fermentację węglowodanów (zdolności amylolityczne, celulo i pektyno)

• Substraty: heksozy, pentozy, kwasy organiczne, alkohole

• Wymagają biotyny w podłożu, wykorzystują amonowy azot,

• PABA przyspiesza ich rozwój.

Bakterie te mogą być łatwo uzyskiwane w czystych kulturach z gleby. Są alternatywą dla bakterii fermentacji acetonowo-butanolowej.

Biochemizm:

a) faza kwaśna => kwas mrówkowy, octowy

b) faza obojętna => aceton, etanol. Najpierw rozpad heksoz do trioz.

Brak fermentacji Izopropanolowo-butanolowej i bisy. Kw.pro! I początku cytrynowej!!!

Zastosowanie kwasu cytrynowego i jego pochodnych

- w produkcji i przetwórstwie żywności jest stosowany jako inhibitor enzymów, głównie oksydaz powodujących utlenianie polifenoli, co objawia się ciemnieniem owoców i warzyw,

- wykorzystywany jest do produkcji napojów, słodyczy, owoców kandyzowanych i win, galaretek dżemów, marmolad jako środek zakwaszający i stabilizujący, chroni żywność przed utratą witaminy C pełniąc rolę antyutleniacza, stabilizuje smak i zapach ryb;

- tworzenie połączeń kompleksowych z jonami metali (Fe, Cu, Zn) zadecydowało o zastosowaniu kwsu cytrynowego jako stabilizatora olejów; wiążąc metale katalizujące proces jełczenia tłuszczów, kwas cytrynowy przerywa reakcję tworzenia nadtlenków i innych produktów powstałych w wyniku utleniania nienasyconych kwasów tłuszczowych w procesie autooksydacji olejów,

- zdolność do wiązania metali ciężkich umożliwiła wykorzystanie kwasu cytrynowego do oczyszczania powierzchni metali przed spawaniem lub pokrywaniem powłokami ochronnymi,

- w mleczarstwie, wodne roztwory kwasu cytrynowego są stosowane do usuwania z aparatury kamienia mlecznego (osad z białka, tłuszczu i soli mineralnych mleka),

- w przemyśle farmaceutycznym stosowany jest jako środek dodawany do tabletek powodujący efekt musujący,

- w stacjach krwiodawstwa pochodne kwasu cytrynowego są stosowane jako środki zapobiegające krzepnięciu krwi,

- w chemii gospodarczej sole kwasu cytrynowego wypierają trudno biodegradowalne fosforany ze składu detergentów,

-estry kwasy cytrynowego znalazły zastosowanie jako nietoksyczne plastyfikatory w cienkich powłokach ochraniających żywność.

Nadprodukcja kwasu cytrynowego u niektórych odmian Aspergillus niger jest wynikiem zakłócenia cyklu Krebsa na skutek braku lub niskiej aktywności enzymów odpowiedzialnych za jego dalszą konwersję. Efekt ten jest warunkowany genetycznie, ale poprzez odpowiednie warunki hodowli można zintensyfikować aktywność produkcyjną szczepów, zapewniając wysoką wydajność kwasu cytrynowego. Kwas cytrynowy jest jednym z etapów cyklu Krebsa, którego głównym zadaniem jest utlenianie związków organicznych, a nie wydzielanie ich do podłoża. Fermentacja cytrynowa, polega nagromadzeniu się znacznych ilości kwasu cytrynowego wskutek zablokowania enzymu biorącego udział w tlenowym rozkładzie cukrów. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że niektóre metale (cynk, mangan, żelazo) są aktywatorami pewnych enzymów, to ich brak w pożywce powoduje blokowanie i powstają warunki, w których wytworzony kwas cytrynowy nie może być zmetabolizowany i jest gromadzony w podłożu. Jest to korzystne z punktu widzenia mikrobiologii technicznej i znalazło praktyczne wykorzystanie w przemyśle. Produkcja kwasu cytrynowego jest w wysokim stopniu uzależniona od składu pożywki.

Korzystne warunki procesu:

- wysokie stężenie cukru (ok. 10% w hodowli wgłębnej i 16% w powierzchniowej)

- niedobór jonów metali: Mn+2, Zn+2, Fe+2 (< 0,1 mg/ 100 cm3)

- ograniczona ilość związków azotu i fosforu (limitacja wzrostu grzybni)

- niska wartość pH (ok. 2,4-2,6)

- dobre natlenienie środowiska (dot. procesu wgłębnego na pożywkach syntetycznych).

Kwas cytrynowy powstaje w początkowych przemianach cyklu Krebsa, w wyniku kondensacji acetylo-CoA i szczawiooctanu, atalizowanej przez syntazę cytrynianową enzym . W procesie wzrostu grzybni (trofofaza), a następnie produkcji kwasu cytrynowego (idiofaza) heksozy asymilowane są w dwóch metabolicznych szlakach: glikolizie (EMP) i pentozofosforanowym (HMP). Szlak HMP uaktywnia się w fazie intensywnego wzrostu, po czym ustępuje glikolizie w fazie produkcji kwasu cytrynowego. Głównym regulatorem szybkości glikolizy jest tu fosfofruktokinaza, która staje się jednocześnie regulatorem biosyntezy kwasu cytrynowego. Enzym ten jest wrażliwy na obecność cytrynianu w środowisku.

XI. Fermentacja glukonowa

Kwas glukonowy (2,3,4,5,6 pentahydroksykapronowy) może być wytwarzany w znacznych ilościach przez szereg organizmów głównie Gluconobacter oxydans, bakterie z rodzaju pseudomonas, gatunki grzybów niższych głównie Penicillium notatum i chrysogenum jak i grzyby z rodzaju Aspergillus wentii, niger. Zastosowanie bakterii jest bardziej efektywne, nie mniej w procesach technologicznych częściej stosuje się grzyby z uwagi na prostsza metodę produkcji. Fermentacja glukonowa może być prowadzona z zastosowaniem metod: powierzchniowej, wgłębnej, półciągłej wgłębnej.

W metodzie powierzchniowej stosujemy następujące rodzaje szczepów bakterii Aspergillus Niger, Penicillium funiculosum. Proces fermentacji w metodzie powierzchniowej prowadzi się na płytkich tacach napełnionych roztworem technicznej glukozy o stężeniu 20-25%, roztwór ten dodatkowo wzbogaca się solami mineralnymi. W odróżnieniu od fermentacji cytrynowej, proces fermentacji glukonowej przebiega przy pH zasadowym (ok 7). w procesie tym stosujemy środki neutralizujące np. wodorotlenek wapnia,który umożliwia utrzymanie pH w przedziale od 5,5-6,5. odpowiednią temperaturą przebiegu fermentacji jest przedział od 25-30⁰C. Proces fermentacji metodą powierzchniową trwa dłużej niż metodą wgłębną i trwa od 8-10 dni, a wydajność fermentacji wynosi 55-65 % w stosunku do użytego węglowodanu.

W metodzie wgłębnej stosuje szczep bakterii Aspergillus fumaricus. Proces tej fermentacji również prowadzi sie w obecności środków neutralizujących, głównie węglanu wapnia. Czas fermentacji krótszy i wynosi od 48-60 godz. w wydajność procesu kształtuje się na poziomie 90%.

Porównanie metody wgłębnej i powierzchniowej.

Porównywana cecha	Metoda powierzchniowa	Metoda wgłębna
Rodzaj użytego szczepu bakterii	Aspergillus Niger,Penicillium funiculosum.	Aspergillus fumaricus
Rodzaj zastosowanych środków neutralizujących	Wodorotlenek wapnia	Węglan wapnia
Czas prowadzenia fermentacji	8-10dni	48-60 godzin
Wydajność procesu w stosunku do użytego cukru	55-65%	90,00%

W metodzie półciągłej wgłębnej stosujemy kadzie fermentacyjne typu bębnowego o pojemności 1600 dm³. Układa sie je horyzontalnie poziomo i wypełnia do 1/3 części pojemności tj. 530dm³, następnie wyprowadza się innoculum Aspergillus fumaricus i reguluje się ciśnienie i nastawia na mieszanie. Proces ciągłego mieszania podłoża powoduje że grzybnia wytwarza postać kulistą. Do zacieru dodaje się odpowiednia ilość glukozy (115g/1dm³), węglanu wapnia-środek neutralizujący (26g/dm³). Węglan wapnia rozpuszcza się w środowisku i 26 g węglanu wapnia może związać ok. 102 gramów kwasu glukonowego.

Gdy stężenie glukozy wynosi ok.1%, przerywa się fermentację i obniża ciśnienie z 0,3-0,1 mega paskali (odpowiada to obniżeniu ciśnienia z 3atmosfer do 1 atm.), po czym roztwór fermentacyjny pozostawia się w spokoju na 35 minut. Na wskutek obniżenia ciśnienia i wstrzymania przepływu powietrza obserwujemy wypłynięcie grzybni na powierzchnię płynu. Raz wytworzoną grzybnie można wykorzystać do kilku cykli fermentacyjnych, grzybnię wykorzystuje się tak długo dopóki zachowuje swoje właściwości, a gdy utraci wyprowadza się nowe innoculum.

Po zakończeniu fermentacji otrzymujemy część kwasu glukonowego związanego z wapniem, poprzez alkalizacje dokonujemy związania pozostałego kwasu. Wytworzone kryształy glukonianu wapnia(nie rozpuszczalne w wodzie) mogą być oddzielone od podłoża w skutek odwirowania. Kryształ glukonianu wapnia mogą stanowić produkt finalny lub uzyskuje sie czysty kawas glukonowy nie związany z wapniem przy użyciu kwasu mineralnego np. siarkowego (VI)- H₂SO_4.

Zastosowanie kwasu glukonowego

• Stosowany jest głównie w przemyśle spożywczym do poprawy smaku potraw (jako przyprawa do zakwaszania produktów) oraz jako środek konserwujący.

• Stosowany jest również przy wytwarzaniu sztucznego miodu oraz przy wyrobie niektórych kiełbas i serów ( δ- glukonolakton). Może być również użyty w produkcji napojów gazowanych i proszków do pieczenia

• znalazł również zastosowanie w przemyśle farmaceutycznym, tekstylnym a także metalurgicznym. Duże zastosowanie w różnych technologiach mają glukonian wapnia, glukonian sodu oraz glukonian potasu. W przemyśle farmaceutycznym glukonian wapnia używany jest jako łatwo przyswajalny związek wapnia dla ludzi(głównie kobiet w ciąży) i zwierząt, roztwory wodne glukonianu wapnia mają zdolność rozpuszczania skrzepów krwi.

• W przemyśle tekstylnym używany jest glukonian sodu w celu wybielania i nabłyszczania tkanin. W przemyśle metalurgicznym kwas glukonowy stosuje się do oczyszczania powierzchni metali przed nakładaniem powłok ochronnych. Glukonian potasu może być również stosowany jako czynnik, który zapobiega gromadzeniu nierozpuszczalnych soli wapnia, magnezu i żelaza na powierzchniach instalacji przemysłowych

Światowa produkcja kwasu glukonowego przekracza 50 000 ton rocznie, co jest podyktowane bardzo dużym zapotrzebowaniem na ten kwas ze strony różnych gałęzi przemysłu. Obecnie większość tego surowca wytwarzana jest metodami biotechnologicznymi z wykorzystaniem drobnoustrojów. Do produkcji kwasu glukonowego stosuje się wyselekcjonowane (w drodze mutacji lub selekcji ze szczepów dzikich) wysoko wydajne szczepy grzybów strzępkowych – Aspergillus niger oraz bakterie z rodzaju Gluconobacter i Pseudomonas.

XII. Biosynteza kwasu fumarowego

Istnieje wiele aspektów determinujących ilość uzyskanego kwasu fumarowego w jego produkcji poprzez fermentację. Produktywność zależy nie tylko od zastosowania konkretnego szczepu i jego morfologii, lecz także od rodzaju czynników neutralizujących czy zastosowanej pożywki. . Po odkryciu w roku 1911 przez Feliksa Ehrlicha produkcji kwasu fumarowego u Rhizopus stolonifer Foster i Waxman (1938) przebadali 41 szczepów z 8 różnych rodzajów w celu identyfikacji szczepów produkujących duże ilości kwasu fumarowego. Zidentyfikowane rodzaje produkujące kw. fumarowy to Rhizopus, Mucor, Cunnighamella,Circinella, Aspergillus fumaricus wśród których szczepy Rhizopus sp. (stolonifer, arrhizus, oryzae i formosa) odznaczały się najwyższą produktywnością dając „plon” w warunkach zarówno tlenowych jak i beztlenowych.

Rizopus stolonifer pozwala na wytworzenie kwasu z wydajnością 40-50 % w stosunku do użytego substratu. Substratem do produkcji kwasu fumarowego może być glukoza, skrobia, ksylozę (do tej fermentacji nie stosuje się melasy) Produkcja kwasu fumarowego (fermentacja) przez Rhizopus zachodzi dopiero w fazie zwolnionego wzrostu i stacjonarnej która może zostać osiągnięta poprzez limitację źródeł azotu. Jak okazało się najbardziej krytycznym parametrem w osiąganiu wysokiej produkcji fumaranu ma stosunek glukozy do azotu. Gdy z pewnych przyczyn ograniczone azotu nie jest możliwe można zastosować niedobór fosforu. Istotnym składnikiem są jony metali, których najważniejsze to Mg²⁺, Zn²⁺ i Fe²⁺, których odpowiednie stężenia pozwalają na tworzenie przez grzyba niewielkich sferycznych peletów dających wysokie stężenie kwasu fumarowego. Niezbędnym składnikiem jest CO₂, potrzebny do utworzenia (szczawiooctanu), który może być dostarczany do mieszaniny w postaci CaCO₃ często używanego jako środek a nutralizyjącego.

Fermentacje fumarową prowadzi sie metodą wgłębną jak i powierzchniową. W pierwszej fazie procesu stosuje sie pożywkę optymalną zawierającą od 5-15% soli mineralnych i prowadzi się go w podwyższonej temperaturze. Etap ten trwa tak długo aż zostanie uformowana błonka grzybni. Po wytworzeniu grzybni pożywkę usuwa się i wprowadza roztwór cukru bez soli mineralnych 20%

W drugiej fazie procesu stosuje sie środki neutralizujące. Gromadzący się w pożywce kwas fumarowy powoduje spadek pH, w którym kwas fumarowy może pasywnie wnikać z powrotem do komórek grzyba hamując swoją własną syntezę. Dlatego niezbędne okazało się użycie środków neutralizujących. Zazwyczaj w tym celu stosuje się sole węglanowe, które poza neutralizacją dostarczają także niezbędnego dwutlenku węgla, dzięki czemu niepotrzebne jest jego dodatkowe suplementowanie do pożywki. Zgodnie z wynikami, środkiem neutralizującym pozwalającym na otrzymanie największej ilości produktu jest CaCO₃. Proces neutralizacji przeprowadza sie etapowo i utrzymuje się pH w przedziale 5,0-6,5. do podłoża dodaje się dodatki o charakterze stymulatorów: siarczan magnezu, żelaza, diwodorofosforan potasu. Proces fermentacji we właściwym etapie syntezy prowadzi sie w temperaturze ok 28^oC. Raz wytworzona grzybnia może być wykorzystana kilka krotnie, zacier odciąga się a grzybnię ponownie się wykorzystuje. W celu usprawn9ienia procesu fermentacji stosuje się obracające sie tarcze zawierające im mobilizowaną grzybnię, która może pracować 14 dni bez utraty właściwości. Kwas fumarowy jest usuwany wybiórczo przez komorę, która zawiera absorbent PVP – żywica polifenylopirydiminowa.
Wydajność wynosi 85g/dm³ ze 100g glukozy w 1dm^3.

Fermentacja wgłębna

Metoda wgłębna charakteryzuje się krótszym czasem fermentacji o trzy dni w porównaniu z metodą powierzchniową, która trwa 7dni. Temperatura przebiegającego procesu powinna wynosić 28-30⁰C, fermentację prowadzi się z użyciem środków neutralizujących głównie węglanu wapnia. Metoda ta jest obecnie dopiero wdrażana, uzyskiwana do tej pory wydajność procesu wynosi 50%.

Kwas fumarowy jest słabo rozpuszczalny w wodzie. Jego odzyskiwanie opiera sie na zakwaszaniu zacieru kwasem mineralnym H₂SO₄, ma to na celu uwolnienie związanego wapnia. Kwas fumarowy jako nie rozpuszczalny w wodzie po ochłodzeniu wytrąca się w postaci. Następnie stosuje się filtrację, odwirowanie i oczyszczanie z zastosowaniem węgla aktywnego

Zastosowanie

• kwas fumarowy jest dogodnym substratem do reakcji polimeryzacji czy estryfikacji (obecnie preferowany jest bezwodnik maleinowy jednak zaletą kw. fumarowego jest całkowity brak toksyczności, a ponadto daje on polimery o nieco odmiennej charakterystyce). Własność ta wiąże się ściśle z zastosowaniem kwasu fumarowego w produkcji polimerów takich jak nienasycone żywice poliestrowe, żywice papierowe czy alkidowe. Produkcja lakierów i pokostów.

• w przemyśle spożywczym jako dodatek do żywności i napojów (o symbolu E297) pełniący głównie rolę regulatora kwasowości używanego czasami w zamian za kwas cytrynowy, a także jako substrat w produkcji kwasu bursztynowego czy maleinowego.

• W medycynie estry kwasu fumarowego stosowane są do leczenia ciężkich przypadków łuszczycy.

• Potencjalnym zastosowaniem jest użycie kw. fumarowego jako dodatku do pasz dla bydła – niedawne badania wykazały bowiem, iż dodatek taki powoduje znaczną (do 70%) redukcję emisji metanu przez bydło, będącego jednym z gazów cieplarnianych. Inne zastosowania to produkcja olei nawilżających, tuszy, lakierów, odczynników karboksylujących czy kosmetyków

kwas fumarowy powstaje na drodze procesów podobnych do fermentacji alkoholowej. Rozszczepienie heksoz na dwie triozy, następnie ich redukcja do alkoholu etylowego, podlegającego dalszemu utlenianiu do kwasu octowego która jest zamieniany kwas bursztynowy a ten następnie przechodzi w kwas fumarowy. (opisana strategia I szlaku biosyntetycznego schemat strategii II materiał prof. Szczodraka ).

XIII. Fermentacja galusowa

Tanaza enzym przekształcający taninę przy udziale drobnoustrojów do kwasu galusowego i glukozy

Podstawowym celem produkcji enzymu w oparciu na drobnoustrojach jest pozyskiwanie przy jego udziale kwasu galusowego z materiału roślinnego zawierającego taniny. Jedna z najstarszych metod używanych do produkcji tego kwasu polegająca na tym, że surowiec gromadzony był w pryzmach, które nawilgacano i zaszczepiano czystą kulturą A. niger lub P. chrysogenum. Pryzmy te od czasu do czasu mieszano i pozostawiano w temperaturze 30 ⁰C. Po okresie fermentacji trwającym około miesiąca z przerośniętego grzybnią materiału roślinnego ekstrahowano kwas galusowy za pomocą gorącej wody.

Współczesne metody produkcji kwasu galusowego opierają się na użyciu roztworów taniny, które są zaszczepiane czystymi kulturami mikroorganizmów wytwarzających tanazę Deschamps i Lebeault donieśli o możliwości wytwarzania kwasu galusowego z tanin tary (Caesalpinia digyna) przez Klebsiella pneumoniae i Corynebacterium sp. Wydajność tego procesu została oceniona na 55%. Z kolei Pourrat i wsp. opisali metodę produkcji kwasu galusowego z tanin tary i sumaka z wykorzystaniem A. niger. W przypadku tanin tary wydajność reakcji po 45 godzinach fermentacji wynosiła 30%, zaś w odniesieniu do sumaka kształtowała się na poziomie 9,7%. Niska wydajność produktu była spowodowana biodegradacją kwasu galusowego przez te szczepy. Stwierdzono, że użycie do wytwarzania kwasu mutantów niezdolnych do jego rozkładu oraz immobilizowanej tanazy znacznie zwiększa efektywność produkcji kwasu galusowego.

Fermentacja galusowa może być prowadzona metodą wgłębną i powierzchniową. Bardziej wydajna jest metoda powierzchniowa. Przy zastosowaniu metody powierzchniowej nie musimy obawiać się infekcji ponieważ tanina będąca substratem wykazuje wysoką toksyczność i nie wiele drobnoustrojów jest na nią odpornych.

W procesie fermentacji kwasu galusowego jako substrat stosuje się wyciągi z takich roślin jak sumak, klon, kasztan jadalny. Sporządza się roztwór wodny lub stosuje taninę czystą, roztwór uzupełnia sie dodatkiem sacharozy i składników mineralnych. Następnie przyrządzony roztwór taniny rozlewa się do specjalnych tac i zaszczepia A. Niger. Fermentację trwa 14-16 dni, prowadzi się ten proces w temperaturze 30-33⁰C. Kwas galusowy wyodrębnia się skłócenie roztworem eteru i etanolu zmieszanym w proporcji 4:1. Następnie oczyszcza węglem aktywnym. Roztwór się oziębia co powoduje wydzielenie kryształów,które oddziela sie przez wirowanie

Zastosowanie

Kwas galusowy ma kilka ważnych zastosowań w przemyśle. Używany jest głównie jako substrat wyjściowy w produkcji pirogalolu i estrów kwasu galusowego. Pirogalol wykorzystywany jest do barwienia futer, skór i włosów oraz w przemyśle fotograficznym jako jeden ze składników wywoływacza. Galusan propylu jest znanym antyutleniaczem stosowanym do utrwalania różnego rodzaju olejów, tłuszczów jadalnych, żywności barowej, gumy do żucia, płatków śniadaniowych, pasztetów i przetworów mięsnych .

XIV. Fermentacja itakonowa (kwas itakonowy- metylenobursztynowy)

Proces fermentacji odkryty przez Japończyka Kinoschita, wyodrebnił on gatunek grzyba z rodzaju Aspergillus któremu nadano nazwę aspergillus itaconicus. Póżniej odkryto A terreus, który wytwarza brązowe konidia, produkuje znaczne ilości kwasu itakonowego. Proces fermentacji może być prowadzony dwoma metodami: powierzchniową i wgłębną. Jako surowców używa się glukozy technicznej, sacharozy, melasy lub cukru żółtego. Podłoże fermentacyjne stanowi roztwór cukru o stężeniu od 14-17%, które w metodzie powierzchniowej rozlewa się do tac w postaci cienkiej warstwy o grubości 1-2cm. Proces fermentacji prowadzi sie w temperaturze 30⁰C i trwa od 10-12 dni. Nie stosuje się środków neutralizujących (pH dla przebiegu fermentacji 1,8-2,3). Wydajność fermentacji w warunkach powierzchniowych wynosi 41%.

Metoda wgłębna

Przeprowadzana jest w srodowisku kwaśnym, optimum pH dla przebiegu procesu wynosi 1,8-1,9. wydajność fermentacji dla metody wgłębnej wynosi 38%. Pozwala ona na skrócenie czasu fermentacji. Światowa produkcja kształtuje się na poziomie od 10-20 tys. ton rocznie

Kwas itakonowy powstaje z kwasu cytrynowego, który następnie wskutek odwodnienia przechodzi w kwas cis-akonitowy, który kolejno w skutek dekarboksylacji przechodzi w kwas itakonowy.

Zastosowanie:

produkcja detergentów pralniczych, mas plastycznych, wykańczanie włókien syntetycznych

XV. Fermentacja kojowa

Kwas kojowy produkowany jest przez grzyby z rodzaju Aspergillus: clavatus, oryzae, flavus i penicillium daleae jak i niektóre bakterie octowe z rodzaju Acetobacter: jako substratu używa się cukry proste (glukozę, fruktozę, arabinozę, ksylozę) jak i złożone tj. dekstryny, inulinę skrobię, alkohole, glicerynę, dihydroksyaceton, kwas winowy, kwas glukonowy. Fermentacja przebiega w środowisku silnie zakwaszonym pH 2-3,5; nie stosuje się środków neutralizujących, które by utrudniały syntezę. Proces fermentacji trwa od 9-20 dni – zależy od rodzaju substratu. Optymalna temperatura dla fermentacji jest 30-35^oC. Wydajność procesu wynosi od 50 do 60%w stosunku do użytej glukozy

Biochemiczna strona procesu fermentacyjnego

W przypadku glukozy proces odbywa się na drodze bezpośredniego odwodnienia glokozy. W przypadku pentoz przypuszcza się, że proces nie odbywa się jedynie na zasadzie wewnątrz cząsteczkowego przegrupowania, a następuje rozpad na związki trójwęglowe. Za ogniowo pośrednie procesu uznaje się dihydroksyaceton, który jest zamieniany na kwas kojowy w wyniku konadensacji.

Zastosowanie

odczynnik analityczny, produkcja antybiotyków, insektycydów, produkcja związków chelatowych.

Produkcja kwasu mlekowego

- grzyby nitkowate: Rhizopus microsporus

Kw. Mlekowy produkowany przez grzyby jest: bezbarwny, czysty.

15% r-ry glukozy + sole min. - hodowle grzybów rodzaju Rhizopus CaCO3 – neutralizacja (ok. 1%) 30°C , trwa 2-3 tyg. w metodzie powierzchniowej. Powstaje ponadto: jabłczan, bursztynian, fumaran, octan. 62-87% wydajności w stosunku do użytego cukru. Hodowla wgłębna z obrotowymi bębnami jest jeszcze mało poznana.

Biosynteza jabłczanu

- 2-hydroksy bursztynowy

- utlenianie furfuralu, prod chemiczna

- ekstrakcja z owoców zawierających go

- jabłczan może konkurować z kw. cytrynowym w przemyśle spożywczym. Jest bardziej ekonomiczny (zastępuje cytrynian w mniejszym stężeniu, pomimo iż jest karboksylowy)

- uważa się że produkcja kw. jabłkowego metodą biotechnologiczną może w przyszłości wyprzeć cytrynian

- 30-50 tys. Ton produkcja roczna

Aspergillus (parasiticus, flavus, oryzae)

Metoda wgłębna bardziej ekonomiczna i wydajniejsza niż pow. 5-7 dni; 30C pH 5-7,5 ; 70% fuktoza, maltoza, sacharoza, (substraty 10-15% w podłożu plus kwasy organiczne i sole mineralne) gliceryna-substrat; fumaran, pirogronian prekursory, które przyspieszają tępo fermentacji.

Powstały kw. L-jabłkowy wydziela się przez zagęszczenie roztworu ( jabłczanu wapnia lub magnezu). Otrzymana sól może zostać poddana oczyszczeniu kw.siarkowym. Rhizopus minerosporus vovietas chinenzis (?) również może produkować jabłczan w biokulturach grzybowo-drożdzowych. Najpierw powstaje fumaran, który ulega uwodnieniu do jabłczanu (pierwszy etap grzyby, drugi drożdże). Metoda wgłębna lub powierzchniowa. Neutralizacja CaCO3 , Na2CO3

37% wydajności metoda powierzchowna (14dni)

62% wydajności metoda wgłębna (8-9dni)

Do produkcji jabłczanu oprócz grzybów, drożdży można wykorzystać bakterie które produkują enzymy. Fumaraze - hydrolazę fumarową , która bierze udział w hydratacji fumaranu.

Nowoczesne metody

-immobilizacja kom. ma większe korzyści niż hodowla wgłębna:

-większa gęstość i produktywność

-łatwość oddzielenia od podłoża

Minus: opory dyfuzyjne w transporcie, odrywanie kom. od pow. nośnika.Produkcja okresowa lub przepływowa ciągła

Produkcja antybiotyków

- biotechnologiczna i chemiczna

- Pasteur odkrył antybiozę na bazie Bacillus antracis (ich stosunku do b. henowych i zahamowanie wzrostu wąglika)

- Fleming 1929 odkrył antagonistyczne działanie grupy Penicillium Chrysogenum w stosunku do gronkowca złocistego, zaobserwował pojawienie się zony wokół koloni grzyba. Substancje wydzielane przez grzyb nazwał penicyliną.

-1940-42 intensywne badania nad penicylina, wyodrębnienie suchego preparatu. Odkryli sposób produkcji penicyliny, która w rozcieńczeniu 500-krotnym była bakteriobójcza. Szukano innych szczepów w środowisku naturalnym, o większej aktywności produkcyjnej.

- po penicylinie zaczęto produkować inne antybiotyki (opisano 6 tys. różnych antybiotyków w czasie wojny, tylko 150 produkuje się na skale przemysłową)

- później zaczęto produkować antybiotyki półsyntetyczne

- obecnie co roku pojawia się 50 nowych naturalnych antybiotyków. W 2000 r. znano 20 tys. produktów o właściwości antybiotycznej, ale nie wiele z nich wprowadzono o produkcji i leczenia

4,5 ton rocznie (11$ za g 1940)

48 ton rocznie (15 centów za g 1963)

Podział antybiotyków:

1. Praktycznie nie toksyczne (dawane w dużych dawkach 0,5g/kg penicylina, streptomycyna)

2. Toksyczne (100mg/kg) gramicydyna

3. Wysoce toksyczne 1,5mg/kg kw aspergilozy

Produkcja antybiotyków na przykładzie Penicyliny z grzybów strzępkowych Penicillium chrysogenum lub P. notatum (niektórzy uważają ze ten drugi gat. to to samo co pierwszy). Hodowane na podłożach płynnych i namok z kukurydzy jęczmienia to baza, która uzupełnia się cukrami laktozą i substancjami mineralnymi 1-4% laktozy, pH 4 - wyjściowe

Namok uzyskuje się z zalania ziarna wodą na 40h +0,03% S (co zapobiega infekcjom) czasem podczas moczenia powstaje kwas mlekowy

Do posiewu przygotowuje się konidia P. chrysogenum, które przechowywane są w formie zliofilizowanej. Wysiew na skos brzeczkowy, aż do rozwoju konidiów , po czym przelewa się je wodą lub płynem fizjologicznym. Gęsta zawiesina służy do zaszczepiania podłoża stałego w kolbach Roux albo płaskodennych (duża powierzchnia do hodowli grzybni).Wyrośnięte konidia znów zmywa się H₂O, płynem fizjologicznym albo szklanymi kulkami. Dalsze namnażanie na podłożach identycznych jak podłoże przemysłowe. Dodatek kwasu fenylooctowego, jako prekursora wpływającego na produkcję penicyliny.

Jedyna metoda produkcji wgłębnej, zapewniająca jałowość. Podłoże mieszane i intensywnie napowietrzane. Aby płyn się nie pienił – oktadekanol albo oleje silnikowe na bazie krzemu. 300 obrotów na min. aby w mieszanej cieczy nie tworzył się lej są na brzegach łamacze cieczy. Fermentory wypełnia się do roboczej objetości 24-29°C na 6-7 dni dezynfekcja Boralem 0,2 %, ilość inokulum 10% w stosunku do obj. fermentatora.

Fazy fermentacji:

1. Trwa 2 dni, nieznaczne zużycie cukru, niewielka ilość penicyliny jest tworzona. Stosunek C/N jest ważny w produkcji w warunkach głodowych wyczerpanie węgla grzyby prod. penicylinę. Nieznaczne zużycie cukru , zużywa się azot, stosunek na korzyść C wzrost pH do 7

2. Szybkie zużycie cukru, wzrost kwasowości, wzrost grzybni ograniczony, maleje zużycie N, max nagromadzenie penicyliny

3. Spadek aktywności biochemicznej grzyba, symptomy autolizy, zakończenie procesu produkcji wydzielanie penicyliny.

Wydajność 85 tys. jednostek penicyliny w 1 cm3, 50 g na litr, szczep wyjściowy P. chrysogenum 20-100 j na cm³, aby zwiększyć wydajność szczepu stosuje się mutagenizację wieloetapową.

Wydzielanie penicyliny:

1.Usunięcie grzybni- filtracja, odwirowanie, bo jest to produkt odpadowy. Sklarowany roztwór zawiera penicylinę w postaci wodnego kw. który rozpuszcza się w octanie amylu, chloroformie – rozpuszczalniki organiczne, w których rozpuszcza się.

Kw. penicylinowy wchodzi do frakcji rozpuszczalników, a fazę wodną odrzuca się. Neutralizacja do soli Na i pen jest znów bardziej rozpuszczony w H2O niż rozp. org. Wykłócony wodą i powtarzany kilka razy co zwie kasza jego czystość. Ostania faza to zawsze r-r wody.

2.Wydzielanie w formie suchej

Oznaczenie aktywności całego roztwru. Filtracja przez specjalne filtry i rozlanie aby w danej objętości była określona ilość jednostek penicyliny. Rozlewa się r-r do słoiczków po czym stosuje się liofilizacje (suszenie przez zamrożenie) buteleczki zamyka się. Obecnie cały r-r liofilizuje się w płytkich tacach, a następnie jałowo rozważa się je do fiolek aby zawierały odpowiednią ilość jednostek względnie 100 tys. lub 1 mln jednostek butelki zamyka się korkiem gumowym metalowym.

3. Produkcja

-metody chemiczne, biologiczne

-szereg antybiotyków β-laktamowych

Kryteria jakości

-moc antybiotyk- równoważne z czystością, ile jednostek występuje na 1 mg preparatu

- jednostka aktywności- największe rozcieńczenie, które jeszcze wykazuje właściwości antybiotyczne. Testuje się na szczepach kontrolnych. Albo ciężar czystego antybiotyku

Cechy które są badane i muszą spełniać określone normy:

• Aktywność

• Wilgotność

• Jałowość

• Toksyczność

Produkcja streptomycyny

Streptomyces griseus - Waxman odkrył ten antybiotyki i dostał Nagrodę Nobla

W warunkach podobnych do produkcji penicyliny

1. Wyprowadzenie indulum

2. Synteza antybiotyku

3. Wyodrębnienie i oczyszczenie

Szczepy S. griseus przeniesione z labolatorium do przemysłu nie potwierdzają swej aktywności co stanowi trudność prod. Dodatkowo pojawiają się aktyno fagi, które są trudne do usunięcia. Obecnie wyprowadzono nowe szczepy oporne na ten fag, przystosowane do warunków.

Oczyszczanie

1. Usuwanie grzybni i filtracja wirowanie

2. Roztwór po fermentacji traktuje się tak by zaadsorbować streptomycynę w pH 6-8

3. Oczyszczanie cakt przemycie roztworem alkoholu etylowego, zakwaszonego do pH 2,5, straci zdolność do adsorpcji na Cakt

4. Traktowanie roztworem acetonu, tak aby alkohol rozpuścił się w acetonie, a streptomecyna pozostaje w roztworze wodnym

5. Liofilizacja Streptomycyny rozpuszczonego w wodzie 12-15 miesięcy okres przechowywania. Ciężar czystego antybiotyku 1 mikrog czystej S.

Antybiotyki produkowane przez promieniowce

Chloramfenikol - streptomyces venezuelae

Cykloseryna - streptomyces

Erytromycyna- streptomyces erythraeus

Neomycyna -streptomyces

Pozamedyczne zastosowanie antybiotyków:

- w USA jako utrwalacz żywności np. drobiu, ryb, mięsa wołowego,

- dodatek do pasz zwierzęcych dla drobiu

-Ryby – tetracykliny

- chłodnicze składowanie drobiu- tetracykliny

-subtilina dodawana do konserw mięsnych, skraca czas sterylizacji

-nizyna działa na clostridia szkodliwie w dojrzewaniu serów

W Polsce zakaz używania antybiotyków stosowanych w medycynie do innych celi. Nie ma ograniczeń nie stosowanych w medycynie (nizyna)

- stosowanie w zootechnice przy żywieniu drobiu, cieląt pen., tetracyklina, chloramfenikol od 50-200 a nawet 1000g antybiotyku na toną paszy

25-250 ppm antybiotyku= 25-250g / tonę wody do pojenia zwierząt

Antybiotyki przyspieszają rozwój zwierząt i zmniejszają ich śmiertelność.

-ochrona roślin- a lepsze niż pestycydy, bo są lepiej rozkładane przez mikroorg. Glebowe i mogą być stosowane jako surowe preparaty (niższe koszty)

Nowobicyna, tetracyklina – skuteczna w leczeniu zakażeń bakt. Liści.

Alcidion – przeciw grzybicom.

Póki co koszty są za duże, dlatego nie są stosowane na szeroką skale.

Mikrobiologiczna synteza pochodnych steroidowych np. kortyzol, który wcześniej otrzymywano w 37 reakcjach co dawało małą wydajność i wysoką cene (200$). Odkrycie hydroksylacji steroidów pozwoliło uprościć proces i obniżyć cenę (6$). Udało się połączyć mikrobiologię z chemią (niektóre etapy przeprowadza się enzymatycznie inne chemicznie).

Kortyzon - baza leków steroidowych.

Utlenianie, redukcja, metylacja steroidów daje nowe produkty o innych charakterystycznych cechach przydatnych dla ludzi.

1939 pierwsze transformacje, ale dopiero w latach 50-tych produkcja ruszyła pełną parą, co spowodowało spadek cen tych produktów.

Środki hormonalne lub ich analogi to pochodne steroidów (np. środki antykoncepcyjne)

Środki steroidowe o właściwościach nasercowych mają mniejsze znaczenie bo są wydzielane z roślin.

Wiele mikroorganizmów ma zdolność do przeprowadzania przemian steroidowych. Rodzaje:

• Bacillus

• Eschericha

• Streptomyces

• Saccharomyces

• Rizopus

• Aspergillus

• Discorea – roślinne źródło diosgeniny, która przekształcana jest w substancje Reinsteina- deoksykortyzon- ważny substrat wyjściowy do produkcji pochodnych steroidowych ważnych gospodarczo.

Zaczęto produkcje fitosteroli z oleju sojowego (są one przydatne do produkcji pochodnych steroidowych ), znowu koszty zostały obniżone.

Proces produkcji:

- metoda wgłębna w kadziach o pojemności 100 tys. l, silne napowietrzanie (mikroorganizmy użyte są wyłącznie tlenowcami) pierwsza faza namnażanie- bez steroidów

- do podłoża dodaje się steroidy. Produkty mogą być w cieczy pofermentacyjnej, ale i na powierzchni grzybów lub w ich wnętrzu. Ekstrakcja. Następnie przesącz można zagęścić, otrzymuje się nieoczyszczoną pochodną. Oczyszczenie za pomocą chromatografii kolumnowej.

Poza lecznictwem syntetyczne steroidy używane są w hodowli zwierząt. Testowano to na drobiu.

Mikrobiologiczna produkcja biopreparatów

-na potrzeby rolnictwa (intensyfikacja) - minęła era nawozów

- nawożenie bakteriami wiążącymi azot np. Clostridium-wolno żyjące; Rhizobium- żyjące w symbiozie

- Rhizobium mają zdolność wiązania N, który jest wykorzystany do produkcji białek nie tylko bakterii ale i roślin. (podłoże głodowe-koniec symbiozy)

Najwcześniej zostały zastosowane b. brodawkowe.

Nobbe i Hiltner uruchomili produkcje szczepionki nitraginy

1929-1940 – rozkwitła produkcja szczepionek Rhizobiowych

W Polsce kiedyś produkowali, obecnie nie.

Do produkcji szczepionek używa się świeżo wyizolowanych szczepów aktywnych wiążących N. mikroorganizmy namnażane są w hodowli wgłębnej. W praktyce: aerozol lub wymieszane z torfem służą do nawożenia.

XVI. BIOSYNTEZA KAROTENOIDÓW

Biologiczna rola karotenoidów polega na tym, że w organizmach ludzi i zwierząt ulegają one przemianie na witaminę A. Karotenoidy występują w komórkach wielu bakterii np. takich rodzajów jak Mycobacterium, Micrococcus. Spotyka się je także u drożdży rodzaju Rhodotorula, Sporobolomyces i innych grzybów niższych. Stwierdzono, że biomasa drożdży paszowych Rhodotorula glutinis zawiera duże ilości karotenu. Biomasę tych drożdży produkuje się na melasie, a po stwierdzeniu że drożdże obok cukrów są zdolne do wykorzystywania kw organicznych i alkoholi dąży się do stosowania tańszego podłoża jakim jest wywar pospirytusowy.

Wśród grzybów niższych szczególne skłonności do gromadzenia β-karotenu w kom przejawia Blakeslea trispora. W jej grzybni ta prowitamina może osiągać zawartość od 10 dp 50 mg na 1g biomasy. Metoda biotechnologicznej syntezy karotenu z zastosowaniem tego grzyba została wdrożona po raz pierwszy do produkcji w Stanach Zjednoczonych przez Andersona pod koniec lat 50 XX w. W następstwie hodowli tego grzyba w każdym m³ zacieru powstaje 1-1,7kg β-karotenu. Jest to ilość jaką uzyskuje się w ciągu roku z 1 hektara uprawy marchwi.

Duże zapotrzebowanie na preparaty β-karotenu istnieje zwłaszcza w rolnictwie w żywieniu zwierząt. Karotenoidy są dodawane do karm zwierzęcych i nadają żółtku jaj nawet zimą charakterystyczne pomarańczowe zabarwienie.

WYTWARZANIE ERGOSTEROLU ( prekursor witaminy D₂ )

Związek ten występuje w znacznych ilościach w kom drożdży piekarnianych (0,2-0,3%). Przy czym jego zawartość może być wydajnie zwiększana nawet do 2,3-5% dzięki odpowiedniej modyfikacji warunków hodowli.

Ergosterol wytwarzany jest w dużych ilościach przez grzyby strzępkowe z rodzaju Aspergillus i Penicillum. Zarówno z drożdży jak i grzybów strzępkowych witaminę D₂ można uzyskać w postaci krystalicznej lub jako koncentrat olejowy, poza tym do celów paszowych wykorzystuje się suszone preparaty drożdżowe po ich uprzednim napromieniowaniu ultrafioletem. Promieniowanie to o długości 280-313 nm powoduje fotochemiczną przemianę ergosterolu w ergokalcyferol, czyli witaminę o największej skuteczności przeciw grzybiczej.

UDZIAŁ MIKROBIOLOGII PRZEMYSŁOWEJ I BIOTECHNOLOGII W WALCE

Z KRYZYSEM ŻYWNOŚCIOWYM

Pomimo tego że rolnictwo światowe osiągnęło w ostatnich czasach wiele sukcesów w zakresie wykorzystania metod genetycznych do selekcji wartościowych odmian zbóż co z kolei pozwoliło na zwiększenie wydajności plonów ( w latach 70 mówiło się o tzw. zielonej rewolucji). Jednak ciągle nie jesteśmy w stanie przezwyciężyć niedoboru żywności, zwłaszcza białka. Wiele mln ludzi ginie co roku śmiercią głodową a ok. 0,5 mld cierpi z powodu ciągłego niedożywienia. Dlatego poszukuje się nowych źródeł żywności. Rozwiązanie tego problemu upatruje się m.in. w możliwości szerszego wykorzystania drobnoustrojów do produkcji białka mikrobiologicznego- zarówno paszowego jak i pożywczego.

Z opanowaniem technologii produkcji białka mikrobiologicznego, które jest określane międzynarodowym skrótem SCP wiązane są duże nadzieje na możliwość przezwyciężenia groźnego deficytu białkowego na świecie. Zaletą technologii jest jej przemysłowy charakter, który pozwala na uzyskanie SCP niezależnie od klimatu i przy stosunkowo niskich kosztach. Produkt finalny w postaci wysuszonego proszku- liofilizatu daje się magazynować przez długi okres i łatwo może być poddany przerobowi.

Osiągnięcia, które zostały w późniejszych latach zaniechane: możliwość produkcji białka mikrobiologicznego z surowców petrochemicznych. Obecnie istnieją jeszcze zakłady, które przerabiają węglowodory ropy naftowej na białko pochodzenia mikrobiologicznego. Białko to było wykorzystywane głównie do celów paszowych. Ze względu na istniejący deficyt białkowy na świecie, głównie w krajach III świata rozważana jest możliwość użycia takiego białka w żywieniu człowieka (po sprawdzeniu czy spreparowane białko nie wywiera ubocznych działań na organizm ludzki). Badania nad mikrobiologiczną utylizacją węglowodorów do produkcji taniego białka jako pierwszy podjął na większą skalę Champanie(?) w 1957roku, chociaż zdolność drobnoustrojów do utylizacji węglowodorów znana była od roku 1895r. Pomyślne rezultaty doświadczeń tego badacza pozwoliły na uruchomienie w latach 60 półtechnicznej produkcji drożdży paszowych na substracie węglowodorowym w rafinerii ropy naftowej. Do produkcji białka z ropy naftowej są wykorzystywane bakterie, przy czym szczególnie podatne są do tego gatunki należące do tkankowych pałeczek, które reprezentują takie rodzaje jak Pseudomonas, Flavobacterium, Alcalde. Mogą być też stosowane liczne gatunki drożdży zwłaszcza z rodzaju Candida, Rhodotorula oraz promieniowce np. Nocardia, także grzyby niższe z rodzaju Fuzarium, Etonium, Aspergillus, P enicilium, Mucor mogą wykorzystywać jako źródło węgla węglowodory. Rozwój drobnoustrojów na podłożach zawierających węglowodory ropy naftowej jest bardzo intensywny i ekonomiczny. Uzyskuje się o wiele większe wydajności biomasy na tym surowcu niż tradycyjnie używanej do tego celu węglowodanów. Szczególnie łatwo przyswajalne są węglowodory alifatyczne o dłuższym łańcuchu węglowym. Węglowodory o łańcuchach krótszych niż 5 at węgla są trudno przyswajalne i tylko przez niektóre gatunki bakterii mogą być utylizowane. Przypuszcza się, że węglowodory o krótkich łańcuchach węglowych działają toksycznie na strukturę komórkową bakterii prawdopodobnie jako rozpuszczalniki niektórych ważnie biologicznie składników komórki, dlatego istnieje trudność wykorzystywania ich do celów technicznych. Natomiast węglowodory o dłuższych łańcuchach bez trudności są na ogół metabolizowane przez znaczną ilość drobnoustrojów. Również węglowodory aromatyczne, chociaż w znacznie mniejszym zakresie, znacznie trudniej są metabolizowane przez niektóre bakterie i inne mikroorganizmy lub konstrukty genetyczne. Przykład: przemiana węglowodoru alifatycznego heptanu przez Pseudomonas aeruginosa ( schemat 47 ).

Spośród drobnoustrojów, które do tej pory są zbadane do utylizacji węglowodorów większość jest reprezentowana przez tlenowce. Białko uzyskiwane z węglowodorów przez syntezę mikrobiologiczną nie tylko nie ustępuje pod względem skład aminokwasów białkom roślinnym np. mąki różnych zbóż, a nawet wykazuje niekiedy duże podobieństwo do wielu białek zwierzęcych np. wołowiny czy mleka krowiego. Poza tym mikrobiologiczne preparaty SCP charakteryzują się dużą zawartością witamin rozpuszczalnych w wodzie w związku z tym można wykorzystywać je jako tzw. koncentraty białkowo-witaminowe.

W procesie produkcji białka z ropy naftowej można wyróżnić 3 etapy:

1.hodowla drobnoustrojów na silnie nawietrznych roztworach węglowodorów

2.wydzielanie z roztworu hodowlanego wytworzonej biomasy komórkowej co następuje przez użycie odpowiednich separatorów- wirówek przemysłowych

3. oczyszczanie uzyskanego białka polegające na tzw. odpukiwaniu go od domieszek podłoża

Końcowy produkt ma postać białego proszku o neutralnym smaku i zapachu dzięki czemu może być dowolnie mieszany z innymi pokarmami. Z 1kg węglowodoru i 0,2g sub mineralnych (sole azotowe, fosforowe, potasowe) uzyskuje się 1 kg produktu zawierającego 50-70% białka.

Wielkoprzemysłowa produkcja drożdży z węglowodorów ropy naftowej została zapoczątkowana jeszcze w ZSRR. Pod koniec lat 60 powstał na terenie byłego ZSRR pierwszy zakład o wydajności 12 tys. Ton białka rocznie.

W latach 70 uruchomiono na świecie liczne zakłady przerobu węglowodorów ropy naftowej na białko, niektóre z nich osiągnęły zdolność produkcji 100 tys. Ton rocznie. Jednakże ten szybki rozwój produkcji białka z ropy naftowej został ograniczony ze względu na wysuwane obiekcje przez organy sanitarne i ze względu na szybki wzrost cen ropy naftowej na rynkach światowych . W tej sytuacji produkcja białka z ropy naftowej w krajach które muszą importować ropę stała się nieopłacalna. Tylko kraje posiadające własne zasoby ropy naftowej mogą bez zakłóceń produkować białko pochodzenia mikrobiologicznego – są to m.in. Rosja.

Produkcja ta cały czas się rozwija i już w latach 80 osiągała poziom 400 tys. ton drożdży paszowych rocznie, a jej docelowa wartość ma wynieść prawie 4 mln ton. Chociaż wyższa cena ropy naftowej zahamowała rozwój SCP to jednak jej nie zaniechano. Zaistniała jedyni konieczność znalezienia surowców, które gwarantowałyby opłacalność tej produkcji. W poszukiwaniu ich wiele uwagi poświęcono m.in. niższym alkoholom i węglowodorom gazowym zwłaszcza metanolowi, który dla wielu mikroorganizmów stanowi łatwo przyswajalne źródło węgla i energii zarazem. Jednak wyłoniły się trudności z skonstruowaniem dostatecznie wydajnego i bezpiecznego fermentatora. Jednakże niższe alkohole zwłaszcza metanol, etanol okazały się bardzo dobrymi surowcami. Oba te alkohole można stosunkowo łatwo wytwarzać syntetycznie i z powodzeniem można je wykorzystywać do produkcji biomasy drożdżowej. Zalety alkoholi jako surowca: łatwość mieszania się z wodą i nie pozostawianie ubocznych produktów suszu białkowych (susz ten szybko wysycha).

W Czechach od wielu lat funkcjonuje zakład produkcji drożdży Candida utilis, które z bardzo dobrymi wynikami hodowane są na etanolu jako źródło węgla. Etanol z kolei jest otrzymywany syntetycznie przez uwodnienie.

W Niemczech do produkcji SCP używa się metanolu. Zarówno ze względu na bardziej stabilną w porównaniu z ropą pozycję cenową tego surowca na rynku, jak i lepszą jakość białka wytworzonego z jego udziałem. Do produkcji w tym przypadku użyto bakterii Methylomonas clara, która charakteryzuje się szybkim rozwojem. Do podwojenia biomasy wystarcza im od 0,5 do 2h. Natomiast drożdżom 2-4h, a 2-6h glonom, 1-2 tyg u roślin, zwierzęta potrzebują 4-6 tyg aby podwoić swoją biomasę.

Wydajność produkcji SCP przez firmę niemiecką z zastosowaniem tej bakterii wynosi 50%. Biomasę komórkową otrzymaną z tej bakterii najpierw się zagęszcza do 23-30% i poddaje się termolizie. Po wysuszeniu uzyskuje się preparat w postaci proszku lub granulek. Produkowany przez firmę preparat bakteryjny SCP ( po oddzieleniu towarzyszących mu tłuszczów i kwasów nukleinowych) charakteryzuje się neutralnym smakiem i odpowiada pod względem wartości biologicznej kazeinie.

Inny sposób rozwiązania problemu opłacalnej syntezy białka mikrobiologicznego polega na większym wykorzystaniu w tym procesie odpadów poprodukcyjnych zarówno z przetwórstwa rolno-spożywczego jak i niektórych gałęzi przemysłu pozarolniczego np. w Szwecji i Szwajcarii do produkcji SCP wdrożony został system „ SYMBA” charakteryzująca się dwufazowością przerobu odpadów skrobiowych jako surowca wyjściowego.

I etap: rozcieńczone zawiesiny tego polisacharydu poddawane są mikrobiologicznej hydrolizie z użyciem aktywnie biologicznie organizmów z rodzaju Sacharomycopsis

II etap: powstałe po hydrolizie cukry mogą być wykorzystywane do produkcji wysokobiałkowej biomasy odpowiednich szczepów

Fiński system „PEKILLO”(?) otrzymywania SCP, który jest oparty na wykorzystywaniu ługów posulfitowych przy produkcji celulozy i do uzyskiwania biomasy stosuje się grzyby z rodzaju Paecillomyces. Do produkcji cennej biomasy zaczyna się wykorzystywać także bakterie . poważnie zaawansowane są próby otrzymywania i wykorzystywania na paszę bakterii Azotobakter, która zawiera wiele cennych witamin z grupy B: tiaminę, pirydoksyne, ryboflawinę i witaminę B₁₂ – cyjanokobalaminę.

W licznych drobnoustrojowych procesach fermentacyjnych powstają bardzo duże ilości odpadów w postaci odcieków pofermentacyjnych- zużytych podłoży oraz grzybni odpadowych. Materiały odpadowe są różnie wykorzystywane. Bada się ich właściwości wykorzystania do celów paszowych np. odciek z fermentacji cytrynowej zawiera biotynę oraz szereg aminokwasów, po dodaniu do hodowli drożdży paszowych lepiej stymuluje ich rozwój niż wywar z gorzelni melasowej.

Biomasa grzybów Candida, Rhizopus czy Fusarium może być spożywana przez człowieka. Grzybnia otrzymywana jako odpad przy produkcji antybiotyków, kwasu cytrynowego i innych związków zawiera wartościowe białka, witaminy i cenne enzymy.

Odpady stosowane obecnie lub przewidziane do wykorzystywania w przyszłości jako surowce do produkcji SCP: hydrolizaty drewna odpadowego, słoma zbóż i łupin niektórych nasion, odpady przemysłu cukierniczego- melasa, bagasa (wytłoki z trzciny cukrowej), przemysłu młynarskiego, mleczarskiego- serwatka, fermentacyjnego- wywary podestylacyjne oraz odpady przetwórstwa owocowowarzywnego: wytłoki jabłkowe, pomidorów itp. ścieki różnego typu: odpadki miejskie, nawóz świński, kurzy.

Przedmiotem dużego zainteresowania są przedstawiciele mikroflory samożywnej i to zarówno typu fotoautotroficznego (wykorzystujące energię świetlną) jak i typu chemoautotroficznego, które użytkują energię chemiczną. W grupie organizmów autotroficznych ważne miejsce zajmują glony i biomasa morska- zwłaszcza glony, które zasiedlają ogromne połacie mórz i oceanów. O ich znaczeniu w procesie fotosyntezy wymownie świadczy fakt, że asymilują ok. 85% ogólnej ilości CO₂ na Ziemi. Glony morskie stanowią jedną z liczniejszych grup świata roślinnego. W jej obrębie mieszczą się zarówno gatunki wchodzące w skład mikroskopijnego planktonu stanowiący główny składnik pożywienia ryb jak i gatunki olbrzymy, a wśród nich takie gatunki jak Macrocystis pyrifera należy do największych roślin świata bo jej długość sięga do 300m. Ilość białka w suchej masie glonów morskich nie jest zbyt wielka (od 5 do 15%). Chociaż zdarzają się wyjątki od tej reguły np. gatunek Rodymenia pulmata zawiera do 23-28% białka w którego składzie obecne są wszystkie aminokwasy egzogenne. Porphyra tenera o zawartości białka ok. 30%. Jednakże nie proteiny stanowią o ich podstawowych wartościach odżywczych, ale są to znaczne ilości soli mineralnych. Sucha masa wodorostów może zawierać od 11-53% popiołu, w którego składzie znaczne ilości przypadają pa potas (2-12%), sód (2-5%), magnez (0,01-0,8%), jod (0,1-1,1%). Ogółem w plechach glonów wykryto obecność 60 różnych pierwiastków. Także zawartość witamin w tych roślinach jest dość duża zarówno pod względem jakościowym jak i ilościowym np. brunatnica Fucus serratus okazała się szczególnie zasobna w kwas askorbinowy, którego stężenie w komórkach tego gatunku osiąga 77mg na 100g morskiej masy( dla porównania w pomarańczach 31-51mg). W glonach morskich występuje tez witamina B₁₂ od 0,004 do 0,12mg na 1 kg biomasy. Nie stwierdzono występowania tej witaminy u roślin rosnących na lądzie. Spośród ogromnej liczby gatunków wodorostów morskich dotychczas użytkuje się do celów spożywczych tylko nieliczne, należące wyłącznie do krasnorostów i brunatnic. Z wyjątkiem niektórych regionów Azji glony morskie nie odgrywają obecnie zbyt dużej roli w żywieniu ludzi. Konsumpcja glonów morskich najdawniejsze tradycje ma przede wszystkim w takich krajach jak Japonia, Chiny, Korea, Australia, Nowa Zelandia, Polinezja, a także na południowo amerykańskich wybrzeżach. Glony spożywa się w stanie surowym jak też po ugotowaniu z ryżem i daniami rybnymi. Spośród krasnorostów bezpośrednio do celów gastronomicznych są głównie gatunki rodzaju Rhodymeria, Porphyra. Zapotrzebowanie na te glony w Japonii jest tak duże, że aby je zaspokoić pomyślne okazało się po wysuszeniu na powietrzu i rozdrobnieniu. O wiele mniej przydatne w gastronomii są brunatnice. W obrębie tego typu glonów jadalne są przede wszystkim niektóre gatunki z rodzaju Laminaria japonica ze względu na znaczną zawartość polisacharydu zwanego laminaryną. W handlu pojawia się w postaci wysuszonej, sprasowanej lub sproszkowanej. Glony morskie stanowią rezerwę substancji organicznych, która może być wykorzystywana do celów gosp. Jednakże tylko znikomy procent ogromnej masy materii może służyć jako bezpośrednie źródło żywności dla ludzi.

W przypadku glonów słodkowodnych można żywić nadzieję, że prawdopodobnie staną się w przyszłości cennym uzupełnieniem naszego jadłospisu. Przemawia za tym łatwość sztucznej hodowli niektórych z gatunków w olbrzymich ilościach, dzięki czemu mogą być bez trudu użyte do produkcji biomasy komórkowej na dużą skalę.

Zielenice, przez odpowiednie zmiany warunków hodowli można uzyskać zależnie od potrzeb materiał komórkowy o przewadze określonych składników np. białka lub tłuszczy. Glony stanowią szczególnie dogodny materiał hodowlany ze względu na ich zdolność wydajniejszego korzystania z energii świetlnej niż to jest spotykane u większości uprawnych roślin wyższych. Już w latach 50 XX w przeprowadzono pierwsze doświadczenia dotyczące możliwości hodowania niektórych glonów jednokomórkowych takich jak Chlorella pyrenoidosa, Scenedesmus obliquus. Wykazano że w warunkach naturalnego oświetlenia można osiągnąć dzienną wydajność do 20g suchej masy kom glonów z każdego 1m³ powierzchni. W zależności od warunków klimatycznych m.in. od długiego okresu wegetacji odpowiada to wartościom od 45-200 ton suchej masy na 1 hektar rocznie (25-100 ton białka). Dla porównania z 1 hektara uprawy sojowej rocznie uzyskuje się 1,5 tony suchej masy zawierającej 0,5 tony białka.

Hodowla glonów odbywa się:

• w temperaturze 35 stopni Celsjusza, w środowisku ścieków przemysłowych

• w warunkach odpowiedniego oświetlenia, gdyż glony przeprowadzają. fotosyntezę

• w naczyniach szklanych , w betonowych zbiornikach o pojemności 200 dm3 umieszczonych w cieplarni ( kiedyś tak było) a obecnie w zbiornikach z mas plastycznych ( polietylenowe) i dodatkowo w taflach szklanych albo polietylenowych

Do zbioru wytworzonej biomasy wykorzystuje się wirówki przemysłowe a następnie sedymentacje i zastosowanie koagulantów. Wydzieloną biomasę odwadnia się i suszy w suszarkach próżniowych.

Masowe próby hodowli glonów słodkowodnych mają miejsce w Japonii i odbywają się w kolistych basenach o średnicy 5 m bądź w prostokątnych basenach + mechaniczny przetrząsacz/ metalowa taca nachylona pod kątem.

Z Semedesmisis Cauda otrzymuje się ok. 20% suchej masy w wyniku wysuszania w suszarce rozpyłowej.

Rys. Instalacja do hodowli glonów

W ostatnich latach ma miejsce rozwój produkcji grzybów jadalnych;

• ich hodowla odbywa się nowymi metodami

• metodą wgłębną; hoduje się podstawczaki z rodzaju Agaricus (pieczarki) – 50 mln ton/ rok pod koniec lat 70.

• hodowle mam miejsce na pryzmach ziemi zmieszanych z nawozem końskim bądźna podłożu płynnym zawierającym sole azotowe i źródło węgla.

• w warunkach hodowli wgłębnej grzyby nie wytwarzają owocników tylko grzybnię ;tak odbywa się hodowla grzybów pulpozywanych wykorzystywanych do wyrobu zup, sosów, przypraw ( daje się tam grzybnię).Przy hodowli wgłębnej otrzymane grzyby nie posiadają zapachu charakterystycznego dla świeżych grzybów. Jedynymi grzybami zachowującymi znakomity aromat przy hodowli wgłęnej jest Morchella – smardz.

Myco – proteina – grzybowy preparat białkowy, z mikroskopijnych grzybów niższych Fusarium

• preparat z Fusarium pozbawiony jest toksyczności, nie powoduje guzów nowotworowych; nie szkodzi płodom.

• Hodowla Fusarium odbywa się metodą wgłębna na roztworze glukozy z dodatkiem amoniaku, pożywka zawiera 10 – 15 % węglowodanów.

• myco – proteina zawiera wszystkie aminokwasy w proporcji dziennej zalecanej dawki dziennej oraz pewną ilość RNA

• dzienna porcja grzybów to 0,5 kg- większa ilość zaburza pracy wątroby

• myco- proteina wytwarzana przez fizyczne a nie chemiczne przemiany masy Fusarium posiada mięsopodobna teksturę oraz ma smak charakterystyczny dla wyrobów mięsnych.

TŁUSZCZE

• tłuszcze są otrzymywane poprzez redukcja związków azotowych, dzięki wzrostowi ilości cukrów i koncentracji fosforanów w pożywkach. Bakterie wywtarzające tłuszcze( % wyraża ilość wytworzonych tłuszczy w stosunku do biomasy):

• E. coli i Enterobacter – 10 – 20 % biomasy to tłuszcze

• Bacillus 10 – 35%

• Aspergillus peniculans i Penicillium saphii

• drożdże są głównym producentem tłuszczy ;

• dawnej Endomyces vernalus obecnie Trichosporum pulluans,hodowla ich odbywa się w płytkich tacach z pożywką cukrową a produkt finalny to pasta Myceta Evernal;

• Rhodotorula plutilis 60% suchej masy w 3 dni

• Lipomyces starkeyi

• Lipomyces lipoferus

• Geotrichium candidum

drożdże wytwarzają węglowodany ( n- alkany ) w ilości 40% u Rhodotoruli 32% tłuszczu

• glony słodkowodne syntetyzują duża ilość tłuszczu, ich wydajność od 11% ( Scelledesmus) do 75 % tłuszczy ( Chlorella pelonidoza )

  • hodowla glonów na powierzchni 500 m2 daje100kg tłuszczy przez pół roku hodowli

  • hodowla słonecznika na powierzchni 500m2 daje 10 – 20 kg tłuszczy przez pół roku

ENERGERYKA

biomasa, wodór

• jest nośnikiem energii

• produkowany jest przez bakterie beztlenowe: laseczki Clostridium

• jest głównym produktem fotodysymilacji substratu przez Rhodospiryllum rubrum. Innymi producentem wodoru są:

• Methanobacterium, Vernonella, Rhizobium,

• Rhiunococus, Butylicum ( po unieruchomieniu na żelu poliakrydynowym może wytworzyć H2 w sposób ciągły)

• bakterie metanogenne; Methanobacterium i Methanosarcina należące do Archebacterium ;

4 H₂ + CO₂ → CH₄ + 2 H₂O

do ogniw paliwowych

• bakterie metanowe wykorzystywane są oczyszczanie osadów. Etapy oczyszczania:

-1.etap: fermentacja do wytworzenia kwasu organicznych z węglowodanów zawartych w ściekach, wytwarzany jest głównie kwas octowy a następnie alkohole + CO₂

-2.etap: w komorze bakterie przemieniają kwas octowy na metan który jest produktem uboczny wykorzystywany jako źródło energii do oczyszczania oraz jako gaz do spalania tworzenia silników

Fermentacja metanowa

• fermentacja metanowa wykorzystywana jest do produkcji biogazu

• miejsce przeprowadzania fermentacji :reaktor główny czyli wieża gnilna po której spływa gnojówka

• najmniejszy moduł 1 jb, czyli jednostka gazu odpowiada krowie o masie500kg co odpowiada odpowiada 40 m3 gazu metanu

• wykorzystanie metanu :

• Pasatt napędzony na biogaz,

• mikrobiologiczne ogniwa energetyczne. Jak działają ? Duże zmiany potencjału redukcyjnego na podłożu, gdyż substrat na agarze w wyniku utleniania przez mikroorganizmy traci elektrony i to powoduje przepływ prądu

Niekorzystne działanie bakterii:

• drożdże wielu gałęzi przemysłu - przefermentowują soki,

• grzyby nitkowate tworzą pleśnienie sera, chleba, konfitur

• odpowiedzialne są za korozję biologiczną materiału

• za rozkład smarów odpowiedzialne są takie mikroorganizmy jak ; Pseudomonas , Enterobacter flarogenum, Alcaligenes fecalis, Hydro..., Corynebacterium, Bervibacterium, Penicillium, Aspergillus, Candida.

• Za niszczenie paliwa. Paliwa w przeciwieństwie do benzyny nie zawierają sub przeciwstukowych. Odwodnione paliwa samolotowe zawierają niewielką ilość wilgoci i przy spadku do 0 temp. tworzą się kryształy wody na dnie zbiornika, paliwo nie może być wykorzystywany dalej i następuje rozwój mikroflory korozja wewnętrznej powierzchni skrzydeł. Do inhibicji tego procesu używa się hydroksycholiny w ilości 1- 0,3%, która dobrze rozpuszczalna jest. w olejach 1- 0,3 %

• drobnoustroje niszczą elementy naczyń, kopalnie i powodują grzybnie płuc – Aspergillus

• odpowiedzialne są za procesy wietrzenia skał, szczególnie bakterie z grupy nitryfikatorów bakteryjnych rozkład siarki: na skałach bakterie i grzyby tworzą wnęki, przenikają wnętrze skały na głębokość 10 cm i tworzą kwasy organiczne rozpuszczające skały.

• rozkładają beton

• rozkładają szkło: Penicillum feniculosum → w ciągu 1 roku rozkładają soczewki np. mikroskopów

• niszczą gumy i wyroby kauczukowe – Trichoderma, Aspergillus, Penicillum

• niszczą tworzywa sztuczne, najczęściej syntetyczny kauczuk, neopren, nylon, dakron, żywice alkidowe; promieniowiec Streotopenicylum vaxmani ; Pseudomonas aureginosa, Jarovia... te ostatnie produkują polimery do protez ;Corynebacterium wytwarza kwas pikrynowy

Mikrobiologiczna korozja metali odbywa się przez

• grzyby strzępkowe (w energetyce), które niszczą przewody, kable

• bakterie ;

1. beztlenowe ; Desulfovibrio, Desulfo maculum korodują metale w zbiornikach pozbawionych tlenu np. zbiorniki gazu, cysterny paliw, urządzenia chłodzące

2. tlenowe: Thiobacillus (siarkowe ); Thiobacillus ferrooxidans

Do zabezpieczenia przed korozją stosuje się:

• powłoki ochronne

• ochrona katodowa

Związki z kosmosu :

• glony słodkowodne Chlorella - uwolni kabinę statku kosmicznego od nadmiaru Co2 dost O2; ich aktywność nie różni się od aktywności w świetle słonecznym

• bakterie wodorowe : Alacligenes, Pseudomonas są;

• chemoautotrofami

• dostarczają tlenu dzięki elektrolizie wody

• przeprowadzają oksydację wodoru : 6 H2 + 2 O2 + CO2 → Ch2O + 5 H2O

• Streptococcus mitis – przeżyła 2 miesiące na Księżycu w głębi telewizora