Optimiranje bioprocesnih parametrov proizvodnje etanola in kefirana z mikrobioto kefirnih zrn : doktorska disertacija
Optimization of bioprocess parameters for ethanol and kefiran production using microbiota of kefir grains : doctoral dissertation

slovenski

doktorska dela

2012

črevesna mikrobiota   disertacije   etanol   fermentacija   kefir   kefiran   kefirna zrna   kvasovke   matematični modeli   optimiranje   procesni parametri   proizvodnja

Univerza v Mariboru, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo

Doktorska disertacija je sestavljena iz dveh sklopov, ki obravnavata področje proizvodnje tradicionalnega kefirja s kavkaškimi kefirnimi zrni. Prvi je optimiranje bioprocesnih parametrov proizvodnje etanola med fermentacijo kefirja, drugi pa optimiranje proizvodnje kefirana v kefirnih zrnih. Uvodoma smo v disertaciji proučili vpliv časa aktivacije kefirnih zrn na spremembe vrednosti pH kefirja in na proizvodnjo etanola med fermentacijo kefirja. Upadanje pH vrednosti kefirja smo med 24 h fermentacijo uspešno opisali s predlaganim matematičnim, eksponentnim pH modelom. Poleg tega smo proučili vpliv časa aktivacije kefirnih zrn na zvezo med številom kvasovk v zrnih in kefirju in proizvedenim etanolom. Rezultati so pokazali, da zrna, ki jih aktiviramo dalj časa, vsebujejo večje število kvasovk in proizvedejo več etanola kot zrna, ki so aktivirana le nekaj dni. Število kvasovk v kefirju je z daljšanjem časa aktivacije zrn naraščalo. S kinetičnimi modeli, katerih razvoj je vzpodbudila povečana industrijska uporaba fermentacije, lahko opišemo rast mikroorganizmov, proizvodnjo produktov in porabo substratov tako v naravnih ekosistemih, kakor tudi pri določenih procesnih pogojih. Tako smo zne-strukturiranim matematičnim modelom opisali kinetične osnove proizvodnje etanola med šaržno fermentacijo kefirja. V ta namen smo proučili kinetiko rasti kefirnih zrn in proizvodnje etanola. Eksperimentalne podatke, pridobljene s serijo šaržnih fermentacij, izvedenih pri temperaturi 21 °C, začetni masni koncentraciji kefirnih zrn 42 g/L in izbranih časih fermentacije znotraj časovnega intervala (0-89) h, smo uporabili za ocenitev vrednosti kinetičnih parametrov in potrditev veljavnosti predlaganih sigmoidnih modelov. Rast kefirnih zrn smo opisali z logističnim modelom, proizvodnjo etanola pa z modificiranim Gompertzovim modelom. Ugotovili smo, da predlagana modela dobro opišeta kinetiko fermentacije kefirja glede na rast kefirnih zrn in proizvodnjo etanola in da se lahko uporabita za razvoj in optimizacijo bioloških procesov proizvodnje etanola. Nadalje smo razvili matematični model za kinetiko proizvodnje etanola med fermentacijo kefirja kot funkcijo temperature in časa. Vpliv temperature in časa fermentacije, na vrednost biokinetičnih parametrov proizvodnje etanola, smo opisali z modificiranim Gompertzovim modelom. Vrednost bioloških kinetičnih parametrov predlaganega modela smo ocenili z uporabo metode najmanjših kvadratov na podlagi eksperimentalnih podatkov, pridobljenih s serijo šaržnih fermentacij. Ocenili smo vpliv temperature na prirast biomase kefirnih zrn ter mikrobiološko sestavo kefirja in zrn. Temperaturno odvisnost maksimalne hitrosti proizvodnje etanola smo analizirali z uporabo Arrheniusove zveze, s katero smo ocenili vrednost aktivacijske energije za proizvodnjo etanola pri fermentaciji mleka s kefirnimi zrni, ki znaša 64,3 kJ/mol. Z razvitim matematičnim modelom lahko zelo dobro opišemo dinamiko proizvodnje etanola med fermentacijo kefirja. Prvi raziskovani sklop smo zaključili s proučevanjem vpliva časovnega presledka mirovanja mešala oz. pogostosti mešanja na proizvodnjo etanola in mikrobiološke lastnosti kefirja in kefirnega zrna. Razvili smo matematične zveze, ki opišejo razmerje med pogostostjo mešanja in (1) povečanjem prirasti kefirnih zrn v 24 h, (2) koncentracijskimi spremembami etanola med 24 h fermentacijo ter (3) pH vrednostjo kefirja po 24 h fermentaciji. Za razvite matematične modele so bile z uporabo metode najmanjših kvadrotov ocenjene vrednosti funkcijskih parametrov. Ocenili smo tudi vpliv pogostosti mešanja na število kvasovk, laktobacilov in mezofilnih MK kokov (pretežno laktokokov) v kefirju in zrnih po 24 h fermentaciji. Drugi sklop raziskav smo usmerili v raziskovanje bioprocesnih parametrov, ki vplivajo na proizvodnjo specifičnega eksopolisaharida (EPS) kefirana, značilnega za kefirna zrna.

07.08.2023