Сартакова О.Ю. Промышленная микробиология

Подождите немного. Документ загружается.

141

определенные сложности в связи с теплообменом при брожении - об-

разование "шапки".

Очистка вин, при естественном хранен и созревании, не всегда

завершается его полным осветлением. В этих случаях используется

очистка путем осветления, старения и созревания до розлива в бутыл-

ки. Дополнением к осветлению является фильтрация (в том числе - сте-

рилизующая), пастеризация, охлаждение

- для удаления винного камня

и коллоидов.

6.7.4 Биотехнология приготовления кисломолочных

продуктов и сметаны

Технология производства кисломолочных продуктов основана на

использовании различных видов брожения лактозы под действием

микроорганизмов - заквасок. Кисломолочные продукты получают пу-

тем сквашивания молочного сырья с заквасками молочнокислых бакте-

рий. К кисломолочным напиткам относятся: простокваша, кефир, ку-

мыс, ацидофильные

напитки, кисломолочные напитки с солодовым

экстрактом.

Технологический процесс производства кисломолочных напитков

состоит из следующих технологических операций: подготовки сырья,

нормализации, пастеризации, гомогенизации, охлаждения, заквашива-

ния, сквашивания в специальных емкостях, охлаждения сгустка, созре-

вания сгустка (кефир, кумыс), фасовки.

При производстве всех кисломолочных напитков, кроме ряженки

и варенца, исходное сырье пастеризуется при температуре

от 85

С до

С с выдержкой 5 минут –10 минут или при температуре 90

С – 92

с выдержкой 2–3 минуты; ряженки и варенца при температуре 95

С –

С с выдержкой 2-3 ч. Тепловая обработка молока сочетается с гомо-

генизацией, в результате которой при температуре 55

С - 60

С и дав-

лении 17,5 МПа улучшается консистенция кисломолочных продуктов

и предупреждается отделение сыворотки. После пастеризации и го-

могенизации молоко охлаждается до температуры заквашивания. При

использовании закваски, приготовленной на термофильных бактериях,

молоко охлаждается до 50

С -55

С, на мезофильных – до 30

С -35

С и

на кефирной закваске– до 18

С -25

С . В охлажденное до температуры

заквашивания молоко должна быть немедленно внесена закваска, соот-

ветствующая виду продукта. В процессе сквашивания происходит раз-

множение микрофлоры закваски, нарастает кислотность, коагулирует

казеин и образуется сгусток. По окончании сквашивания продукт не-

142

медленно охлаждается. Кисломолочные продукты, вырабатываемые

без созревания, немедленно направляются на охлаждение. Технологи-

ческая линия производства кисломолочных напитков резервуарным

способом представлена на рисунке 36 .

1-емкость для сырого молока; 2-насосы; 3-балансировочный ба-

чок; 4-пластинчатая пастеризационно-охладительная установка;

5-пульт управления; 6-возвратный клапан; 7-сепаратор-

нормализатор; 8-гомогенизатор; 9-емкость выдерживания молока; 10-

емкость кисломолочных напитков; 11-смеситель; 12-заквасочник.

Рисунок 36 - Технологическая линия производства

кисломолочных напитков

Сметану получают из нормализованных пастеризованных сливок

путем сквашивания их закваской, приготовленной на чистых культурах

молочнокислых бактерий

, и созревания при низких температурах. Тех-

нологический процесс производства сметаны состоит из следующих

технологических операций: приемки и сепарирования молока, норма-

лизации сливок, пастеризации, гомогенизации и охлаждения сливок,

заквашивания и сквашивания сливок, перемешивания сквашенных

сливок, фасовки, охлаждения и созревания сметаны. Сливки скваши-

ваются закваской в количестве от 1% до 5 %. Для сметаны 20%-ной

30%-ной жирности используют закваску, приготовленную на чистых

культурах мезофильных молочнокислых стрептококков, для сметаны

диетической и 15%-ной жирности – на чистых культурах мезофильных

и термофильных молочнокислых стрептококков, а для ацидофильной –

на чистых культурах ацидофильной палочки и ароматобразующего

стрептококка. Для заквашивания сливок используют также бактери-

143

альный концентрат. Сквашивание сливок проводят до образования

сгустка и достижения определенной степени кислотности. Длитель-

ность процесса сквашивания составляет от 6ч до16ч. в зависимости от

вида сметаны. После сквашивания сливки перемешиваются в течение

3-15 мин и направляются на фасовку самотеком или насосами. Техно-

логический процесс производства сметаны осуществляется на линии,

представленной

на рисунке 37.

1-емкость для сливок; 2-насос; 3-уравнительный бак;

4-пластинчатая пастеризационно-охладительная установка;

5-гомогенизатор; 6-выдерживатель; 7-емкость для выработки ки-

сломолочных продуктов; 8-автомат для фасовки.

Рисунок 37 - Технологическая линия производства сметаны

6.7.5 Биотехнологические процессы в сыроделии

Наиболее сложным из пищевых производств является сыроде-

лие. Здесь тесно связаны и взаимосвязаны физические, химические и

биологические

факторы. Сыры – это пищевые продукты, получаемые

путем концентрирования и биотрансформации основных компонентов

молока под воздействием энзимов, микроорганизмов и физических

факторов. Производство сыров включает коагуляцию молока, отделе-

ние сырной массы от сыворотки, формование прессованием под дей-

ствием внешних нагрузок или собственного веса, посолку. Употребле-

ние в пищу производится сразу после выработки (

в свежем виде) или

после созревания (выдержки) при определенной температуре и влаж-

ности в анаэробных или аэробных условиях. Работа по совер-

шенствованию технологических процессов производства различных

видов сыра с целью создания высокоэффективных, малооперационных

144

и ресурсосберегающих технологий проводятся на всех этапах техноло-

гического процесса, направлены на решение частных задач с помощью

биотехнологических методов. Технологический поток состоит из не-

скольких технологических операций преобразования исходного сырья

и процессов транспортирования его промежуточных продуктов между

операциями (рис. 38 ).

1-насос самовсасывающий; 2-фильтр; 3-воздухоотделитель; 4-счетчик

молока; 5-весы; 6-резервуар молокогреющий; 7-электронасос;

резервуар хранения молока; 9-подогреватель; 10-сепаратор-

молокоочиститель; 11-охладитель; 12-сепаратор молокоотделитель-па-

стеризатор;13-установка пастеризационноотделительная; 14-заквасоч-

ник; 15-ванна сыродельная; 16-формовочный аппарат; 17-отделитель

сыворотки; 18-тележка с формами; 19-пресс; 20-контейнер для посол-

ки; 21-бассейн посолки сыра; 22-контейнер для хранения и созревания

сыра; 23- мойка сыра; 24- сушка сыра; 25-парафинар.

Рисунок 38 - Технологическая линия производства сыра

6.7.6 Биотехнология приготовления

маргарина

Маргарин представляет собой физико-химическую систему, в ко-

торой один из основных компонентов – вода (дисперсная фаза) рас-

пределен в другом – жире (дисперсионной среде) в виде мельчайших

капелек, образуя эмульсию типа «вода в жире». По физико-химиче-

ским показателям маргарин должен содержать не менее 82% жира. В

145

настоящее время выпускается маргарин с низким содержанием жира

(70%–80%), его можно использовать для диетического питания.

Основным сырьем служат высококачественные пищевые рас-

тительные масла–жидкие (подсолнечное, хлопковое, соевое) и твердые

(кокосовое, пальмовое), а также животные жиры (сливочное масло).

Молоко, добавляемое в маргарин, предварительно пастеризуют и сква-

шивают молочнокислыми бактериями, что сообщает продукту

молоч-

ный вкус и аромат. Закваски состоят из нескольких чистых куль-

тур молочнокислых бактерий (заквасочные наборы). В их состав вхо-

дят мезофильные молочнокислые стрептококки: ароматобразующий

(Streptococcus diacetilactis), молочный (S. lactis) и сливочный (S.

cremoris), которые являются активными кислотообразователями. Мо-

лочный и сливочный стрептококки относятся к гомоферментативным

молочнокислым бактериям и в процессе брожения образуют только

молочную

кислоту. Ароматобразующий стрептококк играет большую

роль в образовании вкуса и аромата при сквашивании молока. Он отно-

сится к гетероферментативным молочнокислым бактериям и образует

при брожении CO

, летучие жирные кислоты. Технологический про-

цесс производства маргарина включает: подготовку жирового сырья,

подготовку молока, сквашивание молока, приготовление эмульсии, по-

лучение маргарина и его пластическую обработку, фасование и упа-

ковывание продукции (рис.39) .

1-весы для жира; 2-весы для вводно-молочной фазы; 3-смесители;

4-уравнительный бак; 5-насос высокого давления; 6 - переохладитель;

7-распределительное устройство; 8-фильтр; 9-кристаллизатор;

10-фасовочный автомат; 11-автомат для укладки пачек в короба;

12-автомат обандероливания коробок.

Рисунок 39 - Производство маргарина методом

переохлаждения

146

6.8 Химическая промышленность и биотехнология

Предвосхищая грядущий расцвет биотехнологии еще в 1929 г

Дж. Холдейн говорил: "Зачем брать на себя труд изготовления хи-

мических соединений, если микроб может сделать это за нас?" Не

случайно современные биотехнологи, употребляя микроорганизмы для

трансформации органических соединений, то есть, уподобляя их хими-

ческим реагентам, называют иммобилизованные биообъекты

"закован-

ными в цепи рабами".

Многие органические растворители, широко применяемые в хи-

мической промышленности, получают путем брожения - биохимиче-

ского процесса протекающего в анаэробных условиях. Химизм основ-

ных видов брожений был представлен выше. В каждом случае процес-

сы инициируются специфичной микробной культурой и проводятся

при определенных условиях.

Химическая промышленность органических соединений

бази-

руется сегодня в значительной мере на нефти, а большинство про-

изводимых ею продуктов переработки нефти получают путем частич-

ного окисления сырья. Достичь специфического контролируемого и

частичного окисления при помощи существующих катализаторов до-

вольно сложно, а микроорганизмы осуществляют эти типы реакций ма-

стерски, без труда. По этой причине особая роль в

решении поставлен-

ных задач отводится биокатализу. За последние годы значительно

возросло производство ферментов.

Ферменты во многих отношениях превосходят искусственные

катализаторы, и в первую очередь - по силе действия. Тысячи химиче-

ских реакций протекают в живых организмах при участии ферментов в

мягких условиях (температура и давление атмосферные). Скорость

этих реакций в миллиарды

раз быстрее, чем в присутствии лучших хи-

мических катализаторов. От искусственных катализаторов они отлича-

ются рациональностью своих действий, строго направленных и макси-

мально эффективных.

До сих пор химикам не удалось создать катализаторы, превосхо-

дящие по своей эффективности и специфичности биологические ката-

лизаторы.

Несмотря на широкое использование биокатализаторов в про-

мышленности, все

же в целом рынок ферментов оставался сравнитель-

но небольшим до появления иммобилизованных ферментов.

147

Основные причины такого относительно медленного развития -

нестабильность ферментов, сложность выделения продуктов перера-

ботки из гомогенных растворов, содержащих ферменты.

Получение иммобилизованных ферментов существенно расши-

рило спектр их применения наряду с традиционными областями.

Как известно, иммобилизация ферментов обнаруживает ряд со-

лидных преимуществ в сопоставлении с обычным ферментом. Она

позволяет остановить реакцию на любой

стадии, повторно ис-

пользовать катализатор, получать продукт незагрязненный фер-

ментом, гетерогенный процесс можно вести непрерывно и регу-

лировать скорость реакции. Существует множество способов иммо-

билизации ферментов, основные из которых были представлены выше.

Производство химических веществ на основе биокатализа

имеет следующие преимущества: специфичность, легкость кон-

троля, работа при низких температурах, совместимость

с окру-

жающей средой и простота.

Существует три главных способа синтеза химических соеди-

нений на основе биокатализа:

- путем использования культур клеток растений или животных,

образующих дорогостоящие вещества;

- путем использования микроорганизмов, при необходимости из-

мененных методами генетической инженерии, для биосинтеза или мо-

дификации химических веществ;

- путем использования измененных методами генетической

инженерии микроорганизмов в качестве "устройств" для экспрессии

генов растений и животных, что позволяет синтезировать в больших

количествах особые, присущие только высшим организмам химиче-

ские соединения.

Многие материалы химической технологии, используемые для

строительства инженерных сооружений, аппаратов, трубопроводов

подвержены биоповреждениям.

Разработка новых стойких к биоповреждениям веществ - актуаль-

ная задача химической технологии, которая может

быть решена мето-

дами биотехнологии. Новые материалы должны быть устойчивыми к

биоповреждениям, также как и к механическим, химическим и другим

воздействиям.

Биоповреждение - это любое нежелательное изменение

свойств какого-либо материала, вызванное жизнедеятельностью

различных микроорганизмов.

148

Биоповреждения - неизбежное следствие важнейшей роли ми-

кроорганизмов в круговороте элементов в биосфере. Проявления био-

повреждений весьма разнообразны: от порчи пищевых продуктов до

загрязнения смазочных масел и топливных систем, разрушения бетона,

резины, пластмасс и эластомеров, развития процессов электрохимиче-

ской коррозии.

Биоповреждение следует отличать от биодеградации. Биоповре-

ждение - процесс нежелательный, а биодеградация или

биоразложение

обычно рассматриваются как положительные процессы.

Биодеградация - это разрушение какого - либо продукта, по-

павшего в окружающую среду при участии биоассоциации.

Производство этилового спирта. Как известно, этанол широко

используется в химической промышленности. Из него получают

большое разнообразие органических растворителей - этилхлорид,

этиламин, бутадиен, этилен, ацетальдегид, ацетон и другие, кото-

рые, в свою

очередь, являются сырьем для производства важней-

ших продуктов органического синтеза.

Этиловый спирт должен быть бесцветным, прозрачным, без по-

сторонних частиц. Вкус и запах, характерные для каждого вида спирта,

выработанного из соответствующего сырья, без посторонних привкуса

и запаха. Чем выше сорт этилового спирта, тем меньше примесей он

содержит, тем выше его

крепость. Питьевой этиловый спирт произ-

водят разбавлением спирта-ректификата высшей очистки умягченной

водой до крепости 95%. По расходу сырья производство этилового

спирта самое крупное биотехнологическое производство в мире. Одна-

ко по стоимости валового продукта этанол занимает третье место сре-

ди крупнотоннажной продукции. Биотехнологические бродильные

процессы изучены сравнительно давно. Возбудителями спиртового

брожения

могут быть дрожжи - сахаромицеты, некоторые мицели-

альные грибы (Aspergillus oryzae) и бактерии (Erwinia amylovora, Sar-

cinaventricula, Zymomonas mobilis, Z. Anacrobia). В качестве сырья

для производства этанола в различных странах используют националь-

ные доступные растительные источники: зерновые, картофель и све-

кловичная масса - в России, Украине, Беларуси; сахарозу и тростнико-

вую мелассу - в США; рис - в Японии и т.д. В обозримом

будущем лю-

бой источник растительного сырья может использоваться для произ-

водства этанола; целлюлоза в древесине, соломе, торфе и т.д. Поэтому

сульфитные щёлока - отходы целлюлозно-бумажной промышленности

находят всё более широкое применение в биотехнологии этилового

149

спирта. Важным вопросом в крупнотоннажном производстве этанола,

является выбор сырья. Во внимание принимают главным образом эко-

номические аспекты - доля затрат на сырье в общей себестоимости.

Существенное значение имеет количество этанола, которое получают

из растительного сырья, выращенного на 1 га. Из сахарного тростника

получается максимальное количество этанола - 4032 л/га, из мелассы -

878 л/

га, из картофеля -166 л/га. Из этанола получают этилен - тради-

ционное сырье для органического синтеза. Из 3,8 кг сахара можно по-

лучить 1,7 кг этанола, из него - 1 кг этилена. Этанол как жидкое топли-

во пока не может конкурировать с бензином, поскольку, например в

США, полученный из зерна этанол в 2-3 раза дороже бензина. Суще

ствуют национальные программы замены части бензина (до 20%) эта-

нолом как топлива для автомобильного транспорта, что позволит

уменьшить импорт нефти. Необходимо отметить, что производство

спирта - одна из самых старых отраслей биотехнологии и известно

много способов его получения.

Рассмотрим наиболее известные способы получения этанола.

Технология комплексной переработки мелассы

В настоящее время у

нас на производство этанола расходуется бо-

лее половины ресурсов растительной мелассы. Отечественными био-

технологами разработана технология комплексной переработки мелас-

сы с получением из 1 т мелассы от 310 л до 320 л этанола, 100 кг прес-

сованных хлебопекарных дрожжей, от 80 кг до 85 кг кормовых дрож-

жей (сухих), от 10 кг до 13 кг диоксида углерода. Кроме

того, после

дрожжевую барду, содержащую 7 % сухих веществ, можно упаривать

до 60 % и использовать как кормовую добавку или как сырье для полу-

чения гранулированного органо-минерального удобрения. При дистил-

ляции спирта получают еще и сивушные масла в количестве 1 л на

200 кг этанола. Сивушные масла содержат спирты изоамиловый (62%),

пропиловый (12%) и изобутиловый (15%). Перед перегонкой

из браж-

ки выделяют хлебопекарные дрожжи, а на барде выращивают кормо-

вые дрожжи.

Замкнутая безотходная технология получения этанола (Ме-

тод Ямомото)

Ученый Ямомото (Япония) экспериментально доказал, что полу-

ченный из микромицетов рода Rhizopus комплексный ферментный

препарат, обладающий амилазной и пектиназной активностью, при до-

бавлении к дрожжам хорошо конвертирует крахмал растертой массы

катофеля

в этанол. Процесс реализуется при рН 4,2 и температуре

С. В этой технологии не требуется разваривать картофель и от-

150

дельно осахаривать массу. После мойки картофель измельчают и про-

водят одностадийную ферментацию. Этанол дистиллируют, а барду

вместе с ботвой направляют на метановое брожение. Биогаз использу-

ют для дистилляции этанола, а ферментированную жидкую фракцию

после метанового брожения со всеми минеральными компонентами

урожая возвращают на поле в качестве удобрения. Согласно данной

технологии с

1 га поля можно получить 270 л этанола за один цикл. Из

ферментированного субстрата с содержанием этанола 6-10% об. по-

следний выделяют в перегонных аппаратах, получая технический про-

дукт (сырец) с содержанием этанола 85 % . После ректификации полу-

чают продукт, содержащий 96,5% этанола. В среднем для получения 1

л этанола тратится 4 кг пара.

Получение этанола из синтетического

газа

В связи с ограничением ресурсов традиционного сырья для про-

изводства этанола сейчас разрабатываются процессы на основе новых

заменителей сахара. К ним можно отнести синтетический газ, по-

лучаемый из угля. Как известно, этот газ состоит из СО, Н

и СО

. Вы-

делены бактерии, способные конвертировать СО и Н

до этанола со-

гласно уравнениям :

6СО +ЗН

О=С

ОН + 4СО

;

6Н

+ 2СО

= С

ОН + ЗН

О.

При получении этанола из синтетического газа большое значение

имеет оптимизация массообмена между газовой, жидкой и твердой фа-

зами. В колонном аппарате можно получить концентрацию этанола от

2% до 3 %.

Биоконверсиия ксилозы в этанол

Во многих лабораториях у нас и за рубежом интенсивно изуча-

ется бактериальный синтез этанола с использованием целлюлозосодер-

жащих

видов сырья. Предполагается, что термофильная анаэробная

ферментация целлюлозосодержащих субстратов рентабельна при кон-

центрации этанола выше 4,5 %. Однако в настоящее время испытыва-

ют методы интенсификации спиртового производства, основанные на

использовании различных штаммов дрожжей. 75 % мирового произ-

водства биоэтанола получают в периодическом процессе при средней

длительности цикла 36 ч и содержании этанола в среде 6% (47 г/

л).

Можно отметить следующие методы интенсификации спиртово-

го брожения:

1) непрерывная ферментация (вместо периодической), что позво-

ляет увеличить продуктивность системы по этанолу до 5-6 г/л