P

1

• Pärmi biotehnoloogia
• Pagaripärmi tootmine
• Alkoholi, etanooli tootmine
• Õlle tootmine
• Biotehnoloogiliste protsesside näited

2
Pärmide põhiline väärtus
C6H12O6 2
C2H5OH 2 CO2

• Inimesed on taltsutanud kaks (anaeroobset)
  biotehnoloogilist protsessi
• piimhappekäärimise
• alkoholkäärimise
• Selleks on kulunud 5000-6000 aastat. Muud alles
  õpitakse

3
Punguvad pärmid, pagaripärm Saccharomyces
cerevisiae Kõige tuntum eukarüoot
4
Schizosaccharomyces pombe jagunev pärm (fission
yeast)
Genoom sekveneeritud 2002, vt. http//www.sanger.a
c.uk/Projects/S_pombe/
5
Pärmi kolooniad kõige uuritum eukarüoot
http//www.yeastgenome.org/
6
(No Transcript)
7
(No Transcript)
8
Küllaltki lähedane inimesele!
9
Pärmid on kõige lihtsamad eukarüoodid väga
sobilikud rakutsükli uurimiseks
10
(No Transcript)
11
(No Transcript)
12
Pärmide põhiline väärtus
C6H12O6 2
C2H5OH 2 CO2

• Inimesed on taltsutanud kaks (anaeroobset)
  biotehnoloogilist protsessi
• piimhappekäärimise
• alkoholkäärimise
• Selleks on kulunud 5000-6000 aastat. Muud alles
  õpitakse

13
(No Transcript)
14
(No Transcript)
15

• Pärmid - Saccharomyces cerevisea
• etanooli tootmine - http//www.distillery-yeast.c
  om/
• viski, konjaki jms. tootmine -
  http//www.whiskeyyeast.com/
• õlle tootmine (vt. http//www.wyeastlab.com/beprl
  ist.htm - õlle tootmiseks sobivad pärmid)
• veini tootmine - http//winemaking.jackkeller.net
  /strains.asp
• sai ja pagaripärm - http//www.kellysearch.com/qz
  -product-134188.html suuremad tootjad
• spetsiaalsed pärmid (dieettooted) seleeniga
  pärm, tsingiga pärm jne
• Saccharomyces cerevisea

16
Odratera tärklise allikas (endospermis)
17
Tärklise terad
18
(No Transcript)
19
Erinevad tärklise vormid
20
http//www.elmhurst.edu/chm/vchembook/544review.h
tml
21
(No Transcript)
22
Tärklise ja tselluloosi erinevus miks Maa on
roheline?
23
Looduslik hüdrolüüs idanemine (linnaste
valmistamine) Ensümaatiline hüdrolüüs - meskimine
24
Tärklise meskimine
http//food.oregonstate.edu/starch/
25
Tärklise ensümaatiline hüdrolüüs
26
Teraviljad sisaldavad peale tärklise umbes 80,
ka valku umbes 10 Gluteen, mis moodustab 80
valgust ja mis koosneb gliadiinist ja
gluteniinist NB! Gluteeni võrgustik seob
CO2 http//www.exploratorium.edu/cooking/bread/act
ivity-gluten.html
27
Pagaripärm Pagaripärmiga tehakse saia pärmi
läheb umbes 1 saia kaalust
28
Kommertsiaalselt kättesaadavat pagaripärmi on
kaht liiki
Kuiv pärm
Pärm nn. pulgapärm
29
Rakkude kasvu stöhhiomeetriline võrrand
X1CHmOn X2O2 X3NH3 ? ? X4CHaOßN?
X5CHaOßN? X6CO2 X7H2O
Saagisekoefitsiendid viisime sisse juba
rakukultuuri kasvu kineetika kirjeldamisel
põhimõtteliselt on need samad koefitsiendid, kui
stöhhiomeetriline võrrand ei muutu
näitab, kui palju biomassi moodustub tarbitud
limiteeriva substraadi ühiku kohta, näitab, kui
palju produkti moodustub tarbitud limiteeriva
substraadi ühiku kohta
Süsiniku, lämmastiku, fosfori allikas, hapnik,
biomass, produktid, CO2
30
Pärmi kasvu stöhhiomeetriline võrrand 200 g
glükoosi 10 g NH3 100 g O2 7,5 g sooli
100 g biomassi 140 g CO2 70 g
H2O YXS 0,5 kg/kg YXO 1,0 kg/kg YXN
0,1kg/kg Tüüpiline protsess 50-60 g dwght/l
protsessi lõpus, 100-200 m3 bioreaktorid ja ühes
tehases on neid mitu dwght kuivkaal Pärmi
kasvatatakse tüüpiliselt melassi sisaldaval
söötmel
31
Pagaripärmi kasvatamisel on tooraineks tavaliselt
melass suhkru tootmise jääkvedelik (suhkru
kristalliseerimise emavedelik) Melassi
koostis Kuivaine () 73 Suhkrud ()
44,0-48,0 Toorvalk () 3,7 Energia
(MJ/kg) 9,3 Melass
sisaldab sahharoosi
32
Sahharoos
33
Pärmi tootmise põhimõtteline skeem
34

• Pagaripärmi Saccharomyces cerevisiae hakati
  eraldi kasvatama saia tegemiseks 1846.a. nn.
  Viini protsessis, kasvatamine muudeti aeroobseks
  Taanis 1877.a., fed-batch protsessi patent Zak
  Taanis ja Hayduck Saksamaal - 1917
  (Zulaufverfahren)
• Pagaripärmi kasvatamise trikid
• kasvab melassil melass on suhkru
  kristalliseerimise emavedelik suhkrupeet,
  suhkruroog sisaldab sahharoosi
• pagaripärmi kasvatamine - aeroobne fed-batch
  protsess
• kuidas lisada värsket söödet? (Pasteuri ja
  Crabtree efektid ucrit)

35
Rakkude ainevahetuse lihtsustatud skeem
CO2
O2
H2O
36
Fakultatiivsete aeroobide metabolismi
põhiiseärasus
Võimsa glükolüüsiga bakterite metabolismi skeemi
võib kujutada lehtrina Glükolüüsi ülejäägid
väljuvad organismist kõrvalproduktidena.
Kõrvalproduktid tekivad siis, kui bakterite
kasvuerikiirus on kriitilisest suurem (vt. Monod
võrrandit). Selline metabolismi skeem on
iseloomulik fakultatiivsetele aeroobidele
(Escherichia coli, pärmid). Fed-batch kultuuris
söötme lisamise strateegia kriitiline sobib
µ-staat
Kõrvalproduktid (atsetaat, piimhape, etanool)
µ-staat
37
µ-staat, teooria (fed-batch)

(1)
Poolperioodilise kultuuri puhul

ja
, st.
võrrandist (1) järeldub
ja kasvukiirus µ lt µmax on kontrollitud
toitelahuse pealepumpamise kiirusega F(t)
kui on teada biomassi hulk fermentaatoris X(t) ja
YXS(t)
38

• Korralikult optimeeritud mikrobioloogilise
  sünteesi protsessides (rakukultuurides) on
  kontrollitavad järgmised komponendid
• rakutüvi (µmax, KS, YXS, YPS jne)
• rakkude säilitamine
• kasvukeskkonna koostis (limiteeriv substraat,
  pH, mittelimiteerivad substraadid)
• protsessi alustamiseks vajaliku inokulumi
  ettevalmistamine
• fermentaatori valik (bioreaktor, aga ka
  komposter jne)
• kultiveerimisviisi valik põhiviisid
  perioodiline (batch), poolperioodiline
  (fed-batch), kemostaat, turbidostaat, A-staat,
  aukso-aktselerostaat jne
• down-stream protsessing sihtprodukti
  eraldamine
• GMP (Good Manufacturing Practice head
  tootmistavad), GLP (Good Laboratory Practice -
  head laboritavad), TQM (Total Quality Management
  kvaliteedi kindlustamise süsteem), ISO9000,
  ISO14000...
• Protsesside majandusanalüüs

39
Eestis Salutaguse Pärmitehas (Lallemand) vt.
Lallemandi skeem eraldi materjalina

• Põhietapid
• melassi (50 sahharoosi) lahjendamine (20) ja
  steriliseerimine
• pärmi ettekasvatamine (vt. ülesanne)
• pärmi tootmine (fed-batch 5 lõpptihedus)
• pärmipiim (18), pulgapärm ja kuivatatud pärm

40
Kommertsiaalselt kättesaadavat pärmi on kaht liiki
Pärm nn. pulgapärm
Kuiv pärm
41

• Etanooli tootmine
• etanool on tähtis toiduaine (??)
• etanool on tähtis keemiatööstuse tooraine
• etanool on autokütus 10-15 etanooli võib
  lisada bensiini hulka ilma, et mootoriga midagi
  teha oleks vaja

42

• Joogipiirituse tootmine
• joogipiiritust toodetakse viljast või
  kartulitest.
• fermenteerimine (vt. skeem anaeroobne
  protsess) pärmid kannatavad kuni 20 alkoholi
  fermentatsioonikeskkonnas
• destilleerimine (rektifitseerimine) saadakse
  96o etanool,
• autokütusesse lisamiseks on vajalik saada
  absoluutalkohol täielikult ilma veeta

43
Odratera tärklise allikas (endospermis)
44
Joogipiiritust toodetakse jahust Tärklise
ensümaatiline hüdrolüüs
45
Joogipiirituse tootmise skeem
Tähtis protsess on tärklise suhkrustamine
(cooking), kasutatakse ensüüme amülaasi ja
glükoamülaasi
46
Alkohoolne käärimine on anaeroobne protsess
C6H12O6 2
C2H5OH 2 CO2
Piirituse tootmiseks kasvatatakse pärmi ette
ettekasvatamine on aeroobne protsess,
põhimõtteliselt võiks ka siin kasutada fed-batch
kasvatamist
47
Etanool - biokütus
48
Etanooli tootmine autokütuseks ja keemiatööstuse
tooraineks
49
Etanooli tootmisel lignotselluloosi sisaldavast
toorainest on kõige otsustavam protsess
tselluloosi hüdrolüüs Alkohoolsel käärimisel
tekivad spetsiifilised (mürgised) kõrvalproduktid
furfurool jms, fermenteerida on vaja ka
pentoose
50
Destilleerimine kõige kuulsam protsess
51
Destilleerimine laboris
52
Väga hea saadaval interneti kaudu Rootsist!
http//www.distillery-yeast.com/default_pu.html
53
Õlle tootmine
Üks kõige paremini disainitud protsess
54

• Õlut tehakse Saksamaal neljast komponendist ja
  muud on keelatud
• oder sisaldab tärklist, millest saadakse
  alkohol
• humal sisaldab kibeaineid, mis annavad õllele
  maitse
• pärm viib läbi suhkru anaeroobse
  fermenteerimise ja toodab alkoholi
• vesi
• Teistes maades lisatakse protsessi tärklist
  muudest allikatest (mais, riis jne)

55

• Põhilised tehnoloogilised etapid
• linnaste valmistamine
• meskimine
• meski filtreerimine
• virde keetmine ja sadestamine (whirlpool)
• fermenteerimine
• õlle valmitamine (laagerdamine)

56
Õlle toootmise skeem
57
Odratera tärklise allikas (endospermis)
58

• Humal
• Saksa klassika
• vesi
• oder
• humal
• pärm

59
Humalas leiduvad õlle jaoks tähtsad
ained Kibeained (Bitter substances)
19.0Õlid (Oils) 0.5Polüfenoolid
(Polyphenols) 4.0 Valgud
20.0 Mineraalid 8.0
Pärm Vesi
60

• Põhilised tehnoloogilised etapid
• linnaste valmistamine
• meskimine
• meski filtreerimine
• virde keetmine ja sadestamine (whirlpool)
• fermenteerimine
• õlle valmitamine (laagerdamine)

61
Õlle tootmise skeem - http//www.crc.dk/flab/
62
Linnaste valmistamine
63
Linnaste jahvatamine (D), meskimine (E), meski
filtreerimine (F) ja meski keetmine (G)
Linnaste jahvatamise staadiumis (D) lisatakse ka
täiendav tärklise allikas (mais, riis vms),
meskimine (E), meski filtreerimine (F), virde
keetmine (G)
Meskimine üks kõige keerulisemaid protsesse
õlle tootmisel
64
Virde fermenteerimine silindrilis-koonilistes
tankides
Tankidesse lisatakse ettekasvatatud (või
tankidest endist kogutud) pärm ja lastakse
käia, kuni suhkrud on otsas
65
Laagerdamine
Laagerdamise käigus jahutatakse Taanis õlu -2C
juurde, et suurendada õlle kolloid-stabiilsust.
Sakus laagerdatakse õlut fermenteerimistankides. L
aagerdamise ajal tarbitakse õllest pärmide poolt
maitset rikkuvad diatsetüül jt. kääritamise
kõrvalproduktid, pärmid sadenevad põhja, seejärel
õlu filtreeritakse ja pannakse pudelisse
66

• Õlle kvaliteet
• vaht spetsiifilised valgud
• aroomiained

67
Õlle tootmise skeem - http//www.crc.dk/flab/
68
Õlle tootmise tehnoloogiline skeem 2
69
Meskinõud
70
Õlle filtreerimisruum
http//www.crestonbc.com/kokanee/photos.html
71
Pärm, eriti S. cerevisiae on üks paremini uuritud
organisme süsteemide bioloogia üks meelisobjekte