Контрольная работа: Технология ферментных препаратов
I.6 Длительность культивирования
Скорость роста отдельных штаммов неодинакова. Оптимальная длительность культивирования, обеспечивающая максимум накопления ферментов, устанавливается экспериментально. Она зависит от очень многих факторов: состава среды и способа ее подачи при культивировании, степени аэрирования среды, от того, является ли фермент внеклкточным или внутриклеточным, от рода продуцента и др. Например, дополнительное введение среды (подпитка) в начальной стадии роста позволяет на 30-40% сократить длительность культивирования и значительно повысить продуктивность микроорганизмов. Прогнозировать оптимальную длительность выращивания очень сложно и требуется ее экспериментальное определение.
I.7 Стерилизация питательных сред и аппаратуры
Целью стерилизации является уничтожение всей микрофлоры, которая находится в питательной среде, различных жидких добавках (пеногасители), а также на внутренних поверхностях оборудования, арматуры, подводящих и отводящих коммуникаций.
Необходимость стерилизации вызвана тем, что культуры – продуценты ферментов крайне чувствительны к присутствию других микроорганизмов.
Процесс стерилизации можно расчленить на три основных этапа: нагревание среды или аппарата до температуры стерилизации, выдерживание при этой температуре в течении времени, обеспечивающего гибель всех микроорганизмов и охлаждение стерилизуемого объекта до температур, доступных для засева среды чистой культуры продуцента. Достичь полной стерилизации очень трудно, поскольку для этого надо убить все микроорганизмы, а некоторые из них, особенно спороносные, выдерживают воздействие высоких температур очень длительное время. Свойства стерилизуемых объектов имеют большое значение, так как некоторые вещества усиливают стерилизующий эффект, например, кислоты, а некоторые, наоборот, увеличивают стойкость микроорганизмов к температуре и давлению. Эффективность стерилизации зависит от очень многих факторов: температуры, длительности процесса, состава стерилизуемой среды, конструкции аппарата, степени обсемененности стерилизуемого объекта, требований стерильности на последующих стадиях и т.д.
При поверхностном способе выращивания различных микроорганизмов требуется различная степень термической обработки среды. Если среда в процессе культивирования не перемешивается и не перемещается, то ее абсолютная стерильность необязательна. Обработка среды осуществляется при различных режимах. Стерилизуют аппаратуру для приготовления посевного материала (емкости для засева, кюветы, емкости для воды, для приготовления посевной суспензии, посевные коммуникации), а также производственные кюветы.
При стерилизации жидких питательных сред на выбор оптимального режима стерилизации оказывают влияние гетерогенность жидкой среды, ее физико-химические свойства, качественный и количественный состав. Если среда не содержит твердых частиц и представляет собой гомогенный раствор питательных веществ, то длительность стерилизации при прочих равных условиях может быть меньше, чем для сред, содержащих твердые частицы, так как для их прогревания требуется больше времени. Большее время стерилизации требуется в случае, если в среде есть липиды и она имеет высокое содержание сухого вещества. При наличии в составе среды редуцирующих сахаров, особенно глюкозы и свободных аминокислот, стерилизацию углеводной и аминокислотной фракций следует вести отдельно, чтобы избежать потери сахаров в результате меланоидинообразования. Стерилизация аппаратов и коммуникаций имеет большое значение и при глубинном способе культивирования. Самая тщательная стерилизация может не дать эффекта, если нарушена герметичность оборудования.
При стерилизации оборудования есть опасность даже при высоких температурах не добиться стерильности в результате того, что в процессе тепловой обработки внутренних полостей аппаратов происходит конденсация пара у стенок. Воздух, выделяющийся из парогазовой смеси, покрывает стенки аппарата воздушной пленкой, в результате чего условия нагревания стенки ухудшаются. Плохо поддаются стерилизации различные патрубки и люки, так как в них образуются воздушные пробки. Для улучшения условий стерилизации при конструировании аппаратуры следует сокращать число впаев, увеличивать диаметр и уменьшать высоту отводящих и подводящих штуцеров. Особое внимание уделяется стерилизации аппаратуры и коммуникации для подачи пеногасителя.
На стадии стерилизации ведется постоянный микробиологический контроль стерильности питательной среды, подаваемого в ферментатор воздуха, пеногасителя и т.д. На микробиологическую чистоту проверяют отделение стерилизации, его стены и пол, аппаратуру, коммуникации, а также руки работающих.
I.8 Очистка и стерилизация воздуха
Подавляющее большинство продуцентов ферментов является аэробами, и для их нормального развития в процессе культивирования необходимо подавать в достаточном количестве стерильный воздух. Воздух после аэрации растущей культуры может содержать споры или клетки микроорганизма – продуцента ферментов, потому перед выбросом в окружающую среду он также требует очистки. Особо высокие требования к стерильности предъявляются при подготовке воздуха для аэрации глубинной культуры. Существует несколько способов очистки и стерилизации воздуха, основанных на двух принципах: умерщвление микроорганизмов и их механическое отделение.
Аппаратурное оформление стадии подготовки и очистки воздуха зависит от способа культивирования продуцента. При поверхностном культивировании требования к стерильности воздуха менее жесткие, чем при глубинном, и даже допускается рециркуляция аэрирующего воздуха. Стерильные производственные помещения аэрируются стерильным воздухом, кондиционированным по температуре и влажности. Подготовка воздуха в этих условиях ничем не отличается от подготовки воздуха для аэрирования растущей культуры. Отличие может заключаться лишь в параметрах кондиционирования, но не в снижении требований к стерильности воздуха.
К основным факторам, влияющим на быстрый рост микроорганизмов и максимальный биосинтез ими ферментов, относятся: состав питательных сред, условия приготовления и стерилизация сред, количество и способ подвода воздуха к растущей культуре, правильный выбор условий выращивания продуцента и контроля за этим процессом.
II. ПРИНЦИПЫ ПОДБОРА И МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ СОСТАВА ПИТАТЕЛЬНЫХ СРЕД
II.1 Методы определения оптимального состава питательных сред
Основным требованием, предъявляемым к составу питательной среды, является ее полноценность для роста продуцента и обеспечения синтеза целевого продукта. Оптимальный состав среды для каждого продуцента может быть определен двумя способами: методом эмперического подбора и с использованием математических методов планирования экспериментов. Первый способ был до недавнего времени широко распространен во всех отраслях промышленности, использующих микроорганизмы. Знание физиологических особенностей микроорганизмов позволяло биологам методом подбора и изменения какого-либо из факторов на неизменном фоне остальных компонентов подобрать хорошую и продуктивную питательную среду, но такой способ очень длителен. Более прогрессивным в биологических исследованиях является использование математических методов планирования экспериментов, которые позволяют значительно быстрее найти и обосновать оптимальный состав питательной среды.
Большинство математических методов планирования экспериментов имеет целью получение математической модели процесса. Обработка экспериментальных данных ведется в четкой последовательности вычислительных операций и может быть выполнена вручную. Статистический анализ значимости коэффициентов полученного уравнения и его адекватности исследуемому процессу в изучаемом диапазоне изменения параметров процесса позволяет с достаточной уверенностью находить оптимальный состав среды и оптимальные условия культивирования по полученной математической модели процесса.
Среды в зависимости от состава делятся на синтетические и комплексные. Синтетические среды состоят из определенных по количественному составу индивидуальных веществ. Источниками углерода в таких средах могут быть углеводы, спирты, органические кислоты; источниками азота – соли, содержащие азот, аминокислоты, пептиды определенного состава, мочевина и т.д.
II.2 Оптимизация состава питательных сред
В комплексные среды обычно входят различные естественные продукты, богатые органическими соединениями, и отходы ряда производств, а также они значительно дешевле, более доступны и поэтому чаще используются в промышленности. Их компонентами могут быть отруби, мука различных злаков, меласса, гидрол, кукурузный экстракт, выжимки плодов и овощей, жмыхи, замочные воды, барда спиртовых заводов, картофельная мезга и прочие отходы картофеле- и кукурузокрахмального производства, а также других пищевых производств.
Для поверхностного культивирования используют пшеничные отруби; они должны быть крупнолопастными, без горького или кисловатого привкуса. Отруби содержат от 16 до 20% крахмала, 10-12% белка, в том числе важнейшие аминокислоты (в%): метионин – 0,19; цистин – 0,30; аргинин – 1,0; лизин – 0,60; триптофан – 0,30; жир – 3,0-4,0; клетчатка – 10-30; зольные элементы (Nа – 0,09, К – 1,00, Са – 0,16, Р – 0,94); микроэлементы и некоторые другие вещества. Пшеничные отруби – сырье дорогостоящее, поэтому их можно частично заменять другими компонентами. Водимый дополнительный компонент может играть роль рыхлителя среды или же обогащать ее недостающими ростовыми и питательными веществами. Такими компонентами являются солодовые ростки, шелуха крупяных культур, свекловичный жом, древесные опилки, выжимки плодов, овощей и ягод.
При обработке кукурузного зерна в крахмало-паточном производстве в замочные воды переходит до 8% сухого вещества. Кукурузный экстракт – это замочные воды, упаренные в двух- трехкорпусных вакуум-выпарных аппаратах до содержания сухого вещества 48-50%. Он не имеет постоянного состава, что является его недостатком. Кукурузный экстракт содержит большое количество меланоидинов и поэтому имеет темно-коричневый цвет. Он стабилен при хранении и широко применяется в ферментной промышленности.
Кукурузный экстракт является источником азотистых веществ, которые составляют 40-50% общего содержания сухого вещества в экстракте. Углеводы являются нестабильным компонентом экстракта и могут под действием молочнокислых бактерий полностью превращаться в молочную кислоту, содержание которой при этом возрастает до 25%. В экстракте в больших количествах содержатся фосфор, калий и магний. Содержание зольных элементов составляет 15-20% сухого вещества экстракта, а содержание фосфора может достигать 5%. Экстракт содержит все необходимые для микроорганизмов элементы, витамины группы В, ростовые вещества и биостимуляторы.
Крахмал картофельный и кукурузный выпускается четырех сортов (высший,I, II и III). Основное сортовое отличие крахмалов заключается в содержании зольных элементов, которое повышается от высшего сорта к III с 0,35 до 1,20%. Повышается также кислотность на сухое вещество (в мл 0,1 н. раствора HCI) 18 до 30, увеличивается число разрушенных крахмальных зерен. Кукурузный крахмал в своем составе имеет (в %) : крахмал – 98,5-98,8; белок – 0,60-0,35; жир – 0,62-0,70; зола – 0,17-0,12; растворимые вещества – 0,01-0,05; прочие сухие вещества – 0,10-0,13.
Гидрол является отходом производства глюкозы из крахмала. Он представляет собой густой темный сироп, содержащий от 67 до 72% редуцирующих сахаров. Гидрол не стандартен по составу. Основным сахаром гидрола является глюкоза, содержание которой достигает до 80% общей суммы редуцирующих сахаров. Гидрол содержит некоторое количество органических кислот, рН гидрола около 4,0, зольность около 7%. В минеральный состав гидрола входят фосфор, магний, натрий, железо. Используются и другие отходы переработки кукурузы.
Соевая мука выпускается трех видов: необезжиренная, полуобезжиренная и обезжиренная. Соевая мука является богатым источником азотистых веществ, особенно белков. В ней содержится около 25% углеводов; крахмала и глюкозы почти нет (0,5-1,0%), но есть сахароза (5-10%), пентозаны, мальтоза, раффиноза, гемицеллюлозы, декстрины. Минеральный состав соевой муки богат и разнообразен, зольные элементы составляют 4,5-6,5%. В их число входят калий, магний, кальций, натрий, железо, кремний, сера, хлор, медь, марганец, цинк, никель, фосфор. В соевой муке содержатся витамины группы В, D и А.
Состав кукурузной муки зависит от сорта перерабатываемой кукурузы. Кукурузная мука содержит 67-70% крахмала и около 10% других углеводов (сахара, клетчатка, пентозаны и т. д.). Белка в кукурузной муке мало – 10-12%, зольные элементы составляют только 0,3-1,0%, а жир – около 4%.
Солодовые ростки получаются в процессе обработки отсушенного солода в пивоварении. Они содержат значительное количество свободных аминокислот, азотистых веществ (до 24%), золных элементов (около 8%), клетчатки (14%), экстрактивные безазотистые вещества составляют 42%. В их состав может входить также до 5-6% зерновых примесей, представляющих собой обломки зерен солода. Солодовые ростки можно вносит в среды непосредственно или в виде их экстрактов.