Занятие 1 промышленные способы биотрансформации органических соединений
 Скачать 0.77 Mb.
|
|
2. Особенности технологии белково-витаминных и белково-липидных концентратов на основе биомассы дрожжей. Перспективным направлением получения белково-витаминных концентратов пищевого назначения является биотехнологическая переработка молочной сыворотки. Белково-витаминные концентраты могут выпускаться в жидком, сгущенном и сухом видах. Сухой кормовой продукт "Провилакт". Технология продукта разработана сотрудниками Института микробиологии АН Беларуси. Она включает следующие технологические операции: приемка сырья и оценка его качества; подготовка сырья к ферментации, ферментация сыворотки; составление смеси и сгущение; гомогенизация смеси; сушка смеси; фасовка и упаковка готового продукта. Молочную сыворотку, очищенную от казеиновой пыли и жира, пастеризуют при температуре 70-74 0 С с выдержкой 15-20 с, охлаждают до 8 0 С. Сыворотку перед ферментацией сгущают на вакуум-выпарной установке до концентрации сухих веществ 14-16 %, пастеризуют при температуре 90 0 С с выдержкой 3-5 мин, охлаждают до 24-28 0 С и направляют в ферментер, вносят минеральные соли в виде растворов 20 %-ной концентрации из расчета на 1000 кг сыворотки (в кг): сульфат аммония – 5,0; мочевина – 8,0; диаммонийфосфат – 3,0; хлорид калия – 1,0. Минеральные соли в среду вносят в два приема равными долями: перед ферментацией и через 6 дрожжевания. В качестве продуцента при ферментации используют дрожжи T. candida ФКО. Посевной материал готовят из пастеризованной молочной сыворотки в несколько этапов. Коллекционная культура на сусловом агаре → Рабочая культура дрожжей на сусловом агаре → Глубинная культура дрожжей на стерильной молочной сыворотке (колбы на качалке) → Засевные дрожжи на стерильной сыворотке (инокулятор) → Посевной материал на пастеризованной молочной сыворотке (маточный ферментер). Дрожжи из маточного ферментера в количестве 20-30 % общего объема среды вносят в рабочий ферментер, который заполняют на 50 % вместимости. Температуру среды в процессе ферментации поддерживают в пределах 24-28 0 С, рН 4,5-5,5 устанавливают в начале ферментации и в дальнейшем не регулируют. Процесс ферментации заканчивают при снижении лактозы в растворе до 0,5 %. К этому времени концентрация сырой биомассы дрожжей достигает 160-240 г/л. После окончания ферментации сыворотку пастеризуют при температуре 80-85 0 С с выдержкой 15-20 с и охлаждают до 8 0 С. Из ферментированной и натуральной сыворотки составляют смесь согласно рецептуре, смесь тщательно перемешивают и сгущают на вакуум- выпарных установках до концентрации сухих веществ 28 %. Сгущенную смесь нагревают (при необходимости) до температуры 60 0 С и гомогенизируют при давлении 15 МПа. Такая обработка способствует разрушению дрожжевых клеток и улучшает растворимость сухого продукта Сушат гомогенизированную смесь на распылительных сушилках при температуре воздуха, поступающего в башню, 170-185 0 С, температура уходящего воздуха – 80-90 0 С. Готовый продукт фасуют в многослойные бумажные мешки с мешками-вкладышами из полиэтилена и герметично упаковывают. Микробный синтез жира на молочной сыворотке активно исследуют ученые всего мира. В качестве продуцента этого продукта могут быть использованы различные виды микроорганизмов. Некоторые штаммы Oidium lactis в условиях поверхностного 19 культивирования синтезировали 12,5-14,3 г жира на 100 г лактозы сыворотки; микроскопические грибы Aspergillus ustus на молочной сыворотке с добавлением к среде нитрата аммония при глубинном культивировании использовали 96 % лактозы и накапливали 17 г/л биомассы, содержащей 13 % белка и 28 % жира. Дрожжи С. curvata на подсырной сыворотке и еѐ ультрафильтрате накапливали до 15,6 г/л липидов (15-27 г липидов на 100 г лактозы). По расчетам американских исследователей при переработке пермеата в количестве 200-230 т/сут с помощью этих дрожжей можно получать ежесуточно 3,4 т липидов, 0,55 т протеина и 2,85 т клеточного материала в виде углеводов. Перспективным продуцентом жира считают дрожжи Candida himicola. Дрожжи этого вида хорошо развиваются на очищенной от белков подсырной или творожной сыворотке без внесения дополнительных минеральных источников питания. Они способны накапливать до 27 г/л и более абсолютно сухой биомассы, содержащей до 36…40 % липидов. Жир дрожжей С. himicola содержит: 81,8 % триглицеридов, 2,7 % моно- и диглицерилов, 2,3 % фосфолипидов, 7,7 % свободных жирных кислот, 1,7 % стеринов, 1,6 % эфиров стеринов и воска и 2,1 % - неидентифицированная фракция. Это позволяет считать его как триглицериды с примесью других фракций. Исследованием жирнокислотного состава такого жира установлено, что на долю пальметиновой кислоты приходится 28,9 %, стеариновой – 13,7 %, олеиновой – 57-62 % и линолевой – 3,0-7,0 %. Кроме этих кислот в жире обнаружены: миристиновая, пальмитолеиновая, линоленовая. Состав синтезируемых липидов существенно изменяется под действием температуры, аэрации и активной кислотности (рН). Изменением этих факторы можно регулировать жирнокислотный состав липидов. Предварительные расчеты показывают, что при переработке 1 т молочной сыворотки с использованием дрожжей С. himicola можно получить до 18 кг дрожжевого жира или при использовании сыворотки вместе с дрожжами до 45-48 кг сухого жиробелкового продукта. Использовать его можно в качестве кормовой добавки в рационах животных и птицы. Получены положительные результаты при использовании его в составе заменителей цельного молока. 3. Биотехнологические процессы получения пищевых кислот (лимонной, уксусной, молочной). Производство органических кислот из молочной сыворотки. Органические кислоты можно получать как на основе брожения лактозы, так и на основе окисления лактозы в молочной сыворотке. Молочная кислота может иметь оптические формы: D (-); L (+) или DL (-+). Форма образуемой кислоты характерна для различных видов микроорганизмов и служит одним из признаков при их идентификации. Так, молочнокислые палочки L. bulgaricus, L. lactis при брожении лактозы образуют D (-) молочную кислоту; L. сasei var casei – L (+), а L. plantarum, L. helveticus, L. acidophilus, L. jogurt – DL (-+) форму. Для промышленного производства молочной кислоты в качестве продуцента используют L. bulgaricus и L. acidophilus. Эти микроорганизмы могут превращать более 90 % лактозы в молочную кислоту. Кроме того L. bulgaricus может развиваться при сравнительно высокой температуре 45-50 0 С, когда затруднено развитие посторонней микрофлоры. 20 Процесс получения молочной кислоты из молочной сыворотки состоит из следующих операций: приемка и оценка качества сырья; подготовка посевного материала микроорганизма-продуцента; подготовка питательной среды для брожения; проведение брожения; обработка сброженного сусла; получение чистой молочной кислоты из лактата кальция. Сырьем для производства молочной кислоты служит молочная сыворотка всех видов. Посевной материал или закваску готовят на пастеризованной молочной сыворотке в несколько этапов. Вначале стерилизованное обезжиренное молоко в колбе засевают чистой культурой микроорганизма-продуцента. Сквашивание длится 24 ч при температуре 40-43 0 С. приготовленную культуру используют для засева большей порции пастеризованного обезжиренного молока. Режимы выращивания культуры те же. Вновь полученная культура используется для засева пастеризованной молочной сыворотки (маточник), которая и служит посевным материалом и вносится в производственный ферментер в количестве 10 % от объема производственной питательной среды. Температура культивирования 40-43 0 С, продолжительность – 24 ч. Молочную сыворотку, очищенную от казеиновой пыли и жира, пастеризуют при температуре 70-75 0 С с выдержкой в течение 60 мин, нейтрализую молочную кислоту (если сыворотка кислая) и охлаждают до 45 0 С, В подготовленную питательную среду (затор) добавляют мел в количестве 2 % к массе лактозы, содержащейся в питательной среде. В подготовленную смесь вносится посевной материал из расчета 5-10 %. Количество посевного материала зависит от активности штаммов и запрограммированной продолжительности брожения. Процесс брожения проводят в ферментерах, имеющих паровую рубашку и мешалку. Температуру брожения поддерживают в пределах 40-43 0 С. Через каждые 6 ч к бродящему суслу добавляют болтушку из гашеной извести для связывания излишней молочной кислоты. Свободная молочная кислота не должна превышать 0,6 % (65-70 0 Т). Нейтрализация позволяет сократить продолжительность брожения и увеличивает выход молочной кислоты. В конце брожения содержание молочной кислоты не должно превышать 0,1 % (10-12 0 Т). При проведении нейтрализации необходимо учитывать, что для проведения нейтрализации каждых 18 частей молочной кислоты требуется 10 частей химически чистого мела. Используют для этих целей обычно технический мел, который содержит 60-65 % карбоната кальция, что необходимо учитывать при расчетах. Для расчета количества молочной кислоты считают, что каждый 1 0 Т эквивалентен 0,009 % молочной кислоты. При проведении нейтрализации среда тщательно перемешивается. После окончания процесса брожения среда, содержащая лактат кальция, нагревается до температуры 95-97 0 С для денатурации сывороточных белков и микробных клеток. Денатурированные белковые соединения отделяют, а прозрачную жидкость пропускают через фильтр-пресс. Фильтрат собирают в специальную емкость, добавляют известь, доводя щелочность до 0,1 %. В эту же емкость добавляют активированный уголь, смесь тщательно перемешивается и отстаивается. Надосадочную жидкость снова пропускают через фильтр-пресс и прозрачный раствор собирают в резервуар. В этот же резервуар к жидкости добавляют молочную кислоту с таким расчетом, чтобы содержание свободной молочной кислоты в растворе составляло 0,05 % (6 0 Т). После этого к раствору добавляют активированный уголь и диатомит или перлит для улучшения процесса фильтрации. Смесь перемешивают и дают отстояться. Прозрачную жидкость сливают и 21 фильтруют, а осадок используют для очистки свежей порции лактата кальция. Полученный очищенный раствор лактата кальция направляют на вакуум-выпарную установку для концентрации и последующей кристаллизации. Начальная концентрация лактата должна составлять 14,5-15,5 %. Процесс кристаллизации длится в течение 10-12 ч при температуре 10-15 0 С. Кристаллы лактата отделяют центрифугированием и промывают. Фугат и промывные воды от кристаллов смешивают с лактатом кальция, поступающем на вакуум-выпарную установку. Тщательно промытые и высушенные кристаллы лактата кальция используют в медицине, отмытые, но невысушенные кристаллы лактата кальция направляют для получения молочной кислоты. Выпускаемая молочная кислота подразделяется на 4 сорта: химически чистая, фармакопейная, пищевая и техническая. Для каждого вида кислоты нормируются: степень очистки и концентрация. Достигается это различной технологией получения кислоты. Химически чистая кислота выпускается 90 %-ной концентрации плотностью 1240 кг/м 3 Применяют такую кислоту в чистом виде, в виде солей или эфиров. Фармакопейная кислота выпускается 72 %-ной концентрации. Используют еѐ в медицине в чистом виде, в виде солей кальция, железа, магния. Пищевая кислота выпускается 68 %-ной концентрации или более слабая. Такая кислота не должна содержать ядовитых примесей, солей тяжелых металлов, пропионовой и масляной кислот. Техническая кислота выпускается 42-50 %-ной концентрации. Используют еѐ только для технических целей. Для производства технической молочной кислоты используют неочищенный раствор лактата кальция. После осаждения белковых соединений и фильтрации раствор лактата концентрируют и направляют в глазурованную емкость. К раствору добавляют активированный уголь и реактивы для осаждения железа и тяжелых металлов. Смесь подкисляют чистой серной кислотой до слегка кислой реакции, фильтруют через вакуум- фильтр из пористого фарфора, осадок на фильтре промывают и выбрасывают. Фильтрат и промывную воду соединяют вместе и получают неочищенный раствор молочной кислоты 20-22 %-ной концентрации. Раствор подвергается дальнейшей очистке и концентрации до 42-50 %. Исходным сырьем для других сортов молочной кислоты служит отмытые кристаллы лактата кальция. Для разложения 1 массовой части лактата кальция расходуется 0,449 массовой части моногидрата серной кислоты. Процесс разложения лактата кальция ведут при температуре не выше 40-45 0 С. в противном случае может произойти обугливание молочной кислоты. Пропионовая и уксусная кислоты образуются при сбраживании углеводов пропионокислыми батериями. Пропионовую кислоту и еѐ производные применяют в различных отраслях народного хозяйства: пропионат кальция – для предохранения хлеба от плесневения и картофельной болезни (фунгицидные свойства); эфиры пропионовой кислоты – в парфюмерии; амилпропионат – высококипящий растворитель нитроцеллюлозы; фенилпропионат – пластификатор для ацетата и целлюлозы. Для производства пропионовой кислоты используют все виды молочной сыворотки. Сыворотку не очищают от сывороточных белков, т.к. пропионовокислые бактерии активно сбраживают белки. Технологический процесс производства кислоты осуществляют в следующей последовательности: подготовка молочной сыворотки к переработке; подготовка чистой культуры пропионовокислых бактерий; заквашивание и 22 сквашивание молочной сыворотки; сгущение сброженной сыворотки; выделение пропионовой кислоты. Молочную сыворотку пастеризуют, охлаждают до температуры 30 0 С (температура заквашивания), вносят 5 % карбоната кальция и 1 % сухих дрожжей или 10 % дрожжевого автолизата. Чистую культуру пропионовокислых бактерий готовят на водной среде, содержащей 5 % лактата кальция, 1 % пептона, 5 % карбоната кальция. Активная кислотность среды (рН) – 7,0, температура культивирования – 30 0 С. В подготовленную сыворотку вносят 5-10 % чистой культуры пропионовокислых бактерий. Одновременно с внесением пропионовокислых бактерий вносится 2 об% культуры Lactobacillus casei, выращенных на обезжиренном молоке. Это активизирует протекание пропионовокислого брожения. Возможно это связано с более легким усвоением молочной кислоты и еѐ солей, чем непосредственно лактозы, специфическим действием продуктов метаболизма молочнокислых бактерий. Брожение проводят при температуре 30 0 С и рН среды 7,0. Процесс брожения протекает в течение двух недель. На протяжении всего периода брожения поддерживают первоначальное значение рН и температуры. При смешанном брожении пропионовокислых и молочнокислых бактерий их 1 т сыворотки можно получить 24 кг пропионовой и около 10 кг уксусной кислот. За этот период общий выход кислот составляет 85 об% от сахара среды. Сброженную сыворотку сгущают, подкисляют серной кислотой и отгоняют летучие кислоты с водяным паром. Смесь уксусной и пропионовой кислот в дальнейшем разделяют перегонкой. Органические кислоты можно получать и на основе аэробной ферментации лактозы. Наиболее важное значение среди таких кислот имеет лимонная. Лимонная кислота вырабатывается на основе окисления лактозы. Получать лимонную кислоту можно двумя способами: поверхностным и глубинным. Технологический процесс производства лимонной кислоты включает следующие операции: приемка сырья, оценка его качества, сортировка; подготовка сыворотки к ферментации; ферментация сыворотки и получение сброженного раствора; обработка сброженного раствора и получение лимонной кислоты. В качестве сырья используют подсырную сыворотку с рН 4,0-5,0. отобранную сыворотку стерилизуют при давлении 0,106-0,108 МПа в течение 30 мин, охлаждают до температуры 25-28 0 С, устанавливают рН 4,5 и инокулируют суспензией спор гриба A.niger. Качество посевного материала определяют по количеству спор в 1 мл. Их должно быть не менее 3*10 6 спор/мл. Количество посевного материала должно быть 5-10 -%. Процесс ферментации ведут при температуре 25-28 0 С в течение 6 суток. Конец процесса определяют по количеству оставшейся лактозы (0,5 %). По окончании процесса ферментации удаляют мицелий гриба фильтрацией или центрифугированием и направляют на кормопроизводство. Сброженный раствор (субстрат) направляют на обработку. Для этого готовят известковое молоко (40 %-й раствор), вносят его в субстрат из расчета 43,5 л на 1 т, смесь перемешивают, выдерживают два часа для завершения реакции и выделяют кальциевую соль лимонной кислоты фильтрацией или центрифугированием. Фильтрат идет на переработку (кормопроизводство), цитрат кальция на получение водного раствора лимонной кислоты. Разложение цитрата кальция проводят серной кислотой 20 %-ной концентрации. Количество серной кислоты берут из расчета 75 л/т. Раствор перемешивают и выдерживают 1,5 ч для завершения реакции. После чего осадок удаляют фильтрацией или ценрифугированием, а водный раствор 23 лимонной кислоты упаривают до нужной концентрации. Выход лимонной кислоты составляет 19,8 кг из 1 т сыворотки. Глубинный способ получения лимонной кислоты считается более эффективным. Технологический процесс производства этим способом включает следующие операции: подготовка молочной сыворотки к ферментации; инокуляция среды суспензией спор гриба-продуцента и ферментация; обработка сброженной сыворотки и получение водного раствора лимонной кислоты; концентрация водного раствора кислоты; кристаллизация лимонной кислоты; отделение и сушка кристаллов лимонной кислоты. Для выработки лимонной кислоты этим способом пригодны все виды молочной сыворотки. Сыворотку очищают от сывороточных белков тепловым методом, денатурированные белки отделяют, а безбелковую фракцию раскисляют до рН 6,25-6,50 и повторно фильтруют или центрифугируют для отделения дополнительно денатурированных белковых соединений. После этого очищенную сыворотку сгущают на вакуум-выпарном аппарате в 2-4 раза, сгущенную сыворотку подкисляют до рН 4,5 серной или соляной кислотой и направляют на стерилизацию. Стерилизуют подготовленную сгущенную сыворотку при давлении 0,106-0,108 МПа в течение 30 мин и охлаждают до 35-39 0 С. На этом этап подготовки молочной сыворотки к ферментации считают законченным. Засев подготовленной сгущенной сыворотки спорами гриба аналогичен поверхностному способу. Количество посевного материала колеблется в пределах 5-10 %. Процесс ферментации протекает при температуре 32-35 0 С в течение 2,5-3,5 суток. В процессе ферментации в среду вносят минеральные соли и обильное количество стерильного воздуха. Конец ферментации определяют по количеству оставшейся лактозы (0,5 %). По окончании ферментации мицелий гриба отделяют фильтрацией и направляют на кормопроизводство, а сброженный раствор на дальнейшую переработку. Лимонную кислоту с помощью известкового молока переводят в соль – цитрат кальция. Лимонную кислоту в виде соли отделяют ценрифугированием или фильтрацией, а фильтрат используют в кормопроизводстве. Цитрат кальция разлагают серной кислотой 96 %-й концентрации. Осадок сернокислого кальция удаляют центрифугированием или фильтрацией, а водный раствор лимонной кислоты направляют на упаривание. Для получения пересыщенного раствора лимонной кислоты используют вакуум-выпарные аппараты. Температуру сгущения поддерживают в пределах 65-70 0 С, а концентрация пересыщенного раствора составляет 71-72 %. Кристаллизацию лимонной кислоты из пересыщенного раствора осуществляют в несколько этапов, изменяя скорость охлаждения раствора: Температурный интервал, 0 С 70 → 37 37 → 27 27 → 22 22→ 08 Скорость охлаждения, 0 С в час 20,0 10,0 5,0 3,0 В конце кристаллизации раствор выдерживают в течение 30 мин для созревания кристаллов. Выкристаллизовавшуюся молочную кислоту отделяют от маточного раствора центрифугированием. Влажные кристаллы с массовой долей влаги 2-3 % направляют на сушку. Сушат продукт на барабанных сушилках из кислотоустойчивой стали. Температура воздуха на входе в сушилку не должна превышать 70 0 С, а на выходе – 35 0 С. 24 Маточные растворы, после отделения из них кристаллов, не смешивают между собой и основным раствором лимонной кислоты, чтобы не снизить качество готового продукта. Первый маточный раствор сгущают и кристаллизуют, получая второй маточный раствор (может быть и третий). Для повышения качества лимонной кислоты вторичные маточные растворы обрабатывают активированным углем (1…2 %) при температуре 70 0 С в течение 30 мин. В зависимости от химических показателей лимонная кислота подразделяется на сорта: экстра, высший и первый. |