3. Поверхневе культивування продуцентів фп. Апаратурно-технологічна схема
На процес біосинтезу ферментів впливають концентрація поживних речовин, їх збалансованість в середовищі, його вологість і температура, ступінь аерування, вік і стан культури та інші фактори. Залежно від способу культивування і фізіологічних особливостей продуценту значимість цих факторів і ступінь їх впливу на процес біосинтезу різні, однак і при цьому деякі загальні закономірності можна виділити.
Вологість поживного середовища при поверхневому культивуванні. Оптимальна вологість залежить від особливостей продуценту, складу і сипучості середовища, інтенсивності аерування і тривалості культивування.
Вологість 40-45% вважається несприятливою, оскільки при ній відбувається сильне спороутворення культури. При вологості 60-68% спостерігається зниження бюсинтетичної активності культури, погіршується проникливість середовища для повітря внаслідок злипання його часток. Для більшості продуцентів найбільше накопичення ферментів відбувається при вологості середовища 53-60%. При цьому тривалість культивування залежно від складу середовища і виду продуценту може бути в межах від 36 до 100 годин.
Аерування поверхневої культури. Аерування культури має чотири мети: забезпечення мікроорганізмів необхідним для їх розмноження киснем; видалення продуктів обміну; відведення теплоти дихання; підтримання вологості середовища на заданому рівні завдяки зволоженню повітря в кондиціонерах.
Найбільшу увагу приділяють відведенню теплоти. Оскільки при поверхневому культивуванні в основному використовують мікроскопічні гриби, необхідно розглянути фази їх розмноження.
Перша фаза –це набухання конідій (спор) і їх проростання, вона триває 10-12 годин. Значного виділення теплоти в цей період не відбувається і аерування культури незначне – 4-5 об'ємів повітря на об'єм камери за годину.
Друга фаза – стадія активного росту міцелію, яка триває 12-40 год. і супроводжується активним споживанням поживних речовин середовища, виділенням теплоти, діоксиду вуглецю і води. Кондиціоноване повітря з відносною вологістю 95-100% і температурою на 2-3°С нижчою від тієї, яку повинна мати культура, нагнітають із розрахунку 35-40 м3 на 1 т культури за годину.
Третя фаза - конідієутворення і накопичення вторинних метаболітів, в тому числі і ферментів. Температуру знижують на 3-4°С, обмін повітря зменшують в 3-5 разів. Коли накопичення ферментів досягає максимуму, в ростильну камеру подають сухе, підігріте до 38-40°С повітря. Культура за 2-3 год. підсихає до 10-15% вологості, що полегшує її подальшу обробку і відділення від перфорованої поверхні кювет.
Вплив температури і рН середовища. Для мікроскопічних грибів як мезофільних мікроорганізмів - оптимальна температура - 28-32°С. Серед бактеріальних продуцентів часто зустрічаються термотолерантні і термофільні мікроорганізми, оптимальна температура культивування яких 35-55°С.
При поверхневому культивуванні рН середовища мало змінюється проти встановленого через високу буферність і низьку вологість середовища. Оптимальне вихідне значення рН залежить від особливостей продуцентів. Гриби і дріжджеподібні організми добре розмножуються і синтезують ферменти в середовищах з рН від 3,8 до 6,0, а бактерії при рН, що близький до нейтрального.
На рис.9.1 представлено апаратурно-технологічну схему отримання ферментів поверхневим способом з роз'ясненням відповідних позицій технологічного обладнання.
Необхідні компоненти середовища через дозатори подають в стерилізатор у вигляді горизонтального циліндра з перемішуючими лопатками на валу; їх зволожують до 35-40% і стерилізують парою при 105-110°С протягом 1,5-2 год. Ефект стерилізації підсилюють внесенням антибіотику фурациліну із розрахунку 1,5 г на 100 кг сухого середовища.
Простерилізоване середовище охолоджують до температури культивування, подаючи в стерилізатор стерильне повітря, доводять його вологість до оптимальної для даного процесу стерильною водою. Засів середовища чистою культурою мікроорганізмів в кількості 0,2-1,0% до маси сировини проводять при перемішуванні безпосередньо в стерилізаторі.
Засіяне середовище шаром в 20-25 мм поміщають в стерильні кювети прямокутної форми 500 х 250 мм і висотою 4-5 мм. їх виготовляють із оцинкованого заліза, днища їх перфоровані для проходження кондиційонованого повітря. Кювети розміщують в ростильних камерах на стелажах-етажерках в 15-18 ярусів з відстанню між кожними 10-12 см для забезпечення достатнього обміну повітря.
Ростильні камери різних типів працюють за таким орієнтовним графіком: завантаження; культивування (20-72 год.); підсушування культури в кюветах сухим, підігрітим до 40-45°С повітрям протягом 3-4 год.; вивантаження; прибирання і миття камер; обробка їх антисептиком і парою (3 год.) і провітрювання (3 год.). Повний технологічний цикл залежно від продуцента триває 36-90 год.
Рис. 9.1. Апаратурно-технологічна схема одержання ферментів поверхневим способом на твердому середовищі: 1 – бункери; 2 – шнек; 3 – автоматичний дозатор;
4 – збірник-мірник стерильної води; 5 – мірник концентрованої кислоти; 6 – мірник для розчину соляної кислоти; 7 – стерилізатор сипучих компонентів; 8 – мірник для засівної культури; 9 – фільтри попередньої очистки повітря; 10 – фільтри тонкої очистки повітря; 11 – вентилятор; 12 – камера кондиціювання повітря; 13 – стіл для завантаження кювет; 14 – кювета; 15 – пересувна етажерка з кюветами;
16 – ростильна камера; 17 – етажерка з готовою культурою; 18 – кювета, яку розвантажують; 19 дробарка; 20 – камера для миття етажерок; 21 – камера для стерилізації етажерок; 22 – брудна кювета; 23 – камера для миття кювет;
24 – чиста кювета; 25 – камера для стерилізації кювет
Кюветний спосіб вимагає значних витрат ручної праці. Тому вчені і виробничники працюють в напрямі механізації даного виробництва. Для заводів малої потужності розроблено ростильні камери з роз'ємними вертикальними кюветами і автоматизованим вивантаженням культури.
В Росії розроблено механізовану установку для вирощування мікроорганізмів у товстому шарі (30-50 см) у вигляді вертикального циліндро-конічного апарату, розділеного горизонтальними перфорованими перегородками на ряд секцій. Кожну секцію оснащено мішалками для перемішування середовища і кращого проникнення повітря. Стерильне повітря подається в кожну секцію під перфоровані перегородки. Теплота, що-виділяється, відводиться з повітрям і за допомогою охолоджуючих сорочок. Перевантаження середовища з верхніх секцій на нижні здійснюється автоматично - пластини повертають на 90°.
Поверхнева культура має високу вологість, це нестабільний продукт, який треба відразу ж направляти у виробництво, на очистку і концентрування або сушити до рівноважної вологості 10-12% як технічний препарат. Для інтенсифікації сушіння культуру подрібнюють до часток розмірами 2-3 мм. Для сушіння використовують барабанні сушарки безперервної дії. Температура теплоносія на вході в сушарку становить 80-85°С, на виході – 60-65°С, препарат має температуру близько 40°С, оскільки внаслідок випаровування великої кількості води частки культури нагріваються мало і втрата її активності не перевищує 3-10%. Суху культуру розфасовують в різну сучасну упаковку.