Mezőgazdasági Kiadó, Budapest Ipari fermentációs eljárások alapjai, berendezések Aerob fermentációs technológiák Rezessyné dr Szabó Judit, egyetemi docens Sör- és Szeszipari Tanszék Ajánlott irodalom: Gyimesi, J. és Sólyom, L. (1979): Élesztő és szeszipari kézikönyv Mezőgazdasági Kiadó, Budapest Pándi, F., Sólyom, L. (1982): Az ecetgyártás

Ipari fermentációs eljárások fevere =forr Értelmezés: biokémikusok ipari mikrobiológusok BIOKÉMIKUSOK: szerves vegyületek lebontásához kapcsolódó energia nyerés IPARI MIKROBIOLÓGUSOK: tágabb értelmezés mikroorganizmusok alkalmazása szerves anyagok enzim katalizálta átalakítása céljából A fermentáció híd: ősi kultúrák jelenkor biológusok mérnökök biológia elektronika, komputer technológia A fermentációs technológia: fermentációs technika feldolgozási technika

Levegőztető rendszerek A levegőztetőknek biztosítani kell: az élesztősejtek oxigén ellátását a tápközeg keverését a keletkezett széndioxid eltávolítását Levegőztető rendszerek Álló levegőztetők Forgó levegőztetők Kombinált levegőztetők Hatásfok függ: tartózkodási időtől anyag átadási felület nagyságától Az oxigén beoldódást meghatározza: a levegőztetés módja a levegő buborékok nagysága, száma a levegő buborékok tartózkodási ideje a folyadékban a cefre összetétele a hőmérséklet és a nyomás

Oxigénabszorpció KL: Tömegátviteli koefficiens (O2-re!) mikroba flokkulum gomba pellet egyedi sejt gázbuborék gáz-folyadék határfelület oldott O2 a fermentlében HAJTÓ ERŐ KL: Tömegátviteli koefficiens (O2-re!) a: Gáz-folyadék hetárfelület KLa: Teljes abszorpciós koefficiens Levegőztetési hatékonyság C*: Telítési O2 koncentráció C: Aktuális O2 koncentráció lépései: 1. gázbuborék - gáz-folyadék határfelület 2. folyadék-film diffúzió 3. folyadék főtömege konvekció 4. mikrobát körülvevő folyadékfilm diffúzió 5. mikrobán belüli diffúzió 6. végső ellenállás az oxigénhasznosulás „reakció ellenállása” sebesség meghatározó lépés: a gázbuborék belsejéből a folyadék főtömege felé irányuló diffúzió C*= f(T°, O2 nyomás) Hőtoleráns mikroorganizmus mezofilbe

Álló levegőztetők Perforált csöves levegőztető Sugár csöves levegőztető levegõ be távozó levegõ távozó leveg ő ő be tápanyag adagolás Külső, belső vízhűtés 1-3 mm-es furatok Rossz hatásfok: 1-2 % Eltömődő furatok Max: 2-5 m3 reaktorok

Forgó levegőztetők Vogelbusch levegőztető Frings-féle önszívó levegőztető fékező lapok forgó levegő elosztó Kavitációs sapka levegő Előnyei: Nem igényel kompresszort, nincsenek eltömődő furatai, könnyen tisztítható A reaktor teljes térfogatában egyenletesen eloszlatja a levegőt. Jó hatásfokkal dolgozik: 30-35 % Forgó, üreges propeller perforált vagy hasított Késleltetett buborék eltávozás 100-200 ford/perc

Fermentációs termékek Mikrobiális biomassza Elsődleges metabolit termékek Másodlagos metabolit termékek Makromolekulák: enzimek poliszacharidok Rekombináns termékek

A fermentorok minimális szintű mérési és szabályozási feladatai rpm M hőmérséklet szabályozás P keverés szabályozása pH habgátlás gőz

Fermentációs technológia Cél: megfelelő mennyiségű és minőségű termék előállítása Szakaszos technológia – léptéknövelés

Élesztő biomassza előállítás műveleti lépései Melasz és tápanyag előkészítés Oltóélesztő és színtenyészet készítés Üzemi fermentáció Biomassza kinyerés – – feldolgozási technológia sütőélesztő aktív szárított élesztő inaktív biomassza

Saccharomyces cerevisiae Fakultatív anaerob szervezet Anyagcserét szabályozó mechanizmusok Pasteur effektus molekuláris oxigén jelenlétében az erjesztés gátlódik Crabtree effektus a cukor felesleg még jó oxigén ellátás mellett is gátolja a légzési enzimeket Sejt morfológia Aerob körülmények között: C6H12O6 6CO2 + 6H2O + 2876 kJ

A kereskedelmi sütőélesztő kémiai összetétele Víz: 72 % (20 % külső, 52 % belső víz) Szerepe: oldószer kolloid szerkezet Ásványi anyagok: 5-10 % (sz.a. %-ban) P>K>Mg>Ca>Fe>Na nyomokban: Cu, Zn, Mn, Co Szervesanyagok: 90-95 % (sz.a. %-ban) szénhidrátok (20-50 %) glikogén glükán-mannán trehalóz fehérjék (30-40 %) emészthetőség (86%) nukleoproteidek lipoidok ( 1-2 %) valódi zsírok szterinek, karotinoidok (ergoszterin) Vitaminok vízoldható vitaminok: B vitamin család PAB Nikotinsav Pantoténsav Biotin Folsav zsíroldható vitaminok: A-prekurzor D-prekurzor E = tokoferol K = phyllochinon U = ubichinon ENZIMEK

Az élesztőgyártás alap- és segédanyagai Szénforrás: Melasz Nitrogénforrás: szervetlen nitrogén tápsók: ammónium-szulfát ammónium-hidroxid monoammónium-foszfát diammónium-foszfát Foszfortartalmú anyagok: mono-, diammónium-foszfát vagy foszforsav Ásványi anyag igény: a melasz fedezi Növekedést serkentő anyagok: biotin adagolás Víz: Levegő: Az élesztő sejtanyagának előállításához

Melasz összetétele Víz – Cukor/szacharóz – nem cukoranyagok Száraz anyagtartalom: 80 % (50 % cukortartalom) Nem cukor anyagok szerves nem szerves (8-12%) Szerves anyagok: nitrogénmentesek: hemicellulózok pektinanyagok szerves savak raffinóz invertcukor nitrogéntartalmú: szabad aminosavak

Melasz előkészítés Előmelegítés Hígítás, savazás Hőkezelés Derítés 50 °C pH=5,0 1-2 perc 138 °C

Oltóélesztő előállítás Színtenyészet: Egysejt kultúra Laboratóriumi színtenyészet Kémcső 200 ml  2000 ml 2-3 nap 30°C Üzemi színtenyészet 200-400 liter buborékoszlop reaktor 1 – 2 m3 34 °C, 9 – 10 óra A fermentáció folyamatának ellenőrzése: cukorfogyás savfok biológiai tisztaság

Üzemi fermentáció Erjeszthető szénhidrát-koncentráció: több egymást követő szaporítási lépésben Erjeszthető szénhidrát-koncentráció: Ha csökkentjük a fermentlé aktuális cukorkoncentrációját, akkor a szaporodást segítjük elő a szeszképződés rovására. Nagyüzemi megoldás: rátáplálásos technológia A szakaszos tenyésztés végén friss, koncentrált tápoldatot adagolnak a rendszerbe. Az adagolás mértékét a fermentor szabad térfogata határozza meg. Szénhidrát adagolással a katabolit represszió megakadályozható. Nagy a produktivitás f

MAUTNER-féle technológia Üzemi színtenyészet (1. anyaélesztő) Üzemi szaporítási lépések: (2. anyaélesztő) 9 Blg° steril melasz + tápsók; 26-28°C, 15 m3, 50-100 m3/óra/m2, 3– 4 % alkohol, 9-10 óra  4 Blg° (3. anyaélesztő) csöves levegőztetők rátáplálásos technológia 100 m3, 1/3 melasz + tápsók; 28-30°C, 150-200 m3/óra/m2, (4. anyaélesztő) üzemi ágy készítése: steril melasz 15-20%-a 1,4 Blg°, beoltás a 3. anyaélesztő 1/3-ával, 250-300 m3/óra/m2, 12 óra Tárolás: sűrűtej formájában hűtés Eladó élesztő Tápanyag 5-10 %-a, 0,8 Blg°, beoltás a 4. anyaélesztő 1/5-vel, 300 m3/óra/m2, 12 óra Kitermelés: 100 kg melaszból (50 % cukor) 72-75 kg prés élesztő 8-9 Blg° 3 óra 5-6 Blg° 2,6-2,8 Blg° adagolás

Sűrűcefrés eljárások Technológiai fejlesztés előidézője intenzív levegőztetők Oxigén hasznosulás 20 -22 % Oltóélesztő mennyiségének növelése Melasz felhasználás növelése Szakaszos technológia – fermentor kapacitás növekedése Szaporítási ciklusok: 13-16 óra 3. generáció  4. generáció 5. generáció Kitermelés: 100 kg melasz  90-92 kg présélesztő

Feldolgozási technológia Biomassza kinyerés Fermentlé szeparálása, élesztőtej mosása, sűrítése, 20-22 % sz.a. Hűtés Tárolás Dob- Form. szűrés 35 % sz.a.

Szárított sütőélesztő előállítás Fermentáció CÉL: nagy trehalóz tartalmú élesztő biomassza élesztőtörzs enyhén alkoholos közeg: szénhidráttartalom növelése levegőztetés csökkentése Feldolgozási technika CÉL: aktív szárított élesztő

Aktív szárított sütőélesztő előállítása Koncentrálás: 35 % szárazanyagtartalom Extrudálás (adalékok: antioxidáns, felületaktív anyagok, stabilizálószerek) Dehidratálás: meleg levegő – fluidizációs szárítóberendezés Csomagolás

Ecet fajták Ecet: ~valamilyen etanol tartamú oldat fermentációja során nyert ecetsav tartalmú termék ~ valamely mezőgazdasági termék kettős fermentációjával előállított ecetsav tartalmú termék Fajtái: szeszecet borecet almaecet malátaecet savóecet zöldségecet mézecet

Ecetsav-baktériumok rendszertani besorolása Pseudomonodales Család: Pseudomonaceae Nemzetség: Acetobacter Gluconobacter (Acetomonas)

Ecetsav-baktériumok biokémiája Általános jellemzőik: szerves anyagok oxidálására képesek (etilalkohol ecetsavvá oxidálása), obligát aerob légzést folytatnak alacsony pH-án (2,5-3,0) is életképesek Gram-negatív jellegűek kicsi, rövid, olykor megnyúlt pálcák, egyesével esetleg láncokban faji tulajdonságaik labilisak, nagy mutációs hajlam Anyagcseréjük: szerves anyagok oxidálása a pentózkörben az Entner-Doudoroff úton a citromsav ciklusban glikolízis révén történő lebontás nem játszik szerepet Acetobacter: sejtet körülvevő csillózat - esetleg hiányozhat is acetátot, laktátot oxidálják Gluconobacter (Acetomonas): sarki csillózat - esetleg hiányozhat is acetátot, laktátot nem oxidálják nem rendelkeznek a citromsav-ciklus működtetéséhez szükséges enzimekkel

Az ecetsav-baktériumok élettani sajátságai Tápanyagigény: C forrás: alkoholok, monoszacharidok N forrás: ammóniumsók, aminosavak, peptidek Ásványi anyagok: P, Mg, K, Ca, Fe, Cu, Mn, S Vitaminok: pantoténsav, tiamin, p-amino-benzoesav, nikotinsav Bioszanyagok: élesztő autolizátum, kukoricalekvár, malátakivonat Alkoholtűrő képesség: 13 tf % Savtermelő képesség: 10-13 tf % Optimális szaporodási hőmérséklet: 25-32°C Hőpusztulás: 50-60°C Levegőigény: az ecetsav-baktériumok 1 g szárazanyagra számolt specifikus oxigénigénye: 7750 ml O2/óra

Acetobacter és Gluconobacter törzsek etanol oxidációja ecetsavvá CH3CH2OH Optimális oxidációhoz elegendő oxigén szükséges: az Acetobacter növekedéséhez: etanol > 0,02 % és ecetsav jelenléte is szükséges Az oxigén hiány a sejtek elhalásához vezet Összkoncentráció (g ecetsav/100g + tf % alkohol) Oxigénhiány Sejtpusztulás 5 % 2 min 34 % 12 % 10 – 20 sec

Az ecetgyártásnál alkalmazott tápközegek

Ipari eljárások – Nyugvó cefrés eljárások Orleánsi eljárás Pasteur eljárás 1 m2 alapterület, 30 cm magas Battériákba rendezhető Alapanyag: pasztőrözött bor Elérhető savtöménység: 10 % Hártyaképződés - Diffúziós anyagátadás Fermentációs ciklus idő 8 nap (10 l ecet) Termék: orleánsi borecet 4-5 % ecetsav tartalom, kellemes zamat

Mozgó cefrés eljárás – Frings-féle óriásképző 30-90 m3 gyűjtőtér levegő ecetelvétel forgácstér cefrevezeték elosztótér forgácstér Fajlagos levegő: 3-4 m3 Lefejtés: 0,3 tf % alkohol konc. Első ipari rögzített sejtes eljárás

Felületi, mozgó cefrés ecetgyártás műveleti lépései Denaturálás: 34 tf % alkohol 3,3 g/100 cm3 ecetsav Cefre készítés: 11,5 tf % alkohol 1,2 g/100 g ecetsav tápanyag: 1 g/l glükóz 0,5 g/l (NH4)2HPO4 0,5 g/l MgSO4 0,5 g/l MnSO4 nyomelem vitamin Fermentáció 0,03 tf % alkohol 11,5 tf % ecet

Szubmerz ecetgyártás – Frings acetátor Saválló acéltartály Levegőztető berendezés Levegőrotaméter Levegővezeték Habtörő Eltávozó levegő vezetéke Hűtővezeték Ellenőrző hőmérő Cefreszivattyú Fejtőszivattyú Alkográf vezérli az ecet lefejtését a cefre feladását