3.1. Підготовка поживних середовищ

Стадія допоміжних робіт підготовка поживних середовищ включає ряд операцій:

• зберігання компонентів поживних середовищ та допоміжних речовин;

• контроль показників якості;

• дозування та приготування композиції компонентів поживного середовища;

• при необхідності стерилізація.

Вибір способу підготовки поживного середовища визначається типом біотехнологічного виробництва. І в цьому випадку приймаються до уваги:

• тип культивування (поверхневе або глибинне);

• тоннажність виробництва.

• рівень асептичності стадії біосинтезу можливі варіанти – асептичне, умовно асептичне та не асептичне;

• термолабільність середовища взагалі або його компонентів (субстратів);

• спосіб стерилізації (періодичний або безперервний);

Термінологія: - “Стерилізація – сукупність фізичних, хімічних, механічних способів позбавлення від вегетативних та спорових форм мікроорганізмів”.

Контамінація (забруднення) явище коли відбувається проникнення забруднювачів механічних або біологічних – біозабруднення. Біозабруднення життєздатна або не життєздатна мікрофлора або її частки, які можуть спричинити зміни якісних показників готової продукції.

Складські приміщення та зберігання компонентів поживного середовища

Сухі компоненти для приготування поживних середовищ зберігають в основній виробничий будівлі або в спеціальному складському приміщенні. Для зберігання використовують силосні башти (силоси), резервуари, збірники.

На заводи сировина надходить в цистернах, мішках, коробах, бочках тощо.

Всі ці продукти зберігають на центральних заводських складах, елеваторних банках, бункерах, підземних сховищах тощо. Звідси заводськими транспортними засобами сировину спрямовують в цехові склади і сховища.

Для зважування сировинних матеріалів використовують найрізноманітніші ваги, що є в арсеналі харчової та хімічної промисловості: від лабораторних електронних ваг до ваг, розрахованих на зважування 10…20 тонн сировини (елеваторні шкальні ковшові автоматичні ваги Одеського ВО “Точмаш” 120К10А та 341В20Л).

Транспортування сипких продуктів до бункерів реакторів змішувачів здійснюють за допомогою різноманітних конвеєрних ліній, норій та іншими пристроями.

При поверхневому способі культивування поживне середовище готують в стерилізаторі або спеціальній ємності з перемішуючим пристроєм, куди дозують окремі компоненти, змішують їх з водою або водним розчином збагачувачів (розварена маса, соли, кислоти, кукурудзяний екстракт). При глибинному способі культивування цех приготування середовища ізолюють від інших виробничих приміщенні, щоб запобігти попаданню нестерильної, забрудненої мікроорганізмами сировини в основне виробництво. У цеху приготування поживного середовища передбачаються спеціальні місткості, забезпечені мішалкою, сорочкою для обігріву, введенням гострої пари, а також різними введеннями з дозуючими пристроями для внесення в місткості компонентів середовища.

При великій продуктивності підприємства живильні середовища можна готувати централізований для всього підприємства в окремому будівель або в приміщенні, розташованому в безпосередній близькості до цеху стерилізації. Вибір будівельного рішення по розміщенню допоміжних цехів на промисловому майданчику залежить від багатьох чинників, і не тільки від продуктивності підприємства.

Способи приготування поживних середовищ різні і залежать від складу вхідних в середу компонентів. Для одних компонентів потрібна попередня обробка: подрібнення, дроблення, відварювання, екстрагування і т.д. Ці підготовчі операції проводять в спеціальних місткостях і в спеціальних апаратах. Підроблені компоненти середовища (подрібнена макуха, глютен, картопля, розчинена в гарячій воді і частково розбавлений кукурудзяний екстракт) подають при постійному перемішуванні через дозуючі пристрої в ємність для приготування середовища. Рекомендується точно встановлювати послідовність введення в суміш окремих компонентів. Ця вимога перш за все відноситься до мінеральних солей при приготуванні середовища для глибинного культивування.

Залежно від властивостей компонентів середовище можна готувати розчиненням або суспендуванням початкових матеріалів в холодній або підігрітій воді. Для приготування середовища можна використовувати декілька невеликих апаратів, в одному з яких готують водний розчин екстракту, в іншому клейстеризують крохмаль або розчиняють солі. В основному ж апараті проводять тільки змішування цих напівпродуктів в певних співвідношеннях і доводять суміш до певного об’єму водою. Якщо потужність підприємства невелика, готувати середовище можна в одній місткості, але при певній послідовності операції.

Цех приготування поживного середовища на великих підприємствах зазвичай має в своєму розпорядженні цілу систему апаратів різної місткості, в яких готують окремі компоненти поживного середовища.

З точки зору варіантів приготування компонентів поживного середовища існує два варіанти технологічного рішення:

- готують поживне середовище, що готове до використання;

- готують поживне середовище у вигляді концентрату, що потребує розведення перед застосуванням.

Як обов’язковий елемент технологічного рішення використовують установку фільтрів перед насосами при транспортуванні компонентів ПС для затримки механічних часток, що можуть ушкодити насоси.

Термін стерильність є некоректним, тому використовують термін - асептичність – стан виробництва коли відсутня контамінуюча мікрофлора.

Для стерилізації використовують 3 способи впливу:

• фізичний ;

• хімічний;

• біологічний

Дамо характеристику цим способам:

Хімічні способи. В основі способів – висока специфічна (вибіркова) чутливость мікроорганізмів до різних хімічних речовин, що обумовлено фізико-хімічною структурою їх клітинної оболонки та протоплазми. Хімічна стерилізація поділяється на стерилізацію розчинами (речовинами) та стерилізацію газами.

Фізичні способи стерилізації. Представлені:

• Теплова (термічна) стерилізація: парою під тиском; текучою парою; тіндалізація; повітряна;

• Радіаційна стерилізація;

• Ультразвукова стерилізація;

• Стерилізація струмами високої та надвисокої частоти;

• Стерилізація ультрафіолетовим випромінюванням;

• Стерилізація ІЧ- та лазерним випромінюванням.

Оскільки спосіб стерилізації впливає на якість отримуваної продукції, необхідно ретельно аналізувати кожний із можливих методів та підібрати найоптимальніший із них. Недоліки способу термічної стерилізації: неможливість стерилізації розчинів, що містять термолабільні речовини, небезпека роботи з парою під тиском. Приготування поживного середовища проводять різними способами в залежності від способу стерилізації. Якщо процес стерилізації проводять періодичним способом безпосередньо у ферментері, то всі компоненти середовища розчиняють у воді і змішують в одному реакторі. У випадку проведення безперервного процесу стерилізації компоненти середовища вуглеводного складу готують окремо від компонентів середовища, що містять азотисті речовини.

Періодична стерилізація здійснюється безпосередньо у ферментері та передбачає нагрівання поживного середовища до 135°С, витримку її при цій температурі протягом години, охолодження до 45 – 35 °С. Такий процес має ряд недоліків:

• достатньо велика тривалість процесу;

• утворення в процесі стерилізації злиплених комків різної величини;

• протікання цукрово-амінних реакцій, які приводять до утворення меланоїдінів, які, в свою чергу, сповільнюють ріст мікроорганізмів.

Специфіка цього процесу повинна враховувати особливості поживного середовища – термолабільність вуглецевого та азотного субстратів та необхідності високого рівня асептичності. Термічна стерилізація, що запропонована в дипломному проекті включає набір типових блоків:

- приготування вихідного поживного середовища для виробничого біосинтезу;

- приготування цукромісної частини поживного середовища;

- приготування азотовмісної частини поживного середовища;

- приготування комплексного і ростового підживлюючого середовища для виробничого біосинтезу.

Вибір способу стерилізації обумовлюється властивостями поживного середовища і як правило використовують серед фізичних способів – термічну стерилізацію, а для термолабільних ПС використовують фільтрування.

Термічний спосіб найбільше відповідає техніко-економічним вимогам виробництва. Отже з метою знезараження поживного середовища використаємо метод термічної стерилізації. Цей метод оснований на тому, що при високих температурах гинуть як вегетативні клітини, так і спори мікроорганізмів.

Характеристикою процесу стерилізації являється питома швидкість гибелі мікроорганізмів:

k = -1/N(dN/dτ) (1)

де k - відносна кількість мікроорганізмів, що гинуть за одиницю часу;

N – число особин в популяції.

З формули (1) після логарифмування отримаємо:

k = -1/τ ln(N₀/N) (2)

N = N_oe ^(-kτ) (3)

де N₀ - кількість живих мікроорганізмі перед стерилізацією. Отже, k не залежить від концентрації мікроорганізмів, а залежить від температури стерилізації, виду мікроорганізму, характеристики стерилізуємого об’єкту. Так як процес стерилізації проходить в декілька етапів (нагрівання середовища або апарату до температури стерилізації; витримування при цій температурі протягом часу, що забезпечує гибель мікроорганізмів; охолодження стерилізуємого об’єкту), то інтеграл можна записати так:

(4)

N = N₀e ₀^{-∫ k dτ} (5)

За теорією Ф.Х.Дейндорфера і А.Е.Хемфрі ліву частину рівняння (5) позначимо  = N₀е^τ ₀^{-∫ k dτ} - критерій стерилізації (6). Коли k = const і τ= const , то 

 = N₀e^-kτ (7)

 = kτ (8)

Щоб розрахувати ефективність стерилізації, по таблицям знаходять експериментальне значення k, що встановлюється за експериментальними даними для найбільш стійкого еталонного мікроорганізму спори Bacillus stearothermophilus. Для розрахунку і обґрунтування режиму стерилізації в умовах реального виробництва часто використовують наближений метод Т. Річардса. Цей метод передбачає:

• врахування критерію стерилізації об’єкта;

• витримування об’єкта при температурі стерилізації;

• охолодження.

Річардс довів, що обробка при t^o < 100⁰С складає 2% загального критерію стерилізації і провів розрахунок критерію стерилізації в інтервалі від 100 до 125⁰С при прогресуванні температури відпрацювання 1⁰С/хв. Пізніше було розраховано критерій стерилізації для температури 143 ⁰С - максимальної температури, яка використовується на теперішній час. Якщо температура нагрівання або охолодження відрізняється від прийнятого в таблицях, то використовується співвідношення:

Ñ5Ñ (t!t_cтер-100) (9)

де τ – тривалість зміни температури від 100 ⁰С до температури стерилізації.

Ефект стерилізації визначається за сумою критеріїв стерилізації:

SÑ5Ñ_н1Ñ_в1Ñ_ох (10)

По Річардсу повна стерилізація досягається при ΣÑ540, проте у промисловості використовуються режими, де ΣÑ580-100 і вище.

Цей метод може бути використаний для визначення показників асептичної ефективності:

S = n_з/n, (11)

де n_з - кількість загружених операцій,

n – загальне число проведених операцій.

В основі розглянутих методів лежить гіпотеза про експоненціальні залежності кількості клітин, що вижили від часу теплової дії. Однак, в реальних умовах ця гіпотеза нерідко не відповідає дійсності, і в таких випадках для розрахунку режимів стерилізації використовують імовірнісні методи, які полягають у встановленні імовірності виживання мікроорганізмів при даному режимі стерилізації у даному обладнанні або ймовірності отримання чистих операцій. Побудова імовірнісної моделі процесу стерилізації засновується на основі розподілу Пуассона.