Математические модели кинетики процесса ферментации

Кинетические кривые роста микроорганизмов в закрытых системах (периодическое культивирование) имеют сложный характер (рис 1.1). Выделяют несколько фаз в развитии культуры.

ü лаг-фазу(1), в течение которого не происходит сколько-нибудь заметного увеличения числа клеток или образования каких-либо продуктов. В этот период перестраивается метаболизм клетки, синтезируются ферменты, специфичные к использованию новых субстратов, активируется биосинтез белка.

ü фазой экспоненциального роста (2), в течение которой быстро накапливаются биомасса и продукты разных реакций. Эта фаза достаточно строго описывается экспоненциальной кривой.

ü фазу линейного роста (3), характеризующуюся равномерным во времени линейным ростом культуры, имеет место отклонение от точек в сторону меньших значений количества клеток или продуктов, что служит экспериментальным критерием перехода культуры в линейную фазу роста.

ü Фаза линейного роста может смениться весьма непродолжительным периодом, в течение которого скорость роста культуры снижается до нуля. Это фаза замедления роста (4).

ü В некоторых случаях рост культуры может переходить в достаточно устойчивую по продолжительности стационарную фазу.

ü Если система полностью истощается по субстрату или накопление ингибирующих рост продуктов является значительным, то скорость прироста биомассы становится равной нулю, происходят существенные физиологические изменения клеток и, как правило, наблюдается фаза отмирания культуры (6)

Процессы культивирования разделяют на периодические и непрерывные. При периодическом режиме в культиватор одновременно закладывают все необходимое для роста микроорганизмов (субстраты) и некоторую “затравку” биомассы, после чего популяция микроорганизмов растет и развивается по своим законам. В некоторый момент времени производится изъятие биомассы. Затем процесс повторяется. Таким образом, снятие урожая производится периодически, и каждый раз популяция проходит через все стадии роста.

При непрерывном культивировании из всех факторов, влияющих на рост клетки, выбирают лимитирующий, и опытным путем находят зависимость скорости роста от его концентрации.

В общем виде кинетика концентрации клеток в непрерывной культуре описывается уравнением:

Без учета вымывания клеток рост биомассы описывается уравнением:

При неограниченных ресурсах питательных веществ величина µпостоянна, и уравнение (11.2) описывает экспоненциальный рост популяции клеток. Если же какие-либо причины начинают лимитировать рост, величина µ будет уменьшаться. Для микробиологических систем обычно величина, лимитирующая рост, это ‑ концентрация субстрата. Наиболее распространенная форма записи, учитывающая насыщение скорости роста культуры по питательному субстрату, предложена Моно:

(11.4)

Здесь m_m -максимальная скорость роста микроорганизмов при данных условиях; K_S - константа, численно равная концентрации субстрата, при которой скорость роста культуры равна половине максимальной. График функции величины скорости роста от концентрации субстрата приведен на рис. 11.3

Рис. 11.3. График зависимости скорости роста от концентрации субстрата в соответствии с формулой Моно (11.4)

Методы получения непрерывных культур основаны на том, что в аппарат, где растут клетки, непрерывно добавляют свежую питательную среду и одновременно из него удаляют соответствующее количество бактерий.

Различают два типа таких аппаратов: хемостаты и турбидостаты. Хемостат — аппарат, в который постоянно из особого резервуара добавляется свежая питательная сРеда. Благодаря механическому перемешиванию и аэрации среды в ней создаются оптимальные условия для снабжения бактерий кислородом и вновь добавляемыми питательными веществами, по мере поступления которых часть популяции бактерий из аппарата удаляется.

Принцип работы турбидостата основан на поддержании постоянной плотности (мутности) бактериальной популяции в аппарате. Степень мутности контролируется с помощью фотоэлементов, которые через систему реле регулируют поступление пи­тательных веществ в аппарат. Все питательные вещества в ней содержатся в избытке, и скорость роста приближается к максимальной. В таких аппаратах непрерывного культивирования микроорганизмов (АНКМ) все необходимые параметры для роста соответствующего вида микроорганизма задаются и поддерживаются с помощью спе­циальных автоматических приборов.

Безопасность пищевой продукции – это соответствие пищевой продукции санитарным правилам, нормам и гигиеническим нормативам, ветеринарным и фитосанитарным правилам, соблюдение которых исключает опасное влияние на жизнь и здоровье человека нынешнего и будущего поколения.

Методы контроля показателей качества и безопасности установлены официально в соответствии и правилами ИСО (Международная организация по стандартизации).

Безопасность пищевой продукции обеспечивает система ХАССП (анализа риска и критических контрольных точек). Сущность системы состоит в том, что процесс изготовления продукции от закупки сырья до потребления готовых изделий делится на стадии с контролем на промежуточных этапах.

Для определения контрольных и контрольных критических точек производства проводят анализ потенциальных источников риска, оценивается их вероятность, тяжесть последствий и определяются предварительные действии по их устранению, путем воздействия на данные точки можно его избежать данный риск.

Необходимо различать необходимые контрольные точки и критические контрольные точки. Необходимые контрольные точки относятся к качеству продукта, его соответствию требованиям, отсутствию нежелательных загрязнений. Они определяются, как правило, на этапе предварительного анализа рисков и проверяются во время внутренних проверок (самоинспекции).

Контрольная точка будет считаться критической, если на данной контрольной операции имеются признаки наличия риска. Определен опасный фактор, а также воздействия, устраняющие риск или снижающие его до допустимого уровня. Относятся к существенным факторам, угрожающим жизни или здоровью.

Для критических контрольных точек надо определить опасные факторы (время, температура, влажность, рН и т.д.) и критические пределы.

Система ХАССП включает 7 основных этапов: 1) проведение анализа опасных факторов; 2) определение критических точек контроля; 3) установление и строгое соблюдение предельных нормативов для производственных процессов и оборудования; 4) систематический мониторинг по всей технологической линии; 5) разработка мер по коррекции производственных процессов; 6) постоянная запись технологических параметров; постоянная проверка полученной информации.

Гигиенические требования к качеству и безопасности сырья и пищевой продукции указаны в СанПиНе. Нормируются микробиологические показатели, такие как содержание КМАФАнМ (количество мезофильных аэробных и факультативноанаэробных микроорганизмов), БГКП (бактерий группы кишечной палочки), стафилококков S.aureus, патогенных микроорганизмов, в т. ч. и сальмонелл, в некоторых продуктах нормируется содержание дрожжей и плесени. Консервы должны отвечать требованиям стерильности. Методы контроля содержания указанных видов микроорганизмов представлены в соответствующих ГОСТах.

Так же нормируется содержание в сырье и продуктах токсичных элементов (свинец, мышьяк, кадмий, ртуть, олово, хром, медь, железо, цинк), пестицидов (ДДТ – дихлордифенилтрихлорметилметан и его метаболиты, гексахлорциклогексан), нитратов, микотоксинов, антибиотиков, радионуклидов.

Существует три уровня контроля – входной (качество сырья, материалов, тары), технологический (на отдельных стадиях процесса) и выходной (качество готовой продукции). Оценка проводится органолептическим методом или инструментальными методами. Инструментальные методы подразделяются на физические, химические и микробиологические. Для оценки органолептики некоторых продуктов введена бальная система оценки.

Количественное определение токсичных элементов связано с рядом трудностей, обусловленных низкими значениями их ПДК в ПП, фотометрическим дитизоновым, атомно-абсорбционным и полярографическим методами.

Для определения микотоксинов в пробе их извлекают органическим растворителем, осуществляют очистку, переводят (в случае необходимости) в летучее, флуоресцирующее или окрашенное соединение. На конечном этапе используют различные виды хроматографии, для некоторых микотоксинов – радиоиммунные и иммуно-ферментные методы

Закон «О техническом регулировании» (2002) предусматривает создание двухуровневой системы документов, регламентирующих вопросы качеств аи безопасности

1. Технические регламенты, обязательные для применения и использования.

2. Добровольные национальные стандарты.

Технические регламенты включают требования к безопасности сырья, полуфабрикатов, готовой продукции, требования к организации технологического процесса, методам контроля, к производственным зданиям и помещениям, оборудованию, инвентарю, к работникам предприятия, к процессам хранения, перевозки, реализации продукции, утилизации отходов.

Обязательная сертификация необходима для подтверждения требований по безопасности или критических требований по качеству. Она является формой государственного контроля за безопасностью продукции. Обязательной сертификации подлежит только та продукция, которая входит в перечень «Номенклатура продукции и услуг (работ), для которых законодательными актами РФ предусмотрено их обязательное подтверждение соответствия».

Добровольная сертификация предназначена для подтверждения соответствия продукции всем требованиям государственных, а также международных стандартов, указанных заявителем. В сертификате приводится информация не только о безопасности продукции, но и всех её потребительских свойствах. Она является более информативной для покупателя и служит для повышения конкурентоспособности продукции.

Добровольная сертификация проводится на основе договора между заявителем и органом по сертификации, а инициатором может быть юридическое или физическое лицо. Объектом добровольной сертификации является и продукция, предназначенная для экспорта.

Так же существует помимо сертификации декларирование соответствия. Ответственность за продукцию полностью несёт заказчик. При этом у него должны быть доказательства соответствия продукции заданным требованиям.

Сертификация продукции проходит по следующим основным этапам:

§подача заявки на сертификацию;

§рассмотрение и принятие решения по заявке;

§отбор, идентификация образцов и их испытания;

§проверка производства (если предусмотрена схемой сертификации);

§анализ полученных результатов, принятие решения о возможности выдачи сертификата;

§выдача сертификата соответствия;

§инспекционный контроль за сертифицированной продукцией в соответствии со схемой сертификации.

Продукция, на которую выдан сертификат, маркируется знаком соответствия.

Выбор схемы сертификации зависит в первую очередь от срока гарантированного хранения. Правилами установлены две категории:

• продукция кратковременного хранения (срок до одного месяца);

• продукция длительного хранения (срок более месяца).

При выборе любой схемы сертификации заявитель формирует комплект документов, который должен содержать:

1) регистрационные документы и реквизиты заявителя;

2) наименование, общее описание, назначение (при наличии назначения) этих продуктов;

3) национальный стандарт, стандарт организации на эти продукты (для российских изготовителей) или международный стандарт либо подробное описание этих продуктов с указанием основных показателей их свойств, условий хранения, сроков годности (для иностранных изготовителей), применяемые на добровольной основе в целях обеспечения соблюдения требований настоящего Федерального закона;

4) сертификаты соответствия и (или) декларации о соответствии сырья, компонентов, упаковочных материалов, используемых при производстве продуктов переработки молока;

5) сертификат соответствия системы управления качеством изготовителя при использовании схемы 5с. При отсутствии указанного сертификата заявитель подает в аккредитованный орган по сертификации систем управления качеством заявку на сертификацию системы качества. Орган по сертификации систем управления качеством сертифицирует систему качества изготовителя и при положительных результатах выдает ему сертификат системы качества;

6) документы, подтверждающие организацию и осуществление производственного контроля изготовителем, а также осуществление государственного контроля в отношении изготовителя и продуктов переработки молока федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по контролю и надзору в сфере обеспечения санитарно-эпидемиологического благополучия населения, защиты прав потребителей, при использовании любой схемы сертификации, за исключением схемы 6с;

7) товарно-транспортные документы, оформленные в установленном законодательством Российской Федерации порядке, договор (контракт) поставок продуктов переработки молока, сертификат происхождения этих продуктов, гигиенический сертификат, свидетельство о государственной регистрации новых или впервые ввозимых (поставляемых) продуктов переработки молока при использовании схемы 6с.

Срок действия сертификата устанавливается органом по сертификации с учетом срока годности самого продукта, срока действия сертификата на систему качества и производства, срока действия гигиенического сертификата, но общий срок его действия не должен превышать трех лет.

Примести основные принципы, которые учитываются при выборе оборудования и проектировании производства органических кислот с учётом требований по санитарии, гигиене и экологической безопасности.

Основные принципы выбора оборудования:

1. Выбирать наиболее современное и экономичное оборудование.

2. Стремиться к выбору оборудования одной производительности.

3. Подбирать оборудование максимальной производительности, которое может быть оптимально загружено на данной технологической операции.

При этом учитывают следующие факторы:

· Специализация оборудования (универсальное для микробиологических производств или специализированное, учитывающее особенности конкретного производства)

· Производительность машины или аппарата

· Занимаемая площадь

· Масса машины или аппарата

· Структура рабочего цикла (периодического или непрерывного действия)

· Качество продукции

· Условия обслуживания

· Степень использования сырья, затраты энергии, количество отходов

· Стоимость машины или аппарата и затраты на монтаж

· Условия труда (безопасность, тяжесть труда)

Выбор земельного участка под предприятие, генеральный план, проекты вновь строящихся и переоборудуемых зданий, всякое дополнительное строительство на территории предприятия, а также водоснабжение, канализация и спуск сточных вод должны быть предварительно согласованы с местными органами государственного санитарного надзора и другими организациями в установленном порядке.

При проектировании новых и реконструкции предприятий должны соблюдаться действующие нормы и правила и производиться по типовым или индивидуальным проектам.

Санитарные требования к территории предусматривают помимо общих требований к производственным предприятиям (не допускается строительство жилых помещений, территория должна содержаться в чистоте и порядке, регламентируется порядок хранения и вывоза мусора и отходов) учитывают особенности производства.

В производственных помещениях должен производиться своевременный ремонт, регулярная дезинфекция и уборка в соответствии с правилами.

Производственное оборудование должно отвечать требованиям "Санитарных правил организации технологических процессов и гигиенических требований к производственному оборудованию".

Производственные процессы, связанные с применением или образованием токсических веществ, необходимо проводить в герметически закрытой аппаратуре или под вакуумом. Места возможного выделения токсических веществ в виде пара, газа или пыли необходимо снабжать укрытиями и отсосами.

Особые требования предъявляются к дезинфекции споровых отделений и участков приготовления чистой культуры. Обязателен микробиологический контроль воздуха.