БІОТЕХНОЛОГІЯ - В. Г. Герасименко - 2006

Частина ІІ. Спеціальні біотехнології

Розділ 21. БІОТЕХНОЛОГІЯ ВИРОБНИЦТВА БІЛКА

21.9.ОТРИМАННЯ ВИСОКОБІЛКОВИХ КОРМОВИХ ПРЕПАРАТІВ ІЗ СИРОВИНИ, ЩО ПОСТІЙНО ВІДНОВЛЮЄТЬСЯ

21.9.2.Твердофазова ферментація рослинної сировини

Ферментація у зануреній культурі є на сьогодні основним способом мікробіологічного синтезу. Одним із можливих альтернативних варіантів мікробіологічної технології є твердофазова ферментація.

Твердофазовою ферментацією називаються мікробіологічні процеси, які відбуваються не у водній фазі, а в масі легкозволоженого субстрату. Оптимальна вологість залежить від властивостей субстрату і мікроорганізму-продуцента, який використовується, і становить від 25 до 75 %. Водна фаза у цих умовах представлена лише плівками на поверхні частин субстрату і водою, яка сорбована субстратом. Таким чином, ріст мікроорганізмів при твердофазовій ферментації проходить на межі фаз «твердий субстрат : вода : повітря» і в деяких випадках - усередині частинок субстрату.

Як субстрат використовується крохмалевмісна або целюлозовмісна сировина. Із мікроорганізмів-продуцентів, які ростуть в умовах твердофазової ферментації, частіше використовуються міцеліальні гриби, макроміцети у міцеліальній формі, інколи - змішані культури грибів і дріжджів, а для ферментації крохмалевмісної сировини - чисті культури дріжджів.

Твердофазова ферментація використовувалася протягом багатьох століть у країнах Далекого Сходу та Індокитаю для приготування традиційних національних страв. Європейці ознайомились з цією технологією на початку ХХ століття і до 50-х років вона була широко розповсюджена, а потім почала витіснятись глибинною ферментацією. Зараз знову повертаються до твердофазової ферментації через низку об’єктивних причин.

По-перше, використання нерозчинного у воді субстрату (рослинної сировини) суттєво ускладнює ферментацію у зануреній культурі, вимагаючи додаткових операцій завантаження субстрату і вивантаження продукту, а безперервні процеси робить майже нездійсненними. По-друге, це екстенсивний варіант технології, а отже, і дешевий. По-третє, було встановлено, що деякі процеси відбуваються в умовах твердофазової ферментації у багато разів інтенсивніше.

Найпростішими технологічними варіантами твердофазової ферментації є компостна купа і поверхневий ріст плісняви. Похідними цих варіантів є такі типи твердофазової ферментації, які використовуються як в лабораторній практиці, так і виробництві.

1. Поверхнева твердофазова ферментація (так званий «тонкий шар»), при якій культура мікроорганізмів росте у шарі субстрату товщиною 3-7 см в камері, де підтримується необхідна температура і вологість повітря. Роль біореакторів виконують великі, площею до декількох квадратних метрів, таці із алюмінію, або культиваційні камери (рис. 21.2).

Рис. 21.2. Біореактор (культиваційна камера) для твердофазово- го поверхневого культивування

(за Єгоровим Н.С. та ін., 1987):

субстрат (солома) опирається на металеву сітку; відпрацьований газ покидає апарат через пори в кришці (1); скляна вата (2) утворює фільтр, який запобігає попаданню сторонньої мікрофлори до біореактора.

2. Глибинна твердофазова ферментація у шарі, що перемішується (так званий «високий шар»). При ньому культура мікроорганізмів росте по всій масі субстрату, що досягається відповідними методами аерації (вентиляції) маси.

3. Твердофазова ферментація у масі субстрату, що перемішується і аерується. Субстрат може бути гомогенним (напіврідкий гній) або складатись із частинок твердого субстрату, що знаходиться у завислому стані (перехідний варіант між твердофазовим процесом і процесом у рідкій фазі). Зазвичай використовують біореактори з низькошвидкісними змішувачами. Перемішування при великій кількості твердої фази травмує біооб’єкт, що особливо відчутно для міцеліальних грибів. М’яке перемішування досягається при використанні шнекових (гвинтових) змішувачів або коли біореактор є обертальним барабаном.

Інтерес до твердофазових процесів пояснюється їх перевагами порівняно з процесами, які відбуваються у рідкому середовищі:

1) вони вимагають менших витрат на обладнання і експлуатацію;

2) характер субстрату полегшує відділення й очищення продукту;

3) низький вміст води у субстраті перешкоджає зараженню культури продуцента сторонньою мікрофлорою;

4) на відміну від процесів в рідкій фазі твердофазові процеси не пов’язані з викидом в оточуюче середовище великої кількості стічних вод - потенційного джерела його забруднення.

Твердофазове культивування має і певні недоліки. У більшості твердофазових процесів відсутнє перемішування, а ріст мікроорганізмів відбувається за принципом колонізації: розмножуючись вони розповсюджуються із точок внесення в субстрат по всьому об’єму . При цьому окремі зони у товщі субстрату надлишково населяються клітинами і виникає локальна нестача поживних речовин, в той час коли значна частина субстрату залишається незайманою. До кінця не вирішеною проблемою є також контроль за ефективністю аерації різних ділянок субстрату, температурою і рівнем вологості.

Одержаний після твердофазової ферментації продукт має залишки вихідної сировини, збагаченої на 6-22 % білком залежно від складу субстрату. Наприклад, при твердофазовій ферментації у шарі, що перемішується і аерується, з використанням продуценту Aspergillus niger або дріжджів і гранульованих крохмалевмісних субстратів одержали продукт, який містить 17-20 % білка. Оброблена лугом тирса після її ферментації в тонкому шарі містила до 12 % протеїну, а необроблена - до 6-8 %.

Твердофазова ферментація як метод покращення поживної цінності грубих рослинних кормів має широкі перспективи в Україні як основа для створення технології малотоннажного виробництва кормових препаратів - рівня невеликих ферм і тваринницьких підприємств. Ця технологія, орієнтуючись на дешеву місцеву сировину, таку як солома, різні відходи місцевої промисловості і сільського господарства, може стати одним із основних шляхів виробництва білка для тваринництва. Це дасть можливість прискорити процеси реформування аграрного сектора економіки у нашій державі.

Як субстрат для виробництва дріжджів можна використовувати також молочну сироватку - доступний побічний продукт сироваріння. У Франції в 1979 р. три підприємства з виробничою потужністю 6000 т на рік випускали білок для годівлі тварин і харчування людей.