Способность дрожжей Saccharomyces cerevisiae к иммобилизации на поверхности носителя с целью ускорения дображивания пива

ТЕХНОЛОГИЯ

Способность дрожжей Saccharomyces cerevisiae

к иммобилизации на поверхности носителя с целью ускорения дображивания пива

Т.Х. Файзуллаев, В.Б. ТИшин

Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий

Интенсификация процессов брожения пива без ухудшения его качества — актуальная задача для пивоваренных предприятий. Решение задачи интенсификации требует совершенствования схем и способов брожения. Известно несколько типов совершенствования: основанные на повышении качества инноку-ляционных дрожжей; использующие повышенную температуру брожения; основанные на искусственном перемешивании бродящей среды; предполагающие применение в процессе брожения быстро- и глубокосбраживаемых штаммов дрожжей.

Использование иммобилизованных пивных дрожжей позволяет увеличить скорость дображивания за счет большой концентрации дрожжевых клеток в молодом пиве. При этом дрожжи сбраживают субстрат более длительное время без существенного прироста биомассы, что ведет к сокращению затрат сырья на их выращивание.

Иммобилизованными считаются такие клетки дрожжей, для которых искусственно ограничена подвижность за счет адсорбции их на каком-либо твердом мате-

Х, млн/мл 40

риале-носителе. Адсорбция осуществляется за счет ряда факторов: электростатических сил их взаимодействия, а также

различных химических взаимодействий вследствие наличия в оболочке клетки разных функциональных групп, обеспечивающих гидрофобные и гидрофильные свойства поверхности клетки.

При применении иммобилизованных систем сохраняется и поддерживается определенное равновесие между ростом дрожжевых клеток и клетками, выросшими на носителе и покинувшими носитель. Они вымываются из реактора с протекающей жидкостью. Поэтому исключается необходимость удаления биомассы микроорганизмов после каждого производственного цикла. При иммобилизации микроорганизмов возможны изменения проницаемости стенок клеток, более

Х, млн/мл 35

30

25

10

• . / • п —в-в— -*-о—

^ и X *

И / X у

к ! X /" /А / . X /

/',7 / /7

' и /'//

II XX 1

р ь

20

40

60

80

• Штамм 145 XXX Штамм 96  Штамм 129

| Штамм 72

-в—з  о ° 0 0 -г--и- 0 о

/ ¡¥ ' •/

' // / ¥ ш/

1Ш 1,¥ // 1

20

40

60

••• Штамм 145 XXX Штамм 96  Штамм 129 ••• Штамм 72 ---Средняя линия тренда

Рис. 2. Кинетика адсорбции дрожжевых клеток на керамзите

---Средняя линия тренда

Рис. 1. Кинетика адсорбции дрожжевых клеток на ДЕАЕ-целлюлозе

равномерное распределение питательных веществ по всему объему реактора, что также положительно влияет на жизнедеятельность микроорганизмов.

Цель данной работы — подбор носителей и штамма пивоваренных дрожжей, обладающих наибольшей способностью к иммобилизации.

Использование иммобилизованных клеток дрожжей позволяет легко управлять биокатализом и конструировать биореакторы, удобные для ведения процесса дображивания пива непрерывным способом. С технической точки зрения иммобилизация клеток на твердом носителе создает высокоактивную полиферментную систему для получения разнообразных продуктов, являющихся результатом метаболизма клетки.

Были проведены исследования по определению способности штаммов пивоваренных дрожжей рас 129, 145, 96, 76 к иммобилизации на различных носителях: ДЕАЕ-целлюлозе, представляющей собой модифицированную

80

100

120 т, мин

6•2006

20

15

5

0

0

100

120

т, мин

30

20

10

0

0

10

Носитель, штамм Свойства носителя k Штаммовые особенности дрожжей a

ДЕАЕ-целлюлоза

штамм 145 0,85 0,06

штамм 129 0,92 0,08

штамм 96 0,86 0,08

штамм 72 0,85 0,06

Керамзит

штамм 145 0,83 0,06

штамм 129 0,85 0,07

штамм 96 0,96 0,03

штамм 72 0,91 0,07

Керамика

штамм 145 0,96 0,14

штамм 129 0,96 0,12

штамм 96 0,86 0,08

штамм 72 0,85 0,06

сывающее изменение в безразмерном виде концентрации клеток на носителе во времени:

x/x = k (1-e-aT),

целлюлозу, полистерене и двуокиси титана, силикагеле, кизельгуре крупной фракции, керамзите, керамике, пенопласте, пластмассе, активированном угле и смеси ДЕАЕ-целлюлозы и кизельгура. Далее представлен процесс иммобилизации на носителях, проявивших высокую способность к иммобилизации.

Из каждого штамма были приготовлены водные суспензии с концентрацией дрожжевых клеток 35 млн/мл. Количество дрожжевых клеток подсчитывали в камере Горяева. Опыты проводили в стеклянной колонке, заполненной носителем, который перед проведением опыта промывали раствором щелочи и затем водой. Дрожжевую суспензию подавали в колонку сверху и сначала через 5 мин, а затем каждые 15 мин снизу снимали пробу, в которой определяли количество незакрепивших-ся клеток. На основе полученных данных вычисляли количество клеток, адсорбированных на носителе.

ДЕАЕ-целлюлоза показала себя как очень хороший носитель. На данном носителе иммобилизация происходит за счет химических и физических свойств целлюлозы. Закрепление за счет химических свойств заключается в образовании ковалентных связей между носителем и клетками дрожжей.

Из рис. 1-2 видно, что штамм 145 обладает лучшими адсорбционными свойствами на ДЕАЕ-целлюлозе, так как концентрации клеток на выходе из реактора оказались незначительными, и дрожжевые клетки стабильно иммобилизовались в течение всего времени проведения опыта.

На основании проведенных исследований было получено уравнение, опи-

где х — количество иммобилизованных дрожжевых клеток в определенный момент времени; хн — количество дрожжевых клеток в суспензии в начальный момент времени; k — коэффициент, зависящий от свойств носителя; а — удельная скорость намывания дрожжевых клеток с носителя, зависит от штаммовых особенностей дрожжей; т — время иммобилизации.

При т, стремящемся к нулю, т.е. в начальный момент времени, количество иммобилизованных дрожжевых клеток также будет стремиться к нулю.

Тогда как при т, стремящемся к бесконечности (в'ах = 0), количество иммобилизованных дрожжевых клеток х будет стремиться к начальной концентрации в суспензии хн, т.е. к максимуму х^х^, при этом х™ = kхн.

Примем завершение процесса адсорбции при k > 0,9, т.е. хр = 0,9хн.

Для расчета времени тр, необходимого для адсорбции дрожжей на носителе, преобразуем уравнение (1) и получаем:

Т = 2,3/а.

При аппроксимации данных коэффициент ошибки расчетных данных колеблется в пределах 10 % при средних значениях k = 0,89 и а = 0,08. В таблице приведены показатели, зависящие от свойств носителя k и штаммовых особенностей дрожжей a для различных носителей и штаммов.

В результате проведенных исследований установлено, что выбор носителя определяется штаммами дрожжей, близкими друг к другу по адсорбционным свойствам.

Кинетика адсорбции дрожжей на носителе выражена уравнением (1), где коэффициент пропорциональности k зависит от свойств носителя, а удельная скорость намывания дрожжей а определяется свойствами дрожжей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Aivasidis A., Wandrey Ch., Eils H.-G. and Katz-ke M. Proceedings of the European Brewery Convention Congress. — Lisbon, 1991, 569—576.

2. Brown J. Proceedings of the J. De Clerck Chair III, 1988.

3. Collin S., Montesinos M., Meersman E., Swinkels W. andDufour J.P. Proceedings ofthe European Brewery Convention Congress. — Lisbon, 1991, 409—416.

4. Davidson W.S., Walton D.J. and Ftynn T.G. Comparative Biochemistry and Physiology, 1978, 60, 309-315.

5. Debourg A., Laurent M., Dupire S. and Masschele-in C.A. Proceedings of the European Brewery Convention Congress. — Oslo, 1993, 437-444. <ST

Самый современный

пивзавод

для Колумбии

Концерн SABMiller ^^

делает ставку ^ВЙОШШ |Ии

на фирму ZIEMANN и производство мирового класса

Людвигсбург. Британский пивоваренный концерн SABMiller заказал у компании ZIE-MANN-GROUP для своей дочерней фирмы Bavaria S.A. в Колумбии один из самых современных в мире пивзаводов, спроектированный последовательно по принципам производства мирового класса. Завод будет производить, начиная с 2007 г., сна чала 3,5 млн гл в год, однако после полного расширения производительность может быть значительно увеличена.

Рыночная конъюнктура в регионе побудила концерн SABMiller заменить на площадке Юмбо в Колумбии пивзавод Cervecería del Valle производительностью 1,3 млн гл на совершенно новый, значительно более производительный завод. Он будет возведен «под ключ» на чистом месте и будет удовлетворять всем требованиям производства мирового класса. Это означает, что, обладая одновременно высоким уровнем качества и наивысшей производительностью при минимальных энергозатратах, он будет практически безвредным для окружающей среды благодаря последовательному уменьшению отходов и оснащению утонченной операторной структурой.

Эту возможность обеспечивает «мозг» установки, «интеллигентная» автоматическая система управления новейшего поколения: система управления технологией BRAUMAT PCS7 в сочетании с производственной исполнительной системой (MES) для оптимальной прозрачности процесса производства продукта. С их помощью достигается еще большая степень гибкости, и тем самым приближение к требованиям рынка. Производительность оснащенного таким образом пивзавода должна быть увеличена до 4,5 млн гл в год, начиная с 2009 г. Чтобы соответствовать продолжительно позитивно развивающемуся рынку в регионе, пивзавод может быть расширен до производительности 9 млн гл в год.

Также одно из главных требований производства мирового класса приходится по вкусу компании ZIEMANN-GROUP — щадящее отношение к природным ресурсам. Поэтому новый пивзавод в Юмбо будет образцом в снижении водопотребления.

Этот последний заказ концерна SABMiller показывает еще раз, как сильно преуспевают пивзаводы благодаря исследованиям и постоянным новым разработкам компании ZIEMANN-GROUP.

Служба связи с прессой и общественностью фирмы ZIEMANN