S fermentacijo do razbremenitve okolja

Probiotiki nam pomagajo ohranjati zdravje, tako da podpirajo imunski sistem, pomagajo prebavljati hrano, razgrajujejo škodljive snovi in spodbujajo proizvodnjo koristnih, denimo vitaminov in protimikrobnih snovi. Fermentirani izdelki so bogati s probiotičnimi mikroorganizmi in so naravno konzervirana hrana, ki ugodno deluje na naše zdravje.

Običajno gledamo na bakterije v negativni luči, kot na nekaj, zaradi česar zbolimo. Pa vendar imamo v telesu in tudi na koži venomer dve vrsti bakterij – dobre in slabe. Ko zbolimo, se število slabih bakterij poveča. To organizem spravi iz ravnovesja. Dobre bakterije se borijo proti slabim in ponovno vzpostavijo ravnovesje, zaradi česar se počutimo bolje. Probiotiki so kot kombinacija koristnih mikroorganizmov, bakterij oziroma kvasovk, naravno prisotni v vsakem človeškem organizmu. Njihova glavna naloga je prav vzdrževanje zdravega ravnovesja v telesu. Uživanje probiotičnih dodatkov običajno ni potrebno, saj sta najboljši vir probiotikov fermentirana hrana in pijača. Med probiotično fermentirano hrano sodijo vložene kumarice, kislo zelje, kruh iz kislega testa, skuta in kimči, med probiotične napitke pa mlečni kefir, jogurt, pinjenec, vodni kefir in kombuča.

V laboratoriju med drugim preučujejo fermentacijo vodnega kefirja. FOTO: arhiv UM

Industrijska fermentacija kot primarni proces bioinženiringa

Bioprocesno inženirstvo je biotehnološka disciplina, ki se ukvarja s prenosom znanstvenih rezultatov v praktične procese ali izdelke, namenjene potrebam širše družbe. Čeprav je proizvodnja biofarmacevtskih izdelkov najbolj razširjena, ima bioprocesno inženirstvo prevladujoč položaj v fermentacijski industriji, ki se ukvarja s proizvodnjo etanola (uporablja se za pijače, biogoriva), mlečne kisline (za mlečne izdelke), ogljikovega dioksida, vodika in vrste drugih uporabnih produktov. Industrijska fermentacija je primarni proces bioinženiringa. Predstavlja načrtovano uporabo mikroorganizmov (bakterij, kvasovk, plesni, alg) ali celic (živalskih, rastlinskih) za proizvodnjo izdelkov, ki so koristni za ljudi. Eden izmed takšnih procesov je proizvodnja fermentiranih probiotičnih napitkov.

Vzorčenje reakcijske zmesi iz šaržnega encimskega reaktorja (Armfield). FOTO: arhiv UM  

Z matematičnim modelom do probiotičnega napitka

V Laboratoriju za procesno sistemsko tehniko in trajnostni razvoj Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Mariboru smo podrobno raziskovali potek fermentacije mlečnega kefirja v sirotki z razvojem matematičnih modelov za regulirano proizvodnjo probiotičnega napitka z želenimi lastnostmi. Raziskave so potekale v okviru projektnega dela z gospodarstvom in negospodarstvom v lokalnem in regionalnem okolju – Po kreativni poti do znanja. Sodelovali smo s Fakulteto za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Univerze v Mariboru ter podjetjem Ljubljanske mlekarne.

Tehnologija za materiale prihodnosti

Mlekarska industrija predeluje surovo mleko v različne mlečne pijače, fermentirane mlečne izdelke, maslo, različne vrste sira, sladolede idr. Obdelava mleka za pridobivanje različnih vrst sira poteka po več tehnoloških postopkih. Pri proizvodnji sira kot stranski produkt nastaja sirotka. Njena količina je odvisna od vrste sira in od zadržane vlage v sirnem zrnu. Sirotka kot stranski produkt je še vedno zelo bogata z organskimi snovmi. V zadnjem času se sicer vse večji delež sirotke pretvarja v razne produkte, še vedno pa se kot odpadni produkt odvaža v bioplinarne za proizvodnjo bioplina. Da bi zmanjšali količino sirotke in obremenitev okolja, se uvajajo novi postopki njene uporabe za proizvodnjo produktov z dodano vrednostjo.

Vodna kefirna zrna. FOTO: arhiv UM

V okviru projekta smo izvajali fermentacijo sirotke s kefirnimi zrni, ki se sicer uporabljajo kot naravna starter kultura za fermentacijo mleka. Proučevali smo vpliv temperature in hitrosti mešanja na kvaliteto dobljenega fermentiranega napitka. Za nadzor poteka fermentacije smo spremljali vsebnost etanola in ogljikovega dioksida, torej dveh produktov fermentacije. Osnovno idejo projekta smo nadgradili še z matematičnim modeliranjem procesa nastajanja etanola. Na podlagi izpeljanega matematičnega modela smo izbrali strukturo regulacijskega sistema, ki bi zagotavljal želen koncentracijski profil v industrijskem okolju in ob prisotnosti raznih motenj. Za vsak mikroorganizem in produkt obstaja stanje, pri katerem dobimo največ produkta z želeno kakovostjo. Zaradi konkurenčnosti na trgu in okoljskih problemov se pojavljajo vse večje zahteve po visokokvalitetnih proizvodih s čim nižjimi stroški in čim manjšim onesnaževanjem. To je eden ključnih razlogov za iskanje vedno novih konceptov vodenja bioprocesov.

Prihodnost fermentacije vodnega kefirja

V prihodnje nameravamo raziskave razširiti še na druge probiotične napitke. Trenutno v okviru projekta Reforma visokega šolstva za zelen in odporen prehod v družbo 5.0, ki je del načrta za okrevanje in odpornost, izvajamo aktivnosti v sodelovanju s Fakulteto za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Univerze v Mariboru ter podjetjem Borgla. Proučujemo proces fermentacije vodnega kefirja.

Tehtanje vodnih kefirnih zrn FOTO: arhiv UM

Med najbolj zastopanimi produkti fermentacije in rasti mikroorganizmov sta zagotovo ogljikov dioksid in etanol. Za razumevanje in uporabo učinkov teh dveh produktov na mikrobiološko fermentacijo je treba spremljati njuno koncentracijo v fermentacijskem mediju. Prevelika koncentracija lahko povzroča inhibitorni (zaviralni) učinek na mikroorganizme. Koncentracija ogljikovega dioksida je pomembna pri pakiranju fermentiranih produktov, in sicer zaradi tlaka, ki se ob sproščanju ogljikovega dioksida v zaprtih posodah povečuje. Koncentracija etanola v fermentiranih napitkih je pomembna z vidika označevanja proizvodov kot napitkov z določeno vsebnostjo alkohola. Nihanja v koncentraciji ogljikovega dioksida in etanola se lahko pojavijo kot posledica tehnoloških napak ali zaradi nepredvidljivega delovanja mikroorganizmov. Takšna nihanja na industrijski ravni proizvodnje fermentirane pijače niso zaželena.

Fermentacijo izvajamo v laboratorijskem šaržnem fermentorju, ki omogoča in situ spremljanje koncentracije sladkorja, ogljikovega dioksida in etanola v fermentacijskem mediju, pri različnih temperaturah in hitrostih mešanja. Iz dobljenih podatkov bomo z intuitivnim pristopom razvili poenostavljen matematični model sproščanja ogljikovega dioksida in etanola. Predpostavljeni model bomo preverili s primerjavo eksperimentalnih odzivov z odzivi, izračunanimi z ocenjenimi parametri modela.

Napredni reaktorji

Pri eksperimentalnem delu uporabljamo novo opremo (senzorje za spremljanje koncentracije ogljikovega dioksida, sladkorja in etanola), pridobljeno v okviru projekta RIUM. V Laboratoriju za procesno sistemsko tehniko in trajnostni razvoj smo pridobili dva sklopa raziskovalne opreme, in sicer reaktorje za izvajanje kemijskih in biokemijskih reakcij ter senzorje za spremljanje poteka teh reakcij.

Avtomatiziran reakcijski sistem RC1e (Mettler Toledo), v katerem poteka fermentacija vodnega kefirja. FOTO: arhiv UM

V sklopu reaktorjev proizvajalca Armfield so šaržni reaktor, kontinuirni mešalni reaktor, cevni reaktor, reaktor s fiksno in fluidizirano plastjo, šaržni encimski reaktor, katalitski reaktor, aerobni reaktor in anaerobni reaktor. Sklop senzorjev proizvajalca Mettler Toledo pa sestavljajo ReactIR 702L, instrument za in situ spremljanje kemijskih reakcij v infrardečem območju; M400 z InPro5000i, merilnik in sonda za merjenje raztopljenega ogljikovega dioksida; S230 KIT ter SevenCompact Cond, merilnik prevodnosti. Komplet senzorjev je namenjen spremljanju poteka kemijskih in biokemijskih reakcij. ReactIR omogoča preučevanje reakcij v realnem času, kar nadomesti off line analizo vzorcev, pri čemer zagotavlja zelo natančne informacije o iniciaciji, presnovi, kinetiki, mehanizmu in poteku reakcije. Z in situ instrumentom ReactIR neposredno spremljamo koncentracije ključnih reakcijskih komponent, ki se med reakcijo spreminjajo.

Takojšnje informacije o poteku reakcij omogočajo boljše poznavanje, učinkovitost kvantifikacije, optimizacijo in scale-up procesa. Pripadajoča programska oprema omogoča določanje funkcionalnih skupin komponent v reakcijskem mediju, kar z avtomatizirano analizo podatkov skrajša čas analize. Možno je spremljanje reakcij v tekočem in plinastem agregatnem stanju v širokem temperaturnem in tlačnem območju v šaržnih reaktorjih, s prilagoditvijo pa tudi v kontinuirnih reaktorjih. In situ senzor za raztopljeni CO₂ omogoča določanje koncentracije CO₂ v realnem času, kar je pri bioprocesih pomembno, saj vpliva na stopnjo rasti celic v bioreaktorjih. Vsi senzorji so dovolj majhni, zato jih je mogoče hitro prestaviti in uporabiti na različnih lokacijah. Reaktorji so izredno fleksibilni za uporabo. Uporabljamo jih tako za šaržne kakor za kontinuirne procese. V njih izvajamo biokemijske, encimske in kemijske reakcije. Možna je izvedba nekataliziranih reakcij ali kataliziranih reakcij z uporabo homogenih oziroma heterogenih katalizatorjev. Procesne parametre, kot so volumen, temperatura, pretok reakcijskega medija in hitrost mešanja, spreminjamo glede na potrebe posameznega procesa. Reaktorji so opremljeni s programsko opremo, ki omogoča vnos in shranjevanje podatkov ter prikaz in obdelavo rezultatov. Nova raziskovalna oprema je velika pridobitev tako za zaposlene kot za študente Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo, ki se med študijskim procesom vključujejo v znanstvenoraziskovalno delo.

Izr. prof. dr. Darja Pečar v Laboratoriju za bioreakcijsko tehniko. FOTO: arhiv UM

Trajnostni razvoj inovativnih izdelkov

Vodilo Laboratorija za procesno sistemsko tehniko in trajnostni razvoj Univerze v Mariboru je delovati skladno s smernicami krožnega gospodarstva. Krožno gospodarstvo je zamišljeno kot zmanjševanje nastajanja odpadkov in ohranjanje vrednosti izdelkov, materialov in virov čim daljše obdobje. Vključuje skupno rabo, ponovno uporabo, popravilo, prenovo, preoblikovanje in recikliranje materialov in izdelkov, z namenom zmanjšanja rabe svetovnih virov ter s tem zmanjšanja nastajanja odpadkov in zmanjšanja emisij ogljikovega dioksida. S pretvorbo surovin in materialov v končne uporabne izdelke se ukvarja kemijsko inženirstvo. Perspektive krožnega gospodarstva v povezavi s kemijskim inženirstvom so narediti kemijske procese čim bolj trajnostne z razvojem inovativnih izdelkov, izdelanih iz obnovljivih virov in zasnovanih za ponovno uporabo, recikliranje ali obnavljanje surovin z naravnimi procesi. Z učinkovito rabo virov oziroma surovin lahko zmanjšamo emisije in količino nastalih odpadkov. Eden izmed ciljev kemijskega inženirstva je tudi podaljšati življenjsko dobo materialov in izdelkov s ponovno uporabo, popravilom ali predelavo. S preučevanjem in izboljšavami procesov fermentacije tako pomembno prispevamo k uresničevanju smernic trajnostnega razvoja.

–––

Izr. prof. dr. Darja Pečar je raziskovalka v Laboratoriju za procesno sistemsko tehniko in trajnostni razvoj na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Mariboru.