3.4. Процес стерилізації у виробництві ферментів

Мета стерилізації полягає у знищенні усієї мікрофлори, яка вноситься в середовище з його компонентами, водою, повітрям, із зовнішніх та внутрішніх поверхонь обладнання та трубопроводів.

Необхідність стерилізації зумовлена тим, що продуценти ферментів надзвичайно чутливі до присутності сторонніх мікроорганізмів.

Основна проблема ефективного здійснення стерилізації полягає в тому, що для мікроорганізмів характерна висока стійкість до впливу підвищених температур. Значна кількість мікроорганізмів присутня в сировині у вигляді спорових форм, які здатні витримувати обробку парою при температурі 120-121^оС протягом десятків хвилин.

Відомі такі способи стерилізації:

• теплова обробка гострою або глухою парою;

• теплова обробка гарячим повітрям;

• використання струму високої частоти (частота 10-40 МГц, тривалість стерилізації – 1-10 хв, досягається повна стерильність; середовище нагрівається до 130-170^оС);

• використання іонізуючого випромінювання (5 МеВ, тривалість стерилізації 1-10 с);

• використання ІЧ-випромінювання;

• використання γ-випромінювання (достатня стерилізуюча доза становить 2,5 млн. рад, тривалість стерилізації – 2-5 с, температура – не вище 20^оС).

• використання УЗ-коливань;

• холодна стерилізація з допомогою оксиду етилену (витрата оксиду етилену становить 0,4 г/кг).

На сьогодні найпоширенішою є теплова стерилізація, хоча використання пари для стерилізації має ряд недоліків:

• низький коефіцієнт теплопередачі через закриті поверхні;

• обмежена швидкість нагрівання;

• громіздкість теплообмінних пристроїв;

• неможливість рівномірного нагрівання живильного середовища;

• потреба в теплоенергетичному обладнанні для генерування.

Ефективність процесу стерилізації залежить від таких чинників:

• тривалості;

• інтенсивності згубного фактора;

• стадії розвитку мікроорганізмів та їх здатності виживати у несприятливих умовах;

• концентрації мікроорганізмів у даному об’єкті.

Найбільшу життєздатність виявляють спороносні мікроорганізми, за стійкістю яких контролюють процес стерилізації живильного середовища. При всіх інших однакових умовах підвищеннятемператури стерилізації на 3-5^оС понад 100^оС різко зменшує тривалість стерилізації живильного середовища. Проте, слід враховувати, що використання високих температур разом із зменшенням тривалість стерилізації, може призвести до незворотних змін складу живильного середовища, зокрема білків, вуглеводів, стимуляторів росту та інших компонентів, а середовище зробити несприятливим для розвитку продуцента і нагромадження ним ферментів.

Деякі компоненти живильного середовища (крохмаль, і особливо жири) виявляють захисні функції, тому їх високий вміст у середовищі збільшує тривалість стерилізації. Тривалість стерилізації також залежить від його об’єму, який одночасно стерилізується, його фізико-хімічних властивостей і від виду мікроорганізмів, від яких намагаються звільнитися.

Досягнути абсолютної стерильності у промислових умовах майже неможливо, тому вважають, щостерилізація відбувається задовільно, якщо лише в одному випадку зі 100 стерилізацій у всьому об’ємі живильного середовища залишиться живою лише одна спора.

Апаратурне оформлення процесу стерилізації для поверхневого і глибинного культивування має суттєві відмінності.

Стерилізація твердих живильних середовищ для поверхневого культивування

Процес теплової стерилізації здійснюють періодично або безперервно з використанням гострої або глухої пари. Традиційний і найпоширеніший метод – стерилізація гострою парою при температурі від 104 до 140^оС.

При значній засіяності середовища мікроорганізмами теплової обробки недостатньо, тому для підвищення ефекту стерилізації додатково використовують фурацилін (1,5 г/100 кг СР стерилізованої маси) або 40%-й розчин формаліну (0,2% від об’єму води, що додається до стерилізованої маси). Посилення ефекту термообробки також досягають додаванням соляної, сірчаної і молочної кислот до оптимального значення pH середовища.

Тривалість періодичної стерилізації може становити від декількох хвилин до 6 годин і залежить від типу обладнання і способу теплової обробки середовища.

Використовують вертикальні та горизонтальні стерилізатори періодичної дії.

Процес стерилізації здійснюють у дві стадії:

• попередній нагрів середовища гострою парою до 100^оС при безперервному перемішуванні (15-20 хв);

• власне стерилізація при надлишковому тиску 0,05 МПа (104-110^оС) протягом 90 хв. У період стерилізації мішалки вмикають періодично на 3-5 хв через кожні 10-15 хв.

Недоліком періодичних стерилізаторів є їх громіздкість і періодичність дії.

Стерилізатори безперервної дії поділяють на муфельні, шнекові з витримувачем, вібростерилізатори.

Стерилізація рідких живильних середовищ для глибинного культивування

Рідкі живильні середовища стерилізують безперервним і періодичним способом.

Періодичний спосіб використовують для стерилізації невеликих об’ємів середовищ. Процес здійснюють безпосередньо у ферментаторі у такій послідовності:

• стерилізація ферментатора і всіх комунікацій гострою або глухою парою;

• заповнення ферментатора прогрітим гомогенізованим середовищем;

• нагрівання живильного середовища до температури стерилізації;

• витримка живильного середовища при цій температурі;

• охолодження стерильного живильного середовища у цьому ж апараті.

Такий спосіб тривалий і малоефективний. Для уникнення змін хімічного складу середовища підтримують такі умови процесу стерилізації: надлишковий тиск – 0,05-0,1 МПа, температура – 110-120^оС, тривалість – 1-1,5 год з моменту досягнення максимальної температури.

При безперервній стерилізації підтримують вищу температуру (140-145^оС) і меншу тривалість витримки (1-5 хв). Завдяки цьому зберігається харчова цінність компонентів середовища, практично усувається можливість його інфікування, збільшується ефективність стерилізації.

При використанні стерилізаційних установок безперервного типу – процес стерилізації ЖС складається з трьох етапів, кожен з яких здійснюється в окремому апараті:

• нагрів середовища до температури стерилізації (стерилізатор);

• витримка середовища протягом часу стерилізації (витримувач). Апарат може бути виконаний у вигляді циліндричної ємності, колони з поличками або тарілками чи у вигляді спірального теплообмінника;

• охолодження стерильного живильного середовища до температури культивування (теплообмінник).

Найжорсткішій режим стерилізації  застосовують для піногасника, оскільки спори бактерій у жирах і оліях виявляють у 2-3 рази вищу термостабільність, порівняно з водними розчинами. Тому піногасник стерилізують окремо від живильного середовища глухою парою періодичним способом в окремому апараті при надлишковому тиску 0,14-0,17 МПа протягом 1,5-2 год. Охолоджений стерильний піногасник зберігають під надлишковим тиском (0,03-0,04 МПа) стерильного повітря.

Стерилізація обладнання і комунікацій

При поверхневому культивуванні стерилізують все обладнання, пов’язане з приготуванням посівного матеріалу – ємності для засіву, кювети, ємності для води, для приготування посівної суспензії, посівні комунікації, а також виробничі кювети.

При глибинному культивуванні велику увагу приділяють герметичності обладнання і комунікацій. Ферментатор з комунікаціями стерилізують гострою парою при 120^оС, надалі охолоджують до 60-80^оС. Стерильне охолоджене живильне середовище передають у ферментатор при цій температурі та надлишковому тиску в апараті 0,04-0,06 МПа для забезпечення герметичності.

В обох випадках використовують такі умови стерилізації обладнання і комунікацій:

• кювети і скляний посуд у посівному відділенні – нагрівання до 160^оС і витримування протягом 60 хв;

• середовища, обладнання, комунікації – гострою або глухою парою;

• приміщення – опромінення бактерицидними лампами;

• поверхні столів, штуцери посівних апаратів, руки працівників – обробка етиловим спиртом.