1 / 39

Principi biotehnološke proizvodnje hrane

Principi biotehnološke proizvodnje hrane. “Procesi prije bioreaktora” (upstream) 2 . Predavanje – priprema hranjivih podloga Dr. sc. Jasna Mrvčić, doc. Principi biotehnološke proizvodnje hrane. Pitanja za ponavljanje – 1. predavanje – Uvod u biotehnologiju i biotehnološke procese.

nani
Download Presentation

Principi biotehnološke proizvodnje hrane

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Principi biotehnološke proizvodnje hrane “Procesi prije bioreaktora” (upstream) 2. Predavanje – priprema hranjivih podloga Dr. sc. Jasna Mrvčić, doc.

  2. Principi biotehnološke proizvodnje hrane Pitanja za ponavljanje – 1. predavanje – Uvod u biotehnologiju i biotehnološke procese • Definicija biotehnologije • Podjela biotehnoloških procesa s obzirom na vrstu biokatalizatora • Što je bioproces, od kojih se faza sastoji biotehnološki postupak proizvodnje nekog proizvoda? • Kako izgleda bioreaktor? • Razvoj biotehnologije kroz povijest • Grane biotehnologije • Osnovne grupe biotehnoloških proizvoda

  3. Što je BIOPROCES ? PRIPREMA BIOREAKTORA (FERMENTORA) PROCESI PRIJE BIOREAKTORA PROCESI NAKON BIOREAKTORA

  4. Priprema podloge - proračun sirovina, odnosno materijalna bilanca (ugljik, dušik, fosfor, kisik i dr.), analiza, predobrada sirovina, ukomljavanje, sterilizacija… Priprema bioreaktora - pranje, sterilizacija ili dezinfekcija • Priprema cjepiva (inokuluma) - čista kultura (kosi agar, starter) - pripreme i inokulacija podloge za propagaciju čiste kulture - inkubacija (anaerobna, aerobna) cjepivo za bioproces “Procesi prije bioreaktora”:

  5. Što je metabolizam ? • Skup svih kemijskih reakcija koje se odvijaju u stanici • (kataboličke i anaboličke) • Koji je cilj metabolizma tj. dobit za stanicu ? • Sinteza molekula (proteina, lipida, ugljikohidrata, • nukleinskih kiselina) i staničnih organela, rast i kretanje • Što je stanicama za to potrebno ? • Izvor kemijskih elemenata koji tvore stanicu i izvor energije • Gdje će to naći ? • U svom okolišu (prirodnom staništu ili laboratorijskim podlogama) • Mikroorganizmi su u svojim nutritivnim potrebama izuzetno različiti i dostupnost nutrienata iz okoliša (uz optimalne okolišne uvjete – pH, T, prisustvo kisika, aw..) znantno utječe na njihov rast

  6. Kako sastaviti hranjivu podlogu za mikrobni proces ? • Priprava hranjive podloge: - na temelju poznavanja hranidbenih potreba tj. metaboličkih puteva radnog mikroorganizma - ovisno o osobitostima biotehnološkog procesa (aeracija!) - tržišnoj vrijednosti proizvoda • Hranjive podloge – moraju zadovoljiti potrebe radnog mikroorganizma: • za rast i razmnožavanje (energija i sinteza njegovih gradbenih jedinica) • za sintezu ciljanog proizvoda • Podloge za uzgoj inokuluma – bogatije hranjivim sastojcima od proizvodnih podloga – omogućuju brzo umnažanje inokuluma • Mikrobni procesi – velikih volumena – kao proizvodne podloge koriste se prirodne hranjive podloge

  7. Hranjive podloge za mikrobne procese

  8. Podjela hranjivih podloga prema kemijskom sastavu • KEMIJSKI DEFINIRANE (jednostavne, sintetičke) Točno poznatog kem. sastava Karakteristike: • Mogućnost standardizacije • Jednostavnija izolacija proizvoda • Skupe – samo za proizvodnju skupih proizvoda • Slabo su puferirane • Faktori rasta ! • PRIRODNE PODLOGE (složene, “pokrivene”) Djelomično poznatog sastava Karakteristike: • Jeftine, za velike volumene proizvoda niže vrijednosti • Djelomično ili potpuno pokrivaju potrebe m.o. za hranjivim tvarima (faktori rasta !) • Sadrže primjese koje m.o. ne mogu koristiti, a otežavaju rast m.o. i izolaciju proizvoda – potrebna predobrada

  9. Hranjive podloge za mikrobne procese - uvijek sadrže slijedeće sastojke: 1. vodu 2. izvor biogenih elemenata (C, H, O, N, P, S) 3. mineralne soli – izvor ostalih elemenata 4. faktore rasta - vitamini, aminokiseline 5. prekursore* – gradbene jedinice sekundarnih metabolita 6. ostale sastojke – sredstva protiv pjenjenja, regulaciju pH.. • Razlog – kemijski sastav mikrobnih stanica: • Glavni sastojci mikrobnih stanica: proteini, nukleinske kiseline, ugljikohidrati, lipidi, građeni od: • aminokiselina, šećera, masnih kiselina, fosfata (C, H, O, N, P, S)

  10. 1. Voda u hranjivim podlogama • Mikrobne stanice sadrže 80 – 90 % vode • Važna je za sve biokemijske reakcije u stanici • Biokemijske reakcije odvijaju se u vodenoj otopini • Sudjeluje i kao reaktant • U vodi su otopljeni svi hranjivi sastojci podloge • U vodu izlaze sintetizirani ekstracelularni metaboliti • Pogodan medij za regulaciju temperature – brzi prijenos topline • Pogodan medij za otapanje kisika – aerobni procesi !!! • Aktivitet vode aw – pokazatelj slobodne vode kojom mikroorganizam raspolaže u metabolizmu. Dodatkom soli ili šećera aktivitet vode se smanjuje • Aktivitet vode podloga 0,63-0,99 (plijesni<kvasci<bakterije)

  11. 2. Izvori biogenih elemenata Podjela mikroorganizama prema načinu pridobivanja energije • FOTOTROFI – energiju svjetlosti Fotolitotrofi – rast ovisan o anorganskim davaocima elektrona Fotoorganotrofi - rast ovisan o organskim davaocima elektrona Industrijski važna samo alga Spirullina maxima – ishrana 2. KEMOTROFI – koriste energiju kemijskih spojeva Kemolitotrofe – rast ovisan o oksidaciji anorganskih spojeva Kemoorganotrofe - rast ovisan o oksidaciji ili fermentaciji organskih spojeva (gotovo svi industrijski važni mikroorg.)

  12. 2. Izvori biogenih elemenata Kada mikroorganizam može koristiti neki spoj kao izvor ugljika i energije ? • Ako postoji transportni mehanizam za prolaz kroz plazminu membranu • Ako u stanici postoji enzimni sustav za njegovu razgradnju

  13. Izvori ugljika i energije Sirovine biljnog podrijetla Sirovine životinjskog podrijetla Tercijarne Primarne Sekundarne Primarne Sekundarne 2.1. IZVORI UGLJIKA I ENERGIJE Tercijarne Sirovine biljnog podrijetla Primarne - monosaharidi, oligosaharidi, polisaharidi Sekundarne - melasa, hidrol, CSL, uljne pogače, sladne klice Tercijarne (otpadne) - lignocelulozne, iz prerade voća i povrća Sirovine životinjskog podrijetla Primarne - laktoza, životinjska mast Sekundarne - sirutka, pepton, kazein Tercijarne (otpadne) - hitin, kućni otpad

  14. 2.1. IZVORI UGLJIKA I ENERGIJE 2.1.1.Primarne sirovine • Monosaharidi Glukoza i fruktoza- sastojci svakog voća (grožđe) Čista glukoza (iz škroba - kiselinska ili enzimska hidroliza) Primjena: proizvodnja antibiotika, steroida, aminokiselina, maslačne, itakonske i vinske kiseline Glukozni sirup - 70 – 75 % s. tv. (99% glukoza) (kiselinska ili enzimska hidroliza kukuruznog ili krumpirovog škroba)D-ksiloza (pentozni šećer) sastojak hemiceluloze (sulfitna lužina) obnovljivi izvor ugljika

  15. 2.1. IZVORI UGLJIKA I ENERGIJE b) Disaharidi (maltoza, saharoza, laktoza)Maltoza - disaharid sastavljen od dvije D-glukozeprisutna u svim šećernim sirupima i hranjivim podlogama koje uključuju hidrolizu škrobaSaharoza (D-glukoza i D-fruktoza) Proizvod industrijske prerade šećerne repe i šećerne trske, različite čistoće (sirovi, rafinirani šećer ili melasa)Laktoza (D-glukoza i D-galaktoza) prirodni sastojak mlijeka izdvaja se kristalizacijom iz sirutke u vakumskom isparivaču nakon uklanjanja grušta i masti(BMK, Kluyveromyces, Pencillium)

  16. 2.1. IZVORI UGLJIKA I ENERGIJE c)Polisaharidni izvori ugljika Škrob (glukoza)n - u proizvodnji amilolitičkih enzima (Bacillus subtilis, Aspergillus oryzae); najvažniji rez. ugljikohidrat (žitarice, kukuruz, krumpir) Za mikrobne procese: kiselinska ili enzimska hidroliza Dekstrini - hidrolizom škroba pomoću α-amilaze Inulin - povezivanje fruktoznih jedinica, (80% fruktoze + 20% glukoze) Slad - klijanjem, sušenjem i otklicavanjem ječmenog, pšeničnog ili prosenog zrna Celuloza - glavni sastojak drva i biljnih vlakana, sastavljena od jedinica D-glukoze (β-vezom), obnovljivi izvor, Hidroliza!!!

  17. 2.1. IZVORI UGLJIKA I ENERGIJE 2.1.2. Sekundarne sirovine • MELASA • Nusproizvod šećerne industrije • Sastav ovisi o podrijetlu • Dobar puferski kapacitet • NEPOŽELJNI SASTOJCI MELASE: • Betain (povećava se stajanjem repe) • Hlapive org. kiseline • Teški metali, pesticidi • Mikroorganizmi • POŽELJNI SASTOJCI • saharoza • aminokiseline • Suvremene šećerane • - manje šećera • - više dušika i pepela

  18. 2.1. IZVORI UGLJIKA I ENERGIJE Sastav Slatka sirutka (g/L) Kisela sirutka (g/L) Suha tvar 63-70 63-70 Laktoza 46-52 44-46 Proteini 6-10 6-8 Kalcij 0,4-0,6 1,2-1,6 Kloridi 1,1 1,1 Fosfati 2,0 6,4 Laktat 1-3 2-4,5 2.1.2. Sekundarne sirovine Sirutka - sekundarna sirovina životinjskog podrijetla Za proizvodnju proteinskih krmiva i etanola

  19. 2.1. IZVORI UGLJIKA I ENERGIJE 2.1.2. Sekundarne sirovine • Grožđe - osnovni sastojak za proizvodnju vina je bobičasti plod • Grožđani sok - glukoza i fruktoza, • organske kiseline (vinska, jabučna, • limunska, jantarna, glukonska), • dušični spojevi, vitamini C i B grupe, • bogat mineralni sastav

  20. 2.1. IZVORI UGLJIKA I ENERGIJE 2.1.2. Sekundarne sirovine Sladni ekstrakt • vodeni ekstrakt ječmenog slada • glukoza, fruktoza, maltoza, saharoza, maltotrioza, dekstrin • bogat izvor dušičnih spojeva – proteini, peptidi, aminokiseline, purine, pirmidine, vitamine (faktori rasta) • Izvor amililitičkih enzima

  21. 2.1. IZVORI UGLJIKA I ENERGIJE 2.1.2. Sekundarne sirovine Mlijeko – osnovna sirovina za proizvodnju fermentiranih mliječnih proizvoda, rijetko za hranjive podloge Promjenjivog sastava – ovisno o pasmini, zdravstvenom stanju životinja, stadiju laktacije, načinu hranidbe… Kravlje mlijeko - najznačajnije, jer ga ima najviše - laktoza - kazein i proteini sirutke - mliječna mast - vitamini B2 i B12 - mikroorganizmi !!!

  22. 2.1. IZVORI UGLJIKA I ENERGIJE 2.1.3. Tercijarne sirovine - otpadni izvoriugljika - Otpadne vode prehrambene industrije (krmna biomasa ili etanol) • Iz pogona prerade krumpira (čips, pomfrit) - Kod prerade povrća (kiseli kupus, konzerviranje graha, graška i mahuna) • Melasna đibra – otpadna voda iz proizvodnje alkohola

  23. 2.2. IZVORI DUŠIKA • MINERALNI IZVORI • ORGANSKI IZVORI • BILJNI IZVORI • MIKROBNI PROTEINI • ŽIVOTINJSKI IZVORI

  24. 2.2. IZVORI DUŠIKA • MINERALNI IZVORI dušika (amonijeve soli i nitrati) - Amonijak (u obliku amonijačne vode) - Amonijev sulfat (dobro otapanje u vodi; 21 % dušika) - Diamonijev hidrogen fosfat (izvor dušika i fosfora) Koriste se soli tehničke čistoće b) ORGANSKI IZVORI dušika - Urea (pogodan izvor zbog ekonomičnosti procesa) - Aminokiseline, peptidi, purini, pirimidini c)BILJNI IZVORIdušika Brašna- čest izvor dušika zbog 10 % proteina u žitaricama Kukuruzna močevina (C.S.L.) - nusproizvod postupka ekstrakcije škroba iz kukuruza. Bogata esencijalnim aminokiselinama, vitaminima i mineralima, služi i kao izvor faktora rasta

  25. d)MIKROBNI PROTEINI(osušena biomasa mikroorganizama) Tablica. Kemijski sastav suhe biomase kvasca Candida utilis (Cejka, 1985) • Suhi kvasac Nusproizvodi pivovara, vinarija i špiritana Autolizati kvasca (skup izvor dušika)

  26. 2.2. IZVORI DUŠIKA e)ŽIVOTINJSKI IZVORIdušika (nusproizvodi riblje industrije, prerade mlijeka, mesa i peradi) • Kazein (glavni protein u mlijeku) • Želatina (ekstrakcija i hidroliza kolagena) • Peptoni(peptoinizirani proteinski hidrolizati). Izvor organskig dušika u laboratorijskim hranjivim podlogama. - Riblje brašno(rijetko se koristi)

  27. 3. MINERALNE SOLI - IZVORI OSTALIH KEMIJSKIH ELEMENATA Izvor plinovitog kisika(najčešće atmosferski zrak - smjesa dušika, kisika i ugljika) Fosfor(soli fosforne kiseline-kalijev hidrogen fosfat, natrijev fosfat) Sumpor(sulfati topljivi u vodi i sulfatna kiselina) Makroelementi(glavni elementi) (K, Mg, Ca, Na: 10-3 do 10-4 mol/L) - Mikroelementi(elementi u tragovima) (Zn, Mn, Fe, Cr, Cu, Mo, Se: 10-6 do 10-8 mol/L)

  28. 4. IZVORI FAKTORA RASTA FAKTORI RASTA – amino kiseline, vitamini, purinski i pirmidinskinukleotidi Auksotrofi – mikroorganizmi koji su izgubili (ili nisu ni imali) sposobnost sinteze dovoljne količine svih org. spojeva potrebnih za sintezu staničnih sastojaka – zahtjevaju dodatakFAKTORA RASTA : bitni faktori rasta – ako ih stanica ne sintetizira uopće faktori koji stimuliraju rast – ako se ne sintetiziraju u dovoljnoj količini

  29. 4. IZVORI FAKTORA RASTA Tablica. Udjel vitamina (ug/g) u C- i N- izvorima (Cejka, 1985.) - Vitamini - u mnogim prirodnim izvorima ugljika i dušika - Izvori aminokiselina (kazein, pepton, kvaščev ekstrakt, C.S.L)

  30. 6. Izvori ostalih tvari Protupjenila (masti i ulja, silikoni, alkoholi) Tvari za korekciju pH Tvari mirisa i okusa (hmelj, borovica, bilje i biljni ekstrakti) Pomoćne sirovine (enzimi, nosači i dr.)

  31. NAJVAŽNIJE INDUSTRIJSKE HRANJIVE PODLOGE: Melasa, Hidrol, Sirutka, Sulfitna lužina, Kukuruzni ekstrakt (CSL) Hidrol – nusprodukt proizvodnje glukoze iz škroba (“žitna melasa”) sastav: 40% vode i 60% s.tv (oko 77% invertnog šećera, 4% pepela) Sulfitna lužina – nusprodukt sulfitnog postupka prerade drveta sastav ovisi o drvetu koje se prerađuje, 2-3% šećera četinare – heksoze bukovo drvo – pentoze (Candida) C.S.L. – fermentirana uparena voda koja zaostaje pri proizvodnji škroba iz kukuruza - bogat izvor dušika i faktora rasta

  32. Priprema hranjive podloge Odabir, nabava, analiza i skladištenje sirovina, predobrada sirovina 2. Izrada materijalne bilance - Seminar 3. Otapanje sirovina za kemijski definiranu podlogu ili Pripremanje kompleksne podloge - u samom reaktoru (Pr- ?) ili posebnim postrojenjima (između skladišta i postrojenja za sterilizaciju) - razrijeđenje osnovne sirovine - pripreme otopine soli... 4. Priprema vode - mekšanje (za proizvodnju piva) - demineralizacija (za proizvodnju JAP-a)

  33. Čuvanje, nadzor i obrada sirovina • Prihvat i čuvanje sirovina Industrijski procesi – zahtjevaju velike količine sirovina – skladištenje i čuvanje (utjecaj svjetlosti, topline, zraka - očuvati kvalitetu) Sezonske sirovine – nabavljaju se za vrijeme sezone berbe (cijena!) Ovisno o fizičkom stanju sirovine: praškaste, tekuće i plinovite - Praškaste sirovine (suhi silosi ili podna skladišta) - Higroskopne (škrob, šećer-u polietilenskim vrećama) - Sirupaste sirovine (melasa) – u vanjskim spremnicima Nadzor - kemijska analiza - određivanje osnovnih sastojaka; gustoća, boja, bistrina, aroma Očuvanje kvalitete proizvoda i produktivnosti procesa znatno ovise o sastavu i kakvoći sirovina

  34. Postupci prethodne obrade Priprema voćnih sirovina - drobljenje i usitnjavanje - ukomljavanje - odvajanje taloga, bistrenje Priprema polisaharidnih sirovina - ukomljavanje i hidroliza Priprema ostalih kompleksnih sirovina - razrijeđenje (optimalna konc. šećera), bistrenje i sterilizacija Čuvanje, nadzor i obrada sirovina

  35. Postupci prethodne obrade (primjena pektinaza) Čuvanje, nadzor i obrada sirovina

  36. Primjer: Predobrada melase

  37. Primjer: Predobrada (hidroliza) škrobnih sirovina

  38. STERILIZACIJA • Sterilizacija – postupak uklanjanja životne aktivnosti sa razl. materijala, objekata ili sredine • Provodi se: toplinom (suha, vlažna, žarenje) filtriranjem (termolabilne tekućine) zračenjem (zrak, prostor) ultrazvukom (razbijanje stanica m.o) kemikalijama (“kisela kupelj”, postrojenja) • • Sterilizacija hranjivih podloga • - šaržno (u fermentoru) • - kontinuirano (u posebnom postrojenju) • Sterilna tehnika rada

  39. Principi biotehnološke proizvodnje hrane • Pitanja za ponavljanje – 2. predavanje – hranjive podloge • Kako sastaviti hranjivu podlogu, o čemu to ovisi? • Podjela hranjivih podloga po kem. sastavu, njihove prednosti i mane? • Što sve uvijek sadrže hranjive podloge za mikrobni proces? • Podjela m.o. po načinu pridobivanja energije • Kada neki spoj može služiti kao izvor energije za mikrobni proces? • Nabrojati i opisati primarne i sekundarne sirovine kao izvore C i N! • Najznačajnije industrijske hranjive podloge i njihove karakteristike! • Što su faktori rasta i koji su njihovi izvori? • Što je sterilizacija, čemu služi i kako se provodi?

More Related