WYKŁADY

MIROBIOLOGIA PRZEMYSŁOWA

BIOTECHNOLOGIA II ROK

ROCZNIK 2012/2013

Prof. J. Szczodrak

I. Wprowadzenie do mikrobiologii

Mikrobiologia przemysłowa interesuje się drobnoustrojami, możliwością ich technicznego wykorzystania dla celów produkcji określonych metabolitów o znaczeniu gospodarczym, na które jest zapotrzebowanie lub będzie w przyszłości.

W Japonii otrzymano szereg szczepów, które w każdym momencie mogą zostać użyte do syntezy aminokwasów (np. kwasu glutaminowy). Interesowano się mikroorganizmami, które wytwarzają metabolity i z wysoką produktywnością generują efektywność procesu np. etanol wytwarzany przez szczepy drożdży Saccharomyces cerevisiae. Alkohol etylowy wytwarzają również bakterie lecz w małych ilościach. Większość drożdży syntetyzuje go w dużej ilości, są też drobnoustroje które produkują małe ilości metabolitów, są używane z uwagi na ich duże znaczenie dla człowieka, np. grzyby wytwarzające penicylinę. Z Penicillium chrysogenum po II wojnie światowej zaczęto wytwarzać antybiotyk penicilinę. Był to duży sukces ze strony nauki i techniki. Teraz znane są szczepy modyfikowane tego grzyba zdolne wytwarzać ten antybiotyk w ilości 25 tys. na cm3. Mutanty indukowane poddane były wielostopniowej mutagenizacji i selekcji.

W procesie syntezy metabolitów wykorzystywane są głównie substraty będące produktem ubocznym przemysłu rolnego. Obecnie synteza chemiczna rozwinęła się na tyle dobrze, że wyparła lub wypiera syntezę biotechnologiczną np. butanolu, podobnie jak fermentacja alkoholowa np. we Francji ma inne wykorzystanie chemiczne i biotechnologiczne. Rozwój mikrobiologii przemysłowej wiąże się z połączeniem syntezy chemicznej np. produkcji witamin, leków, insektycydów, enzymów, antybiotyków, hormonów, aminokwasów.

Biotransformacja- transformacja związków steroidowych wzajemne uzupełnianie się procesów chemicznych i biotechnologicznych, przesuwanie ważnych grup chemicznych w wyniku czego zmieniają się właściwości chemiczne steroidów a powstałe nowe związki mogą wyrażać się w swoistej aktywności farmakologicznej (uzyskiwanie korzystnych lub niekorzystnych związków farmakologicznych) możemy tu wyróżnić procesy:

• chemiczne - otrzymywanie prekursorów dla mikroorganizmów

• biologiczne – drobnoustroje modyfikują właściwości prekursorów.

Enzymy wytwarzane są jedynie na drodze biologicznej z drobnoustrojów - egzoenzymy(na zewnątrz).

Celem mikrobiologi przemysłowej jest pozyskiwanie drobnoustrojów o wartości produkcyjnej lub otrzymywanie mutantów na drodze manipulacji genowych (poprzez mutacje, hybrydyzacje, inżynierii biologicznej, krzyżowanie gamet, fuzji protoplastów, rozmnażanie paraseksualne) i selekcje przydatnych szczepów do technologii przemysłowej.

Podział mikrobiologii przemysłowej:

(Procesy które są już opanowane i wdrożone do produkcji fabrycznej)

biosyntezy (wszystkie procesy i bioprocesy zwyczajowo są tu nazwane fermentacjami nie koniecznie są związane z fermentacją)

* fermentacje drożdżowe- Podstawą jest działalność życiowa drożdży.

>etanolu w gorzelniach, winiarniach

>biomasy drożdżowej (drożdże piekarskie i paszowe)

* fermentacje bakteryjne: szczepy bakteryjne wyspecjalizowane w wytwarzaniu różnych produktów

* właściwe fermentacje bakteryjne (masłowa, mlekowa, propionowa)

* pseudofermentacje ( fermentacje kwaśne, tlenowe) np. octowe- alkohol etylowy przekształcany do kwasu octowego.

*fermentacje z udziałem grzybów nitkowatych ( wcześniej nazywane fermentacją pleśniową) Nie tworzą owocników widocznych gołym okiem.

>fermentacje kwaśne- produkują kwasy organiczne, np. kwas cytrynowy.

> wytwarzanie enzymów, witamin

* technologiczne zastosowanie promieniowców

> produkcje witamin głównie B12

>produkcje antybiotyków

W mikrobiologii przemysłowej wszystkie procesy biosyntezy to fermentacje (pochodzi od łac. ferrimentum-gotowanie) które dzielimy na fermentacje właściwe i pseudofermentacje (tlenowe i kwaśne).

Fermentacje właściwe

Zachodzą w warunkach ściśle beztlenowych, otrzymywane produkty są nie w pełni utlenione, a wydzielana energia jest niewielka.

1kcal= 4,19kJ= 2 czasteczki ATP.

Zysk energetyczny fermentacji alkoholowej to 58,6kJ (tyle organizm przyswaja).

38 ATP - 1113,4 kJ oddychanie tlenowe. Spalanie jednej cząsteczki glukozy 2821,9kJ- 67kcal z czego 40% akumuluje organizm, 60% wydziela w postaci ciepła. Żaden organizm nie potrafi tego powtórzyć, organizmy beztlenowe akumulują 2% energii.

W związku z tym, że występują bardzo duże różnice pomiędzy zyskiem energetycznym fermentacji, a oddychaniem tlenowym, proces beztlenowy zachodzi z bardzo dużą szybkością a wyprodukowany etanol jest jako toksyczny metabolit wydalany na zewnątrz.

Organizmy fermentujące przerabiają w warunkach beztlenowych olbrzymie ilości substratów by otrzymać odpowiednią ilość energii, dzięki temu możemy je wykorzystać od produkcji odpowiednich substratów, które są dla nich toksyczne i wydalane na zewnątrz.

Pseudofermentacja

Fermentacja octowa, glukonowa. Proces pośredni między oddychaniem tlenowym, a fermentacją właściwą zachodzi w warunkach tlenowych. Powstały produkt jest nie w pełni utleniony. Bilans energetyczny jest wypadkową pomiędzy fermentacją właściwą, a oddychaniem tlenowym, np. fermentacja cytrynowa 9 cząsteczek ATP.

Fermentacje drożdżowe

Drożdże i drożdżaki należą do grzybów, a królestwo grzybów (Mycota albo Fungi) podzielono na dwie gromady: SCHEMAT 1

• śluzorośla: 2 klasy śluzowce komórkowe i właściwe

• grzyby właściwe: 5 klas skoczkowce, lęgni owce, sprzężniaki, workowce i podstawczaki;

• sztuczne jednostki taksonomiczne w obrębie Mycota: 2 klasy grzyby niedoskonałe i porosty.

3. sztuczna jednostka taksonomiczna:(grzyby nie rozmnażaja się płciowo)

Drozdże i drożdżaki mieszczą sie w 3 klasach: workowcach, podstawczakach, grzybach niedoskonałych , przy czym zdecydowana większość to workowce i grzyby niedoskonałe.( Ascomycetes zarodnikujące, właściwe, przechodzą cykl płciowy , wytwarzaja worki (ascus) a w nich spory w różnej ilości.) Rozmnażają się tworząc worki lub jak w nibydrożdżach nie tworzą zarodników. Fungi imperfecti- niezarodnikujące drożdze mlekowe lub nibydrożdże , nie wytwarzają zarodników, nie posiadaja cyklu płciowego. Sztuczna jednostka.

Podział biologiczny.

SCHEMAT 2

Workowce (Ascomycetes) obejmują 7 rodzin:

• Saccharomycetaceae

• Saccharomycodaceae

• Spermophtoraceae

• Lipomycetaceae

• Ascoidaceae

• Endomycetaceae

• Schizosaccharomycetaceae

Podstawczaki (Basidiomycetes)

• Teliosporaceae

Grzyby niedoskonałe (Deuteromycetes)

Workowce (Ascomycetes) obejmują 7 rodzin.

Podstawczaki (Basidomycetes) 4 rodziny.

1.1 Kluyveromyces- wyrastaja na mleku

1.2 drożdze dzikie

1.4 tworzą dużo tłuszczu

1.5 Yarrowia produkuje z węglowodanów białko.

1.7 Drożdże rozszczepkowe

2 Basidomycetes Rhodotorula na skosie tworzy czerwony nalot, są okrągłe.

3 Drożdże paszowe.

Podział technologiczny drożdzy:

>dzikie

>szlachetne

uproszczony podział technologiczny po podziale na przydatne i wykorzystywane w przemyśle. Jest to podział sztuczny, stosowany np. w produkcji drożdży piekarskich. Drożdże dające się użyć do jakiejś produkcji to drożdże szlachetne, a te które nie przynoszą żadnej korzyści, a czasami szkodzą, powodują zaburzenia nawet straty w produkcji to drożdże dzikie. Zdolność do przetwarzania węglowodanów mają nie tylko drożdże, ale w przyszłości mogą one zostać zasępione przez bakterie. (np. bakterie Zymomonas mobilis nie znalazły szerszego zastosowania w praktyce).

Candida to drożdże dzikie jednak w rolnictwie uznawane za szlachetne, ponieważ biorą udział w paszowej produkcji białka.

Drożdże Saccharomyces cerevisiae mają szerokie zastosowanie techniczne. Ich nazwa pochodzi od saccharum ponieważ przetwarza cukry na alkohol, mycetes bo pochodzą od grzybów, cerevisiae- piwo bo po raz pierwszy odkryte w piwie. Podobne właściwości mają także inne drożdże.. Saccharomyces cerevisiae należa do Eucariota, są to jednokomórkowe saprofityczne, względnie beztlenowe organizmy. Efekt Pasteura polega na zahamowaniu aktywności fermentacyjnej drożdży pod wpływem dostarczonego z zewnątrz tlenu. Efekt Crabtree nadmiar cukru w obecności tlenu wpływa na stłumienie oddychania drożdzy i ukierunkowanie na proces fermentacji. Podobnie jak wszystkie grzyby rozwijają się w środowisku kwaśnym w temperaturze 25-27°C. Klasyczne drożdże dzikie fermentują mono- i oligosacharydy, nie rozkładają wielocukrów, nie fermentują skrobi i celulozy, przy czym Saccharomycopsis fibuligera, Lipomyces starkeyi, Trichosporon pullulans wydzielają pozakomórkowe amylazy i mają zdolność rozkładu skrobi oraz większość z nich nie fermentuje cukrów.

Filibastidium capsuligenum ma słabe właściwości przerabiania cukrów do alkoholi.

Rozmnażanie drożdży

Drożdże rozmnażają się bezpłciowo przez pączkowanie oraz płciowo przez kopulacje dwóch komórek (najczęściej u drożdży zaliczanych do workowców- worek (Ascus) przechodzi podział mejotyczny, na skutek czego powstają haploidalne zarodniki). Powstająca w wyniku kariogamii diploidalna komórka może rozmnażać się przez pączkowanie. Szczepy wykorzystywane w przemyśle są poliploidalne lub diploidalne. W nieodpowiednich warunkach np. podłoże głodowe diploidalne komórki przekształcają się w worek, który po mejozie da haploidalne zarodniki.

Wyróżniamy różnokształtne komórki drożdży. Różnice komórek są uzależnione od cech szczepowych i stanu rozwoju populacji. Kształt kuliusty, owalny, często uzalezniony od warunków środowiskowych. U drożdży mówi sie o rasach = szczepach. Rasy S. cerevisiae w piekarnictwie są nieco mniejsze od 6-8 mikrometra. Gorzelnicze nieco większe 10-11 mikrometra. Przy takich drobnych rozmiarach w komórkach drożdży występuje bardzo pozytywny stosunek powierzchni do objętości. Łatwo wydzielane metabolity do środowiska i pochłaniane.

Kształt kulisty, średnica 8,5 mikrometra- wtedy powierzchnia 0,000227 mm².

10 miliardów takich komórek zawartych w objętości 100cm³ daje powierzchnie metaboliczną 2,27m², a komórki namnożone w kadzi o pojemności 100m³ dają powierzchnie metaboliczną 2,27km².

100m³= 100 hl (hektolitrów)

1 hl =100 l = 0,1m³

1m³= 1000 l = 1000dm³

Jest to ogromna powierzchnia aktywności metabolicznej dzięki której zachodzi magromadzenie produktów CO₂ i alkoholu etylowego w wyniku przemiany węglowodanów. Organizmy robią to po to, żeby mieć energię.

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, martwa, zbudowana z węglowodanów. W skład ściany wchodzi hemiceluloza z grupy mannanów, nadaje sztywnośc i inne polisacharydy jak glikogen. Wszystko to stanowi 84%.

• Ściana komórkowa jest wielowarstwowa i włóknista

• Podczas hydrolizy hemicelulozy powstają mannany

• hemicelluloza z 200-400 jednostek mannozy

• Do tej warstwy przylegają glikozaminy- składniki azotowe, 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- kwas glutaminowy, Asp,

• chityna stanowi około 3%

• Polisacharydy tworzą najbardziej zewnętrzna stronę ściany, bliżej cytoplazmy jest coraz więcej aminokwasów, wewnątrz składniki lipidowe i białkowe

• Struktura ściany komórkowej ma charakter luźny, posiada pory przez które przenikają substancje organiczne i nieorganiczne. Cząsteczki o znacznej masie np. glukoza, aminokwasy przenikają o wiele szybciej niż jony metali. Jony sodu i potasu przenikają nawet w kierunku przeciwnym do gradientu stężenia. Świadczy to o tym, że ściana reguluje dopływ i odpływ substancji do komórki nie tylko na zasadzie dyfuzji prostej. Jest to możliwe bo jest w kontakcie z błoną cytoplazmatyczną -transport bierny i aktywny, posiadają enzymy transportują np. permeazy.

• W ścianie komórkowej zlokalizowane są liczne enzymy jak: fosfatazy- fosforylacja, inwertazy- hydrolizuje sacharozę na glukozę i fruktozę ( aby się o tym przekonać należy przeprowadzić komórkę do protoplastu).

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

Błona cytoplazmatyczna- żywa - 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 w selektywnej przepuszczalności.

• Ciśnienie osmotyczne wewnątrz komórki wynosi 0,3-06 MPa, 1MPa=0,1atm

• Cytoplazma posiada strukturę heterogenną w skład protoplazmy wchodzi:

- woda

- węglowodany

- substancje białkowe i tłuszczowe

- rybonukleoproteidy

- zagęszczenie cytoplazmy zależy od wieku komórki i warunków środowiskowych, gęstość może być 8tys razy większa od wody (komórki stare i zarodniki)

- organella- mitochondria, rybosomy, jądro

Mitochondria

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

- substancje tłuszczowe 30%

- białka 50% (strukturalne)

- własne rybosomy i różne DNA i RNA inne od jądrowego.

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

Otoczone są dwiema błonami. Matriks zawiera białka enzymatyczne. Zespoły enzymatyczne - skład ten nie jest stały i może się zmienić od waruków środowiskowych.

S.cerevisiae:

• Garnitur enzymów w zależności od warunkach beztlenowych komórki nie mają wykształconych mitochondriów, ale mają układ błon zawierajacy dehydrogenazową część łańcucha oddechowego i nie mają cytochromu b. Łańcuch oddechowy jest wysoce zdekompletowany.

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

• Matriks posiada kompleks enzymów 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. RNA odgrywa tu istotną rolę.

Wakuole

• Wodniczki wypełnione elektrolitami, białkami, tłuszczami, enzymami, węglowodanami, o konsystencji koloidu, substancje tam zawarte ulegają przemianom, akumulacja i magazynowanie pierwiastków;

• Materiały zapasowe wodniczek: Wolutyna to polifosforan spełniający rolę magazynu grup fosforanowych

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

Materiałay zapasowe- wolutyna inaczej polifosforan, jest magazynem fosforanu , zachowuje sie podobnie jak inne typowe materiały zapasowe takie jak tłuszcz i glikogen. Są nagromadzane w warunkach optymalnego rozwoju, natomiast szybko zanikaja z obszaru komórki w warunkach głodowania. Wolutyna czyli inaczej metachromatyna wystepuje w połączeniu z kwasami nukleinowymi, fosforanami , jest wykorzystywana w procesach fosforylacji oprócz ATP.

• Jądro komórkowe. Bardzo wyraźnie wyodrębnione i łatwe do obserwacji w mikroskopie świetlnym. Posiada wyrażnie zróżnicowaną, porowatą błonę jądrową oraz jąderko. Jądro, to pęcherzyk wypełniony przejrzystą cieczą która nosi nazwą nukleoplazmy lub inaczej karioplazmy i gęstrzej nieco cieczy którą okresla sie jako kariosom lub ciałko chromatynowe. W jądrze znajdują się płytki chromatynowe o strukturach zróżnicowanych w postaci najczęściej kłaczkowatej- chromosomu. w zależnie od gatunku drożdży może być od 4-12 chromosomów zbudowanych z nukleoproteidów. Przez długi czas nie można było udowodnić przy użyciu klasycznych barwników zasadowych występowanie DNA w jądrze ze względu na dużą ilość RNA, który maskował DNA. Dzisiaj w tej technice barwienia najczęściej się stosuje HCl który rozkłada, hydrolizuje RNA i potem się barwi juz samo DNA. Zauważamy, że wielkość jądra w komórce drożdży może sie zmieniać, w pewnych granicach w jakich komórka właśnie występuje. W komórkach fermentujących bowiem (a więc w drożdżach wystepujących w warunkach beztlenowych, ściśle beztlenowych) objętość jądra wzrasta od 20 -30% w stosunku do komórki oddychających tlenowo.Powiększa się także podczas podział komórki od 10 -30% w interfazie.

Produkt uboczny danej technologii to ten produkt , który powstaje obok produktu głównego.

Odpad- niewykorzystywana częśc po produkcji.

Stopień ich dalszego wykorzystania po produkcji jest różny. Jeśli odpad jest w pełni wykorzystywany i nie zagraża środowisku- wtedy jest to produkt uboczny. Jeżeli niepełnie wykorzystany i stanowi zagrożenie dla środowiska wtedy jest to odpad właściwy. Granica ta jest płynna. Ważny jest rachunek ekonomicznny - aby koszty zagospodarowania odpadu nie były by większe od kosztów produkcji produktu głównego. Np. melasa w cukrowniach powstaje jako produkt uboczny dla przemysłu (np. gorzelniczego) a odpad dla przemysłu cukrowniczego.

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

Przemysł gorzelniczy nie ma długiej tradycji rozwinął się dopiero we wczesnym średniowieczu. Technika destylacji była znana już Asyryjczykom, ale tylko do otrzymywania eterycznych esencji. Arabowie w IX w. n. e. wino arabowe. Al kuhl- w arabskim oznacza to cos niezwykle delikatnego, ulotnego. Al-anbic – alchemicy XI-XVI w. otrzymywali ciecz powyżej 60%. Aqua ardens- woda płonąca. Aqua vitae- woda życia, w spolszczonym brzmieniu Okowita- nierektyfikowany spirytus. Do XVII wieku produkcja spirytusu odbywała się bez znajomości technologii. Stwierdzono, że wino intensywnie ogrzewane traci cechy odurzające- niedostrzegalna istota uciekała- duch- łac. Spiritus- od tego nazwa. W Europie od XVw.- do rozpowszechnienia produkcji i spożycia przyczyniło się mniemanie o zdrowotnym wpływie. Gay- Lussac- badania nad chemicznym przebiegiem procesu, natomiast Pasteur- mikrobiologiczny charakter procesu.

W 1817 roku Pistorius skonstruował pierwszy aparat destylacyjny umożliwiający uzyskanie spirytusu wysokoprocentowego

• Dzięki Hollenfrondowi (1871r.) sprowadzono parownie ziemniaków przy nadciśnieniu

• W 2010r. roczna światowa produkcja etanolu wynosiła 72 mld dm³. Z tej ilości ponad 80% wykorzystuje się do celów technicznych, głównie jako paliwo do pojazdów m.in. w Brazylii. 78% produkcji światowej etanolu (bioetanolu) w rękach amerykańskich i brazylijskich.

• Produkcja spirytusu nastąpiła w powojennej Polsce, gorzelnie rolnicze ok. 1000- oparte na ziemniakach, 15 przemysłowych- opartych na melasie, 3- owocowe.

• Roczna zdolność produkcyjna spirytusu w Polsce 400 mln dm³ (70 % gorzelnie rolnicze, 26% melasowe, 4% pozostałe owocowe i z ługów posulfidowych )

• Bankructwo gorzelni w Polsce- obecnie jest ok. 300, ta ilość nadal się zmniejsza produkują ok. 300 mln dm³ 100% spirytusu rocznie (2006r.), w 2009r. ilość ta wynosiła 370 mln dm³.

• Jako surowców do produkcji alkoholu etylowego używa się surowców zawierających cukry proste i względne oligosacharydy tj.: buraki cukrowe, buraki pastewne (dają lepszy plon i stosowane jako pasza), owoce świeże i suszone, marchew, melasę zawierającą sacharozę

• Wykorzystywane są też jabłka gorszej jakości, ale tylko kiedy jest ich za dużo (ogólnie się ich nie wykorzystuje).

• Do surowców, które mogą być używane w przyszłości do syntezy etanolu należy: serwatka- odpad, który powstaje w dużej ilości podczas produkcji serów, głównym jej składnikiem jest laktoza – przed fermentacją musi zostać zhydrolizowana do cukrów prostych glukozy i galaktozy poprzez laktazę (jednak jest to drogie) lub specjalne enzymy drożdży (permeaza laktozowa)- Kluyveromyces, Candida, Brettanomyces- produkowany etanol przez te gatunki ma ok. 60%.

• Drugą grupą surowców, są surowce skrobiowe takie jak ziemniaki, zboża (w tym żyto, a rzadziej pszenica, kukurydza, jęczmień, ryż) a także mąka nie nadająca się do bezpośredniego wykorzystania, otręby i wycierka ziemniaczana- produkt odpadowy przy produkcji krochmalu zawierający śladowe ilości skrobi.

• Trzecią grupę stanowią surowce zawierające inulinę łatwo przekształcającą się we fruktozę, korzenie cykorii, bulwy topinamburu ( wygląda jak słonecznik, wytwarza podziemne duże bulwy, w których jest inulina). Surowce te nie mogą być bezpośrednio wykorzystane, inulina musi być najpierw zhydrolizowana ponieważ drożdże S.cerevisiae jej nie fermentują

• Surowce celulozowe –drewno i odpadki drzewne, trociny. Trihoderma ressei produkuje enzymy rozkładające celulozę Substrat poddawany jest wstępnej obróbce, żeby rozluźnić włókna przy użyciu kompleksu enzymatycznego- celulaz i amylaz, aby otrzymać cukry przyswajalne dla drożdży.

• Można również używać ługów polisulfidowych (produkty odpadu przemysłu papierniczego) zawierają od 2 do 3 % łatwo przyswajalnych dla drożdży węglowodanów; na ich bazie produkowane drożdże paszowe.

II. Gorzelnictwo

Rozróżniamy gorzelnie:

• Przemysłowe praca ciągła, jako substrat wykorzystują melasę lub melas (melasa buraczana), jedynym celem jest uzyskiwanie etanolu z największą wydajnością.

• Rolnicze- praca kompanijna, okresowa od późnej jesieni do wczesnej wiosny, gdy jest zapotrzebowanie na wywar gorzelniczy(pofermentacyjny)-celem jest wytworzenie właśnie wywaru stosowanego jako pasza ( pasza zastępcza w okresie zimowym).

Surowcem do produkcji etanolu są ziemniaki, czasem zboże ,musza być one poddane hydrolizie enzymatycznej, konieczne jest wyprodukowanie słodu gorzelniczego z jęczmienia.

Pierwszy etap technologii-produkcji spirytusu, to przygotowanie słodu gorzelniczego

• Pierwszym etapem tego punktu jest moczenie zboża pobranego z magazynu( wilgotność 10-12%- pozwala na utrzymanie żywotności), aby nastała wegetacja musi być moczenie,większa ilość wilgoci wzmaga wegetacje. Szybkość wchłaniana wody na początku jest duża do 40%, a następnie maleje (uwodnienie wzrasta od 25 do 40%). Podgrzana woda zmniejsza czas moczenia.

• Następnym czynnikiem jest wielkość, jakość i kształt nasienia. W ziarnach dużych o dużej plewie proces zdobywania wody jest wolniejszy niż w małych ziarnach o luźnej plewie , dlatego też przed moczeniem ma miejsce sortowanie ziaren pod względem wielkości i zbitości. Jeżeli nie dokonamy sortowania to możemy doprowadzić do przemoczenia lub niedomoczenia co ma wpływ na kiełkowanie.

STRONA TECHNICZNA :

• Moczenie ziaren dokonuje się w tak zwanych zalewniach, tj. w potężnych skrzyniach lub kadziach wykonanych dawniej z cegły, betonu a dzisiaj z metalu- bardzo duże i długie.

• Do zalewni odpowiednim przewodem doprowadza się wodę.

• Nad dnem właściwym właściwym znajduje się dno ażurowe tzn. wykonane z blachy ocynkowanej z otworkami o takiej średnicy, aby ziarno nie spadało poniżej dna ażurowego.

• Na górze przelew zakończony siatką i odpływem.

• Zalewnia posiada odprowadzenie wody zakończone kranem

Z ziaren odrywają się plewy, które są wynoszone na powierzchnię i zatrzymują się na siatce (tzw. spławki)

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

MOCZENIE ZBOŻA:

• Określoną ilość ziarna wsypuje się od góry, a od dołu wprowadza się wodę pod ciśnieniem, która przedziera się przez dno ażurowe, powodując mieszanie ziarna i wypływanie plew i zanieczyszczeń, które osiadają się na sicie tzn. spławki- ich ilość to 0,5-2% moczonego zboża.

• Proces moczenia wykonuje się na przemian w dwóch fazach:

1. Moczenie mokre

2. Moczenie powietrzne,suche – spuszcza się wodę na ok. 4h i pozostawia się ziarno w kontakcie z wilgotnym powietrzem, następnie znów zalewa wodą - w okresie letnim wykonuje się od 2 do 4 razy dziennie, a w zimie 1 raz na dobę.

• Proces moczenia prowadzi się do osiągnięcia nawilgotnienia ziarna rzędu 42-45%. Testy: dobrze namoczone ziarno ujęte w palce wzdłuż osi nie powinno powodować uczucia kłucia i nie powinno z niego wyciekać mleczko skrobiowe. Dobrze namoczone ziarno na przekroju poprzecznym ma białą plamkę z szarą otoczką.

• Czas moczenia ziarna jest różny i zależny od rodzaju zboża: ziarna oplewione( owies, jęczmień) dłuższy czas moczenia niż ziarna nieoplewione( żyto, pszenica). Moczenie jęczmienia czas- 46-72h, pszenica i żyto- 12-40h.

• 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 oplewionego (owies, jęczmień) niż dla nieoplewionego (żyto, pszenica). Dla jęczmienia jest to 48-72h, dla pszenicy i żyta 12-40h. Jeżeli zboże jest silnie zanieczyszczone w sensie mikrobiologicznym wtedy stosuje się delikatne środki odkażające (antyseptyczne) w celu przeciwdziałania rozwojowi niekorzystnej mikroflory, są to: wapno chlorowane (50-100g na decytonę zboża, 1dt=100kg), 40% r-r formaliny (80g na 100kg zboża) i wapno palone (500-1000g na 100kg zboża). Dodawane są one do ostatniej wody do zalewania, potem po usunięciu takiej wody, ziarno nie jest już przepłukiwane.

Pojemność kadzi zalewnej dostosowana jest do produkcji spirytusu. Pojemność kadzi zalewnej= dwukrotna objętość dobowej produkcji gorzelni (5hl spirytusu= 10-11 hl pojemność kadzi). Dla gorzelni, w których produkowane jest od 3- 10 hl spirytusu w ciągu doby stosuje się tylko jedną kadź zalewną. Jeżeli produkcja przekracza 10 hl (hektolitrów) w ciągu doby wtedy stosuje się dwie kadzie. 100dm³ -konieczne jest użycie od 16-20 kg jęczmienia. Na każde 100 kg ziarna moczonego w kadzi musimy zapewnić pojemność 250-300dm³. Na skutek namakania objętość ziarna zwiększa się oraz aby można było wykonywać swobodnie manipulacje techniczne i żeby ziarno nie wypadało poza kadź. Ta metoda stosowana w gorzelni rolniczej. Obecnie są nowocześniejsze urządzenia do namaczania ziarna. Układ zamknięty- stalowe, cylindryczno-stożkowe naczynie (kadź). Najważniejszym elementem jest urządzenie nawietrzające (inżektor), bardzo mały wylot, powietrze rozpylane pod olbrzymim ciśnieniem, zboże jest mieszane, które wypada na sklepienie (parasol), potem wpada z powrotem. Inżektor też może być bełkotka. Moczenie ciągłe, bez przerw, mieszane i napowietrzane w jednym cyklu. Jest to sposób droższy, ale obecnie częściej stosowany, wydajniejszy, bardziej jałowy. Drugim etapem najistotniejszym po procesie moczenia jest proces kiełkowania namoczonego ziarna – roszczenie słodu. Uzyskuje się maksymalną ilość enzymów amylolitycznych potrzebnych do rozkładu skrobi. W kiełkującym ziarnie gromadzą się enzymy amylolityczne i proteolityczne, celulolityczne , 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 (huzar, piórko, 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:

• substancje zapasowe bielma rozkładane za pomocą kompleksu enzymu (celulazy, hemicelulozy), rozluźniają ścianę komórkową bielma, rozpuszczają, następuje tzw. rozluźnianie ziarna

• po rozluźnieniu ziarna działają enzymy amylolityczne, proteolityczne i lipolityczne przygotowują substancje odżywcze dla zarodka

• enzymy amylolityczne (α- i β-amylazy atakują ziarna skrobi w wyniku czego najpierw pojawiają się rysy i pęknięcia, które z czasem się zwiekszają- powstają dekstryny-one zostają przekształcone w maltozę- disacharyd złożony z dwóch glukoz, maltoza przekształcona do glukozy w nieznacznym procencie. Ziarno skrobi ulega rozpuszczeniu zgodnie ze schematem:

skrobia→ dekstryny→ maltoza( 2 glukozy)→glukoza

drożdże maja zdolność wykorzystania maltozy

• ilość enzymów amylolitycznych wzrasta w czasie słodowania, które trwa15- 16dni wcześniej było to 18-20 dni. W końcowym etapie słodowania przyrost enzymów jest mały a pielęgnacja słodu bardzo uciążliwa.

Słód gorzelniczy to słód długi, ponieważ czas jego słodowania jest 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 skrobi własnej 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 jest on zielony, świeży. Słod gorzelniczy produkowany jest w obrębie gorzelni a browarniczy nie i może być przewożony.

Słodownia od strony technicznej:

Po opuszczeniu ostatniej wody ziarno pozostawia się w zalewni na okres 6h i wyrzuca się na posadzkę wzrostowni – tu kiełkowanie ziarna. Ziarno układa się w pryzmy ok 30cm3. Temperatura tam panująca to ok. 12-16 °C i nie powinna przekraczać 18°C. W niższej temperaturze jest mniejsze prawdopodobieństwo zakażenia. Wilgotność na określonym poziomie. Dla ułatwienia wymiany gazowej pryzmy poddaje się przerzucaniu szuflą lub drewnianym pługiem- ziarna ze środka na wierzch- szufla mechaniczna. Jednocześnie usuwany jest CO₂ poprzez równomierne natlenienie. Zwykle grzędy= pryzmy przerabiane są 2 razy na dobę ,jeżeli zagrzewanie ziarna to 3 lub 4 razy na dobę. W czasie kolejnego przerabiania zmniejsza się grubość pryzm do 10 a nawet do 6 cm.

Ziarno takie następnie jest nawilżane, skrapla się je wodą z konewki przez 6-7 dni, zużycie wody 2-3cm3 na 100 kg ziarna. Na kilka dni przed zakończeniem słodowania przestaje się skraplacć ziarna po to, aby słod dojrzał.

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. W gorzelni wykorzystywany jest słód zielony, nie suszony do produkcji spirytusu.

W produkcji słodu określamy stosunek wielkości powierzchni wzrostowni do wielkości produkcji gorzelni. Na 100dm3 spirytusu produkowanego w ciągu doby ok. 30m2 wzrostowni dla ziarna.

Metody zmechanizowane: Słodowanie bębnowe przeprowadza się w bębnach metalowych, zaopatrzonych w system napowietrzania i zraszania wodą i przerzucania. Jedna szarża słodu powinna być zużyta w ciągu 3 dni, w gorzelni musi być co najmniej 5 bębnów słodowniczych, koszt jest bardzo duży.

Prawidłowo wyprodukowany słód ma białe liścienie bez żadnego odcienia zielonego o długości 0,5-1,5 długości ziarna, silnie skręcone korzonki- czyste i właściwe przerabianie, musi być wolny od ziaren spleśniałych. Ziarno powinno mieć jasną barwę i przyjemny lekko ogórkowy zapach. Zawierać także powinien nie więcej niż 5% ziaren nieskiełkowanych.

W procesie syntezy amylozy kwasy giberelinowe-związki cykliczne, hormony roślinne, związki organiczne. Istotną rolę odgrywają kwasy giberelinowe , aktywują enzymy - hydrolazy. Fitochromy te powodują u roślin wydłużanie się łodygi, pobudzają kwitnienie. Drobne ich ilości znajdują się w ziarnach, jeżeli dodamy podczas słodowania trochę giberelin wtedy nastąpi szybsze słodowanie i dojrzewanie. Bardzo efektywne jest działanie kwasu giberelinowego na uszkodzone ziarna. 1G gibrofitu K (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. Gorzelniczy nie jest płukany bo jest on idealny, jednak gdy pojawią się grzyby strzępkowe, wtedy płukany jest wodą zawierającą substancje dezynfekujące 1-1,5g na dm3 wody wapno chlorowane lub formalinę 40% r-r 12 cm3 na 1dm3 wody. Potem moczy się go w wodzie przez 20min. Następnie pozostawia się go na okres 10-12min i kieruje się je do rozgniatania. Płukanie powinno się odbyć bez względu na to, czy są infekcje czy ich brak, bo mikroflora 5*10-66 w kiełkującym ziarnie. W procesie rozcierania część mikroorganizmów ginie. Słód podlega rozdrobnieniu w celu wyługowania enzymów (amylaz, proteaz). Rozcieranie dawniej odbywało się w gniotownikach (najważniejsza część to 2 obracające się z różną prędkością walce o różnej średnicy, jeden mniejszy drugi większy, ziarna między tymi walcami, zewnętrzne powierzchnie walców są żłobione, ziarna ulegają rozgnieceniu i roztarciu co polepsza proces dezintegracji ziarna i wydostanie się enzymów) , teraz w aparatach AMS (aparatach do mleczka słodowego)- składa się on z metalowej kadzi, do której wlewa się wodę i słód w odpowiedniej proporcji , rury przesyłowe, które zaciągaja i przesyłają ciecz do zbiornika, do kadzi zaciernej, do kadzi drożdżowej, ziarno odpowiednio mieszane i wpada pomiędzy 2 tarcze, sprzęgłem dociskamy tarcze i ziarno jest rozcierane, potem zasysane i od nowa aż do uzyskania mleczka, jedna tarcza nieruchoma, druga wirująca, zbiornik cylindryczno-stożkowy o pojemności 500l, jednostopniowa pompa wirowa,w której jedna z tarcz jest przesuwana za pomoca koła regulującego ). Do zbiornika dodajemy zimną wodę i słód, na 100kg słodu prawie 2 razy więcej wody.

Ważne jest, że w ostatnich latach słód jako środek hydrolizujący jest zastępowany preparatami enzymatycznymi (amylolitycznymi), wytwarzanymi poza gorzelniami. Drożdże do podłoża wydzielają egzoenzym α-amylazę - rozkłada skrobię oraz amyloglukozydazę – rozkłada rozpuszczoną skrobię do glukozy. Hydroliza ta jest głębsza. 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, gdyż słód jest wypierany. Stosowanie preparatów amylolitycznych wytwarzanych metodami mikrobiologicznymi:

• Zakład Przemysłu owocowo-warzywnego - w Jaśle preparat z α-amylazy i z amyloglukozydazy

• Amylopol P – wytworzony metodą wgłębną z użyciem Aspergillus oryzae

• Amylogal CS – preparat pochodzenia bakteryjnego z Bacillus subtilis

• Glukopol P – wytworzony metodą wgłębną z użyciem Aspergillus awamori nie wytwarza on toksyn

Preparaty płynne ich jakość jest średnia.

Krajowa produkcja preparatów amylolitycznych nie zaspokaja jednak potrzeb gorzelnictwa, importuje się ją z Danii- firma NOVO NORDISK-preparaty enzymatyczne w skali tonażowej, ich dobra jakość powoduje, że wypierają one słód.

Przygotowanie surowca do produkcji etanolu:

Tym surowcem w produkcji gorzelniczej jest ziemniak. Przygotowanie zacieru ziemniaczanego- mycie ziemniaków.

1. etap oczyszczanie ziemniaków na sucho przy pomocy raf (sit o dużych oczkach lub siatka),na nie trafiają ziemniaki i na skutek wzajemnego ocierania się ziemniaków usuwana jest ziemia, ułatwia to ruch drgający sit.

2. etap ma miejsce w spławniach ( lub spławiakach) nie są to elementy służące do mycia a jest to urządzenie, które zapewnia transport surowca na drodze wodnej do płuczek. Kiedyś spławnie zbudowane były z drewna i obite blachą, bądź stanowią jak dzisiaj betonowe koryta, w których płynie woda pod dużym ciśnieniem.

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 różnym kątem zlokalizowane są łopatki w różnej wielkości(dłuższe i krótsze).Jedna z łopatek jest większa to tzw. łyżka do wygarniania umytych ziemniaków. Wewnątrz znajduje się również urządzenie odpływowe do wypuszczania wody posiadające zawór zamykający. Płuczka wypełniona jest prawie po brzegi wodą, ziemniaki na jednym końcu płuczki, ruch wału powoduje wymycie i przesuwanie ziemniaków ku końcowi gdzie wyłapuje je łyżka.Natomiast wszystkie zanieczyszczenia są usuwane z wodą odpływową przez dno ażurowe.

4. Łyżka do urządzenie podnośnikowego, podnośnika kubełkowego przenoszą umyte ziemniaki do kosza zapasowego, a następnie dokonuje się ważenia ziemniaków w celu określenia ilości zawartej w nich skrobi –substrat fermentacji.Etap ważenia odbywa się na wadze parowej 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 związany z procentową zawartością skrobi w ziemniakach.

5. skrobia to węglowodan, nie podlega bezpośrednio fermentacji i dlatego uprzednio musi ona zostać wydobyta z komórek roślinnych a następnie zhydrolizowana. 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 ( podobnych do autoklawu) pod nadciśnieniem, wcześniejsze gotowano i tłuczonio ziemniaki pod normalnym ciśnieniem (skrobia wówczas ulega jedynie skleikowaniu, nie przechodziła w stan upłynniony- kleik skrobiowy).Po 1871r. Parniki ciśnieniowe mają postać cylindrycznych stożków, odwróconych stożków lub stożkowo-cylindrycznych form. Najczęściej stosowane są stożkowo-cylindryczne o stosunku 2:1 cylinder do stożka- takie formy dają najlepsze wyniki parowania, a co za tym idzie-ekonomiczność. Proces ten może być periodyczny(okresowy) lub ciągły.

Parowanie periodyczne

Rozparowywanie ziemniaków w Polsce za pomocą parnika zbudowanego przez Niemca Henzego. Parniki zbudowane są ze stalowej, nierdzewnej blachy o grubości minimum 10mm. Naczynie wyposażone jest w otwór wpustowy od góry zamknięty urządzeniem zamykającym, 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, w parniku dno ażurowe, monowakuometr-pokazuje nadciśnienie, kurek odpowietrzający z zaworem, odprowadzanie zacieru do kadzi zaciernej.

Pojemność parnika ciśnieniowego waha się od 35 do 40 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 ziemniaki przez 15-30 min. Po tym czasie ziemniaki są jednolicie ogrzane. Przez otwór odprowadzający wodę sokową wydostaje się para a nie woda sokowa( odpowietrzanie), 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 30-40min., 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 lekko brunatnej barwie. Zbyt wysoka temperatura powoduje karmelizację skrobi, co jest niekorzystne dla produkcji etanolu.

Nie odprowadza się żadnych kondensatów, trzeba dodać wody. Stosunek skrobi do wody 1:4.

• Jeśli zaś ziemniaki mają skrobiowość równą 17% to nie wprowadza się wody do parnika, jeżeli więcej to jest to konieczne. W pierwszym okresie otwieramy kurek odpowietrzający aż para nie zacznie się nim wydobywać. Wtedy proporcjonalna zalezność między temperaturą a ciśnieniem. Jeżeli tak nie zrobimy to nastąpi zapowietrzenie. Kiedy zaczyna się wydobywać para przez otwór odpowietrzający to zamykamy kurek i możemy prowadzic parowanie. Kiedy skrobiowość ziemniaków jest większa od 17% stosuje się wzrost ciśnienia do 0,4MPa, proces parowania trwa w tych warunkach 20-30 min. Natomiast całkowity proces od momentu załadowania ziemniaków trwa 1-1,5h, nawet przy stosowaniu ziemniaków o mniejszej skrobiowości czas ten jest taki sam.

Parowanie ciągłe– zalety:

• likwidacja czasu potrzebnego na naładowanie i wyczyszczenie parownika

• likwidacja ryzyka przegrzania surowca

• łatwa automatyzacja i kopmuteryzacja

• nierównomierne zużycie pary

Wprowadzenie parowania ciągłego wymaga:

• rozdrobnienia surowca- stosuje się np. tarkę krochmalniczą lub młyn

• równomierne wymieszanie surowca,

• równoczesnego wymieszania z wodą,

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

Parnik o działaniu ciągłym- system pionowych, połączonych ze sobą rur o średnicy 150 mm a długość ogólna rur to 65m, wewnątrz których (wbudowane w rury) są przegrody 2-2,5m, mają one otworki zajmujące 10-20% powierzchni przekroju rury.

Podgrzana masa poddawana działaniu pary o temp. 160-165°C (0,8Mpa) w naczyniu o wym 20-40 cm. Podgrzana w tym naczyniu masa przesuwa się rurami ( pchana pod nadciśnieniem)przechodząc przez dziurkowane przegrody, co powoduje skoki ciśnienia dodatkowo rozdrabniające surowiec-korzystna dezintegracja. Trafia on 2 razy do naczyń o poj 0,5m3 w których następuje wyrównanie temperatury i z której w miarę potrzeby można odpuścić nadmiar pary i substancji lotnych . Urządzenie to umożliwia rozparowanie 5 ton surowca na godzinę, a jego całkowita objętość to 1,5m³.

Metoda mechaniczna

Metoda mechaniczna uzyskiwania skrobi –znacznie tańsza niż termiczna, była stosowana w Europie w średniowieczu. Wyłącznie aktywność enzymów amylolitycznych dostępnych tylko w ziarnie. W formie ulepszonej na terenie Niemiec do końca II wojny światowej- nie nadaje się do twardych(szklistych) zbóż, nie daje gwarancji czystości mikrobiologicznej zacieru.Do rozdrobnienia surowców gorzelniczych stosowano młyny młotkowe, ciernie korodowe , tarki krochmalnicze, młyny mechaniczne. Mogą rodrabniać surowiec suchy lub zawieszony w wodzie .Efektem jest rozdrobnienie, zniszczenie struktór komórkowych do 1,5 – 1,7mm. Surowce rozdrobnione maja wyższe pH ok 6, które było korzystniejsze dla działania enzymów hydrolitycznych.

Zacieranie rozparowanych ziemniaków

Obejmuje skomplikowane reakcje chemiczne i biochemiczne. Jest to mieszanie słodu z rozparowanymi ziemniakami w kadziach zaciernych. Ma kształt niskiego, zamykanego od góry cylindra o szerokości 3-4m i wysokości 1,5m. wyposażona w elementy ułatwiające zacieranie: Chłodnica w postaci spiralnej rury o średnicy 5-6 cm, obiega kadź od wnętrza (obiega ściankę wewnętrzną) i w zależności od potrzeby przebiega przez nią zimna woda lub gorąca para. Mieszadło składa się z dwóch skrzydeł (łopatek) usytuowanych tuż nad dnem kadzi zaciernej, poruszane z prędkością 50-100obr/min (rpm). Urządzenie do wstępnego schładzania uparowanych ziemniaków – temperatura ziemniaków powyżej 140°C, chłodzi się po to, aby temperatura nie spowodowała zabicia enzymów słodu, który jestw prowadzany do kadzi zaciernej. Aparat Hessego-cylinder metalowy z rurą wpustową, posiadajacy pewne ilości scukrzonego zacieru (tzw. przycierek), pobiera on przycierek dp kadzi, gdzie są namnażane drożdże gorzelnicze. Zawór i rura spustowa opróżnia kadz zacierna . 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- jeżeli tylko zgnieciony . Do otrzymanego mleczka wprowadza się pierwszą partię uparowanych ziemniaków od 1/3 do ¼ , wprowadza się w ruch mieszadło i miesza. Gdy mieszanina (ziemniaki+słód) osiągną temperaturę 50°C uruchamia się chłodnicę z zimną wodą, w celu zapobiegania dalszego wzrostu temperatury, aby nie zabić enzymów proteolitycznych. Następnie wprowadzona zostaje kolejna 1/3 słodu i partia ziemniaków, regulując ich dopływ tak aby temperatura w kadzi nie przekroczyła 55°C. Kiedy w kadzi znajdzie się ¾ uparowanych ziemniaków, wprowadza się ostatnią partię słodu i ziemniaków, tak aby temperatura utrzymała się w granicach 61-63°C. Następnie włącza się mieszadło i pozostawia zacier na 30 min. w celu docukrzania (rozkład skrobi do maltozy lub glukozy przez dekstryny). Cały proces trwa od 1,5 do 3h. W określonych odstępach czasowych, w trakcie trwania procesu pobierane są próbki zacieru przy pomocy aparatu Hessego. Pobrane próbki traktowane sa płynem Lugola, proces prowadzony jest tak długo, aż kolejne z próbek nie będą się barwić- negatywny wynik próby. Wtedy wiemy ze cała skrobia się scukrzyła , poddajemy zacier fermentacji.

Skrobia i jej skład

Składa się z amylozy w 15-27% i w 75% z amylopektyny. Stosunek ten jest zmienny w zależności podochodzenia skrobi. Jednostką strukturalną skrobi jest maltoza – 2 glukozy wiązanie alfa 1,4-glikozydowe. Amyloza nie pęcznieje, a rozpuszcza się w gorącej wodzie, daje granatowe zabarwienie z płynem Lugola. Posiada łańcuch nierozgałęziony, skręcone w ß-helisę, jednostki strukturalne D-glukozy połączone są wiązaniami glukozydowymi typu α-1,4. Amylopektyna zaś pęcznieje w wodzie tworząc kleik skrobiowy, z jodem daje purpurowe lub brunatne zabarwienie. Poli- alfa-1,4- D-glukoza która podobnie jak glikogen rozgałęzia się w pozycji α-1,6. Te punkty rozgałęzień posiadają wiązanie α-1,6 to izomaltoza.

W skład roślinnych amylaz wchodzą α- i β- amylazy, enzymy towarzyszące-dekstrynazy graniczne( pullulanazy). Działanie amylaz jest trójstopniowe: rozpuszczające, deksrtynujące i scukrzające. To α-amylaza rozszczepia hydrolityczne z udziałem wody cząstki skrobi, przekształcając formę nierozpuszczalną w wodzie na rozpuszczalną. Ze skrobi rozpuszczalnej α-amylaza wytwarza dekstryny powstają najpierw: amylodekstryny (barwiące się jodem na fioletowo), erytrodekstryny (na czerwono) i achrodekstryny (dające negatywną reakcje z jodem). Zaś zdolności scukrzające ma β-amylaza, rozkłada ona skrobię i dekstryny 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, nieredukujące grupy β-maltozy. Powoduje to całkowity rozkład do maltozy ,w 50% rozkład 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, utrzymuje się dłuższa barwliwość z jodem, jest ona bardzo wrażliwa na wzrost temperatury powyżej 60˚C, optimum temp 45-55 ˚C, optimum pH wynosi 4,8-5,5 średnio 5,2.

α-amylaza występuje u roślin, zwierząt i mikroorganizmów. Bardzo szybkie upłynnienie skrobi, atakuje ona wiele wiązań typu α-1,4 w obrębie cząsteczki, nazywana jest endoamylazą- trawienie od środka do zewnątrz. Na skutek szybkiego zniszczenia zanika szybko barwliwość jodem,bardzo wolno pojawiają się cukry, które mogą ulegać fermentacji. Kroi najpierw na duże cząsteczki, 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 85˚C. Jej optimum pH wynosi 5-5,4.

Pullulanozy dekstryny graniczne (amylo-1,6-glukozydazy), specyficzne hydrolazy występujące u roślin i u zwierząt i mikroorganizmów. Zdolne są do rozkładu wiązań α-1,6,a niektóre także do rozkładu wiązań α-1,4. W wyniku ich działania nie fermentująca izomaltoza (glukoza połączona wiązaniem α-1,6) zostaje rozłożona na cząstki glukozy występujące w słodzie. Optimum temperatury dla jej działania to 45˚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 przemysłowe to heterotroficzna grupa organizmów względnie beztlenowych, zdolnych do fermentacji, ale i oddychania, szybka fermentacja

Drożdże fermentacji górnej – gorzelnicze i piekarskie:

• wytwarzają duże ilości CO,są wynoszone w pierwszej fazie fermentacji na powierzchnię zacieru w postaci piany, a potem po długim czasie opadają

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

• Wykorzystywane tam, gdzie nie chodzi o klarowność produktu.

Drożdże fermentacji dolnej- piwowarskie i winiarskie:

• zlepiają się i tworzą koagulanty, które osiadają na dnie

• produkt musi być klarowny

• rafinozę rozkładają całkowicie gdyż posiadają enzym galaktozydazę, która rozkłada melibiozę

• drożdże kłaczkowate: mają zdolność do tworzenia kłaczków, śluzowata masa białkowa z fosforem na pow sciany komórkowej łatwo skupiają się w kupki.

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

• 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.

• Posiadaj permeazy

Dawniej proces namnażania drożdży w gorzelniach przebiegał w drożdżowniach w drewnianych kadziach. Dla każdej partii zacieru przygotowane są drożdże zarodowe, hodowane są dzień wcześniej na specjalnym podłożu-przecierce drożdżowej-część scukrzonego zacieru pobrana z aparatu Hessego. Przecierek drożdżowy wzbogacony jest przez pewną ilość tzw. słodu krótkiego. Ma to na celu zwiększenie zawartości związków azotowych. Po dodaniu słodu całość jest ogrzewana 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 masy zacieru głównego poddawanego fermentacji -ok. 140 dm3- Tak to wygląda w przypadku fermentacji 3-4 dobowej,natomiast w przypadku fermentacji 2 dobowej ilość przycierku jest większa.Przycierek przed zaszczepieniem drożdżami musi być zakwaszony do pH 5-6 bo drożdże są organizmami kwasolubnymi, kwaśny odczyn stymuluje ich rozwój. Zakwaszenie odbywa się na drodze chemicznej, dawniej było to na drodze bilogicznej- w Polsce do lat 60. ubiegłego wieku zaszczepianie termofilną bakterią Lactobacillus rhamnosus-homofermentatywna pałeczka mlekowa. Laseczki przetrwalnikują tworząc endospory, pałeczki nie . Pałeczki 1,8-2% kw mlekowego,wystepują popularnie w jogurcie, temp. 50˚C, czas hodowli 20-24h . Stopień zakwaszenia w gorzelnictwie określa się w stopniach Delbrücka (°Dlb, °D) ok 1,8 do 2 (1° oznacza ilość cm3 1N ługu potrzebnego do zobojętnienia 20ml roztworu).Oznaczanie – miareczkowanie 20cm3 r-r 1cm3 1N ługu. Gdyby środowisko alkaliczne 1cm3 1N kw. Siarkowego w 20cm3 r-ru. Zabicie bakterii w temperaturze 80°C.

Obecnie w gorzelniach stosuje się do ukwaszenia kwasy mineralne – kw. Siarkowy 1- 1,2 ° Dlb, ponieważ one silniej dysocjują i wywierają silniejszy efekt biologiczny. Po osiągnięciu temp. Zadania drożdży 28-30°C, do przycierku dodaje się matkę drożdżową (inoculum drożdży), która w ciągu doby ma się rozwinąć. Potem temperaturę obniża się do 15-16 °C i jest to temperatura nastawienia drożdży. Trwa to około doby, 20 – 24 h w trakcie namnażania wyzwalają się pewne ilości energii, które podwyższają temperaturę, wzrost temperatury wpływa niekorzystnie dla drożdży, w trakcie namnażania temperatura nie powinna przekroczyć 30°C, dlatego schładzamy przycierek. W trakcie namnażania zachodzi kontrola jakości, drożdże powinny być pączkujące i powinno być mało martwych komórek. Kwasowość nie powinna wzrosnąć powyżej 0,1°Dlb.

Z przycierku pobiera się pewną objętość- matka drożdżowa do zaszczepienia następnej partii przycierku następnego dnia – 6-8% do przycierku, na 140 dm3 potrzeba 8,5 – 11 dm3 matki drożdżowej). Pozostałą ilość – drożdże zarodowe do zaszczepienia zacieru głównego w kadzi zaciernej. Po zaszczepieniu musimy obniżyć temp. zacieru głównego do 28 – 30 °C, do kadzi wprowadzamy zacier schłodzony do 14 – 15 °C.Zacier jest przenoszony do kadzi fermentacyjnej – w dziale fermentacji. Zwykle też zachodzi przecedzanie zacieru, aby usunąć zanieczyszczenia. Jeżeli fermentowania jest wyżej niż kadź zacierna to wtedy transport zachodzi na drodze grawitacji. Jeżeli fermentownia znajduje się na tym samym poziomie wtedy potrzebna jest pompa.

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 w wyniku mieszania. Natomiast w miarę upływu czasu, gdy stężenie tlenu spada, spada również intensywność namnażania drożdży, wpływ na to ma także wzrost stężenia etanolu. Gdy stężenie etanolu wzrośnie powyżej 5% następuje całkowite zahamowanie namnażania.CO2 początkowo całkowicie 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 z 15°C do 23°C.

Efekt Pasteura 5 -10 krotne większa skuteczność wykorzystania substratu w warunkach tlenowych niż beztlenowych (przyspieszenie wzrostu komórek i spadek zużycia cukru

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

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

Efekt Crabtree nadmiar cukru w obecności tlenu wpływa na stłumienie oddychania drożdży i kieruje ich metabolizm na beztlenowy. Stężenie glukozy (cukrów) > 5% hamuje syntezę enzymów oddechowych i tworzenie mitochondriów.

2) Faza - fermentacja główna/ maltozowa-maltoza przerobiona na alkohol, charakteryzuje się silnym burzeniem środowiska reakcji, zanika rozmnażanie drożdży, energicznie mieszający się roztwór intensywnie pulsuje pod wpływem CO2. Kiedyś stosowano tanki otwarte 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 (fermentacja dekstrynowa)–głównym substratem w tej fazie są dekstryny, zaś możliwość ich wykorzystania zależy od zawartości w nich enzymów - 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. Zacier zawiera alkohol w stężeniu 7-12 v/v%, przeciętnie ok. 10% stopień odfermentowania wyrażąmy w stopniu Ballinga (°Blg) i powinien kształtować się na poziomie 0,8-1,5

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.

Dwie normy technologiczne: 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 rozkładających dekstryny).

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

• Płuczka – zbiornik z wodą, wydzielający się z kadzi CO2, porywa część par powstałego alkoholu, trafia to do płuczki. CO2 jest wydalany. Łatwe odzyskiwanie pary alkoholu po wyjściu CO2 z alkoholu zmieszanego z wodą. SCHEMAT 7

• 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 96% alkoholu etylowego (brana do produkcji koniaków, winiaków). Drugim produktem jest tzw. wywar, który służy jako pasza dla zwierząt w okresie jesienno-zimowym.

SCHEMAT 11Kolumna składa się z kolumny destylacyjnej (aparat odpędowy zawiera dwa segmenty: kolumna zacierowa – człon niższy, kolumna rektyfikacyjna(spirytusowa) – człon wyższy. Obie kolumny składają się z szeregu półek ułożonych jedna nad drugą, różne ilości w zależności od aparatu, najczęściej ok. 80 półek. W skład aparatu odpędowego wchodzi deflegmator, zbiornik z wodą, spełniający rolę chłodnicy i elementu wstępnego ogrzewania zacieru, który jest kierowany na kolumnę odpędową. Destylat z kolumny rektyfikacyjnej jest odprowadzany specjalnym przewodem zanurzonym w deflegmatorze. Destylat oddaje część ciepła i podgrzewa wodę w deflegmatorze, woda ta podgrzewa zacier (wstępnie) i dopiero potem trafia na pierwszą półkę kolumny zacierowej. Pomiędzy poszczególnymi półkami kolumny rektyfikacyjnej i kolumny zacierowej znajdują się przejścia. Zacier spływa z górnej półki kolumny zacierowej na niższe półki i trafia do regulatora wywaru i następnie odprowadzany jest do pojemnika, gdzie gromadzi się wywar pozbawiony alkoholu. Przeciwprądowo, od dołu ku górze doprowadzona jest gorąca woda. Na drodze napotyka zacier spływający, gdzie ogrzewa go w wyniku czego zostają oddzielone pary alkoholu. Na każdej półce zachodzi oddzielna destylacja i poprzez tą wielokrotną destylacje wzrasta stężenie, alkohol w parach przeciska się od dołu ku górze , wywar natomiast jest pozbawiony alkoholu. Para z ostatniej półki kolumny zacieru trafiają do pierwszej kolumny rektyfikacyjnej – zagęszczanie alkoholu. Surowy alkohol odprowadzamy na zewnątrz.

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 doregulatora 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%. Alkohol ten ulega przerobowi poza obrębem gorzelni. Oprócz czystego alkoholu zawiera też domieszki. Surowy alkohol oprócz etanolu zawiera produkty uboczne:

• aldehydy (octowy, furfural);

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

• wyższe alkohole (fuzle)

Teorie powstawanie fuzli:

• Teoria Ehrlicha: Fuzle powstają w wyniku dezaminacji aminokwasów powstałych przez rozkład białek enzymatycznych w czasie fermentacji. Grupa aminowa aminokwasów zostaje wbudowana do białka przez drożdże, a reszta białka zostaje przekształcona w fuzle (fuzle to wyższe alkohole).

• Teoria Genevois i Lafona: (nowsza)Wyższe alkohole powstają z cukrów, które najpierw są przekształcone w ketokwasy, które w procesie transaminacj,w której udział ma kwas glutaminowy i przekształcają się w aminokwasy lub częściowo w fuzle w wyniku karboksylacji.

Fuzle reprezentowane są przez:

• Alkohol propylowy

• Alkohol butylowy

• Alkohol izopropylowy

• Alkohol izobutylowy

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 40-70%, 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 (temp. Wrzenia etanolu), tu zbiera się tylko etanol

• niedogon – temperatura wrzenia jest wyższa od temperatury wrzenia etanolu, powstają oleje fuzlowe – 0,4% tyle wynosi w spirytusie

Po rektyfikacji otrzymujemy etanol o wysokim stopniu czystości, pomiar alkoholomierzem Areometr Trallesa, daje wynik 95-96°Tr v/v % etanolu w tym 4-5% stanowi woda. 1st Tr – 1 cm alkoholu absolutnego w 100 cm3 jego roztworu wodnego. Dalsze odwodnienie alkoholu nie jest już możliwe. Etanol odczynnikowy otrzymuje się na skutek użycia: trichloroetylenu, benzenu, CaO jako odwadniaczy.Najczęściej spirytus skaża się acetonem.Alkohol absolutny uzyskuje się przez odwadnianien 96%alkoholu przez trichloroetylen, benzen, CaO jako odwadniaczy.

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 tzw. bioetanol - etanol + benzyna w stos 1:9 lub 2:8 tzw. gazohol (E10, E20) w Brazylii i Stanach Zjednoczonych przez produkcję dodatku etanowlu zmniejszamy emisję tetraacetylku ołowiu – 1400 ton ołowiu. Na alkohol przetwarza się od 1,5 do 3% zbiorów ziemniaka.

GORZELNIE PRZEMYSŁOWE

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%; średnio 50). Sacharoza jest cukrem łatwo metabolizowanym przez drożdże i w tym przypadku nie ma potrzeby stosowania słodu lub jakiegoś preparatu amylolitycznego do wstępnej obróbki substratu.Melasa ma gęstość miodu dlatego nie zawiera mikroorganizmów.

Zaciery melasowe - brzeczka melasowa przed wykorzystaniem do fermentacji potrzebuje uzupełnienia produktami azotowymi i fosforanowymi- źródłem tych substancji są kiełki słodowe i autolizat 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. Melasa powinna być poddana leżakowaniu w wyniku czego dochodzi do jej samooczyszczenia z jasnego brązu na ciemnobrązową. Melasa ma duże ciśnienie osmotyczne, dlatego rozcieńczamy wodą wodociągową.

Melasa 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° Dlb

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

Gęstość brzeczki –stopień rozcieńczenia zależy od celu jakiemu brzeczka ma służyć. Gdy służy do namnażania inokulum- matki drożdżowej wynosi 10-14°Blg. gdy brzeczka służy jako główny substrat do fermentacji to gęstość waha się od 15-50 °Blg- 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 większą 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 niż 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 8-12°Blg. W miarę ubytku doprowadzane są następne porcje brzeczki melasowej, aby otrzymana koncentracja cukru była zawsze zachowana. Stąd konieczność używania brzeczki o coraz większym stężeniu. Początkowo stosujemy brzeczkę o koncentracji 15 °Blg, a w miarę upływu czasu dodajemy brzeczkę o stęż. 50 a nawet powyżej 50° Blg. po zakończeniu fermentacji gęstość roztworu odfermentowanego powinna charakteryzować się wartością od 6 do 7° Blg wówczas zostaje uzyskana maksymalna wydajność produkcji spirytusu. W przypadku zakłóceń np. przy nieodpowiedniej jakości surowca- melasy stopień odfermentowania jest niższy 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 jest to zbyt kosztowne, dlatego w gorzelniach przemysłowych sterylizacji termicznej się nie przeprowadza. Stosuje się odkażanie przy użyciu środków dezynfekujących np. formaliny lub wapna chlorowanego – 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 opadły na dno lub można je oddzielić poprzez odciągnięcie płynu odfermentowanego lub w szybkoobrotowych wirówkach przemysłowych, które mają rotory z ciągłym przepływem (alfa Lawala – firma :-D) 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.

Ilość drożdży w gorzalniach przemysłowych:

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.

CO₂proces 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( oprócz drożdży)

Opracowano nowe techniki fermentacji np. fermentacja próżniowa, 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 modyfikowanych genetycznie, 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- oddzielania metanolu od soli mineralnych i komórek drożdżowych. W przyszłości może zastąpić aparat odpędowy.

III. BROWARNICTWO, PIWOWARSTWO.

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

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

W Polsce produkcja piwa znana była niemal od początku naszej państwowości. Podobna nazwa piwnicy wywodzi się od produkcji piwa, w której ono powstawało.Cesarz Otton III przyjmowany był kuflem piwa. 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 dla 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 receptury 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 specjalnej 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.1996 święto piwa w Grodzisku. 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, reprezętujące różne formy własności. W ciągu ostatnich 15 lat produkcja piwa wzrosła 3-krotnie i w roku 2005 sprzedaż piwa kształtowała się na poziomie 30mln hektolitrów rocznie, a słodu 946 tys. ton rocznie. Spożycie 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)

Z regóły dzisiaj tez zakłady są rozdzielone.

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- nie mozna go zastąpić, chmiel można , słodu nie. 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 jako mokry stosowany od razu w gorzelni, 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, chwastów itp. Wstępnie 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, w jednej połowie tego urządzenia. 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 które oddzielone jest od części metalowych. Innymi urządzeniami do oczyszczania zboża są (trjery) triery-są to maszyny, które usuwają ziarna uszkodzone, połówki ziaren, ziarna chwastów.- selekcjonują ziarna. Ziarno spada po schodkach na każdym schodku nieczystości są wyrzucane i odsiewane, Ziarno jest czyste od 90%-95%. Po oczyszczeniu jęczmień ulega procesowi sortowania, w celu podzielenia ziarna na grupy identyczne pod względem wielkości- do tego celu służą specjalne sita (schemat-sito cylindryczne). Aby mieć równe ziarna do moczenia. 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 ziarna. 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 następnej operacji - 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- tj.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 specjalnych pomieszczeniach 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 techniczną 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 40-43% 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 5-8h stosuje się zmianę wody i pozostawia się ziarno w kontakcie z powietrzem. Do drugiej wody moczącej zwykle dodaje się antyseptyk, czyli wapno chlorowane 200-300g na hektolitr wody. Dodanie wapna chlorowanego korzystnie wpływa na rozpuszczalność substancji garbnikowych i goryczkowych (nie chodzi tutaj o odkażanie, choć także ta substancja tak działa). 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 ton namoczonego ziarna jęczmienia. Na przekroju poprzecznym ma kształt bębna na obwodzie którego znajduje się system przewodów rurowych napowietrzających ziarno. Przestrzeń pomiędzy osią centralną bębna-rura centralna, 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 (rury ażurowe) wprowadzane jest do wnętrza bębna, które wypełnione jest ziarnem moczonym. 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. 2 do 3h. Szybkość obrotu bębna jest niewielka- 1 obrót na 45min. Dzieki temu coraz to inna rura wchodzi i coraz to inna partia słodu jest napowietrzana. 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 (ponieważ ziarno jest namoczone) 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 (SCHEMAT) mają kształt skrzyni z podwójnym dnem: dno zasadnicze i dno ażurowe(wewnętrzne). Słodownia ta (schemat) wyposażona jest w wentylator (oznaczony X), 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(obrotowy- wtedy obraca sie jedna obok drugiej i następuje wymieszanie warstwy słodu). Przetrząsacz ten przesuwa się od jednego końca skrzyni do drugiego i powoduje przemieszczanie słodu, ziarna z dołu przenoszone są na górę i odwrotnie. 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. (Klimatyzacja powietrzna) Dopiero w drugim okresie, pod koniec słodowania powietrze jest nasycane wodą, aby podtrzymać kiełkowanie nasion. Słodowanie trwa od 7 do 8 dni.

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 pomieszczeniach tzw. 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. Na najniższej kondygnacji znajduje się źródło ciepła tzw. palenisko.Nad paleniskiem znajdują się ciepłowniki: 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.( Piwo Grodzkie ma lepszy aromat. Nie używa się jęczmienia a pszenicy.

Proces suszenia w przypadku słodów jasnych zwanych pilsneński 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 46°C. Po 12h suszenia 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 porcję świeżego słodu. Suszenie na siatce dolnej trwa następne 12h, temp. wynosi 76° C a po 12h suszenia w takich warunkach na dolnej siatce 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 i ma barwę ciemniejszą. Poza słodem jasnym i ciemnym produkowane są słody pośrednie i słody specjalne np. słód karmelowy, słody barwiące.

Odkiełkowanie i magazynowanie słodu: jest to oddzielenie wytworzonych w procesie słodowania korzonków od słodu w trakcie kiełkowania korzonków. Mianem kiełków lub kwiatu słodowego określamy korzonki. Wytworzone kiełki (kwiat słodowy) są odkiełkowane natychmiast po wysuszeniu słodu, ponieważ wówczas mają właściwości wybitnie higroskopijne i jest to łatwe do wykonania. (Gdyby były pozostawione na powietrzu trudno byłoby je rozdzielić). Proces oddzielenia kiełek przeprowadza się na odkiełkownicach, są to drgające sita. Ziarno ocierając się o siebie i sito tracą komórki i trafiają niżej, tam znajduje się tzw. ślimak, który przesuwa korzonki. 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 w gorzelniach przemysłowych, drożdży piekarskich, kwasów organicznych, np. octowego.

Odkiełkowany i wysuszony słód musi poddany być procesowi odleżakowania.

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

Surowcem pomocniczym jest Humulus lupulus – chmiel:

• roślina dwupienna

• dla celów piwowarstwa wykorzystywane są dojrzałe kwiatostany żeńskie, a męskie są usuwane. (Są niepożadąne gdyż zapłodnione kwiatostany męskie obniżają wartość browarniczą).

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

A. Olejek chmielowy (mieszanina olejków)

• niejednorodna substancja oleista,

• płynna, przeźroczysta,

• o lekko żółtej barwie,

• słabo rozpuszczalny w wodzie, a dobrze w eterze;

• nadaje charakterystyczny aromat charakterystyczny dla produktu finalnego - piwa.

• Zawiera składniki terpenowe (terpeny– seskwiterpen- mają właściwości antynowotworowe)humulen C15H24; mercen C10H16 – olejki te stanowią 80 – 90 % całego olejku chmielowego zasadnicze znaczenie wykorzystania w procesach technologicznych.

• rozpuszczanie olejku chmielowego ma miejsce przy gotowaniu z brzeczką, gdzie większość olejku odparowuje pozostają niewielkie ilość, choć są one znaczne dla nadania piwu aromatu.

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- iβ- żywice miękkie,

- γ- żywica twarda

Więź strukturalna α- i β- kwasy goryczkowe pod wpływem utleniania przechodzą w α- i β- żywice miękkie (alfa kwas w odpowiednią alfa żywicę mięką), a dalszy proces utleniania przemienia α- i β- żywice miękkie w γ- żywice twarde. Kwasy i żywice miękie są wykożystywane technologicznie, są dobrze rozpuszczalne w wodzie i przechodzą podczas gotowania z brzeczką do piwa. γ- żywica jest twarda, niepodatna, nierozpuszczalna w wodzie (bardzo słaba rozpuszczalność), bez wartości utleniania. Naturalny chmiel nie może być przechowywany dłużej niż rok. Był on siatkowany, zbijany w bele, siarkowany i przechowywany . Teraz olejki mogą leżeć lata. Przez to zlikwidowano większość plantacji chmielowych.

C. Substancje garbnikowe:

• występują w listkach szyszek i podczas gotowania z brzeczką –następuje ługowanie/ekstrahowanie do roztworu brzeczki tak iż tworzą się substancje z połączeniami goryczkowo–białkowymi (nie ulegają koagulacji), lub jako same substancje garbnikowe bez białka.

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

• niezachowanie właściwej ilości substancji goryczkowych, daje nieprzyjemny cierpki posmak piwa. Substancje goryczkowe muszą być odpowiednio wyważone. Ważne jest uzyskanie odpowiedniej klarowności i smaku.

Postęp technologiczny spowodowały modyfikacje w stosowaniu chmielu. 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.Chmiel poddawany jest działania rozpuszczalników powoduje ługowanie. Olejki i garbniki stosowane są do chmielenia brzeczki. Ekstrakty chmielone nie ulegają utlenianiu i są stosowane jako substancje goryczkowe. Granulaty chmielowe i 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. W Puławach znajduje sie pierwsza w Europie środkowo-wschodniej, a 6 na świecie instalacja do otrzymywania ekstraktu i granulatu chmielowego (6mm średnicy i 10mm dlugosci). Polska przetwarza 6 tys. ton chmielu rocznie. Jest 6 producentem piwa na świecie. w produkcji piwa odeszło się od dodawania szyszek na rzecz granulatu i w mnieszym stopniu ekstraktu.(Ekstrakcję prowadzi sie w temperaturze 30 stopni C, gdzie czynnikiem ekstrahującym jest ciśnienie skondensowane do 300 Barów CO2, ta technologia umożliwia powstanie wyciągów roślinnych o bardzo wysokiej czystości, naturalnych, nie powodują degradacji aktywności enzymów, dzięki czemu są one wykorzystywane w technologi browarniczej ).

Granulaty uzyskane w wyniku działania podciśnienia gazów inertnych, obojętnych. Chmiel jest następnie sprasowany.

W wyniku postępu technologicznego nie potrzeba tylu plantacji chmielu. Ten system ekstrakcji wyciagów roślinnych opracowali Polaci i jest stosowany przez 6 państw.

Ze słodu brzeczka słodowa -proces ten to warzenie piwa - łaczenie brzeczki z chmielem.

Brzeczka wytwarzana jest ze słodu browarniczego, który najpierw jest rozdrobniony w śrutownikach (młynkach), sposób ześrutowania jest różny. Ziarno mało rozluźnione musi byc dobrze zmielone, natomiast ziarno o lepszym rozluźnieniu jest mniej mielone.

Zacieranie i filtrowanie słodu.

Zacieranie- proces ten prowadzony jest różnymi metodami, wyróżniamy dwie zasadnicze:

- dekokcyjna

- infuzyjna

Proces warzenia piwa

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

I FAZA – uzyskanie brzeczki słodowej -warzenie piwa (łączenie brzeczki z chmielem)

• rozdrobnienie słodu, poprzez ześrutowanie, zmielenie na młynkach lub śrutownikach. Proces ześrutowania różny w zależności od jakości słodu. Słód o dobrym rozluźnieniu może być mniej rozdrobniony a mało rozluźniony może być rozdrobniony bardzo dobrze.

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

W warunkach Europejskich i w Polsce stosowana jest metoda dekokcyjna, w której wyróżniamy trzy systemy:

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

Śrut słodowy (tzw. zasyp) wprowadzany jest do kadzi zaciernej, po czym następnie dodajemy wodę (tzw. zalew), określamy ilość.

Śrut (zasyp) + zalew (woda) – w różnych proporcjach uzyskuje się brzeczkę bardziej lub mniej ekstraktywną, wpływa na jakość piwa (Zawsze jest więcej wody.)

Zatem uzyskujemy trzy rodzaje piwa:

• piwo lekkie– najtańsze, uzyskane z brzeczki mniej ekstraktywnej, zatem używane 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

Ważnym surowcem piwa jest woda, o średnim stopniu twardości. Wpływa ona na jakość piwa ze względu na zawarte związki mineralne, które łączą się ze składnikami chmielu w wodzie o średnim stopniu twardości. Zbyt twarda woda nadaje odcień czerwonawy i uwypukla smak gorzki piwa.

Metoda dekokcyjna – system trójpanwiowy:

Temperatura wyjściowa zacieru wynosi 35 °C. 1/3 zacieru z kadzi zaciernej przenosimy do kotła zaciernego o odpowiedniej objętości. W kotle zaciernym ma miejsce I war, czyli ogrzewanie do wrzenia, gotowanie następuje przez 20 min. Podczas gotowania w kotle zaciernym mają miejsce dwie przerwy- Pierwsza przerwa po osiągnięciu temperatury 50°C i trwa 10min.- to tzw. przerwa białkowa – chodzi o podtrzymanie temperatury odpowiedniej dla działania enzymów proteolitycznych, aby mogło dojść do rozkładu białek na aminokwasy; Po upływie 10 min. gotowanie kontynuujemy, aż do temperatury 62- 63°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 z 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 , pozostała ilość zacieru w kadzi zaciernej przechodzi przerwę białkową bo temperatura w kadzi 50°C. Drugi war doprowadzamy do wrzenia i gotujemy przez 20 min i łączony z pozostałą częścią zacieru w kadzi zaciernej – zacier główny ma temperaturę 63 – 65 st 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. Cały pozostały zacier przechodzi przerwę scukrzającą. 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-enzymów) 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, w Kanadzie, Stanach Zjednoczonych – metody infuzyjne, piwo leciutko żółte, mała ekstrakcyjność, dużo wody.

Metoda infuzyjna:

Proces scukrzania tylko w kadzi zaciernej, nie ma kotła, nie ma warów. Na drodze stopniowego ogrzewania całego zacieru do temp 70°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 o dużej powierzchni sączenia z podwójnym dnem( ażurowe i właściwe)- nad właściwym na wysokości 2-3 cm ażurowe). Dno ażurowe składa się z 8 – 12 elementów-sektorów, drobne otwory o średnicy 0,6-1 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. Od każdego segmentu odchodzi niezależny przewód, który zakończony jest kranikiem, potem rynienka, która odbiera odfiltrowaną brzeczkę. SCHEMAT 16Na 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. Mieszadło grabkowe powoduje zruszenie warstwy części stałych (jest ono delikatne dzięki temu występuję wyługowanie i wypłukanie).

• Gdy gęstość brzeczki wynosi poniżej 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 niechmieloną

• Obecnie w browarach dodawana jest odpowiednia ilość sacharozy, tak aby uzyskać gęstość brzeczki o 17–19°Blg. Poprzez podgęszczanie dodając odpowiednią ilość sacharozy przez co jest więcej alkoholu.

• Brzeczkę niechmieloną rozcieńcza się wodą – stanowi brzeczkę płynną, a po zestaleniu agarem – agar brzeczkowy – niechmielony.

FAZA III – gotowanie brzeczki z chmielem:

Zwana inaczej chmielowaniem lub uchmielaniem brzeczki i odbywa się w kotle warzelnym (oryginalne miedziane obecnie metalowe ze stali nierdzewnej). 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 chmielu, zaś do ciemnego 150g na 1 hektolitr brzeczki. Po dodaniu chmielu brzeczkę ogrzewa się do wrzenia (proces warzenia). Substancje zawarte w chmielu przechodzą do brzeczki. Podczas gotowania (garbnikowe, białkowe) powstają stronty, które opadają na dno, czyli następuje wyklarowanie/łamanie brzeczki. Gotowanie to stanowi późną sterylizację. Wtedy jest sterylna i jałowa. Po wygotowaniu (1,5-2,5h) gorącą brzeczkę spuszcza się z kotła warzelnego, jest to tzw.: wybicie brzeczki, do cedzaka chmielowego (odchmielacz), w celu odfiltrowania cząstek stałych – strątu i szyszek chmielowych. Potem następuje wychłodzenie do temperatury 4°C. Drożdże piwowarskie pracują w niskich temperaturach. Chłodzenie tradycyjne w 2 etapach: w tacach chłodniczych i aparatach ociekowych.

Tace to płaskie metalowe naczynia, w których gorąca brzeczka zlewana w bardzo cienkiej warstwie 10-15cm na najwyższym piętrze 2-3h zostawione otwarte. Temperatura spadła do 14-16°C (?) i odparowuje woda (zagęszczenie i wzrost ekstraktywności). Dalsze wypadanie osadów białkowych powstaje na skutek koagulacji białka i żywic chmielowych – tzw. osad toczony w celu odzyskania brzeczki przez filtry woskowe. Następnie do aparatów ociekowych zbudowanych z szeregu rur jedne przy drugiej. W pionie, o falistej powierzchni, ułożone jedna nad drugą, aby była jak najdłuższa droga i powierzchnia chłodzenia. U góry rynienka, gdzie brzeczka jest kierowana. Dwie sekcje: górna- chłodzenie przy użyciu wody wodociągowej, w dolnej – schłodzona solanka. Na dole na odbieralniku brzeczki – rynienka, spływając brzeczka schłodzona do 4-5C, po to żeby można potem zaszczepić drożdżami w fermentowniach. Podgęszczenie i napowietrzenie brzeczki jest ważne , bo drożdże go potem potrzebują. Taka brzeczka to brzeczka podstawowa do fermentacji. Ten system chłodzenia to system otwarty, gdyż utracona jest jałowość brzeczki. Obecnie stosuje się system zamknięty chłodzenia brzeczki w wymiennikach ciepła(ciągłą wymiana 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 4- 5°C poprzez system przewodów rurowych lub system klimatyzacyjny wprowadzający jałowe powietrze, lub zimną krążącą w rurach solanką.

Obecnie kadzie metalowe, stalowe, betonowe (te 2 ostatnie wyłożone ceramiką). Kiedyś kadzie otwarte, teraz zamknięte.

Kadź fermentacyjna – otwór boczny – do odprowadzenia młodego piwa, aby go nie zmieszać z osadem, na wysokości 10 – 15cm od dna. Otwór na samym dnie – do usuwania osadów i innych odpadów.

Fermentacje – wprowadzenie drożdży zarodowych. Drożdże piwowarskie – fermentacji dolnej, które fermentują w temp 5-10C, fermentacji górnej – w temp. 10-25C. Oporność na składniki chemiczne zawarte w chmielu, niski stopień odfermentowania ( co jest związane z fermentacją w niskich temp). Rasy Drożdży gorzelniczych nie mogą być wykorzystane w piwowarstwie i vice versa.

Łatwa koagulacja tych drożdży, co jest ważne w klarowaniu piwa. Piwo od 2-4% alkoholu, 0,2-0,5 CO2, 7-20% ekstraktu. Piwa o wyższej koncentracji alkoholu są zwykle alkoholizowane lub przez zagęszczenie brzeczki, stosuje się rasy drożdży silnej odfermentowującą – piwo jasne, wolniej odfermentowującą – piwo ciemne.

Przemysł polski – szczepy drożdży ferm. dolnej, należą do nich S. cerevisiae, S. uvarum, S. carlsbergensis. Piwo grodziskie słodowe – fermentacji górnej – 2 gat. S. cerevisiae.

Wszystkie szczepy drożdży można zaliczyć do S. cerevisiae. Różnice biochemiczne i fizjologiczne dają podstawę utrzymania 2 szczepów jako różnych gatunków. Piwo grodziskie – jasne, ze słodu pszennego, suszonego dymem z drzew.

Wprowadzenie drożdży zarodowych – nastawianie drożdży, dwie fazy.

I w kolbie Carlsberga w niewielkiej ilości brzeczki namnaża się kulturę przemysłową drożdży browarniczych. Po namnożeniu cała kolba do zaszczepienia.

Propagator zbudowany z dwóch pojemników metalowych. Jeden spełnia rolę sterylizatora, a drugi jest propagatorem właściwym. W pierwszym jałowienie i schłodzenie do właściwego.

W propagatorze brzeczka intensywnie nawietrzana przez co drożdze się namnażają. Piwo słabe, które się tworzy jest oddzielone przez dekantację.

Gęstwa drożdżowa – półstała masa odbiera się jako drożdże zarodowe do zaszczepienia kadzi fermentacyjnej. Część się zostawia, żeby namnożyć drożdże na następny dzień. Kilkakrotnie drożdże używa się do rund fermentacyjnych (rotacje, szarże), średnio ok. 10x do 10 kolejnych fermentacji (chyba, że są jakieś problemy, to od nowa). Jeśli nie ma objawów niepokojących to te drożdże, które wypadają w kadzi są stosowane do zaszczepienia kolejnych kadzi.

W drugiej kadzi tylko drożdże rdzeniowe , tzn. wartstwa środkowa, która jest najbardziej fizjologicznie czynna – przesiewa się ją przez sita w zasobniku, a następnie przemywa wodą z kwasem siarkowym, po to, aby oczyścić drożdże (słabe komórki pod wpływem kwasu ulegają zabiciu, dobre zostają), potem naciąganie – polega na wielokrotnym przelewaniu drożdży z jednego naczynia do drugiego, aby rozbić gęstwę. Do tego jest dobrze nawietrzne. Wszystkie te operacje prowadzone są w temp 1-5C. takie drożdże w ilości 0,5cm3 jako inoculum (matkę drożdżową) na 100dm3 brzeczki (1hektolitr brzeczki). Po 10 takich rotacjach wyprowadza się drożdże od początku.

2 rodzaje fermentacji:

1. Fermentacja główna

2. Fermentacja leżakowa

1 – ferm główna dzieli się na 4 fazy:

• Okres zasiania drożdży

• Okres niskich krążków

• Okres wysokich krążków

• Okres opadania krążków

1 etap – intensywnie namnażanie drożdży, bo dobrze napowietrzone CO2, początkowo rozpuszcza się w piwie, potem tworzy się lekka piana na brzegach kadzi ( od 12 – 22h).

2 etap – piana zaczyna się stopniowo oddzielać od brzegów kadzi, zaczyna dzielić się na krążki – o barwie brunatnej. Spadki dobowe gęstości od 0,5 – 1°Blg. Okres trwa od 2 – 3dni.

3etap – faza najintensywniejszej fermentacji, której towarzyszy wzrost temperatury. Spadki gęstości brzeczki od 1-1,5 °Blg na dobę. Okres od 3 – 4 dni. Powstają wysokie krążki tworzącej się piany, które wznoszą się w górę.

4 etap – fermentacja słabnie, krążki piany opadają, tworzy się powłoka brunatna, mnóstwo żywic, substancji białkowych. Powłokę tą należy usunąć, bo potem mogłoby to wpływać na posmak piwa. Jak otwarte – to za pomocą miedzianego czerpaka dziurkowanego. Jeśli zamknięte – przez odpowiedni przelew na wierzchu. Okres kończy się, gdy spadki gęstości są od 0,1 -0,2 °Blg na dobę

Cała fermentacja 7-12 dni – bo są niskie temp fermentacji – 4°C. Po tym czasie może wzrosnąć max do 10°C.

Młode piwo odtransportowuje się do leżakowni, gdzie dojrzewa w fermentowni leżakowej. Wszystko w niskich temperaturach. Młode piwo nie nadaje się do konsumpcji bo ma posmak drożdży:

- nasycenie się młodego piwa CO2 – karbonizacja piwa

- wytrącenie drożdży w postaci osadu – klarowanie

- usuwanie substancji nadających posmak

Kiedyś fermentacja przechodziła w drewnianych beczkach kufach ( niektóre 20 – 60 hektolitrów). Obecnie w metalowych tankach (z blachy nierdzewnej, niektóre z aluminium lub betonowe, dwie ostatnie wyłożone ceramiką) pojemność tanków do 500 hl. Tanki rozmieszczone w piwnicy leżakowej w temp 2°C.

Młode piwo zawiera sporo drożdży i niewielką ilość cukrów. Na skutek transportu do tanków leżakowych, odbywa się wtórna nawietrznie piwa, co wzbudza fermentację wtórną piwa (dofermentowanie piwa). Bez objawów zewnętrznych. W jej następstwie nasycanie piwa CO2- Od 0,2 w młodym do 0,35 – 0,4 % w dojrzałym piwie.

Tanki leżakowe – aparaty czopowe – regulują poziom ciśnienia zewnętrznego, tak wstawione, aby ciśnienie nie przekraczało 0,4MPa.

Jeżeli wzrost i ciśnienie – wtedy usuwamy nadmiar CO2. Zawartość CO2 powoduje pojawienie się piany podczas nalewania – żywica chmielowa i substancje białkowe – wypadają do osadu podczas leżakowania.

Piwo nabiera delikatnej, szlachetnej goryczki chmielowej.

Procesy przemian chemicznych – utlenianie składu chemicznego piwa – powstają estry alkoholu etylowego i węglowego, aldehydy i połączeń aldehydowo-alkoholowych, czyli acetali. One składają się na bukiet piwa (zapach, smak i barwa).

Okres dojrzewania różny – od 1 – 3 miesięcy. Piwa jasne i mocne leżakują dłużej niż piwa ciemne lub słabe. Niektóre, np. Porter leżakuje co najmniej 0,5 roku. Kiper – ocenia smak piwa i jego zapach.

Ostatnia faza – obciąg piwa – do tanku leżakowego górnym otworem szpuntowym dodajemy sprężone powietrze, głównie CO2. On powoduje wyciskanie piwa dolnym otworem, po to się robi, żeby piwo się nie pieniło i żeby nie stracić CO2 – to zasada rozlewu pod nadciśnieniem. Piwo nalewane do kufla musi się pienić.

Z leżakowni piwo najpierw trafia do mieszalnika – mieszają się różne partie piwa z różnych tanków – kupażowanie piwa, aby był jednorodny produkt finalny. Stąd na dział filtrów – gdzie filtrowane pod dużym nadciśnieniem z filtrów z ziemi okrzemkowej (kiedyś płyty z azbestu). Po sklarowaniu gromadzone w zbiorniku aparatu izobarometrycznego, czyli wyrównującego ciśnienie pomiędzy zbiornikiem aparatu, a tym naczyniem gdzie rozlewane jest piwo. Po to, aby piwo się nie pieniło. Piwo po wyrównaniu ciśnień rozlewane jest do drewnianych beczek (kiedyś) teraz do metalowych, hermetycznie zamkniętych kegów. Piwo rozlewane pod ciśnieniem. Do butelek na linii rozlewczej butelki zamykane zamknięciem koronowym, czyli kapslami – są do jednorazowego użytku.

Fermentacja górna piwa – w wyższej temp 10-25C, burzliwiej zachodzi, czas trwania krótszy. Przebiega 2,5 doby. Po upływie 10 h w kadziach fermentacyjnej biała piana – ona w żółte krążki – rozpadają się. Potem żółtą ciągnącą się pianę – dużo drożdży tu – zbiera się czerpakiem, potem do beczek 2 – 4 hl i w nich leżakowanie w 1 okresie w beczkach otwartych – tzw fermentacja wtórna i żółta piana powstaje, czasem powstaje jej bardzo dużo, aż się przelewa. Potem zamknięcie beczek najpierw nieszczelnie, dopiero potem na 3 – 4 dni przed zakończeniem dokładnie się zabija, alby nasyciło się CO2.

Słód pszenny, wysuszony w dymie drewna dębowego lub bukowego. Metoda infuzyjna na zacieranie słodu, intensywnie chmielone, trwalsze niż pozostałe piwa.

W celu intensyfikacji procesu zcukrzania skrobi wprowadzono preparaty enzymatyczne – duński Mikrobiolog – uzyskiwanie hybrydów drożdży

Szybka fermentacja: technologia ciągłego?, drożdże unieruchomione, alfa lavAl, proces leżakowania w reaktorze krótko (kilka godzin), w produkcji słodu przyspieszenie kiełkowania słodu za pomocą giberelin; wprowadzenie reaktorów dzwonowych; bioreaktory o dużej koncentracji komórek drożdżowych; zastosowanie technik membranowych z użyciem specjalnych mas drożdży umożliwiło produkcję piwa bezalkoholowego, także za pomocą oddestylowania alkoholu z piwa.

Obecnie do przeprowadzenia fermentacji używa się kadzi zamkniętych ze stali nierdzewnej o pojemności 2500hl – tzw. tankofermentatory albo unitanki – one umożliwiają zautomatyzowanie fermentacji, stabilizację piwa w jałowych warunkach w systemie ciągłym. Piwa w kadzi zamkniętych mają więcej CO2 i są bardziej czyste – nie różni się jakościowo od piwa w kadziach otwartych. W celu wychwycenia CO2 kadź ma szczelną pokrywę w celu powstania nadciśnienia. Odzyskany CO2 służy do procesu karbonizacji. Niektóre piwa poddaje się pasteryzacji.

IV. Winiarstwo

Produkcja winiarska znana od czasów bardzo odległych, może nawet wcześniejsza niż piwa. Umiejętność wyrobu wina może wiązać się z przejściem z koczowniczego trybu życia do osiadłego. Historia winiarstwa wiąże się ze zdolnością do uprawy przez ludzi winorośli. Sok winogronowy odgrywał rolę napoju, gdy jego resztki uległy samorzutnej fermentacji w płyn o właściwościach rozweselających – od wtedy rozmyślanie podejmowane próby otrzymywania go w większych ilościach. Opiekunem winiarstwa w starożytnym Rzymie był Bahus – bóg winiarstwa i konsumpcji win, w Egipcie Ozyrys a na Cyprze Saturn. Wino tym napojem , który jest właściwy bogom, nie ludziom. Po raz pierwszy istotę winiarstwa opisał Ludwik Pasteur. Określił on również metabolizm drożdży – względna beztlenowość. Wino jest to produkt powstały z moszczu gronowego.Wino znajdowało zastosowanie w obrzędach sakralnych, np. judaistycznej religii i chrześcijańskiej. 1,5 wieku temu Schwann ustalił, że fermentacja alkoholowa wywołana jest przez drożdże. Naturalnym siedliskiem występowania drożdży jest gleba, a w szczególności gleba winnic i sadów. Po zimie drożdże rozmnażają się na jej powierzchni.

Za pośrednictwem muszki owocowej D. melanogaster drożdże przenoszone są na owoce. Z tego powodu moszcz – sok wyciśnięty z winogron, łatwo ulega samo fermentacji, bez dodawania drożdży. Bukiet wina – część win przez samo fermentację, ponad 90% przy użyciu czystych kultur.

Klasyfikacja win:

• ze względu na barwę wyróżniamy(podział ten jest dość rygorystyczny, te które nie są czerwone, automatycznie są białe):

• wina białe (otrzymywane z soku winogron białych lub z innych owoców dających biały moszcz, na drodze odfermentowania moszczu – wyciśniętego soku; wina te także z innych moszczów, które SA białe – one są winami owocowymi, tzw. napoje),

• wina czerwone (uzyskuje się z odfermentowanej miazgi – soku i skórki, winogron czerwonych; zafermentowanie przeprowadzone w miazdze, aby powstały alkohol etylowy rozpuścił barwnik, potem skórki są oddzielone; po zafermentowaniu z miazgi do moszczu przechodzą garbniki ( nadają lepkość) 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 – jeżeli odfermentowuje sam moszcz, bez miazgi;czerwone o niezbyt nasyconej barwie.

• ze względu na zawartość alkoholu:

1. wina słabe (lekkie) do 10 v/v%

2. wina łagodne do 12 v/v%

3. wina średnio mocne 12-14 v/v%

4. wina mocne powyżej 14 v/v%

max 13 – 20 % alk, ale rzadko, nie mają cech wina

• ze względu na zawartość cukru:

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

• półwytrawne – zawierają do 3% cukru, najtrudniejsze do uzyskania

• 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 słodkie – tyle cukru, ze drożdze je szybko przefermentowują do alkoholu

Wina szampańskie – musujące, pierwsi francuzi z Champagne, produkowane są z młodego wina, po sklarowaniu do którego dodaje się taniny, cukru i drożdży (substancje wytrącające osad), rozlewa do grubościennych butelek, zakorkowuje i układa w piwnicach w temp. 12^oC w celu dokonania się fermentacji wtórnej (szampanizacja) wewnątrz butelek. Wydzielony w trakcie tego procesu CO₂ gazuje wino. Po upływie 40-50 dni (fermentacja wtórna) butelki zmienia się pozycję na pionową, szyjką do dołu, otwiera się jarzmo, a CO2 usuwa osad, ubytek wina uzupełnia się winem wyborowym lub likierem i ponownie zakorkowuje i znów drutem ( drogi szapman). Klasyczny sposób szampanizacji przeprowadzamy jest rzadko.

Częściej stosowana jest szampanizacja zbiornikowa, gdzie dofermentowanie i wysycenie CO₂ zachodzi w zamkniętych szczelnie kadziach (zasobnikach), osad opada na dno zasobnika, wysycony CO2, a po zakończeniu tego procesu wino rozlewane jest do butelek pod ciśnieniem za pomocą aparatu izobaro metrycznego, np. Rosyjskieg, Bułgarskie szampany. Metoda ta jest o wiele tańsza od klasycznej jednak powstające wino ma gorsze właściwości organoleptyczne.

Wina gazowane – sztucznie nasycane CO₂ ,mają charakter oranżady, nie w fermentacji wtórnej

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

Miody pitne – produkowane w różnych asortymentach: czworniaki (miody uzyskiwane z brzeczki i wody w stosunku 1:3) ( jeden miód, 3 woda), najcieńsze, najtańsze i najłatwiejsze do uzyskania), trójniaki(1:2), dwojniaki (1:1) i półtoraki(1:0,5). Brzeczka miodowa w półtorakach i dwójniakach jest bardzo gęsta, najtrudniej je otrzymać i stosuje się tu Zygosaccharomyces rouxii i Zygosaccharomyces mellis zdolne przeciwstawić się wysokiemu cisnieniu osmotycznemu (osmofilne).

Wina gronowe – w moszczu gronowym nie ma dużo cukru ( ok. 20%); to moszcz gronowy poddany procesowi fermentacji.

Ustawy winiarskie zabraniają jakichkolwiek modyfikacji win.

Do uzyskania win gronowych słodkich plantatorzy oszukują ustawę. Nadłamują liście kilka dni przed ich zbiorem, one więdną – przez wyparowanie wody, mają wtedy więcej cukru, dzięki czemu mogą otrzymać słodkie wino.

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 podwyższa zawartość cukru i nadaje winu specyficzny posmak. Ponadto winogrona takie szybciej dojrzewają. Tylko w Zielonej Górze i w Warce – istnieje zagłębie do produkcji wina – okręgi winogronowe.Wina deserowe w Polsce powstają przez dosłodzenie sacharozą zagęszczonych moszczów gronowych lub win pochodzących z zagranicy m.in. Tokay .Niezgodne z prawem winiarskim.

Produkcja win owocowych:

Surowce: moszcz z owoców krajowych jabłkowe, jabłeczniki, 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. Mors- alkoholizowany moszcz.

Technologia produkcji win:

Owoce najpierw ulegają dokładnemu umyciu w celu usunięcia zanieczyszczeń i mikroflory towarzyszącej. Następnie ulegają one rozdrobnieniu w młynkach lub innych urzadzeniach szarpiących, 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, ponieważ wykazują zbyt dużą kwasowość: najpierw rozcieńcza się go, w celu obniżenia koncentracji kwasów organicznych, co jednocześnie obniża zawartość cukru. Po rozcieńczeniu do ph 5-6 (co najmniej 4,5) jednocześnie obniżamy zawartość cukru - Ubytki cukru uzupełniane są sacharozą, jednocześnie dodaje się związki amonowe, chlorki, siarczyny, np. fosforan amonu w ilości 100-300mg/dm³. Mimo wstępnego mycia owoców moszcz może zawierać wiele zanieczyszczeń drobnoustrojami tj. drożdżami z rodz. Kloeckera apiculata, Candida, Pichia, Schizosaccharomyces pombe, bakteriami: Lactobacillus buchneri, bakteriami fermentacji mlekowej i octowej, grzybami nitkowatymi:Asperigillus niger, Aspergillus flavus, Botrytis cinerea oraz Penicillium. W celu wyjałowienia moszczu i ochrony przed jego pociemnieniem konserwuje się go poprzez siarkowanie przez wprowadzenie bezwodnika siarkowego SO2 (20-40 mg SO₂/dm³). W procesie sulfidowania (sulfitacja) można również oprócz SO₂ stosować bezwodnik rozpuszczony w oszczu lub H₂SO₃ w postaci r-ru 6%. Tuż przed rozpoczęciem fermantacji moszcz poddaje się desulfitacji - odsiarkowanie, a do procesu stosuje się rasy drożdży opornych na siarczany i garbniki. Pierwotnie technologia opierała 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, wytwarzają więcej alkoholu – 15-17%. Winiarstwo gronowe – dzikie kultury mogą występować, winiarstwo owocowe – tylko czyste kultury. Drożdże dzikie zdolne do wytworzenia mniejszej ilości alkoholu 5-10%, mniejsza zawartość kwasów lotnych.

Drożdże winiarskie – Saccharomyces cerevisiae ellipsoideus, drożdże fermentacji dolnej (zdolność do koagulacji na dnie), charakteryzują się wysokim stopniem odfermentowania moszczu, do 18% alkoholu, szybką sedymentacją po zakończeniu fermentacji, wysoką opornością na duże stężenie alkoholu i SO_{2 ,} odporność na garbniki i wysokie ciśnienie CO₂ ,tworzeniem małej ilości kwasów lotnych, wytwarzaniem ubocznych produktów fermentacji co nadaje winu charakterystyczny bukiet, praca w środowisku silnej zakwaszonym znacznych ilości alkoholu. Rasy drożdży Tokay, Sherry, Malaga, Madeira, Bordeaux, Sauterne – ich nazwy od nazw win lub od nazw miejscowości, gdzie są produkowane. Rasy te różnią się wielkością komórek, ilością wytwarzanych i zużywanych kwasów organicznych, procentową ilością wytwarzanego alkoholu, wytrzymałością na różne stężenia cukru, sposobu osadzania się na dnie naczyń po fermentacji, produkcją estrów. Wpływanie pewne na bukiet tworzonego wina. Gatunki owoców, sposób doprowadzenia moszczu – kupażowanie. Mieszanie różnych partii win tego samego wina. Optimum rozwoju drożdży to 25C, win ciężkich – do 30C. Na bukiet mają również wpływ rodzaj surowca, doprawienie moszczu i proces kupażowania. 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).

Wino lubi chłód, w granicach 6-12C, niektóre w tem pokojowej. W ostatnich latach ulepszanie drożdży na drodze hybrydyzacji. Drożdże oporne na duże ciśnienie osmofilne, na wysokie stężenie alkoholu. W wielu komórkach Saccharomyces udało się sklonować geny typu killer, czyli zabójca.

Doprawiony moszcz zaszczepia się matką drożdżową. Najpierw inoculm przeszczepia się na niewielką ilość wyjałowionego moszczu – 100cm3( temp. 25-26^oC, warunki tlenowe, czas 36-48h), następnie przenosi się inoculm przez szereg kolb o wzrastającej objętości, a ostatecznie rozmnażanie drożdży prowadzi się w propagatorach, które są nawietrzne i wyjałowiona ilość matki od 1-5%na każde 100dm3 moszczu. Fermentacja odbywa się w zamkniętych lub otwartych kadziach fermentacyjnych wypełnionych w ¾ objętości moszczu. Proces jest dwufazowy i wyróżniamy tutaj fermentację burzliwą i dojrzewanie wina. Fermentacja burzliwa rozkłada się na:

• zafermentowanie – przeważa tu rozwój, namnażanie drożdży, przy stężeniu alkoholu na poziomie 5% rozmnażanie całkowicie ustaje i zaczyna się fermentacja, proces trwa 2-3dni, charakteryzuje się silnym zmętnieniem, ma tu miejsce zapoczątkowanie wydzielania CO_2, co początkowo rozpuszcza się w moszczu, a potem na powierzchni spienienie,

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

• dofermentowanie – (fermentacja cicha), 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, powolny rozpad resztek cukru.

Po tym czasie młode wino oddziela się znad osadu na drodze dekantacji, w sposób łagodny, tak aby nie naruszyć wina, ściągnięte znad osadu i podlega ono leżakowaniu (fermentacji wtórnej). Ma ono bowiem zbyt wysokie stężenie CO_2, nie jest całkowicie klarowne, a jego smak nie jest zsynchronizowany, surowy. Podczas leżakowania wino nabiera właściwych cech organoleptycznych, czyli bukietu wina. 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 i walory smakowo - zapachowe) 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. Procesy chemiczne zachodzące podczas dojrzewania wina trwają do 10 lat. Okres ten skrócony jest w winach popularcnych – do kilku miesięcy. Miody pitne wymagają znacznie dłuższego okresu leżakowania. Kiper – ocenia wino. Po zakończeniu dojrzewania ma miejsce wykańczanie 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 - utrwalenie. Rozlew prowadzi się automatycznie do butelek, czasem beczek. W przypadku win mocniejszych nie zachodzi konieczność ich dodatkowego zabezpieczenia, wina lekkie poddaje się pasteryzacji ( niekiedy przed rozlewem – lepiej bo jest jałowe). Umieszcza się w wannie wypełnionej wodą i następnie znów korkuje. Pasteryzator płytowy – w niej kanał i wino z jednej płyty do drugiej( jedną płytę wino, druga gorąca woda (para)). Przy przechowywaniu wina należy pamiętać, że światło, zbyt wysoka lub niska temperatura powodują zmętnienie (optimum temperatury wynosi 10-14 ^oC).

Zakażenia przemysłu winiarskiego: Drożdże dzikie: Pichia i Candida valida (drożdże kożuchujące), Schizosaccharomyces pombe, - rozszczepkowe, bakterie fermentacji octowej (utlenianie alkoholu do kwasu octowego), , mlekowej ( rozkład kwasu jabłkowego do mlekowego), mannitowej (odkwaszenie wina, wino nabiera posmaku mysiego, mocniejsze kwasy do słabszych).

Właściwości wina: nadprzyrodzone w starożytności, lecznicze – starożytność (Hipokrates);

Właściwości wina:Wino charakteryzuje się pewnymi właściwościami chorobobójczymi, np. tyfus (Vibrio cholerae), dotyczy to głonie win czerwonych ze względu na wyższą zawartość polifenoli. Polifenole eliminują reaktywne formy tlenu.

• 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 – zwierzęce: estry gliceryny i wyższych kwasów tłuszczowych oraz tłuszcze roślinne: płynne, zwykle estry gliceryny i kwasu oleinowego , które rozbijane są na kwasy i glicerol na drodze zmydlania lub w procesie hydrolizy na drodze enzymatycznej za pomocą lipaz. Podczas fermentacji alkoholowej, jak zaobserwował Pasteur, w środowisku kwaśnym powstaje ok. 3% glicerolu(w stosunku do poddawanego fermentaji cukru) lub 6% (w stosunku do alkoholu)jako produkt uboczny – w pH 4-6, jednak zmiana pH na alkaliczne lub udział siarczynów powoduje przestawienie procesu i produkcje glicerolu przy śladowych ilościach syntezowanego etanolu i kwasu octowego. Dysmutacje – jednoczesne samoutlenienie i samo redukcja aldehydu octowego. W procesie fermentacji alkoholowej w warunkach naturalnych akceptorem wodoru jest NADH₂. Aldehyd octowy redukowany jest do etanolu. Jeżeli w środowisku nastąpi sztuczne zablokowanie aldehydu octowego, to wodór musi sobie znaleźć inny substrat, który go przeniesie – jest nim dihydroksyaceton – przemieniany w glicerol. Zadanie r-ru disiarczanem(IV)sodu lub wapnia, względnie siarczynami – podczas fermrntcji siarczany do siarczynów i w reakcji z aldehydem octowym. Aldehyd octowy w reakcji z di siarczanem sodu i powstaje siarczyn aldehydu octowego – unieczynniony w ten sposób nie może wiązać H₂, jego miejsce zajmuje dihydroksyaceton a on z H₂ daje glicerol. Powstaje też niewielka ilość etanolu i CO₂. Chodzi o wyeliminowanie aldehydu octowego.

Metody biotechnologicznego pozyskiwania glicerolu przy użyciu drożdży Saccharomyces cerevisiae opisali w 1915r. Connstein i Lüdecke(niemieccy badacze). Gliceryna stała się surowcem strategicznym – surowiec do produkcji nitrogliceryny przetwarzanej na dynamit (podczas I i II wojny światowej produkcja gliceryny wzrosła). Preoces przeprowadza się na różnych źródłach węgla dla drożdży, węglowodany od 10-15% , do podłoża stopniowo dodaje się 4-20% siarczynów sodu lub wapnia. Fermentacja trwa 24- 48h w temp… i udaje się uzyskać 21-37% wydajność produkcji w stosunku do cukru z każdych 100g cukru.. Po zakończeniu roztwór zadaje się kredą (w nadmiarze) i poddaje oddestylowaniu w celu uzyskania aldehydu octowego – redukuje się go do etanolu lub utlenia do kwasu. Pozostałość poddaje się destylacji z parą wodną w podciśnieniu przez szeregowe połączenie chłodnic – pierwsza powietrzna (deflegmator) gdzie osadza się glicerol, druga wodna. Drożdże osmofilne jak Zygosaccharomyces rouxii mają zdolność fermentacji glukozy na glicerynę z wydajnością 50%, zaś inne gatunki nieosmofilne jak Pichia, Candida i Debaryomyces produkują glicerol bez potrzeby użycia środków chemicznych jak siarczyny (blokowanie aldehydu). Glicerol stosowany jest również w kosmetyce.

Produkcja drożdży piekarnianych – efekt Pasteura:

Głównym celem jest uzyskanie biomasy drożdżowej. Surowcami do produkcji są tutaj melasa buraczana bądź melasa z trzciny cukrowej (sacharoza w stężeniu ok. 50% w; 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 azotu i 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 (wypadanięcie połączeń, które utrudniałyby filtrację oraz wirowanie) 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 ^oBlg, następnie brzeczka ulega podkwaszeniu chemicznemu kwasem siarkowym (0.3-0.4 ^oDb na każde 100 cm³) lub biologicznemu bakteriami. Rozcieńczona i ukwaszona brzeczka przechodzi proces klarowania albo na zimno (bez ogrzewania) – aby przyspieszyć proces dodajemy wapno lub ziemię okrzemkową, która wychwytuje połączenia koloidalne; albo na gorąco (ogrzewana do 90°C) co samo w sobie powoduje przyspieszenie procesu. Proces przeprowadza się w kadziach:

- na gorąco – na dnie kadzi przewód (bełkotka), który doprowadza parę. Bełkotka pozwala na rozdrobnienie pary – dzięki temu lepsze wymieszanie i ogrzewanie podloża. Kadź – urządzenie odprowadzające do wyprowadzenia brzeczki sklarowanej – przewód rurowy zaopatrzony w zawór, końcówka w kadzi ma wyjść ponad osad. Klaryfikatory – procesy filtracyjne. Mechaniczne oddzielenie na filtracji lub w wirówkach. Po rozcieńczeniu, sklarowaniu i ukwaszeniu – sterylizacja do kadzi dopływowej – z odpowiednią skalą. Z niej odprowadzana do kadzi drożdżowniczych – tutaj namnażanie drożdży.

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 ezą do kolbki Freudenreicha zawierającej 25-60cm³ jałowej brzeczki słodowejo gęstości 12-15 ^oBlg i kwasowości 4,8-5. Namnażanie drożdży trwa tutaj 24h w temperaturze 28-30 ^oC. Następnie 250-600 cm³ brzeczki przelewa się do kolby Pasteura(warunki takie jak wcześniej) i po 24h 5-8 dm³ brzeczki słodowo-melasowej do kolby Carlsbergao gęstości i pH identycznym jak uprzednio. Proces trwa tu 24h. Po tym czasie namnażanie prowadzi się w małym aparacie Lindnera (mały propagator)(służy do namnażania drożdży w większych pojemnościach) objętość 40 dm³ zawierający tylko brzeczkę melasową o gęstości takiej samej jak poprzednio. Po namnazaniu przez 12-20h cała zawartość jest przekazywana na duży aparat Lindnera ( duży propagator) o pojemności 250 cm³ i kwasowości 4.6-4.8, a okres inkubacji trwa tu 16-24h.

Faza przemysłowa namnażania inokulum:

Kolejne fazy w skali półtechnicznej (fabrycznej) - Otrzymywanie kultury matecznej przebiega w czterech generacjach: A, B, I i II, czasami jest też kadź generacji K. Czysta kultura (otrzymana w duzym propagatorze) jest przekazywana w całości do kadzi generacji A zawierającą brzeczkę melasową w ilości 150-250 kg melasy. Proces namnażania trwa 10-14h, bez napowietrzania. Wytworzona ciemna biomasa drożdżowa służy do zaszczepienia (jako inoculum) kadzi generacji B zawierającą melasę w ilości 500-1000kg. Stosuje się tu lekkie napowietrzanie, a proces namnażania trwa 8-10h. Następnie całość przenosi się do kadzi generacji I (względnie drożdże kadzi generacji B poddaje się zagęszczeniu przepuszczając przez wirówki uzyskując mleczko drożdżowe stosowane do zaszczepienia kadzi generacji I) ilość melasy w kadzi generacji I waha się od 2-3ton, proces trwa tu 8-10h i następuje tu intensywne napowietrzanie. Dokładnie oddzielone od podłoża drożdże (gęstwa drożdżowa) w ilości 15-20% służy zaszczepieniu kadzi generacji II (gęstwa drożdżowa jest rozpuszczona w wodzie; melasa w ilości 3-4t, intensywnie napowietrzana, czas przeprowadzania procesu namnazania to ok. 10h). Drożdże następnie ulegają odprasowaniu a uzyskana biomasa służy do zaszczepieniu kadzi drożdżowych. Namnażanie drożdży w kadziach drożdżowych nie za każdym razem wymaga wyprowadzenia czystej kultury, może ona służyć do kilku kolejnych szarży. Technicznie czysta kultura z kadzi generacji B zanim zostaną wykorzystane do zaszczepienia kadzi generacji I jest częściowo (ok. 10%) odbierana do pojemnika, traktowana rozcieńczonym H₂SO₄ (zabijane są bakterie i słabsze komórki drożdży). Takie oczyszczone i wzmocnione drożdże służą do zaszczepienia kadzi generacji A w następnym cyklu wyprowadzania kultury matecznej do kadzi generacji II. Do kadzi drożdżowniczych – tutaj podukcja drożdży handlowych. Drożdże odprasowane so zaszczepienia w ilości 15-20% w stosunku do melasy użytej do produkcji brzeczki melasowej. Hodowla w tych kadziach w temp. 28-30°C. Po upływie określonej ilości rotacji wyprowadza się czystą kulturę. Kadź drożdżową zaszczepia się 10-15% drożdży w stosunku do użytej melasy. Wyjściowy odczyn pH brzeczki to 5.6 -6, w pierwszym okresie napowietrzanie w wielkości 40-45 m³ powietrza sterylnego/m³ pożywki/godz. W okresie kolejnych 3-10h napowietrzanie wzrasta do maxymalnego: 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. Oddzielenie brzeczki melasowej to 2 etapy: pierwszy – odwirowanie brzeczki na wirówkach z ciągłym przepływem, one powodują zagęszczenie zawiesiny drożdży, otrzymuje się mleczko drożdżowe. Ono jest jeszcze dwukrotnie przemywane wodą (opłukiwanie podłoza). Po pierwszym odpłukaniu drożdże przemywa się kolejną ilością wody. 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 nadciśnieniem, po czym prasy są rozmontowywane, płótno filtracyjne odciągane, myte i wykorzystywane – masę drożdżową zdrapujemy do pojemników (od 25-30% suchej masy) zawierają wilgotność 70%. Ostatnim etapem jest formowanie kostek przy udziale odpowiednich aparatów formierskich. Produkuje się kostki o m=0.5kg do celów hurtowych lub pakowane w folie aluminiową o m=50g do celów detalicznych. Wydajność produkcji drożdży prasowanych o zawartości suchej masy 25% kształtuje się na poziomie 70% do melasy ( ze 100kg melasy uzyskujemy 75kg drożdzy w postaci niezupełnie suchej masy) 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 (zdolność do zachowania właściwej konsystencji i właściwości enzymatycznych prasowanych drożdży) jest tym większa, im dłużej zachowują swą kondycję fizjologiczną.Drożdże składowane w magazynach w temperaturze +2 do +4°C – ich trwałość nie jest zbyt wysoka.

Drożdże przeznaczone do suszenia (wtedy drożdże mogą zachować swoje właściwości do 6 miesięcy) muszą się charakteryzować wysokimi parametrami siły pędnej (do 65 minut – powyżej drożdeże SA niodpowiednie do suszenia), trwałości (powyżej 140), w temp. 35° 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 lub komorowych w temperaturze 32-38 ^oC. Po wysuszeniu drożdże zawierają ok. 10% wody,90% suchej masy 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 zaburzenia w produkcji, produkują biomasę , która nie jest przydatna i 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 mesentenoides powoduje powstawanie dekstranów i śluzu;

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

   - grzyby strzępkowe, nitkowate, pleśniowe jak Geotrichium candidum, Aspergillus i Penicillium atakują finalny produkt na powierzchni i powoduje, a obniżenie jego trwałości. W produkcji drożdży dobrej jakości preparaty suche – duża aktywność: ulepszenie cech drożdży metodą mieszanie drożdży i bakterii mlekowych – jako probiotyk wzbogacają.

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 (wyhodowanego na obszarze 1ha) można zastąpić 600t drożdży paszowych, które można uzyskać z 3t melasy w jednej kadzi w ciągu 12h. Wywar pofermentacyjny jest uzupełniany pewną ilością melasy i poddawany drożdżowaniu i otrzymujemy drożdże paszowe.

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

Proces ich produkcji jest wyjątkowo ekonomiczny. Przy produkcji drożdży paszowych stosuje się substraty ściśle odpadowe, (bardzo rzadko jest to melasa) nie mające innego zastosowania i mogące zostać drożdżowane, np. węglowodany (pentozy i heksozy), kwasy organiczne, alkohole, produkty odpadowe przemysłu celulozowego: hydrolizaty drzewne, wywar spirytusowy, ścieki fenolowe – uzyskujemy odtoksycznienie ścieków a także pewną ilość białka. 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. Rozwój drożdży odbywa się na pożywkach płynnych bardzo napowietrzanych (bo drożdże paszowe to tlenowce). Różnicą technologiczną w porównaniu z produkcją drożdży piekarnianych jest produkt końcowy: drożdże piekarnicze to masa odwodniona- tak jest w notatkach, a nie żezawierają dużo wilgoci, podczas gdy drożdże paszowe występują jedynie w stanie suchym w postaci masy sproszkowanej. 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. Największym elementem jest komora suszarnicza, gdzie mleczko podobnie jak powietrze rozpylane jest na zasadzie aerozolu – powietrze wdmuchiwane – przechodzi przez filtr – wentylator zaciąga przez filtr powietrze, a z drugiej strony jest usuwane, odbierane do odpowiedniego zasobnika temp. 50-60°C (do 70°C). Masa drożdżowa jest gwałtownie suszona i opada na dno. Tak wysuszone drożdże są przechowywane w beczkach lub workach polietylenowych hermetycznie zamykanych, 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 użytego do produkcji cukru. Niekiedy drożdże paszowe dodawane są do produktów spożywczych m.in. do czekolady. Stanowić mogą one również podstawę do produkcji preparatów enzymatycznych lub witamin.

Pozyskiwanie tłuszczu:

Przez odpowiednie przestawienie metabolizmu komórek można uzyskać drożdże o zwiększonej biosyntezie tłuszczy. Taki efekt można uzyskać np. poprzez zmianę środowiska: w warunkach wysokiego stężenia cukru i soli fosforowych i dużo O₂ – wtedy syntetyzowanych jest więcej substancji tłuszczowych. Dawniej do produkcji tłuszczu wykorzystywano Trihosporon pullulans (II wojna św.), obecnie znacznie lepsze wyniki daje Rhodotorula glutinis wytwarzająca 60% tłuszczu w stosunku do swojej masy lub Lipomyces lipoferus czy Lipomyces starkeyi 50-63% tłuszczu w stosunku do swojej masy. Niektóre drożdże produkują witaminy jak witamina B2 (ryboflawina) wytwarzana przez drożdżaki Ashbya gossipii i grzyby niższe Eremothecium ashbyii. Wykorzystują one różne cukry proste uzupełnione ekstraktem drożdżowym lub namokiem kukurydzy jako źródło azotu. Produkcje prowadzi się w temperaturze 25-26°C, roztwór 2% cukru, w czasie 3-4 dni). Ilość wytworzonej B2 - 100µg/cm³ (1g/dm³). Witaminę B2 wytwarza również Candida guilliermondii. Ergosterol może być również produkowany przez drożdże tj. Saccharomyces cerevisiae (zamienia się on pod wpływem światła w witaminę D).

fermentacje bakteryjne:

VI. BIOSYNTEZA KWASU OCTOWEGO

Fermentacja octowa- jest to proces przemiany alkoholu etylowego w kwas octowy, jest procesem tlenowym, w którym bakterie tlenowe korzystają z tlenu cząsteczkowego - powstaje produkt niezupełnego spalania (tutaj podobieństwo do fermentacji) dlatego zwany pseudofermentacją.

Proces znany był od bardzo dawna, prawdopodobnie można było sądzić, że było to dzieło przypadku. Wykorzystay jest do celów kulinarnych, do utrwalania żywności, wszelakiego rodzaju marynaty. 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, 1927 r. podzielił bakterie kwasu octowego Acetobacter na 4 grupy (Acetobacter);

• Brzeczkowe

• Piwne

• Winne

• Szybko fermentujące

Później Frater 1950 r 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- mna podstawie badań Assay wydzielono obecnie jako oddzielny rodzaj Gluconobacter.

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;

• 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 towióry 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 octowyAnguilla aceti nicień widzialny gołym okiem, żyworodny, szybko rozmnażający się W occie w 3,5-8% samica daje potomstwo około 40. Może żyć długo w occie 9-10% ale nie rozmnaża się .Nie powoduje szkód w gotowym occie, prawdopodobnie żywi się martwymi bakteriami octowymi, wpływa niekorzystnie na klarowność roztworu i nie jest akceptowany przez konsumentów. Nie osłabia octu w przetwornikach, znaczna ilosc wegorkow pojawia sie w okresach zwolnienia fermentacji w generatorach Fringsa, a nie wystepuje w acetowniach. Występuje tylko w metodzie powierzchniowej, orleańskiej we wgłębnej go nie ma.

Pośrednie szkodniki:

• Muszki octowe Drosophila fenestrarum- około 2,5-3mm 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 ciemnobrazowa, dla której właściwym środowiskiem są gnijące lub spleśniałe podłoża organiczne. Nie są bezpośrednimi szkodnikami, ale mogą roznosić szkodliwe mikroflory, zwłaszcza bakterie nadoctujące.

Wykorzystanie bakterii octowych poza octownictwem:

Do produkcji;

• L-sorbozy

• Dihydroksyacetonu

• Kwasu D-winowego

Największe zastosowaanie ma tutaj Gluconobacter oxydans oraz A.aceti i A.xylinum. L-sorbozę otrzymuje się z D-sorbitolu. 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 makro i mikroelementy 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). Gluconobacter oksydans powoduje odwodorowanie gliceroli, proces ten tez moga prowadzic inne bakterie. Oprócz glicerolu stosowanego w stężeniu 6% dodaje się wode drożdżową i prpwadzi proces w tem. 20C przy pH 5,5-7. Uzyskuje się stosunkowo wysoka wydajność około 95%.

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

Kwas winowy:

VII. FERMENTACJA MLEKOWA

WYKORZYSTANIE BAKTERII MLEKOWYCH

Fermentacja mlekowa przeprowadzana przez grupę bakterii mlekowych tj mających zdolność tworzenia kwasu mlekowego. Z efektem działania bakterii mlekowych człowiek zetknął się po przejściu na pastwiskowy tryb życia. Pierwsza kulturę wyodrębnił Listerw 1880 i był to Streptococcus lactis (obecnieLactococcus 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.

Pierwsza kulturę wyodrębnił Lister w 1880r. i był to Streptococcus lactis (obecnieLactococcus lactis).

Znane są cztery główne rodzaje: Lactobacillus(a właściwie Lactobacterium -pałeczki a nie laseczki) , Lactococcus-ziarniak, Leuconostoc, Pediococcus.

Praktycznie ta grupa często rozszerzana o Bifidobacterium, Corynebacterium, Enterococcus, Bacillus, Propionibacterium, Streptococcus, Sporolactobacillus 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 (wyjątki Streptococcus faecalis subsp. liquefaciens)

• Względnie beztlenowe (niektóre rozwijają się w warunkach beztlenowych ale tlen nie jest zabójczy), są zaliczane do mikroaerofili

• są heterotrofami

• Brak wytwarzania katalazy

• Niektóre są mezofilami lub termofilami

• Mają dość duże wymagania odżywcze, ciężko je hodować, najlepiej rozwijają się na podłożach naturalnych tj. mleko, brzeczka,serwatka itp.

• Pałeczki są bardziej wybredne ziarniaki mniej i mogą być hodowane na podłożach syntetycznych- sztucznych ,ale hodowla bardzo trudna

• Kwaśne hydrolizaty białkowe nie mogą być używane do podłoży bo niektóre aminokwasy ulegają wtedy degradacji np. tyrozyna. Lactobacillus delbrückii ssp. bulgaricus nie rośnie na pożywce bez tyrozyny. Ta wybiórczość pozwala na to, ze szczepy stosowane są do biologicznego oznaczania aminokwasów czy witamin.

Podział systematyczny bakterii mlekowych w ujęciu Orla Jensena:

• Bakterie właściwej fermentacji mlekowej:

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

• Streptococcus (Lactococcus)

• Streptobacterium(Lactotobacillus, Lactobacterium)

• Thermobacterium (Łactobacillus, Lactobacterium)

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

• Betacoccus (Leuconostoc)- występuje poza mlekiem na materiale roślinnym

• Betabacterium (Lactobacillus)

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

• Bakterie pseudofermentacji mlekowej- obok kwasu mlekowego wytwarzają alkohol etylowy, CO2, kwas octowy, glicerol , H2, itd.

• Tetracoccus (Micrococcus)

• Microbacterium

LACTOCOCCUS charakterystyka

• Prowadzi homofermentację mlekową

• Pewne gatunki np. Lactobacillus uwazane za homofermentatywne są obecnie uważanie za względnie heterofermentatywne, bo w tlenowych warunkach wytwrarzają octan i acetoinę.

• Ziarniaki mlekowe, przedstawicielem Lactococcus lactis subsp. lactis paciorkowiec mleczny, ma zdolność wytwarzania kwasu mlekowego do 1%, zapoczątkowuje kwaśnienie mleka

• Lactococcus lactis subsp.cremoris paciorkowiec śmietanowy, 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%) (drugi etap kwaszenie mleka i prowadzą go dalej)

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

• Zwykle mają tez wysoka zdolność hydrolizy białek - proteolityczna 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

• Reprezentanci: Lactobacillus casei ssp. casei

Pałeczki produkujące kwas mlekowy:

Lactobacillus (Thermobacterium) czyli laktobakterie są to homofermentacyjne pałeczki mlekowe, wysokie optima temperaturowe - termofile. Występują pospolicie w mleku klimatu ciepłego. rozwijają się one wolniej niż ziarniaki, ale zakwaszają lepiej (do 1,5%). Prowadzą drugi etap fermentacji, kwaszenia mleka i prowadza go dalej. Maja zdolność rozwijania sie w nizszych temperaturach (serowarstwo) - proteolityczne właściwości, rozkładają białka do aminokwasów. Wykorzystywane są w serowarstwie, gdyż mogą pracować w niskim zakresie temperatur.

Lactobacillus delbrücki ssp bulgaricus - długie pałeczkie 4-5 mikrometra obecne w jogurcie, wymagają optimum temp 40-42C. Produkuje 1,6% kwasu mlekowego. Występują pospolicie w mleku klimatu ciepłego, w rejonie basenu morza Śródziemnego.

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 - termofile.

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.Jeden z podstawowych szczepów do produkcji kwasu mlekowego.

Bakterie heterofermentacji mlekowej:

Dawnej Betacoccus, teraz Leuconostoc jest to ziarniak,zbliżony do Lactococcus. Oprócz kwasu mlekowego tworzą inne produkty takie jak: kwas octowy, alkohol etylowy, CO2 etc. Różnią sie od Lactococcus występowaniem, Leuconostoc wystepuje na roślinach, burakach kapuście. Nigdy nie występują w mleku. W roślinach (w kapuście) produkują lewoskrętny kwas mlekowy. Niektóre są fabrycznie wykorzystywane do produkcji dekstranu. Powodują chorobę skrzekową.

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

Bakterie pseudofermentacji mlekowej:

Dawniej Thetracoccus, teraz Micrococcus 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 - przebieg identyczny jak fermentacja octowa, glikoliza - kwas pirogronowy ulega redukcji przy udziale dehydrogenazy mleczanowej do kwasu mlekowego SCHEMAT 27

b) heterofermentacja mlekowa - oprócz kwasu mlekowego powstają inne produkty. Glukoza jest rozszczepiana na dwie triozy (aldehyd glicerynowy i dihydroksyaceton), te triozy są w stanie równowagi enzymatycznej, uwodornienie jednej z trioz daje glicerol,. Aldehyd glicerynowy ulega odwodornieniu dajac kwas pirogronowy przy udziale dehydrogenazy mleczanowej (uwodornienie) i powstaje kwas mlekowy, dekarboksyalcja kwasu pirogronowego daje aldehyd octowy, który po uwodnieniu daje wodzian aldehydu octowego, ulega on odwodornieniu dając kwas octowy SHEMAT 27

Z aldehydu fosfoglicerynowego powstają:

• kwas mlekowy - glówny produkt finalny

• alkohol etylowy

• kw. octowy

Z fosfodihydroksyacetonu powstaje :

• glicerol

Obecnie wróżniamy mikroorganizmy, które prowadzą procesy:

- w których powstaje tylko kwas mlekowy

- w których kwas mlekowy jest jednym z elementów

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 1764 r. chemik szwedzki Scheele w surowym mleku, stąd pochodzi nazwa kwasu mlekowego, natomiast w 1847 wyodrębnił go Ristel jako produkt finalny procesu fermentacyjnego. Pierwsza praca Pasteura dotyczyła stereometrii kwasu mlekowego. Wyodrębnił on Streptococcus (dzisiejsza nazwa Lactococcus) lactis

Metody produkcji:

a) chemiczna – na hydrolizie laktonitrylu (cyjanonityna aldehydu octowego) wypierana przez biotechnologiczną

b) biotechnologiczna (około 90%)

Roczna wydajność obu metod wynosi 100tys. ton (10% synteza chemiczna)

Kwas mlekowy - 2-hydroksypropionowy ma 3 odmiany: SCHEMAT 28

1) D(-) lewoskrętna

2) L(+) prawoskrętna

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

L,D-albo (+), albo (-)

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

Lewoskrętny: Leconostoc mesenteroides, Lactobacillus leichmanii

Ad2 Prawoskrętny jest w pełni przyswajany przez organizm ludzki i zwierzeta

Prawoskrętny: Lactococus lactis, Lactobacillus rhamnosus

Ad3 Chemicznie otrzymujemy mieszanine racemiczną 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 (kukurydzy lub ziemniaków)

- inulina - po zhydrolizowaniu enzymu

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

Produkcja kwasu z serwatki:

• weglowodan - laktoza, podstawowy cukier.

• bakterie które uzywaja laktoze -Lactobacillus derbrückii ssp. bulgaricus (częście występuje w skali fabrycznej) lub Lactobacillus helveticus

• Odfermentowują serwatkę naturalna i permeat serwatkowy (pozostałość po odbiałczaniu serwatki metoda ultrafiltracji) tutaj jest laktoza i sole minetalne.

• 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 (kiedyś przez postój teraz wirowanie) do namnażania odpowiedniej dużej ilości inoculum w ilości ( 4,5 % laktozy, około 2,5 % ..., 5% tłuszczu) 1dm3 mleka inkubuje się w 43°C przez 24h.

2) Po tym czasie cała zawartość 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 całe inoculum - kulturę zarodową na 42-45 h w temperaturze 43°C.

Prowadzi sie okresowe zobojętnianie kwasu mlekowego, by nie ustala fermentacja (ponieważ bakterie są bardzo wrazliwe na kwas). Po upływie 6h wprowadza się porcję CaOH2- wapno gaszone, zamienia on kwas mlekowy w mleczan wapnia.

Dodajemy go aż do momentu kiedy będzie 0,6% max ilość kwasu mlekowego wolnego. dzieki temu proces ukwaszania mozę być przedłuzony Większa ilość kwasu może niszczyć bakterie. Granica ich wytrzymałości to 2%, wtedy ustaje zamiana glukozy w kwas mlekowy.

• Po upływie 42h zacier pofermentacyjny neutralizuje się całkowicie CaOH2, aby większość kwasu została związana. (0,1% pozostaje)

• Zacier jest ogrzewany do 95°C za pomocą gorącej pary co niszczy bakterie, które nie są już potrzebne i wytraca substraty białkowe do osadu.

• Płyn znad osadu (sie dekanduje) przeprowadza się do innej kadzi, gdzie dodaje się CaOH2w 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- - bo czesc zanieczyszczen została i trzeba je usunąc), a następnie zakwaszanie kwasem mlekowym do 0,05%nadmiaru.

• Roztwór mleczanu wapnia ulega dalszemu oczyszczaniu po dodaniu ziemi okrzemkowej i węgla aktywnego. Węgiel aktywny absorbuje zanieczyszczenia , jednak jest on na tyle czysty i moze byc jeszcze uzyty.

• 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. (Obnizenie temperatury wrzenia wody)

• Proces prowadzimy aż roztwór osiągnie gęstość mierzona areometrem wynosi 15°Baume (używane do określania gęstości NaCl, % zawartosć NaCl w roztworze wodnym),

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 SCHEMAT 29

• Krystalizator metalowy z stali nierdzewnej, naczynie o dużej powierzchni, ma podwójne ściany miedzy którymi cyrkuluje woda- mozna latwo oziębić roztwór do odpowiedniej temperatury

• obniżenie temp do 10-15°C.

• 150 dm3 pojemność krystalizatorów ,które są płaskie (chodzi po powierzchnię) naczynia wypełnia się mlecznem wapnia.

• Czas krystalizacji 10-12h

• Wypadanie z roztworu kryształów mleczanu wapnia, które trafiają do wirówki. w celu oddzielenia kryształów od roztworu, odciek po odwirowaniu jest zawracany do nastepnej partii mleczanu, która przychodzi

• 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 niewielkiej ilosci wody w temperaturze 66°C Wprowadza się środki klarujące czyli ziemię okrzemkową, węgiel aktywny w odpowiednich ilosciach, po wymieszaniu roztwór trafia na filtr, który oddziela osad, który odrzucamy. Odfiltrowany przesącz znów trafia do krystalizacji następuje zagęszczanie do 11° Baume na 11-12h. Krystalizacja w takich samych warunkach. 10-15 °C

Po odfiltrowaniu powstają kryształy kwasu mlekowego, które są przemywane, a odciek jest zawracany. Uzyskane kryształy sa finalnie oczyszczone, potem sa suszone i kierowane do produkcji. Kryształy ulęgają czyszczeniu i rozszczepianiu pod wpływem siarczanu,powstaje wówczas gips - nierozpuszczalny siarczan wapnia CaSO4.

Odmiany handlowe kwasu mlekowego:

a) techniczny- najmniej oczyszczony, niekrystalizowany. Z mleczanu wapnia po dodaniu ziemi okrzemkowej i węgla zageszczany jest do 13stopni Be', rozszczepia sie po oddzieleniu gipsu. Ma ciemny- brązowy kolor. Wyjściowe stężenie 22% kwasu mlekowego, moze byc zageszczony - ostateczna zawartość 44-50%. Pakowany do beczek z tworzywa sztucznego i rozprowadzany.

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

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

Produkcja kwasu mlekowego na melasie:

Lactobacillus rhamnosus – jest to pałeczka mlekowa dość duza o wysokiej aktywności fermentacji sacharozy i glukozy do kwasu mlekowego. Kilka etapów.

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 podłoza

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

• Okresowo neutralizuje się kwas mlekowy by nie hamować fermentacji stosuje sie weglan wapnia - krede (CaCO2 to neutralizator, który zamienia kwas na mleczan wapnia)

• 5-10 dni trwa fermentacja (zależy od jakości melasy). Cała ilość węglowodanów przemieniana jest na kwas mlekowy, wobec tego proces fermentacji moze byc zakonczony.

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

• Zacier traktuje się CaCO2 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 - 15% 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 melasy. Aby uzyskać inne kwasy krystalizujemy.

Usprawnienia do procesów fermentacji zarówno w skali laboratoryjnej jak i technicznej. Metoda produkcji kwasu mlekowego jak i odzyskiwanie go i oczyszczanie po fermentacji.

• Fermentacja wsadowa(okresowa)- batch fermentation

• Fermentacja półokresowa - ciągle doprowadzanie pożywki do fermentatora - fed-batch fermentation, feed-batch fermentation

• Fermentacja ciągła - odprowadzanie w sposób ciągły płynu pofermentacyjnego z biomasą. Prowadzona w bioreaktorze przepływowym zasilanym ciągle pożywką - continuous fermentation

• 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. continious fermentation with cell recycling

Modyfikacje w procesie produkcji kwasu mlekowego:

(takie jak hodowla ciągła, pół ciągła) mogą wykorzystywać zarówno wolne komórki jak i immobilizowane, czyli bakteryjne kom unieruchomione na nośniku. 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, najczesciej pianka.

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: 130 tys ton rocznie i wzrasta. Najczęściej stosowana jest metoda biosyntezy kwasu mlekowego- metoda biotechnologiczna 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 Aquavit. W Polsce produkowane jest 2 tys ton rocznie, pokrywa 50% zapotrzebowania. Jego niedobór to kolejne 2tys ton. W Lesznie produkcja odbywa się na bazie cukru białego przy użyciu bakterii Lactobacillus rhamnosus. 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-bejca-zaprawa do barwienia tkanin

-wyrób mas elastycznych

-produkcja biodegradowalnych folii - polimery

• Mleczan żelazowy –przemysł farmaceutyczny

• Mleczan sodowy- w medycynie jako lek

• Mleczan miedziowy- znaczenie metodach galwano plastyki

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

-prod chleba i innego pieczywa pszennego

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

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. przy schorzeniach watroby, nerek, trzustki nie mozna podawac octu, zastapienie go kwasem mlekowym, zapobiega chorobom ukladu pokarmowego. Nalezy zastepowac ocet kwasem mlekowym lub mieszanina tych kwasow.

• konserwowanie mięsa, przetworów roślinnych

Konserwowanie pasz zwierzęcych lub jako dodatek do wody pitnej dla zwierząt zwiększa ich żywotność jest prebiotykiem- sprzyja rozwojowi korzystnej mikroflory, wzrost masy- aktywuje enzymy trawienne, zapobiega biegunkom, sprzyja przyrostowi masy mięsnej przez aktywowanie enzymów trawiennych.

PREBIOTYKI- substancje chemiczne, umozliwiaja rozwoj korzystnej mikroflory bakteryjnej.

PROBIOTYKI- same bakterie, niektóre wpływaja korzystnie

SYMBIOTYKI-połaczenie probiotykow z prebiotykami, podawane w celu przywrocenia mikroflory prawidłowej (składnik prebiotyczny aktywuje skladnik probiotyczny)

NUTRACEUTYKI- suplementy diety - maja wartosci zywieniowe i substancje dodatkowe- witamina E, flawonoidy, polifenole, wielonienasycone kwasy tłuszczowe np. omega-3.

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

DEKSTRAN

Metoda produkcji dekstranu - zwiazek polisacharydowy, z wykorzystaniem ziarniaków mlekowych została opatentowana w 1953 roku przez Grunwall i Ingelmana , 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-glukopiranozy 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, przypomina gumy roslinne. Poddany hydrolizie rozpada się na D- glukozę. Występuje w postaci otoczek śluzowych wytwarzanych przez bakterieLeuconostoc mesenteroides ssp. mesenteroides i ssp. dextranicum. Dekstran jest wytwarzany z glukozy podczas hydrolizy sacharozy za pośrednictwem enzymu dekstranosacharazy=sacharoza dekstranowa = glukozylotransferaza (GTF). SCHEMAT 30Enzym ten wytwarzany przez heterofermentatywne ziarniaki Leuconostoc mesenteroides ssp. mesenteroides (Polak- Leon Cienkowski ja opisał w 18..r.) - bakteria żabiego skrzeku niebezpieczna w cukrowni.

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.

GTF-kodowane przez odpowiednie geny, odpowiedzialne za synteze rozpuszczalnego dekstranu, ma dwie aktywnosci: Enzym ma aktywność inwertazy (rozkłada sacharozę na glukozę i fruktozę) i transferazy (przenosi glukozę na następna cząsteczka glukozy lub inna czasteczke glukozy a fruktoza produkt uboczny na dekstran).

Odpowiednio aktywne szczepy Leuconostoc mesenteroides są w stanie wytworzyc do 40% dekstranu w stosunku do uzytej sacharozy; bakterie heterofermentacji mlekowej- oprócz dekstranu wytwarzja kwas mlekowy, kwas octowy, etanol, mannitol, fruktoze jako produkt uboczny.

Zastosowanie dekstranu:

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

2. ze względu na właściwości emulgujące i dużą lepkość –zastepuje gumr roslinne.

6. 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. 20-26⁰c

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, tak aby uzyskac odpowiednia mase jednostkowa, 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- on zastępuje osocze krwi.

Produkcja dekstranu metodą enzymatyczną.

W miejsce bakterii stosuje się produkowany przez nie zewnątrzkomórkowy enzym glukozylotransferazę dekstran z sacharozy.

W Polsce pierwszy zakład produkujacy dekstran zanjduje sie w Kutnie - polfa Kutno S.A. 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 300- tylw wzrosł asortyment.

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

-mrożonej

-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 (niezabezpieczone) 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- jezeli nie jednolity w mleku znajduja sie bakterie gnilne.

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 okreslonej ilosci czasu.(klsycznie)

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 delbrückii ssp. bulgaricum (służy do produkcji kwasu mlekowego z serwatki), Lactobacillus helveticum, czasem wzbogacona o Lactobacillus acidophilus, Bifidobacterium bifidum, ziarniaki: Streptococus selivarius sus.p thermophilus (uczestniczy w przemianie cukrów na kwas mlekowy) Duże znaczenie dietetyczne, jest zdrowym napojem, reguluje problemy żołądkowe i jelitowe w jelicie grubym, tu znajduje sie mikroflora grzybow nizszych i bakterii gnilnych, króre sa niepozadane.

Lactobacillus acidophilus – naturalny składnik mikroflory (lakcid, trilac, acidolac) wydziela substancje p/bakteryją acydofilinę – bakteriocynę (wysokie spektrum dziłania), zdolność do wytwarzania vit B, nie wrażliwy na antybiotyki

Lactobacillus acidophilus lub Bifidobacterium bifidum 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 bifidum– 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 do 1900roku

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

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

HUŚLANKA:

Produkt z południowo zachodniej czesci 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. mleko przypominajace jogurt.

KEFIR:

Ojczyzna jest Kaukaz. Produkcja na całym świecie. Powstaje w procesie złozonej fermentacji: mlekowej i alkoholowej dzieki drożdze mleczne. Jest wiec produktem bakterio-drozdżowym lub produktem fermentacji alkoholowo mlekowej.Kiedyś 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 pałeczki mlekowe Lactobacillus delbrückii ssp burgaricus, Lactobacilus kefir, Laktobacillus kefiranofaciens, Lactobacillus brevis, oraz Drożdże: Candida kefir oraz Cluyveromyces fragilis. W Olsztynie- zagłębie fermentacji mlekowej w Polsce, produkcja czystych kultur np. ziaren kefirowych. Ziarna mozna było używać wielokrotnie

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. U nas nie jest raczej w obrocie handlowym, w Azji i Mongolii jest dość popularny. Zawiera do kilku procent alkoholu bo mleko klacze zawiera więcej laktozy. Torula kumys, Lactobacillus delbrückii spp. bulgaricus

LEBEN:

Produkowany z mleka krowiego, koziego albo bawole, północna Afryka i Azja mniejsza- Egipt, Syria, Algeria, 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. Mleko moze byc zastepowanie mlekiem w proszku.

MAŚLARSTWO:

Ukwaszenie śmietany, która służy do wyrobu masła. 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. Do produkcji ukwaszania nie stosujemy tylko bakterii homofermentacji mlekowej ponieważ nie chodzi tylko o ukwaszenie. Oprócz podkwaszania ważne są też cenne walory zapachowe – wytwarzanie diacetylu, 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, Leuconostoc mesenteroides ssp. dextranicum.Dzięki temu nastepuje zakwaszenie środowiska i powstaja substancje zapachowe. Kultury te mogą być używane z Lactococcuc lactis ssp lactis.

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

Zakwas: do mleka chudego dodaje się 5-10% ukwaszonej śmietanki z poprzedniej szarży, która jest ukwasza na matecznikach. Najpierw się ją pasteryzuje a następnie dodaje się czyste kultury zakwasu na 20-24h dobę w temp 20-25C. taki zakwas wykorzystuje się do przygotowania następnego innoculum a pozostała czesc stosuje sie do ukwaszenia śmietany, przeznaczonej do wyrobu na masło. Całość przetrzymujemy 17-20°C przez 24 h i kieruje się do zmaślania w aparatach do zmaŚlania.

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 twaróg. 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. SCHEMAT31

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 wytracenia kazeiny jest 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, nie ma obniżenia pH odczyn może być obojętny 6,0 – 6,5 pH, w wyniku działania podpuszczki na mleko otrzymuje sie sernik słodki, który w postaci parakazeinianu wapnia jest nie trwały . Sery twarde prasowane - musza dojrzec przez dłuzszy czas - noszą nazwe serów podpuszczkowych (sery twarde, prasowane)( szwajcarski lub holenderski) jak i sery miękkie nie prasowane (camembert, limburski),

Obecnie sery produkuje się z mleka pasteryzowanego - szczepionki serowarskie zawierajace konsorpcje drobnoustrojów bakterie mlekowe niezbedne w procesie dojrzewania serów. Otrzymuje się nie jednolity produkt ze względu na zniszczenie w mleku naturalnej mikroflory, o różnych właściwościach biochemicznych. Wystepują bakterie propionowe i grzyby strzępkowe.

Selekcja drobnoustrojów.

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 salivarius ssp thermophilius. Z tego szczepu otrzymuje sery twarde lub miękkie podpuszczkowe.

Sery miękkie mają znaczna zawartość wody a procesy dojrzewania charakteryzują się przenikaniem produktów fermentacji od zewnątrz do wnętrzaa sera.

Sery twarde charakteryzują się odmiennymi przemianami od wewnątrz 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 aminokwasyw wyniku rozkładu hydrolitycznego, czynny udział mikroflory bakterii mlekowych (czynny udział paciorkowców proteolitycznych), tłuszcze przechodzą w najmniejszym stopniu-naj mniej efektywne, ulegaja hydrolizie do gliceryny i wyzszych kwasów tłuszczowych.

Drożdże i grzyby strzepkowe maja największy udział w tych przemianach.

Zewnętrznymi obiawami jest powstawanie oczka w serze – tworzą się w wyniku wytrzania produktów gazowych przez bakterie hetero fermentacji mlekowej (oprócz kwasu mlekowego, CO2 i H2)oraz bakterie fermentacji propionowej.

Mikroflora w dojrzewaniu serów jest zróżnicowana. Głównie reprezentowana przez- bakterie: pałeczki i ziarniaki.

Dużą rolę odgrywaja bakterie fermentacji mlekowej - Lactobacillus helveticus oraz ziarniaki Sterptococus salivarius subsp. thermophilus oraz drożdże Candida i bakterie fermentacji propionowej z rodzaju Propionibacterium.

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

W serach miękkich (bryndza) udział maja nieprzetrwalnikujące Brevibacterium linens.-o bardzo dużej aktywności proteolitycznej. Ziarniaki Micrococcus.Drożdże Geotrichum candidum oraz pleśnie.

W przypadku nieprawidłowego dojrzewania rozwijają się także laseczki gnilne tlenowe i beztlenowe – Bacillus subtilis, i Clostridium . Ser pleśniowe - miękkie dojrzewające przy udziale grzybów nitkowych- znane francuskie- Cammobeurt, Roqueford, angielski siton, polski- Rolepol. Commani- grzyby . Penicillum camemberti zastosowano Penicillum caseicolum. Roquefort- Penicillum roqueforti.

Grzyby wytwarzają charakterystyczne zielone konidia. Na powierzchni sera biała grzybnia, w warunkach beztlenowych tworzą sie zielone konidia. Te pleśni wytwarzja się wewnątrz masy serowej powodują przerosty- zielone lub zielononiebieskie Polski Rolepol.

Bakterie Brevibacterium linens- są to sery o kolorze czerwonym - barwnik tworzy sie od żóltego do czerwonego , własciwości proteolityczne - te bakterie w postaci czystych kultur i dodawane do dojrzłych serów.

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 – roqueforyna A – ma działanie antydepresyjne a także odznacza się zdolnością do wywoływania lokalnych znieczuleń.

Sery dojrzewają 3 miesiace, jezeli nie dojrzałe są trujące bo pleśnienie zachodzi w jelitach.

Zakłócenia w procesie dojrzewania, a wiec w procesie produkcji.

Szkodniki serownictwa:

-bakterie E. Coli –nadmierny rozwój, nieprawidłowe oczkowanie ( zamiast okrągłych i owalnych powstają szpary i spękania), gąbczastość serów - brak tekstury.

- bakterie masłowe Clostridium butyricum - nieprawidłowe oczkowanie, zapach zjełczałego tłuszczu, bo wytworzył sie kwas masłowy.

- występowanie zakażeń przez gatunki gnilne pałeczki Clostridium powodują zniszczenie masy serowej, głównie w serach typu ementaler, oraz rozwój drożdży Geotrichum i bakterii Micrococcus.

- powstawanie barwnych plam w wyniku działalności Pseudomanas aeruginosa

- rozwój Bacillus subtilis, B. cereus, B. brevi smoże spowodować wady smaku, gorzknienie serów

• czernienie serów jest spowodowane rozwojem gatunków drożdży

Utrwalenie produktów spożywczych pochodzenia roślinnego – kiszenie kapusty i ogórków

Kiszenie kapusty – domena przetwórstwo przemysłowego. Surowiec musi posiadac odpowiednią jakość. Szczególnie wartościowe są duże twarde główki odporne, o krótkich głąbach, jesne liście odporne na brunatnienie w brzegach o cienkim, zbloczkowanym unerwieniu. Zawartość cukru (słodkie) nie mniej niż 3%Witamina C (nie mniej niż 30mg%)jest też dość istotna powinno się stosować kapustę o odpowiednim stopniu dojrzałości i nieuszkodzenia w sposób mechaniczny.

Skład chemiczny:

- zmienny, zależny od odmiany warunków klimatycznych, gleby

- sucha masa 5,9 – 9% ?

- węglowodany: glukoza fruktoza (85% wszystkich węglowodanów w kapuście)., pozostała ilośc to glównie sacharoza.

- wolne aminokwasy, w tym egzogenne decydujące o wartości odżywczych

- niskokaloryczność

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

- witaminy – z grupy B tj. tiamina, pirydoksyna, kwas pantotenowy, kwas nikotynowy, Wit A,E,C (długo zachowuje swoją trwałość w kiszonej kapuście, działanie przeciw szkorbutowe)

- sok z kapusty zawiera wiele cennych składników(prawdopodobnie witaminy U - nie stwierdzono że jest w kiszonej kapuście w swierzej jest, ma własciwości antyrakotwórcze) 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, nitroz aminy, glukozoinolany

- w różnych produktach w wyniku dekarboksylacji odpowiednich aminokwasów: 200mg/kg Histamina- z histydyny, 95mg/ kg Tynamina z tyrozyny (głowne składniki kapusty kiszonej).

-w kapuście kiszonej – histamina (w wysokiej zawartości moze wywoływać bóle głowyi układu pokarmowego, czynnikami sprzyjającymi odkładaniu histaminy są sole i wysoka temperatura około 25 stopni C- kiszenie bakteriami Pediococcus rhamnosus.)

Badania wykazały ze kapusta dobrej jakości zawiera niewielkie ilości amin biogennych. Duża zawartość azotanów w kapuście sprzyja ich redukcji do azotynów które łączą się bezpośrednio z hemoglobiną i unieczynniaja ja jako czynnika przenoszącego tlen. Pośrednio łączą się z aminami II rzędowymi i tworzą nitrozoaminy- zwiazki o działaniu karcerogennym. W przypadku prawidłowej fermentacji nie ma azotynów w kiszonkach.

Glukozoinolany – ich ilosc w kapuście wynosi 0,1- 0,4 świerzej masy.

R-14 różnych podstawników. SCHEMAT 32 Gl-glukoza

związki te pod wpływem tioglukozydazy (inaczej mirozynazy) przekształcają się do aglikanówprzez odszczepienie glukozy, aglikon jest mniej stabilny i ulega dalszym przemianom. Nitryl, tiocyjanian, izotiocyjanian tworzą charakterystyczny aromat kapusty i mają właściwości przeciwnowotworowe w jelicie grubym. Niektóre wolnotwórcze- mutagenne, hepatotoksyczne i nefrotoksyczne.

Przerób kapusty to proces technologicznie mało skomplikowany. Zwykle 1-2 dni przed przerobem pozostawia się do samo zagrzania w pryzmach, aby się odbarwiły zielone liście. Usuwa się liście zew, wydłuża się głąby, i kieruje do szatkowania mechanicznego- wtęgi o długosci 1-3. Następnie kieruje się ją do kadzi wczesniej drewnianych teraz silosów betonowych wyłożonych glazurą, 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 (chodzi się) aby usunąć w maksymalnym stopniu powietrze. Powierzchnie ubitej kapusty przykrywa sie liścmi. Po szczelnym wypełnieniu zbiornika przykrywa się go pokrywą. Są to warunki które sprzyja rozwojowi bakterii fermentacji mlekowej, ale uczestniczą też inne bakterie i drożdże .

Metabioza- nastepstwo gatunków, jakie występują po drugich (jedne przygotowują grunt dla drugich).

Etapy produkcji kapusty.

• Zalewa oprócz NaCl zawiera inne składniki które stanowią doskonałą pożywkę dla drobnoustrojów,- intensywny rozwój mikroflory tlenowej drożdży i pleśni, które są wybitnymi tlenowcami Spośród bakterii G+ i G- przy czym pozostała mikroflora to- laseczki tlenowe z rodzajuBacillus, inne to : Pseudomonas, Enterobacter niegdyś Aerobacter, Flavobacterium Erwinia herbicola – swoim rozwojem w I fazie przyczynia się do powstania substancji aromatycznych, polepszających walory smakowo- zapachowe. Mikroflora wytwarza kwas mlekowy , mrówkowy, octowy, bursztynowy, także trochę alkocholu etylowego głownie dzieki drożdzom. W obecności alkocholu etylowego i kwasu powstaja estry, mające zanczenie w wytwarzaniu aromatu kapusty. Gazy- H2, CO2 niewiele metanu powodują ze sok fermentującej kapusty zaczyna się pienić, ilosć i obfitosć jest tym większa imm wyżasz jest temperatura. Temp kiszenia nie powinna być wyższa niż 20C- bo gdyby była wyższa powodowała by powstanie amin biogennych.

• Szybkie ograniczenie rozwoju mikroflory tlenowej (brak tlenu, obecność NaCl ogranicza to rozpuszczalność tlenu i rozwój bakterii. Mlekowe nie sa wrazliwe na dużą ilość NaCl, zwiększa się rozwój mikroflory i co za tym idzie wydzielanie do soku kwasu mlekowego. Nagromadzenie kwasu mlekowego, obniża się pH - zachamowany zostaje rozwój bakterii ponieważ mają one zdolnośc rozwoju w warunkach alkalicznych i neutralnych. 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. Metabioza.

• W trzecim etapie znaczenie maja bakterie homofermentacji mlekowe - pałeczki -Lactobacillus plantarum- wystepuja na materiale roślinnym. Wytrarzają niemal sam kwas mlekowy. optymalna temperatura około 20stopni C- ważne aby temperatura była utrzymywana na wym samym poziomie. Stężenie kwasu mlekowego wzrasta do 1,5-2%. Bakterie wytrzymują wysokie stężenie NaCl nawet do 12%, co jest korzystne dla procesu kiszenia. Inne bakterie.... Indol, skwatol, kwas indolilooctowy są wrazliwe na te zwiazki. One są odpowiedzialne za maxymalne tworzenie kwasu mlekowego.

• Pewne szczatkowe resztki węglowodanów przemieniane są na kwas mlekowy. Kluczową rolę odgrywa Lactobacillus brevis, który prowadzi heterofermentacje , utlenia trudno dostępne zwiazki węgla: 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. Powyżej tej wartości kapusta jest zbyt ostra. W tej fazie rozwijają się Pediococcus pentosaceus, P.acidilactici, Streptococcs faecalis (dwaniej Streptococcus liquefaciens). W sumie cały okres fermentacji mlekowej waha się od 3-5 tygodni. Różne odmiany kapusty- młodsze szybciej, późniejsze -dłuzej bo mają wiecej cukrów.

Nie stosuje sie raczej czystych kultur 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. Nie jesteśmy w stanie odtworzyć metabiozy.

Wady w czasie kiszenia kapusty

Związane z występowaniem niepożądanej mikroflory

- rozwój bakterii masłowych Clostridium butyricum-nie czesto sie ta wada ujawnia, zachodzi tylko przy dużych zaburzeniach procedury - endospory tej bakterii rozwijają sie w kwaśnym środowisku daje kapuście ostry zjełczały posmak masła i duże gazowanie.

- Enterobacter aerogenes w wyniku rozkładu białek gromadzi się indol i skatol, zmiana barwy np na czerwoną- drożdzaki z gatunku Aureobasidium pullulans.

- drożdże Aureobasidium pullulans – czernienie kapusty, Rhodotorula – czerwienienie kapusty od zóltego do czerwonego, wybitnie tlenowy, przeciwdziałanie - ubijanie i szczelne zamykanie(przykrywanie).

- Penicillium zielona barwa kapusty i niektóre Aspergillus

- drożdże kożuchujące Pichia anomala i względnie Candidia valida – w górnych warstwach kapusty - powodująśluzowacenie kapusty, szaro biały lub kremowy rozwój drożdzy kożuchowych, związane z produkcją śluzu przez te drożdże w kontakcie z powietrzem

Kiszenie ogórków

Ogórki kiszone:

• Ograniczona trwałość ogórków- tak mała ze w samym okresie pzrerobu jest potrezbny pośpiech.

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

• W przypadku ogórków fermentacja w zalewie zasolonej , która wprowadza sie do naczynia z zewnątrz, gdzie ogórki są kwaszone bardziej ubogie środowisko dlatego fermentacja jest ogranoiczona.

• Wybiera się niezbyt dojrzałe ogórki, pewne specjalne odmiany do kwaszenia- wyrośniete w sposób umiarkowany.

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

• zielone z niwielka ilościa jasnych miejsc

• Preferowane odmiany o małych komorach nasiennych, bez skłonnosci do tworzenia pustych komór

• Ogórki przed kiszeniem odcina sie spławki, moczy wstepnie (umycie surowca- wstepne nie radykalnie i dokładnie) gdyż przywraca im to jędrność bo szybko więdną. Po umyciu ogórki przed kiszeniem nakuwamy, po to by ułatwić mikroflorze dostep do ogórków.

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)

• W warunkach domowych w słoikach szklanych lub kamionkach

• Na spód, środek i na wierzch naczyń wprowadza się koper (2-3%), liście porzeczki winogronu, dębu cebule chrzan gorczycę pieprz czosnek, dla polepszenia, zaostrzenia smaku, wydzieleniu olejków – działanie bakteriobójcze, odcinają zalewę od powietrza, zapobiegają rozwojowi szkodliwej mikroflory.

• Mikroflora niebezpieczna to grzyby nitkowe i drozdze kozuchujące - wytwarzają olejki eteryczne, kawron- przez koper.

• Beczki zlewa się wodą z solą (4-10% soli ), wieksza niz w kapuście, najczesciej 8% NaCl.

• Czasem dodaje się pewną ilość cukru - sacharozy 1-2% w celu powiekszenia fermentacji mlekowej (poprawia jakosc)

• Woda o określonej twardości 10stopni N niemieckich – jony wapnia łączą się z pektyną co powoduje jędrność skórki ogórków, powinna miec odpowiednie własciwosci organoleptyczne.

• W przypadku mniejszej twardości dodaje się chlorek wapnia wyrazony w gramach na 1hl wody. 1N=1g CaO w 1hl wody. W Lublinie 12st.N, odpowiednia woda do zalewy to 10 stopni N. Jeżeli woda była gotowana należy zwiekszyc jej twardosc, najlepiej 12-15st N. jeżeli twardośc wody jest mniejsza. Jony Ca wiazą sie z kwasem pektynowym zawartym w ogórkach co zapewnia jędrność.

• Po wprowadzeniu zalewy ogórki przykrywa się je liścmi chrzanu, folią plastikową, niegdyś parafiną gazą i płytą z obciążnikiem (masa około 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. 20-22°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-wytwarza sładniki lotne i kwasy organiczne. Po wykorzystaniu tlenu pojawiają się bakterie fermentacji mlekowej i ziarniaki Leuconostoc mesenteroides, a później pałeczki Lactobacillus plantarum – ogólnie bakterie hetero fermentacji mlekowej (Lactobacillus brevis). Produktami ubocznymi są:kwas octowy, dwutlenek węgla, mannitol, dekstran.

W procesie kwaszenia ogórków wystepują drożdze- ich rola nie jest jednoznacznie oceniona- tworzy etanol który daje estry lecz takze bakterie heterofermentacji tworzą etanol i udział drożdzy nie jest koniczny.

Pleśnie i drożdże kożuchujące i drozdze strzepkowe sa niepozadane bo 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 (w jarzebinie 0,03-0,05%.) przeciwdziała rozwojowi drożdzy i plesni. Potem ich przeniesienie do osobnych pojemników.

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 wtedy ogórki sa w idealnym stanie. Drożdże też mają niewielki udział w kwaszeniu – tworzą alkohol, który w reakcji z kwasami daje estry.

W latach 80-tych w Polsce zaczęto prowadzić proces kiszenia w chłodzonych pomieszczeniach z uwzglednieniem chłodzenia zalewy. Pojemniki są hermetycznie zamykane, sa one metalowe lub z tworzywa sztucznego, leżą poziomo, dodaje się do nich przyprawy. W czasie wypełniania zbiorników jak i w procesie fermentacji temperatura w pomieszczeniach trwa 8-10°C, czas niezbedny do osiagniecia poziomu 0,7% kwasu mlekowego trwa 30-80 dni. Po czym następuje zmiana temperatury przechowywania na 5-7°C i taka temperatura juz do konca procesu. Otrzymuje się wtedy zawartość kwasów 0,8-1%. W temp 5-7°C aktywność enzymów proteolitycznych jest niższa niż w 25°C, ponadto nie powstają dziury w ogórkach bo CO2 ma niższą temperaturę i dzięki temu rozpuszcza się, nie powstają też substancje śluzowe bo rozwój bakteri wytwarzajacych sluz jest zachamowany. Bakterie mlekowe rozwijają się spokojnie w temp 7-10 ° C. Zachamowanie rozwoju bakterii masłowych i niektórych gazotwórczych. Przyszłość kiszenia jest związana z odpowiednim chłodzeniem. Usuwanie CO2 azotem- wtedy nie ma problemu.

Wady:

Mięknięcie powoduje największe straty. Utrata jędrności przy jednoczesnym tworzeniu pustych kanałów w srodku jest wynikiem rozpadu związków pektynowych – mogą powodować to grzyby plesniowe, które rozwijaja sie sa zrodłem enzymow proteolitycznych i cellulolitycznych , bądź zbyt mała ilość kwasów() można zmienić genetycznie rzeby nie miękły.

Protopektynaza – enzym rozkładający propektyny w rozpuszczonej w solance pektyne i powoduje miekniecie.

Zapobieganie: inhibitory enzymów proteolitycznych w formie dodawanych liści, unikanie wysokich temperatur, dodawanie chlorku wapnia (7,5 kg/litr) przed rozpoczęciem fermentacji. Jony Ca2+ łączą się z galaktouronbianem Jony wapnia uniemożliwiają hydrolityczną depolimeryzację, zapobiegają też przejściu formy spiralnej pektyny- estryfilu do liniowej- pektyniany. Chlorek wapnia skuteczny tylko przed rozpoczeciem fermentacji.

• 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 aerogenes

Podsumowanie działania bakterii mlekowych:

Najważniejsza jest jakość mikroflory w mleczarstwie. Obserwujemy standaryzację produkcji mlecznych fermentacji, dlatego potrzebne są dobre odmiany pozyskiwane na drodze genetycznych modyfikacji- o scisłych cechach. Bardzo ważne są: odporność na zakażenia fagami, odporność na antybiotyki, odpowiedni profil enzymatyczny- odpowiedni profil enzymatyczny określa zdolnośc do syntezysubstancji zapachowych, brak proteaz (odpowiedzialne za gorzki posmak), produkujące substancje smakowe i zapachowe. Konstrukcja bakterii o coraz lepszych właściwościach , jest przedmiotem prac wielu laboratoriów. 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

• Odkrywcą jest L. Pasteur w 1861r. – po raz pierwszy stwierdził istnienie życia bez dostępu tlenu anerobioza. To dowód, e nie ma samorództwa (obalenie teorii).

• Zjawisko to rozpowszechnione w przyrodzie , zachodzi nie tylko na drodze fermentacji węglowodanów ale też za pomocą kwasu mlekowego (mleczanów jako źródło węgla najczęsciej jako mleczan wapnia)

• Kwas masłowy to produkt uboczny podczas roszczenia lnu (moczenia),a także fermentacji cellulozy (błonnik),produkt przemian produkcji białkowych w procesie ich gnicia.

KWAS MASŁOWY:

• płyn

• Bezbarwny,

• o ostrym smaku,

• w większych stężeniach woń potu,

• kwas lotny (destyluje z kwasem octowym, mrówkowym, propionowym),

• W przyrodzie występuje w formie glicerydów (związki estrowe z gliceryną),składnik tłuszczów zwierzecych i roślinnych.

• Uwalnia kwas masłowy z glicerydów z masła, przyczynia się do jełczenia masła,

• Zastosowanie: cukrownictwo (gdzie zapachem jest acetobutyl ) , przemysł perfumeryjny jego estry mają owocowy zpach, różnorodne zapachy w zależności od użytego alkocholu w reakcjach, wyrób tworzyw sztucznych (jako acetylomaślan celulozy). We Francji kwas masłowy w mieszaninie z kwasem octowym-paliwo.

Pierwsze próby klasyfikacji podejmowł Beijerinck. Znane mu bakterie podzielił na 4 gatunki. Podził pierwotny: rodzaj =>Granulobacter (rozkład granulozy przed tworzeniem endosporów cukier podobny do skrobi, w reakcji granulozy z jodem daje granatowe zabarwienie). Granulloza- glikogen(podobny do skrobi)związek zapasowy, Dzisiaj : Clostridium (Adam Prażmowski [POLSKI AKCENT] zaproponował nazwę)

gatunki:

• Granulobacter saccharobutyricum =>Clostridium butyricum – kwas masłowy powstaje jako końcowy produkt fermentacji węglowodanów.

• Granulobacter lactobutyricum=>Clostridium butyricum– kwas masłowy powstaje z soli kwasu mlekowego.

• Granulobacter butyricum =>Clostridium butyricum-w fermentacji z substratu węglowodanowego wytwarza pośrednio kwas masłowy a następnie jest przekształcany w butanol.

• Granulobacter polymyxa =>Bacillus polymyxa– wytwarza niewielkie, śladowe ilości kwasu masłowego, dziś nie jest uznawany.

W późniejszym okresie Winogradsky – odkrył Clostridium pasteurianum – w glebie wiąże azot z powietrza.

Obecne bakterie toClostridium butylicum, pasteurianum, tyrobutyricum.

Morfologia:

• laseczki

• przetwalniki od 4-10mikrometra długości i 1,5-2 mikromerta szerokości.

• są zdolne do samodzielnego poruszania się dzięki obecności rzęsek (peritrichalnie), wyjątkowo nieruchliwe,

• Tworzą endospory-

• Ścisłe beztlenowce

• Endospory: centralne (wrzecionowate Clostridia), biegunowe (plectridium 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

• W okresie przed wytworzeniem endospor reagują z jodem, barwią się na niebiesko.

Pod względem fizjologicznym bakterie te to bezwzględne beztlenowce, mają zdolność przemiany węglowodanów i soli kwasu mlekowego na kwas masłowy, procesowi temu towarzyszy wydzielanie się H2 i CO2. Większość bakterii fermentacji maja zdolność wiązania N2. ph5,5-7, temperatura 42 stopnie C. Kwas masłowy nie podlega dalszym przekształceniom.

Proces fermentacji masłowej:

Teoria Cluyvera: podstawowe ogniwo, z którego w trakcie przemiany powstaje kwas masłowy jest aldehyd octowy. Najpierw cukry rozpadają się na triozy do kwasu pirogronowego, który ulega dekarboksylacji i powstaje aldehyd octowy. Doświadczenie wykonywane w środowisku gdy aldechyd był dostarczany z zewnątrz nastąpiło zahamowanie przemian.Proces powstania aldehydu octowego zachodzi sukcesywnie, nie gromadzi się, być może jest wiązany. Jeżeli w produkcji powstawał kwasu pirogronowy fermentacja przebiegała normalnie, a także stymulował ten proces.

SCHEMAT33 Przemiana polega na kondensacji 2 cząsteczek kwasu aldehydu octowego i powastaje aldehyd- beta-hydroksymasłowy, następnie zachodzi wewnątrzcząsteczkowe przegrupowanie w wodzian aldehydu krotonowego (nietrwały związek ma = wiązanie), następnie przekształcenie na drodze chemicznej w kwas masłowy- przemiana fermętacyjna która nie polega tylko na rozpadzie (desmolizie) ale procesach im towarzyszącym: wtórna kondensacja ze związków węglowych typu heksoz (C6) powastaja triozy, pentoz(C5)one rozpadają się na C2 i C1, następne na C2 i C2- daje aldehyd octowy. One też powastają w innych procesach fermentacji należących do masłowych. Oprócz produktu - kwasu masłowego jako produkty uboczne:kwas octowy, niewielkie ilości kwasów tłuszczowych, kwas kapronowy, kwas kaprylowy, pewne ilości alkoholi :butanol, aceton.

Technologia:

• Najstarsza receptura podawała by hodowlę prowadzić na podłożach cukrowych zaszczepionych starym serem (źródło N2, i kwasu masłowego, pożywienia i bakterii). Najpierw zachodziła fermentacja mlekowa, dopiero po 2 tygodniach zaczynała się fermentacja masłowa wykorzystująca powstałe mleczany (głównie wapnia) i powsawał kwas masłowy.

• Obecnieprościej, substraty to: skrobia (wytwarzana w produkcji rolniczej tj. ze zbóż lub ziemniaków),mogą być stosowane produkty odpadowe głównie krochmal szlamowy albo melasa.

Bakterie fermentacji masłowej Clostridia mają dużą aktywność amylolityczną, największy kompleks tych enzymów i proteaz . Aktywnośc celulo, amylo i proteolityczną dlatego substraty cellulozowe i pektynowe mogą być wykorzystywane, nie trzeba ich hydrolizować. W praktyce substrat skrobiowy poddaje się wstępnej hydrolizie ponieważ mają dużą lepkość i niezbyt sprawnie przepływa przez rury, mogą powstawać biofilmy, zanieczyszczone maszczem. Skrobię poddaje się hydrolizie kwasowej przy użyciu 0,4- 0,5 H2SO4. Dzięki temu rozszczepia skrobię na cukry proste. Czyste kultury bakteryjne używane w procesie fermentacji to Clostridium butyricum.

W przypadku stosowania produktów ubocznych jest konieczność uzupełnia podłoża mąką (wyki, wytłoki konopne -makuchy, fasoli) – ze wzg. na obecność związków azotowych, które są przyswajane przez bakterie masłowe. Dodaje sie jej od 1-1,5 %. Potem sterylizuje się wzbogacone podłoża i poddaje schłodzeniu do temperatury 40stopni C i zaszczepia się odpowiednią ilościa inoculum., stopniowo sprawdzanego. W kadziach metalowych (kiedyś drewnianych) fermentacja trwa 8 dni, w tym czasie cukry w ilości 10% w podłożu z 50% wydajnością są zamieniane kwas masłowy. Powstaje 4,5-5,5% kwasu masłowego z 10%. Bakterie masłowe nie lubią kwaśnego środowiska dlatego dodaje się środki neutralizujące, tak by mógł być usuwany – strąca się maślan wapnia. Po zakończeniu fermentacji (po 8 dniach) r-r zagęszcza się, na drodze odparowania w wyparkach od objętości 1/5 wyjściowej, potem traktuje się HCl (kiedyś tak było-by uwolnić kwas masłowy w postaci tłustego oka na powierzchni. W tej warstwie stanowi 70% kwasu masłowego. Naskutek ogrzewania na powierzchni ogrzewanego r-ru tworzy się błona, która uniemożliwia dalsze uwalnianie kwasu masłowego. Poza tym zmniejsza się rozpuszczalność chlorku wapnia.(Uboczny produkt reakcji usuwany). Stosowanie kwasu solnego jest niebezpieczne bo jest lotny dlatego obecnie dodaje się siarczanu (VI) sodu aby uwolnić kwas masłowy (sól Glauberska).SCHEMAT34 Powstaje gips (wykorzystywany w budownictwie), który wypada z r-ru a powstały maślan sodu traktuje sie kwasem solnym powstaje kwas masłowy i sól Glauberska, która nie stwarza problemów przy dalszym odparowywaniu kwasu masłowego.

IX. FERMENTACJA ACETONOWO-BUTANOLOWA

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

• Produkty fermentacji wywoływane przez bakterie butanowe to: butanol, aceton, etanol w mniejszej ilości. przeważa butanol.

• Możliwość tworzenia sie butanolu wykazał Pasteur. Odkrywcą jest Pasteur ale naukowo udowodnił i udokumentował to niemiecki badacz Fitz w ciągu 8 lat (1876-1884). Wyodrębnił bakterie w ksztalcie laseczki Bacillus butylicus z gleby. Która ma zdolność w warunkach ściśle beztlenowych wytwarzania znacznych ilości butanolu, wg nieg był to końcowym produktem przemiany metabolicznej, poza tym takze kwas masłowy, etanol , CO2 i H2. Jego badania miały charakter czysto poznawczy, ale rozwój motoryzacji przyczynił się do wzrostu jej znaczenia zwłaszcza w Stanach Zjednoczonych, (zapotrzebowanie na kauczukwcześniej pozyskiwany jedynie z drzew ale jego zasoby są zbyt skromne, dlatego rozpoczęto produkcję kauczuku na drodze syntezy chemicznej). Butadien – substrat do produkcji kauczuku, łatwo otrzymywany z butanolu.Początkow nalezalo znaleść szczep prowadzący tą fermentacje. Zajeli się tym Weizmann (póżniej prezydent Izraela) i Fernbach. W 1911r odkryli bakterie które wynalazł Fitz i poddali je anaizie. Odkryli, że oprócz butanolu bakterie te wytwarzają także aceton. Rozważali Clostridium acetobutylicum (wcześniej Granulobacter pectinovorum). Stosowane jako kultury przemysłowe w latach 1913-1914 do otrzymywania rozpuszczalników butanolu a także acetonu i etanolu. Stange and Graham on/i założli pierwszy zakład. W czasie wojny na znaczeniu zyskał aceton jako produkt do wyrobu materiałow wybuchowych. Po wojnie zapotrzebowanie na butanol spadło, bo zaczęto hodować drzew kauczukowe- Brazylia. Powstały tam specjalne ustawy zabraniajace wywożenia nasion kauczukowca, jednak naukowiec Dichna wywiózł sadzonki w skórach kajmanów na tereny Azji południowo-wschodniej. Panują tu odpowiednie warunki dla rozwoju tych drzew, w ten sposób n ie było potrzeby rozwijania fermentacji acetonowo-butanolowej. 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 na drodze syntezy chemicznej z ropy naftowej. W niektórych krajach np w Rosji sa fabryki, Polsce była kiedyś były 3 fabryki: w Raciborzu, obecnie to ruina, założona za sprawą Jana Kovatsa, Przeworsku i krótko w Pionkach pod Radomiem, potem zlikwidowana.

Fermentacja acetonowo-butanolowa jest trudna bo występują zaburzenia powodujące straty (w tamtych czasach, czasem trzeba bylo wylewać zacier do ścieków). Szczepy produkcyjne uległy degeneracji (prawdopodobnie zegar biologiczny) i z niewiadomych powodów straciły aktywność produkcyjną, były atakowane przez fagi zbierające się na ich powierzchni. By tego uniknąć (metoda opracowana przez weismana) stosowano liczne pasaże w połączeniu z szokiem termicznym. Przeszczepiano codziennie przez 4-7 dni na nowe podłoże a później działano wysoką temperaturą 100 st. C. w ciągu 1-2minuty– ginęły endospory i słabsze (fagi?). Bakterie, które przetrwały znów były pasażowane.Weissmann zalecał pasażowanie do 150 razy, formy nieaktywne gineły.

Etapy produkcji :

1. Laboratoryjny:

• Wyprowadzenie z pierwszego stadia kultur.

• Rozprowadzenie i sprawdzenie szczepów (w mikrofermentatorach) ze względu na ich labilność, określanie aktywności fermentacyjnej., podłożai określenie aktywności fermentacyjnej.

Seria sprawdzanych kultur w ilości 50 zaparafinowanych probówek – linia 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. Jezeli wszystko sprawdzone to szczep trafiał do produkcji.

SCHEMAT 35

Dwie z tej kultury jedna probówka z kulturą zarodową stanowi inoculum do zaszczepienia 20% zacieru ziemniaczanego, po wyjałowieniu prób z podłożem zaszczepia sie endosporami– inkubacja 18 godzin, temperatura 37,5 °C. Więcej sie zaszczepia aby można bylo wybrać te które mają najlepsze objawy fermentacji. Następnie wybiera się probówki z najlepszymi objawami fermentacji: podniesienie części stałych ziemniaka na skutek działania uwolnionych gazów CO2 i H2, zapach kwasu masłowego., tam gdzie najszybciej zachodzi wyniesienie czesci stalych te kultury sie wybiera.

Aparaty Czystych Kultur – (a.cz.k.) – 8 dm3 pojemności, bańki metalowe z 6% zacierem jęczmiennym(mąka jeczmienna w ilosci 6%). Podłoże się wyjaławia i do każdej bańki dodaje się 1 probówkę z przefermentowanym podłożem ziemniaczanym. Przygotowuje się podwójną ilość a.cz.k tak, by był zapas, zwykle przygotowuje sie 6 a.cz.k. Później wybiera się a.cz.k. z najlepszym wynikiem fermentacji (zwykle 4 a.cz.k.)– 37,5°C. przez 18 godzin. Po zakończeniu fermentacji określa się kwasowość zacieru (ok.6 ml 0,1N NaOH – na 10 cm3 zacieru) – jeśli kwasowość jest wyższa świadczy to o infekcji. Bada się czas odbarwienia błękitu metylenowego które ma na celu oznaczenie aktywności dehydrogenaz. Błękit metylenowy odbarwia sie do leukozwiązku - biel błękitu metylenowego (czas nie powinien być dłuższy niż 6 minut). Jeżeli w a.cz.k. zachowane są wszystkie normy i parametry to są używane do następnego etapu.

2. Etap półtechniczny:

W inkubatorach są to nieduże kadzie metalowe zpodwójnymi ściankami (czyli tzw. płaszcz do przepuszczania ciepłej wody lub pary wodnej ). Inkubatory wypełnione są 6% r-rem zacieru jęczmiennego sterylizowanego poprzez ogrzanie z udziałem płaszcza kadzi. Inkubator zawiera mieszadło, dzięki temu mozliwe jest równomierne rozprowadzenie temperatury. Temperatura zacieru obniża się 37,5°C. poprzez zimną wodę w płaszczu. Mają pojemność 600litrów. Przygotowywano 4 inkubatory. Szczepi się je zawartością jednego a.cz.k. Proces namnażania prowadzony jest 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. Normalnie proces ten prowadzony najpierw prowadzony jest w kadziach małych a nastepnie w dużych. Ze wzgledu na trudności 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. Taka metoda pozwala na zmniejszenie wystąpienia infekcji. Kadź małe i duże zawierają 7% r-r melasowy uzupełniany 1% zacierem jęczmiennym plus dodatki mineralne azot i fosfor - sole amonowo-fosforowe. Etap przemysłowy fermentacji głównej w kadzi dużej trwał 62 godziny.

Kontrola: czas odbarwienia błękitu (mała kadź mniej niż 3 min, duża mniej niż 4 min na początku, a 1-2 min na końcu fermentacji) tempo spadku cukrów, oznaczanie kwasowości 4ml 0,1 ługu -NaOH – 10 ml podłoża – mała kadź, 5,5ml 0,1 N ługu - NaOH na 10 ml podłoża w kadzi dużej., spadek gęstości zacieru w kadzi duzej (nie wyższa niż 2 st. Blg). Jeżeli wszystko jest zgodne z parametrami to zacier odfermentowany trafia na dział destylacji. Tutaj zacier poddawany jest destylacji frakcjonowanej: butanol, aceton,etanol, (60:30:10).

Badanie kwasowości: SCHEMAT 35

Zmiany w kwasowości podłoża.

Do 18h kwasowość rośnie ponieważ wytważane sa kwasy organiczne kwas masłowy. Wrazliwość Clostridium acetobutylicum na kwasowość jest znaczna , po osiągnięciu krytycznej warości zachamowany by był ich rozwój, jednak te bakterie mają zdolność przemiany kwasu masłowego i octowego na neutralne związki- masłowy na butanol a octowy na aceton. Wobec tych zmian kwasowość po tym czasie maleje i fermentacja może przebiegać dalej. Gdyby w czasie produkcji rosła kwasowość po 18 h i przekroczyla by wartosc 5,5 to znaczyłoby to o zakażeniu bakteriami kwasowymi, ( z regóły bakteriami fermentacji mlekowej, Lactobacillus buchnerii względnie Lactobacillus leichmanii , pałeczkami homofermentacji – jeśli w zacierze występują w większej ilości opanowują one środowisko i zahamowują one rozwój bakterii masłowych Clostridium acetobutylicum. Najpierw powstaje kwas octowy i masłowy =>Clostridium acetobutylicum, ma zdolność do zamiany kwasu masłowego w butanol, kwasu octowego w aceton. Kwasowość maleje i bakterie nie mogą się rozwijać dalej. Zakażoną fermentację można uratować przez natychmiastowe wprowadzenie środków neutralizujących i odnowienie działalności bakterii masłowych. Infekcje spowodowane przez ziarniaki to głównie obecność Lactobacillus lactis- produkuje mniej kwasu mlekowego. Głównym źródłem bakterii mlekowych jest dodawana 1% mąka jęczmienna. Jeżeli nie jest dobrze rozbita powstają grudki w których może znajdować się zakazenie. Drożdże, Bacillus subtilis - są niepożadane ponieważ zużywają cukry na swoje potrzeby. Infekcja bakteriofagami lizującymi– nie ma w tym przypadku możliwości uratowania fermentacji jedyne wyjście w tym przypadku to stworzenie bakterii odpornych.

Biochemia procesu SCHEMAT36:

Teoria Kluyvera: przypuszcza- proces przemiany w 1 fazie przebiega podobnie jak poprzednio- glikoliza-rozszczepienie na triozy a następnie z glioksalu powstaje wodzian metyloglioksalanu, który rozpada się na aldehyd octowy i kwas mrówkowy, a ten ostatni na produkty gazowe CO2 i H2. Aldehyd octowy przechodzi przemiany poprzez kondensację 2 cząsteczek aldehydu-Beta-hydroksyksamowy. następnie przemienia sie w wodzian aldehydu krotonowego i ostatecznie w kwas masłowy. Ten ostatni ulega redukcji do butanolu.(główny produkt fermentacji).

Aceton powstaje z przemiany kwasu octowego. Aldehyd octowy ulega uwodnieniu i powstaje wodzian aldehydu octowego a ten przakształca sie w kwas octowy i H2. następnie zachodzi kondensacja dwóch czasteczek kwasu octowego i powstaje kwas acetooctowy i H2O. Kwas acetooctowy ulega dekarboksylacji i powstaje aceton. Częśc acetonu podlega redukcji do alkoholu izoprenowego (produkt uboczny fermentacji). Końcowym procesem jest redukcja aldehydu octowego do etanolu.

Butanol. 2,3-butanodiol – glikol może łatwo i w sposób opłacalny być otrzymywany w procesie fermentacji cukrów przez bakterie Enterobacter aerogenes, Aeromonas hydrophila- poza udziałem w syntezie sztucznego kałczuku , mogą być stosowane jako rozpuszczalniki, plastyfikatory (środki zmęczające) antyzamrzacze.

X. FERMENTACJA ACETONOWO- ETANOLOWA I

IZOPROPANOLO- BUTANOLOWA.

ACETONOWO-ETANOLOWA:

Należy do grupy fermentacji masowych, ma fazę kwaśną i obojętną. Przeprowadzają ją bakterie Bacillus acetoethylicus (dawniej)= Bacillus macerans. Po raz pierwszy wyodrębnione w 1905 rokuprzez niemca Chardingera- stwierdził on że nie ma on zdolności fermentacyji węglowodanów z wytworzonego acetonu i etanolu oraz produktów kwaśnych np. kwas octowy.

Produkty: kwas octowy, mrówkowy, CO2, H2, etanol, aceton

Bacillus macerans:

• ruchliwa laseczka

• komórka delikatna , cienka,

• Endospory na końcach-odporna na wysokie temperatury,

• Względne beztlenowce (mogą się rozwijać wobec dostępu tlenu, ponieważ posiada cytochrom w łancuchu oddechowym , co umożliwia wykorzystanie tlenu), rozwija się na powierzchni stałych podłoży.

• w beztlenowych warukach wywołuje fermentację węglowodanów (zdolności amylolityczne, celulo i pektyno), stąd nazwa Bacillus macerans- macerowanie, rozkładanie enzymatyczne materiału roślinnego-pektyn.

• Substraty: heksozy, pentozy, kwasy organiczne, alkohole- jako źródło C

• Wymagania pokarmowe: zdolność do korzystania ze źródła N amonowego, bezwzględnie wymagają biotyny w podłożu w postaci gotowej,

• kwas PABA przyspiesza ich rozwój, ale nie jest wymagany.

Bakterie Bacillus macerans są rozpowszechnione w przyrodzie i mogą być łatwo uzyskiwane w czystych kulturach z gleby, ił. Łatwo je wyizolować ponieważ endospory posaidają duża odporność termiczną. Znaczenie dla fermentacji niewielkie, są alternatywą dla bakterii fermentacji acetonowo-butanolowej.

Biochemizm SCHEMAT 37

a) faza kwaśna => kwas mrówkowy, octowy

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

I faza Kwaśna: Następuje rozpad węglowodanów na heksozy z których powstają 2 triozy: kwas pirogronowy który jest dekarboksylowany do aldehydu octowego. kwas pirogronowy ulega uwodornieniu do kwasu octowego i kwasu mrówkowego, który rozpada sie do CO2 i H2.

II faza Obojętna: Dwie cząsteczki aldehydu octowego ulega kondensacji i powstaje aldehyd- beta- hydroksymaslowy. Jest on sprzeżony w przemianie z następną cząsteczkąaldehydu octowego i wody w wyniku której powstaje kwas beta-hydroksymasłowy. Kwas beta-hydroksymasłowy jest sprzeżony w przemianie z kolejną czasteczka aldehydu octowego i wody w reakcji powstaje kwas acetooctowy ,etanol i H2O.Kwas acetooctowy ulega dekarboksylacji do acetonu.

Stosunek acetonu do etanolu zależa od natlenienia środowiska a także od kwasowości, czyli od odczynu. W warunkach tlenowych wzrasta ilość wytworzonego acetonu, CO2, H2 i kwasu octowego i mrówkowego. Zwiększa sie też ilośc wytworzonej biomasy, maleje ilośc etanolu. W warunkach beztlenowych maleje ilośc wytworzonego acetonu, kwasu octowego i mrówkowego, CO2, i biomasy , zwiększa się też ilość etanolu.

SCHEMAT 38

W pH 7-7,4 powastaje mniej acetonu, natomiast więcej kwasów lotnych (octowego i mrówkowego), odwrotnie w środowisku lekko kwaśnym 5,5-6,1 -powstaje dużo acetylu, mniej lotnych kwasów. Spadek produkcji kwasów organicznych wraz ze wzrostem kwasowości. W środowisku obojętnym i lekko zasadowym (7-7,4) ilość acetonu maleje znacznie, stymulowana jest produkcja kwasów lotnych.

Surowce- kukurydza, ziemniaki, melasa, hydrolizaty otręb owsianych, makuchy orzecha zimnego, źródło N- pepton.

Zacier ma pH 6-8, węglan wapnia, temperatura 40-46 stopni C, trwa 6 dni.

Fermentacja Izopropanolowo-butanolowa

Zbliżona jest z jednej strony do fermentacji acetonowo-butanolowej, a z drugiej do acetonowo-etanolowej.

Produkty główne: butanol, izopropanol,

produkty gazowe: CO2 i H2,

produkty uboczbne: kwas masłowy, ostowy, śladowe ilości acetonu i kwasu mrówkowego.

Fermentację izopropanolowo-butanolową wywołują ścisłe beztlenowce z rodzaju Clostridium: Clostrydium butylicum-ruczliwa, parytrichalnie urzęsiona laseczka, 5mikrometrów długości, 1,5 mikrometrów szerokości, wysępuje pojedyńczo lub parami, optymalantemperatura to 37° C, młode G(+), stare zatracaja często błonę, moga stać sie G-, wtwarzają granulazę, tworzy endospory wewnętrzne.

Podłoże to zacier z kukurydzy, hydrolizaty cellulozowe. Neutralizacja srodowiska za pomoca węgalnu wapnia, powstaje gips. Wyjściowe pH-6, fermentację prowadzi się 5 dni w temperaturze 37 ° C. Butanol ma niewielkie zanczenie praktyczne, ponieważ otrzymywany jest w syntezie chemicznej.

W dzisiejszych czasach funkcjonuje przynajmniej 1 zakład na Tajwanie- tu kulturą produkcyjną jest Clostridium toanum, fermentacja prowadzona przez chinczyków, zacier spożadzany jest z roztworu trzciny cukrowej, o koncentracji cukrów 7%. Fermentacja prowadzona jest 30-3h w temperaturze 37 °C. Powstaje Izopropanol i butanol w stosunku 33% (poszczególne składniki w zaleznosci od użytych substratów). wdajność fermentacji wynosi : butanol 53-65%, izopropanol 19-44%, aceton 1-24%.

Biosynteza kwasu propionowego.

W 1906 stwierdzono zachodzenie tego procesu.

Kwas propionowy - otrzymuje się na drodze chemicznej poprze przeróbkę ropy naftowej. Powsteje 100 tys ton rocznie- produkcja światowa. W ostatnich czasach zapotrzebowanie bardzo wzroslo. W Polsce mamy wszystko aby prowadzić fermentacje, w niedalekiej przyszłości może odegrać wazną rolę w biotechnorlogii.

W produkcji serów - bakterie propionowe - Propionibacterium - gatunki to : Propionibacterium freudenreichii susp. freundenreichii, Propionibacterium freudenreichii susp. shermanii, Propionibacterium acidipropionici, Propionibacterium jensenii, Propionibacterium thoenii.

Są to bakterie G+, nieruchliwe, względne beztlenowce, nie wytwarzają przetrwalników, znacznie mniejsze wymagania pokarmowe. W warunkiach beztlenowych w postaci krótkichpałeczek, czesto przechodzacych w owalne ziarniaki, w w....., warunkach beztlenowych znosza niewielkie ciśnienie parcjalne tlenu, mikroareofile, zawierają enzymy katalazy.

W tlenowych warunkach są dłuższe 5 mikrometrów, skłonne do tworzenia form inwolucyjnych, optymalna temperatura 35 stopni C. Występuje w środowisku jelitowym- żwacz i jelita przeżuwaczy, wtórnie w produkcji mlecznej-zwłaszcza serach, rzadko mleko, nie wystepuje w glebie ani w wodzie. izoluje sie je z pożywki z sera emmentaller, one w tym serze mają duze znaczenie w dojrzewaniu. W wodzie Rennina- ekstrat z żoładków cieląt, zawiera liczne bakterie propionowe.

Bakterie uzyskują energie w procesie fermentacji, wytwarzają kwas propionowy na pożywkach. Zawiera: laktozę, maltozę, sacharozę, pentozy, kwas jabłkowy jako źródło węgla, substraty (surowce) odpadowe-serwatka, ługi posulfidowe-hydrolizaty skrobiowe i celulozowe, końcowe produkty-kwas propionowy i octowy, CO2,- jest to fermentacja propionowo octowa, stosunek kwasu propanowego do octanowego wynosi 2:1, nie jest stały a obserwowane wachania zależa od gatunku bakterii i rodzaju podłoża, Propionibacterium thoenii - odfermentowuje glicerol, nie tworzy nigdy kasu octowego, jedynie czysty kwas propanowy.

Fermentacja propionowa prowadzona fermentacją okresową (klasyczną), trwa w oryginale 1-2tyg, w temperaturze 35 stopni C, optymalne pH6-7- utrzymywane w czasie frementacji po dodaniu środków neutralizujących. Produktywność kwasu propanowego- 0,03g na dm3 podłoza na 1h. Produktywność- ilość produktu finalnego na ilość podłoża na czas można tez podawać na g suchej masy drobnoustrojów.

Kwas propionowy odzyskiwany z propionianu wapnia- przez rozszczepienie kwasem siarkowym. Fermentacja synteza kwasu propanowego dobrze opanowana pod względem technologicznym, jednak jej niska wydajność i długi czas trwania oraz koszty odzyskiwania kwasu powodują ze nie mogła ona konkurować z synteza chemiczna. Obecnie stanowi konkurencję. Kwas propionowy chemicznie otrzymujemy z etylenu, CO2, i pary lub etanolu... , katalizatorem jest trifluorek boru.

Inne- utlenianie aldehydu propionowego lub alkoholu propionowego.

Ostatnio wprowadzono usprawnioenia:

• Potencjalna produkcja kwasu propionowego zachodzi poprzez zwiększenie wydajności, zastosowanie tanich surowców, ulepszenie technologii (inżynieria procesowa), nowe metody odzyskiwania kwasu propionowego.

Oprócz fermentacji okresowej prowadzona jest równiez fermentacja półokresowa

-okresowa z ciągłym dozowaniem pożywki do bioreaktorów

- ciągła w fermentatorach przepływowych

- ciągła z recylkulacja biomasy, fermentacja przebiega w fermentatorze przepływowym a odprowadzany z fermentacji płyn pofermentacyjny z biomasą przechodzi przez separator- tutaj zagęszczenie i ponownie zawracamy do fermentatora głownego komórki bakterii.

Mogą te procesy wykorzystywać komórki wolne lub unieruchomione na nośnikach bakteryjnych (immobilizowane).

W najlepszym rozwiązaniu kwas propionowy jest ciągle usuwany i oczyszczany, ppo zakończeniu fermentacji- elektroliza, destylacja, estryfikacja, nanofiltracja (kweas propionowy od soli mineralnych), wymieniacze jonowe, ekstrakcja z różnego typu rozpuszczalników.

Produktywność kwasu propionowego wynosi 14,3g na dm3 podłoża na 1h.

W produkcji kwasu propionowego w skali pilotowej (i w przemysłowej) użyto bioreaktor o pojemnośći 37m3 i aby oddzielić bakterie użyto filtr ceramiczny o powierzchni 32m2.

Kwas propionowy służył do przemyslu perfumeryjnego, wzrosło pod koniec lat 60tych. Ma właściwości antyseptyczne znane i wykorzystywane od dawna do konserwowania produktów żywności zwłasza w piekarstwie i owocach i warzywach ochrona pasz przed zanieczyszczeniami mikroniologicznymi, ochrona kiszonek oraz karm w postaci pasz tresciwych - opryskiwanie bez obay zepsucia.

Kwas propionowy- naturalny, nie oddziałuje toksycznie na człowieka i zwierzęta, nie wpływa ujemnie na konserwowane produkty. Kwas propanowy i jego sole- produkcja herbicydów, rozpuszczalników estrowych, celulozowych, tworzyw sztucznych, , propionian sodu- w lecznictwie zwierząt.

Można wykorzystac serwatkę jako surowiec dzieki temu mozna otrzymać kwas propionowy dla rolnictwa. Otwermentowaną serwatkę należy zagęścić przez co otrzymujemy preparat zawierający poza kwasem propionowym także bakterie propionowe- środek wzbogacający paszę w witaminę B12- cyjankobelaminę- bakterie propionowe ja produkują.

Chemizm fermentacji propionowej SCHEMAT 39

Z glukozy powstają 2 cząsteczki pirogronianum, który rozpadają się do kwasu octowego i CO2, druga czasteczka pirogronianu ulega karboksylacji do kwasu szczawiowego (proces enzymatyczny- karboksytransferaza metylomalonylo -CoA), kompleks biotyny z CO2 do szczawiooctanu, po uwodornieniu dokwasu jabłkowego zachodzi dowodnienie do fumaranu, kolejnie nastepuje uwodornienie do bursztynylo-CoA, ten proces takze zachodzi pod wplywem izomerazy metylomalonylo-CoA i Co jako witaminy B12, powataje metylomalonylo-CoA, następnym procesem jest dekarboksylacja do propionylo-CoA-odszczepienie S-CoA do kwasu propionowego. Odszczepiony CO2 zostaje podłączony przez biotynę na pirogronian.

BIOSYNTEZA Z UDZIŁEM GRZYBÓW NITKOWATYCH (STRZĘPKOWYCH).

Nie tworzą owocników, tworza nitkowata grzybnię. Ta fermentacja to fermentacja tlenowa, kwaśna lub pseudofermentacja. Najważniejsze zanczenie kwaśnej syntezy grzybowej to uzyskiwanie kwasów organicznych - spożywczych.

Biosynteza kwasu cytrynowego

W warunkach tlenowych powastaje kwas organiczny , wydajność energetyczna jest wyższa niż fermentacji (kwas cytrynowy - 9 cząsteczek ATP).

Odkryto kwas cytrynowy po raz pierwszy w 1794 roku Scheale- wyodrębnił go w postaci krystalicznejz soku owoców z cytryny. W 1838 roku dwóch niemców Liebig i Pebal ustalili chemiczną strukturę kwasu- alifatyczny, trójzasadowy hydroksykwas (2-hydroksy-1,2,3-propanotrikarboksylowy). Zaobserwowany w przyrodzie - występuje w roślinach i u zwierząt w cyklu Krebsa - w każdej żywaj komórce. Reprezentowany jest nie tylko w owocach cytrusowych, oraz we wszystkich innych owocach, w innych tkankach roślinnych w nieznacznych ilościach - liście tytoniu 7-8%- doruwnuje cytrynom- w tytoniu w postaci soli kasu cytrynowego, jego ilości sa zanczne i uzyskiwane fabrycznie w Rosji- z tytoniu kwas cytrynowy uzyskiwany jako produkt uboczny, głównym produktem jest nikotyna, rozczepiany kwasami.

W poczatkowym okresie otrzymywany był głównie z cytrusów- z cytryn- monopolista byly kraje basenu śródziemnomorskiego.- Włoch -85%.

Proces przerobu cytryn.

Sok tych owoców(częściowo nadpsutych) wyciśnięty i następnie traktownay pewną ilością chlorku wapnia w celu wytrącenia kwasu szczawiowego, który występuje w pewnej ilosci wpod postacią szczawianu wapnia - nirozpuszczalna sól. Łatwo może być oddzielona na zimno - sklarowany sok ogrzewa sie i zadaje sie na gorąco Ca(OH)2, on w reakcji z kwasem cytrynowym powoduje wytrącanie szczawianu wapnia, następnie doprowodzamy do wrzenia i podtrzymujemy temperaure- rozpuszczalnośc maleje wraz ze wzrostem temperatury.

Cytrynian wapnia oddziela sie na drodze filtrowania i jako półprodukt oddzielić można kwasem siarkowym w wyniku czego powastaje gips i wolny kwas cytrynowy.Tak to wyglądało do 1 cwierćwiecza XXwieku. Od 90tych lat wdrożona produkcja na drodze biotechnologicznej - kwas cytrynowy pochodzi wyłacznie z tej syntezy , nieznaczne ilości z owoców cytrusowych, które się nie nadają. Zapotrzebowanie na kwas co roku wzrasta. Służy jako składnik napojów, środków piorących- zastępuje fosforany.

środki piorace rocznie około 2 mln ton może i więcej, stosowanie roście zaleznie od popytu. Chodowla wgłebna 70%, powierzchniwa 30%.

Metody chodowli drobnoustrojów:

-powierzchniowa ( surface method (fermentation)

- wgłeban (submerged method (fermentation)

Metoda powierzchniowa

Drobnoustroje hoduje się na powierzchni płynu pofermentacynego- błona, kożuszek (na dużej powierzchni)- na tacach w ciękiej warstwie podłoza- 8cm- taca wyskokości 15cm). Jest to fizjologiczna metoda dla tlenowców- one pozostają na powierzchni.

Metoda wgłębna

Nie ma tac , organizm jest zanurzony w cieczy - w fermentatorze, - mieszadło zawiera łopatki na różnaej wyskokści, umożliwia napowietrzanie, czujnik pH, temperatury, naczynie szczelnie zamnknięte, nalewamy je do objetości 2/3 objętości roboczej fermentatora. mieszanie 300-4000 rpm (obrotów/min) - mie moze więcej bo rozbilibyśmy komórki; napowietrzanie v/vpodłoza /min (duza objętość powietrza)- komorki nie rosna na powierzchni mieszania, napowietrzania; grzyby w postaci pojedyńczej strzepki , czasem zbijają sie w kulki (pellets). Jeżeli białko w podłożach pod wpływem mieszania i napowietrzania tworzy sie piana , żeby temu zapobiec dodaje sie emulsij przeciwpiennej; nie moze się tworzyć podczas mieszania klej- każdy fermentator zaopatrzony jest w listwy metalowe dookoła fermentatoar - są to łamacze cieczowe- dzieki temu powastje idealnie równa powierzchnia; mamy mozliwość pobierana próbek.

Obecnie przechodzi się na metodę wgłębną. Z powierzchniowej do wgłębnej komórki mają aktywność metaboliczną równą=0, dlatego trzeba szczepy modyfikować aż uzyskają aktywność metaboliczna.

W metodzi epowierzchniowej układ nie jest homogenny dlatego aktywność jest niższa: 50-70%, w wgłębnej nawet 99% - jeżeli idealnie dobarne są szczepy. W metodzie powierzchniowej występuje układ otwarty, który trudno wysterylizować , jałowość jest gorsza niż w fermentatorze . W powierzchniwej fermentacji duzo robilo sie ręcznie, antomiast metoda wgłębna jest zautomatyzowana. Dla medycyny tylko i wyłącznie metoda wglębna, są fermentacje gdzie powierzchniowe dużo lepsze niż wgłębna a czasem jedyna.

W Polsce dziłają 3 fabryki produkujące kwas cytrynowy na drodze biotechnologicznej w oparci u melasę: w Raciborzu, Pelplin, Zgierz- przekształcone w zakład doświadczalny. Do uruchomienia 2 pierwszych przyczynił się Jan Kowats- w zakładxzie wyłącznie produkcja powierzchniowa od 1989 roku w Raciborzu dwa prototypy fermentacji z cukru białego, metoda wgłębną pojemność 150m3, do 700 ton rocznie. Pod konec lat 80tych drobne zakłady prywatne lub półprywatne produkowały zagęszczone syropy, poniżej 40 tysięcy rocznie, 1/3 zapotrzebowania. Dalsze zakłady zostały uruchomione w Krasnymstawie. Dostawcą obecnie sa Czechy, w Polsce nie produkuje sie juz kwasu cytrynowego, a jego zapotrzebowanie -15tys rocznie pochodzi z importu.

Proces fermentacji-odkrywcą jest mikrobiolog niemiecki - Karol Wehmer pod koniec XIXwieku. Niektóre gatunki grzybów strzępokowych na podłożu wytwarzany jest kwas mlekowy; dla niektórych nowy rodzaj systematyczny Citromyces - wszystkie pleśnie lub grzyby strzępkowe, niekture wytwarzają kwas, wyodrebniono kilka nowych gatunków, jednak nie było ku temu racjonalnych podstaw. Wehmer wiazał duze nadzieje ze swoim odkryciem, jednak kultura przez niego wyizolowana wykazywała nieduze wyniki.

W 1917 roku badania Currie- odkrył że mikroorganizm mający predyspozycje do syntezy i produkcji kwasu cytrynowego to Aspergillus niger- wytwarza czarne konidiofory (w nich konidia) (kropidlak czarny), konidia to nie zarodniki!- powstają bez procesu płciowego, przez podział strzępek.

Asperhillus niger rozmaża sie wyłącznie bezpłciowo, konidia posiadają melaninę. Wehmer głosił, że Aspergillus niger zupełnie sie nie nadaje jeko szczep produkcyjny, a Currie udowodnił, że jest inaczej, ponadto szczegółowo opisał fermentację powierzchniową - cienka powierzchnia pożywki (substratu); zaszczepiamy konidiami albo zarodnikami podłoże. Na powierzchni roztworu powstaje grzybnia (kożuch), który intensywnie fermentuje cukrowe podłoże. Currie opracował podłoże w którym źródłem wegla jest sacharoza.

Perguin i Karow- jako pierwsi opracowali warunki fermentacji wgłębnej (w tankach, kadziach, reaktorach lub bioreaktorach).

Pierwsza produkcja kwasu cytrynowego opracowany o metadę Currie - podłoże syntetyczne. Zawiera dwa etapy : pierwszy etap oparty o pożywke optymalną, wzrostowa, sacharoza z solami mineralnymi, do płytkich tac i szczepiono konidiami Aspergillus niger- powstaje kożuch po 48h, pożywkę optymalną sciągano i na jej miejsce 15% roztwór sacharozy- przeróbka sacharozy na kwas cytrynowy przez wyrosłą grzybnię; po zakończeniu fermentacji płyn pofermentacyjny odciągany i zadawany Ca(OH)2 i następnie cytrynian wapnia rozszczepiany kwasem siarkowym. Na sacharozie produkcja do II wojny światowej po tym czasie melasa. Obecnie melasa buraczana lub trzcinowa, inne surowce: sacharoza, syropy glukozowe, wytłoki jabłkowe, hydrolizaty cellulozowe, serwatka, a nawet węglowodory ropy naftowej. Wiele innych mikroorganizmów wykazuje mniejszą lub większą produktywność kwasu cytrynowego. Czasem drożdże hodowane są węglowodanach Yarriowia lipolytica - tworzą kwas cytrynowy.

Melasa - nie ma metod chaemicznych które by oceniały która jest przydatan, a która nie. Aspergillus niger jest bardzo wyczulony na rodzaj melasy, niektóre składniki mineralne tj. jony metali ciężkich: żelazo, mangan są niepożądane w fermentacji cytrynowej.

Kwas octowy- który w melasie w niewielkich ilościach moze być inhibitorem kiełkowania konidiów Aspergillus niger; jeżeli występuje kwaśny odczyn podłoża nastepuje cofnięcie dysocjacji kwasu octowego do formy nizdysocjowanej, który dziala hamująco na kiełkowanie konidiów (nie mozna stosować melas kwaśnych). Polskie melasy mają zazwyczaj pH 6,5-7, rzadko pH5, inni nie mają takich melas.

Jedyną metodą oszacowania jest próba biologiczna- fermentacje prowadzi się w warunkach laboratoryjnych - jeśli rosną i jak tworzą kiełki 5-7 dni metodą powierzchniową- melasa maja inna jakośc na początku niż na końcu. Najlepsze melasy to mające 6 miesięcy leżakowane, wtedy najlepsze do produkcji kwasu cytrynowego. (Melasa ciemnobrązowa)-samoczyszczenie , pH około 6,5-7, około 30% melasy wogóle nie nadaje się do fermentacji cytrynowej. Samoczyszczenie polega na wypadaniu koloidów, ściąganie petali ciezkich.

Melasa oczyszczona z nadmiarem jonów metali ciężkich. Oczyszczanie heksacyjanożelazianu (II) potasu (żelazocyjanek potasu) - tworzenie związków kompleksowych z pierwiastków, stosowany w różnych stężeniach - dawka optymalna wyzanczana doświadczalnie. Od 0,04%-0,08% najcześciej )0,06% dla Polskich melas. Niewielkie odchylenie od ustalonej dawki ) 0.005% lub 0.01% mogą wpływać na znaczne obniżenia wydajności nawet do 30%.

Usunieci Fe i Mg- jony te aktywują niektóre enzymy cykli Krebsa- akonitazę i defydrogenazy kwasu izocytynowego- są odporne na rozkład kwasu cytrynowego - kwas ten rozkladany dale do innych kwasów. Nie ma znaczenia czy po wytrąceniu powstaje osad- jest on neutralny i nie musi być usuwany, grzyb sie rozwija naturalnie. Brzeczka nastepnie trafia na dział fermentacji.

Metoda powierzchniowa.

Przygotowanie roztworu melasy- zawartośc cukru od 15%-17%- (30-34 roztworu measy) i rozcieńczoną melasę mozna zakwasić maksymalnie do pH 6,3. Melasę poddaje sie sterylizacji pod ciśniniem 0,1MPa w ciągu 60minut, po wyjałowieniu temperature doprowadza sie do 40 ° C i przy pomocy sprzeżonego powietrza trafia na dził fermentacji do tac - fermentacja prowadzona systemem komorowym. SCHEMAT 40.

Komory fermentacyjne- duże pokoje długości 14m, na szerokość 7m, wysokość 5,5m. Wnętrze komór fermentacyjnych zawierają stelaże na których rozmieszczone są tace jedna nad drugą , pokój bez okien, w każdej komorze 80 tac metalowych- wymiary 2-2,5m i wyskości 15cm, komory i zawarte w nich tace przed napełnieniem brzeczką jałowane przez siarkowanie przy użyciu ditlenku siarki, roztworem formaliny spryskuje sie całe pomieszczenie, potem przedmuchuje sie pomieszczenie. Do wyjałowionych powierzchni kierowany jest roztwór melasy. Pod wpływem spręzonego powietrza brzeczka wyleana pod nadciśnieniem w warstwie 8cm i roztwór brzeczki zaszczepiony konidiami Aspergillus niger na pozwkach o odpowiednim składzie, takim który sprzyja rozwojowi konidiów (zawiera siarczan miedzi)- grzyb nie rośnie a konidiuje, wysiewa się szczep produkcyjny i w cieplarce w temperaturze 28-30°C, po utworzeniu konigującej grzybami- wytworzenie konidiów zbiera się je na filtrze Zeitza połączonego z pompą ssącą. Zbierane konidia mieszczą się z węglem aktywnym lub torfem aby mównomiernie póżniej rozpylić. Zebrane konidia i wymieszane w worku jałowym- system rur (saksofon) - podłączyć worek z konidiami-( działający jak odkurzacz w 2 strony) - wyrzuca konidia rozpyla ich pod wplywem nadciśniena (zasysanie i wyrzucanie) jako lżejsze od H2O wypływają na powierzchnie, podmuchem sprężonego powietrza. Po zaszczepieniu podłoży po 48 h poiwstaje biała grzybnia. ZPowietrze pod nadciśnieniem. Szepienie na sucho konidiami.

Szczepienie na "mokro"- zawiesina konidiów Aspergillus niger roypusycyona w wodzie jaowej- konidia są bardzo odporne na zmianz cisnienia osmotycznego. Nastepnie pistoletem wstrzskowym zaszczepiamy tace konidiami. Powstaje CO2 i dostarcznie O2, bo Aspergillus niger wyitnie tlenowy, należy nie nadmiernie przewietrzac ponieważ powstaje tylko CO2 i H2O, zbytnie napowietrzanie powoduje także parowqanie podłoza. Metoda powierzchniowa trwa długo 9-11 dni w temperaturze 28-30°C.

Wydajność w sosunku do użytego cukru 50-80%, przedłużanie procesu nie jest wskazane bo nastepuje przetwarzanie kwasu- staje sie żródłem wegal, jest to niekorzystne bo obniżamy wydajnosć. Po zakończeniu fermentacji płyn z tacy odciągamy (taca ma kanalik) i przetłacza sie na dział wytrącania cytrynianu wapnia, grzybnia poza zakładem- cenny surowec wtórny, wykorzystywany w rolnictwie jako dodatek do pasz treściwych (grzybnia nie konidia, grzybnia idealne żródło bialka). Grzybnia jest żródłem enzymow- grzyby producenci enzymów- szczególnie amylaz, proteaz, pektynaz, lipaz itd.

Podłoże pofermentacyjne w którym znajduje się kwas cytrynowy jest traktowany CaCl2, w tym podłożu obok kwasu cytrynowego występuje kwas szczawiowy- jego usuwamy za pomocą CaCl2 na zimno- szczawian wapnia oddziela sie prze odfiltrowanie- przesącz traktuje sie mleczkiem wapiennym w wyniku czego powstaje cytrynian wapnia. nastepnie prowadzimy odprasowanie lub odwirowanie, odciek odprowadzamy do ścieków. Cytrynian wapnia w tej postaci jest suszony lub przerobiony jest na wolny kwas - rozszepia sie go prze zmieszanie z H2O i kwasem siarkowym powstaje w wyniku tego wolny kwas cytrynowy i gips. Po usunięciu gipsu roztwór zagęszcza sie na wyparkach i krystalizuje sie. Po tym kryształy oddziela się przez odwirowanie. Odciek znów zawracany do krystalizacji i po zagęszczeniu powstaje drugi rzut kryształu - odciek z drugiej krystalizacji -> trzeci rzut kryształu. Kryształy I i II i III rzutu łączy się, rozpuszcza sie w niewielkiej ilości wody- oczyszczanie po ogrzaniu i traktowaniu węgalem aktywnym. Po tej ostatniej krystalizacji - krystalizator z mieszadłem- krystalizator drobny (krystalizacja przemysłowa), jeśli bez mieszadła tra dłuzej , ale powstają grube kryształy i produkt jest gotowy do sprzedarzy.

Metoda wgłębna.

W Polsce prowadzona w Raciborzu , kraje sąiadujących i w Satanach Zjednoczonych, Wegrzech, Japoni, Czechach.

Melasa rozcieńczona do 14-20% sacharozy, nastepnie melasa oczyszczana z nadmiaru metali ciężkich poza żelazocyjankiem potasu także kationy , wzbogacanie podłoza pewnymi dodatkami (patenty i nie wiadmo dokładnie) aby nowe szczepy mogły być aktywne. Dodawane są także środki przeciwpienne, prekursory czy iajies inne stymulatory, ktore polepszaja rozwój grzybów. Podczas procesu fermentacji nastepuje podkiełkowanie konidioe na porzywce optymalnej co umozliwia skrucenie czasu fermentacji; przez roztwór melasy przepuszczony jest strumień powietrza, które jest rozpylane.

W metodzie wgłębnej grzybnia jest w postaci kultury kulistej - kulki (pellets), ktorych średnica po 140h hodowli wynosi 1,2-1,5mm, ideałem są pojedyńcze strzepki, nie dobrze jak powstaja duże kule. 68h fermentacji wydajność wynosi 60-80% w przeliczeniu na użyty cukier , są zakłady - Czesi, Stany Zjednoczone- wydajnośc 80-99% w porzeliczeniu na cukier zawarty w podłozu.Istotny jest dobór kultury- wysoko wydajne kwasotwórczo w metodzie powierzchniowej w metodzie wgłębnej sie nie sprawdzają; wyselkcjonowane szczepy, które rozwijają sie ale nie są aktywne kwasotwórczo. W celu zachowania aktywności kwasotwórczej -przechowywane sa jak konserwy. liofilizowane co 5-7lat.

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,

- Kwas cytrynowy stosowany w przemyśle pożywczym wykorzystywany jest do produkcji napojów orzeźwiających, słodyczy, owoców kandyzowanych i win, galaretek dżemów,esencji, miód sztuczny, marmolad jako środek zakwaszający i stabilizujący, chroni żywność przed utratą witaminy C pełniąc rolę antyutleniacza, stabilizuje smak i zapach ryb, krewetek , warzyw;

- Przeciwutleniacz chroniący żywność przed zepsuciem szczególnie tłuszczów. 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,

-wchodzi w sklad wielu medykamentów, stosowanych przy zatruciu Pb- cytrynian sodu

- 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, wykorzystywany w produkcji proszków do prania

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

Chemizm fermentacji cytrynowej.

chemizm fermentacji intrygował. Weber przedstawił pierwsze sugestie dotyczące tego procesu. Powstało wiele prac. T. Chrząszcz w okresie międzywojennym opracował teorie syntezy- obecie Chrząszcz i Tiukow - wiadomo, ze te drogi przemiany są zwiazane z cylkiem Krebsa. Załozyli że cykl przemian związany jest z fermentacją alkoholową - alkohol etylowy utlenia sie do kwasu octowego. Schemat 41 (nie trzeba znać). Z teoretycznych wyliczeń wynika że wydajność nie przekracza 70%- w praktyce wydajność jest o wiele wieksza.

Nadprodukcja kwasu cytrynowego i wydzielanie go do podłoża jest u niektórych odmian Aspergillus niger wynikiem zakłócenia cyklu Krebsa na skutek braku lub niskiej aktywności enzymów odpowiedzialnych za jego dalszą konwersję. Badania na fermentacja prowadzone byly w szkole Ramalerishnau- w połowie lat 50-tych 20 wieku. Badania prowadzone bły na podłożu wzrostowym (na których szczep nie wytwarzał kwasu cytrynowego)- wytwarza wszystkie enzymy cyklu Krebsa. SCHEMAT 42 Inaczej zachowuje sie na podłożu fermenatcyjnym- po pierwszysch 48h kiedy tworza grzybnie nie jest syntezowany lecz po tym czasie wytwarza do podłoza kwas cytrynowy poniewaz niktóre enzymy cyklu Krebsa nie sa aktywne, ich aktywność zaczyna sie zmineiac. Swierdzono że gdy aktywna jest synbteza kasu cytrynowego wzrasta aktywność syntazy cytrynianowej, równiczenie maleje aktywnosć enzymów dehydratazy kwasu cytrynowego i hydratazy akonitanowej, dehydrogenazy kwasu izocytrynianowego( jedna zwiazana z Nad a druga z NADP. Stwierdzono ze w pewnym momencie spada do 0. Cykl Krebsa został przerwany i kończy sie na etapie kwasu cytrynowego. W połowie lat 60-tych w Australii Lananza, oraz w byłym NRD prof. Taufel- stwierdzili, że obserwacje Ramakryszona nie były zbyt dobre. Nigdy aktywność tych enzymów nie spada poniżej 0, jest w minimalnym zakresie podtrzymywane, silne w około 90% ograniczenie aktywności oddechowej mitochondrium- dowód na to że całe struktury oddychaja, o 90% słabiej niz w porównaniu ze wzrostem grzybni. Skąd bierze siekwas szczawiooctowy jeżeli cykl byłby przerwany- badania Clelandera-Johnsona- SCHEMAT 43 zastosowane w doświadczeniu duze ilożsi glukozy znakowanej radioaktywnym C14. Glukoza rozszczepiana na dwie triozy(kwas pirogronowy), - następnie dekarboksylacja i powstaje acetylo -CoA, druga karboksylacja i powstaje kwas szczawiowy, kondensacja aktywnego octanu iszczawiooctanu daje kwas cytrynowy. Reakcja Wada-Berkmana. W latach 50-tych Martin uzyskał w sposób ilościowy- proces heterotroficznego wiązania CO2 (bo grzyb jest heterotrofem) - reakcja anaplerotyczna (uzupełniająca do Cyklu Krebsa-metabolity). Akceptorem Co2 jest pirogronian - powstaje szczawiooctan. Obecnie wiadmo, że bezpośrenie wiązanie CO2 z powietrza jest reakcją anaplerotyczna. Cykl glioksalanowy- druga reakcja wypełniania w przypadku fermentacji prowadzonej na glukozie. Wydajnosć wiązania CO2 byla dość niska - 40% ogólnego kwasu cytrynowego tworzyło sie z 4 węglowego kwasu dwukarboksylowego. SCHEMAT 44. Kondensacja 2 zwiazkow 2 węglowych prowadziła do powstania kwasów dwukarboksylowych cztero weglowych- one droogą recylkulacji dają substraty w Cylku Krebsa. POwstaje 60% szczawiooctanu C1+C3 (karboksylowy kwas pirogronowy).

Regulacaja syntezy kwasu cytrynowego lata 70-80 XXwieku - badacze Australijscy- Kubicek i Röhr, zauważyli że duża role odgrywa cykliczny AMP, jony magnezu i jony amonowe. Zakladają że minn. jony amonowe powstaja w komórkach na drodze proteolizy- aktywują enzym regulujący szybkośc proteolizy- fosfofruktokinazy, równi aktywność tego jest regulowana przez cAMP. W wyniku aktywnoisci fosforuktokinazy następuje szybki spływ metabolitów. Cykl Krebsa nie jest nigdy przerywany.

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

Pierwszy który zaobserwował, że kwas glukonowy moze być wytwarzany przez drobnoustoje - był francuski badacz Bautroux - stwierdził, że kwas glukonowy wytwarzany jest przez bakterie octowe Acetobacter aceti. W latach 1922-1924 Molliare- stwierdził, ze kwas glukonowy jest wytwarzany w pewnej ilosci przez Aspergillus niger tworzący kwas cytrynowy. W 1924 Burnhover- wyodrębnił szczep Aspergillus niger tworzący wyłącznie kwas glukonowy. W pH kwaśnym 2-3 wytwarzają kwas cytrynowy, a w pH 5,5-7 powstaje kwas glukonowy. Dlatego przy fermentacji należy stosować substancje neutralizujace - węglan wapnia.

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 nitkowatych głównie Penicillium notatum i chrysogenumjak i grzyby zrodzajuAspergillus wentii, fumaricus, niger. Zastosowanie bakterii jest bardziej efektywne niz grzybów, 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 grzybów Penicillium funiculosum, wzglednie Aspergillus niger. Proces fermentacji w metodzie powierzchniowej prowadzi się tak jek kwasu cytrynowego - 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, kadzie ułozone poziomo - horyzontalnie o pojemności 1600 dm³. Układa sie je horyzontalnie poziomo i wypełnia do 1/3 części pojemności tj. 530dm^3, roztworem glikozy, następnie wyprowadza się innoculum Aspergillus fumaricus do wyjałowionego podłoża 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), w nieciągłej 160g/dm3, węglanu wapnia-środek neutralizujący (26g/dm³). Węglan wapnia rozpuszcza się w środowisku i nie utrudnia procesu fermentacji przez krystalizacje. Z wyliczeń wynika, że 26 g węglanu wapnia na dm3 podłoża może związać ok. 102 gramów kwasu glukonowego.

Gdy stężenie glukozy wynosi ok.1%, przerywa się fermentację, wyłącza się napowietrzanie 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- moze stanowić 80% objętości pofermentacyjnego płyn, zostaje 20% z grzybnią. Mozna wprowadzić nowa porcję substratów i fermentacja moze byc wznowina, pozwala to na dość wydajne skrócenie cyklu. 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. Jeden cykl trwa 9h- cykl moze trwac dłuzej gdyz grzybnia musi sie namnożyc.

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, lub przez silne oziebienie roztworu. 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- powstaje gips i wolny kwas glukonowy.}

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 mioduoraz 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 100 000 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.

Chemizm reakcji:

Prosty proces przemiany utleniania grupy aldehydu glukozy do grupy karboksylowej. Glukoza +H2O+O2-oksydaza glukozy-> kwas glukozowy +H2O2. SCHEMAT 47a., 46 Oksydaza glukozy- koenzymem FAD, reakcja z udziałem O2, powstaje FADH2- wodory na O2 i powstaje H2o2- enzym katalaza rozkłada H2O2 na H2O+1/2O2 powstaje beta-glukonolakton, który po uwodnieniu daje glukonian. Na początku lat 50-tych XXwieku- poszukiwano nowych antybiotyków.W przesączu Penicillum notatum – myślano, że notatyna (penicylina beta) jest antybiotykiem - po badaniach biochemicznych okazało się, że notatyna to enzym oksydaza glukozy- nagromadza w podłozach H2O2, który zabija drobnoustroje (produkt uboczny). Jezeli brak glukozy w podłożu - nie obserwowano.

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 w mniejszej lub większej ilości to Rhizopus, Mucor, Cunnighamella,Circinella, Aspergillus fumaricus - posiadał niegdyś zdolność nagromadzania kwasu fumaranowego- około 70% w stosunku do użytego cukru- potem zdolność tę zatracił na rzecz kwasu glukonowego , obecnie jako kultura przemysłowa w metodzie wgłębnej.( wśród których szczepy Rhizopus sp. (stolonifer, arrhizus, oryzae i formosa) odznaczały się najwyższą produktywnością dając „plon” w warunkach zarówno tlenowych jak i beztlenowych. )

Spośród grzbów strzepkowych (w skali przemysłowej) 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), insulina - nie wytwarza inwertazy nie rozkłada sacharozę,dlatego nie można stosować 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%węglowodany, a takze sole mineralne i prowadzi się go w podwyższonej temperaturze 28-30 stopni C. Etap ten trwa tak długo aż zostanie uformowana błonka grzybni, czasem trzebe podtrzymywac 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. po odfermentowaniu zacier odciąga sie spod grzybni i zadaje sie tam cukier. W celu usprawnienia procesu fermentacji stosuje się obracające sie tarcze z tworzywa sztucznego, o duzej powierzchni- grzyb zarasta powierzchnie tarczy. Grzyb ma dostęp do tlenu i kontakt z podłozem, a grzybnia ma podporę.Grzybnia jest unieruchomiona - tarcza zawieraja immobilizowaną grzybnię, która może pracować w systemie pólciagłym 14 dni bez utraty właściwości. Kwas fumarowy jest usuwany wybiórczo przez komorę, która zawiera absorbent PVP – żywica polifenylopirydiminowa. Wyeliminowanie używanie środków neutralizujących (kwas jest stale usuwany).
Wydajność wynosi 85g/dm³ ze 60% glukozy w 1dm^3.

Fermentacja wgłębna

Przerabianie roztworu w objętości 20dm3 cukru na koncentracje 8%. 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%-60% w stosunku do uzytego cukru.

Kwas fumarowy jest słabo rozpuszczalny w wodzie w temperaturze 25 stopni C poniżej 1%.. 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 ze wzgledu na duza rozpuszczalność w wodzie. Preparat kwasu fumaranowego CWS- fumaric acid- zwieksza rozpuszczalnosc - zmiększacz kryształów (nie przekracza 40 mikrometrów), weglan wapnia w ilości 0,5% , sypkośc preparatu zwieksza sie oraz dioktylosulfobursztynian sodu- w ilości 0,3% zwieksza nawilżenie preparatu i zwieksza rozpuszczalnosc, pod wzgledem smakowym nie umniejsza kwasu cytrynowego. Jest słabszy od cytrnowego, bo na 2 grupy karboksylowe kwasu fumarowego przypadaja 3 grupy karboksylowe kwasu cytrynowego,

• Jest na drugim miejscu pod wzgledem rozmierów produkcji 40-60 tysiecy ton na rok, 3/4 tej produkcji prowadza Stany Zjednioczone.

• 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

Chemizm fermentacji fumaranowej.

I-kwas fumarowy powstaje na drodze procesów podobnych do fermentacji alkoholowej. Rozszczepienie heksoz na dwie triozy, następnie ich dekarboksylacja i redukcja do alkoholu etylowego, podlegającego dalszemu utlenianiu do kwasu octowego które kondensują do kwasu bursztynowegoa ten następnie w wyniku utlenienia przechodzi w kwas fumarowy. SCHEMAT 47.

II- rozpad glukozy do kwasu pirogronowego, stąd 2 drogi (dośc różne), jedna czasteczka pirogronanu ulega dekarboksylacji do aldehydu octowego , dwie czasteczki pirograniu ulegaja kondensacji do kwasu szczawiooctowego a nastepnie uwodornienie do kwasu jeblkowego, odwodnienie do kwasu fumarowego - reakcja odwrotana do cyklu Krebsa. schemat 48.

XIII. Fermentacja galusowa

Bisynteza kwasu gallusowego - 3,4,5-trihydroksybenzoesowy. SCHEAMT 49 Jest skladnikiem taniny,gdzie występuje w połączeniu z D-glukozą. Tanina to garbnik rośliny. Wystepuje w zacznych ilosciach w niektórych gatunkach roslin. Surowiec przygotowywany na drodze hydrolizy kwasnej lub alkalicznej, względnie alkalicznej. Tanaza enzym przekształcający taninę przy udziale drobnoustrojów do kwasu galusowego i glukozy. Szwedzki farmaceuta Schele w 1787roku posłużył sie wyciągiem z orzeszkow gallusowych (narośla które sie tworza na liściach debu), wywołane prez mikroorganizmy- wyciąg z tych gallusów traktowany za pomoca tanazy - charakterystyczny enzym, induktywny, zwenątrzkomorkowy: Aspergillus nigei i Penicillum expansum.

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. nigerlub P. chrysogenum. Pryzmy te od czasu do czasu mieszano i pozostawiano w temperaturze 30 ⁰C. w tych warunkach następuje szybki rozwój grzybów nitkowatych, okresowe przerabiane pryzymy - nawilgocenie i utrzymanie temperatury. Po okresie fermentacji trwającymokoło miesiąca z przerośniętego grzybnią materiału roślinnego ekstrahowano kwasgalusowy za pomocą gorącej wody.

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 8-10% 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.Kwas gallusowy trafia do warstyw rozpuszczlnika - otrzymywany w postaci suchego preparatu. oczyszczanie prowadzi sie bezpośrednio po fermentacji Następnie oczyszcza węglem aktywnym. Roztwór się oziębia co powoduje wydzielenie kryształów,które oddziela sie przez wirowanie. Jedna cząsteczka kwasu gallusowego rozpuszcza się w 300cz. H2O.

Zastosowanie

Kwas galusowy ma kilka ważnych zastosowań w przemyśle. Używany jest główniejako substrat wyjściowy w produkcji pirogalolu i estrów kwasu galusowego. Pirogalol wykorzystywany jest do barwienia futer, skór i włosów- do produkcji niektórych barwnikow oraz w przemyśle fotograficznymjako jeden ze składników wywoływacza. Galusan propylu jest znanymantyutleniaczem stosowanym do utrwalania różnego rodzaju olejów, tłuszczów jadalnych, żywności barowej, gumy do żucia, płatków śniadaniowych, pasztetówi przetworów mięsnych . kiedyś stosowany do produkcji atramentu.Stosowany w lecznictwie z innymi preparatami w dermatologii, oraz w kosmetyce- włsciwosci antyseptyczne.

XIV. Fermentacja itakonowa (kwas itakonowy- metylenobursztynowy) SCHEMAT 50, 51

Proces fermentacji odkryty przez Japończyka Kinoschita, wyodrębnił on gatunek grzyba z rodzaju Aspergillu,s 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

SCHEMAT 52 Kwas kojowy aromatyczny pierścieniowy produkowany jest przez grzyby z rodzaju Aspergillus: clavatus, oryzae, flavus i Penicillium daleae jak i niektóre bakterie octowe z rodzajuAcetobacter: jako substratu używa się cukry proste (heksozy: glukozę, fruktozę, pentozy: arabinozę, ksylozę) jak i złożone tj. dekstryny, inulinę skrobię, alkohole; inne np glicerynę, dihydroksyaceton; kwasy organiczne: kwas winowy, kwas glukonowy.

Najlepsze wyniki otrzymywane są z glukozy lub ksylozy (glukoza jest przyswajalnym cukrem, ksyloza jest trudniej metabolizowana). Praktyczne wykorzystanie Aspergillus flavus , ilość substratu 5-30%. Podobnie jak fermentacja cytrynowa i itakowa fermentacja kojowa przebiega w środowisku silnie zakwaszonym pH 2-3,5; nie stosuje się środków neutralizujących, które by utrudniały syntezę. Proces fermentacji trwa od 9-20dni – 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 SCHEMAT 53

Nie do końca wiadomo jak powstaje. W przypadku glukozy proces odbywa się na drodze bezpośredniego utleniania i ppotrójna dehydratacja (odwodornienie) glukozy. W przypadku pentoz przypuszcza się, że proces nie odbywa się jedynie na zasadzie wewnątrzcząsteczkowego przegrupowania, następuje rozpad na związki trójwęglowe. Za ogniowo pośrednie procesu uznaje się dihydroksyaceton (dodawany do podłoża gdzie hodowany jest Aspergillus), który jest zamieniany na kwas kojowy w wyniku konadensacji. Kondensacja z 2 cząsteczek dihydroksyacetonu powstaje kwas kojowy.

Zastosowanie

odczynnik analityczny, właściwości antybiotyczne,do wyrobów insektycydów, przy produkcji związków helatowych.

Produkcja kwasu mlekowego

Nie tylko bakterie mogą być wykorzystywane do jego produkcji, stosowane są również grzyby nitkowate: Rhizopus microsporus var. chinensis, Rhizopus stolonifer (dawniej Rhizopus nigricans), Rhizopus oryzae, Actinomucor elegans (dawniej Rhizopus elegans).

Rhizopus stolonifer (dawniej Rhizopus nigricans) także do produkcji kwasu fumarowego.

Kwas Mlekowy produkowany przez grzyby ma lepsze cechy fizykochemiczne niż przy produkcji przez drożdże. Kwas mlekowy jest: bezbarwny,i bardziej czysty.

Prosta od 15% r-ry glukozy tachnicznej z dodadkiem soli mineralnych i w warunkach hodowli powierzchniowej lub wgłębnej. Neutralizacja CaCO3 – (najpierw ok. 1%) dozujke sie 1 lub 2 porcje w ilości 1%, temperatura 30°C , trwa 2-3 tyg. w metodzie powierzchniowej. Powstaje ponadto śladowe ilości: jabłczan, bursztynian, octan i nieco większe fumaranu (wtedy gdy produkcja jest prowadzona w podwyższonej temperaturze). Wydajność produkcji powierzchniowej 62-67% w stosunku do użytego cukru. Hodowla wgłębna z użyciem obrotowych bębnów lub kadzi fermentacyjnych jest jeszcze mało poznana.

Biosynteza jabłczanu

Jabłczan- kwas 2-hydroksybursztynowy.

- Synteza chemiczna polega na utlenianie furfuralu lub ekstrakcja z niektórych owoców zawierających ten kwas jednak obie metody mogą być kosztowne.

-Zaletą jako kwas spożywczy jabłczan może skutecznie konkurować z kwasem cytrynowym. Nie tylko pod względem uczucia kwasowosci może być wykorzystany. Jest bardziej ekonomiczny (zastępuje cytrynian w mniejszym stężeniu, pomimo iż jest karboksylowy). Kiedyś moze bedzxie w szerszym stopniu wykorzystany w przemyśle spożywczym.

W latach 70 powstał pierwszy tego typu zaklad w Stanach produkował około 10 tysięcy ton rocznie. Światowa produkcja w przyszłości bedzie coraz bardziej rozszerzana obecnie jest produkcja chemiczna i mikrobiologiczna, która stanowi 50 tys. ton na rok.

Mikroorganizmy z rodziny Aspergillus (paraziticus, flavus, oryzae).

Proces fermentacji prowadzona jest w warunkach metody wgłębnej.

Metoda wgłębna bardziej ekonomiczna i wydajniejsza niż pow. 5-7 dni; 30C pH lekko kwaśne 5-7,5 (na greanicy kwaśnego i lekko zasadowego), Stosujemy środki neutralizujące, np. węglan wapnia względnie magnezu od 1-10%. Źródłem węgla w 70% pochodzi z fuktozy,oligosacharydy - (maltoza, sacharoza), w koncentracji 10-15% uzupełnienie podłoży w kwasy organiczne 0,5-1% (pirogronian, fumarozy, stosowane jakoprekursory, które przyspieszają tępo fermentacji) sole mineralne .

Surowcem jest gliceryna. Grzyby odrzuca się i wydziela się kwas alfa-jabłkowy. Powstały kw. L-jabłkowy wydziela się przez zagęszczenie roztworu przez odparowanie w aparatach wyparnych w postaci jabłczanu wapnia lub magnezu), Następnie otrzymana sól rozszczepiana jest na kryształy za pomocą kw.siarkowego.

Inne grzyby: Rhizopus microsporus varets chinensis przemiana wraz z drożdżami do jabłczanu w kulturach mieszanych grzybowo-drożdzowych. Rhizopus microsporus varets chinensis i drożdze Pichia membranaefaciens w rezultacie kultury wytwarzają najpierw fumaran(Rhizopus microsporus varets chinensisodporny), który po upływie tygodnia fruktoza użyta jako źródło węgla w 90% przekształcana do kwasu fumarowegoi w drugim etapie kwas ulega uwodnieniu do jabłczanu to włączją się drożdze(pierwszy etap grzyby, drugi drożdże). Metoda wgłębna lub powierzchniowa neutralizujące środki to CaCO3 lub Na2CO3, otrzymujemy jabłczn sodu lub wapnia. W stosunku do użytego cukru wydajność wynosi: 37% wydajności metoda powierzchowna (14dni) i 62% wydajności metoda wgłębna (9dni). Do produkcji jabłczanu oprócz grzybów, drożdży można wykorzystać bakterie które produkują enzymy. W technologii używane są głównie drożdże i grzyby strzępkowe. na drodze enzymatyczej produkcja kwasy alfa-jabłkowgo (doniesienia) poprzez uwodornienie kwasu fumarowego przez bakterie. Fumaraza - hydrolazę fumarową , wydajnym źródłem enzymu są bakterie Brevibacterium flavum, Brevibacterium ammoniagenes jako komórki wolne lub immobilizowane. Enzym bierze udział w hydratacji fumaranu.

Nowoczesne metody technologivzne

- unieruczomienie materiału biologicznego na powierzchni lub wewnątrz

-przeprowadzenie przemiany

-większa gęstość hodowli zwiększa produktywność komórek

-łatwość oddzielenia od podłoża

Wady: opory dyfuzyjne związane z transportem substratów, a także w materiale samego nośnika, czasem odrywanie kom. od pow. nośnika.

Fermętację tą można prowadzić w systemie okresowym lub ciągłym. Podobne systemy wykorzystywane przy immobilizacji enzymów.

Produkcja antybiotyków

- Duża różnorodność asortymentu, znaczne rozmiary produkcji

-Fermentacja prowadzona przez promieniowce- wyodrębniono dużo antybiotyków produkowanych przez tą grupę.

- Pasteur wspólnie z Joubertem stwierdził że istnieje zjawisko antybiozy na bazie laseczki Bacillus anthracis (laseczka wąglika, srosowana do bioteroryzmu) ( zahamowanie wzrostu wąglika w obecności nie których bakterii tlenowych)

-Anglielski mikrobiolog Aleksander Fleming 1929 odkrył zjawisko polegajace na antagonistyczne oddziaływanie grupy Penicillium chrysogenum w stosunku do gronkowca złocistego Staphylococcus aureus, zaobserwował zahamowanie wzrostu wokół koloni grzyba. To nie tylko dzieło samego przypadku, prowadził obserwacje w placówce gdzie nikt inny tego nie zaobserwował bo uważał to za zwykłe zakażenie. Fleming wcześniej interesował się antybiozą i to był szczególny przypadek który doprowadził do wyodrębnienia organizmów tlenowych. Substancje wydzielane przez grzyb nazwał penicyliną.

-Wyciągi z grzyba Penicillum- zachowują działanie antybiotyczne. Wykorzystuje sie Penicillum do celów terapeutycznych. Pierwsze próby użycia roztworów chodowlanych w 1932 roku, na ropne zakazenia, jednak próba nie powiodła sie gdyż roztwór był mało oczyszczony i xle zagęszczony.

-W czasie II wojny światowej 1940-42 intensywne badania nad penicylina w Stanach Zjednoczonych i Angli (usługi dla aliantów),jako środka przeciwko ropnemu zakażeniu. Florey, Chemilla, Chorin, Heakly-mikrobiolog a takze polski lekarz- Leontyn Wochowski zawdzięczmy im wyodrębnienie suchego preparatu. Odkryli sposób produkcji penicyliny, która w rozcieńczeniu 1:500000 była bakteriobójcza. Florey, Chain- opracowali technikę produkcji enicyliny i w 1945 roku wraz z Flamingiem otrzymali Nagrode Nobla za badania nad penicyliną. W 1942 roku amerykańska firma rozpoczeła masową produkcję penicyliny. Aby mogła być stosowana w lecznictwie na dużą skalę produkcja musiała by byc opłacalna. Szukano innych szczepów w środowisku naturalnym, o większej aktywności produkcyjnej. Sprowadzano szczepy z różnych zakątków świata- grzyb z gnijącego melonu wytwarzał z kilkakrotnie większą wydajnościa penicylinę niż szczep Flaminga i ta kultura zajeła jego miejsce.

Izolacja ze środowiska naturalnego różnych szczepów została już wykożystana. Zaczęto otrzymywać mutanty kilkaset razy przewyzszające produktywność szczepów dzikich. Penicylina stała się tanim lekiem, ogólnie dostęnym. Pod koniec wojny penicylina produkowana była już w skali fabrycznej. Clostridium perifringens-zgorzela gazowa (choroba).

Okres powojenny - era antybiotyków.

- po penicylinie zaczęto produkować inne antybiotyki wytwarzane przez zwierzęta i rośliny (opisano 6 tys. różnych antybiotyków w czasie wojny,do 1960 opisano 1600 antybiotyków, tylko 150 produkuje się na skale przemysłową i one mają zastosowanie w medycynie i praktyce rolniczej) Większość z nich produkowana była przez biosyntezę i na drodze biotransformacji.

- W latach 60-tych zaczęto produkować antybiotyki półsyntetyczne. Jednak substancje te miały skutki uboczne, były toksyczne dola ludzi (duża toksyczność). Niektóre drobnoustroje są trudne w hodowli (aby w skali fabrycznej otrzymać odpowiednią wydajność)

- 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

Obecnie prym wiodą Japończycy.

W 1945 -4,5 ton rocznie (11$ za 1g)

W 1963 -480 ton rocznie (10 centów za 1g)

1963- wszystkie antybiotyki ponad 3000 t.

Podział antybiotyków:

• Praktycznie nie toksyczne (podawane w dużych dawkach 0,5g na 1kg masy ciała -penicylina, streptomycyna, aktynomycetyna)

• Toksyczne (dawka letalna 100mgna kg masy ciała) gramicydyna

• Wysoce toksyczne 1,5mg na kg masy ciala- kw aspergilowy- produkowany przez -Aspergillus niger.

Produkcja antybiotyków na przykładzie Penicyliny z grzybów strzępkowych Penicillium - odpowiednio wyselekcjonowane szczepy kultury produkcyjnej- Penicillium chrysogenum lub P. notatum (niektórzy uważają ze ten drugi gat. to to samo co pierwszy). Hodowane na podłożach płynnych- wyciąg namokowy (namok), ziarna kukurydzy, względnie z jęczmienia (kaszy jęczmiennej) Roztwór podłoża uzupełniony -węglowodanami laktozą i niektórymi substancjami mineralnymi niezbednymi do rozwoju grzybów. 1-4% laktozy, pH 4 - wyjściowe

Namok- ziarno kukurydzy lub kaszy jeczmiennej (nie mielone)uzyskuje się z zalania ziarna wodą na 40h, dodaje sie 0,03% siarki (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 z pozywką stałą, aż do rozwoju konidiów , po czym przelewa się je jałową wodą lub płynem fizjologicznym. Gęsta zawiesina służy do zaszczepiania podłoża stałego w kolbach Roux albo płaskodennych (duża powierzchnia do hodowli grzybni).Kiedy Penicillum wytworzy na powierzchni dostatecznej wielkosci konidia znów zmywa się jałowymi szklanymi kulkami. Dalsze namnażanie na podłożach identycznych jak podłoże przemysłowe- podłoza płynne-namok, podloze mineralne do wszystkich podłozy syntetycznych. Dodatek kwasu fenylooctowego, jako prekursora wpływającego na produkcję penicyliny, działa stymulująco, dodawany do podłoża przemyslowego.

Jedyna metoda produkcji wgłębnej, zapewniająca jałowość. Podłoże mieszane i intensywnie napowietrzane. Napowietrzania sterylnuym powietrzem o objetosci rownej pojemnosci płynu pofermentacyjnego na minute. Aby płyn się nie pienił – oktadekanol albo oleje silnikowe na bazie krzemu (neutralne dla mikroorganizmow). 300 obrotów na min. Aby w mieszanej cieczy nie tworzył się lej są na brzegach łamacze cieczy, (dzieki listwom ciecz jest łamana) - idealnie równy poziom 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. zacieru.

Fazy fermentacji prowadzonej w tankach przemyslowych:

• Faza I :Trwa 2 dni,następuje sieny rozwój grzybni, intensywan synteza białek komórkowych, 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 z 4 do 7. (Grzyb lekko alkalizuje).

• Szybkie zużycie cukru (N nie jest wykorzystywany), wzrost kwasowości, wzrost grzybni ograniczony, grzyb nie rozmnaza się, , max nagromadzenie penicyliny z laktozy (proporcje miedzy N a C zachowane).

• Spadek aktywności biochemicznej grzyba, symptomy autolizy grzybni (wytwarza proteazy , które rozkładaja jego własne białko), zakończenie procesu produkcji wydzielanie penicyliny do podłoża, dobrze jest gdy delikatnie zachodzi autoliza wtedy mozna wydobyć penicylinę.

Wydajność (od niedawna w skali przemysłowej, jeżeli 200-800 jednostek w 200cm podłoża), W wysoko rozwinietych zakładach (np. Stany Zjednoczone 85 tys. jednostek penicyliny w 1 cm3, 50 g na litr, szczep wyjściowy P. chrysogenum od 20 - do 100 j na cm³, Aby zwiększyć wydajność szczepu stosuje się mutagenizację wieloetapową.Uzyskane tak aktywne kultury dzieki selekcji. Prowadzi sie proces wielostopniowej mutagenizacji, który jest prowadzony do tej pory az szczep osiagnie odpowiednia aktywność metaboliczną.

Wydzielanie i oczyszczanie penicyliny:

1.Usunięcie grzybni- filtracja, odwirowanie, bo jest to produkt odpadowy. Sklarowany roztwór zawiera penicylinę w postaci wodnego kw, ma tendencje do łatwiejszego rozpuszczania sie w rozpuszczalnikach organicznych : rozpuszcza się w octanie amylu, chloroformie . Kw. penicylinowy wchodzi do frakcji rozpuszczalników organicznych, dzieki temu mozna oddzielić, a fazę wodną odrzuca się. Neutralizacja w wyniku traktowania ługiem do soli Na i penicylina jest znów bardziej rozpuszczony w H2O niż rozpuszczalnikach organicznych. Wystarczy ten roztwór wykłócić wodą destylowaną i powtarzany kilka razy co zwiekasza jego czystość. Ostania faza to zawsze r-r wody. Wielokrotne przechodzenie z penicyliny z frakcji rozpuszczlników do frakcji wodnej i odwrotnie. Gdy stopień oczyszcenia zadowalający - ostatnią fazą jest roztwór wodny - tutaj penicylina w postaci soli sodowej.

2.Wydzielanie w formie suchej

Penicylina w postaci krystalicznej. Ten proces prowadzi sie w bardzo jałowy sposób. Wyróżniamy dwa sposoby polegajace na:

-Oznaczenie aktywności całego roztwru. Filtracja przez specjalne filtry i rozlewa sie tak 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 nieco inaczej: cały r-r liofilizuje się w płytkich tacach, a następnie kiedy jest w postaci krystalicznej jałowo rozważa się je do fiolek aby zawierały odpowiednią ilość jednostek względnie 100 tys. lub 1 mln jednostek. Po zakończeniu butelki zamyka się korkiem gumowym a następnie metalowym.

3. Produkcja

-metody chemiczne, substratem jest kwas G-aminopenicilanowy (GAPA)

-szereg metod enzymatycznycznych prowadzacych do powstania kilkadziesięciu antybiotyków β-laktamowych

Kryteria jakości

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

- jednostka aktywności-minimalna ilość( największe rozcieńczenie antybiotyku), które jeszcze wykazuje właściwości antybiotyczne w stosunku do użytego mikroorganizmu. Testuje się na szczepach kontrolnych. Staphylococcus aurerus- gronkowiec złocisty, szczep oksfordzki- dla penicyliny.

-ciężar czystego preparatu- jednostka antybiotyku penicyliny - masa równa 0,7 mikrogram czystej benzylopenicyliny.

Każda seria zawiera plon z jednej serii tanków wyznacza sie okresloną aktywnośc, wilgotność, jałowośc, toksyczność dla zwierzat- za to odpowiada caly zespół w laboratorium.

Cechy które są badane i muszą spełniać określone normy:

• Aktywność

• Wilgotność

• Jałowość

• Toksyczność

Produkcja streptomycyny

Streptomycyna wytwarzana przez promieniowce (ma zastosowanie techniczne)Streptomyces griseus - Waxman odkrył ten antybiotykiw 1944roku. Aner - mikrobiolog i Lancet Nagrodę Nobla w 1952 roku za badania nad streptomycyną.

W warunkach podobnych do produkcji penicyliny

• Wyprowadzenie odpowiedniej ilości indulum

• biosynteza antybiotyku w tankach

• Wyodrębnienie i oczyszczenie i uzyskanie w formie krystalicznej

Trudnośc w procesie - Szczepy S. griseus w warunkach laboratoryjnych sa aktywne w zakresie syntezy autolizatu jednak przeniesione z labolatorium do przemysłu nie potwierdzają swej aktywności (niewielka lub nikła) co stanowi trudność produkcyjną. Prowadzi sie stabili zacje szczepu jednak ten proces ma pewne granice. Dodatkowo pojawiają się aktyno fagi, które są trudne do usunięcia- żyhjace na promieniowcach . Obecnie wyprowadzono nowe szczepy oporne na ten fag, przystosowane do warunków. Kultury zaatakowane fagiem , nie nadają sie do stosowania. Czasem mutant wraca do formy dzikiej , o mniejszej aktywności ale stabilnej. Formy lizogenne- uzjadliwienie tych form. Można stworzyć szczepy odporne na fagi.

Proces produkcji streptomycyny podobny jest do produkcji penicyliny.

Oczyszczanie

• Usuwanie grzybni promieniowca po przez wirowanie, przesączenie,

• Roztwór po fermentacji traktuje się tak by zaadsorbować streptomycynę w pH 6-8 Streptomycyna- wyadsorbowanie jej na C-aktywnym. C-aktywny adsorbuje inne składniki podłoża.

• Oczyszczanie cakt po przez przemycie roztworem alkoholu etylowego, zakwaszonego do pH 2,5, streptomycyna traci zdolność do adsorpcji na Cakt

• Traktowanie roztworem acetonu, tak aby alkohol rozpuścił się w acetonie, a streptomecyna pozostaje w roztworze wodnym W miarę potrzeby proces powtarzany wielokrotnie. Streptomycyna zawsze wystepuje w roztworze wodnym.

• Liofilizacja Streptomycyny (do kryształow) rozpuszczonego w wodziema bardzo wysoką trwałośc do 12-18 miesięcy okres przechowywania w temperaturze pokojowej, bez zmian aktywności. Ciężar czystego antybiotyku 1 mikrog czystej zasady Streptomycyny.

Antybiotyki produkowane przez promieniowce

Chloramfenikol - Streptomyces venezuelae

Cykloseryna - Streptomyces orychidaceus

Erytromycyna- Streptomyces erythraceus

Neomycyna -Streptomyces fradiae

Z wielu antybiotyków wytwarzanych przez bakterie tylko nieliczne maja zastosowanie.

Bacytracyna -Bacillus subtilis,Bacillus licheniformis

Polimykryna - Bacillus polimyxa

Gramicydyna- Bacillus brevis

Nizyna- Lactobacillus lactis ssp lactis, cremoris.

Pozamedyczne zastosowanie antybiotyków:

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

- dodatek do pasz zwierzęcych dla drobiu penicylina, erytromycyna, bacytracyna.

-konserwy rybne – auromycyna, oksytetracykliny (teramycyna)

- chłodnicze składowanie drobiu- zanurzone w roztworze tetracykliny

-subtilina (polipeptyd antybiotykowy) 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 celów. W Wilkiej Brytani i Francji od zapobiegania infekcji jest stosowana w medycynie (nizyna).

Z czasem stosowania antybiotyków oporność antybiotyczna drobnoustrojów sie zwiększa przez co skutecznośc leków spada.

Cyklohelasinid -(Aktidion) – z grzybami roślinnymi.

- stosowanie w zootechnice przy żywieniu zwierzat- drobiu, cieląt, prosiat: penicylina, chlorotetracyklina, chloramfenikol , tetracyklina, Ilosc antybiotyku dodawna do pasz od 50-200 a nawet 1000g antybiotyku na toną paszy

Wprowadzany do wody do pojenia zwierząt 25-250 ppm (częśc na milion) antybiotyku= 25-250g / tonę wody ~ 1000dm3 H2O.

Antybiotyki przyspieszają rozwój zwierząt i zmniejszają ich śmiertelność, przyśpieszają procesy skarmiania.

-ochrona roślin- podatne na naturany rozkład , nie zalegaja w glebie, lepsze niż pestycydy, bo są lepiej rozkładane przez mikroorg. Glebowe i mogą być stosowane jako surowe preparaty (niższe koszty)

-streptomycyna

-xanthomonas kamp

-phytophthora, marlospora?

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

-chloramfenikol

-aktidion- przeciw drożdżowy- przeciwko grzybicom drożdżowym

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

Mikrobiologiczna synteza pochodnych steroidowych np.kortykosterydy -kortyzol , sterole. Wytwarzanie tych zwiazków chemicznie jest mnieosiagalne lub bardzo trudne. Synteza kortyzolu wytwarzany w wielu procesach z kwasu deoksyholowego. Otrzymywano w 37 reakcjach co dawało małą wydajność i wysoką cene 1g=(200$). Odkrycie hydroksylacji steroidów pozwoliło uprościć proces i obniżyć cenę (6$). Stosowany również do syntezy jego pochodnych.

Transformacja związków steroidowych. Udało się połączyć mikrobiologię z chemią (niektóre etapy przeprowadza się z zastosowaniem drobnoustrojów, inne chemicznie). Wytwarzanie pochodnych steroidowych- ma charakter procesu w ktorym struktura chemiczna w niewielkim stopniu ulega zmianie, te drobne modyfikacje polegaja na utlenianieniu, redukcji, metylacji steroidów daje nowe produkty o innych cechach(charakterystycznych cechach przydatnych dla ludzi.) - biotransformacja.

Kortyzon - baza leków steroidowych.

Wencel i Marlow-1937 roku pierwsze transformacje, ale dopiero w latach 50-tych produkcja przemysłowa, co spowodowało spadek cen tych produktów. Kortykosteron w ciągu 15 lat staniał ponad 100x.

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

Kortykosterol i kortyzol- podawany by przeciwdziałać goścu, stanom zapalnym.

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

Wiele mikroorganizmów ma zdolność do przeprowadzania przemian steroidowych- transformacji. U wielu mikroorganizmów poszczególne szczepy prowadza niektóre reakcje.

Rodzaje:

• Bacillus

• Eschericha

• Streptomyces

• Saccharomyces

• Penicillum

• Aspergillus

Fizjologiczne znaczenie nie jest inne- ma na celu detoksykacje steroidów- produkty transformacji sa mniej toksyczne dla organizmów.Steroidy naturalne - kiedyś z rośliny Discorea – roślinne źródło diosgeniny, która przekształcana jest w substancje S Reinsteina- deoksykortyzon- ważny substrat wyjściowy do produkcji pochodnych steroidowych ważnych gospodarczo wykorzystywany w transformacji mikrobiologicznej. W 1975roku rząd Meksyku (dostawy Diosgeniny)- podniósl cenę- opracowano konwersję mikrobiologiczną. Zaczęto produkcje fitosteroli z oleju sojowego (są one przydatne do produkcji pochodnych steroidowych ), Kortyzon staniał 400x w porówaniu z ceną wyjściową.

Proces produkcji:

- metoda wgłębna w kadziach o pojemności ponad 100 l, (100 tys l ?) silne napowietrzanie (mikroorganizmy użyte są wyłącznie tlenowcami)

pierwsza faza 12-24 bakterie, 24-72 grzyby odpowiedni wzrost kultury produkcyjnej.

- druga faza- włściwa produkcja, -do podłoża dodaje się podlegajace transformacji steroidy w rozpuszczalnikach organicznych , z rególy nie są rozpuszczalne w wodzie, musza być odpowiednio dozowane, bo czesto działaja toksycznie na mikroflore, deoksykortykosteron- aktywność przeciwgrzybowa.

Produkty mogą sie gromadzić w cieczy pofermentacyjnej, ale i na powierzchni grzybów lub w ich wnętrzu. Często ekstrachuje sie je oddzielnie z cieczy i i grzybni- cienka przesacz hodowlana - zageszzcenie i po wykrystalizowaniu - steroidy nieoczyszczone ich rozdział na frakcje- krystalizacja, metody chromatografi 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.Azotobacter, 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.

Odkryte w 1886roku.

Nobbe i Chiltner uruchomili produkcje szczepionki nitraginy za co otrzmali nagrode Nobla. 1929-1940 – rozkwitła produkcja szczepionek Rhizobiowych w Stanach Zjednoczonych. (do 400mln ton rocznie, lideram sa Stany Zjednoczone).

W Polsce kiedyś produkowali w Wałczu, obecnie nie.

Do produkcji szczepionek używa się świeżo wyizolowanych szczepów aktywnych wiążących N. mikroorganizmy namnażane są w hodowli wgłębnej, w kadziach z odpowiednią pożywka. Dla kazdego gatunku rośliny odpowiedni gatunek szczepów Rhizobium.Po zakończeniu chodowli bakterie namnaża sie z nośnikiem np torfem- te do szczepienia nasion. W praktyce: aerozol lub wymieszane z torfem służą do nawożenia.

nitraginy? nizbedna do inwolucji nasion na 1ha pola to 500g bakterii. Na każde ziarno siewne przypada 25 tys komórek bakterii.

Zastosowanie nitraginy w uprawach roslin zwiększa ilośc przyswajanego N2, soja rocznie 65kg/ha, lucerna 200kg/ha. Bakterie Rhizobium wzbogacaja środowisko w witaminy, fitochormony, siderofory, stosowane by uotpornić rośliny na susze lub zimno.

bakterie wolnożyjące Azotobacter - 20-40 kg N2/ha powierzchni w ciagu roku.

Do celów agrotechnicznych - preparat azotobakteryjny- przemysłowa hodowla aktywnych szczepów Azotobacter. Chroococcoum - produkcja azotobakteryny- hodowla kultur nawilgoconej w rozsypanej glebie w butelkach, lub w...

W polsce produkcja prowadzona w Wałczu.

Na pożywce płynnej w bioreaktorze z pożywką zawierającą glukozę, powstaje 35-40 kg wysuszonej masy komórek Azotobacter chlorococcus . Pożywka wymieszana z glebą , każdy gram azotobakteryny zawiera 50 mln bakterii na gram. Do użyźnienia gleby stosuje sie od 3 do 6 kg tego preparatu na ha.

Korzyści:

• Wzrost plonu zbóż od 2-4 dt (decyton), na ha (czyli o 10-18 % w stosunku do uprawy niezasilanych tym preparatem.),

• pomidory, ziemniaki- nawet do 25% wzrost.

Fosfor- składnik pokarmowy roślin.

Efektywnie działaja tlenowe laseczki Bacillus megaterium varietas phosphaticum- rozkład związkow fosforanowych. Do wytworzenia fosfobakteryny- metodą wgłebną. Po zakończeniu chodowli biomasa stanowi nie mniej niż 250 mln komórek na gram.

Fosfobakterie stosujemy- 250 g/ ha- stosujemy dzieki aktywnej mineralizacji w glebie zwiazkow fosforowych- ,lecytyny, fityny, kwasów nukleinowych- zwieksza sie w glebie zawartość przyswajanego fosforu zwieksza sie o 10%.

Bakterie epifityczne- żyjące na powierzchni roślin- szczepy Pseudomonas, przeprowadzna jest hodowla wgłębna z dodatkiem pasty lub proszku. 0,5kg/ha- zwiększenie plonu zbóż od 10-15%, okopowych do 20%.

Produkcja hormonów roślinnych przez grzyby:

- stymuluja wzrost i rozwój roślin, Gioweliny i niektóre sterole roslinne- są prekursorami roślinnych chormonów steroidowych.

Rodzaje grzybów- Giberella, Aspergillus, Penicillum Charosporinum.

Do ochrony roślin uprawnych przed owadami , szkodnikami- obecnie środki chemiczne- jednak źle działaja na pszczoły.

Insektycydy chemiczne - mało podatne na rozkład- powoduja skarzenie środowiska i żywności,- DDT- polski odpowiednik to Azotox- do zwalczania "amerykańskiej" stonki. Jest trwały , ma zdolność nadgomadzania się w tkankach zwierzat roślinorzernych i w obawie przed nastepstwami jakie by mogły być został usuniety z uzycia.

Biologicznie nie powodują zanieczyszczenia środowiska ani nie zagrazaja innym organizmom, sa bardzo skuteczne, rozmażają sie w organizmach szkodnika, niszczac go w przspieszonym tempie, w zasadze stosowany 1 raz. Około 1000 drobnoustrojów entomopatogennych- przedstawiciele grup organizmow- wirus, wikatsje, bakterie, grzyby, zwierzece pierwotniaki.

Laseczke tlenowe Bacillus thuringiensis - wyizolowane z molika rzecznego w 1901 roku- wykorzystane zostały do syntezy kryształow białkowych - endotoksyn towarzyszącym powstaniu endospor, endotoksyny wchłonięte z pokarmem przez owady , rozpuszcza sie i niszczy nabłonek wyścielajacy jelito- przerywają żerowanie - giną tym szybciej im wieksza jest dawka endotoksyny. Duża trwałość- są skuteczne w walce z gąsienicami owadów łuskoskrzydłych - bielinek kapustnik.

W połowie lat 70-tych na powierzchni około 200 tys ha. Obecne są na całym świecie. Produkują biopreparay bakteryjne. Wgłebna hodowla odpornych kultur bakterii enteropatogenu na pożywkach w kadziach - wytworzona biomasa komórek z przetrwalnikami- w odpornych warunkach zageszczone i wysuszone. W Wałczu - krajowy preparat Bacilen, W Pabianicach - podobny preparat - thurigan. Amerykański preparat dipel. Nie są toksyczne dla przczół. W Stanach Zjednoczonych preparat laseczki tlenowej - Bacillus popilliae- do zwalczania chrząszcza japońskiego który stanowi zagrożenie dla rolnictwa.

Inne gatunki laseczki Bacillus alvei, Bacillus circulans, Bacillus sphaericus- bakteryjne insektycydy przciwko komarom.

Dla szkodników dzrw owocowych- Bacillus cereus- 2 kg preparatu na ha, zeby zniszczyć w 97% populacje szkodników.

W śród grzybów występują formy enteropatogenne grzybice ?(szladowk).

Aspergillus flavus...., penicillium, myrotecium- patogen ...................

Spory grzyba Entomophthora thaxteriana - niebezpiszczna dla muchy domowej i pokrewnych gatunków. W Rosji boweryna- preparat grzybowy z Beauveria bassiana- walka ze szkodnikami ziemniaków.

Trichoderma lignorum i Trichoderma reesei produkują trychodermine i tryvotecyne - niszczy spory grzybów.

Grzybowe sa mniej skuteczne niż bakteryjne, wymagaja dużej wilgotności powietrza, dlatego mniej wygodne w użyciu.

Wirusy- trudności z hodowlą w skali przemyslowej, pasorzytniczy tryb życia wirusów- namnazanie wyłącznie w zywych komórkach owadów.

Insektycydy wirusowe:

- wysoka- 100% specyficzności

- bezpieczeństwo użycia

- duża skutecznośc

W Poznaniu opracowano metode insektycydu-.. wierzbórki.

Synteza enzymów.

W przyrodzie wystepuje występuje około 25 tysiecy enzymów, ponad 3,5 tys zarejestrowano odicjalnie, niewiele ponad 30 jest wykorzystywanych w przemysle, w medycynie około 20-25, w analityce medycznej 25. Enzymy te produkowane sa w skali fabrycznej

100 w postaci krystalicznej, około 80 to egzoenymy - o takich mowimy w biotechnologii. Wydzielane poza obreb komórki.- z grupy hydrolaz- hydrolityczne rozkładanie substratów, najwieksze zastosowanie w przemysle, liczne w przemysle spozywczym.

Światowa produkcja hydrolitycznych preparatów enzymatycznych to 800 tys mln ton/rok - Dania, Holandia, Stany Zjednoczone, Niemcy, Szwajcaria, Rosja. W Dani Novo i Noralisk- najwieksze zakłady.

Istnieje 130 różnych firm produkujacych enzymy. Produkcja handlowych preparatów enyzmtycznych wytwarza 25 firm z czego 6- pozycje dominujace.

W Polsce preparaty enzymatyczne- amylazy, proteazy-Zakład przemysłu owocowo- warzywnego w Jaśle.

Przemysł preparatów enzymatycznych- zawiera jeden lub kilka enzymów głownych i towarzyszacych enzymów oraz skladniki balastowe, nieoczyszczona, zageszczona ciecz .... lub czesciowo oczyszczona. Różne grupy drobnoustrojów: bakterie, drożdze, grzyby nitkowe- najlepsze.

Hodowla wysoko aktywnych szczepów pod wzgledem produkcji danego enzymu, zageszczanie i oczyszczanie (nie zawsze sie robi). Jeżeli to antybiotyki to preparat jest super oczyszczony, w przemyśle nie musi byc juz tak czysty.

Produkcja preparató wenzymatycznych na drodze biotechnoloddicznej- powierzchniowa metoda stosowana jest rzadko. Z wykorzystaniem grzybów strzepokowych jako kultury wiodacej. hodowle w podłozu stałym lub półstałym- solid state emture (stały stan). Podłoże np. nawilgocone otręby przenne i ten grzyb przerasta je , stosowane jest delikatne mieszanie i napowietrzanie.

W płytkich tacahc albo w grubej warstwie lub fermentatorach bebnowych- surowiec to induktor dla odpowiednich enzymów. Produkuje sie enzymy induktywne, amylay- substrat to otreby przenne, pektynazy - wysłotki buraczane zawierajace pektyne.

Metodw wgłębna- substrat, koncentracja od 1 do 10% nie moze byc gęste podłoże - najczesciej 1-2 % (np 1% otrępów przennych albo ekstrat z otrebów przennych, 15 pektyny) albo inna substancja albo wyciagi. Obecnie natomiast zamiast otreb przenych -muto.

Metoda powierzchniowa- nawilgocenie 55-60% H2O i potem wyjałowione- natepnie zageszczenie np konidiami, trwa 2-3 dni (do tygodnia), czasami zmielone i wysuszona grzybnia lub podłoże zageszczone. Podłoże poddaje sie ekstrakcji wodnej- wypłiukuje sie. Zagęszczenie pod próżnią - specyficzne enzymy.

W podłożu płynnym- wgłebna metoda z otreb przennych , soi, melasy.

Grupa enzymów w skali masowej

- amylolityczne- w 1894 roku produkowane przez fizme amerykanska- przy udziale grzybów nitkowatych- Aspergillus oryzae, niger, awamori, Rhizopus stolonifer, Sacharomycopsis (rzadko używane), bakterie- termofilne amylazy- Bacillus subtilis i Bacillus licheniformis- amylazy pracujące w temperaturze 100 stopni C- izolowane z amerykanskich gejzerów, różni sie stosunkiem alfa i beta amylaz, oraz amyloglukozydazy (maltoza do glukozy)- mankament za mało beta-amylaz - skrobia zbożowa nie jest całkowicie rożlożona dlatego dodajemy słód.

Wykorzystanie:

- gorzelnictwo- jako słód pleśniowy zastepujacy słod zbożowy,

- ziemniaczany- do produkcji glukozy ze skrobii

- wyrób syropów skrobiowych.

Żródłem środków słodzacych poza trzcina cukrowa i burakami cukrowymi- wówczas próba produkcji glukozy za pomoca amylaz grzybowych za skrobii. Jednak są one mniej słodnie od sacharozy; jednak zmniejszono to dzieki izomerazie glukozy- przemiana glukozy na fruktoze (wydajnosc około 50%), enzym ten wystepuje u promieniowców.

Izoglukoza: stosunek glukozy do fruktozy wynosi 1:1. syrop fruktozowy ze skrobii mąki ziemniaczanej w latach 70-tych około 2 mln ton - Amerykanie. Syrop frukktozowy produkowany jest także w Japonii- w polowie lat 70-tych wytwrarzali izomeraze glukozową immobilizowana- stosowane wielokrotnie ; działanie enzymu do połowy roku, Wytwarzany także w niektórych krajach Unii europejskiej.

Wykorzystanie:

- w piekarnictwie- troche dodaje sie do mąki, z której produkowane jest pieczywo, skraca czas spulchniania, jest trwalszy, dłużej swierza, niezdrowa.

- w pszacz - wieksza strawnosc pasz

-w browarnictwie- muożliwia wykorzystanie surowców niesłodowanych, co obniza koszty produkcji w Jaśle produkuje sie bakt-Akropol C, Amylogal...

Pektynolityczne, 3 enzymy

- poligalaktouronaza- rozpuszczalna(1)

- liaza pektynowa (2)

- pektynometyloesteraza

1- wiecej wiązań 1,4 - glikozydowe w łańcuchu kwasu poligalaktouronowego w pektynie- na kwas galaktouronowy.

pektynometyloesteraza odszczepia grupy metoksylowe -OCH3 od tego substratu, przez co zwieksza sie siła żerowania pektyn- kwas pektynowy i alkohol metylowy powstaje.

2- liaza pektynowa- rozszczepia wiazania glikozylowe alfa-1,4 w pektynie bez udziału H2O.

Preparaty pektynowe

- klarowanie soków owocowych i warzywnych

-maceracja miazgi - obróbka enzymatyczna miazgi

-klarowanie win- zmetnienia majace charakter pektyn

Za pomocą grzybów - Aspergillus niger- wiodące Pektopol, P, PT, PA- w Jaśle- Aspergillus niger (otrzymany na UMCS).

Celulolityczne- na blonnik (celuloze), produkuje sie w masowej skali. Produkcje nie prowadzi sie na celulozie. Odpowiednie szczepy Trichoderma na laktozie, na płynnym substracie cellulozy, można otrzymać alkohol, biomase. W przyszłości hydroliza kładników drewna i rozkład hemicellulaz- ze słomy alkohol, tzw bioctanal. Zadrożdzowanie- tworzenie paszowych drożdży; obróbka, maceracja pasz zwierzecych. Skład surowców cellulozowych: hemicellulozy i ligniny, oprócz cellulozy.

W piekarnictwie- cellulozy w dużym rozcieńczeniu powodują regeneracje włókien cellulozowych np w koszulkach. Do produkcji stosuje sie Trichoderma reesei, lignorum, rosetum, Geotrichum vcandidum.

Proteolityczne- różne gatunki grzybów z rodzaju Aspergillus np flavus, i bakterii np Bacillus.

Zastosowanie:

- w mięsnym do kruszenia (zmiękczanie) mięsa, głownie wołowiny, w celu zwiekszenia strawnosci.

- w przetwórstwie rybnym

- w przetwórstwie koncentratów spożywczych do produkcji hydrolizatów białkowych.

- piekarstwo

-browarnictwo- przeciw mętnienu białkowemu

- garbarstwo- hydrolazy białkowe do enzymatycznego zmiekczenia i depilacja (owłosienia)- skór, proteinazy Bacillus i..

Biotechnologicznie otrzymano i wydzielono.

• w przemyśle mleczarskim mogłyby zastepować podpuszczke- przejscie kazeinogenu mleka w sernik (kazeinę )- produkcja serów twardych, podpuszczkowych. Hymozyno podobne enzymy grzybowe- Rhizomucor pusinus, Entothia parazitica. Proteinazy aspartylowe - kwaśne proteiznzy,- podobne właściwości do reniny i pepsyny - substraty zwierzęcych proteinzaz.

• modyfikacja białka - enzymatyczne zmiany funkcjonalnych własciwości białek: zmianę rozpuszczalności , lepkosci, smaków np enzymatyczna hydroliza glutenu w mące pszennej.

Transglutaminaza- enzym z klasy transferaz, moze katalizować i n vitro w białku roślinnym i zwierzecym reakcje tworzenia wiazań krzyżowych. efektem jest kowalencyjna polimeryzacja- przenoszenie grup acylowych R-C=O, których donorem sa grupy gamma-karboksylowe wiazań peptydowych, - efektem jest tworzenie wizań krzyzowych pomiedzy aminokwasami. otrzymywana z promieniowców, stosowana w przemysle spozywczym do poprawy własności białek - poprawia smak, zapach i wyglad, zmniejsza reakcje alergiczne, dłuższa trwałość.

Oksydaza glukozy i katalaza- zwykle łacznie stosowane jako przeciwutleniacze do utrwalania produktów tj. białko jaj, win, sokow owocowych, białko jaj brunatnieje - tworza sie aminokwasy (zwiazki Marilarda) - stosując preparat oksydazy glikozowej hamujemy ten proces. Utrwalanie chleba w opakowaniach - usuwanie glukozy i tlenu, cukry na powietrzchni chleba sa utlenione. Przy użyciu grzybów Aspergillus nigier- wytwarzana jest katalaza i oksydaza.

Inwertaza - z drożdży - do inwersji karmelu i przy wyrobie mas cukierniczych.

Laktaza- drożdze Cluiveromyces Claviris, bakterie; Grzyby: Aspergillus niger, Penicillum. Przeprowadzją hydroliza laktozy na glukozę i galaktoze. Stosowana do produkcji mleka skondensowanego, przy wyrobie lodów, zapobiega krystalizacji.

Nirynginaza, hesperydynaza-bardzo użyteczna w produkcji soków owocowo- warzywnych, przemiana substancji goryczkowych owoców cytrusowych.

Lipazy- deestrfikacja tłuszczów, Stosowana w pralnictwie z amylazami, cellulazami, proteazami.

Wzrost zainteresownia enzymami termostabilnymi i działajacymi przy skrajnym pH. Techniką rekombinacji Dna wpływa na enzymy.

Usuwanie substancji niepożądanych, np. usuwanie goryczki.

Często reakcje enzymatyczne przeprowadzane w rozpuszczalnikach organicznych zmieniaja kierunek przebiegunp hydrolaz- nie w kierunku rozkładu a syntezy związków (bo nie ma wody).

Reakcje przy wysokim nadciśnieniu.

Gorzki posmak przez limnoidy. Do usuwania substancji wolo... w nasionach rzepaku.Możemy tworzyć nowe tłuszcze, nowa jakość tłuszczy bez utwardzania. Przy użyciu lipaz przemiana oleju oliwkowego i stearynowego do masła kakaowego.

PRODUKCJA AMINOKWASÓW

Możliwosć otrzymania na drodze biotechnologicznej.

I- kwas glutaminowy nadaje smak produktom spożywczym. Opracowane w 1956 roku przez Kinoskitę- wyizolowała Corynebacterium glutamicum- z glukozy znaczne ilości kwasu glutaminowego pd 30 do 60 g w 1 litrze, G+, wymaga do rozwoju biotyny, biosynteza trwa 3 dni, podłoże- glukoza+ sole mineralne + biotyna + żródło N (mocznik ) temperatura 28 stopni C. Stosowany w przemysle spożywczym . Sól sodowa do chleba, koncentratów. W japoni produkcja wynosi 300-400 ton/rok. Zamiast glukozy octan jako żródło C. Brevibacterium divaricatum

Egzogenne

- lizyna- jako szczep Corynebacterium glutamicum, mutanty homoserynowe tego gatunku; to upośledzenie powoduje, ze metabolizm kierowany jest na produkcje lizyny w podłożu do 2%. W Rosji Brevibacterium 72-78h- intensywne napowietrzanie - w jednym litrez- 18-25g cukru w stosunku do użytego cukru.

Zwieksza wage ciała o około 10%.

Stosuje sie mutanty auksotroficzne- na skutek działania czynników mutagennych utraciły zdolność syntetyczną jednego aminokwasu, natomiast zdobyły zdolność produkcji innych. Izoleucynne sa zależne od lizyny. Dzikie szczepy mikroorganotrofy mają tendencje do ..

Auksotrofy Corynebacterium glutamicum- szczepy bakteryjne wytwarzają inne aminokwasy - walina, ornityna- z wydajnością 13g w 1 dm3, treonina- 2-3g na 1 dm3,izoleucyna 12-14g na 1 dm3, metionina, tryptofan.

Brevibacterium flavum- lizyna

E.coli- homoseryna

Astrobacter parrafinecus- treonina, seryna.

Candida- histydy

WITAMINY

Witamina C- wiele dronoustrojów moze bezpiecznie wytwarzać witaminy. Drożdże są dobrym źródłem witamin z grupy B- piekarnicze i piwne, zawierają również selen- czynnik przeciwnowotworowy. Sacharomyces cerevisiae wytwrarza witaminy B1, B6 , itd. Drozdże stosowane są w celu otrzymania witaminy B w tym celu komórkę rozdrabnia się, nastepnie przeprowadza autolizę 45-46 stopni C, pH 6-6,5 . Autolizat zawiera białka, aminokwasy, a takze witaminy. Stosujemy alkochol do rozdzielenia wycjągu. Zageszczamy do 60. Z wyciągu robimy witaminy.

Osad suszy sie w suszarniach i rozdrabnia , następnie dodaje sie rozcieńczony roztwór KOH, ergosterol naświetla sie w roztworze eterowym i otrzymujemy witamine D2. Gotowy produkt zageszcza sie i otrzymuje sie czysty kalcyferol (witamine D2). Skłonnościa do nadprodukcji witaminy B2 charakteryzują sie szzcepy : Candida guilliermondii, bakterie Brevibacterium i Clostridium, najlepsze wyniki otrzymujemy z drożdży Ashbya gossypii- po 7 dniach hodowli w odpowiednich warunkach otrzymujemy 5g ryboflawiny w 1 dm3 podłoża.

Eremothecium ashbyii - wytwarza do 1,8-2,5 g witaminy B w 1 dm3, aktywnosć jest tak zanczna, że sama grzybnia po wysuszeniu i zmieleniu zawiera 2,5 % ryboflawiny, grzybnia ta stanowi cenny dodatek do pasz.

Biosynteza metodą wgłębną- wyciąg namokowy z kukurydzy, w temperaturze 28-29 stopni C, stosuje sie silne napowietrzanie. Ryboflawine zageszcza sie w wyparkach. Witaminę B2 można rownież wytwarzać z węglowodanów ropy naftowej np. Pichia guilliermondii - 300mg na 1m3.

Złożona budowa chemiczna - cyjanokobalaminy - B12- najpużniej odkryta , zapobiega anemii, stymuluje rozwój masy mięsnej. Produkowana jest przez naturalnę mikroflorę przewodu pokarmowego wielu ssaków- zaspokajają potrzeby organizmu ssaka, a nadwyzki tej witaminy gromadzone są w wątrobie. Początkowo witamina B12 była pozyskiwana z wątroby wołowej. Odpady pochodowlane wytwarzane przez promieniowce zawierają dużo witaminy B12. Obecnie biosynteza prowadzona jest z zastosowaniem Streptomyces, Nocardia, Corynebacterium, Bacillus i Propionibacterium . Najwczesniej wykorzystywany w tej biosyntezie był szczep- Streptomyces olivaceus. Angielskie firmy prowadzą produkcje z wykorzystaniem Propionibacterium freudenrichii., Propionibacterium freudenrichii subsp. shermanii.

Do produkcji witaminy B12 stosujemy wyciąg namokowy kukurydzy, melasy dekstrynazy , glukozy, hydrolizaty białkowe z dodatkiem kobaltu. Konidia przeszczepia się do pożywki i hoduje przez 48h w 28 stopni - następnie przenosi sie je do fermentatorów posiewowych, z nich po 2 dniach fermentatorów produkcyjnych o pojemnosci 20 tysiecy litrów po 4-5 dniach przepompowuje do zbiorników i stabilizuje sie siarczanem amonowym. Brzeczkę odparowuje sie i otrzymujemy 4-5mg witaminy B12 w 1kg, około 35% substancji białlkowych i innych witamin z grupy B. Możliwa jest także produkcja ze scieków. Także podczas fermentacji metanowej - na Węgrzech.

Biotyna- witamina H

Drożdze Sachaeromyces cerevisiae, grzyby nitkowe Penicillum Chrysogenum, promieniowce z rodzaju Streptomyces. Dodanie do podłoży odpowiednich prekursorów . Crrynebacterium - pochodne imidazolowe - prekursor, po 96 h uzyskujemy 92 mg witaminy H na 100 dm3 pożywki. Kwas pimelinowy i oleinowy- prekursory dla Pseudomonas.

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 do 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 wgłębnej 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 3-5%dzięki odpowiedniej modyfikacji warunków hodowli.- inżynierii genetycznej.

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- D2, 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- białko pojedyńczej komórki 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 japonicaze 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.

• Norma- jezeli 2% społeczeństwa odbiera źle dany produkt to i tak go wprowadzą na rynek, powyżej 2% juz nie wprowadzą

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 7 – 10 % węglowodanów- niezbedne do otrzymania białak tą metodą, wieksze przy produkcji bakterii.

• myco – proteina zawiera wszystkie aminokwasy w proporcji dziennej zalecanej dawki dziennej, niewiele tłuszczu (pozbawiny cholesterolu) oraz pewną ilość RNA- mniejsza niz u bakterii.

• 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- włóknistą oraz ma smak charakterystyczny dla wyrobów mięsnych.- do wyrobów krokietów i pasztetów.

TŁUSZCZE

• zapotrzebowanie na tłuszcze zaspokajane jest nie tylko dzieki hodowli zwierzat ale także dzieki produktom przemianyt materii drobnoustrojów. 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 20 – 30%

• grzyby strzepkowe - 30-50%

• Aspergillus peniculans i W Azji z wykorzystaniem szczepów -Penicillium saphii.

• drożdże są głównym producentem tłuszczy ;

• dawnej Endomyces vernalusobecnieTrichosporum pulluans,hodowla ich odbywa się w płytkich tacach z pożywką cukrową- grzyby tworza korzuch - komórki wypływają, a produkt finalny to pasta Myceta Evernal;

• Rhodotorula plutilis60% suchej masy w 3 dni

• Lipomyces starkeyi

• Lipomyces lipoferus

• Geotrichium candidum

drożdże wytwarzają węglowodany ( n- alkany ) w ilości 40% u Rhodotoruli 32% tłuszczu, tłuszcz uzyskiwany jest po dezitegracji struktury komórki metodą ekstracji, tłuscze są nietoksyczne i po oczyszczeniu mogą być spożywane. Tłuszcze o długich łańcuchach stosowane są do produkcji detergentów.

• 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 ;

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

• 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

Drobnoustroje w kosmosie.

Hemoautotrofy do życia nie wymagaja substancji promienistej. Żródłem energii jest oksydacja wodoru, tlenu atmosferycznego, żródłem węgla jest dwutlenek węgal.

6 H2 + 2 O2 + CO2 → Ch2O + 5 H2O

Dostawa tlenu zachodzi dzieki elektrolizie wody 1/3 O2 jest wykorzystywana do oksydacji wodoru, pozostałe do podtrzymawania oodychania wystarczają załogi tlenu. Elektroliza wody to proces energetyczny

Drobnoustroje- pierwsze organizmy, które znalazły zastosowanie w lotach kosmicznych.

aerostaty- w stanach zjednoczonych. Spory 7 gatunków grzybów w rurkach ze szkła kwarcowego, przymocowane do aerostatu od strony zewnętrznej. tylko Cladosporium sporogenes wykazuje dużą śmiertelność , 6 innych nie.

Technika rakietowa

-były ZSRR i Stany Zjednoczone wysyłały wiele rakiet, były tam glony, grzyby bakterie, wirusy i bakteriofagi.

Badano odporność drobnoustroju na czynniki środowiska kosmicznego. Drobnoustroje znajdujące sie w przestrzeni kosmicznej, przebywały w kamerze, nastepna grupa kosmonautów - Apollo zabrała go na ziemię i on nadal wykazywał żywotność.

Istnieje mozliwość zakażenia przestrzeni kosmicznej ziemskimi drobnoustrojami, mogą wywołac epidemie bo to jest niezany czynnik dla tamtych organizmów.

Rygorystyczne przepisy miedzynarodowej sterylizacji pojazdów kosmicznych- pojazdów, wyposarzenia i ludzi.

Poszukiwanie życia pozaziemskiego- egzobiologia.

Pierwsze próby już poczynione, jednak z wynikami negatywnymi. Pogląd wsród uczonych, aby istoty pozaziemskie poszukiwać pod postacią mikroorganizmów. Widoczny jest monoizm materialny wszechświata. Wszystkie wykryte związki, organizmy wykryte poza ziemią są takie same jak na ziemii. Wszelkie życie prawdopodobnie bierze początek od abiotycznych węglowych ziązków organicznych lub na bazie krzemu. Nie do pomyślenia aby były tylko makroorganizmy. Mikroorganizmy mogą egzystować bez makroorganizmów. Lata 60- poszukiwanie kosmicznych mikrobów - tra do dziś. Specjaliści mikrobiologii w stanach Zjednoczonych Leweberd w Rosji. Skonstruowanie odpowiedniej aparatury badawczej. Pierwsz próba do łapania kosmicznych mikrobów- automatyczne pobieranie gleby, specjalne kapsuły. Wystepuje zmętnienie w pożywce. Do dzisiaj te techniki są rozwijane. Multivater, Guliwer, igzogenes.

Zanim na Marsie zostały osadzone sądy prowadzone były badania meterologów - nie ma tam życia. całkowitą jałowość wykazano na skałach , które przywiózł Apollo. Pierwszym obiektem kosmicznym na którym szukamy życia jest Mars. Jego grunt badany, analiza 2 automatów - laboratoria amerykańskiego programu Viking. Istnieją szanse ze moze tam istniec zycie. Czy życie istnieje poza naszym układem słoneczym - nie wiadomo.