curs 6 bioreactoare apreciere lactate

7/27/2019 CURS 6 Bioreactoare Apreciere Lactate

1/43

Dup modul de funcionare: Discontinue (n arje)

Semicontinue

Continue

Cu recirculare

Dup necesarul de oxigen:Aerobe

Anaerobe

BIOREACTOARE - Clasificare


2/43

Indicator Bioreactoare discontinue Bioreactoare continue

Costuri investiii reduse ridicate, datorit costurilor cuautomatizarea

Costuri manoper mari, datorit numrului mare depersonal (pot fi reduse prin

automatizare)

reduse, ca efect al automatizriiavansate

Flexibilitate ridicat redus, datorit domeniului restrnsde variaie a parametrilor

Volum bioreactor relativ mare relativ mic

Pericol de infectare a culturii redus, datorit currii i sterilizriidup fiecare arj

ridicat, deoarece bioreactoarelefuncioneaz continuu mai multe

luni

Calitatea materiei prime

utilizatepoate fi diferit de la o arj la alta trebuie s fie aceeai

Conversia

substratului

ridicat poate fi redus

Uzura instrumentelor de

msur i control ridicat, datorit sterilizrilor

repetate redus, sterilizarea realizndu-se doar

la pornire

Apariia inhibitorilor sau a

condiiilor nefavorabile de

mediu

relativ des, datorit gradului redus

de automatizare relativ rar, datorit automatizrii

avansate


3/43

Mecanic: agitatoare cu diferite configuraii Amestecare pneumatic (prin barbotarea unui gaz)

(tip coloan, tip air-lift, cu strat fluidizat)

Amestecare hidraulic (bazate pe circulaia unuilichid de ctre o pomp: cu circulaie interioar sauexterioar, cu jeturi exterioare i interioare), cupulverizare, cu strat fluidizat, cu contact multiplu)

Amestecare mixt

BIOREACTOARE - Clasificare dup modul deamestecare


4/43

Bioreactoare cu agitare mecanic

a, bbioreactoare cu agitatoare tip elice i difuzor;c bioreactor tronconic

a b c


5/43

Bioreactoare cu agitare pneumatic

a - bioreactor tip coloan, b - bioreactor cu contactmultiplu, c - bioreactor cu amestecare static,

d - bioreactor tip bazin


6/43

Bioreactoare cu agitare pneumatic

e, f - bioreactoare "air-lift" cu circulaie interioar;g, h - bioreactoare "air-lift" cu circulaie exterioar,

i - bioreactor n strat fluidizat).


7/43

Bioreactoare cu agitare hidraulic

a - bioreactoarecu jet exteriorb - bioreactoare

cu jet interiorc - bioreactoarecu contactmultiplud - bioreactoarecu strat fixe - bioreactoarecu strat fluidizat).


8/43

EVALUAREA PROCESELORBIOTEHNOLOGICE

Implementarea unui proces biotehnologic la nivelindustrial se realizeaz dac sunt ndepliniteurmtoarele cerine:

1. Produsul se poate obine practic doar cu participarea

agentului biologic2. Preul produsului este destul de mare nct s

acopere costurile cu materiile prime dar i cuobinerea factorului biologic

3. Produsele sunt indispensabile

4. Biotehnologiile reprezint unica alternativ viabileconomic i ecologic pentru obinerea produsului


9/43

CRITERII DE EVALUARE(substrat) S X (biomasa)(substrat) S P (Produs)

A. YP/Srandamentul de obinere a produsului fade substrat, g P / g S

Se poate defini un randament TEORETIC,

considernd c toat energia coninut de substrattrece n produs (aceast valoare nu este realist,ntruct nu consider resursele consumate pentrucreterea microorganismelor)

Randamentul maxim Ymax n raport cu un anumitagent biologic - ia n considerare substratulconsumat pentru creterea microorganismelor iprocesul de biosintez a produsului


10/43

A. Randamentul de obinere a produsului YP/S

Randamentul experimentalYexp,determinat pe un anumit set de condiii

fiziologice ale agentului biologic i anumitecondiii tehnologice

Randamentul real Yreal, determinat n

condiii de producie la care contribuiefactorii organizatorici i de conducere(calificare, stimulare, management)


11/43

B. Productivitatea procesului

Productivitatea procesuluiP- este cantitateade produs obinut pe unitatea de volum albioreactorului n unitatea de timp

P= qs . YP/S . X, g P / g S . hqs viteza de consum a substratului, g S / g X.h

Xconcentraia biomasei active, g X / litru


12/43

C. Concentraia final a produsului nmediul de biosintez

Este un parametru mai puin importantdect randamentul i productivitatea

Se urmrete mrirea concentraieiprodusului cnd separarea sa din mediulde cultur e scump i dificil


13/43

D. Consumurile energetice specifice

Sunt semnificative ca pondere n costul final alprodusului cnd se folosesc ca substrat materiiprime care necesit o prelucrare laborioas amasei de reacie rezultat n bioproces

Consumurile energetice depind ntr-o msurmare de tipul de bioreactor folosit (cele cuagitare mecanic sau hidraulic presupuncosturi n plus fa de cele cu agitarepneumatic)

Bioreactoarele cu agitare scurteaz nssemnificativ durata bioreaciei


14/43

E. Valoarea consumurilor neproductive

Sunt consumurile de substrat i energiecare nu se regsesc nici n cretereamasei celulare nici a produsului finit

Se poate exprima prin relaia:

= 1 Yexp / Y teor= 1

n care reprezint consumurileneproductive, iar este raportul dintrerandamentul experimental i cel teoretic


15/43

Exemplu Presupunem c avem un sistem biotehnologic, n care

microorganismul productor este aerob Randamentul de producere a biomasei n raport cuoxigenul va fi dat de:

m3biomas / m3 O2

n care

C

(V) este viteza volumic de cretere celular (m3biomas/h)t este timpul, hQO2/Xeste cantitatea de oxigen folosit pentrucreterea biomasei, m3

tQY X/2O

)V(

C

O/X


16/43

Randamentul de obinere a produsului P nraport cu oxigenul va fi dat de:

, kg produs / m3 O2

n careQPeste cantitatea de produs obinut (kg)

t este timpul, hQO2/Peste cantitatea de oxigen folositpentru obinerea produsului, m3

P/2O

p

O/PQ

QY


17/43

Din nsumarea cantitilor QO2/Xi QO2/P

aceste relaii se deduce consumulproductiv de oxigen:

Consumul neproductiv de oxigen se obine

scznd consumul productiv din cel real:QO2np = QO2exp QO2Prod

O2/P

P

max

O/X

)V(

C

odPr2O Q

Q

tYQ


18/43

Monitorizarea proceselor biotehnologice

Variabilele monitorizate

De control: temperatur, pH, presiuneaoxigenului dizolvat,

De stare: potenialul redox, presiuneadioxidului de carbon dizolvat

Altele: puterea consumat, viteza de aeraie,vscozitatea mediului de cultur, concentraiaglucozei


19/43

Temperatura: trebuie msurat cu oprecizie de 0,5oC, ntre 20-130oC

Cel mai frecvent se utilizeaz elementetermosensibile Pt 100, inserate n teciprotective, bune conductoare de cldur

Funcionarea se bazeaz pe schimbareaimportant a valorii rezistenei platinei cu

temperatura, aproape liniar


20/43

pH-ul influeneaz ntr-o msur important proceselebiologice i natura produselorrezultate

De exemplu, Aspergi l lus Nigerproduce acid citric la

valori de pH = 2,5-3,5, la pH ceva mai mare, produce acidgluconic, iar la pH neutru, produce acid oxalic

Valoarea acestui parametru se schimb adeseori n cursulcultivrii celulelor, din acest motiv sunt necesare coreciiprin adugarea de acid sau baz

n procesele biotehnologice, pH-ul se monitorizeazfolosind electrozi de pH din sticl semipermiabil, folosinddrept electrod de referin un electrod Ag/AgCl

Electrodul trebuie recalibratdup sterilizarea termic amediului de cultur, din cauza deplasrilor provocate detemperatur n indicaia aparatului


21/43

Presiunea oxigenului dizolvat pO2 Este monitorizat cu electrozi polarografici sau electrochimici Polarigrafic: oxigenul dizolvat este redus la suprafaa unui

catod de metal nobil imersat ntr-o soluie de KCl, folosind careferin electrodul de calomel,Catod: O2+H2O+2 e- H2O2+2HO-

H2O2+2 e- 2 HO-

Anod: Ag + Cl-

AgCl + e-

! Ionii clorur se consum, electrodul trebuie reumplutperiodic

Electrochimic: un electrod Electrochimic: un electrod de Znsau Pb (anod) se oxideaz de ctre oxigen n mod spontan,curentul este msurat fa de un electrod de Ag sau Au i esteproporional cu cantitatea de oxigen dizolvat

O2+H2O+4 e- 4 HO-

Zn Zn2+ + 2 e-


22/43

Concentraia glucozei Glucoza este un important compus ca surs de

energie i carbon, un metabolit al organismului

uman, indicnd prezena diabetului sau un indice alprospeimii crnii (carnea proaspt este mai bogatn glucoz).

Determinarea concentraiei glucozei se realizeaz

prin folosirea biosenzorilor, pe a cror suprafa seimobilizeaz enzimele glucoz-oxidaz i catalaz Prima oxideaz glucoza la gluconolacton i ap

oxigenat, a doua descompune apa oxigenat (care

risc s degradeze glucozoxidaza) Oxigenul rezultat este monitorizat cu un senzor de

oxigen sau este detectat cldura de reacie laoxidarea glucozei.


23/43

Biotehnologii din industria alimentar

Sunt procese industriale de prelucrare a

diferitelor materii prime cu ajutorulmicroorganismelor i enzimelor proprii sau aameliorrii unorprocese biotehnologice sauproduse prin folosirea unorageni biologici

(microorganisme, enzime). Microorganismele provin din mediu, spontan,

sau din culturi starter selecionate

Reproductibilitatea calitii produsului esteasigurat de constana i calitatea culturilorstarter i a materiilor prime


24/43

Biotehnologiile n industria alimentar s-au

dezvoltat impresionant prin folosirea enzimelorexogene (industria laptelui, berii, spirtului,amidonului, crnii, sucurilor de fructe, zahrului,panificaiei, etc.) i a culturilor starter(industriaberii, laptelui, crnii, panificaiei, etc.)

Microorganismele intervin i n fermentarea unorproduse vegetale: varza, murturi, msline,castravei, cacao, etc.

n unele procesele biotehnologice se obinmetabolii secundari (alcool etilic, aceton, aciziorganici, aminoacizi, etc.)


25/43

Enzimele proprii esuturilor vegetale i animale sunteseniale n transformrile pe care le ofer produseleagroalimentare: maturarea fructelor i legumelor,

cerealelor i finurilor sau diferitelor produsealimentare pe baz de cereale germinate, maturareabrnzeturilor, maturarea crnii.

Enzimele pot avea ns i rol deteriorativ cu implicaiin modificarea caracteristicilor senzoriale i a valorii

nutritive a materiilor prime agroalimentare pn laprelucrarea termic a acestora. Rolul microorganismelor este hotrtor, unele dintre

ele avnd aciune duntoare, altele avnd rol

esenial n obinerea unor produse alimentaredatorit aciunii lor fermentative: produse lactateacide, brnzeturi, bere, vin, spirt, pine, salamuricrude, alimente fermentate din cereale ileguminoase.


26/43

Rolurile i cerinele impuse culturilor starter

Dirijarea proceselor biochimice pentru asigurarea unuianumit grad de inoculare

Asigurarea unornsuiri senzoriale i nutritive Culturile trebuie s conin un anumit numr demicroorganisme viabile pe mli a unui numr ct mai micde germeni nedorii

Produii de metabolism s nu prezinte pericol pentru

sntate S nu conin sau produc antibiotice utilizate n scop

terapeutic S aib anumite activiti specifice de producere a acidului

lactic, reducere a azotului etc. Tulpinile noitrebuie declarate cu numele tiinific ntreg,nregistrate, depozitate n condiii de nomenclator, testate,controlate din punct de vedere al puritii la intervaleregulate, supuse unor studii de toxicitate pe termen lung


27/43

Caracteristici ale culturilor starter

Se consumN STARE VIEodat cu produsul

alimentar n cazul produselor lactate acide,brnzeturilor, salamurilor i crnailor cruzi, aunor sortimente de bere, a murturilor imslinelor

Se consum DUP DISTRUGERE, rmnndn produsul alimentar alturi de produii demetabolism (brnzeturi pasteurizate, produse depanificaie)

Microorganismele sunt eliminate, iarproduii demetabolism sunt consumai (bere, vin, oet, acidcitric, acid lactic etc.)


28/43

Unele culturi starter produc bactericine, substaneasemntoare cu antibioticele

Acesta au un spectru de aciune relativ limitat,

asupra unor bacterii apropiate taxonomic Sunt scindate de enzimele proteolitice proprii

laptelui Sunt sensibile la aciunea enzimelor proteolitice

metabolice (bactericinele NU modific microbiotatractului intestinal)

Sunt stabile la cldur, rezist la pasteurizare Sunt stabile la pH neutru sau acid, eficacitatea lor

depinde de condiiile de producere a fermentaiei


29/43

OBINEREA PRODUSELOR LACTATE

Compoziia laptelui

Operaii preliminare transformrilorbiotehnologice

Obinerea brnzeturilor i untului

Produse lactate dietetice i probioticeEvelini Popovici Biotehnologii din industria

alimentar, Editura Performantica, Iai, 1994, p. 181-213

Constantin Banu Tratat de industrie alimentar,Editura ASAB, Bucureti, 2008


30/43

Compoziia laptelui

Laptele este o emulsie complex- Faza apoas: conine proteinen stare coloidal

i substane dizolvate(lactoz, sruri, vitaminehidrosolubile)

- O faz gras, format din micropicturisferice globulare de 1-10m, nconjurate deo pelicul lipoproteic, alturi de vitamineliposolubile; pondere de peste 3,5%

- Glucidele solubile, 4-5%: lactoza, galactoza,acidul sialic, grefate pe substrat proteic


31/43

- Substane cu azot, 3,2%: substrat fosfoproteic de

casein legat de fosfat tricalcic, macromoleculeproteice solubile (lactalbumine, lactoglobuline,imunoglobuline, seralbumine), azot neproteic (uree,acid uric, creatinin)

- Sruri minerale, 0,7%: P, K, Na, Mg, Cl, Fe, Zn, Al,Cu, I

- Biocatalizatori: vitaminele A, complex B, C, D, E,

K, PP, enzime (hidrolaze, lipaze, fosfataze,peroxidaz)

Compoziia laptelui


32/43

Compoziia laptelui

CAZEINA (CASEINA)

Principalul component al brnzeturilor Fosfoproteid organo-mineral (n micelii)

78% din coninutul proteic al laptelui

Conine toi aminoacizii eseniali NU este o substan unitar (s1, s2, , k, -

casein)

-caseina este alctuit din 165 aminoacizi, estesolubil ca sare de calciu, precipit sub aciuneacheagului (renina - proteaz) ca urmare ahidrolizei la para--casein (insolubil) i o

glicopeptid uor solubil


33/43

Operaii preliminare transformrilorbiotehnologice

Pasteurizareadistrugerea termic a microfloreipatogene (Mycobacterium tuberculosis), fr a seafectaproprietile senzoriale i fizico-chimice alelaptelui

Temperatura,

o

C TimpLT LTLowTemperature

LongTime

63-65 15-30min

HT STHighTemperature

ShortTime

72-78 15 s

VHT VSTeryHighTemperature

VeryShortTime

105 1-2 s

Flash 75, rcire brusc

UHTltraHighTemperature

150 2,4 s

Cl ifi b t iil l ti (LAB)


34/43

Clasificarea bacteriilor lactice (LAB)

Bacteriile lactice cuprind o larg varietate de genuri i

un numr considerabil de specii Sunt Gram pozitive i se dezvolt n condiii

microaerofilice pn la strict anaerobe

Cele mai importante genuri sunt Lactobacillus,Lactococcus, Enterococcus, Streptococcus,Pediococcus, Leuconostoc, Weissella,Carnobacterium, Teragenococcus, Bifidobacterium

Bacterii similare cu LAB, ca proprieti fiziologice ibiochimice, au ca ni ecologic tractul intestinal


35/43

Lactobacillus, Enterococcusi Bifidobacterium suntutilizate ca probiotice

Genul Lactobacillus sunt cele mai numeroase

dintre bacteriile lactice i cuprind att lactobacili utilipentru industria alimentar, ct i unii care intervinn modificri nedorite

Cele mai utilizate n fermentaiile alimentare dintre

Lactobacillus sunt: L. acidophilus, L. casei, L.brevis, L. curvatus, L. helveticus, L. kefir, L.kefiranofaciens, L. sake

Bacteriile din genul Lactobacillussunt ntlnite i n

fermentaia murturilor, afecteaz sucurile defructe, cidrul, salamurile, brnzeturile, provocnddegajare de gaze, schimbri de culoare, apariiafilanei (a unor mucilagii care se ntind)


36/43

Culturi starter mezofile Singulare:conin doarLactococcus lactis i L. cremoris;

produc acid lactic (L+); au activitate relativ constant,

previzibil, se folosesc n cantiti mici, influenele decompoziie sezoniere ale laptelui sunt reduse; pot fideprecitate de bacteriocine, fagi sau pot pierde plasmidealterndu-i funciile

Multiple: folosesc 5-6 culturi selecionate, nenrudite,cultivate separat pn la stadiul de cultur de producie,cnd se amestec; se dezvolt mpreun timp de maxim10 generaii

Mixte:formate din cte dou tipuri de bacterii: acidifiante

(L. lactis sau L. cremonis) i productoare de arom (L.lactis var. diacetilactis sau leuconostoc)


37/43

Obinerea brnzeturilor i untuluiClasificarea brnzeturilor

Dup coninutul de grsime n substana uscat: Slabe < 10% Semigrase: < 20% Grase: minimum 20% Foarte grase: minimum 45%

Dup consistena pastei: Moiconinut mare de ap, maturare scurt,

conservabilitate redus (Camembert, Nasal, Alpina)

Semitari: obinute prin presare puternic, maturare de1-2 luni, coaj bine format (Olanda, Trapist, Harghita) Tari: nchegare scurt, presare puternic, maturare

lung, conservabilitate lung (Schweizer, Cedar,Parmezan)

Obinerea brnzeturilor i untului


38/43

Obinerea brnzeturilor i untuluiClasificarea brnzeturilor

n funcie de procesul de fabricaie Proaspetecoagulare sub aciunea bacteriilorlacticei a unei enzime coagulante

Maturate schweizer, Olanda, Trapist, Tilsit

Maturate i depozitate n saramur telemea,feta

Cu past opritcacavalul

Topite (cu adaosuri de emulgatori)

Frmntate brnza de burduf


39/43

Obinerea brnzeturilor

Pregtirea laptelui

Maturarea

Coagularea Prelucrarea coagulului

Fasonarea

Maturarea



40/43


Pregtirea laptelui:

Examenul senzorial, fizico-chimic i microbiological laptelui

Normalizarea laptelui (aducerea la un coninutdorit, standard de grsime prin scoatere sauadugare de grsimi)

Pasteurizarea, pentru a se distruge bacteriilepatogene i a se realiza culturi pure

Maturarea

Adugarea de culturi pure de bacterii lactice nlaptele rcit sau a unor enzime coagulante deorigine microbian

Obi b t il


41/43

Obinerea brnzeturilor Coagularea

Faza enzimatic: scindarea k-caseinei n para-k-caseini un glicomacropeptid (cu masa molecular6754); nu apar modificri vizibile ale aspectuluilaptelui

Coagularea: formarea unui precipitat de paracaseinat de

calciu, sub form de coagul dulce Factori care influeneaz procesul:

concentraia enzimei eterogenitatea genetic a caseinei

concentraia proteinelor tratamentul termic preliminar al laptelui pH-ul laptelui concentraia de calciu ionic temperatura de coagulare (25-35oC)

durata coagulrii (15-90 min)

Obi b t il


42/43


Prelucrarea coagulului Sinereza(eliminare zerului) realizat prin

tierea i mrunirea coagulului, dupnclzirea acestuia

Se aplic nc o faz de nclzire pentrudeshidratarea mai avansat la brnzeturilesemitari (38-48oC)i tari (52-58oC)

Factori care influeneaz sinereza:Coninutul de grsimeAciditatea coagululuiTemperatura i viteza de nclzire a

coagululuiMrimea boabelor de coagul (2-5 mm la

brnzeturile tari, 10-30 mm la cele moi)



43/43

Obinerea brnzeturilor Fasonarea brnzeturilor

Autopresarea sau presarea, srarea (pentru asigurarea gustului,facilitarea sinerezei, limitrii sau opririi activitiimicroorganismelor nedorite sau productoare de aciditate nexces)

F ormarea n past: presarea coagulului pentru eliminareazerului n recipientul de coagulare (vana de coagulare), urmat detierea i punerea n form

Turnarea coagulului n forme cu perforaiii eliminarea zeruluiprin vibrare

Maturarea n aceast etap au loc numeroase procese enzimatice Prematurarea:acidifierea ca urmare a transformrii lactozei n

adic lactic; se formeaz gurile specifice unor brnzeturi Maturarea propriu-zis, cnd au loc transformri profunde ale

proteinelor i grsimilor Maturarea final: transformri biochimice de definitivare a

aromei tipice a brnzeturilor

curs 6 bioreactoare apreciere lactate

Documents