Глава 1. Технология биохимических процессов.

Биохимическими процессами называют процессы направленной жизнедеятельности микроорганизмов, скорость которых определяется приростом биомассы либо продуктов их метаболизма.

Биохимические процессы занимают значительное место в пищевой технологии.

1.1. Общие сведения.

Биохимические процессы осуществляются с помощью живых микроорганизмов. Они потребляют из окружающей среды- субстрата питательные вещества – сахарозу, глюкозу, лактозу и другие углеводы. Микроорганизмы дышат, растут, размножаются, выделяют газообразные и жидкие продукты метаболизма, реализуя тем самым накопление биомассы или продуктов метаболизма, ради чего и проводится процесс ферментации. Так, при производстве дрожжей, белково-витаминных концентратов целевым продуктом является биомасса, а в других случаях, например, при производстве антибиотиков, ферментов и др. – продукты метаболизма, синтезируемые клетками микроорганизмов. При этом продукт жизнедеятельности микроорганизмов может накапливаться в клетке либо выделяться в культуральную жидкость.

Микробиологический синтез используют для получения ряда ценных продуктов, производство которых методами химической технологии невозможно или экономически нецелесообразно. Например, получение ферментов, бактериальных препаратов, белка, антибиотиков, ряда витаминов возможно только путем микробиологического синтеза.

В пищевой промышленности микроорганизмы используют в хлебопекарном производстве при брожении теста, в бродильных производствах (виноделие, пивоварение, производств пищевого спирта, лимонной, молочной и уксусной кислот, дрожжей), в консервировании, а также при переработке сельскохозяйственного сырья. Производство дрожжей связано с получением больших количеств биомассы. Для получения дрожжей, а также ряда органических кислот используют метод глубинной ферментации микроорганизмов в кислой среде. При этом не требуется высокой степени асептики, так как возможность развития посторонней микрофлоры мала.

Питательные среды и культуральные жидкости содержат сахар, спирты и другие компоненты в концентрациях, при которых рост многих микроорганизмов затруднен. В ряде случаев применяют анаэробы, для культивирования которых не требуется кислорода, что также затрудняет рост посторонней микрофлоры.

В связи с этим не возникает проблем стерилизации больших количеств жидкости, оборудования, его герметизации, тонкой очистки воздуха. Выделение готового продукта происходит в сепараторах в жидком виде с последующей сушкой в распылительных сушилках.

При получении бактериальных препаратов и веществ, обладающих физиологической активностью, таких как антибиотики, ферментные препараты, закваски, удобрения, витамины, аминокислоты, гормональные препараты и др., требуется защита рабочей среды на стадии ферментации и на других стадиях технологического процесса от попадания посторонней микрофлоры.

Посторонняя микрофлора может попасть в рабочую среду с культуральной жидкостью, воздухом, подаваемым в ферментатор, или может развиваться в самом аппарате при недостаточной его стерилизации и герметизации. В качестве продуцентов используется не смесь штаммов, а, как правило, один определенный штамм.

Проведение технологического процесса в условиях, сопутствующих развитию посторонней микрофлоры при t = 25…35⁰С, рН = 6,2…7,2, и в отсутствии строгой стерилизации и герметизации оборудования может привести к полному подавлению роста целевого продукта или к резкому снижению выхода целевого продукта. Поэтому в этих условиях предъявляют повышенные требования к асептике: тонкой очистке воздуха, стерилизации оборудования и культуральной жидкости. Синтез проводят в аппаратах с мешалками непрерывного и периодического действия, которые называются ферментаторами. Целевой продукт выделяют из культуральной жидкости путем фильтрования, сепарирования, экстракции, выпаривания и сушки. Наиболее распространенными методами сушки являются распылительная, сублимационная, вакуумная и сушка в псевдоожиженном слое.

Анализ и расчет ферментаторов основывается на информации о микрокинетике процесса ферментации, который включает кинетику роста биомассы в зависимости от концентрации компонентов субстрата и др. параметров, а также на изучении закономерностей массо- теплообмена.

Особенности биохимических процессов следующие: образование или разрушение различных продуктов с помощью живых микроорганизмов, саморегулирование, которое обычно направлено на ускорение роста биомассы. Кроме того, все внутриклеточные процессы протекают и регулируются белковыми биокатализаторами – ферментами. Клеточные оболочки мембраны обладают избирательной проницаемостью, на внешнее воздействие регуляторные механизмы клетки реагируют приспособительной реакцией, направленной обычно в благоприятную для жизнедеятельности микроорганизмов сторону.