Obtinerea Biomasei din Drojdie In Culturi Submerse
Bibliografie
1. Anghel I. – Biologia și tehnologia drojdiilor, Ed. Tehnică, vol. I, II; București 1991
2. Banu C. – Manualul inginerului de chimie alimentară, vol. I, Ed. Tehnică, București 1998
3. Ferdeș M. – Microbiologie industrială. Îndrumar de laborator, Ed. UPB, București 2000
4. Segal B., Stancu M. – Surse noi de proteine, Ed. Tehnică, București 1975
5. Nenițescu C.D. – Chimie organică, vol.II, Ed. Didactică și pedagogică, Bucuresti 1980
6. Faust V, Prave P. – Biomass from methane and methanol, Biotechnologyvol III, [NUME_REDACTAT], Weinheim 1986
7. Dumitru I.F., Vamanu A., Popa O. – Drojdiile. Biotehnologii clasice și moderne, Ed. [NUME_REDACTAT], București 2002
8. Dan V., Microbiologia alimentelor, editura Alma, Galati, 2001
9. Cote W.A. – Biomass utilisation, [NUME_REDACTAT], [NUME_REDACTAT] 1983
10. Begea M.-Tehnologii alimentare fermentative , vol.I , [NUME_REDACTAT] ,2010,București
11. Rotaru V.- Tehnologia fabricării spirtului și a drojdiei comprimate , [NUME_REDACTAT] și pedagogică, București
12. Lehninger A.L. – Biochimie, vol.I, Ed. Tehnică, București 1987
13. Popa L. – Microbiologie industrială: lucrări practice, Ed. [NUME_REDACTAT] 1987
14. Oniscu C. – Tehnologia produselor de biosinteză, Ed. Tehnică, București 1978
15. Greabu M, Paveliu F. – Biochimie medicală, Ed. Infomedica, București 1997
16. Topală N.D. – Microbiologie generala, Ed. Univ. "Al.I.Cuza" Iasi, 1978
17. Rehm H.J., Reed G. – Biotechnology, vol III, [NUME_REDACTAT], Weinheim 1986
18. http://ebooks.unibuc.ro/biologie/drojdii/11.htm – vizitat în perioada: iunie-iulie 2014
19. http://ro.wikipedia.org/wiki/Drojdie – vizitat în perioada iunie-iulie 2014
20. http://www.scribd.com/doc/49385957/Bioreactoare – vizitat în perioada iunie-iulie 2014
CUPRINS:
[NUME_REDACTAT] I. Drojdii-generalități
I.1 Caracteristicile generale ale drojdiilor
I.1.2 Nomenclatura
I.1.3 Aspectul microscopic
I.2 Răspândirea
I.3 Caractere fiziologice generale
I.4.Specii de drojdie cu importanță în industria alimentară
Capitolul II. Biomasă
II.1 Biomasă obținută din drojdii
II.2 Proteine obținute din biomasă
II.3 Valoarea nutritivă a proteinelor
II.4 Surse de proteine
II.5 Microorganisme producătoare de biomasă
II.5.1 Drojdiile
II.5.2 Bacteriile
II.5.3 Mucegaiurile
II.5.4 Algele
II.6 Materii prime folosite și factorii care influențează producerea de biomasă proteică
II.6.1 Materii prime
II.6.1.1 Glucide
II.6.1.2Produse petroliere
II.6.1.3 Metanul
II.6.1.4 Alcoolii
II.7 Aerarea și agitarea
Capitolul III. Tehnologia biomasei proteice
III.1 Tehnologia de producere a biomasei proteice
III.1.2 Condiționare și sterilizarea mediului de cultură
III.1.3 Multiplicarea biomasei
III.1.4 Separarea biomasei de mediul de cultură
III.1.5 Prelucrarea biomasei
III.1.5.1 Plasmoliza
III.1.5.2 Uscarea biomasei de drojdie
III.2 Tehnologia obținerii biomasei proteice din drojdii
III.3 Utilizarea biomasei proteice obținută din microorganisme
OBȚINEREA BIOMASEI DIN DROJDIE ÎN CULTURI SUBMERSE
CUPRINS:
[NUME_REDACTAT] I. Drojdii-generalități
I.1 Caracteristicile generale ale drojdiilor
I.1.2 Nomenclatura
I.1.3 Aspectul microscopic
I.2 Răspândirea
I.3 Caractere fiziologice generale
I.4.Specii de drojdie cu importanță în industria alimentară
Capitolul II. Biomasă
II.1 Biomasă obținută din drojdii
II.2 Proteine obținute din biomasă
II.3 Valoarea nutritivă a proteinelor
II.4 Surse de proteine
II.5 Microorganisme producătoare de biomasă
II.5.1 Drojdiile
II.5.2 Bacteriile
II.5.3 Mucegaiurile
II.5.4 Algele
II.6 Materii prime folosite și factorii care influențează producerea de biomasă proteică
II.6.1 Materii prime
II.6.1.1 Glucide
II.6.1.2Produse petroliere
II.6.1.3 Metanul
II.6.1.4 Alcoolii
II.7 Aerarea și agitarea
Capitolul III. Tehnologia biomasei proteice
III.1 Tehnologia de producere a biomasei proteice
III.1.2 Condiționare și sterilizarea mediului de cultură
III.1.3 Multiplicarea biomasei
III.1.4 Separarea biomasei de mediul de cultură
III.1.5 Prelucrarea biomasei
III.1.5.1 Plasmoliza
III.1.5.2 Uscarea biomasei de drojdie
III.2 Tehnologia obținerii biomasei proteice din drojdii
III.3 Utilizarea biomasei proteice obținută din microorganisme
Introducere:
Microbiologia industrială reprezintă un compartiment al biotehnologiei care are ca scop obținerea pe cale industrială a diferitelor produse necesare,cu participarea nemijlocită a diferitelor microorganisme.
Drojdiile sunt,cu siguranță,atât din punct de vedere calitativ cât și economic,categoria cea mai importantă de microorganisme care se utilizează în producție și se comercializează.Cantitatea totală de drojdie produsă anual este de ordinul zecilor de milioane de tone,iar beneficiile acestora sunt estimate la câteva miliarde de dolari.
Contribuția la progresul omenirii s-a bazat foarte mult pe capacitatea anumitor drojdii de a efectua o conversie eficientă și rapidă a zaharurilor în etanol și CO2 ,realizând o fermentație alcoolică a lichidelor zaharate cum ar fi sucul de struguri,extractele de cereale și laptele. Numeroase specii de drojdii sunt cunoscute ca și producătoare de etanol, un foarte important metabolit primar utilizat atât ca băutură,cât și în diverse scopuri industriale.
În virtutea încadrării în trecuta tuturor organismelor în două regnuri (vegetal și animal), s-a afirmat deseori că drojdiile sunt cele mai vechi plante cultivate.
Chimiștii au utilizat drojdiile pentru producerea unor compuși optic activi din aldehide.Poate fi de asemenea exploatată intervenția drojdiilor la nivelul anumitor trepte din sinteza precursorilor unor produși naturali de mare importanță ca și in procese biochimice mai simple cum ar fi îndepartarea compușilor de contaminare, de exemplu un zahăr de o anumită configurație dintr-un amestec racemic. În industria alimentară sunt folosite hidrolizatele si autolizatele de drojdii datorită proprietății de a conferi sau amplifica gustul de carne al unor produse alimentare(supe ,diferite ingrediente ,cartofi crocanți). De asemenea, biomasa de drojdii („single cell protein”) obținută în instalații speciale prin cultivare pe diverse substraturi ieftine (metanol, deșeuri vegetale etc) poate fi utilizată drept supliment nutritiv mai ales pentru animale, iar în unele situații,chiar și pentru om
Chiar și in prezent,industria berii și a vinului furnizează în cantitate mare biomasă de drojdii,un produs pentru a cărui utilizate optimă sunt necesare încă noi căi de abordare. Faptul că anumite tulpini de drojdii sunt capabile să se reproducă atât sexuat ,cât și asexuat pe medii simple,fie în prezența ,fie in absența oxigenului și nu sunt toxice,a determinat atât viabilitatea lor comercială cât și disponibilitatea unei surse ideale de biomasă microbiană pentru cercetări asupra comportamentului celular.
Astfel,drojdia care pâna nu demult era cunoscută ca drojdie de panificație,de vin sau de bere ,aspiră in prezent la statutul de obiect de înalta tehnologie.Pentru biotehnologi ,drojdiile sunt în primul rând microorganisme care îmbina in mod fericit proprietați ale bacteriilor (viteza de creștere și multiplicare ,simplitatea exigențelor nutritive) cu proprietațile organismelor superioare. Rezultă un avantaj considerabilmanipularea lor cu aceeași ușurință sau chiar mai mare decât a bacteriilor și furnizarea de informații aplicabile celulelor eucariote.
Creșterea spectrului de microorganisme disponibile pentru scopuri industriale și de cercetare în laborator se impune ca o necesitate , ori drojdiile sunt de regula mai ușor de manipulat și deci de preferat bacteriilor sau mucegaiurilor. În general drojdiile se dezvoltă în condiții de mediu cu valori de pH mai scăzute decât cele optime pentru bacterii și in prezența a numeroase antibiotice. În consecință se practică in mod obișnuit mentinerea pe scară largă și fără dificultați deosebite a culturilor de drojdii lipsite de microorganisme contaminate. Drojdiile sunt mai ușor și mai ieftin de recoltat decât bacteriile ,iar procesele tehnologice de producție nu ridică în aceeași măsură cu bacteriile problemă de sănătate publică.
Descoperirea plasmidelor la drojdii a deschis perspectiva elaborării unui sistem de transformare mediată la drojdii cu înalta eficiență ,prin folosirea plasmidelor hibride drojdie-bacterie, capabile de a se replica și putând fi selectate atât din celulele de Escherichia coli cât și din cele de Saccharomyces cerevisiae. Transformarea genetică cu plasmide hibride drojdie-bacterie face posibila clonarea genelor eucariote într-o gazdă eucariotă pentru gene cu importanță medicală, cum sunt genele pentru insulină , somatostatină,interferoni ,etc.,deoarece drojdiile prezintă avantaje față de enterobacterii. Schimbul genetic prin transformarea interspecifică duce la acumularea de gene noi ,fapt ce contribuie la diversificarea genetică a speciilor. Experiențele de transformare au dovedit capacitatea protoplaștilor de a încorpora macromolecule și diferite particule de tipul feritinei ,latexului ,proteineacizi nucleici ,virusuri ,bacterii și chiar a unor organite întregi-nuclee, mitocondrii ,cloroplaste. Realizarea cea mai promițatoare este considerată hibridarea somatică prin fuziunea de protoplaști , care conduce la eliminarea incompatibilitații și deschide calea spre hibridarea asexuată interspecifică și intergenerică. [1]
A crescut,de asemenea,importanța pentru medicină,ca o consecința a extinderii tratamentului antibacterian cu antibiotice cu spectru larg capabile sa producă fenomene de disbioză, ceea ce are drept urmare creșterea incidenței bolilor umane determinate de drojdii.
Conștientizarea legăturii strânse existente între hrană și alimentație a determinat recunoașterea rolului activ pe care alimentația trebuie să-l joace în terapia modernă, trecându-se de la alimentele dietetice (cu rol pasiv) la alimentele medicament. Asemenea produse sunt numite și alimente de protecție, deoarece ele se adreseaza și colectivităților expuse la anumiți factori de risc, ca urmare a condițiilor specifice de muncă si viață. Concentrația ridicată de oxigen din atmosferă este potențial toxică pentru organismele vii datorită formării radicalilor liberi, extrem de nocivi pentru moleculele cu activitate biologică.
Utilizarea pe scară largă a antibioticelor,cu efecte perturbatoare asupra microflorei intestinale,a determinat un interes și mai mare pentru drojdii,în special după ce s-a constatat că accidentele digestive ale antibioticelor provoacă o distrugere a microflorei sintetizatoare de vitamina B.
Extractele de drojdie sunt folosite în principal ca potențiatori de arome sau chiar arome. Alte autolizate de drojdie pot masca gustul amar sau acru, pot mări gradul de aromă și pot servi ca agenți de colorare sau antioxidanți.
Mulți ani selecția și hibridarea s-au folosit ca metode de bază și unice pentru obținerea de noi tulpini și hibrizi sau pentru ameliorarea unor parametrii a tulpinilor aflate în producție. În ultimele decenii, pe măsura înregistrării unor progrese semnificative în cunoașterea structurii genomurilor nuclear și mitocondrial și a elaborării unei hărți genetice, s-a lărgit gama tehnicilor folosite pentru ameliorarea drojdiilor industriale, utilizându-se mutageneza, poliploidia, recombinarea genetică și transferul de gene.
Dezvoltarea celulară activă și niveluri ridicate de biomasă, pot fi asociate în general cu rate și niveluri înalte de biosinteză a proteinei recombinate într-o gamă largă de bioreactoare, în care mediul de dezvolatre nutrițională poate fi manipulat și controlat sub variate aspecte. Dezvoltarea celulară activă și niveluri ridicate de biomasă, pot fi asociate în general cu rate și niveluri înalte de biosinteză a proteinei recombinate, făcând procesul de fermentație mult mai economic.
Tema studiului întreprins a izvorât din preocupările actuale privind studierea proprietăților tehnologice și biologice ale drojdiilor folosite în panificație, pentru producerea de alimente, vin, bere, substanțe bioterapeutice și produse farmaceutice ,în scopul obținerii biomasei din drojdie în culturi submerse, care poate fi folosită pentru obținerea unor produse de calitate superioară atât în industria de panificație cât și în alte domenii înrudite.
Microorganismele cel mai frecvent utilizate ca sursă de proteine în nutriția omului și a animalelor sunt drojdiile. Datele experimentale atestă că proteina din drojdii poate înlocui proteinele vegetale și animale tradiționale. S-a constatat că drojdiile sunt capabile să sintetizeze vitaminele hidrosolubile din grupa B, dar și să le înmagazineze în celulă în cantități la fel de mari sau chiar mai mari decât cele din țesuturile animale recunoscute ca surse importante de vitamine.
Drojdiile sunt folosite în mod frecvent pentru explicarea sau confirmarea unor aspecte fundamentale de biologie celulară și moleculară și in special a celor care deosebesc celula eucariotă de cea procariotă.Studii interesante de biologie și genetică moleculară,dintre care unele încununate cu succes,au avut ca obiect de cercetare drojdiile.
CAPITOLUL I
Drojdii-generalități
I.1 Caracteristicile generale ale drojdiilor
Drojdiile se mai numesc și levuri – denumire care provine din: levere– a ridica; levain– aluat dospit;
Drojdiile– organite monocelulare de tip eucariot care se înmulțesc prin mitoză (înmugurire),sau prin meioză (sporulare).Caracteristica principală o reprezintă calitatea de a produce fermentarea zaharurilor simple cu formare, în condiții anaerobe, de alcool etilic și dioxid decarbon.
-Au rol foarte important și sunt folosite în industria alimentară la fabricarea vinului, a berii,a spirtului de fermentație, a pâinii și produselor derivate, a drojdiei comprimate;
-Au o compoziție chimică valoroasă și sunt folosite în microbiologia industrială la obținerea de proteine ce pot fi folosite în alimentația omului (de tip scp–single cell protein), la obținerea de drojdii furajere pentru alimentația animalelor, drojdii care conțin 5,5% proteină, vitamine din grupul b, aminoacizi;
-Pot conduce la extracte lizate, plasmolizate, folosite ca aditivi alimentari sau care îmbogățesc mediile de cultură destinate cultivării microorganismelor selecționate. Prin mari poluări genetice sau hibridizări, cu ajutorul drojdiilor se pot obține substanțe valoroase cum ar fi: interferon, cu efect citostatic și antiviral; vitamine din grupul b, cu efect terapeutic complex. [1]
Fig.I.1 Structura celulei de drojdie
I.1.2 [NUME_REDACTAT] normelor [NUME_REDACTAT] de [NUME_REDACTAT],tulpinele de drojdii sunt grupate în specii, speciile în genuri ,iar genurile în familii. Familiile sunt asamblate în ordine,ordinele în clase și clasele în diviziuni. Taxonii superiori sunt desemnați prin sufixe standard ,ca –aceae pentru familii și –ales pentru ordine. De exemplu ,genul Saccharomyces aparține familiei Saccharomycetaceae din ordinul Endomycetales.
Fiecare drojdie este denumită după sistemul binominal al lui Linné, prin două cuvinte latinizate care caracterizează foarte sistetic organismul.Primul cuvânt, care indică genul, este un substantiv la singular de origine latină ,greacă ,sau oricare alta, dat latinizat. El desemnează anumite trăsături morfologice (trigonopsis= celule triunghiulare; Aciculoconidium=conidii aciculare), uneori asoociate cu habitatul natural (Saccharomyces= ciupercă din medii zaharate). Numele genului se scrie cu inițială majusculă și poate fi prescurtat. Cel de-al doilea cuvânt-epitetul specific-este, în general descriptiv pentru substantivul care reprezintă genul și se referă la culoare, sursă, activitatea produsă ,descoperitor sau orice alt element distinctiv. [1]
I.1.3 Aspectul microscopic
Examinarea microscopică a celulelor de drojdie ofera date semnificative taxonomic,privind dimensiunea și forma lor,modul de reproducere vegetativă (înmugurire multilaterală ,bipolară sau unipolară; diviziune;formare de filamente) și în cazul prezenței sporilor-forma, structura și modul lor de formare.
Exista doua tipuri de reproducere vegetativă la drojdii:prin înmugurire și prin formarea pereților transversali în hife sau celule unice.Mugurii pot avea o bază îngustă sau largă de formare. Apariția lor pe celula poate fi multilaterală sau delimitată la regiuni speciale. Acest din urmă mod de înmugurire poate duce la formarea de cicatrice multiple (creste concentrice ale cicatricelor mugurilor).
Celulele înmugurite care rămân atașate una de cealaltă formează ceea ce se numește pseudomiceliu. Foarte adesea apare o diferențiere între aceste celule care cresc pe o lungime mai mare (celulele pseudomiceliului) și altele care rămân scurte și sunt cunoscute ca blastospori sau blastoconidii. Celulele formate ca muguri pe hife adevărate sunt de asemenea numite blastospori sau blastoconidii. Ele se formează uneori pe mici protuberanțe. [1]
Fig. I.2 Drojdii de bere
Fig.I.3 Saccharomyces cerevisiae
I.2 [NUME_REDACTAT] sunt răspândite în 4 mari habitaturi naturale reprezentate de: sol, aer, suprafața plantelor, apă.
În sol sunt răspândite în stratul superficial unde ajung în mod natural de pe fructe, rădăcini de leguminoase și se găsesc în special în solul grădinilor, al vițelor de vie. În aer se răspândesc datorită curenților de aer.
Pe suprafața plantelor și fructelor drojdiile alcătuiesc microflora epifită. În acest habitat răspândirea e favorizată de insecte.
Drojdiile rezistă în tractul digestiv insectelor și iarna, iar primăvara, cu primul drum al acestora, sunt depuse pe suprafața vegetală. În organismul animal drojdiile sunt componente ale microflorei intestinale și aparțin genului candida care poate cuprinde și specii patogene: candida albicans care produce candidoze.în apă sunt răspândite chiar până la 4000 m adâncime.[2]
I.3 Caractere fiziologice generale
Drojdiile sunt facultativ anaerobe. În condiții de aerobioză zaharurile sunt asimilate până la dioxid de carbon și apă, obținând-se astfel o cantitate mare de energie necesară creșterii și înmulțirii rapide.
Ca și bacteriile,drojdiile se caracterizează mai ales prin ceea ce fac și nu după cum arată.Caracteristicile fiziologice utilizate pentru clasificarea drojdiilor sunt următoarele:
Fermentează anumite zaharuri în condiții de semi-anaerobioză;
Se dezvoltă în condiții de aerobioză utilizând diferiți compuși,fiecare dintre aceștia ca unică sursă majoră de carbon sau de azot (teste de asimilație);
Se dezvoltă în absența unei surse exogene de anumite vitamine;
Cresc în prezența a 50% (60%) D-glucoză sau 10% NaCl+5% D-glucoză;
Temperatura optimă este 28-30 dar cresc și la 37°C;
pH-ul optim: 4,5– 6,5.
Pot descompune grăsimi;
Au capacitatea de a produce polizaharide asemănătoare amidonului,de a hidroliza ureea , de a forma acid.
Asemenea caracteristici sunt utilizate în mod obișnuit pentru diferențierea dintre specii. [3]
I.4.Specii de drojdie cu importanță în industria alimentară
Saccharomyces cerevisiae–drojdia folosită în panificație, este o drojdie de fermentație superioară, caracterizată de o temperatură de creștere și fermentație 28-300°c. Are forma oval rotundă, profilul coloniei este bombat circular, culoarea alb, bej spre gri.
Prin fermentare în medii lichide formează lanțuri lungi de celule (15-20)–cauza formării unei spume abundente, stabile.
În industria spirtului, prin fermentarea zaharurilor conținute de plămezile zaharificate,produce până la 16-180˚ alcool.
În panificație drojdia din aluat fermentează maltoza cu formare de alcool etilic și co2, care este reținut de gluten și determină creșterea în volum și porozitatea caracteristică pâinii.
Saccharomyces uvarum(carlsbengensis)–drojdia de bere, este o drojdie de fermentație inferioară caracterizată de o temperatură optimă de înmulțire 300˚c și de o temperatură optimă fermentației alcoolice de 6-120°c.
Fig.I.4 Saccharomyces uvarum
Saccharomyces cerevisiae (ellipsoideus)–drojdia de vin, produce fermentarea zaharurilor din musturi de fructe (struguri), are temperatura optimă de înmulțire 300˚c și una optimă de fermentație alcoolică de 150°c, este sulfitorezistentă și alcoolorezistentă.
Saccharomyces oviformis (bayanus)–drojdia de șampanie, poate produce până la 18-200˚ alcool, este caracterizată de o mare rezistență la co2.
Fig.I.5 Saccharomyces oviformis
Saccharomyces pasteurianus–produce alterări ale berii cu tulburare și imprimare de gust neplăcut.
Drojdiile din genul schizosaccharomyces au un efect negativ deoarece pot produce o scădere a acidității vinurilor; pot folosi ca sursă hidrocarbonată atât zaharuri cât și acizi (când se dezvoltă în must pot să consume acidul malic).
Saccharomyces ludwigi–are proprietăți slab fermentative, este sulfitorezistentă, poate produce defect la vinurile dulci– refermentarea vinurilor.
Drojdiile din genul pichia au capacitate fermentativă redusă.
Pichia membranifaciens formează voal cutat la suprafața lichidelor fermentate și produce oxidarea zaharurilor și a alcoolului.
Fig.I.6 Pichia membranifaciens
Candida mycoderma–produce “floarea vinului”, se dezvoltă pe vinuri slab alcoolice, în prezență de gol de aer și produce oxidarea alcoolului cu formare de apă și co2, ceea ce face ca vinul să fie lipsit de gust, să devină instabil din punct de vedere biologic.
Drojdiile din genul torulopsis se întâlnesc pe suprafața fructelor, inițiază fermentarea mustului de struguri și sunt inhibate de concentrații în alcool mai mari de 4-60˚ alcool.
Drojdiile din genul rhodotorula sunt celule de formă cilindrică, scurte, ușor ovale, se întâlnesc pe suprafața produselor vegetale, se dezvoltă în colonii de culoare roșie datorită capacității de a sintetiza pigmenți carotenoidici. [3]
CAPITOLUL AL II-LEA
Biomasă
II.1 Biomasă obținută din drojdii
Comparativ cu plantele și animalele, microorganismele se caracterizează printr-o viteză mult mai mare de sinteză a proteinei și printr-un conținut proteic mai ridicat. De asemenea, sunt mult mai puțin pretențioase în ceea ce privește nutrienții necesari creșterii decât animalele. De exemplu, microorganismele acceptă surse de azot anorganice, pe când în cazul animalelor drept nutrienți pot fi folosite substanțe cu azot legat organic. Același raționament este valabil și pentru sursa de carbon. Dacă ținem seama de independența producerii proteinelor microbiene, de condițiile pedo-climatice și sezoniere rezultă că acest domeniu își va păstra actualitatea și în viitor.
[NUME_REDACTAT] a Sănătății, recomandă folosirea concentratelor proteinico-vitaminice obținute cu tulpini de drojdii în condiții strict controlate, ca cea mai eficientă sursă de vitaminizare a alimentelor pentru copii. Aceeași biomasă uscată este folosită ca adaos în concentrate de supe, budinci sau în compozițiile din care se prepară pastele făinoase. De exemplu, în ultimul caz biomasa adăugată conferă pastelor un gust mai bun și o culoare mai plăcută decât concentratele din soia.
O direcție nouă de utilizare a biomasei obținută prin cultivarea drojdiilor este în terapeutică, sub formă de medicament-aliment, destinat prevenirii și tratamentului unor afecțiuni cu incidență crescută.
Procedeele de obținere a proteinelor de biosinteză, bazate pe cultivarea bacteriilor, drojdiilor, ciupercilor unicelulare sau algelor trebuie să asigure costuri comparabile cu cele ale proteinelor obținute din sursele actuale. Economicitatea procesului de biosinteză a proteinelor monocelulare este determinată în mare parte de natura substratului care servește drept sursă de carbon și energie în procesul de fermentație. Costurile substratului nu trebuie să depășească 1/3 din costurile produsului, iar sursa de substrat trebuie să fie accesibilă cantitativ, calitativ și economic. [6]
II.2 Proteine obținute din biomasă
Proteinele sunt indispensabile desfașurarii normale a metabolismului organismelor vii. În natură proteinele nu se găsesc în stare pură, ci răspândite în diferite produse naturale sau industriale folosite în hrana omului.
Proteinele au rol plastic în dezvoltarea și regenerarea organismului animal.Pot avea rol energetic atunci când surplusul se transformă în energie calorică.Pe lângă faptul că reprezintă componenta de bază a protoplasmei, unele proteine sunt catalizatori metabolici (enzimele) iar altele intră în alcătuirea unor substanțe biologic active importante în desfășurarea proceselor metabolice.
Proteinele obținute prin biosinteză se separă sub forma unei biomase furajere din care se purifică și se separă proteina pură de culoare galbenă, fară gust și miros. Se folosește sub formă de făină în hrana animalelor.
Proteinele sunt constituite din 20 de aminoacizi, legați în secvențe specifice. Sunt macromolecule care transmit informația și multiplele posibilități de combinare a aminoacizilor determină varietatea moleculară, diversitatea și specificitatea funcțională a proteinelor.
Numărul de aminoacizi din lanțul unei molecule proteice cu masa moleculară 50.000 e de aproximativ 400.Dacă fiecare din cele 400 de poziții poate fi ocupată de unul din cei 20 de aminoacizi sunt posibile 20400 combinații. Din acest motiv în regnul animal există aproximativ 5 milioane de molecule proteice diferite, neidentificabile cu nici una din sutele de mii de molecule proteice existente în regnul vegetal.
Din cei 20 de aminoacizi cunoscuti 8 sunt considerati esențiali, întrucât nu pot fi sintetizați în organismul omului si trebuie aduși zilnic cu alimentele. Aceștia sunt valina, lizina, leucina, izoleucina, metionina, triptofanul, treonina, fenilalanina. Pentru copiii sub 1 an histidina este aminoacid esențial. Ceilalți au fost numiți neesențiali întrucât pot fi sintetizați în organism din alte substante. Pentru sinteza proteinelor organismului este nevoie de aminoacizi esențiali și neesențiali în anumite proporții. [6]
II.3 Valoarea nutritivă a proteinelor
Organismele vii , datorită permanentelo transformări de masă și energie ce au loc în timpul vieții, sunt strâns legate de mediul ambiant, prin necesitatea încorporării unor substanțe pe baza cărora își desfășoară procesele vitale. Numai prin continua asimilare a unor substanțe din mediul extern se dezvoltă și se întreține structura foarte complexă a materiei vii.Această necesitate de încorporare de substanțe esențiale constituie funcția alimentației.
Valoarea nutritivă se referă la conținutul în proteină al celulei microbiene și la conținutul de aminoacizi esențiali al acestei proteine. După cum se observă din tabelul II.1, proteina microbiană este bogată în lizină, dar mai scăzută în aminoacizi cu sulf, comparativ cu proteina din alte surse(făină de soia, făină de pește), sau cu proteina de referință F.A.O.
Proteinele alimentare, reieșind din valoarea lor biochimică, se împart în 3 categorii:
I – proteinele din ou, carne, lapte, pește. Ele conțin toți aminoacizii esentiali în proporții optime pentru sinteza proteinelor organismului, mențin echilibrul proteic în organism;
II – proteinele din legume uscate, cereale. Acestea conțin toți aminoacizii esențiali, dar nu în proporții suficiente pentru sinteza proteinelor omului;
III – gelatina din oase, tendoane, cartilagii, zeina din porumb. în structura proteinelor porumbului lipsesc mai multi aminoacizi, și cei prezentați sunt în raporturi dezechilibrate și au valoarea biologică scazută. Valoarea lor biologica poate fi marită prin asocierea cu proteine de calitate superioară. De exemplu: mamaliga cu lapte sau brânza.
Lipsa proteinelor în alimentație duce la stări de denutriție cronică, diferite boli (hepatoza, pelagra s.a.), istovirea celulelor nervoase, reținerea creșterii la copii, micșorarea sintezei hormonilor suprarenalelor, hipofizei, tiroidei, pancreasului, glandelor sexuale, micșorarea masei corpului, anemie, leucopenie, polihipovitaminoza, dereglări ale metabolismului mineral (osteoporoza); pielea devine uscată, unghiile – fragile, cade părul.
Este dăunător pentru organism si surplusul de proteine.Excesul lor în rația alimentară se soldează cu supraîncarcarea organismului cu produsele metabo-lismului proteic, cu intensificarea proceselor de putrefacție în intestine, cu supraîncarcarea ficatului si rinichilor.
Alimentația rațională recomandă ingerarea în 24 ore a 1 g de proteine la 1 kg de greutate corporală. Așadar, o persoană cu masa corpului de 70 kg are nevoie zilnic de 70 g de proteine. Aportul minim de proteine nu trebuie totuși să fie mai mic de 40 g zilnic. O cantitate de proteine sub acest indice are drept consecință faptul că organismul îsi consumă proteinele țesuturilor. În unele situații organismul necesită cantități crescute de proteine. în perioada de crețtere, copiii au nevoie de 2 g la kg, femeile în perioada sarcinii – de l,5g/kg/corp, iar când alăptează – de 2g/kg/ corp. Valoarea energetică a proteinelor trebuie să constituie 10-15 % din totalul de calorii pe care îl conține rația alimentară. În lume nu sunt concepții unice despre normele fiziologice ale organismului în proteine. Pentru un bărbat cu masa corpului de 70 kg în vârstă de 18-40 ani ce nu depune efort fizic greu si locuiește în țara cu climă moderată necesitatea în proteine variază între 55 g (Canada), 87 g (Rusia) si 120 g (Bulgaria). [4]
Tabelul II.1 Conținutul în aminoacizi esențiali al proteinelor din bacterii și drojdii, comparativ cu alte proteine.(Stancu, Segal,1975)
II.4 Surse de proteine
Sursele de proteine se pot clasifica în funcție de origine și în funcție de modul cum sunt exploatate.Astfel proteinele pot fi de origine animală, vegetală sau microbiană.
Clasificarea în funcție de modul de exploatare împarte sursele de proteine în:
– convenționale Din această categorie fac parte carnea și produsele din carne, laptele și produsele lactate, ouăle și cerealele.
– semiconvenționale Sunt surse în curs de exploatare și fac parte semințele de plante oleaginoase și concentratele de pește.
– neconvenționale Ca surse neconvenționale de proteine avem microorganime: bacterii, drojdii, mucegaiuri și alge microscopice.
Utilizarea proteinelor microbiene pune mai multe probleme, dintre care cele mai importante sunt valoarea nutritivă, toxicitatea, digestibilitatea și acceptarea de către consumatori.[NUME_REDACTAT] de [NUME_REDACTAT] și Aplicată(I.U.P.A.C.) a stabilit că nici o sursă nouă de proteine nu poate fi admisă în hrana animalelor, decât dacă se constată absența oricărei toxicități. Testele toxicologice includ toxicitatea acută(se urmărește timp de șase săptămâni pe șobolani), toxicitatea subcronică (3 luni) și toxicitatea cronică (2 ani). Digestibilitatea se referă la faptul că peretele celular microbian este nedigerabil și de aceea trebuie degradat pentru a favoriza accesul enzimelor digestive.Pentru a deveni digestibile trebuie degradat peretele celular care este nedigerabil. [4]
Tabelul II.2 Compoziția chimică a unor surse de proteine destinate consumului uman, % (Stancu, Segal,1975)
Proteinele neconvenționale acoperă necesarul de furaje, fiind ușor acceptate de către animale.Pentru a satisface nevoile umane trebuie combinate cu proteinele convenționale, astfel se păstrează propietățile organoleptice ale alimentelor clasice și sunt mai ușor de acceptat.
II.5 Microorganisme producătoare de biomasă
În natură sunt cunoscute în prezent peste 100000 specii de microorganisme de tip procariot și eucariot. Dintre acestea, numai câteva sute au fost și sunt utilizate de om pentru producerea de substanțe utile.
Folosirea microorganismelor la producerea de proteină oferă numeroase avantaje și anume:
– au un conținut ridicat de proteină (30-60%) de bună calitate;
– se produc foarte rapid;
– cultivarea microorganismelor este controlabilă in cele mai stricte condiții, iar controlul calității produsului este stăpânit cu ușurință de om;
– prin selecție, se pot obține tulpini microbiene cu proprietăți adecvate scopului urmărit de om;
– microorganismele pot utiliza, ca sursă organică de carbon, o gamă practic nelimitată de materii prime reziduale de la alte industrii: melase, zer, reziduuri lemnoase, celuloză și stuf, ape de canal, petrol, gaze naturale, metanol.
II.5.1 [NUME_REDACTAT] sunt fără îndoială, cel mai important grup de microorganisme folosite de om de la începuturile istoriei sale ca ființă socială și până în prezent. Din acest punct de vedere biotehnologia a fost mereu contemporană cu istoria umană, la început prin aspectele sale – acum numite tradiționale- de fabricare a pâinii sau a vinului, până în prezent când dezvoltarea geneticii și a biologiei moleculare a dus la dezvoltarea biotehnologiilor moderne.
Drojdiile au intrat în preocupările specialiștilor datorită conținutului mare de proteine cu valoare biologică ridicată. Drojdiile au un conținut de proteină de 46-56%.Proteina drojdiilor are un conținut mare de lizină, dar ceva mai scăzut de metionină și triptofan. În afară de proteine, drojdiile sunt bogate în vitamine din grupul B, ergosterol și alte substanțe biologic active. Sunt utilizate drojdiile din genurile: Candida, Hansenula, Torulopsis, Pichia. Cea mai importantă din punct de vedere industrial și cea mai des utilizată este Candida utilis. Spre deosebire de bacterii, drojdiile au avantajul unei separări mai ușoare din mediu, datorită dimensiunilor celulare mai mari și au un conținut mai redus de acizi nucleici (5-10%).
Drojdia uscată se prezintă sub formă de pulbere, tăiței sau sub formă de granule. Introdusă direct în consum nu a fost agreată de consumatori din cauza gustului. În scopul folosirii în alimentație s-au realizat extracte, plasmolizate și autolizate de drojdii care au unele avantaje calitative importante. Datorită gustului îmbunătățit, al digestibilității ameliorate și a eliminării compușilor celulozici din membrana celulară aceste produse au o acceptabilitate bună. Ele pot înlocui extractul de carne la prepararea supelor și pot fi folosite pentru îmbunătățirea gustului a o serie de preparate alimentare. În țările în curs de dezvoltare se încearcă înlocuirea cărnii, în alimentația copiilor și adulților, cu extracte de drojdii sau utilizarea acestora în diferite combinații de produse.În S.U.A. se folosesc în clinici și grădinițe de copii extracte de drojdii, în doze de până la 40g pe zi. Administrarea zilnică a extractului de drojdie asigură consumatorilor o creștere a capacității de muncă și intensificarea metabolismului bazal. [2]
II.5.2 [NUME_REDACTAT] sunt un grup de microorganisme importante în biotehnologie. Sunt organisme de tip procariot și au fost folosite empiric încă din antichitate.
Celula bacteriană are compoziția chimică variabilă în funcție de specie, condiții de cultură și de prelucrare. Bacteriile au un conținut mare de proteină:47-87% și vitamine din grupul B. Proteina este de bună calitate, având un conținut ridicat de lizină și un conținut bun de metionină și triptofan.
Proteinele din bacterii sunt ușor digerabile datorită rezistenței scăzute a pereților celulari la atacul enzimelor digestive din tractul intestinal. Bacteriile oferă avantajul unei rate de creștere mai rapide și unui conținut mai mare de triptofan și de aminoacizi cu sulf, dar prezintă, în schimb, dezavantajul unui conținut mare de acizi nucleici (10-20%), care pot produce perturbări în metabolismul acidului uric în organismul animal, precum și costul ridicat al separării celulelor de mediu, datorită dimensiunilor celulare mici.
Cele mai utilizate sunt bacteriile strict aerobe din genurile: Pseudomonas, Micrococcus,Corynebacterium,Klebsiella,Arthrobacter,Brevibacterium,Mycobacterium, Methylomonas, Methilococcus; bacteriile celulozolitice din genul Cellulomonas; bacteriile albastre-verzi din genurile: Nostoc, Oscillatoria, Spirulina. [5]
II.5.3 [NUME_REDACTAT] sunt organisme de tip eucariot și formează la suprafața a diverse alimente un țesut vizibil cu ochiul liber. Din acest grup fac parte diferite specii folosite la fabricarea unor brânzeturi, băuturi alcoolice, antibiotice,enzime, etc.
Cultivarea mucegaiurilor se face în condiții submerse, pe diferite substraturi de zaharide, de obicei pe deșeuri alimentare. Rezultate bune s-au obținut și în cazul cultivării cu hidrocarburi, astfel că se poate considera că producerea mucegaiurilor are aceleași posibilități ca și cultivarea drojdiilor.
Avantajele folosirii mucegaiurilor ca sursă de proteine se datorează:
– structurii filamentoase, care permite o separare ușoară de mediu și asigură totodată proprietăți fizice specifice, în special de realizare a unor produse structurate, fără a fi necesare eforturi deosebite;
– conținutului lor în acizi nucleici mult mai mic decât al bacteriilor și drojdiilor.
Mucegaiurile conțin 20-40% proteine. Ca și în cazul drojdiilor, conținutul în metionină și triptofan este mai scăzut; conținutul în lizină și alți aminoacizi esențiali este bun. Ca și bacteriile și drojdiile, mucegaiurile conțin, pe lângă proteine, vitamine din grupul B. Cele mai folosite sunt din genurile: Rhizopus, Penicillium, Fusarium. [5]
II.5.4 [NUME_REDACTAT] sunt o sursă importantă de biomasă datorită posibilității de asimilare a dioxidului de carbon.Obținerea de biomasă se realizează în bazine deschise sau lacuri naturale. S-a observat capacitatea algelor de a acumula metale grele, ceea ce implică un control riguros al proceselor de producție.
Cele mai multe cercetări s-au efectuat pe algele verzi din genul Chlorella și Scenedesmus. Condițiile de cultivare trebuie să asigure concentrații adecvate de substanțe nutritive, cantitatea optimă de CO2, condiții de iluminare, pH și temperatură potriviteși o agitare a mediului pentru uniformizare.
Algele au un conținut proteic de 40-65%. Proteina algelor este mai săracă în izoleucină și metionină, dar conținutul celorlalți aminoacizi esențiali este bun. Avantajele pe care le prezintă algele este determinat de faptul că, fiind microorganisme autotrofe, nu este nevoie de sursă organică de carbon, susa se carbon fiind reprezentată de CO2. [6]
II.6 Materii prime folosite și factorii care influențează producerea de biomasă proteică
II.6.1 Materii prime
Materia primă, aleasă in funcție de particularitățile de creștere ale microorganismului, trebuie să fie convenabilă din punct de vedere economic, adică al disponibilității și prețului de cost. De aceea, majoritatea cercetătorilor se îndreaptă spre utilizarea materiilor reziduale provenite din diferite industrii, care sunt nu numai avantajoase ca preț de cost, dar rezolvă și problema poluării mediului. Aceste materii prime aparțin la patru categorii: glucide, produse petroliere, metan, alcooli.
II.6.1.1 Glucide
O serie de deșeuri glucidice ale diverselor industrii pot servi ca materie primă pentru producerea microbiană de biomasă. În această categorie intră:
-melasa și borhotul, deșeuri ale fabricilor de zahăr, care conțin ca sursă de carbon zaharoză. Pe acestea se dezvoltă în special drojdiile din genul Candida: C. utilis, C. arborea, C. tropicalis și mucegaiurile din genul Fusarium
-zerul, deșeu al fabricilor de brânzeturi, care conține ca sursă de carbon, lactoză.Pe acesta se dezvoltă drojdii ca: Kluyveromyces (Saccharomyces) fragilis, Candida pseudotropicalis și mucegaiuri ca: Penicillium roqueforti, rhizopus oligosporus.
-apele reziduale ale fabricilor de amidon, care conțin amidon.Pe acestea se dezvoltă drojdiile (Candida utilis) și mucegaiurile. În cazul drojdiilor, amidonul trebuie hidrolizat în prealabil cu un preparat enzimatic amilolitic;
-deșeuri celulozice. Folosirea deșeurilor celulozice la producerea de proteină microbiană este de mare importanță, deoarece celuloza este disponibilă în mare cantitate și la un preț de cost mic; totodată se rezolvă în acest mod și problema poluării mediului înconjurător.
Deșeurile celulozice sunt de două categorii:
deșeuri celulozice ca atare: paie de grâu, coceni de porumb, coji de floarea soarelui, rumeguș de lemn. Pe acestea se dezvoltă fie bacteriile celulozolitice din genul Cellulomonas, fie mucegaiurile ca, de exemplu, Chaetomium celluloliticum;
hidrolizate ale diferitelor deșeuri celulozice: hidrolizate din stuf, hidrolizate ale deșeurilor agricole (coceni de porumb, paie de grâu, coji de floarea soarelui), leșii sulfitice.
Toate acestea conțin ca sursă de carbon hexoze și pentoze.Cele mai folosite sunt leșiile sulfitice, deșeu al fabricilor de celuloză. În aceste fabrici există o etapă, în care se îndepărtează lignina și hemicelulozele ce leagă fibrele de celuloză în lemn, prin fierberea bucăților de lemn intr-un lichid acid, constând din sulfit de calciu sau de sodiu, cu exces de SO2 liber. În timpul fierberii, lignina trece în lignosulfonați solubili, iar hemicelulozele sunt hidrolizate în glucide simple (hexoze și pentoze).Compoziția leșiei sulfitice obținute după îndepărtarea fibrelor de celuloză depinde de tipul de lemn folosit. În cazul arborilor cu lemn moale (Gimnosperme ca: pin, molid), leșia sulfitică obținută conține în special manoză, deoarece hemicelulozele respective conțin mai ales manan. În cazul arborilor cu lemn tare (Angiosperme ca: plop, fag, mesteacăn), leșia sulfitică conține în special xiloză, deoarece hemicelulozele respective conțin mai ales pentozani, în special xilan. Pe leșii sulfitice și alte hidrolizate ale deșeurilor celulozice se dezvoltă drojdiile din genul Candida: C. utilis, C. tropicalis. [7]
II.6.1.2Produse petroliere
Petrolul lampant, motorina, ceara de parafină conțin hidrocarburi saturate aciclice (n-alcani sau n-parafine), care pot fi folosite de unele microorganisme ca unică sursă de carbon și energie.
Microorganismele folosesc cu precădere n-alcanii lichizi cu C11 – C19; n-alcanii solizi cu C20 – C40, existenți în ceara de parafină, produs secundar obținut la producerea uleiurilor lubrifiante din petrol, pot fi de asemenea folosiți dacă sunt dizolvați într-un solvent adecvat. Alcanii cu C2 – C10 sunt slab utilizați.Motorina conține predominant n-parafine cu C14 – C16, iar petrolul lampant n-parafine cu C11 – C13.Dacă se folosesc n-parafine pure, ele se separă prin distilare fracționată din produsele petroliere respective. [6]
II.6.1.3 [NUME_REDACTAT] un substrat disponibil la un preț de cost foarte scăzut în unele regiuni ale globului. Fiind un substrat gazos, metanul ridică probleme la construirea bioreactoarelor, dar prezintă în schimb avantajul că nu lasă în produsul finit reziduuri care să pună probleme sub aspect alimentar, ca în cazul n-parafinelor.
Utilizarea metanului la producerea de proteină este limitată la un grup aparte de bacterii, bacteriile metilotrofe. Prin convenție internațională, s-a stabilit ca toate microorganismele capabile să utilizeze compușii cu un singur atom de carbon în afara CO2, adică metanul, metanolul și metilamină, ca unică sursă de carbon și energie să poarte denumirea genetică de metilotrofe. În această categorie intră bacterii și drojdii (levuri).Bacteriile metilotrofe sunt Gram-negative, bacilare, nesporulate, strict aerobe, pigmentate în roz sau brun.
Bacteriile metilotrofe se împart în două grupe:
-obligat metilotrofe care se dezvoltă numai pe metan, metanol și metilamină. Ele aparțin la câteva genuri și anume: Methylomonas, Methylosinus, Methylocystis, Methylococcus, Methylobacter, Methylophilus. La microscopul electronic s-a evidențiat la aceste bacterii prezența unui sistem membranar intern, bine dezvoltat, derivat din membrana plasmatică și pe care ar fi localizat sistemul enzimatic implicat în oxidarea metanului și metanolului:
-facultativ metilotrofe, capabile să utilizeze și alte surse de carbon și energie în afara metanului, metanolului și metilaminei. Sunt mai numeroase decât cele din prima grupă și aparțin unor genuri comune ca: Pseudomonas, Micrococcus, Bacillus, Corynebacterium, Streptomyces.
II.6.1.4 [NUME_REDACTAT] și etanolul pot fi utilizați de numeroase microorganisme. Metanolul este o materie primă ideală pentru producția de proteine, deoarece este perfect miscibil cu apa; metabolizarea lui necesită un consum mai redus de oxigen decât în cazul hidrocarburilor, nu lasă reziduuri în celulă și poate fi obținut în stare pură la un preț relativ scăzut. Aceasta explică de ce, după 1970, a crescut considerabil interesul pentru metanol ca materie primă în producerea de proteină microbiană.
Pe metanol se dezvoltă bacteriile metilotrofe obligate și facultative care se dezvolră și pe metan și, în plus, levurile metilotrofe. Spre deosebire de bacteriile metilotrofe, levurile metilotrofe sunt toate facultativ metilotrofe. Dintre sursele cu un singur atom de atom, levurile metilotrofe folosesc numai metanolul, nu și metanul, sau metilamina. În plus, în afara metanolului, ele mai pot folosi și alte surse de carbon și energie. Levurile metilotrofe aparțin la cinci genuri: Kloeckera, Candida (C. boidinii, C. methanolica), Hansenula (H. Capsulata), Torulopsis (T. glabrata), Pichia (P. pinus). [7]
II.7 Aerarea și agitarea
Celulele de drojdii sunt facultativ aerobe, iar respirația puternic aerobă este o condiție indispensabilă pentru generarea de masă celulară. Oxigenul administrat sub formă de aer nu servește numai pentru metabolismul de sintezăal masei celulare, ci el antrenează dioxidul de carbon, precum și alte produse volatile și provoacă agitarea mediului.
Cantitatea de aer și modul distribuirii sale constituie factori critici în eficiența producerii de masă celulară. În cazul în care sursa de carbon e reprezentată de hidrocarburi, consumul de oxigen este de trei ori mai mare, decât în cazul glucidelor, care conțin ele însele oxigen (jumătate din greutatea lor). În cazul metanolului consumul de oxigen este intermediar între glucide și hidrocarburi.
Modul de distribuire a aerului este de asemenea un factor important, dată fiind solubilitatea mică a oxigenului, care în mediul de cultură nu depășește 5-6 mg/l. În scopul realizării unei cât mai bune aerări, s-au construit diferite tipuri de bioreactoare, dintre care cele mai folosite sunt bioreactoarele Vogelbusch, în care dispersia aerului se realizează cu diferite tipuri de agitatoare, sau bioreactoarele Lefrancois, care realizează o amestecare intimă a mediului cu aerul, prin crearea unor curenți în interiorul bioreactorului, care determină o urcare a lichidului în partea centrală și o coborâre în zonele periferice.
Deoarece aerarea este însoțită de agitare, care antrenează formarea de spumă, folosirea substanțelor antispumante este obligatorie. Prin adăugare de uleiuri vegetale sau alte grăsimi se formează o peliculă la suprafața lichidului sau se folosesc antispumanți care micșorează tensiunea superficială cum ar fi: uleiuri siliconice, sulfonați, hidrocarburi parafinice, alcooli superiori, ciclohexan, tricloretilenă. onsumul specific de antispumanți variază între 0,2 și 1% față de masa de drojdie umedă. [ 8]
Capitotul al III-lea
Tehnologia biomasei proteice
III.1 Tehnologia de producere a biomasei proteice
Tehnologia obținerii biomasei din microorganisme cuprinde următoarele operații:
– alegerea mediilor de cultură;
– condiționarea și sterilizarea mediului;
– multiplicarea biomasei;
– separarea biomasei din mediul de cultură;
– prelucrarea biomasei în vederea utilizării în alimentația alimentară sau umană.
III.1.2 Condiționare și sterilizarea mediului de cultură
În scopul dezvoltării normale și cu maximă eficiență a culturii de microorganisme, este necesar să se asigure condiții optime de dezvoltare. Ca urmare, se procedează la corectarea substratului folosit, cu substanțe nutritive deficitare: substanțe azotoase, diferite săruri minerale, vitamine. Corecția se face în funcție de compoziția chimică a substratului utilizat.
În același timp se face și corecția pH-ului, prin adăugare de acizi, în scopul asigurării pH-ului optim de dezvoltare al microorganismelor utilizate. Valoarea pH-ului în mute cazuri poate inhiba dezvoltarea unor fermentații nedorite, având o influență selectivă asupra microorganismelor.
În cazul produselor cu concentrație ridicată în substanță utilă se face diluarea, produsele cu o cantitate mare de suspensii se limpezesc cu ajutorul separatoarelor centrifugale, iar cele care conțin substanțe nocive pentru dezvoltarea microorganismelor, cazul leșiilor bisulfitice, sunt supuse operației de eliminare a compușilor nocivi.
Sterilizarea mediului, care se poate realiza prin tratare termică sau prin metode chimice, are o influență deosebită asupra randamentului și costului producției. Sterilizarea termică dă cele mai bune rezultate, deoarece nu introduce sau formează substanțe care să afecteze negativ dezvoltarea microorganismelor. Procesul de sterilizare termică este influențat de temperatura și timpul de sterilizare, natura și numărul microorganismelor și de compoziția chimică a mediului.
Procesul de sterilizare are loc după o ecuație exponențială de forma:
unde:
t1- timpul de sterilizare la temperatura T1;
t2- timpul de sterilizare la temperatura T2;
z- timpul în minute necesar pentru parcurgerea unui ciclu logaritmic.
Influența numărului de microorganisme este dată de relația:
unde:
t- timpul necesar pentru sterilizare;
N1- numărul de microorganisme la începutul sterilizării;
N2- numărul de microorganisme care supraviețuiesc după timpul de sterilizare t.
În prezent există tendința de a se realiza sterilizarea mediului în flux continuu, la temperaturi ridicate, timp scurt. Explicația constă în faptul că ridicarea temperaturii în progresie aritmetică determină o reducere a duratei de sterilizare în progresie geometrică. Acest fapt are o in-fluență favorabilă asupra dimensiunilor aparaturii, pro-ductivității instalației și menținerii principiilor nutritive în mediul de cultură. Se consideră că temperatura minimă necesară pentru a avea o eficiență a procesului de ste-rilizare este de 1050C.(Banu, 1998)
Sterilizarea termică implică un consum mare de energie și în consecință cheltuieli importante. Ca urmare, în foarte puține cazuri se sterilizează toată cantitatea de mediu destinată multiplicării microorganismelor. În mod obișnuit, sterilizarea termică se aplică numai pentru mediul utilizat la obținerea maielei de însămânțare, mediul industrial fiind protejat împotriva infecțiilor, prin adăugarea unor cantități mici de substanțe antiseptice, la care sunt adaptate microorganismele respective, și prin crearea unor condiții optime de dezvoltare pentru microorganismul folosit.
Folosirea substanțelor chimice pentru protecția procesului împotriva infecțiilor, implică realizarea unor tulpini de microorganisme cu rezistență ridicată față de substanțele respective. [6], [9].
III.1.3 Multiplicarea biomasei
Pentru dezvoltarea biomasei de microorganisme se pot folosi sisteme discontinue și continue.
Tendința actuală este de a se renunța la sistemele discontinue, cu productivitate redusă și cu eficiență economică mică. Deoarece eficiența procesului de obținere a biomasei este dependentă de această fază, s-au desfășurat cercetări ample, în vederea realizării unor fermentatoare cu randament cât mai ridicat.
Problemele care se pun în acest caz sunt următoarele:
– realizarea unei aerări cât mai intensive și uniforme a mediului, pentru a asigura necesarul de oxigen;
– realizarea unui sistem eficient de prevenire a formării spumei;
– valorificarea optimă a capacității fermentatorului;
– asigurarea unui consum redus de energie raportat pe unitatea de produs finit obținut;
– automatizarea completă a procesului de fermentare.
În prezent există mai multe tipuri de fermentatoare care trebuie alese în funcție de materia primă folosită și de microorganismul utilizat. Principalele eforturi ale constructorilor de fermentatoare au fost orientate în direcția asigurării unei cât mai bune aerări a mediului, deoarece productivitatea este în funcție de cantitatea de oxigen dizolvată. Solubilitatea oxigenului este foarte mică in mediile de cultură, nedepășind 5-6 mg/l. Solubilitatea oxigenului este în funcție de natura mediului de cultură, de înălțimea stratului de lichid și în special, de sistemul de distribuire al aerului.
În scopul realizării unei cât mai bune aerări s-au construit diferite tipuri de fermentatoare cu dispozitive diferite de aerare. Cele mai folosite sunt fermentatoarele în care dispersia aerului se realizează cu diferite tipuri de agitatoare, ca în cazul instalațiilor Vogelbusch.
Fermentatoarele sunt dotate cu dispozitive de au-tomatizare care asigură controlul pH-ului, temperaturii, nivelului, reglarea aerării și densitatea de celule. Auto-matizarea, în afară de faptul că permite un control riguros al procesului, mărește eficiența lui, deoarece aerarea se face în funcție de concentrația și faza în care se găsesc microorganismele. [9]
III.1.4 Separarea biomasei de mediul de cultură
Pentru separarea biomasei și pentru spălarea concentratului de biomasă obținut, se folosesc separatoare centrifugale speciale cu o turație cuprinsă între 4500-5000rot/min. Separatoarele moderne sunt prevăzute cu dispozitive de reglare a concentrației biomasei evacuate.
Pentru fiecare tip de produs și substrat este necesar să se aleagă separatorul adecvat. Separatoarele nu realizează în prima etapă o îndepărtare completă a mediului de cultură, care este reținut în produs în proporție de 15-20 %. Ca urmare, pentru o eliminare completă și pentru realizarea unui produs cu calități alimentare este absolut necesar să se facă spălarea cu apă, în mai multe etape, urmată de separarea centrifugală.
Pentru separarea biomasei se pot realiza și filtre rotative sub vid care pot asigura un conținut de substanță uscată de 25 – 20 % în produsul finit. [ 11]
Fig.III.1 Schema filtrului rotativ cu vid
1-tambur;2- capul distribuitorului;3- cuțit răzuitor;4-buncăr;5- cuvă;6- conducta de apă pentru spălare;6- conducta de apă pentru spălare;7- celule filtrante;8- strat depus;I- zona filtrării;II si IV- zonele uscării;III-zona de spălare;V- zona de îndepărtare a stratului depus.
Fig.III.2 Separator centrifugal
1-conductă de alimentare ; 2-talere; 3-imputități; 4-partea superioară; 5-partea inferioară; 6-țeavă pentru eliminarea biomasei.
III.1.5 Prelucrarea biomasei
S-a constatat că proteinele de natură biologică, în special proteinele din drojdii sunt greu asimilate de către organismul animal și uman, datorită rezistenței opuse de către pereții celulari, astfel că numai în mică măsură conținutul celular este utilizat de către organismul care îl consumă. Ca urmare s-au încercat diverse procedee pentru ruperea pereților celulari: procedee mecanice, termice, plasmoliza, hidroliza enzimatică sau acidă etc. [11]
III.1.5.1 [NUME_REDACTAT] procedeele menționate, cele mai bune rezultate a dat plasmoliza celulelor prin tratament termic. S-a constatat că digestibilitatea biomasei proteice și accesibilitatea aminoacizilor este în funcție de organismul pentru care se utilizează biomasa. Când este destinată organismelor al căror tub digestiv nu este bine dezvoltat sau este atrofiat, datorită unor cauze diferite, biomasa va trebui să fie încălzită puternic pentru a reduce efortul digestiv. Ca urmare, este necesară o plasmoliză la temperatură ridicată (800C), urmată de uscarea pe valțuri.
Dacă este utilizată de organisme în bună stare fiziologică, tratamentul termic va fi moderat, pentru ca drojdiile să-și păstreze eficacitatea proteică maximă. În mod obișnuit se face plasmoliza la 640C, urmată de uscare prin pulverizare. [9]
III.1.5.2 Uscarea biomasei de drojdie
Pentru conservarea biomasei se folosește în mod frecvent metoda de uscare pe valțuri sau prin pulverizare. Ultima metodă este net superioară, prin faptul că asigură obținerea unor produse cu valoare biologică ridicată, dar implică instalații costisitoare și consumuri mari de energie.
Fig.III.3 Uscător prin pulverizare
Instalația este prevăzută cu conductă de alimentare 1 care aduce suspensia pe discul 2 de unde este pulverizat în camera de uscare 3 prin centrifugare, pulverizare mecanică cu ajutorul duzelor cu orificii mici ( 0,5 mm) sau prin pulverizare pneumatică cu ajutorul injectoarelor cu aer comprimat la 1,5 – 7 da N/ m 2 . Aerul încalzit în bateria 4, pătrunde in camera de uscare, preia umiditatea de la particulele de material, după care trece prin filtrul cu saci 7 fiind aspirat de ventilatorul 6. Particulele fine se separă căzând pe transportorul melc de evacuare.
Pentru a se asigura conservabilitatea produsului, umiditatea biomasei se reduce, prin uscare, la 7-8 %. Problema uscării biomasei este dificilă, deoarece apa este legată de substanțe puternic hidrofile, iar pereții celulari împiedică procesele de difuziune. Aplicarea unui proces de plasmoliză înainte de uscare, asigură obținerea unor randamente superioare la toate metodele de uscare.
Dintre metodele de deshidratare practicate,cea mai răspândită a fost cea în etuve, în care sub influența unui curent de aer de 30-45˚C,drojdia a fost supusă unui proces de deshidratare lentă de până la 24 de ore,uneori și peste acest timp. Ulterior s-au utilizat și uscătoare cu benzi iar pentru stimularea deshidratării, substanțe higroscopice, precum silicagel. [1]
Fig.III.4 Uscător cu benzi
La unele instalații s-a urmărit mărirea efectului de deshidratare prin aplicarea vidului, cunoscute fiind uscătoarele cu talere , care efectuau procesul printr-o vibrare concomitentă.
III.2 Tehnologia obținerii biomasei proteice din drojdii
În decursul evoluției sale, omul a avut de a face cu acțiunea detrimentală a diferitelor microorganisme patogene, drojdia fiind probabil primul microorganism utilizat în scop beneficial. Pâinea, vinul, berea, șampania, numeroase produse alimentare și îndeosebi băuturi, sunt rezultatul fermentației realizate de această categorie de agenți microbieni originali: drojdiile sau levurile.
Primele referiri care atestă utilizarea drojdiilor pentru producerea prin fermentație a berii (numită „buga”) în Egipt datează din anul 6000 î.e.n. În următoarele câteva milenii fabricarea berii și a vinului, pe de o parte, și coacerea pâinii din aluat dospit, pe de altă parte, s-au dezvoltat probabil în paralel. [NUME_REDACTAT] tehnologiile de fabricare a berii și a pâinii au fost preluate în Grecia și de acolo în [NUME_REDACTAT] și [NUME_REDACTAT].
Mențiuni documentare din secolul XII și XIV atestă larga răspândire a procesului de preparare a berii în mănăstirile din nordul Europei. Există de asemenea informații privind utilizarea băuturilor spirtoase în China (anul1000 î.e.n.) și obținerea de whisky în Irlanda (secolul XII).Se presupune că procesul de fabricare a spirtului a fost adus în Europa din țările [NUME_REDACTAT], însuși termenul de „alcool” fiind de origine arabă.
Drojdiile reprezintă un grup taxonomic complex și heterogen de microorganime monocelulare de tip eucariot, care se înmulțesc prin înmugurire (mitoză), ca formă generală de reproducere și, în mod particular, prin ascospori formați pe cale asexuată și sexuat (în urma proceselor de conjugare între celule).
Drojdiile au o compoziție chimică valoroasă și după cultivare în condiții de aerare și prelucrare sunt utilizate ca sursă de proteine în alimentația umană sau în alimentația animalelor.
În microbiologia industrială, din biomasă de drojdie se obțin: plasmolizate, autolizate, folosite ca aditivi alimentari sau pentru îmbogățirea în substanțe azotate a mediilor de cultură destinate fermentațiilor. Cu ajutorul drojdiilor se pot obține avantajos, în condiții industriale, vitamine hidrosolubile (B1, B2, PP, ergosterol), enzime, iar prin metode de inginerie genetică, din mutanți ai speciei Saccharomyces cerevisiae, s-a obținut interferonul- substanță cu efect antiviral și citostatic.
O proprietate importantă a unor drojdii cu importanță în industria alimentară este aceea de a fermenta în condiții de anaerobioză, glucide (hexoze, diglucide, triglucide) cu formare de alcool etilic, dioxid de carbon și produse secundare care dau aroma caracteristică produselor fermentate.
În condițiile de aerobioză, drojdiile asimilează glucidele transformându-le prin respirație în dioxid de carbon și apă, iar energia eliberată favorizează creșterea și înmulțirea celulelor.
În raport cu temperatura, majoritatea drojdiilor industriale sunt mezofile (temperatura optimă 28-32˚C); există și drojdii adaptate care sunt active la temperaturi de refrigerare (drojdii de vin) sau drojdii termofile active la 35-38˚C (din genul Candida). Drojdiile se dezvoltă bine într-un domeniu larg de pH, cu valori limită între 2.5 și 8.5 și un pH optim la 5.5. Celulele de drojdie, ca și alte celule, reacționează activ la presiunea osmotică dată de concentrația substanțelor dizolvate în mediul în care se află suspendate. Dacă mediul este hipotonic, cu o concentrație a substanțelor dizolvate mai mică decât concentrația intracelulară, apa va pătrunde în celula care își mărește volumul și, dacă se prelungește această stare de turgescență, celula suferă deteriorări fizice ireversibile. În mediul hipertonic, când concentrația mediului este superioară concentrației intracelulare, apa din celulă difuzează în exterior pentru a asigura izotonia, iar celula trece în starea de plasmoliză.
Dintre toate microorganismele, drojdiile au fost cele mai studiate în vederea obținerii de biomasă, respectiv proteină, deoarece lipsa lor de toxicitate pentru organismul uman și animal a fost deja verificată și confirmată în timp. Folosirea drojdiilor ca sursă de proteine presupune două aspecte:
-obținerea de drojdie furajeră pentru nutriția animalelor;
-obținerea de drojdie alimentară pentru nutriția omului
Condițiile tehnologice de fabricare sunt similare; diferă materia primă utilizată și tratamentul final al produsului, drojdia alimentară fiind un produs mai rafinat decât drojdia furajeră. În ceea ce privește materia primă, drojdia alimentară se obține pe melasă sau pe zer.
La baza procedeului producerii de biomasă de către drojdii stă fenomenul cunoscut sub numele de efect Pasteur, adică inhibarea fermentației prin respirație. Pentru aceasta drojdia se cultivă în condiții de aerare intensă, concentrația de zahăr din mediu fiind menținută la un nivel scăzut, pentru evitarea formării de alcool, în favoarea producerii de biomasă. Prima dată s-a aplicat acest principiu la producerea drojdiei comprimate cu Saccharomyces cerevisiae și același principiu stă și în prezent la baza procedeelor folosite în fabricile de drojdie furajeră și alimentară, care folosesc glucide ca sursă de carbon.
Tehnologia obținerii drojdiei pe produse petroliere s-a dezvoltat în două direcții: cultivarea drojdiilor pe petrolul brut, conform procedeului de la Lavera, care realizează în același timp deparafinarea petrolului și dezvoltarea drojdiilor pe n-parafine purificate, după procedeul laboratorului Grangemouth (Scoția).
Primul procedeu prezintă avantajul eliminării operațiilor de separare a n-parafinelor care implică o instalație complexă și costisitoare, realizând concomitent o purificare a petrolului. Dezavantajul metodei constă în faptul că în produsul finit pot trece cantități însemnate de hidrocarburi aromatice, care sunt toxice pentru animale. Ca urmare, se impune un procedeu complex de purificare a drojdiei prin extracție cu diferiți solvenți, fapt care reduce din avantajele menționate. Procedeul de cultivare pe n-parafine permite, în condițiile actuale de dezvoltare tehnică, reducerea conținutului de substanțe aromatice la 0.05%, ceea ce nu reprezintă nici un pericol pentru organism. Ca urmare, această metodă este preferată primei, datorită evitării riscurilor de toxicitate, majoritatea instalațiilor industriale având la bază acest procedeu. Industrial se folosesc n-parafinele cu C14-C22, dar se pot utiliza și parafinele solide, după dizolvarea lor într-un solvent adecvat. [12]
Principalele etape de obținere a concentratului de proteine-vitamine, reprezentat de drojdia furajeră și alimentară, sunt următoarele:
1)Pregătirea inoculului: se pleacă de la o cultură pură de drojdie (Candida utilis sau altă specie de Candida) obținută pe malț-agar, sau pe geloză glucozată cu adaos de extract de drojdie.
2)Producerea biomasei de drojdie care cuprinde trei faze: faza inițială, în care drojdia trece din starea latentă în starea de înmugurire; faza acumulării biomasei de drojdie, în care, creșterea biomasei, se realizează prin apariția continuă de generații noi de celule, care se înmulțesc prin înmugurire; faza finală în care are loc maturarea celulelor de drojdie.
3)Separarea biomasei de mediul de cultură care se face prin centrifugări și spălări repetate.
4)Purificarea care este absolut obligatorie, în cazul obținerii concentratului proteic de levuri pe n-parafine din petrol, în scopul eliminării hidrocarburilor reziduale, care dau gust neplăcut și sunt toxice, precum și al degresării, tot în vederea ameliorării gustului. Lipidele și hidrocarburile reziduale se elimină prin spălare cu solvenți ca: etanol, eter, izopropanoll, butanol, hexan, sau amestecuri ale acestora.
5)Prelucrarea biomasei care presupune două operații: plasmoliza și uscarea. Plasmoliza este necesară pentru ruperea pereților celulari, care opun rezistență la acțiunea acidului clorhidric din sucul gastric și a enzimelor digestive. În mod obișnuit se face plasmoliza la 640C, urmată de uscare prin pulverizare.
Drojdia furajeră și alimentară se prezintă ca un praf uscat, gălbui-brun, cu gust și miros caracteristic, cu umiditate de 7 – 8%. Conține, în general, 50% proteine, 25 – 35% glucide, 6% acizi nucleici, 6 – 8% substanțe minerale, 2 – 3% lipide, precum și vitamine din grupul B. Conținutul de acizi nucleici este destul de ridicat totuși și, de aceea, pentru reducerea lui, după ruperea pereților celulari, se aplică diferite procedee ca: tratare cu amestec de NaCl și acetat de sodiu sau cu amestec de metanol sau etanol și HCl; tratare cu aminiac apos; tratament termic combinat cu RNA-ază pancreatică.
Pentru biotehnologii, drojdiile sunt în primul rând organisme care îmbină în mod fericit proprietăți ale bacteriilor (viteza de creștere și multiplicare, simplitatea exigențelor nutritive) cu proprietățile organismelor superioare. Rezultă un avantaj considerabil: manipularea lor cu aceeași ușurință sau chiar mai mare decât a bacteriilor și furnizarea de informații aplicabile celulelor eucariote. Se preconizează în viitor realizarea unor stocuri de tulpini de drojdii cu caractere stabile, bine definite și a unor „bănci” de gene pentru clonare, necesare în scopul cultivării drojdiilor pentru producerea de enzime, hormoni, diferite produse farmaceutice, obținute prin extracții laborioase din materiale de origine vegetală și animală.
Creșterea spectrului de microorganisme disponibile pentru scopuri industriale și de cercetare în laborator se impune ca o necesitate, ori drojdiile sunt de regulă mai ușor de manipulat și deci de preferat bacteriilor și mucegaiurilor.
În general drojdiile se dezvoltă în condiții de mediu cu valori de pH mai scăzute decât cele optime pentru bacterii și în prezența a numeroase antibiotice. În consecință se practică în mod obișnuit menținerea pe scară largă și fără dificultăți deosebite a culturilor de drojdii lipsite de microorganisme contaminate. Drojdiile sunt mai ușor și mai ieftin de recoltat decât bacteriile, iar procesele tehnologice de producție nu ridică în aceeași măsură cu bacteriile probleme de sănătate publică.
Posibilitatea identificării rapide și corecte a drojdiilor este importantă pentru industrie și medicină în vederea stabilirii cauzelor exacte ale contaminării nedorite și, respectiv, ale anumitor boli. De asemenea verificarea unei anumite tulpini în procese industriale sau în laborator. Identificarea tulpinilor este o etapă necesară în studiul drojdiilor găsite în medii care prezintă interes pentru om (apă, sol, plante, insecte). Deși majoritatea speciilor sunt inofensive, rămân unele care pe diferite căi afectează negativ organismele superioare, inclusiv omul. [10]
III.3 Utilizarea biomasei proteice obținută din microorganisme
Biomasa proteică se utilizează în principal la furajarea animalelor și în alimentația omului, înlocuind cu succes proteinele vegetale și animale, putând fi folosite ca atare, sub formă uscată (granule, pudră) sau tratată în prealabil prin plasmoliză pentru mărirea digestibilității. De asemenea poate fi adăugată la diferite produse alimentare pentru a mări valoarea biologică a acestora. De exemplu, un adaos de 3% la făina albă de grâu îi conferă un conținut mărit de tiamină, similar cu cel al făinii integrale, redându-i toate substanțele minerale pierdute în tărâțe, la care se adaugă ameliorarea proteică.
Astfel, biomasa proteică și derivatele acesteia (hidrolizatele sau autolizatele proteice) sunt folosite ca materie primă la fabricarea supelor concentrate, prăjiturilor, produselor de panificație, produselor energizante etc. Datorită conținutului de vitamine, macro- și microelemente, este folosită în scop curativ (ca materie primă în industria farmaceutică), în vederea ameliorării și chiar vindecării unor afecțiuni digestive, hepatice, inflamatorii etc. S-a constatat că o dietă cu până la 35 g/zi de biomasă proteică din drojdie, a condus la îmbunătățirea semnificativă a stării bolnavilor ce sufereau de arterioscleroză, diabet, obezitate.
Echipamentul enzimatic complex al fungilor filamentoși le permite acestora de a consuma substraturi celulozice, motiv pentru care sunt folosiți la îmbogățirea compoziției nutrețului în proteine.
Avantajele utilizării biomasei proteice ca hrană pentru animale pot fi constatate din următoarele date prezentate: un adaos de 8 – 10% de biomasă proteică aduce un spor în greutatea animalului 15 – 20% și reduce consumul de nutrețuri cu cel puțin 10%. Biomasa poate înlocui 20 – 30% din cantitatea de lapte folosită la hrănirea vițeilor, asigurând în același timp un spor zilnic în greutate de 650 – 750 g. Concret, s-a constatat că de 1 kg de biomasă proteică poate înlocui 4-6 l de lapte. La animalele de lapte, introducerea biomasei proteice în nutrețuri mărește cantitatea de lapte produs și procentul de grăsimi din acesta. Cantitatea de lapte a crescut cu 3 – 3.5 l în 24 de ore, iar cantitatea de grăsimi cu 0.4 – 0.6 %. O influență favorabilă o are adăugarea de biomasă proteică în hrana păsărilor ouătoare. Un adaos de 5% biomasă din drojdie din cantitatea totală de nutrețuri din rația păsărilor mărește cu 20 – 40% producția de ouă.
Biomasa proteică contribuie de asemenea la îmbunătățirea gustului cărnii, mărește vitalitatea animalelor și scade mortalitatea, în special a puilor, vițeilor și purceilor.Cu rezultate bune se utilizează biomasa proteică în crescătoriile de pește și în apicultură pentru suplimentarea hranei albinelor. [13]
Capitolul al IV-lea
IV.1 Drojdiile de panificație
Drojdiile de panificație se caracterizează prin faptul că aparțin genului Sacharomyces și reprezintă exclusiv drojdii de cultură. Drojdiile, ca organisme monocelulare, sunt atât de complexe și se comportă atât de diferit, încat este imposibilă caracterizarea și clasificarea precisă a fiecărei culturi.
Drojdiile de panificație fac parte din specia Saccharomyces cerevisiae. Din această specie fac parte drojdiile de bere de fermentație superioară,în timp ce drojdiile de fermentație inferioară se consideră că aparțin speciei Saccharomyces cerlsbergensis și mai recent, specie Saccharomyces uvarum care cuprinde si drojdiile de vin.
Indiferent de modul de clasificare, se admite că drojdiile de fermentație superioară fermentează în mod uzuat la temperaturi de 15…25˚C și se inmulțesc prin sporulare puternică sub formă de ciorchini ce se ridică la suprafața lichidului. În condiții aerobe se adaptează ușor pentru inmulțire puternică la temperaturi de până la 35˚C. Drojdiile de fermentație inferioară sporulează greu sau deloc , fermentează la temperaturi de 5…10˚C și se depun la fund la sfârșitul acestul proces.Se adaptează greu condițiilor aerobe de dezvoltare cu randamente mult mai scăzute de multiplicare. [18]
IV.2. Rolul drojdiilor în panificație
Prin panificație se înțelege transformarea făinii de grâu sau de secară în pâine cu ajutorul drojdiilor.
La fabricarea pâinii se deosebesc următoarele operații:
-pregătirea aluatului, care constă în amestecarea făinii cu cantitatea necesară de apă, sare și drojdie și frământarea aluatului;
-dospirea aluatului;
-coarecea aluatului.
Rolul drojdiei la fabricarea pâinii derivă din faptul că prin fermentarea zahărului ,pe lângă alcool, se formează și bioxid de carbon. Bioxidul de carbon nu se poate degaja din aluat atunci când făina este de bună calitate, facând astfel să crească aluatul.
Drojdia fiind uniform dispersată în apa cu care se amestecă făina, face ca bioxidul de carbon rezultat din fermentație să se raspândească în toată masa aluatului în care rămâne prins sub formă de bule.
Ca urmare a acumulării de bioxid de carbon rezultat din fermentație, aluatul își mărește volumul, ceea ce se numește dospire. Un aluat este bine dospit atunci când, apăsând ușor pe suprafața lui, își revine, adică posedă destulă eelasticitate ca să nu se deformeze prin apăsare.
Prin proporționalitatea aluatului pentru formarea pâinilor, acesta pierde o parte din bioxidul de carbon. Pierderea bioxidului de carbon este însă compensată prin formare de noi cantități,în prima parte a timpului de coacere. Rezultă deci că acțiunea drojdiei continuă și în cuptor până la temperatura de circa 50˚C. Peste acestă temperatura ,ea este omorâtă.
Avându-se în vedere că în fabricile moderne de pâine de mare capacitate, aluatul trebuie să dospească într-o perioadă de timp stabilită,este foarte importand ca, pe lânga o făină de bună calitate, să se folosească o drojdie cu o putere mare de dospire. Puterea sau capacitatea de dospire este principala însușire după cum se apreciază calitatea drojdiei de panificație.
Modernizarea și dezvoltarea industriei de panificație, înființarea de noi brutării și patiserii au determinat creșterea consumului de pâine și a specialităților de brutărie.În această situație, industria drojdiei de panificație continuă să se dezvolte pentru a satisface cererile. [19]
IV.3. Tehnologia de producere a drojdiei de panificație
Drojdiile sunt utilizate încă din antichitatea îndepărtată,însă studiul lor pe baze științifice a fost realizat relativ recent și este datorat în cea mai mare parte celebrelor cercetăti efectuate de Pasteur asupra fermentației alcoolice. Din acel moment au fost realizate nenumărate lucrări referitoare la drojdii ,deoarece acestea prezintă un deosebit interes pentru industrie.
Obținerea biomaselor proteice prin intermediul microorganismelor cuprinde,în principal, etapele următoare:
-pregătirea inoculului;
-prepararea și sterilizarea mediului de cultură specific microorganismului utilizat;
-fermentația propriu-zisă;
-separarea și purificarea biomasei obținute;
-prelucrarea biomasei în vederea utilizării în alimentația umană sau în furajare.
Inoculul utilizat pentru inițierea procesului de multiplicare microbiană se prepară într-un vas pentru inocul (vas de însămânțare),de unde se trece în fermentatoare prevăzute cu sisteme de agitare și de încălzire-răcire. Natura, compoziția mediului nutritiv și condițiile de lucru sunt în funcție de microorganismul utilizat.
Biosinteza biomasei proteice la scară industrială este strâns legată de procesul de multiplicare a biomasei, respectiv de faza de fermentare.La acest nivel s-a impus rezolvarea unor importante probleme tehnologice, așa cum sunt asigurarea transferului de masă, alegerea unor condiții optime de multiplicare,care să ducă la viteze și randamente mari în biomasă, eliminarea căldurii rezultate din fermentație ,limitarea contaminării, optimizarea compoziției mediului nutritiv.
Drojdia de panificație reprezintă o biomasă de celule din genul Saccharomyces cerevisiae,drojdie de panificație superioară capabilă să producă fermentarea zaharurilor din aluat cu formare de alcool etilic și CO2 , agentul de afânare al aluatului și alte produse secundare , cu rol în formarea pâinii.Dioxidul de carbon nu este util doar pentru creșterea structurii aluatului, ci și pentru formarea acidului carbonic, care scade pH-ul aluatului. Acidului carbonic,rezultat prin dizolcarea CO2 în apa din aluat, contribuie mai târziu la gustul pâinii.
Criteriile de apreciere pentru tulpinile de drojdie de panificație (Saccharomyces cerevisiae ) utilizate drept cultură pură la nivel industrial sunt următoarele:
-randamentul în biomasă;
-viteza de multiplicare;
-stabilitatea produsului finit la depozitare;
-osmotoleranța;
-comportarea la uscare;
-viteza de producere de bioxid de carbon la fermentarea aluatului;
Drojdia de panificație aparține speciei Saccharomyces cerevisiae ,conform clasificării lui Hansen, din anul 1904, și reprezintă exclusiv o drojdie de cultură.
Ca organisme monocelulare, drojdiile sunt atât de complexe și se comportă atât de diferit, sub aspectul metabolismului, a condițiilor de dezvoltare, încât este aproape imposibilă clasificarea și caracterizarea precisă a fiecărei culturi.
Alegerea acestei specii este determinată de capacitatea de a fermenta rapid glucoza, fructoza și zaharoza și după o fază de adaptare, maltoza, principalul diglucid format în aluat sub acțiunea amilazelor din făinuri. O altă calitate este aceea de a avea timpul de generație cel mai scurt, comparativ cu alte specii ale genului ,egal cu 2-2,2 ore, la temperatura de 30˚C,încat randamentul în biomasă este ridicat. Astfel,în condiții optime de cultivare, prin parcurgerea stadiilor de multiplicare, din 0,2 kg de drojdie (substanță uscată) utilizată ca inocul starter ,în final se pot obține aproximativ 100.000 kg de drojdie, proces în care sunt implicate 24 generații de drojdii.
Dintre factorii ce favorizează sau inhibă dezvoltarea drojdiilor pot fi menționați:
-glucidele;
-sursele de azot;
-substanțele minerale;
-alcoolul;
-bioxidul de carbon;
-pH-ul;
-temperatura;
-oxigenul.
Fermentarea reprezintă faza din procesul tehnologic cu ponderea cea mai mare din timpul destinat fabricării pâinii și are loc în aluat în timpul divizării, modelării, dospirii bucății de aluat modelate și chiar în prima parte a procesului de coacere. În urma operației de fermentare, circa 95% din zaharuurile fermentescibile sunt transformate în alcool etilic și CO2 , iar restul de 5% în alcooli superiori, compuși carbonilici, acizi organici,esteri. Celulele de drojdie sunt responsabile și de proteoliza glutenului, în mod direct, datorită conținutului lor în peptid-glutation.
Principala însușire după care se apreciază calitatea drojdiei de panificație o constituie puterea sau capacitatea de dospire, care trebuie să fie de maxim 90 minute.
Scopul principal al tehnologiei de fabricație a drojdiei de panificație îl reprezintă obținerea unei cantități maxime de biomasă de drojdie de calitate superioară , cu un consum minim de materii prime, materiale auxiliare și de utilități. Se urmărește realizarea unei multiplicări optime a celulelor prin înmugurire , folosind culturi periodic înnoite , cu menținerea condițiilor prescrise de dezvoltare și luarea în considerare a stării fiziologice, a cantității de “drojdie cuib” și a tuturor factorilor limitativi ai procesului de fermentare.
În afară de utilizarea în panificație, drojdiile sunt folosite pentru producerea pe scară industrială de proteine , aminoacizi, vitamine, hormoni, introduse în prezent în hrana animalelor.
Drojdia de panificație este considerată una dintre cele mai economice și utile materii prime pentru producerea extractelor proteice și este o valoroasă materie primă pentru fabricarea de proteine alimentare.
Din producția mondială de drojdie comprimată de panificație, aproximativ 88% este folosită în industria de panificație, iar restul pentru obținerea de izolate proteice, vitamine (din grupul B). Consumul mediu de drojdie de panificație este de 1,4-2,5 kg/locuitor/an.
Pentru a putea fi livrată întreprinderilor de panificație și în comerț, drojdia de panificație trebuie să îndeplinească anumite condiții de calitate, ce se referă la proprietățile organoleptice, la proprietățile fizico-chimice și biologice.
Operațiile tehnologice la producerea drojdiei de panificație pot fi grupate astfel:
-pregătirea melasei de alimentare și pregătirea soluțiilor nutritive;
-multiplicarea celulelor de drojdie în generații succesive;
-separarea biomasei de drojdie în plămadă , modelarea și obținerea drojdiei de panificație presate. [10]
Toate tehnologiile existente de producere a drojdiei de panificație, aplicate la ora actuală, prevăd acumularea continuă de biomasă.Schema tehnologică generală de obținere a drojdiei de panificație este următoarea:
Fig.IV.1. Schema tehnologică de obținere a drojdiei de panificație
Fig.IV.2 Schița procesului tehnologic de preparere a drojdiei
IV.4 Procedee tehnologice aplicate pentru producerea drojdiei de panificație
IV.4.1 Procedeul clasic în plămezi diluate
Faza a III-a de multiplicare a drojdiei se realizează în linuri speciale, prevăzute cu sistem de aerare și de răcire, având o capacitate de circa 10 ori mai mare decât a veselor folosite în faza a II-a (7-25 m3).În lin se introduce în prealabil întreaga cantitate de apă de diluare a melasei, iar în prima oră de multiplicare se alimentează 10% din cantitatea de melasă,completată cu soluția de săruri nutritive. Se adaugă cultura de drojdie de 2,8˚Bllg.
Aerarea se realizează cu 40 m3aer/m3 plămadă și oră, la temperatura de 28˚C. În a doua oră, se micșorează debitul de melasă la jumătate și se dublează aerarea. Comcentrația plămezii scade la 2,3˚Bllg.În condiții asemănătoare,regimul continuă timp de 10 ore,mărindu-se doza orară de alimentare cu melasă,iar în ora a 10-a se reduce din nou aerarea la jumătate.
Procedeul de multiplicare a drojdiei în faza a IV-a are loc în linuri de 5-6 ori mai mari,iar melasa se diuluează cu apă în proporție de 1/20. Linurile se completează treptat cu melasă și soluție de săruri nutritive,pe parcursul unui regim de 13 ore de multiplicare ,conform unor diagrame prescris stabilite. În final, laptele de drojdie are o concentrație de 3-3,8˚Bllg și un pH de 4,5-4,8. Aerarea se realizează în prima și ultima oră cu 50 m3 aer/m3 plămadă, iar în rest cu doze duble.
Multiplicarea drojdiei în faza a V-a este în mod uzual ultima fază de obținere a drojdiei de vânzare. Conform tehnologiei clasice,raportul de diluare este de 1/25. Inițial, se introduce în lin 40%din cantitatea de apă, față de volumul acestuia,la care se adaugă 8% din cantitatea de melasă și 14% din cea de săruri nutritive. Rezultă o plămadă cu o concentrație de 1,1˚Bllg,la un pH de 5,3-5,4. În final,după un regim de multiplicare de 12 ore, rezultă un lapte de drojdie cu o concentrație de 2,2-2,3˚Bllg, o aciditate de 0,3-0,4 grade,un pH de 5,4-5,6 și o temperatură de 29-30˚C. [1] , [10]
IV.4.2 Procedeul de multiplicare în plămezi concentrate
Prin folosirea sistemelor dinamice de aerare, care asigură o dispersare foarte fină a aerului în mediul de cultură,s-a ajuns la înmulțirea drojdiilor în plămezi mult mai concentrate decât în cadrul prodeceului clasic.
Procedeul prezintă două variante de multiplicare a drojdiilor și anume:
-multiplicarea în mediul alcoolic;
-multiplicarea fără fermentație alcoolică.
V.4.3 Procedeul de multiplicare în mediul alcoolicse caracterizează prin faptul că în primele 4 faze de multiplicare drojdia drojdia se multiplică în mediul alcoolic în linuri obișnuite, iar în faza a V-a se folosesc linuri speciale, cusistem dinamic de aerare. Plămada alcoolică rezultată din faza a treia este centrifugată, plămada fără drojdie fiind trimisă la distilare,iar laptele de drojdie obținut servește pentru însămânțare în faza a patra. În faza a V-a,drojdia se multiplică într-o plămadă concentrată,sub aerare intensă,de circa 60m3aer/m3/h,fără formare de alcool,obținându-se o concentrație ridicată în drojdie de 220-250 g/l. La sfârșitul multiplicării,drojdia este separată centrifugal și prelucrată în mod obișnuit până la obținerea produsului finit.
IV.4.4 Procedee continue
Procedeele continue funcționează pe principiul fermentării succesive,într-o baterie de mai multe linuri,cu adaos treptat de mediu nutritiv.Cele mai cunoscute sunt procedeul Rost(Germania) și procedeul Olsen/Sher (Anglia).
[NUME_REDACTAT] o baterie de 6 linuri,legate între ele prin conducte aproape de fund.Se umple primul lin și se începe fermentarea. După 2 ore se efectuează legătura cu al doilea lin prin conducta inferioară și se umple până la echilibrarea nivelului, apoi se realizează legătura cu al treilea lin și se repetă operația până la umplerea întregii baterii de șase linuri. Întregul proces durează 14h.
Prin procedeul Olsen/Sher(1963) se utilizează 6 linuri a câte 40500 l, cu pompe de vehiculare a plămezii parțial fermentate de la un linla altul. Acest procedeu realizează o producție de 2t/h într-o instalație complet automatizată. [10]
IV.5. Melasa-principala materie primă pentru obținerea drojdiei de panificație
Principala materie pentru obținerea drojdiei de panificație este melasa.Melasa este produsul secundar al fabricării zaharului, care rezultă de la centrifugarea ultimei trepte de cristalizare și din care, prin cristalizare simplă nu se mai poate obține economic zahăr.
Melasa din trestie sau sfeclă reprezintă substratul pentru producția de drojdie.Sucroza conținută în melasă este hidrolizata extracelular și transportată în celulele de drojdie sub formă de glucoză și fructoză.Compoziția melasei variază în funcție de tehnologia de rafinare a zaharului și de condițiile agricole și climatice. Aceste variații ale calității constituie o problemă în producția de drojdie de panificație de calitate constantă.
Melasa conține în stare concentrată nezaharul care a fost îndepartat la purificarea zemei de difuzie , precum și cel adăugat în timpul procesului tehnologic,împreună cu acea cantitate de zaharoză care mai rămâne în soluție.
Melasa este caracterizată de un raport de puritate “Q” reprezentat prin cantitatea de zaharoză conținută în substanța uscată și care o valoare de circa 60,ceea ce înseamnă că la o substanță uscată de 80-83%, conținutul în zaharoză este de 45-48%.
Pentru fabricarea drojdiei de panificație, calitatea melasei are o importanță deosebită.Compoziția melasei poate varia de la un an la altul,fiind în funcție de:
-soiul de sfeclă de zahăr;
-soiul de cultură a sfecleei de zahăr;
-îngrăsămintele adăugate;
-tehnologia de fabricare a zahărului.
În compoziția melasei, în afară de zaharul fermentescibil, trebuie să intre o anumită cantitate de substanțe minerale, aminoacizi și substanțe de creștere. De asemenea, melasele nu trebuie să conțină inhibitori care pot frâna procesul de fermentare al drojdiei.
Nezaharul din melasă se poate clasifica în funcție de efectul pe care îl are în următoarele grupe:
-nezahar care nu influențează solubilitatea zaharozei (de exemplu fructoza);
-nezahar care scade solubilitatea zaharozei ( de exemplu zahărul invert, rafinoza, sulfatul de magneziu).
-nezahar care crește solubilitatea zaharozei;
-nezahar care la concentrații mici crește solubilitatea zaharozei, iar la concentratii mari o scade.
“Nezaharul” care crește solubilitatea zaharozei este pozitiv, iar cel care o scade este negativ. Pot fi menționați diferiși inhibitori ai proceselor de biosinteză prezenți în melasa, cum ar fi:
-substanțe coloidale, se află în melasă în proporție de 0,2-0,45% , provin din materia primă prelucrată și nu se îndepărtează în totalitate în procesul de purificare al zemii de difuzie;
-nitriții se găsesc rareori într-o cantitate toxică (0,05%) în melasa proaspăt fabricată,însă poate avea loc formarea nitriților în timpul depozitării sau prelucrării melasei prin oxidarea nitriților;
-bioxidul de sulf este o componentă toxică a melasei care provine de la sulfitarea zemei de difuzie purificată. Cantitatea de bioxid de sulf care se află în melasă este de 0,01-0,2%;
-acidul formic este de asemenea un produs cu acțiune toxică asupra drojdiei și apare în melasă ca un produs de oxidare a formolului. [10], [1]
Tabelul IV.1 Compozitia chimica a melasei din sfecla si trestie de zahar (Begea, Tehnologii de producere a drojdiilor)
Melasa din trestie de zahăr este bogată in biotină, în schimb biomasa de drojdie obținută are o culoare mai închisă, încât sunt necesare operații suplimentare de spălare. Pentru a asigura un mediu optim de creștere, se pot folosi melase cupajate în care se adaugă fosfați, surse de azot, factori de creștere; totuși, la noi în țara se prefera utilizarea melasei din sfeclă de zahăr la fabricarea drojdiei de panificație, melasa din trestie de zahăr fiind folosita la fabricarea alcoolului.
Vitaminele din melasă sunt reprezentate, în principal, din biotină, acid pantotenic și inozitol. Plămezile din melasă sunt deficitare de biotină, deci este necesară operația de suplimentare. De asemenea, melasa trebuie suplimentată cu o sursă de fosfor asimilabil ( fosfat de amoniu sau alți fosfați alcalini).
Substanțe colorate / colorante provin din modificarea zaharurilor în procesul de obținere a melasei și sunt reprezentate de melanoide, substanțe de caramelizare și substanțe de degradare alcalină a zaharurilor. Melanoidele și caramelul se pot adsorbi la suprafața celulelor de drojdie, ceea ce împiedică metabolismul acesteia și în final contribuie și la o culoare închisă a produsului finit.
Tabelul IV.2 Continutul in substante colorate si colorante (după Ourra,1983)
IV.5.1 Materii auxiliare
Substanțele nutritive:
Ca sursă de azot pentru drojdii se folosesc:
-îngrășământ complex;
-sulfat de amoniu (N=20-21%, conc.30%)
-apă amoniacală (conc.25%);
-extract de superfosfat (conc.16˚Brix).
Acizii grași: sunt folosiți pentru combaterea spumei și trebuie sa aibă un conținut de substanță activă de 95-98,5%.
Acidul sulfuric: trebuie să aibă o concentrație de 98,5%, iar conținutul în arsen trebuie să fie maxim 0,001%
Antiseptici: pentru dezinfectare se folosește varul stins, clorura de var și formaldehida.
Substanțele nutritive sunt adăugate în cantitați calculate la cantitatea de drojdie care se presupune că ar rezulta în urma procesului de multiplicare, adică la randamentul preconizat a se obține.
Un principiu privitor la condițiile de lucru este adăugarea substanțelor nutritive în regim continuu, sistem mult mai eficient decât adăugarea în porțiuni (sistem discontinuu de alimentare-multiplicare).
Necesarul de azot este acoperit de compușii cu amoniu anorganici cum ar fi diamoniu fosfatul,hidroxidul de amoniu, sulfatul de amoniu. În practică, randamentul obținerii drojdiei de panificație este în medie de 40-48 g s.u. drojdie din 100 g zaharoză, de cele mai multe ori între 4305-47,5 drojdie s.u./100g zaharoză din melasă. În raport cu aceste valori, se calculează necesarul de substanțe nutritive și factori de creștere care vor fi adăugate pe parcursul procesului de multiplicare.
Substanțele nutritive, microelementele și factorii de creștere se introduc în mediul de cultură sub formă de soluții.Adăugarea lor trebuie astfel făcută încât să nu reprezinte un factor limitativ pentru dezvoltarea drojdiei, iar modul de alimentare recomandat este cel în sistem continuu.
Una din substanțele necesare pentru creșterea drojdiei este fosforul,iar adaosul de această substanță se calculează astfel încât să se obțină o drojdie cu un conținut de P2O5de 3-3,5%.
Fosforul se adaugă sub formă de diamoniu fosfat, situație în care, la bilanțul azotului trebuie să se țină cont și de azotul introdus în mediu prin intermediul acestei substanțe sau sub formă de acid fosforic lichid. [10]
IV.6 Procesul tehnologic detaliat
Utilizarea unei instalații și a unui procedeu de producere a biomasei în mod continuu ar fi tentantă, dar pentru producția de drojdie de panificație acest lucru nu se face , pentru că acest proces în mod normal conduce la un produs de calitate inferioară. Un alt motiv este acela că un astfel de proces s-ar putea să nu conducă la utilizarea completă a substratului.
Procesul tehnologic de obținere a biomasei din drojdie cuprinde următoarele faze principale:
-transportul melasei;
-recepția, descărcarea, depozitarea melasei;
-recepția ,descărcarea, depozitarea materialelor auxiliare;
-prepararea melasei;
-sterilizarea-limpezirea melasei;
-prepararea soluțiilor de săruri minerale;
-prepararea culturii pure de drojdie;
-inocularea și multiplicarea drojdiei-obținerea propriu-zisă a biomasei din drojdie;
-separarea-concentrarea suspensiei de drojdie;
-filtrarea-presarea-malaxarea drojdiei.
IV.6.1 Trasportul melasei
Trasportul melasei de la fabrica de zahăr la fabrica de producere a drojdiei se face cu ajutorul cisternelor care probabil au fost întrebuințate și pentru transportul altor produse(păcură, produse petroliere, diferite substanțe chimice). Înainte de folosire aceste cisterne trebuie să fie spălate și aburite,pentru a putea fi îndepărtate resturile de produs care ar putea impurifica melasa sau ar putea să fie toxice pentru drojdii.
IV.6.2 Recepția ,descărcarea și depozitarea melasei
Melasa, agreată în prealabil, este transportată cu cisternele și depozitată în rezervoarele de stocare ale secției, după recepția cantitativă și preluarea probelor pentru recepția calitativă.
Recepția cantitativă se face prin cântărirea melasei sosită de la furnizor, pentru verificarea greutății înscrise în actul de trasport.Înainte de descărcare,autocisterna se cântărește pe cântarul basculă a secției de producție. După descărcarea melasei,autocisterna se cântărește din nou pentru verificarea greutății proprii
Prin recepția calitativă se urmărește alimentarea secției cu melasă de cea mai bună calitate.Analizele minime obligatorii la recepția melasei sunt următoarele:
-examenul senzorial (organoleptic);
-conținut de substanță uscată;
-pH;
-conținut de zaharoză.
Probele de melasă recoltate la intervale diferite de timp(în timpul golirii cisternei) se pun într-un vas în care se omogenizează perfect,obținându-se astfel proba reprezentativă pentru analiză.
Depozitarea melasei se face în rezervoare metalice sau din polstif. Pentru stabilirea stocului se măsoară mai întâi înălțimea stratului de melasă și a celui de spumă. Apoi se recoltează probe de melasă de la diferite înălțimi, din care se face o probă medie pentru analiza de laborator.
În timpul depozitării în masa de melasă pot apărea fenomene de degradare, datorită unor procese chimice și biochimice.
Melasele defecte nu trebuie să fie depozitate,deoarece sunt supuse unor degradări intense care duc la pierderi mari de substanță utilă,respectiv zahăr. Sunt considerate defecte melasele care au următoarele caracteristici:
O concentrație sub 74% substanță uscată;
Conținut de acizi volatili de peste 1,2%;
Conținut de zahăr invertit peste 1%;
pH mai mic de 7;
concentrație mare de microorganisme de infecție. [10]
IV.6.3 Prepararea melasei
Prepararea melasei în vederea utilizării constă din următoarele operații:
-cântărirea melasei preluate prin pompare din rezervorull de depozitare, asigură integritatea gestiunii și o corectă urmărire a consumului specific;
-diluarea la 40% substanță uscată și preîncălzirea la 80˚C se efectuează în scopul creșterii fluidității melasei, ceea ce permite curgerea liberă a acesteia prin conducte, concomitent cu favorizarea sedimentării impurităților mecanice aflate în suspensie;
-prin acidularea melasei cu acid sulfuric până la pH 4,5 se favorizează coagularea coloizilor sub formă de fulgi care sedimentează ușor. Acidularea melasei se face la temperatura mediului ambiant,înainte de preîncălzire;
Operațiile tehnologice care constituie prepararea melasei sunt următoarele:
Diluarea melasei- Melasa ca atare este foarte vâscoasă și are un conținut ridicat de zahăr. În aceste condiții, drojdiile nu pot transforma zahărul în biomasă. Pentru a realiza concentrația optimă de zahăr și mobilitatea corespunzătoare a plămezilor,melasa se diluează. Diluarea se face cu apă potabilă,până la concentrația recomandată de tehnologie.
Neutralizarea și acidularea melasei diluate
În marea lor majoritate,melasele au reacție alcalină. Prin neutralizarea și acidularea melaselor cu acid sulfuric se realizează următoarele:
-acidul sulfuric în exces contribuie la limpezirea melasei determinând depunerea suspensiilor fine;
-se asigură pH-ul optim activității drojdiilor;
-acidul sulfuric are rol de antiseptic,doza convenabilă drojdiilor fiind nocivă penntru alte microorganisme;
-acidul sulfuric descompune nitriții și sulfiții, care sunt inhibitori pentru drojdii.
Consumul de acid sulfuric pentru acidularea melasei variază în funcție de gradul de alcalinitate al melasei și este între 2-7 litri acid sulfuric concentrat pentru o tonă de melasă. [10]
IV.6.4 Sterilizarea-limpezirea melasei
Scopul operației este distrugerea termică a microorganismelor infectante și îndepărtarea coloizilor precipitați precum și a impurităților mecanice. Prin precipitare, se îndepărtează o serie de substanțe colorante.
Limpezirea melasei se poate face prin mai multe metode. La alegerea metodei trebuie să se țină seama de economicitatea procedeului ales,având totodată în vedere și utilajul ce se folosește pentru aceasta.
La limpezire se urmărește în special îndepărtarea substanțelor solide și a substanțelor în suspensie ,coloizi, substanțe colorante, acizi volatile, oxizi de azot ,sulfiți. În al doilea rând se folosește sterilizarea melasei care poate fi totală sau partial prin diminuarea microflorei existente în melasă( bacterii, mucegaiuri, drojdii sălbatice).
Pentru limpezirea melasei există diferite procedee :
-limpezirea acidă la cald;
-limpezirea acidă la rece;
-limpezirea combinată-neutră și apoi acidă la cald;
-limpezirea cu ajutorul filtrului presă;
-limpezirea prin fermentație lactică;
-limpezirea cu ajutorul separatoarelor centrifugale;
Instalația “Alvotherm”(Fig.V.3) a firmei [NUME_REDACTAT] urmărește asigurarea sterilizării melasei la 120˚C prin încălzire indirectă cu abur,menținerea la această temperatură timp de 4-5 s și recuperarea în mare parte a energiei electrice consumate.
Fluxul tehnologic este următorul: dintr-un rezervor de alimentare 1 melasa brută A este diluată și preîncălzită la circa 55˚C cu ajutorul pompei de amestec 2.Apa caldă B este adusă din rezervorul 3,temperatura fiind menținută constant prin intermediul unui injector de abur. Melasa diluată C la circa 50˚Bllg este introdusă în separatorul centrifugal 6cu ajutorul pompei 5,iar după limpezire, melasa curățată este debitată sub presiune în recipientul 7. Nămolul se elimină prin D.
Melasa curățată și parțial dezaeratăeste adusă de pompa 8 în schimbătorul cu plăci 9,în care temperatura este mărită în 2 trepte,până la 85˚C. În prima treaptă are loc o încălzire cu recuperare de căldură,iar în a doua cu abur de joasă presiune. O pompă 10cu debit variabil trimite melasa preîncălzită I în capul de sterilizare 11,în care are loc ridicarea rapidă a temperaturii până la 140˚C, prin injecție cu abur proaspăt H.
Vaporii degajați F condensează în două trepte în schimbătorul cu plăci, la început cu recuperare de căldură și apoi prin răcire cu apă G.
Melasa este aspiratădin recipientul de expansiune cu o pompă centrifugă 13,prevăzută cu o etanșare dublă a axului spălat cu abur,pentru prevenirea apariției de infecții. Melasa sterilă K trece apoi printr-un alt schimbător de căldură cu plăci,în care este răcită cu apă la 20˚C.
Randamentul termic al schimbătoarelor de căldură este de circa 99%, iar coeficientul total de transmisie a căldurii prin plăci, de aproape 2000 kcal/m2*h*˚C. [1]
Fig.V.3 Fluxul tehnologic de curățire și sterilizare a melasei ,după “Alvotherm”
IV.6.5 Pregătirea soluțiilor de săruri minerale nutritive
Scopul acestei operații este a a pregăti sub formă de soluție asimilabilă de către drojdie a sărurilor de azot și fosfor.Pentru obținerea randamentelor normale de biomasă, la faza de multiplicare a drojdiilor se adaugă săruri minerale nutritive care compensează lipsa de azot și fosfor din melasă. Necesarul de superfosfat de calciu este de 0,8% raportat la greutatea melasei ,iar cel de sulfat de amoniu de circa 0,4%
Sărurile minerale care se pot utiliza la obținerea biomasei de drojdie sunt urmatoarele:
sulfat de amoniu:20-21% azot;
uree:46% azot;
apă amoniacală:25% azot;
diamoniu fosfat:16% azot+ 48% P2O5;
superfosfat de calciu.
Dozarea cantității de săruri se face în așa manieră încât să se obțină o soluție cu concentrația de 8% sulfat de amoniu și 8% diamoniu fosfat. Solubilizarea sărurilor se face la temperatura de 80˚C,timp de 30 minute sub agitare continuă. Apoi,după 4 ore-timp de decantare și limpezire,soluțiile se transvazează în vasele tampon de unde sunt dozate în procesul tehnologic.
Pregătirea extractului de superfosfat se face prin dizolvarea a 5 kg superfosfat în 50 litri apă,cu încălzire la 75-80˚C timp de 10 minute,după care se lasă în repaus timp de 24 de ore. După sedimentare se preia extractul prin decantare și se trimite în vasele de alimentare(dozare în procesul tehnologic).
Soluția de sulfat de amoniu se pregătește prin dizolvarea a 2 kg de sulfat de amoniu în 20 litri apă, care apoi se încălzește la 75-80˚C. După 4 ore de sedimentare-decantare, lichidul limpede poate fi trimis în vasele de alimentare (dozare în procesul tehnologic). [11]
IV.6.6 Multiplicarea drojdiei în laborator
Multiplicarea culturii de drojdie în laborator are loc în patru faze, folosindu-se camediu de cultură must de malț . Procesul de multiplicare se realizează mai întâi în eprubetă, în paharul conic Erlenmayer, în balonul Pasteur și în final în recipientul metalic de tip Carlsberg, procesul decurgând fără aerare artificială în condiții anaerobe.
Din cultura stoc se însămânțează, cu o ansă, 1-5 mg biomasă pură pe un mediu natural (mustde malț agar) sau sintetic (geloză și extract de drojdie) intr-o eprubetă care se termostatează24 ore la 30°C, timp în care se dezvoltă o biomasă de 300-400 mg , cu care se însămânțeazăsuccesiv două vase cu 50 ml și respectiv 250 ml mediu de cultură steril. Incubarea fiecărei culturi se face la 27 – 30°C, 24 ore. Culturadin balonul de 50 mlse trece în condiții aseptice în balonul de 250 ml , iar după alte 24 de orede incubare, cultura din balonul de 250 ml se trece integral într-un vas Carlsberg de 5-6 l,conținând must de malț sau mediu sintetic. Această cultură se termostatează la 26-29°C la 24ore și se servește la obținerea culturii starter de producție.
IV.6.6.1 Multiplicarea drojdiei în fabrică
Drojdia de cultură pură preparată în laborator se multiplică în mai multe faze,până la obținerea cantității industriale de drojdie de panificație.drojdia care se obține într-o fază constituie drojdie de însămânțare pentru faza următoare.Multiplicarea drojdiei în fabrică are loc în cinci faze, primele două în vase demultiplicare în stația de culturi pure, iar următoarele trei faze în linuri de multiplicare.
IV.6.6.2 Obținerea culturii pure de drojdie
Stația de culturi pure a fabricii asigură multiplicarea în două faze, în vase metalice, cucreșterea succesivă a volumului de 5-10 ori. Ca mediu nutritiv se folosește o soluție apoasă demelasă cu adaos de substanțe nutritive denumită plămadă. Pentru realizarea unei culture riguroase , se urmărește multiplicarea celulelor de drojdie, concomitent cu o fermentațiealcoolică într-un mediu cu o aciditate ridicată.
Pentru treapta I de multiplicare a drojdiilor se prepară plămezi de 14˚Bllg,care se acidulează cu H2SO4, până la un pH de 4,5-4,8 și se adaugă soluții de săruri minerale nutritive. Apoi se însămânțează o cultură de laborator. Multiplicarea durează 20-24 ore în condiții practice anaerobe, predominând fermentația alcoolică.
În faza a II-a de multiplicare procesul se repetă,dar în recipiente cu capacitate de circa 5 ori mai mari.Conținutul vasului este trecut integral prin conducta de legătură, sterilizată cu abur în prealabil, în vasul din faza a II-a a culturii pure de fabrică cu o capacitate de 1000-2500 l.Plămada pregătită conform rețetei de fabricație se sterilizează cu abur direct timp de oră. Se răcește plămada la 28-32˚C și se însămânțează cu drojdie din faza I de multiplicare.Cultura pură de fabrică obținută este folosită integral pentru însămânțarea în cea de- a III-afază de multiplicare a drojdiei. [10]
Fig.IV.4 Instalație pentru obținerea culturii pure de drojdie
Vasele sunt prevăzute cu țevi exterioare perforate 3 , prin care se poate introduce apă rece sau caldă pentru temperarea plămezii și cu țevi perforate în interior prin care se poate introduce abur pentru sterilizarea mediului cât și aer comprimat în timpul multiplicării drojdiei.
Vasele mai sunt prevăzute cu racorduri pentru introducerea mediului nutritiv 5,racordul de însamânțare cu cultură pură de laborator 6,guri de vizitare 7,supape de suprapresiune 8 și de vacuum 9,manometre 10, termometre 11, robinete de prelevare probe 12 și conducte de avacuare a dioxidului de carbon 13 ,care pătrund în vasele de apă 14. Apa de racire ce se prelinge pe pereții exterior este colectată și evacuată din cel de-al doilea vas ,iar cultura pură rezultată din acest vas trece prin conducta 17 în secția de producție.
IV.6.6.3 Multiplicarea drojdiei în condiții industriale
În secția de fabricație , de obicei, multiplicarea are loc în 3 stadii denumite impropriuși generații (III, IV și V), dintre care generațiile III și IV produc drojdia de însămânțare pentru ultimul stadiu al procesului de multiplicare- generația a- V-a aceasta fiind generațiade obținere a drojdiei de vânzare.
În faza a III-a de multiplicare, capacitatea linurilor este de circa 10 ori mai maredecât vasele folosite în faza a -II-a (7-25 m3), capacitatea utilă reprezintă numai 75% din ceatotală, restul de 25% fiind afectat pentru sistemul de aerare cât și pentru spuma formată.Se introduce apă în lin până la 50% din capacitatea utilă a acestuia, se adaugă 1/3 dinmelasa pregătită și o parte din substanțele nutritive.
În practica industrial ,concentrația drojdiei în fermentator este de 3,5-4,5% (s.u.).Aceasta înseamnă că 10-13% din volumul plămezii este alcătuit din drojdie.
Într-o multiplicare industrial,alimentarea exponențială a plămezii cu materie primă nu poate fi continuată. Pe o durată totală de multiplicare de 18 ore, se pot realiza următoarele faze:
-faza I-perioada de acomodare-4 ore;
-faza a II-a-perioada de înmulțire exponențială-6 ore;
-faa a III-a –perioada de sfârșit a procesului. [17] , [18]
IV.6.7 Separarea laptelui de drojdie din plămezile finale
Această operație se realizează pentru a concentra într-un volum redus o cantitate cât mai mare de celule de drojdie, precum și pentru a scoate celulele de drojdie din plămada în care se aflau substanțe dăunătoare însușirilor calitative ale biomasei.
Treptele de separare au avut următoarele scopuri:
în treapta I se realizează separarea drojdiei din plămada finală;
în treapta a II-a se realizează prima spălare a drojdiei;
în treapta a III-a se realizează a doua spălare a drojdiei.
În treapta I se separare, drojdia se separă din plămadă sub formă de lapte de drojdie cu un conținut de 150-200 g drojdie/litru. Laptele de drojdie este colectat apoi într-un rezervor tampon, unde se amestecă cu apa pentru diluare și spălare, în proporție de 2-4 volume/ volum lapte de drojdie.
În treapta a II-a de spălare, concentrarea laptelui de drojdie ajunge până la 350-400 g/litru, laptele de drojdie rezultat fiind colectat într-un rezervor special. Pentru asigurarea calității, laptele de drojdie este răcit la 4-6˚C cu un schimbător de căldură, folosind apă răcită.
Fig.IV.5 Instalația pentru separarea drojdiilor
În figura IV.5 este redată o instalație de separare in trei trepte, care folosește separatoare de capacitate identică. Aceasta se compune din trei separatoare pentru treapta întâi și câte două separatoare în treapta a II-a și a III-a. [1]
IV.6.8 Depozitarea laptelui de drojdie
Depozitarea laptelui de drojdie se realizează în rezervoare colectoare cu manta de răcire și agitatoare care trebuie să asigure menținerea temperaturii laptelui de drojdie la 4-6˚C, temperatura la care procesele vitale ale celulelor de drojdie sunt încetinite. La aceste temperaturi este frânată și activitatea microorganismelor de infecție, în special a bacteriilor care se găsesc în laptele de drojdie ,în număr diferit, în funcție de eficiența mijloacelor de combatere a infecțiilor.
IV.6.9 Filtrarea drojdiei
Laptele de drojdie nu poate fi uscat ca atare,ci este supus operațiilor de filtrare, presare și operațiilor prin care drojdia se concentrează în substanța uscată.
Laptele de drojdie nu poate fi utilizat ca atare din următoarele considerente:
este expus la infectare cu microorganisme străine, care îi reduc conservabilitatea;
apar problem la transport, depozitare, utilizare și conservare.
Din vasele izoterme de colectare a laptelui de drojdie, acesta se pompează la filtrare. Drojdia se menține pe filtru pe pânză, iar lichidul se elimină sub formă de steril. Datorită vidului creat, drojdia se prinde ca o peliculă pe suprafața de filtrare, stratul de drojdie format fiind desprins de un răzuitor. În continuare, drojdia estepreluată de un transportor cu bandă care trimite drojdia la operația de malaxare. În final, drojdia va avea un conținut de substanță uscată de 30-35% [10]
IV.6.10 Malaxarea drojdiei
Pentru modelare, drojdia trebuie să prezinte o considerentă adecvată care se obține prin omogenizare în malaxoare. Pentru a fi malaxată, umiditatea drojdiei se corectează la valoarea de 30-32%, prin adaos de apă( daca este necesar). Durata malaxării este de 20-25 de minute.
Malaxorul este un recipient metalic, în interior prevăzut cu brațe metalice,care frământă încărcătura de drojdie . [10]
Capitolul al V-lea
Bilanțul de material și bilanțul termic
V.1 Bilanțul de materiale
V.1.1 Bilanțul de materiale la pregătirea melasei
Cantitatea de melasă utilizată pentru obținerea drojdiei de panificație este de 15000 kg/ șarjă. Se folosește melasă de concentrație 80˚Bllg, cu un conținut de 50% zahăr și pH=8.
V.1.1.1 Diluarea melasei
Diluarea initial a melasei se realizează până la 60˚Bllg în scopul creșterii fluidizării melasei.
Calculul cantității de apă folosită la diluție
Cantitatea de apă necesară diluării melasei se determină prin relațiile:
Md= Q=Md-Mm ,în care:
Md-cantitatea de melasă diluată, [NUME_REDACTAT]-cantitatea de melasă ce trebuie diluată,Kg
a-concentrația inițială a melasei, ˚Bllg
b-concentrația finală a melasei, ˚Bllg
Q-cantitatea de apă necesară pentru diluare, Kg.
a=80 ˚Bllg , b=60 ˚[NUME_REDACTAT]==20000 Kg/șarjă melasă de 60 ˚Bllg
Q=20000-15000=5000Kg/șarjă apă
V.1.1.2 Acidularea melasei
Corectarea pH-ului melasei de la pH=8 la pH=4,4-5,5 se face prin agăugare de H2SO4 diluat cu apă în raport 1:1
Cantitatea de H2SO4 folosită la acidulare se calculează cu relația:
Mac.=2,5 * Mm , în care: Mac.-cantitatea de acid sulfuric, g
Mm-cantitatea de melasă, [NUME_REDACTAT].=2,5 * 15000=37500g=37,5 Kg H2SO4 conc. *2 =75 Kg/șarjă H2SO4 dil.
V.1.1.3 Sterilizarea și limpezirea melasei
În funcție de diluția melasei s-a ales un separator centrifugal care îndepărtează 0,7-1 Kg suspensii/t melasă
Msus.=15*0,7=10,5 Kg/șarjă suspensii îndepărtate.
Cantitatea de melasă care intră la multiplicare este de :
Md+Mac.-Msus.=20000+75-10,5=20064,5 Kg/șarjă melasă limpezită
V.1.2 Bilanțul de materiale la pregătirea sărurilor nutritive
Elemente de calcul:
-Cantitatea de melasă tip 50% zahăr necesară pentru o șarjă de drojdie…….15000 Kg
-Conținutul de azot asimilabil al melasei………………………………………………..0,4%
-Randamentul mediu de fabricație ………………………………………………………..90%
-Cantitatea de drojdie maia folosită la însămânțarea mediului………………….20%*15000=3000Kg
-Conținutul în azot al drojdiei maia exprimat la drojdia presată…………………2,1%
-Conținutul în fosfor al drojdiei maia……………………………………………………..1,1%
-Pierderi de azot în timpul fabricației……………………………………………………..7%
-Pierderi de fosfor în timpul fabricației………………………………………………….30%
-Conținutul de azot al drojdiei finite……………………………………………………..1,8%
-Conținutul de fosfor al drojdiei finite…………………………………………………..0,8%
-Conținutul de azot al sulfatului de amoniu……………………………………………21%
V.1.2.1 Calculul cantității de sulfat de amoniu utilizat ca sursă de azot solubil
Cantitatea de drojdie comprimată care rezultă din 15000 Kg melasă este :
90%*15000=13500 Kg/șarjă
La aceasta se mai adaugă 3000Kg drojdie cuib folosită la însămânțare astfel ca în final cantitatea de drojdie comprimată este :
13500+3000= 16500 Kg/șarjă
Cantitatea de azot din 16500 kg drojdie trebuie să fie:
1,8%*16500=297 Kg/șarjă
Pierderi de azot: 0,7*297=20 Kg/șarjă
Cantitatea totală de azot necesară este de :
297+20=371 Kg/șarjă
Această cantitate de azot se diminuează cu cantitatea de azot asimilabilă care se află în melasă:
0,4%*15000=60Kg/șarjă
Și cu cantitatea de azot care se află în drojdia maia:
2,1%*3000=63 Kg/șarjă
Cantitatea efectivă de azot care trebuie să fie adăugată cu sulfatul de amoniu este deci de:
317-(60+63)=194 Kg/șarjă
Cantitatea necesară de sulfat de amoniu cu conținut de 21% azot este de :
21%*194=923,2 Kg/șarjă
V.1.2.2 Calculul cantității de superfosfat de calciu utilizat ca sursă de fosfor
În cantitatea totală de 16500 Kg drojdie finită trebuie să se găsească:
0,8%*16500=132 kg/șarjă P2O5
Pierderi de fosfor:
30%*132=39,6 Kg/șarjă
Necesarul total de fosfor este de : 132+39,6=171,6 Kg/șarjă
Din această cantitate se scade fosforul care este adus de cele 3000 Kg de drojdie maia:
1,1%*3000=33Kg/șarjă P2O5
Cantitatea efectivă de fosfor care trebuie să se introducă în mediul de multiplicare a drojdiei este de:
171,6-33=138,6 Kg/șarjă fosfor
La această cantitate de fosfor corespunde următoarea cantitate de superfosfat de calciu cu 16% P2O5:
138,6*100/16=866,25 Kg/șarjă superfosfat de calciu
V.1.3 Bilanțul de materiale la multiplicare
Notații:
Vt-volumul total al vasului de multiplicare
Vu-volumul util al vasului de multiplicare
Zi-conținutul inițial de zahăr din melasă
Tf-timpul de fermentare
ts-temperatura de sterilizare
ta-temperatura apei de răcire
Md-cantitatea de drojdie obținută
Mm-cantitatea de melasă adăugată
Ma-cantitatea de apă adăugată
Di-cantitatea de drojdie de însămânțare
Ms-cantitatea de săruri adăugată
Ma.g-cantitatea de acizi grași adăugată pentru combaterea spumei
Mac.-cantitatea de acid sulfuric adăugată
Mp-cantitatea totală de plămadă
I.Bilanțul de materiale la multiplicarea în faza I
1.Calculul cantității de melasă și apă utilizate la formarea plămezii
Melasa diluată inițial până la 60˚Bllg,se diluează apoi cu apă până la 14 ˚Bllg.
Volumul total al vasului de multiplicare este cuprins între 150-400 l
Am ales: Vt=400 l
Din literatura de specialitate se știe că:
Vu=40% * Vt=0,04*400=160 l
60 părți…………14 părți melasă…………46 părți apă
160 l…………….Vm………………………….[NUME_REDACTAT]= =37 l/șarjă melasă
ρm=1300 Kg/m3
Mm= ρm * Vm=1,3 * 37=48 kg/șarjă melasă
Va= =123 l/șarjă apă
ρa=998,2 kg/m3
Ma=0,9982*123=122,77 =123 kg/șarjă apă
2 . Calculul cantității de săruri nutritive adăugate în plămada de melasă
Din literatura de specialitate se știe că pentru:
1 l plămadă………..2 g sulfat de amoniu………….4 g superfosfat de calciu
160 l plămadă…….Msulfat………………………………[NUME_REDACTAT]=160*2=320 g/șarjă sulfat de amoniu =0,32 Kg/șarjă
Msuperfosfat=160*4=640 g/șarjă superfosfat de calciu=0,64 kg/șarjă
3. Calculul cantității de acizi grași adăugați pentru combaterea spumei
Din literatura de specialitate se știe că :
1 hl=100 l plămadă……………………………..100 ml acizi grași
160 l plămadă……………………………………..Va.g
Va.g.=160 ml=0,16 l/șarjă acizi grași
Densitate ac.oleic=904,2 kg/m3
Ma.g.=0,9042*0,16=0,14 kg /șarjă acizi grași
4. Calculul cantității de acid sulfuric folosit pentru acidulare
Plămada se acidulează cu acid sulfuric diluat pțnă la 1,1-1,2 grade de aciditate sau pH=4,5-4,8
Mac.=2,5* Mm=2,5*48=120 g=0,12 kg/șarjă H2SO4 conc.
Diluarea se face în raport 1:1.
Mac.dil.=0.12+0.12=0.24 kg/șarjă H2SO4 diluat
ρac=1,84 kg/l
Vac.=0,24/1,84=0,13 l/șarjă H2SO4 diluat
5. Cantitatea de plămadă obținută
Mp=Mm+Ma+Ms+Ma.g.+Mac.dil
Mp=48+123+10,86+0,14+0,24=178,62 kg/șarjă plămadă cu conc. de 14 ˚[NUME_REDACTAT] sterilizare volumul plămezii este cu circa 15% mai mare decât volumul dinainte de sterilizare datorită condensării parțiale a aburului.
Mpl.=Mp+15%Mp=178,62+0,15*178,62=205,41 kg/șarjă plămadă cu conc de 12 ˚[NUME_REDACTAT] finală de plămadă de drojdie după însămânțarea cu cultură de laborator este de:
Mp I=Mpl+Di+[NUME_REDACTAT]=1 % Mp I
Malcool=4% Mp I
Mp I =Mpl.+0.01 Mp I+0.04 Mp I
Mp I= = =216.22 kg/șarjă plămadă de drojdie
Di=1% Mp I=0,01*216,22=2,16 kg/șarjă cultură de laborator
Malcool=4% Mp I=0,04*216,22=8,64 kg/șarjă alcool
La sfărșitul perioadei de fermentare, plămada are următoarele caracteristici:
-concentrație=4-4,4 ˚Bllg
-aclool=4%
-aciditate=1,8-2,2 grade de aciditate
6. Randamentul de drojdie presată cu 27 % s.u. este de 10% în greutate față de greutatea melasei care se folosește la formarea plămezii.
Md=10% Mm =0,1*48=4,8 kg/șarjă drojdie presată cu 27% s.u.
II. Bilanțul de materiale la multiplicarea în faza II
1.Calculul cantității de melasă și aapă utilizată la formarea plămezii
Melasa diluată inițial pâna la 60 ˚Bllg ,se diluează apoi cu apă până la 12 ˚[NUME_REDACTAT] total al vasului de multiplicare este cuprins între 1000-2500 l
Am ales: Vt=2400 l
Din literatura de specialitate se știe că:
Vu=40%*Vt=0,04*2400=960 l
60 părți…………12 părți melasă…………48 părți apă
960 l…………….Vm…………………………[NUME_REDACTAT]= =192 l/șarjă melasă
ρm=1300 kg/m3
Mm=ρm *Vm=1,3*192=250 kg/șarjă melasă
Va= =768 l/șarjă apă
ρapa=998,2 kg/m3
Ma=0,9982*768=767 kg/șarjă apă
2. Calculul cantității de săruri nutritive adăugate în plămadă
Din literatura de specialitate se știe că pentru :
1 l plămadă………..8 g sulfat de amoniu………….12 g superfosfat de calciu
960 l plămadă…….Msulfat……………………………[NUME_REDACTAT]=960*8=7680 g/șarjă sulfat de amoniu=7,68 kg/șarjă==
Msuperfosfat=960*12=11520 g/șarjă superfosfat de calciu= 11,52 kg/șarjă
Din literatura de specialitate se știe că pentru :
1 kg sare……………10 l apă
7,68 kg sulfat…………X=7,68*10=76,8 l apă
11,52 kg superfosfat….Y=11,52*10=115,2 l apă
Vsol.sulfat=7,68+76,8=84,48 l/șarjă soluție sulfat
ρsol.sulfat=1,028 kg/l
Msol.sulfat=1,028*84,48=86,85 kg/șarjă
Vsol. superfosfat=11,52+115,2=126,72 kg/șarjă
ρsol.superfosfat1,029 kg/l
Msol.superfosfat=1,029*126,72=130,39kg/șarjă
Ms=Msol.sulfat+Msol.superfosfat=86,85+130,39=271,24 kg/șarjă săruri nutritive
3. Calculul cantității de acizi grași adăugați pentru combaterea spumei
Din literatura de specialitate se știe că:
1 hl=100 l plămadă……………………..100 ml acizi grași
960 l plămadă……………………………..Va.g
Va.g.=960 ml=0,96 l/șarjă acizi grași
Densitate ac. Oleic=904,2 kg/m3
Ma.g.=0,9042*0,96=0,87 kg/șarjă acizi grași
4. Cantitatea de plămadă obținută
Mp=Mm+Ma+Ms+Ma.g.+M ac.dil
Mp=250+767+217,24+0,87+1,25=1236,36 kg/șarjă plămadă cu conc de 12 ˚[NUME_REDACTAT].=Mp+12% Mp=1236,36+0,12*1236,36=1384,72 kg/șarjă plămadă cu conc 10 ˚[NUME_REDACTAT] finală de plămadă de drojdie după răcire la 30˚C și însămânțare cu Mp I este de:
Mp II= Mpl.++Mp I+ [NUME_REDACTAT]=3% Mp II
Mp II= Mpl.+ Mp I +0.03 Mp II
Mp II= = =1650.45 kg/șarjă plămadă de drojdie
ρp II = 1,053 kg/l
Vp II= 1650,45/1,053=1567.42 l/șarjă
La sfârșitul perioadei de fermentare plămadaa are următoarele caracteristici:
-concentrație= 3,6-3,8 ˚Bllg
-alcool=2,5-3 %
-aciditate=1,8-2,4 grade de aciditate
5. Randamentul de drojdie presată cu 27 % s.u. este de 20% în greutate față de greutatea melasei care se folosește la formarea plămezii.
Md=20 % Mm=0,2*250=50 kg/șarjă drojdie presată cu 27% s.u.
III. Bilanțul de materiale la multiplicare în faza III
1. Calculul cantității de apă utilizată la formarea plămezii
Volumul total al vasului de multiplicare este cuprins între 7000-25000 l
Am ales Vt=10000 l
Din literatura de specialitate se știe că:
Vu= 75% * Vt= 0.75*10000=7500 l
Va=50 % Vu=0.5*7500=3750 l/șarjă apă
2. Calculul cantității de săruri nutritive adăugate în plămada de melasă
Din literatura de specialitate se știe că în raport cu greutatea melasei, în plămadă se adaugă:
-7.5% superfosfat de calciu
-5% sulfat de amoniu
Vsol.superfosfat=7.5%Mm +10*7.5% Mm=0.825 *Mm=0.825 *ρm *V m l/șarjă sol.sulfat
Vsol.sulfat=5% Mm+10*5% Mm=0,55*Mm=0,55 *ρm* V m l /șarjă soluție superfosfat
3. Calculul cantității de acizi grași adăugați pentru combaterea spumei
Din literatura de specialitate se știe că:
1 hl=100 l plămadă……………………………..100 ml acizi grași
7500 l plămadă……………………………………Va.g.
Va.g.=7500 ml= 7,5 l/șarjă acizi grași
4. Cantitatea de plămadă obținută
Se știe că volumul final al plămezii în care s-a inmulțit drojdia este 75 % Vt.
Vp III =75% Vt=0,75*10000= 7500l/șarjă plămadă finală
Această plămadă trebuie să conțină alcool în proporție de 1,85-3%
Valcool=1,85% Vp III=0,0185*7500=138,75 l/șarjă alcool
Cunoscând aceste date se poate afla, din ecuația de bilanț de materiale , cantitatea de melasă necesară:
Vp III=Vsol.superfosfat+Vsol.sulfat+Vm+Va+Va.g.+VpII+Valcool
7500=0.825*1.3*Vm+0.55*1.3*Vm+Vm+3750+75+1567.42+138.75
La sfârșitul perioadei de fermentare plămada are următoarele caracteristici:
-concentrație= 3,5-4 ˚Bllg
-alcool=1,85-3%
-aciditate=1,8-2,2 grade de aciditate
5. Randamentul de drojdie presată cu 27% s.u.este de 30 % în greutate față de greutatea melasei care se folosește la formarea plămezii.
Md=30% Mm=0,3*950=285 kg/șarjă drojdie presată cu 27% s.u.
IV. Bilanțul de materiale la multiplicarea în faza IV
Calculul cantității de melasă și apă utilizate la formarea plămezii
Principalul element pentru calculul cantității de melasă este diluția plămezii care trebuie să fie de la 1-18 , adică pentru prelucrarea unei tone de melasă sunt necesari 18 m3 de volum util de lin.
Volumul total al vasului de multiplicare este cuprins între 40-100 m3
Am ales: Vt=100 m3
Din literatura de specialitate se știe că:
În final plămada ocupă 72% din Vt al linului.
Vp IV= Vu =72% * Vt =0,72 *100=72 m3= 72000 l/șarjă plămadă finală
Cantitatea de melasă care poate fi prelucrată este de:
Mm= =4000 kg/șarjă melasă
Cantitatea de apă introdusă în vasul de multiplicare este:
Va=30 % Vu= 0.3*72000 =21600 l/șarjă apă
Calculul cantității de săruri nutritive adăugate în plămada de melasă
Din literatura de specialitate se știe că pentru:
Msuperfosfat= 10% Mm= 0.1*4000 =400 kg/șarjă superfosfat de calciu
Msulfat= 8% Mm= 0,08*4000 =320 kg/șarjă sulfat de amoniu
Din literatura de specialitate se știe că pentru:
1 kg sare……………………..10 l apă
320 kg sulfat………………………X=320*10=3200 l apă
400 kg superfosfat………………Y=400*10=4000 l apă
Vsol.sulfat= 3200+320=3520 l/șarjă soluție sulfat
Vsol.superfosfat=4000+400=4400 l/șarjă soluție superfosfat
Vs=Vsol.sulfat+Vsol.superfosfat=3520+4400=7920 l/șarjă săruri nutritive
Calculul cantității de acizi grași adăugați pentru combaterea spumei
Din literatura de specialitate se știe că:
1 hl=100 l plămadă…………………………..100 ml acizi grași
72000 l plămadă……………………………….Va.g.
Va.g.=72000 ml=72 l/șarjă acizi grași
La sfârșitul perioadei de fermentare plămada are următoarele caracteristici:
-concentrație=2,2 ˚Bllg
-aciditate=0,7 grade de aciditate
pH=4,5-4,7
-temperatură=28-30˚C
4.Randamentul de drojdie de cuib cu 27% s.u. este de circa 75% în greutate față de greutatea melasei care se folosește la formarea plămezii.
Md= 75% Mm=0,75 *4000=3000 kg/șarjă drojdie de cuib cu 27% s.u.
După terminarea procesului de multiplicare a drojdiilor, plămada este trecută la separare cu ajutorul separatoarelor centrifugale în 2 trepte.
Din literatura de specialitate se știe că laptele de drojdie rezultat conține circa 400 g drojdie cu 27 % s.u. la litru.
Cantitatea de lapte de drojdie rezultată este de:
1 l lapte………………………………0,4 kg drojdie
Vlapte…………………………………3000 kg drojdie
Vlapte= =7500 l/șarjă lapte de drojdie conc. 10 ˚Bllg
V. Bilanțul de materiale la multiplicarea în faza V
Cu cele 300 kg drojdie de ciub s-au însămânțat cu câte 600 kg , 5 plămezi.
Calculul cantității de melasă și apă utilizate la formarea plămezii
Principalul element pentru calculul cantității de melasă este diluția plămezii care trebuie să fie de la 1 la 25, adică pentru prelucrarea unei tone de melasă sunt necesari 25 m3 de volum util de lin.
Am ales: Vt=100 m3
Din literature de specialitate se știe că:
În final plămada ocupă 75% din Vt al linului.
Vp V=Vu=75% *Vt=0,75*100=75 m3=75000 l/șarjă plămadă finală
Cantitatea de melasă care poate fi prelucrată este de :
Mm= =3000 kg/șarjă melasă
Cantitatea de apă introdusă în vasul de multiplicare este:
Va=50% Vu=0.5*75000=37500 l/șarjă apă
Calculul de săruri nutritive adăugate în plămada de melasă
Din literatura de specialitate se știe că pentru:
Msuperfosfat =5% Mm=0,05*3000 =150 kg/șarjă superfosfat de calciu
Msulfat =6% Mm=0,06*3000=180 kg/șarjă sulfat
1 kg sare………………………………….10 l apă
180 kg sulfat……………………………………….X=180*10=1800 l apă
150 kg superfosfat……………………………….Y=150*10=1500 l apă
Vsol.sulfat= 180+1800=1980 l /șarjă soluție sulfat
Vsol.superfosfat= 1500+150=1650 l/ șarjă soluție superfosfat
Vs= Vsol.sulfat +Vsol.superfosfat=1980+1650=3630 l/ șarjă săruri nutritive.
Calculul cantității de acizi grași adăugați pentru combaterea spumei
Din literature de specialitate se știe că:
1 hl=100 l plămadă………………………………..100 ml acizi grași
75000 l plămadă…………………………………….Va.g.
Va.g.=75000 ml =75 l/șarjă acizi grași
Plămada se însămânțează cu o cantitate de drojdie cuib cu 27% s.u. , de 20% față de melasă.
Di=20%Mm = 0,2*3000=600 kg/șarjă drojdie de însămânțare
Purificarea drojdiei de cuib cu acid sulfuric
Ma= 2,5* Di= 2,5*600=1500 g/șarjă H2SO4 conc.
Diluția acidului este de 1:1
Ma.dil. =1.5+1.5=3 kg/șarjă
După însămânțare cu drojdia de cuib și după omogerizare ,plămada are următoarele caracteristici:
-concentrație=1-1,1 ˚Bllg
-aciditate=0,3 grade de aciditate
-pH=5,2-5,4
-temperatura=26-28˚C
V.1.4 Bilanțul de materiale la separarea drojdiei de vânzare
Din literatura de specialitate se stie că:
1 l plămadă…………………………..38-44 g drojdie cu 27% s.u.
75000 l plămadă……………………[NUME_REDACTAT]=75000*44=3300000 g=3300 kg/șarjă drojdie cu 27% s.u.
ρd=1120 kg/m3 =1,120 kg/l
Vd= =2946,43 l/șarjă drojdie cu 27 % s.u.
Volumul plămezii fără drojdie este de: Vsol.=Vp V –Vd =75000-2946.43=72053.57 l/șarjă
Eficacitatea eliminării prin centrifugare a componentului uscat este de :Pc=85%
Vsol.sep.=Vsol.* Pc= 72053.57* 0.85= 61245.54 l/șarjă
Volumul de lapte de drojdie rzultat în urma separării este de :
Vlapte= Vp V- Vsol.sep. = 75000-61245.54 =13754.461=13.75 m3/șarjă
V.1.4.1 Bilanțul de materiale la spălarea laptelui
Spălarea se face cu apă potabilă în cantitate de 2-8 ori mai mare decât laptele de drojdie:
Vapă=2 Vlapte= 2*13754,46= 27508,92 l/șarjă apă
Volumul laptelui de drojdie diluat:
Vlapte dil. =Vapă+Vlapte= 27508,92 +13754,46=41263,38 l/șarjă
V.1.4.2 Separarea soluției de drojdie după spălare
Vd= 2946,43 l/șarjă drojdie cu 27 % s.u.
Volumul soluției fără drojdie: Vsol.= Vlapte dil. –Vd= 41263,38 -2946,43=38316,95 l/șarjă
Eficacitatea eliminării prin centrifugare a componentului uscat este de Pc=85%.
Vsol.sep.=Vsol. * Pc= 38316,95*0,85=32569,4 l/șarjă
Volumul laptelui de drojdie spălat:
Vlaptesp.= Vsol –Vsol.sep.=38316.95-32569.4 =5474.54 l/șarjă
V.1.5. Bilanțul de materiale la răcirea laptelui
După separare laptele de drojdie are o temperatură cuprinsă între 14-18˚ ,în funcție de temperatura apei de spălare (1-2˚ C).
Răcirea laptelui se face în răcitoare deschise sau în răcitoare cu plăci,până la temperatura de 3-4˚C.
Știind că durata răcirii este de 2 ore,debitul de răcire pe oră va fi:
Vlapte sp./2 =5747.54/2=2873.77 l/h.
V.1.6 Bilanțul de materiale la filtrarea laptelui
Pentru filtrare se folosesc filtre rotative sub vid.
Volumul lichidului filtrat este de:
Vborhot=Vlapte sp.-Vd=5747.54-2946.43=2801.11 l/șarjă borhot epuizat
V.1.7 Bilanțul de materiale la malaxare
Md= 330 kg/ șarjă drojdie cu 275 s.u.
Prin malaxare drojdia comprimată rezultă cu un conținut de maxim 24% s.u. și 76% apă.
Necesarul de apă pentru malaxare este:
Q= *100-100
În care: Q –cantitatea de apă necesară la 100 kg drojdie presată ,l.
Sp –conținutul în substanță uscată al drojdiei uscate ,%
Sc –conținutul în substanță uscată pe care trebuie să îl aibă drojdia, %.
Q= *100-100= *100-100=12,5 l apă/100 kg drojdie presată
Qa= = =412,5 l apă/șarjă ,Ma=0,9982*412,5=412 kg/șarjă apă
Se știe că s-a însămânțat cu cele 3000 kg drojdie de cuib 5 plămezi.
În urma calculelor a rezultat că pentru o singură plămadă însămânțată s-a obținut 3745 kg drojdie presată/șarjă. Atunci pentru 5 plămezi:
MD= 5* Md.mal =5*3745=18725 kg/ șarjă drojdie presată
V.1.8 Bilanțul de materiale la depozitare
Depozitarea se face în depozite răcite la temperatura de 4˚C.
Din literatura de specialitate se știe că:
400 kg drojdie presată…………………………………3 m3 volum de depozit
18725 kg……………………………………………………[NUME_REDACTAT]= =140 m3 volum de depozit
V.2 Bilanțul termic
V.2.1 Bilanțul termic la pregătirea melasei
Pregătirea melasei se face în instalații de limpezire,prevăzute cu separatoare centrifugale. În instalație melasa este acidulată slab cu acid sulfuric ,diluată cu apă fierbinte și preîncălzită la 55˚C. După sterilizarea cu abur direct la 140˚ ,melasa se răcește prin detență la 95˚C, apoi cu apă rece până la 20˚C și debitată astfel în separatorul de limpezire.
V.2.1.1 Bilanțul termic la multiplicare în faza I
1. Bilanțul termic la sterilizarea mediului nutritiv
Ecuația de bilanț termic pentru sterilizarea mediului este:
Mpl2 *Cp2*t2-Mpl 1*Cp1*t1=Mab*(h’’-h’)
Mpl 1=178,62 kg/șarjă plămadă nesterilizată
Mpl 2=201,41 kg/șarjă plămadă sterilizată
Căldura masică a plămezii se calculează cu formula:
Cp1=Ca (1-0,65 )
În care:
Cp1 –căldura masică a plămezii
Ca –căldura masică a apei , Ca =f(20˚C)=4190 J/kg k
s.u. –conținutul procentual a substanței uscată ,s.u.=14%
Cp1=Ca (1-0,65su/100 )=4190(1-0,60*14/100)=4190*0,909=3808,71 J/kg k
Ca –căldura masică a apei , Ca=f(100˚C)= 4230 J/kg k
s.u.-conținutul procentual de substanță uscată ,s.u.-12%
Cp2=Ca( 1-0,65 )= 7230(1-0,65 )=4230-0,922=3900,06 J/kg k
Entalpiile aburului sunt:
h’’=f(100˚C)=2679 kJ/kg=2679-103 J/kg
h’= f(100˚C)=419 kJ/kg=419*103 J/kg
Cantitatea de abur folosită la sterilizare va fi:
Mab= =
Mab=29,43 kg abur/h
2. Bilanțul termic la răcirea mediului nutritiv
Se calculează necesarul de agent de racire,respectiv apa de racier, ținând cont că transferal de căldură are loc în regim nestaționar cu variația fluidelor în timp și în spațiu.
Ecuația de bilanț termic pentru răcirea mediului este:
Mpl2*Cp2*t2-Mpl2*Cp3*t3= Mapa*Cpa(t5-t4)
Mpl2=205,41 kg/șarjă plămadă sterilizată și răcită
Cp2=3900,06 J/kg k
t2=100˚C
Căldura masică a plămezii se calculează cu formula:
Cp3 =Ca(1- 0,65 )
În care:
Cp3 –căldura masică a plămezii
Ca –căldura masică a apei , Ca=f (30˚)=4180 J/kg
s.u-conținutul procentual de substanță uscată, s.u.=12%
Cp3= Ca (1-0,65 )=4180(1-0,65 )= 4180*0,922=3853,96 J/kg k
Căldura masică a apei la temperatura medie =25˚C este de:
Cpa=4185 J/kg k
Cantitatea de apă folosită la răcire va fi:
Mapă= =
Mapă= 448,92 kg apă/șarjă
V.2.1.2 Bilanțul termic la multiplicare în faza II
1. Bilanțul termic la sterilizarea mediului nutritiv
Ecuația de bilanț termic pentru sterilizarea mediului este :
Mpl2 * Cp2 *t2 –Mpl1*Cp1*t1 =Mab *(h’’-h’)
Mpl 1 =1236,36 kg/șarjă plămadă nesterilizată
Mpl 2 =1384,72 kg/șarjă plămadă sterilizată
Căldura masică a plămezii se calculează cu formula:
Cp1 =Ca (1- 0.65 )
În care:
Cp1 –cățdura masică a plămezii
Ca-căldura masică a apei , Ca =f (20˚C) =4190 J/kg k
s.u. –conținutul procentual de substanță uscată , s.u. =12%
Cp1 =Ca (1-0,65 )=4190 (1-0,65 )=4190*0,922=3863,18 J/kg k
Ca- căldura masică a apei , Ca= f(100˚C) =4230 J/kg k
Cp2=Ca (1-0,65 )=4230(1-0,65 ) =4230*0,935=3955,05 J/kg k
Cantitatea de abur folosită la sterilizare va fi:
Mab = =
Mab= 200,06 kg abur/h
2. Bilanțul termic la răcirea mediului nutritiv
Ecuația de bilanț pentru răcirea mediului este:
Mpl2*Cp2*t2-Mpl2*Cp3*t3= Mapa*Cpa(t5-t4)
Mpl2 =1384,72 kg/șarjă plămadă sterilizată și răcită
Cp2 =3955,05 J/kg k
t2=100˚C
Căldura masică a plămezii:
Cp3 =Ca (1-0.65 )= 4180(1-0.65 ) =4180*0,953=3908,3 J/kg k
Căldura masică a apei : Cpa =4185 J/kg k
Cantitatea de apă folosită la răcire va fi:
Mapa = =
Mapa=3068,95 kg apa/șarjă
V.2.1.3 Bilanțul termic la multiplicare în faza III
Bilanțul termic la răcirea linului de multiplicare
Ecuația de bilanț termic pentru racier este:
Mpl *t*(Cp2 –Cp1)= Mapă *Cpa (t2-t1)
Vp III= 7500 l plămadă
ρp III =1,0407 kg/l
Mpl= 7805,94 kg/șarjă plămadă
t=30˚C
Căldura masică a plămezii se calculează cu formula :
Cpl =Ca(1-0.65 )
Cpl =Ca (1-0,65 )=4180 (1-0,65 )=4180*0.961=4016,96 J/kg k
s.u.=4%
Cp2=Ca (1-0,65 ) =4180 (1-0,65 )=4180*0,974=4071,32 J/kg k
Căldura masică a apei la temperatura medie =15˚C este de:
Cpa= 4190 J/ kg k
Cantitatea de apă folosită la răcire va fi:
Mapă= =
Mapă =303,82 kg apă/șarjă
V.2.2 Bilanțul termic la răcirea laptelui de drojdie rezultat în urma separării
După separare, laptele de drojdie are o temperatură variabilă cuprinsă între 14-18˚C în funcție de temperatura apei de spălare.(1-2˚C).
Răcirea se realizează în răcitoare cu plăci,până la temperatura de 3-4˚C.
Ecuația de bilanț termic pentru răcirea mediului este:
Mlapte 1 * Cp1*t1 –Mlapte 2 *Cp2 *t2= Mapa *Cpa (t4- t3)
Vlapte sep. =5474,54 l lapte de drojdie separată
ρlapte =f (17˚C )= 1038,5 kg /m3
Cp1= 3,898 kJ/kg k = 3989 J/kg k
ρlapte =f (4˚ C) =1039,8 kg/m3 =1,0398 kg/l
Mlapte 2=ρ * V= 1,0398 * 5474,54 =5976,29 kg de drojdie răcită
Cp2=3,810 kJ/kg k =3810 J/kg k
Căldura masică a apei la temperatura medie =5˚C.
Cpa=4210 J/kg k
Cantitatea de apă folosită la răcire va fi :
Mapa = =
Mapa= 9039,52 kg apă/șarjă
Capitolul IV
Dimensionarea bioreactorului
Pentru a calcula dimensiunile bioreactorului trebuie ales materialul din care va fi construit acesta. Datorită procesului de fermentare care are loc în bioreactor, datorită condițiilor de reacție și a materialelor folosite, pentru construirea bioreactorului se va alege un oțel de tip K 460.
IV.1 Schema constructivă a bioreactorului
Notații:
Hcs- înălțimea părții sferice a capacului
h- înălțimea părții cilindrice a capacului
Hc- înălțimea totală a capacului
H- înălțimea părții cilindrice a bioreactorului
Hc –înălțimea capacului
Hm- înălțimea maltalei
Ht- înălțimea totală a bioreactorului
D- diametrul interior al bioreactorului.
Determinarea duratei de reacție se calculează cu ajutorul modelului cinetic. Se definește un coeficient de sveltețe, S=H/D. În general, S=2
Din schița constructive se observă că Vreactor =2* Vcapac + [NUME_REDACTAT]=
Cum S=H/D=2 → H=2*D
Vcilindru = =
Vcapac= *( Hcs*h)
Conform STAS 6809-79 se adoptă h=40 mm și Hcs=0,25*D
Vcapac= * (
Datorită valorii foarte mici a lui h, acesta se poate neglija. În acest caz ecuația devine:
Vcapac =
Vreactor= Vreactor =2* Vcapac +[NUME_REDACTAT] =2* +
D= =
D= 5.346 m
Conform normelor în vigoare (STAS 7159-74) se va alege un diametru interior al bioreactorului de 6m. Știind că S=H/D și că S=2 →H= 2*D=2*6=12
Capacele elipsoidale sunt construite de obicei, în așa fel încât Hcs =D/4
→Hcs= 0,25*D=0,25*6 =1,5m
Înălțimea totală a capacului va fi : Hc=Hcs+h= 1.5+0.04=1.54m
Capitolul al V-lea
V.1 [NUME_REDACTAT] este o instalație tehnologică în inte-riorul căreia are loc transformarea materiilor prime cu ajutorul sistemului enzimatic pus la dispoziție de microorganismele vii, celulele animale și vegetale, sau de enzimele izolate din acestea. Un bioreactor se alege în funcție de tipul de organism, sistemul de cultivare și caracteristicile biochimice ale întregului proces.
În sistemele submerse de cultivare a microorga-nismelor mediul de cultură este lichid , agitat și aerat , alimentarea cu energie se realizează continuu în scopul menținerii interfaței gaz lichid. Modul de operare poate fi: continuu, semicontinuu și discontinuu.
În operarea în sistem discontinuu cultivarea se face în șarje (sistemul batch) ,începe de la t=0 și se termină la t=t’. La început,creșterea celulelor are loc în condiții nelimitate,iar în timp se atinge dessitatea maximă;începe creșterea în condiții limitate de substrat și acumularea produsului final. Caracteristicile operării discontinue sunt următoarele: system de agitare performant, omogenitate, uniformitatea tuturor parametrilor. [17]
Fig.V.1 Operare în sistem discontinuu(DC)
În operarea în sistem semicontinuu, reactorul este construit astfel încat concentrația substratului limitativ să fie păstrată constantă prin aprovizionarea continuă (fed batch).
Fig.V.2 Operare în sistem semicontinuu (SC)
Operarea în sistem continuu presupune o construcție a reactorului astfel încât să se realizeze o aprovizionare continuă cu nutrienți și o evacuare permanentă a unei cantități echivalente de mediu de cultură. [20]
Fig.V.3 Reprezentarea schematică a bioreactoarelor tip R(cu recirculare) și tip D(cu deplasare)
Fig.V.4 Prezentarea sistemelor de operare continuă; S-substrat ,C-celule
La alegerea bioreactorului potrivit, trebuie urmărite aspectele:
-configurația bioreactorului;
-mărimea bioreactorului;
-condițiile bioprocesului din interiorul bioreactorului;
-sistemul de operare utilizat;
-cuplare/necuplare în serie cu alte bioreactoare.
Bioreactoarele pentru fermentațiile aerobe pot fi clasificate după modul de introducere a energiei necesare amestecării fazei lichide( substrat și microorganisme) și dispersării fazei gazoase (aer):cu amestecare mecanică,cu pompă de recirculare,cu aer comprimat. [20]
Fig.V.5 Bioreactor cu agitare mecanică
Fig.V.6 Tipurile de rotoare utilizate: a-ancoră; b-elice; c-turbină cu palete plane; d-cu palete tip zbatură; e-ancoră complexă; f-șurub elicoidal.
Fig.V.7 Bioreactoare cu agitare mecanică și cu draft interior(Keitel,1978)
Caracteristici:
crește coeficientul de tranfer de masă;
circulația lichidului este modificată prin introducerea unui cilindru metalic axial fără fund și capac, numit “draft”. [20]
Bioreactoare cu aer comprimat –tip „coloană cu bule”
Bioreactoarele cu aer comprimat reprezintă o altă variantă a bioreactoarelor cu agitare mecanică. Agitarea mediului de cultură se realizează exclusiv prin barbotare de aer.Caracteristicile hidrodinamice și transefrul de masă depind în totalitate de comportamentul bulelor eliberate de barbotor. Acest tip de bioreactor este utilizat în industria berii, a vinului și în tratarea apelor reziduale.
Fig.V.8. Bioreactor tip coloană cu bule
Sistem omogen- bulele urcă cu aceeași viteză și nu se amestecă între ele,iar agitarea lichidului este limitată
Sistem eterogen- viteza de barbotare este mai mare;circulație haotică a celulelor; bulele și lichidul tind să se ridice prin centrul coloanei, curentul de lichid coboară pe lângă pereții bioreactorului și antrenează bulele. [17]
Fig.V.9 Circulația fluidului într-o coloană cu bule aflată în regim eterogen
Bioreactoarele „air-lift”
Fig.V.10 Bioreactoare „air-lift”
Bioreactoarele air-lift au formă de turnuri cu buclă. Circulația lichidului se datorează diferenței de densittate a fazei aerate din turn și a zonelor neaerate. Aceste bioreactoare au utilitate în:
-culturi de celule vegetale;
-culturi dee celule animale;
-culturi de celule imobilizate;
-biosinteza proteinelor microbiene;
-tratamentul biologic al namolurilor. [17]
Bibliografie
1. Anghel I. – Biologia și tehnologia drojdiilor, Ed. Tehnică, vol. I, II; București 1991
2. Banu C. – Manualul inginerului de chimie alimentară, vol. I, Ed. Tehnică, București 1998
3. Ferdeș M. – Microbiologie industrială. Îndrumar de laborator, Ed. UPB, București 2000
4. Segal B., Stancu M. – Surse noi de proteine, Ed. Tehnică, București 1975
5. Nenițescu C.D. – Chimie organică, vol.II, Ed. Didactică și pedagogică, Bucuresti 1980
6. Faust V, Prave P. – Biomass from methane and methanol, Biotechnologyvol III, [NUME_REDACTAT], Weinheim 1986
7. Dumitru I.F., Vamanu A., Popa O. – Drojdiile. Biotehnologii clasice și moderne, Ed. [NUME_REDACTAT], București 2002
8. Dan V., Microbiologia alimentelor, editura Alma, Galati, 2001
9. Cote W.A. – Biomass utilisation, [NUME_REDACTAT], [NUME_REDACTAT] 1983
10. Begea M.-Tehnologii alimentare fermentative , vol.I , [NUME_REDACTAT] ,2010,București
11. Rotaru V.- Tehnologia fabricării spirtului și a drojdiei comprimate , [NUME_REDACTAT] și pedagogică, București
12. Lehninger A.L. – Biochimie, vol.I, Ed. Tehnică, București 1987
13. Popa L. – Microbiologie industrială: lucrări practice, Ed. [NUME_REDACTAT] 1987
14. Oniscu C. – Tehnologia produselor de biosinteză, Ed. Tehnică, București 1978
15. Greabu M, Paveliu F. – Biochimie medicală, Ed. Infomedica, București 1997
16. Topală N.D. – Microbiologie generala, Ed. Univ. "Al.I.Cuza" Iasi, 1978
17. Rehm H.J., Reed G. – Biotechnology, vol III, [NUME_REDACTAT], Weinheim 1986
18. http://ebooks.unibuc.ro/biologie/drojdii/11.htm – vizitat în perioada: iunie-iulie 2014
19. http://ro.wikipedia.org/wiki/Drojdie – vizitat în perioada iunie-iulie 2014
20. http://www.scribd.com/doc/49385957/Bioreactoare – vizitat în perioada iunie-iulie 2014
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Obtinerea Biomasei din Drojdie In Culturi Submerse (ID: 1798)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.