5.2.1. Приготовление питательной среды

Для выращивания микроорганизмов в цехе чистой культуры и в цехе основной ферментации необходима стерильная питательная среда. Это делают в сырьевом или рецептурном цехе. Среду готовят по периодическому или непрерывному методу. В отдельных случаях приготовление и стерилизация среды осуществляются прямо в ферментаторе. Часто используют непрерывный метод приготовления среды. Для этого используют два резервуара: в один вводят исходные вещества, а из другого жидкость идет в смеситель непрерывного действия. Из него среда при помощи насоса подается в колонну стерилизации и на выдерживание, а затем – в охладитель.

Выбор аппаратуры и технологии приготовления питательной среды зависит от количества и вида компонентов. Компоненты растворяют в подогретой или горячей воде. Если с точки зрения совместимости и стерилизации это возможно, то все они могут быть растворены в одном реакторе. В противном случае компоненты растворяют по группам и затем соединяют в смесителе.

При непрерывной стерилизации нагревание среды до температуры стерилизации, выдерживание при этой температуре и охлаждение происходят в потоке. Прямая подача пара в среду разбавляет ее на 10 – 20 %, это надо учитывать при приготовлении среды.

В процессе приготовления и стерилизации среды следует учитывать возможность нежелательных реакций (карамелизации, образование меланоидинов).

Сырье для питательных сред в биотехнологическом производстве. Сырье, используемое для получения целевого продукта, должно быть недефицитным, недорогим, по возможности легко доступным. Для приготовления питательных сред в микробиологической промышленности используют сырье минеральное, животного и растительного происхождения, а также синтезированное химическим путем. Вещества, входящие в состав питательной среды, обеспечивают развитие культуры и биосинтез определенных продуктов. Наиболее часто в качестве компонентов питательных сред используются отходы пищевых производств.

Вода. Для приготовления сред воду берут из водопровода, артезианских скважин или открытых водоемов после соответствующей обработки. Она должна отвечать требованиям нормативно-технической документации.

Основу питательных сред для культивирования микроорганизмов составляют источники углерода. Существуют микроорганизмы, способные потреблять углерод только из высокомолекулярных соединений, например белков и пептидов, в то же время многие бактерии и дрожжи утилизируют простейшие углеродосодержащие соединения. Кроме углерода клетки микроорганизмов нуждаются в источниках азота, фосфора, макро- и микроэлементов. Вещества этого рода находятся в питательных средах в виде солей, в некоторых случаях азот и фосфор могут усваиваться из органических источников, например автолизатов и гидролизатов микробного или животного происхождения.

Свекловичная меласса – отход производства сахара из свеклы, богата органическими и минеральными веществами, необходимыми для развития микроорганизмов. Она содержит 45 – 60 % сахарозы, 0,25 – 2,0 % инвертного сахара, 0,2 – 3,0 % рафинозы. Кроме того, в мелассе содержатся аминокислоты, органические кислоты и их соли, бетаин, минеральные вещества, а также некоторые витамины. Используется для промышленного производства лимонной кислоты, этанола и других продуктов.

Мелассная барда – отход мелассно-спиртового производства. Химический состав барды зависит от состава исходной мелассы и колеблется в широких пределах. По своему химическому составу мелассная барда является полноценным сырьем для производства кормовых дрожжей, не требующим добавок ростовых веществ, так как содержит достаточное количество витаминов. Содержание сухих веществ в натуральной барде – 8 – 12 %, в упаренной барде – 53 %.

Зерно-картофельная барда – отход спиртового производства. Содержание растворимых сухих веществ обычно составляет 2,5 – 3,0 %, в том числе 0,2 – 0,5 % редуцирующих веществ, имеются источники азота и микроэлементы. Применяется для получения микробного белка.

Отходы пивоварения (пивная дробина и солодовые ростки), а также отходы подработки несоложеного ячменя являются подходящим, однако небольшим источником усвояемых углеводов для получения микробного белка. Для производства кормовых дрожжей это сырье соответствующим образом гидролизуют и вводят в питательную среду в соотношении 8 : 0,2 : 0,05 (дробина : ростки : отходы ячменя).

Пшеничные отруби – отход мукомольного производства, используется для приготовления питательных сред при твердофазном способе культивирования. Имеют богатый химический состав и могут использоваться в качестве единственного компонента питательной среды. Так как пшеничные отруби являются дорогим продуктом, их смешивают с более дешевыми компонентами: древесными опилками, солодовыми ростками, фруктовыми выжимками и т.д.

Молочная сыворотка – отход производства сыров, творога и казеина. В связи с этим различают подсырную, творожную и казеиновую сыворотку. По химическому составу и энергетической ценности данный продукт считают «полумолоком». Молочная сыворотка очень богата различными биологически активными соединениями, ее сухой остаток содержит в среднем 70 – 80 % лактозы, 7 – 15 % белковых веществ, 2 – 8 % жира, 8 – 10 % минеральных солей. Кроме того, молочная сыворотка имеет в своем составе значительное количество гормонов, органических кислот, витаминов и микроэлементов.

Наличие в молочной сыворотке легко усвояемых многими видами микроорганизмов источников углерода, а также различных ростовых факторов, выдвигает ее в ряд наиболее ценных питательных сред для получения продуктов микробного синтеза, например, для производства белковых препаратов в промышленных масштабах.

Кукурузный экстракт может быть использован как источник витаминов группы В, особенно биотина (150 – 200 мкг/100 г) и различных биостимуляторов. Химический состав экстракта зависит как от сорта кукурузы, так и от условий ее выращивания, а также от технологии получения и условий хранения экстракта. Во время замочки происходит частичный ферментативный гидролиз белков, в составе экстракта имеется много аминокислот. В период замочки идет также молочнокислое брожение, поэтому в кукурузном экстракте может быть до 11,5 % молочной кислоты. Близок по составу к кукурузному экстракту пшеничный экстракт, который получают путем замачивания зерен пшеницы.

Сапропели и их гидролизаты являются источником ряда биологически активных веществ органической и минеральной природы. Сапропель, или озерный ил, образуется из остатков растительных и животных организмов, обитающих в пресных озерах. После их оседания в результате микробиологических процессов органическое вещество сапропелевых отложений постепенно разлагается – минерализуется. Состав сапропеля сильно меняется в зависимости от месторождения, глубины слоя и др. В зависимости от степени минерализации золы содержится от 5 до 80 % в пересчете на сухое вещество. В золе сапропеля 60 –80 % SiO₂; 4,5 – 14,4 % Fe₂O₃; 12,2 – 17,1 % А1₂O₃; 4,6 – 20,9 % СаО; 0,7 – 2,5 % MgO. Весьма богат спектр микроэлементов. Органическое вещество в сапропеле малой степени разложения составляет больше половины сухой массы – до 68%, а в минерализованном – 35 – 40 %. Содержание белковых веществ составляет 10 – 18 % в пересчете на сухое вещество, жиров 0,3 – 0,5 %, клетчатки 1 – 6 %, целлюлозы 10 – 50 %. Характерной особенностью химического состава органической массы сапропеля является содержание до 17 – 60 % гуминовых и фульвокислот и битумов (7 – 15 %). Сапропель является хорошим источником витаминов. Кроме того, сапропель – лечебная грязь, кормовая добавка и хорошее удобрение для почвы.

Источники азота – карбамид, сульфат аммония, диаммонийфосфат.

Источники минералов – хлористый калий, сульфат магния.

В качестве пеногасителей используют олеиновую кислоту, растительные масла, жиры и синтетические пеногасители (поверхностно-активные вещества, кремнийорганические полимеры (силоксаны), четырехзамещенные аммониевые основания, алкиламиносульфаты, сложные эфиры, спирты и др). Так как в клетках многих микроорганизмов имеется липаза, которая катализирует расщепление жиров на глицерин и жирные кислоты, пеногасители можно применять и как источник углерода.

Стабилизаторы рН – мел, аммиак (как источник азота и регулятор рН среды). Для подкисления среды применяются серная, ортофосфорная, соляная кислоты.