1

Capitolul III

3. Materii prime, intermediare i auxiliare

3.1 Microorganismul productor

Mucegaiurile fac parte din Phyllum Mycophyta sau Fungi i reprezint, mpreun cu levurile un grup de organisme incluznd aproximativ 200.000 de specii. Sunt organisme filamentoase saprofite (care cresc pe substane intrate n putrefacie i nu produc boli) sau parazite (produc diferite boli). Ei se reproduc pe cale asexuat (fr participarea unor gamei de sexe diferite) sau sexuat (cu participarea unor gamei de sexe diferite).

Sunt organisme cu o mare capacitate de adaptare la condiiile variate, nefavorabile ale mediului n care i desfoar activitatea. Mucegaiurile cresc n condiii extreme de aciditate, presiune osmotic, uscciune, etc. Au structura celular de tip eucariot.

Fig. 3.1. Reprezentarea schematic a structurii interne la mucegaiuri.

Structura intern

Dei este tipic eucariotelor exist totui i unele deosebiri de la o form la alta de mucegai. Deosebirile ce pot apare se refer la prezena sau absena septului sau peretelui hifal.

n general n structura unei hife se pot distinge urmtoarele formaiuni structurale tipice celor mai multe eucariote: peretele celular (hifal) , membran plasmatic, citoplasm i constituenii citoplasmici i nucleu

Peretele hifal

Hifa este delimitat la exterior de un perete rigid n structura cruia intr chitin, celuloz, polizaharide i unii acizi grai. Peretele hifal acoper membrana plasmatic i tot el este cel care particip la formarea septului hifal.

Membrana plasmatic are o structur tristratificat i se presupune c ar avea rol important n formarea aparatului Golgi. Are totodat importante roluri n transportul unor substane din mediu n celul i din celul n mediu.

Citoplasma se prezint sub forma unei mase fin granulate n care sunt suspendate vacuolele, picturi de grsimi, numeroase granule de incluziuni i particule. n citoplasm se gsesc de asemenea, reticulul endoplasmatic rugos bine dezvoltat, aparatul Golgi, mitocondrii, ribozomi liberi sau fixai de reticulul endoplasmatic i lizozomi, formaiuni structurale cu rol n liza unor substane.

3.2. Fiziologie i metabolism

Mucegaiurile au o nutriie de tip heterotrof adic necesit pentru cretere i dezvoltare medii bogate n substane organice.

Sursa de carbon poate fi glucoz sau oricare alt substan glucidic, alcooli i acizi organici. Ca surs de azot fungii pot utiliza compui organici de natur proteic, iar unele specii pot utiliza srurile de amoniu i nitriii.

Fungii cresc bine n atmosfer umed, iar pH-ul lor optim este 5-6. Sunt microorganisme cu capacitate biosintetic mare, putnd sintetiza pe ci metabolice diferite polizaharide. Lipide, acizi organici, pigmeni, substane antibiotice sau alte substane biologice active.

Temperatura optim de cretere este de 22-32C, ns ei pot crete i la temperaturi de 5-10C, dar i la temperaturi de 35-40C. Aproape toi fungii de interes industrial sunt aerobi, necesitnd o concentraie ridicat de oxigen.

Muli dintre fungii de interes industrial, necesit pentru creterea i dezvoltarea lor bioelemente cum ar fi: Fe, K, Cu, Mn, Co, Mo, etc. Unele specii necesit factori de cretere fr de care procesele metabolice nu pot avea loc n condiii optime.

Prin activitile lor metabolice i posibilitile de a transforma cu uurin o gam mare de substane, mucegaiurile au devenit unii dintre factorii biologici cei mai utilizai n industria alimentar, fiind factorii principali n obinerea unor brnzeturi, producerea unor antibiotice, dar i n obinerea acidului citric.

3.3 Melasa

Melasa, principalul subprodus de la fabricarea zahrului din trestie i sfecl de zahr, reprezint siropul din care nu se mai poate separa zaharoza folosind tehnologia clasic de cristalizare i centrifugare. Ea conine cantitatea total de nezahr, care nu a fost reinut n cristalele de zahr i are o puritate scazut.

Caracteristici fizice:

Aspect : lichid vscos de culoare brun-negru; Gust : caracteristic;

Densitate : variaz n funcie de coninutul n substan uscat, fiind de 1390 kg/m3, la 77% s.u. i de 1420 kg/m3, la 84% s.u.; Vscozitate : cuprins ntre 13Cp si 19 Cp;

Caldur specific : 0,5 kcal/kgK.

In compoziia melasei intr 4552 % zaharoz, 1418% ap, iar restul este reprezentat de substane organice i minerale

ComponentulMelasa de la sfecla de zaharMelasa de la trestia de zahar

Apa20251520

Substanta uscata,%75808085

Zahar total,%40525055

Zahar invertit,%0,10,52023

Rafinoza,%0,61,8-

Azot total ( N x 6,25),%1,22,40,30,6

Substante minerale,%7,512,51012

pH6,08,6sub 7

Tabelul 3.1. Compozitia chimica a melasei

3.4 Extract de porumb

Este un subprodus de la fabricarea amidonului din porumb, obinut n cursul nmuierii preliminare a boabelor. Acest extract, ca i extractul de cartofi d un mediu de cultur bogat nutritiv, mult utilizat n industria de biosinteza.

Caracteristici fizice:

Aspect : lichid cremos de culoare galben nchis;

Substanta uscata : minim 50%;

pH = 3.5-4;

continutul in acid lactic : minim 20g la 100g substan uscat;

zahar total maxim 2.5%.

Compoziia chimic a extractului de porumb:

Constituienti g/100g extract de porumb%

Substan uscat46-49,6

Cenus8,04-10,43

N total3,33-3,67

Zahar total (exprimat ca glucoza)4,00-4,70

Acid lactic0,74-4,39

Aciditate ( ml. sol NaOH 0,1 N /100 g extract de porumb )11,6-19,3

Fe0,009-0,02

P1,5-1,9

Ca0,02-0,07

Zn0,05-0,012

K2,0-2,5

SO20,02

Sedimente solide38,4-52,9

Tabel 3.2 Compoziia chimic a extractului de porumb

3.5 Mecanismul reaciilor biochimice

Mecanismul de biosintez a acidului citric sub influena sistemului enzimatic din miceliul de Aspergillus niger este prezentat n figura.3.2.

Prezena n biomas a acidului aconitic, succinic, malic i fumaric demonstreaz c acidul citric se formeaz ca rezultat al reaciilor ciclului acizilor di- i tri-carboxilixi. De asemenea, au loc i reacii secundare de condensare a acizilor cu 2 i 4 atomi de carbon care pot conduce la acid citric.

n procesele de fermentaie aerob a Aspergillus niger n vederea obinerii acidului citric, se folosesc medii de cultir pe baz de melas, la care se adaug sruri minerale, surse de azot i stimulatori de biosintez. Procesul de biosintez este determinat de compoziia mediului de cultur, pH, aeraie, temperatur i timp.

Fig.3.2. Ciclul Krebs

3.6 Cinetica

Procesul de cretere a microorganismelor pe medii de cultur, cu scopul de a biosintetiza diveri produi, poart denumirea de fermentaie.

Termenul de cretere este adecvat numai pentru microorganismele individuale. La bacterii, prin cretere se ntelege o anumit succesiune de fenomene prin care celula individual crete n mrime o anumit perioad, dup care se divide in doi indivizi capabili sa reia acelasi ciclu.

Sub alt aspect, procesul de cretere a microorganismelor reprezint rezultatul interaciunii dintre celula individual i mediul de cultur. Aplicarea legilor termodinamicii, cineticii i transferului de mas, impuls i energie demonstreaz c mediul de cultur, prin compoziie, temperatur, presiune i concentraii de substrat limitative, afecteaz direct creterea microorganismelor i performana elaborrii produselor utile.

n practic, este foarte comod s se urmreasc ciclul de cretere prin determinarea numrului de microorganisme sau a acumulrii acestora n timp. Dac se reprezint grafic creterea n timp a numrului de microorganisme se obin curbele din figura 3.2. alura acestora fiind influenat de metoda de msurare utilizat. Curba de cretere a microorganismelor cuprinde mai multe faze corespunztoare diferitelor viteze de cretere din ciclu. Astfel, dupa Stell, curba de cretere cuprinde patru faze, i anume: faza de inoculare sau de adaptare la mediu (de la a la b), faza creterii logaritmice a numrului de microorganisme (de la b la c), faza creterii ncetinite (de la c la d) i faza de descretere a numrului de microorganisme (de la d le e). Dupa Monod, curba de cretere cuprinde urmtoarele faze: faza lag sau faza creterii staionare (1), faza de cretere accelerat (2), faza de cretere logaritmic sau faza exponential (3), faza de retardare (4), faza stationar (5), faza distruciei accelerate a microorganismelor (6) i faza distruciei logaritmice.

Fig.3.3. Curba de cretere a microorganismelor

Studiul mecanismului reaciilor enzimatice, a proceselor metabolice i a vitezei de transformare a substratului n produs se face prin metoda cinetic. Aceast metod reprezint singura posibilitate de studiu a proceselor enzimatice, deoarece numrul enzimelor pure separate separate pn n prezent este relativ redus

Enzimele sunt macromolecule organice cu structur proteic care catalizeaz procesele biochimice. Din punct de vedere structural, enzimele sunt compui de natur heteroproteic cu sensibilitate deosebit la toi factorii care afecteaz proteinele. Activitatea enzimelor este influenat de temperatur, pH, presiune osmotic, concentraia substratului, concentraia produilor rezultai, etc. Activitatea enzimelor este inhibat de anumii ageni specifici, printre care: sulfamide, antibiotice, narcotice, colorani, ap oxigenat, dioxid de carbon,etc.

Substana asupra creia se exercit aciunea enzimelor se numete substrat. Prezena enzimelor permite transformarea substratului la temperatura normal a materiei vii, oferind, n acest fel, energia necesar desfurrii procesului de biosintez.

Funcia esenial a enzimelor const n reducerea considerabil a barierelor de potenial ale reaciilor de transformare a substratului, facilitnd astfel deplasarea echilibrului spre formarea de produs.

Michaelis i Menten dezvolt modelul cinetic al vitezei de formare a produsului n funcie de concentraia substratului i a enzimei.

(1)

Aceast ecuaie este denumit ecuaia Michaelis-Menten i descrie viteza de formare a produsului ntr-un proces enzimatic, reprezentnd modelul ideal pentru viteza proceselor enzimatice n regim staionar, lipsite de procese secundare de inhibiie.

Din reprezentarea grafic a ecuaiei (1) (figura II.4.4.2.) se observ c Km este acea valoare a concentraiei substratului Cs pentru care reacia pornete cu jumtate din viteza maxim.

Fig. 3.4 Reprezentarea grafic a ecuaiei Michaelis-Menten

Deoarece valoarea maxim a vitezei de reacie este limita asimptotei la curb, ea nu poate fi determinat cu exactitate. Pentru determinarea constantei Km i a vitezei maxime V, se utilizeaz metoda Lineweaver-Burk care folosete inversul ecuaiei Michaelis-Menten:

(2)

Prin reprezentarea grafic a ecuaiei (2) n coordonatele 1/v si 1/Cs se obine diagrama Lineweaver-Burk(figura 3.4.), ce permite determinarea constantelor V i Km n funcie de variaia concentraiei substratului i de valorile experimentale ale vitezei de formare a produsului.

Fig. 3.5 Reprezentarea grafic a ecuaiei Lineweaver-Burk

Cinetica proceselor de biosintez poate fi studiat i sub aspectul creterii masei celulare funcie de concentraia substratului. Astfel Monod, a stabilit urmtoarea ecuaie:

(3)

Ecuatia Monod este valabil numai n cazul n care creterea este limitat la un singur substrat, ceea ce n condiii industriale se intampl foarte rar. Pentru culturile industriale discontinue Monod a definit o constant caracteristic Y denumit cosntant de exploatare sau de cretere:

(4)

3.7 Termodinamica

Procesul de fermentaie se incadreaz din punct de vedere termodinamic n categoria sistemelor termodinamice deschise, sisteme specifice organismelor vii, caracterizate prin schimb de energie i de materie cu mediul inconjurator, pe care il transform. Sistemelor deschise le este specific faptul c ele nu sunt n echilibru cu mediul lor. Organismele vii se afl, de obicei, ntr-o stare staionar care reprezint condiia de baz a sistemelor deschise, i n care viteza transferului de materie i energie din mediu n sistem este compensat total de viteza transferului de materie i energie din afara lui.

Sistemele deschise aflate n stare staionar pot efectua un lucru deoarece sunt departe de condiia strii de echilibru. n starea staionar, viteza de producere a entropiei are o valoare minima, iar sistemul opereaz cu maximum de eficiena n condiiile date. Semnificaia acestei relaii a fost discutat pertinent, punndu-se n eviden faptul c viaa este o continu lupt mpotriva tendinei de a produce entropie. Sinteza unor molecule mari, bogate n informaii, formarea structurilor intracelulare, creterea biomasei sunt puternice fore antientropice. ns, organismele vii, fiind obligate s se supun principiului al doilea al termodinamicii, i anume s produc entropie, au ales calea de a produce entropie cu viteza minim, meninndu-se astfel n stare staionar, stare n care reaciile din celulele vii decurg cu o vitez foarte mare. Ca urmare, studiul entalpiei capt o importan deosebit.

Microorganismelor le este caracteristic eficiena deosebit n prelucrarea energiei i materiei, eficien care depeste cu mult majoritatea mainilor cunoscute de omenire.

Analiza aprofundat a acestor aspecte evideniaz c celulele vii funcioneaz ca maini izoterme care absorb energia din mediul lor, energie pe care o transform n energie chimic, folosit apoi pentru realizarea funciei chimice, de biosintez a componentelor celulare, a funciei osmotice, necesar transportului n celul, i a funciei mecanice, de contracie si locomoie, toate acestea la temperatur constant.

Sursa de energie a sistemelor termodinamice deschise o constituie hidraii de carbon, lipidele, alcoolii, proteinele, etc, care prin combustie chimic elibereaz o mare cantitate de energie. O parte din aceast energie se elimin din sistem, iar o parte este inmagazinat de sistem n compui organici macroenergetici, dintre care se remarc acidul adenozintrifosforic (ATP), compus care asigur practic, rezerva energetic a celulei . Din structura ATP-ului prezentat n figura II.4.5.1. rezult c legturile dintre gruprile fosfat adiacente din ATP si ADP sunt legturi de tip anhidrid, notate cu ~ , n timp ce legtura dintre acidul fosforic i riboza din AMP este o legtura esteric, notat cu linie dreapt. n acest context trebuie subliniat faptul c energia liber standard de hidroliz a legturilor tip anhidrid este mult mai mare comparativ cu cea a legturilor esterice. Dei ATP-ul conine dou legturi macroergice (~), n reaciile enzimatice intervine, de obicei numai fosfatul terminal. De asemenea este necesar de precizat c ATP-ul nu este numai un rezervor de energie chimic, ci este, n primul rnd, un transmitor sau transportor de energie chimic n celulele vii. Transportnd energia sa la alte molecule, acest compus pierde gruparea fosfat terminal, trecnd n ADP, care , la rndul su, poate accepta energie chimic i reface ATP-ul, primind o grupare fosfat.

Fig. 3.7 Structura ATP- ului

Prin reunirea acestor observaii, s-a postulat c ATP-ul funcioneaz ciclic ca transportor de energie chimic de la reaciile de ardere, care furnizeaz energie chimic, la diferitele procese celulare care necesit un consum energetic (fig. II.4.5.2.).

Fig.3.7.Ciclul ATP-ADP i modalitile de utilizare a energiei eliberate de ATP.

n concluzie, o analiz termodinamic pertinent a reaciilor metabolice impune cunoaterea concentraiilor intracelulare reale ale metaboliilor, precum i vitezele lor de formare i utilizare. n acest sens, se poate sublinia c viteza de formare a ATP-ului n celule este determinat de viteza de utilizare a ATP-ului n cadrul unei stri staionare dinamice.

Cunoscndu-se numrul de molecule de ATP sintetizate, funcie de cantitatea de hidrai de carbon consumat, se poate determina, suficient de exact, performana procesului de biosintez.

Calculul efectului termic total al procesului biochimic:

, n care:

Q1= efectul termic al procesului biochimic;

Vu= volumul util al lichidului de fermentaie;

RQ= viteza de degajare a cldurii.

EMBED ACD.ChemSketch.20 \s

EMBED ACD.ChemSketch.20 \s

PAGE

_1485194093.unknown

_1485194095.unknown