Контрольная работа по дисциплине Основы технологии бродильных производств и виноделия вариант 4 Студент Паршин А. В
 Скачать 61.98 Kb.
|
|
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского (Первый казачий университет)» Смоленский казачий институт промышленных технологий и бизнеса КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА По дисциплине Основы технологии бродильных производств и виноделия ВАРИАНТ 4 Студент: Паршин А.В. Методы культивирования микроорганизмов: периодический и непрерывный. В мире существует два основных способа культивирования микроорганизмов: периодическое (статическое) и непрерывное (проточное). Периодическое (статическое) культивирование Рост бактерий в периодической культуре происходит до тех пор, пока содержание какого-нибудь из компонентов питательной среды не достигнет минимума, после чего рост прекращается. Если на протяжении этого времени не добавлять питательных веществ и не удалять конечных продуктов метаболизма, то получим так называемую периодическую культуру (популяцию клеток в ограниченном жизненном пространстве). Изменение численности популяции клеток при периодическом культивировании имеет определенную закономерность. Если по оси абсцисс отложить время, а по оси ординат – логарифм числа жизнеспособных клеток, то можно построить кривую роста бактерий. Типичная кривая роста имеет S- образную форму. Анализируя кривую можно различить несколько фаз роста, сменяющих друг друга в определенной последовательности: Начальную или лаг-фазу; Экспоненциальную или логарифмическую фазу; Стационарную фазу; Фазу отмирания.  Кривая роста бактериальной культуры: 1) лаг-фаза; 2) экспоненциальная фаза;3) стационарная фаза; 4) фаза отмирания. Лаг-фаз Включает период от посева бактерий на свежую питательную среду до достижения ими максимальной скорости роста. В начале лаг-фазы бактерии приспосабливаются к новым условиям. В клетках идет синтез ферментов, нуклеиновых кислот, белков, активируются обменные процессы. Клетки интенсивно растут, и размеры их заметно увеличиваются. Деления бактерий на этой стадии практически не происходит. Длительность этой фазы зависит от полноценности питательной среды и от состояния культуры микроорганизма. Чем полноценнее питательная среда и чем моложе культура бактерий, тем короче лаг-фаза. Экспоненциальная фаза Характеризуется активным делением подавляющей массы клеток бактериальной популяции. Число клеток возрастает в геометрической прогрессии. Характеризуется постоянной максимальной скоростью или скоростью роста. Эта скорость зависит от вида бактерий. Бактерии E. coli при 370С делятся каждые 20 мин, а бактерии родов Nitrosomonas и Nitrobacter – 5-10 часов. Во время этой фазы клетки имеют приблизительно равный размер, содержание белка в них тоже постоянно. Клетки содержат максимальное количество РНК. Клетки на этой фазе наиболее жизнеспособны и обладают высокой биохимической активностью. Стационарная фаза Наступает тогда, когда число живых клеток достигает максимума и перестает увеличиваться, так как скорость размножения бактерий равна скорости их отмирания. Так как скорость роста зависит от концентрации субстрата, то при уменьшении этой концентрации, еще до полного использования субстрата, она начинает снижаться. Скорость роста может снижаться не только из-за нехватки субстрата, но также из-за большой плотности бактериальной популяции, из-за низкого парциального давления О2 или накопления токсичных продуктов обмена. Клетки по химическому составу отличается от состава клеток в экспоненциальной фазе. Клетки в стационарной фазе меньше по размеру, содержат меньше РНК, более устойчивы к физическим воздействиям и химическим агентам, чем в экспоненциальной фазе роста культур. В этот период в клетках и в среде нередко накапливаются продукты вторичного метаболизма (антибиотики, пигменты, бактериоцины и др.). Продолжительность этой фазы от нескольких часов до недели в зависимости от вида микроорганизмов. В стационарную фазу роста поведение клеток бактериальной популяции регулирует такое явление как апоптоз. Суть его сводится к тому, что при исчерпании питательного субстрата голодающая популяция разделяется на две субпопуляции, одна из которых гибнет и подвергается автолизу, а клетки другой субпопуляции, используя продукты автолиза как субстрат, продолжают размножаться. В фазе отмирания происходит снижение числа живых клеток. Скорость отмирания бактерий широко варьирует в зависимости от условий и особенностей организма. Например, энтеробактерии отмирают медленно в отличие от некоторых видов бактерий рода Bacillus, которые отмирают быстро. Причины отмирания клеток могут быть разными. Это и накопление органических кислот (как у бактерий родов Escherichia. Lactobacillus), автолиз (лизис под действием собственных ферментов), накопление антибиотиков, бактериоцинов и другие причины. Непрерывное проточное культивирование Заключается в том, что в сосуд, содержащий популяцию бактерий, периодически подается свежая питательная среда и одновременно удаляется из него избыток среды с клетками микроорганизмов. Это позволяет задержать культуру в состоянии экспоненциального роста. Проточное культивирование осуществляется в аппаратах двух типов: хемостатах и турбидостатах. В хемостатах рост бактериальной популяции контролируется концентрацией питательного субстрата по источнику углерода и азота. Для равномерного распределения питательных веществ содержимое культиватора механически перемешивается и аэрируется стерильным воздухом. Излишняя микробная масса с питательной средой через сливной сифон вытекает из культиватора. Турбидостат – это тот же хемостат, но снабженный фотоэлекрическим элементом, регистрирующим мутность среды. Когда плотность биомассы увеличивается относительно некоторого выбранного уровня, фотоэлемент, соединенный системой реле, подает свежую питательную среду. Для глубинного культивирования бактерий с аэрацией в промышленных и лабораторных условиях применяют биореакторы или ферментеры. Ферментеры представляют собой герметические котлы, в которые заливается жидкая питательная среда. Ферментеры снабжены автоматическими приспособлениями, позволяющими поддерживать постоянную температуру, оптимальную рН и редокс-потенциал, дозированное поступление необходимых питательных веществ. Кроме того, они продуваются стерильным воздухом и в них установлены мешалки, с помощью которых среда постоянно перемешивается. Непрерывное культивирование широко используется в промышленной микробиологии. Кроме того, оно используется при проведении физиологических, биохимических, генетических исследований, так как при данном культивировании поддерживается постоянство плотности популяции и концентрации всех компонентов питательной среды. Однако, часто для изучения процессов обмена веществ необходимо, чтобы все клетки суспензии делились одновременно (синхронно). Культуры. в которых все клетки находятся на одинаковой стадии клеточного цикла и делятся одновременно, называются синхронными. Синхронизировать деление какой-нибудь популяции можно с помощью различных искусственных приемов, таких как изменение температуры, воздействие света (для фототрофных микроорганизмов), ограничение количеств питательных веществ или пропускание микроорганизмов через специальный фильтр, чтобы получить клетки одного размера. Но синхронизированная культура после 2-3 генераций переходит к асинхронному делению. Культивирование иммобилизованных клеток микроорганизмов находит широкое применение в биотехнологии, а именно в производстве ценных органических веществ, в деградации вредных производственных соединений и промышленных отходов с целью очистки сточных вод от загрязнений. Методы иммобилизации клеток основаны на способности микроорганизмов к адсорбции на твердых поверхностях. Существуют химические, механические и физические методы иммобилизации микроорганизмов. Химический способ заключается в образовании ковалентной связи между какой-то из функциональных групп на поверхности клетки и носителем. Этот метод применяется редко, так как клетки в этом состоянии могут терять активность. Механический метод основан на полимеризации какого-либо мономера, смешанного с суспензией бактерий. В результате микроорганизм оказывается заключенным в ячейку, которая ограничивает его перемещение. но не препятствует поступлению питательных веществ. Чаще всего в виде носителя используется ПААГ полиакриламидного геля. В настоящее время разрабатываются методы иммобилизации клеток путем их включения в белковые мембраны с использованием коллагена, козеина, миозина и других белков или полипептидов. Мембраны с иммобилизованными клетками сворачивают в рулон и помещают в колонку, через которую пропускают субстрат. Физический метод иммобилизации заключается в адсорбции микроорганизмов на поверхности различных синтетических пористых материалов. Иммобилизованные клетки сохраняют высокую ферментативную активность, что позволяет использовать их в непрерывно действующих технологических процессах. При этом также облегчается выделение продуктов биосинтеза. 2. Экономические и технологические требования, предъявляемые к сырью в бродильных производствах К растительному сырью, используемому в бродильных производствах, предъявляют следующие технико-экономические требования: оно должно ежегодно воспроизводиться в необходимых количествах; быть доступным и дешевым; сырье должно содержать значительное количество основного компонента (например, углеводов); в случае необходимости хорошо выдерживать хранение. Зерновые культуры Зерновые культуры являются основным видом сырья на спиртовых и пивоваренных заводах. Для применения солода на спиртовых заводах применяют ячмень, рожь, тритикале, овес и просо. На пивоваренных - ячмень, редко пшеницу и тритикале. Для производства кваса - рожь ячмень и тритикале. Все зерновые культуры различаются по строению, но, тем не менее содержат одинаковые анатомические части. Химический состав злаков зависит от сорта, почвенно-климатических условий, используемых удобрений, условий выращивания и не является постоянным для данной культуры. Важная составная часть зерна __ вода. Зерно злаков в среднем содержит 14-15 % воды и 85-86 % сухих веществ. Сухие вещества представлены углеводами, белками, жирами, минеральными веществами. К углеводам относятся: крахмал, целлюлоза, гемицеллюлозы, пектиновые и гумми-вещества, растворимые сахара. Основная масса углеводов приходится на крахмал. Он содержится в эндосперме и алейроновом слое. Крахмальные зерна на 97 % состоят из чистого крахмала (С6Н10О5)п и 3 % примесей - минеральных веществ, остатков фосфорной кислоты, белков. Чистый крахмал представлен двумя полисахаридами: амилозой и амилопектином. Содержание крахмала (в %) составляет: в пшенице - 60 - 65; ржи - 60-73; ячмене- 55-65; овсе - около 50; просе - около 60; рисе - 75-80 . Целлюлоза (клетчатка) - полисахарид. Входит в состав оболочек и клеточных стенок. В воде не растворима. Стойка к действию ферментов. При проращивании зерна не изменяется, при затирании полностью переходит в дробину. Голозерные культуры содержат целлюлозы 2-3 %, пленчатые - 6-14% . Гемицеллюлозы и гумми-вещества - высокомолекулярные полисахариды, содержатся, в основном, в периферийных частях зерна, ближе к оболочкам. Состоят из гексозанов (глюканы, галактаны, маннаны) и пентозанов (арабана, ксилана). Мономерами их являются глюкоза, галактоза, манноза, арабиноза и ксилоза. Дрожжами сбраживается только глюкоза и манноза. Гемицеллюлозы в воде нерастворимы, но растворяются в разбавленных щелочах. Гумми-вещества не отличаются от гемицеллюлоз по строению, но имеют меньшую молекулярную массу. Поэтому растворяются в горячей воде и дают вязкие растворы. Меньше всего гемицеллюлоз содержится в рисе и просе (около 2 %), больше всего - в овсе - 13 %. В остальных зерновых культурах - 7-11 %. Слизисодержатся в зернах некоторых злаков. Это - полисахариды, в большинстве случаев растворимы в воде. Состоят в основном из пентозанов. Больше всего содержится во ржи (до 3 %). Левулезаны - полисахариды, которые состоят из остатков фруктозы. Содержатся в зернах ржи, пшеницы, овса в количестве 2-3 %. Пектиновые вещества - входят в состав клеточных стенок. Содержание их составляет 1-2 %. При гидролизе дают галактуроновую кислоту и метиловый спирт. В зерне злаков (преимущественно в зародыше) содержатся также свободные сахара в количестве от 2 до 5 %. Преобладает сахароза. Кроме этого содержатся фруктоза, рафиноза, глюкоза. Сахара используются зародышем в качестве питательных веществ. Азотистые вещества - подразделяются на белковый и небелковый азот. Белковый азотвходит в состав белков и полипептидов. Существует зависимость: чем больше белка в зерне, тем меньше крахмала. Количество белка в зерновых составляет от 7 до 20 %. Больше всего белка в пшенице, меньше всего в кукурузе и рисе (7-9 %). Белковые вещества сосредоточены в зародыше, эндосперме и алейроновом слое. Это резервные белки, ферменты. Белки делятся на простые и сложные. Простые белки: альбумины - растворимы в воде; глобулины - растворимы в солях; проламины - растворимы в спирте; глютелины - растворимы в щелочах. Сложные белки - протеиды, наряду с белковой частью имеют небелковую группу. Небелковый азот - аминный (представлен аминокислотами); аммиачный (солями органических кислот); минеральный (солями азотной кислоты); амидный (представлен амидами). Аминокислоты и другие формы небелкового азота являются питанием для дрожжей. Суммарное содержание всех форм азота представляет собой общий азот. Азотистые вещества, которые при водной экстракции зерна переходят в раствор, называют растворимым азотом. Жиры - содержатся, в основном, в зародыше и алейроновом слое. Используются зародышем как питательные вещества. Больше всего жира в овсе и кукурузе (до 5 %). В остальных зерновых культурах 2-3 %. Жир отрицательно влияет на сохранность зерна (прогоркает) и пеностойкость пива. Поэтому в пивоварении кукурузу используют только обезжиренную. Минеральные вещества - содержатся от 1,5 до 6 %. Меньше всего во ржи. Больше всего в рисе. В основном это фосфаты. Витамины - играют роль в поддержания жизненных процессов роста, брожения, в образовании ферментов. Содержатся в алейроновом слое и зародыше. Это витамины группы В, РР, биотин. В зерне содержатся также ферменты, но их мало и находятся они в связанном состоянии. При хранении зерна большую роль играют его физические и физико-химические свойства. Теплопроводность - передача тепла от зерна к зерну перемещающимся внутри зерновой массы воздухом. Зерно имеет низкую теплопроводность. Это играет положительную и отрицательную роль. Положительная роль - плохая теплопроводность позволяет длительное время сохранять даже в теплое время низкую температуру зерновой массы, что способствует лучшей сохранности зерна. Отрицательная роль - это же свойство зерновой массы может привести при наличии благоприятных условий к самосогреванию, так как тепло, которое выделяется при дыхании зерна, накапливается в зерновой массе. Гигроскопичность - способность зерна поглощать или отдавать влагу. Скважистость - отношение объема воздуха в межзерновом пространстве к общему объему зерновой массы. Это обеспечивает дыхание зерна, позволяет продувать зерновую массу воздухом. Сыпучесть - характеризует способность зерна перемещаться под собственным весом. Этим свойством обусловлено самосортирование зерна. Тяжелые зерна располагаются к центру падения у вершины конуса, а легкие - ближе к основанию образующей конуса. Угол между диаметром основания и образующей конуса называется углом естественного откоса. Для различных зерновых культур он различен. Это свойство учитывают при разгрузке зерна. Способы и режимы хранения зерна Так как зерно перерабатывается в течение всего года, то его хранят длительное время. Существует три основные способа хранения зерна: Напольное - в мешках или тонким слоем на полу высотой до 2 м. Закромное - хранение в отгороженном месте (закроме) высотой до 5 м. Силосное - зернохранилище состоит из рабочей башни, где зерно очищается, и силосов, где оно хранится. Силоса - емкости из железобетона круглого или квадратного сечения высотой до 30 м. Силосные хранилища с механизацией приема, перемещения, очистки и сортировки зерна называются элеваторами. Преимущества использования данного способа хранения - механизация процессов, устранение внешних воздействий, защита от грызунов. Недостаток - нельзя хранить сырое зерно. Различают три режима хранения зерновых масс: в сухом состоянии, т.е. с влажностью ниже критической. В этом случае зерно может храниться 4-5 лет в складах амбарного типа и 2-3 года в силосах элеваторов; в охлажденном состоянии, когда температура зерна понижена до пределов, тормозящих его жизненные функции. Для охлаждения зерновой массы используют сезонные и суточные перепады температур наружного воздуха; без доступа воздуха - в герметично закрытых емкостях. Удаление воздуха из межзернового пространства достигается самоконсервацией за счет выделяющегося при дыхании зерна СО2; вакуумированием зерна; введением в массу диоксида углерода или азота, вытесняющих воздух. В нашей стране первые два режима являются основными для хранения зерна. При хранении контролируют температуру зерна. Зимой температура зерна может быть на 2-3 оС выше температуры наружного воздуха, летом - не выше 20 оС. Перед закладкой на хранение зерно подсушивают (если оно влажное), очищают от примесей, обрабатывают химическими средствами для уничтожения вредителей. Картофель Картофель - основное сырье для производства спирта. Принадлежит к семейству пасленовых, к группе корнеплодов. Клубень картофеля имеет следующее строение: Снаружи покрыт кожицей - эпидермисом. Она защищает клубень от механических повреждений. На ней видны глазки и поры. Под кожицей содержится несколько рядов клеток пробкового слоя - перидерма, который защищает клубень от высыхания, сосудисто-волокнистые кольца, от которых отходят пучки к глазкам. Кожица и пробковый слой не содержат крахмала. Далее следует внутренняя часть клубня - внешняя сердцевина паренхима и внутренняя сердцевина, которые состоят из клеток, заполненных клеточным соком. В нем плавают крахмальные зерна. Химический состав картофеля зависит от сорта, способов возделывания, почвенно-климатических условий, длительности и условий хранения. В среднем химический состав картофеля следующий: влажность 75 %; сухие вещества 25 %. Сухие вещества представлены: крахмалом (14-20 %); сахарами (до 1 %); целлюлозой (1 %); пентозанами и пектиновыми веществами (до 1,5 %); азотистыми веществами (2 %); минеральными веществами (1 %). Из сахаров содержатся: сахароза, глюкоза, фруктоза. Преобладает сахароза. Азотистые вещества представлены белками, аминокислотами, амидами и азотистыми основаниями. Клеточный сок картофеля имеет слабокислую реакцию (рН 5,6-6,2) из-за наличия органических кислот (лимонной, щавелевой, яблочной). Минеральные вещества представлены солями калия и фосфорной кислоты. В картофеле содержится витамин С (до 25 мг%) и небольшое количество витаминов группы В. Известно более 2000 сортов картофеля. Для переработки на спирт применяют высококрахмалистые сорта, с высокой урожайностью, устойчивые к хранению и стойкие против заболеваний. Хранение картофеля на спиртовых заводах осуществляют в буртах или кагатах, которые располагаются недалеко от завода, либо в картофелехранилищах. Бурты - конические, кагаты - в виде трапеции, представляют собой кучи картофеля шириной до 4 м. Длина бурта 20-25 м. Сверху бурты закрывают соломой и землей. В бурты для длительного хранения укладывают только здоровый и сухой картофель, влажный - подсушивают на воздухе. Картофель пониженного качества перерабатывают в первую очередь или закладывают в бурты для кратковременного хранения. Для вентиляции при хранении служат горизонтальные дырчатые трубы. Их устанавливают вдоль основания бурта. Температурный режим хранения зависит от периода хранения. Различают следующие периоды хранения: начальный, охлаждение, зимний, весенний. В начальный период - происходит дозревание клубней и заживление механических повреждений. Под поврежденной кожицей образуется защитный слой, который предотвращает потерю влаги. Этот слой непроницаем для микроорганизмов. Продолжительность периода 10-15 дней, температура 15-20 оС. Период охлаждения - в этот момент картофель постепенно охлаждают до температуры 2 оС. Для снижения температуры проводят интенсивное вентилирование. Длительность периода 20-30 дней. Зимний период - картофель находится в состоянии покоя. Температура хранения 2-4 оС. При температуре 0 оС происходит гидролиз крахмала и образование сахаров (накапливается сахароза). При температуре минус 6 оС картофель погибает. Весенний период - усиливается дыхание, клубни прорастают. Процесс прорастания задерживают обработкой специальными химическими веществами. При хранении картофеля уменьшается его масса за счет испарения воды и расхода крахмала на дыхание. Виноград Виноград - это основное сырье для производства вина. Представляет собой лиану, относится к семейству виноградных. Соцветие - сложная кисть. Плоды винограда, собранные в кисть, представляют собой гроздь. Гроздь состоит из механически прочного остова - гребня и нежных плодов - ягод, прикрепленных к гребню. Ягода состоит из кожицы, мякоти и семян. Механический состав грозди составляет (в среднем): масса гребней - 3-7 % от массы зрелой грозди; мякоть с соком - 75-85 % от массы ягод; кожица - 15-20 % от массы ягод; семена - 3-6 % от массы ягод. Химический состав мякоти винограда сложен и представлен различными группами органических и неорганических соединений. В среднем химический состав винограда следующий: вода 55-85 %; сахара (преобладают глюкоза и фруктоза) - 10-30 %; органические кислоты (в основном винная, яблочная) - 0,5-1,5 %; азотистые вещества (преобладает небелковый азот) 0,1-0,9 %; пектиновые вещества 0,1-0,3 %; минеральные вещества (больше всего калия, фосфора, кальция, магния) до 0,5 %. В кожице винограда сосредоточены красящие вещества, фенольные соединения, клетчатка, эфирные масла. Семена содержат фенольные вещества, клетчатку, жирное масло, смолистые вещества с неприятным вкусом. Виноград богат витаминами: С, каротином, В1, В2 и др. Собирают виноград в период технической зрелости, когда накапливаются в определенном соотношении сахара и органические кислоты, что обеспечивает получение определенных типов вин. Все технические сортавинограда делят на универсальные и специальные. Универсальные сорта (Совиньон, Ркацители, Каберне Совиньон и др.) распространены в различных районах виноделия, позволяют готовить разные типы вин (от натуральных до специальных). Специальныесорта используют только для выработки определенных типов вин (шампанских, хереса, десертных и др.). В каждом районе виноделия выделяют свои местные аборигенные сорта (токайские сорта - Фурминт, Гарс Левелю __ в Венгрии, цимлянские сорта - Цимлянский черный, Плечистик __ на Дону и др.), из которых получают широко известные местные вина. Меласса Меласса- сырье для производства спирта и хлебопекарных дрожжей. Это густая, вязкая жидкость темно-коричневого цвета с запахом карамели. Является отходом свеклосахарного производства. Состав мелассы непостоянен, зависит от почвенно-климатических условий выращивания сахарной свеклы, условий хранения свеклы и самой мелассы, технологии переработки свеклы на сахар. Химический состав мелассы: сухие вещества 75-82 %, в том числе: сахароза 45-50 %; инвертный сахар - не более 0,5 %; рафиноза - не выше 1 %; азот общий __ не менее 1,4%; азот аминный __ не менее 0,3%; минеральные вещества 7-8 %; безазотистые экстрактивные вещества 15-16 %; рН 6,5-8,5; число микроорганизмов не более 10000 в 1г. Важный показатель качества мелассы - доброкачественность (Д). Это отношение содержания сахара к общему количеству сухих веществ. Доброкачественность должна лежать в пределах 55-62 %. Наряду с ценными веществами (сбраживаемыми сахарами, азотистыми соединениями, витаминами - В1; В2; В6; РР, биотином) меласса содержит вредные примеси, отрицательно влияющие на жизнедеятельность дрожжей. К ним относятся красящие вещества (карамели, меланоидины), летучие кислоты (муравьиная, уксусная), сернистый ангидрид, остатки пестицидов и гербицидов, нитриты, коллоидные вещества. Меласса с кислой реакцией (рН менее 6,5), с высоким содержанием инвертного сахара, повышенной цветностью считается дефектной. Для производства хлебопекарных дрожжей она не пригодна, а для получения спирта перерабатывается вместе с нормальной. Перевозится меласса в железнодорожных, автомобильных цистернах или металлических бочках. Сливается из цистерн самотеком по металлическим желобам в приемные сборники. Остатки разбавляют водой, собирают и хранят отдельно. Мелассу хранят в цилиндрических стальных резервуарах вместимостью 500-2000 тонн при температуре не выше 40 оС. |