Аппаратурно-технологическая схема получения микробных белковых препаратов.

В качестве питательной среды для производства белковых препаратов в промышленных масштабах используют молочную сыворотку. Более подробно химический состав и свойства молочной сыворотки описаны в разделе 2.3. На молочной сыворотке хорошо растут и накапливают значительное количество белка дрожжи Kluyveromyces и Candida. Большое значение имеет и то обстоятельство, что применение молочной сыворотки не требует специальной сложной подготовки, а культуральная жидкость после выращивания микроорганизмов может быть использована в пищевых и кормовых целях без обработки.

 

При всестороннем исследовании микробной массы, полученной на молочной сыворотке, была выявлена ее высокая технологическая и экономическая эффективность для мясного и молочного животноводства, птицеводства и целого ряда других направлений.

 

Для получения белка на гидролизатах растительного сырья наиболее часто используют дрожжи рода Candida, реже - дрожжи рода Trichosporon. Также дрожжи рода Candida способны к синтезу белка на сульфитных щелоках и жидких углеводородах. Газообразные углеводороды хорошо потребляются бактериями родов Mycobacterium и Pseudomonas.

 

Применение биомассы микроорганизмов в качестве белковой добавки в корма требует всестороннего изучения ее состава и свойств, в частности перевариваемости и усвояемости. Испытанию на токсичность должны подвергаться не только живые клетки, но и продукты их метаболизма, а также готовые белковые продукты. Обязательным условием должно быть отсутствие в них живых клеток штамма-продуцента, чтобы не происходил вторичный рост.

Наиболее эффективным путем использования микробного белка для ликвидации белкового дефицита в питании человека является его применение непосредственно для пищевых целей. Микробный белок используется в пищевой промышленности для изготовления различных продуктов и полуфабрикатов, начиная с 1985 г.

 

 

В производстве пищевых продуктов рассматриваются 3 основные формы использования микробного белка:

 

 

Цельная биомасса (без специального разрушения клеточных стенок).

 

Частично очищенная биомасса (разрушение клеточных стенок и удаление нежелательных компонентов).

 

Выделенные из биомассы белки.

 

 

Выделенные белки (изоляты) являются наиболее приемлемыми формами использования белковых препаратов. Однако недостаток их применения связан с тем, что при их выделении используются кислоты и щелочи, высокая температура, давление, что приводит к частичному разрушению аминокислот.

 

При микробном синтезе белка следует подбирать культуры, у которых состав белка по незаменимым аминокислотам был бы близок к эталону, установленному Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) - яичный белок, белок женского молока.

 

ВОЗ сделала заключение, что белок микроорганизмов может использоваться в продуктах питания, но допустимое количество нуклеиновых кислот вводимых вместе с микробным белком в диету взрослого человека не должно превышать 2 г в сутки. Испытания на добровольцах показали, что введение микробного белка в пищевой рацион не вызывает отрицательных последствий, но встречается проявление аллергических реакций, желудочные заболевания и т.д.

 

 

6.2. Производство хлебопекарных дрожжей и их экспертиза

 

 

Дрожжи – постоянный спутник человека, они используются в разных микробиологических процессах. Хлебопекарные дрожжи в России начали выращивать в монастырях еще 14-15 вв. Прессованные дрожжи начали производить в 1972 г. в Германии.

 

Биомассу дрожжей, как источник пищевого белка, человек применяет только в экстремальных условиях (во время голода или в качестве компонента сухого пайка для альпинистов, мореплавателей). Одной из причин малой популярности дрожжевых блюд является сравнительно толстая клеточная оболочка дрожжей, которая затрудняет их усвоение организмом.

 

 

Наши представления о питательной ценности дрожжей постепенно меняются. Человек хорошо овладел искусством выращивания дрожжей в промышленных условиях, биотехнологи освоили технологию выращивания богатой белками биомассы хлебопекарных дрожжей Saccharomyces cerevisiae на простых синтетических средах (например, на этиловом спирте микробного или химического происхождения), а химики разработали способы выделения из дрожжевой биомассы очищенных белковых концентратов. Хлебопекарные дрожжи могут метаболизировать этиловый спирт благодаря наличию в клетках алкогольдегидрогеназы, но рост дрожжей на этаноле имеет множество особенностей. Стимулирующее действие на этанольные дрожжи в синтетической среде оказывают минимальные добавки аминокислот.

 

При выращивании хлебопекарных дрожжей на синтетической этанольной среде в лабораторном ферментере при непрерывном режиме с добавкой 0,5 % дрожжевого экстракта достигнута концентрация биомассы в пересчете на сухие вещества 8-9 г/л при выходе 70-75 % от использованного субстрата. Вместо дрожжевого экстракта можно применять кукурузный экстракт или депротеинизированный сок картофеля.

 

 

Промышленное производство хлебопекарных дрожжей

Обычно для промышленного производства дрожжей используют питательную среду, основным компонентом которой является меласса – отход сахарного производства (свекловичная или из сахарного тростника). Дрожжи выращивают в биореакторах (ферментерах) периодического действия аэробным глубинным способом при рН 4,4-4,5 по так называемому приточному методу. В чистый аппарат вводят 70-80 % теплой воды от необходимого конечного разведения мелассы (1: 17 – 1: 30, в зависимости от первоначальной концентрации сахаров), добавляют 10 % мелассы и растворы солей, устанавливают оптимальные рН среды и температуру и начинают умеренную аэрацию (1 об/ (об · мин)). В такую среду вносят посевной материал. В течение 1-го часа среду не добавляют, а в последующие 10 ч ее вводят непрерывным потоком в количествах 5; 6; 7,2; 8,2; 9,2; 10,2; 12,8; 11,0 и 9 % в час от общего количества питательной среды. Аэрация в течение всего процесса ферментации также меняется. В первый и последний час культивирования она меньше (1: 1), а в период интенсивного размножения дрожжей достигает 1,5 – 2,0 об / (об · мин). В таких условиях дрожжи проходят все стадии развития. В стационарной фазе роста культуру выдерживают до полного прекращения интенсивного почкования.

 

 

Во время ферментации незначительно возрастает концентрация среды (от 0,9 до 2,2 по сахариметру) и титруемая кислотность (от 0,3 до 0,8 мл 1 н раствора кислоты на 100 мл среды). В таких условиях выход прессованных дрожжей составляет 150 % от количества использованного сахара (или 37,5 % сухой биомассы).

 

После ферментации дрожжи отделяют от среды путем центрифугирования или фильтрации на фильтр-прессе, затем биомассу тщательно промывают водой. Товарные дрожжи могут быть сухими и прессованными.

 

Прессованные дрожжи хранят при пониженной температуре (4-6 оС), так как при комнатной температуре бактерии и микромицеты быстро повреждают дрожжевые клетки. В биомассе дрожжей содержится около 50 % белков, свободные аминокислоты и витамины. Для длительного хранения хлебопекарные дрожжи высушивают до содержания влаги 8-9 %.

 

 

Экспертиза хлебопекарных дрожжей

 

При экспертизе товарных дрожжей определяют: органолептические показатели (внешний вид, цвет, запах и вкус, консистенцию); влажность дрожжей (для прессованных дрожжей, согласно ГОСТ 171-81, массовая доля влаги не должна превышать 75 %); содержание мертвых клеток (не более 5 %); способность дрожжей к размножению (доля почкующихся клеток должна составлять 40-70 % от общего количества); биологическую чистоту (годными для производства считаются дрожжи, содержащие не более 1 % бактерий и не более 0,5 % диких дрожжей); подъемную силу. Подъемная сила дрожжей характеризуется временем, прошедшим с момента внесения теста в форму до подъема теста до 70 мм. Подъемная сила дрожжей должна быть не более 70 мин.

 

Хлебопекарные дрожжи широко используются в различных отраслях пищевой промышленности: хлебопекарной, пивоваренной, при получении этилового спирта, вин и т.д.

 

17 Важным технологическим процессом в биологических производствах является очистка от механических включений и стерилизация воздуха, используемого для вентиляции цехов и боксов, передачи под давлением стерильных культуральных жидкостей и растворов, поддержания избыточного давления в стерильных емкостях. В значительных количествах стерильный воздух используют для аэрации процесса культивирования. Отводимый из лабораторных и производственных помещений отработанный воздух также подвергается очистке от присутствующих в нем микроорганизмов и контролируется на чистоту.

Основным требованием к техническим системам очистки и стерилизации воздуха является очистка его от микрофлоры и других примесей. Кроме обеспечения этого требования, рассматриваемые системы должны обеспечивать получение воздуха с определенными термодинамическими характеристиками (температура, влажность, давление), от которых, в конечном счете, зависит эффективность работы систем в целом (рис. 1)

Рисунок 1 - Типовая технологическая схема очистки стерилизации воздуха в биотехнологии.

Технологическая схема очистки и стерилизации воздуха осуществляется по следующим стадиям: предварительная (грубая) очистка от механических примесей, сжатие, охлаждение, отделение сконденсированных паров, влаги и масла (при поршневых компрессорах) и собственно стерилизация.

•                                                1-й этап - грубая очистка. На входе заборника воздуха или другого газа устанавливают, в зависимости от расхода, висциновый фильтр или фильтр Рекка, которые очищают газ от грубых примесей перед компрессором.

•                                                2-й этап - сжатие газа. В настоящее время в различных отраслях промышленности в основном используются поршневые компрессоры (например, марок ТК-350/5, ТК-300/840, ТКК-1/4 и ТЭ и др.).

Однако более рациональным является применение турбовоздуходувок (например, марки 920-33), что позволяет упростить и улучшить схему газоподготовки. При сжатии воздух нагревается от 100 до 200 °С, поэтому его необходимо охладить до температуры культивирования.

Из-за высокого влагосодержания атмосферного воздуха при охлаждении выпадает 50 - 70 % исходной влаги, которая может увлажнить фильтрующий материал, поэтому воздух после компрессора охлаждают до 25 - 30 °С в охладителе 3, а после отделения влаги во влагоотделителе 4 нагревают в теплообменнике 5 до температуры культивирования в стерильной сушилке между головным и индивидуальным фильтрами или путем подачи пара в рубашку фильтров, если она предусмотрена.

•                                                3-й этап - первичная очистка и фильтрация газа. После подогревателя газ поступает в первую ступень очистки и фильтрации - головной фильтр.

•                                                4-й этап - тонкая очистка и фильтрация газа. После головного фильтра газ поступает в индивидуальный фильтр и далее в биореактор.

При использовании турбовоздуходувок схема фильтрации упрощается за счет исключения из нее холодильника и брызгомаслоотделителя.

Для обеспечения эффективности использования нагретого воздуха, следует:

1. Часть воздуха после второй ступени компрессора охладить до температуры ниже точки росы и после влагоотделения в брызгоуловителе поднять его температуру путем смешения с горячим воздухом, отобранным после компрессора (перед воздухоохладителем) до заданного предела.

Предусмотреть для автоматического поддержания температуры на заданном уровне регулятор температуры в комплекте с пневматическим клапаном, установленным на линии подачи горячего сжатого воздуха.

•                                                3. Учесть, что вариант подогрева воздуха путем его смешения с горячим воздухом можно применить на тех предприятиях, где расстояние от компрессора до головного фильтра не слишком велико (ориентировочно около 100 м). При условии же большей удаленности здания компрессорного цеха от головных фильтров следует производить подогрев воздуха специальным паровым подогревателем, расположенным в непосредственной близости от головного фильтра.

•                                                4. Учесть, что в зимний период, когда влагосодержание воздуха незначительно, нет необходимости в применении дополнительного подогрева воздуха и система подогрева можно отключить. Режим охлаждения воздуха в воздухоохладителях следует отрегулировать таким образом, чтобы температура его перед индивидуальным фильтром составляла 45 - 50 °С.

Необходимо отметить, что только при соблюдении всех перечисленных выше условий может быть гарантирована эффективная работа системы фильтрации воздуха.