2

1. Загальна біотехнологія
Лектор: доц. Пенчук Ю.М.

2. Тема 3: Поживні середовища.
Підготовка компонентів
поживних середовищ

3. Підготовка поживних середовищ
Рідкі компоненти поживних середовищ (кукурудзяний екстракт, зелену
патоку, мелясу, гідрол, рослинні олії, риб'ячий жир) доставляють у залізничних
цистернах і зберігають у спеціальних збірниках на складах заводів і
транспортують по комунікаціях за допомогою вакууму, стиснутого повітря або
перекачують насосами. Дозування рідких компонентів здійснюють по масі або
за об’ємом відповідно до пропису середовища і контрольних показників
кожної партії цього нестандартного виду сировини.
Рідкі поживні середовища готуються в апаратах–змішувачах з мішалкою,
куди завантажують окремі компоненти у визначеній послідовності,
установленої за регламентом.
Сипкі компоненти середовищ із транспортної тари забирають або в
спеціальні бункери або зберігають на складах у вихідному упакуванні. Для
транспортування сипучих компонентів використовують стрічкові і гвинтові
конвеєри, елеватори, пневматичний транспорт.

4. Підготовка поживних середовищ
Приготування складних комплексних середовищ, до складу яких, крім
мінеральних компонентів і цукрів, входить борошно, крохмаль,
кукурудзяний екстракт, проводять у декількох змішувачах. Кукурудзяний
екстракт звичайно кип'ятять із крейдою для нейтралізації амінокислот, що
утримуються в ньому, і органічних кислот. Борошно, крохмаль попередньо
заварюють і ретельно перемішують, щоб не допустити утворення великих
грудок, що можуть бути причиною нестерильних операцій, тому реактори
повинні бути постачені барботерами для подачі пари.
Для зниження в'язкості поживного середовища, яке
містить велику концентрацію кукурудзяного борошна
або крохмалю, проводять їхній частковий гідроліз
амілолітичним ферментом – орізином (продуцент –
Aspergillus oryzae) з наступною його інактивацією
нагріванням. Іноді необхідність проведення такої
операції обумовлена фізіологією продуцента, для якого
призначається середовище.
При виробництві хлібопекарських дріжджів мелясні
середовища спеціально освітлюються. При виробництві пива і
етанолу процес варіння середовища включає оцукрювання
крохмалю. При виробництві кормових дріжджів на
гідролізатах, з останніх видаляється фурфурол.

5. Якщо до рецептури входять малорозчинні інгредієнти, процес емульгування
також відноситься до варіння середовища.
У зв'язку з тим, що здебільшого поживного середовища
поєднують рідку і тверду фази, виникає необхідність
тонкого подрібнювання твердих компонентів – висівок,
борошна грубого помелу, рибно–кісткового борошна,
соєвої макухи. У цих цілях з великою ефективністю
використовують роторно–пульсаційний апарат, або
РПА, через який пропускають суспензію компонента
перед заварюванням або після нього. Завдяки цій
процедурі не тільки руйнують грудки, що утворилися
при заварюванні, але і підвищують ступінь
використання сировини, так само як і одержують
можливість застосовувати окремі види сировини
(наприклад, середовища з рибно–кістковим борошном).
Підготовка поживних середовищ
Деякі види сировини, наприклад, соєве борошно, викликають
підвищене піноутворення середовища, тому для зниження
піноутворення при стерилізації в такі середовища додають жир як
піногасник. Подібна міра викликана технологічною необхідністю, у
принципі, додавання жиру в середовище підвищує стійкість спор до
теплового впливу і тому вкрай небажана. Усі жирові компоненти
середовищ необхідно стерилізувати окремо. Для цього, як правило,
попередньо готують водно–масляну або водно–жирову емульсію з
господарським милом, що підвищує її стійкість.

6. Тема 4: Стерилізація поживних
середовищ

7. Стерилізація поживних середовищ
Метою стерилізації є знищення всіх мікроорганізмів, що знаходиться в
поживному середовищі. Особливо це стосується середовищ, що
складаються з відходів і можуть містити гнильні і патогенні
мікроорганізми.
Досягти повної стерильності
практично дуже важко, тому що
деякі мікроорганізми, особливо
спороутворювальні, витримують
вплив високих температур
протягом тривалого часу.
Велике значення мають властивості об'єктів,
що стерилізуються. Деякі речовини можуть
підсилювати стерилізуючий ефект,
наприклад, кислоти, а деякі, навпаки,
спричиняють протекторний вплив, тобто
збільшують стійкість мікроорганізмів до
температури і тиску, наприклад, жири і
крохмаль.
Методи стерилізації:
1. Фізичні.
2. Хімічні.
3. Біологічні.

8. Ефективність стерилізації
залежить від:
1) температури;
2) тривалості процесу;
3) складу середовища;
4) конструкції апарата;
5) ступеня обнасінення середовища,
що стерилізується;
6) вимог стерильності на наступних стадіях.
Стерилізація поживних середовищ
Найбільш розповсюджених і універсальним
серед можливих методів, що викликають
деструкцію мікроорганізмів, є метод, заснований
на використанні вологого тепла. Характерною
рисою, що відрізняє дію вологого тепла на
мікроорганізми і хімічні речовини є висока
енергія активації, що характерна для мікробів.
Стерилізація середовищ - це будь-який метод впливу, що забезпечує видалення
з них мікробів-контамінантів або руйнування останніх.

9. По різниці значень енергії активації можна говорити про те, що однакове
збільшення температури впливає на загибель спор і термічну деструкцію
хімічних сполук.
На практиці головна мета стерилізації – досягнення стерильності, але
збереження якості поживного також середовища має важливе значення,
тому що безпосередньо від цього буде залежати результат процесу
ферментації.
Стерилізація поживних середовищ
Завдяки розходженням в енергії активації
відмирання термостійких спор при високих
температурах відбувається значно швидше,
ніж швидкість хімічної реакції. Тривалість
експозиції, або час витримки – це той
часовий інтервал, у межах якого гинуть
мікроорганізми. Загибель останніх спор у
середовищі є випадковим процесом, тому
введено поняття "критерій стерильності"
(N) – відношення числа операцій стерилізації,
у результаті яких вижили по одній
термостійкій спорі, до загального числа
проведених операцій.
Для стерилізації середовищ приймають
критерій стерильності, рівний
0,01±0,001. Якщо вихідна кількість спор
у середовищі прийняти No, то одержимо
співвідношення N/No – рівень
стерильності або коефіцієнт виживання,
що означає, що для досягнення заданого
критерію стерильності (наприклад 0,01)
середовище повинне витримуватися при
температурі стерилізації суворо
визначений час, щоб "популяція" спор
знизилася від вихідного значення N0 до
N/N0 (наприклад, до 10–16).

10. де N - кількість мікроорганізмів у момент часу τ;
k - питома швидкість загибелі мікроорганізмів.
Знак „-” означає, що в процесі стерилізації відбувається зменшення
кількості живих мікроорганізмів.
Привівши цей вираз до зручного для
інтегрування виду, отримаємо:
Стерилізація поживних середовищ
Швидкість загибелі клітин можна виразити в такий спосіб:
dN
= -kN
dτ
kdτ
N
dN
−=
Інтегруємо цей вираз, з огляду на те,
що при τ=0, N=N0 (N0 - кількість
мікроорганізмів перед
стерилізацією).
kτ
0
N
N
ln −=
або
kτ
N
0
N
ln =
Ліву частину рівняння називають
критерієм стерилізації і
позначають символом (набла).
∇
∇
kτ∇ = (за умови постійної
температури)

11. Графічні інтерпретації кінетики загибелі мікроорганізмів
Стерилізація поживних середовищ
0
kN
e
N
τ−
=
k – константа швидкості
загибелі
різних форм
мікроорганізмів;
N0 – константа виживання.
N/N0
τ
80°C
50°C
N/N0
τ
80°C
50°C
Спори Вегетативні клітини
Графічні інтерпретації визначаються наявністю логарифмічної швидкості
загибелі спор та прямопропорційною швидкістю загибелі вегетативних
клітин.

12. Теплову стерилізацію середовищ (по способі її проведення)
підрозділяють на періодичну і безперервну.
Стерилізація поживних середовищ
При періодичному способі стерилізації
процеси: нагрівання, витримка й
охолодження середовища протікають
послідовно в часі в одному апараті. Це
може бути ферментатор, посівний апарат
або спеціальний стерилізатор. Весь обсяг
середовища нагрівають в апараті до
заздалегідь обраної температури,
витримують при цій температурі строго
визначений час і прохолоджують водою,
подаваної в сорочку апарата або змійовик.
Періодична стерилізація Графічне зображення
τ
t
нагрівання охолодженнявитримка
80...100н в о∇ = ∇ + ∇ + ∇ =∑

13. Теплову стерилізацію середовищ (по способі її проведення)
підрозділяють на періодичну і безперервну.
Стерилізація поживних середовищ
Періодична стерилізація
Переваги:
1. Простота.
2. Надійність.
Недоліки:
1. погіршується якість поживного
середовища через тривалий вплив
високої температури (відбувається
карамелізація цукрів, деструкція
вітамінів
2. утворення потенційних інгібіторів
процесу ферментації, таких як
аміноцукри).
3. потрібна підвищена витрата пари за
короткий період нагрівання.
неможливістю регенерувати тепло.
4. труднощі автоматизації процесу
періодичної стерилізації в порівнянні
з безперервним.

14. Теплову стерилізацію середовищ (по способі її проведення)
підрозділяють на періодичну і безперервну.
Стерилізація поживних середовищ
Безперервна стерилізація
При безперервному способі
стерилізації кожен елементарний
процес – нагрівання, витримка,
охолодження здійснюється в
спеціально призначених для цього
апаратах: нагрівачі, витримувачі,
теплообміннику, що складають
систему апаратів для безперервної
стерилізації – установку
безперервної стерилізації (УБС).
Графічне зображення
τ
t
kτ∇ =

15. Теплову стерилізацію середовищ (по способі її проведення)
підрозділяють на періодичну і безперервну.
Стерилізація поживних середовищ
Безперервна стерилізація
1. при безперервному методі стерилізації кожен
елементарний обсяг середовища (нескінченно
малий обсяг, що містить одну спору) знаходиться
при високій температурі короткий час;
2. завдяки більш високим температурам
стерилізації і короткої експозиції деструкція
компонентів поживного середовища мінімальна;
3. процес стерилізації всього обсягу поживного
розтяг середовища в часі, цим забезпечується
більш рівномірне завантаження котельні;
4. процес легко контролювати і керувати ним;
можлива часткова регенерація тепла.
Переваги:

16. Стерилізація поживних середовищ
Схема установки безперервної стерилізації – УБС-5

17. Стерилізація поживних середовищ
Схема установки безперервної стерилізації – УБС-25

18. Стерилізація поживних середовищ
Схема рекуперації тепла
Стерильне
поживне
середовище
(t=120°C)
Нестерильне
поживне
середовище
(t=40°C)
Частково
нагріте та
охолоджене
поживне
середовище
(t=70°C)
Холодна
вода
Нагріта
вода
Охолоджене
поживне
середовище
(t=40°C)