Grosstechnische Fermentation von Lactobacillus curvatus und Pediococcus pentosaceus für den Einsatz als Starterkulturen in der fleischverarbeitenden Industrie:
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| Language: | German |
| Published: |
1992
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| Item Description: | Hohenheim, Univ., Diss. |
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INSTITUT FUER LEBENSMITTELTECHNOLOGIE
FACHGEBIET: ALLGEMEINE LEBENSMITTELTECHNOLOGIE UND -MIKROBIOLOGIE PROF.
DR. W.R HAMMES
GROSSTECHNISCHE FERMENTATION VON LACTOBACILLUS CURVATUS UND PEDIOCOCCUS
PENTOSACEUS FUER DEN EINSATZ ALS STARTERKULTUREN IN DER
FLEISCHVERARBEITENDEN INDUSTRIE
DISSERTATION
ZUR ERLANGUNG DES GRADES EINES DOKTORS DER NATURWISSENSCHAFTEN (DR. RER.
NAT.)
VORGELEGT DER FAKULTAET
FUER ALLGEMEINE UND ANGEWANDTE NATURWISSENSCHAFTEN DER UNIVERSITAET
HOHENHEIM
VON
MICHAEL METZ
AUS STUTTGART
APRIL 1992
IMAGE 2
INHALTSVERZEICHNIS
INHALTSVERZEICHNIS SEITE
1. EINLEITUNG UND ZIELSETZUNG 1
1.1 AUFGABENSTELLUNG UND ABLAUF DER ARBEIT 1
1.2 EINSATZ VON MILCHSAEUREBAKTERIEN BEI DER ROHWURSTREIFUNG 4
1.2.1 HISTORIE 4
1.2.2 STARTERKULTUREN IN DER PRAXIS 6
1.2.3 HERSTELLUNG UND REIFUNG VON ROHWURST 7
1.3 FERMENTATIONEN IM LABOR- UND GROSSTECHNISCHEN MASSSTAB UND IHR EINSATZ
BEI DER HERSTELLUNG VON STARTERKULTUREN 8
14 14 15 15
2. GERAETE 16
2.1 ZUSAMMENSTELLUNG DER EINGESETZTEN LABORGERAETE 16 2.2 KURZBEZEICHNUNG
ANLAGENELEMENTE 17
2.3 FERMENTATIONSANLAGEN 19
2.3.1 301 LABORFERMENTERANLAGE 19
2.3.2 50001 FERMENTERANLAGE UND SEPARATOR 19
3. MATERIAL UND METHODEN 24
1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.3
BEGRIFFSBESTIMMUNGEN STARTERKULTUR ROHWURST BIOTECHNOLOGIE
3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4
3.2 3.2.1 3.2.1.1
MATERIAL LOESUNGEN FUER DIE PLASMIDMUSTERBESTIMMUNG LOESUNGEN FUER DIE
KARL-FISCHER-TITRATION GEFRIERSCHUTZMITTEL
REZEPTUR FUER ROHWURSTHERSTELLUNG
ANALYTIK PROBENAHME PROBENAHME AUS DEM FERMENTER
24 24 26
26 26
27 27 27
IMAGE 3
INHALTSVERZEICHNIS
3.2.1.2 3.2.2 3.2.2.1 3.2.2.2
3.2.2.3 3.2.2.4 3.2.2.5. 3.2.2.6
3.2.2.7
3.2.3 3.2.3.1 3.2.3.2 3.2.3.3
3.2.4
3.3 3.3.1 3.3.2
3.4 3.4.1
3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5
3.4.6
3.4.7
3.5
3.5.1 3.5.2 3.5.2.1 3.5.3 3.5.4
PROBENAHME AUS DEM GEFRIERTROCKNER PHYSIKALISCHE BESTIMMUNGSMETHODEN
BESTIMMUNG DES PH-WERTES BESTIMMUNG DES REDOXPOTENTIALES
BESTIMMUNG DES SAUERSTOFFGEHALTES BESTIMMUNG DER ZELLTROCKENSUBSTANZ
BESTIMMUNG DES WASSERGEHALTES BESTIMMUNG DER OPTISCHEN DICHTE IN
FERMENTATIONSLOESUNGEN BESTIMMUNG DES EUTEKTISCHEN PUNKTES VON GEFRORENEM
BAKTERIENKONZENTRAT ENZYMATISCHE BESTIMMUNGEN
SCHNELLTEST AUF GLUCOSE GLUCOSE D-L-LACTAT FEHLERBETRACHTUNG
MIKROORGANISMEN UND STAMMHALTUNG MIKROORGANISMEN STAMMHALTUNG
NAEHRMEDIEN MODIFIZIERTE MRS-BOUILLON ZUR ERSTELLUNG VON ZUCKERSPEKTREN
MEDIUM ZUR SAEUERUNGSAKTIVITAETSBESTIMMUNG
MODIFIZIERTES MRS-MEDIUM FUER OBERFLAECHENKULTUREN VERDUENNUNGSLOESUNG FUER
KEIMZAHLBESTIMMUNG MODIFIZIERTE MRS-BOUILLON ZUR ANZUCHT VON
LACTOBAZILLEN IN INOKULATIONSFLASCHEN MEDIUM ZUR ANZUCHT VON PEDIOKOKKEN
IN INOKULATIONSFLASCHEN FERMENTATIONSMEDIEN FUER 30 I LABORMASSSTAB UND
TECHNISCHEN MASSSTAB
METHODEN ZUR ISOLIERUNG, DIFFERENZIERUNG UND CHARAKTERISIERUNG
MIKROSKOPIE BESTIMMUNG DER LEBENDKEIMZAHL AUSWERTUNG DER PLATTEN
BESTIMMUNG DES ZUCKERSPEKTRUMS HERSTELLUNA VON PLASMIDMUSTERN
27 27 27
28 28 28 29
29
29 30 30 30
30 31
32 32 32
34
34 34 35 35
35
38
38
38 38 39 39
40 40
3.5.5 BESTIMMUNG DER SAEUERUNGSAKTIVITAET IN EINEM MODELLSUBSTRAT 43
IMAGE 4
INHALTSVERZEICHNIS
3.5. 6 BESTIMMUNG DER SAEUERUNGSLEISTUNG UND DER UMROETUNG IN EINER
STANDARDISIERTEN ROHWURST 43
3.6 BERECHNETE GROESSEN 44
3.6.1 BERECHNUNG DER SPEZIFISCHEN WACHSTUMSRATE /U UND DER SPEZIFISCHEN
SAEUERUNGSRATE R _ 44
3.6.2 BERECHNUNG DER GESAMTZELLTROCKENMASSE X 45
3.6.3 BERECHNUNG DER SPEZ. PRODUKTBILDUNGSRATE Q X , Q Z 45
3.6.4 BERECHNUNG DES SPEZ. SUBSTRATVERBRAUCHES Q S 46
3.6.5 BERECHNUNG DER AUSBEUTEKOEFFIZIENTEN Y C UND Y P 46
3.6.6 BERECHNUNG VON SUBSTRATVERBRAUCH M KZ UND PRODUKTBILDUNGSRATE P KZ
46
3.6.7 BERECHNUNG DES SPEZ. KEIMGEWICHTES KZGP 47
3.6.8 BERECHNUNG DES ANTEILS TOTER ZELLEN AN DER GESAMTZELLZAHL KZ NV 47
3.6.9 BERECHNUNG DER UEBERLEBENSRATE NACH GEFRIERTROCKNUNG 48
3.7 VERFAHREN ZUR FERMENTATION VON STARTERKULTUREN 49
3.7.1 CHARAKTERISIERUNG DER FERMENTATIONSARTEN 49
3.7.1.1 CHARAKTERISIERUNG DER BATCH-FERMENTATION 49
3.7.1.2 CHARAKTERISIERUNG DER FED-BATCH-FERMENTATION 49 3.7.1.3
CHARAKTERISIERUNG DER KONTINUIERLICHEN- UND DER FED- BATCH-FERMENTATION
MIT ZELLRUECKFUEHRUNG 52
3.7.2 DIE ANIMPFKULTUR 56
3.7.2.1 HERSTELLUNG DER AUSGANGSKUELTUR 56
3.7.2.2 BERECHNUNG DER ANIMPFVERHAELTNISSE 57
3.7.2.3 PROPAGATIONSSCHEMA 57
3.7.3 FERMENTATIONEN IM LABORMASSSTAB 57
3.7.3.1 BATCH-FERMENTATIONEN IM 301 LABORFERMENTER 57 3.7.3.2
FED-BATCH-FERMENTATIONEN IM 301 LABORFERMENTER 60 3.7.3.3 BESCHREIBUNG
DER SUBSTRATDOSAGE 60
3.7.4 FERMENTATIONEN IM PRODUKTIOMSMASSSTAB 64
3.7.4.1 BATCH-FERMENTATIONEN IM 5000 I PRODUKTIONSFERMENTER 64
3.7.4.2 KONTINUIERLICHE- UND FED-BATCH-FERMENTATIONEN MIT
ZELLRUECKFUEHRUNG IM 5000 I PRODUKTIONSFERMENTER 64 3.7.4.2.1 BESCHREIBUNG
DES VERFAHRENSABLAUFS 65
3.8 VERFAHREN ZUR AUFARBEITUNG VON BIOMASSE 66
3.8.1 ZELLERNTE UEBER SEPARATOR 66
3.8.2 GEFRIERVERFAHREN 66
IMAGE 5
IV INHALTSVERZEICHNIS
3.8.3 GEFRIERTROCKNUNG 67
3.8.4 LAGERUNG DER GEFRIERGETROCKNETEN PRAEPARATE 67
3.9 PHYSIOLOGISCHE UNTERSUCHUNGEN 68
3.9.1 WACHSTUMSHEMMUNG DURCH LACTAT 68
3.9.2 WACHSTUMSHEMMUNG DURCH GLUCOSE 68
3.9.3 * WACHSTUMSHEMMUNG DURCH DIE KONZENTRATION DER GESAMTHEIT DER
SUBSTRATKOMPONENTEN 69
3.9.4 THEORETISCHE AUSBEUTE UND ERHALTUNGSSTOFFWECHSEL 69 3.9.5 ANTEILE
AN D- UND L-LACTAT WAEHREND DES FERMENTATIONSVERLAUFES 70
3.10 SCALE-UP DER FERMENTATION VOM 30 I AUF 5000 I MASSSTAB 70
3.10.1 FERMENTATIONEN IM 30 I LABORFERMENTER IM BATCH- UND FED-
BATCH-VERFAHREN 70
3.10.1.1 BESTIMMUNG DER OPTIMALEN SUBSTRATKOMPONENTEN 70 3.10.1.2
BESTIMMUNG DER MAXIMALEN SUBSTRATKONZENTRATION 71 3.10.1.3 OPTIMALES
VERHAELTNIS VON KOHLENSTOFF ZU PROTEINQUELLE 71
3.10.1.4 UMSATZ VON GLUCOSE ZU LACTAT 71
3.10.1.5 SUBSTRATKONZENTRATION BEI FERMENTATIONSBEGINN 72
3.10.2 VERGLEICHENDE FERMENTATIONEN IM 5000 I PRODUKTIONSFERMENTER IM
BATCH-, FED-BATCH- UND ZELLRUECKFUEHRVERFAHREN 72
3.10.2.1 BATCH-FERMENTATIONEN 72
3.10.2.2 GRUNDLEGENDE UNTERSUCHUNGEN ZUM ZELLRUECKFUEHRSYSTEM 72
3.10.2.2.1 MISCHZEITEN IM GERUEHRTEN KESSEL 72
3.10.2.2.2 ZELLSCHAEDIGUNG IM SEPARATOR IN ABHAENGIGKEIT VON
SEPARATIONSDAUER BZW. HAEUFIGKEIT 72
3.10.2.2.3 WACHSTUMSVERHALTEN NACH SUBSTRATLIMITIERUNG 73
3.10.2.3 FERMENTATION MIT KONTINUIERLICHER SUBSTRATDOSAGE UND
KONTINUIERLICHER ZELLRUECKFUEHRUNG 73
3.10.2.4 FERMENTATION MIT DISKONTINUIERLICHER SUBSTRATDOSAGE,
DISKONTINUIERLICHER ZELLRUECKFUEHRUNG UND TEILERNTE 74 3.10.2.5
KORRELATION VON OPTISCHER DICHTE, TROCKENSUBSTANZ UND KEIMZAHL 74
3.10.2.6 VERGLEICH DER KENNWERTE DER FERMENTATIONSVERFAHREN 74
IMAGE 6
INHALTSVERZEICHNIS
3.11 QUALITAETSKONTROLLE DER STARTERKULTURLYOPHILISATE 75
3.11.1 BESTIMMUNG DER UEBERLEBENSRATE NACH SEPARATION UND
GEFRIERTROCKNUNG 75
3.11.2 WASSERGEHALT IM LYOPHILISAT 75
3.11.3 IDENTITAETSPRUEFUNG 75
3.11.4 SAEUERUNGSAKTIVITAET 75
3.11.5 ROHWURSTHERSTELLUNG UNTER STANDARDISIERTEN BEDINGUNGEN 75
3.12 WICHTIGE ASPEKTE DER VERFAHRENSOPTIMIERUNG 76
3.12.1 VERGLEICH DER FERMENTATIONSPARAMETER BEI UNTERSCHIEDLICHEN
VERFAHREN 76
3.12.2 STATISTISCHE BETRACHTUNG DER FERMENTATIONSPARAMETER 76
3.12.3 HERSTELLKOSTEN 76
3.12.4 ANLAGENINVESTITIONSKOSTENEN 77
3.12.5 VERGLEICH DER FERMENTATIONSARTEN 77
3.13 COMPUTERSIMULATION DER FERMENTATIONSPROZESSE 77
4. ERGEBNISSE 78
4.1 PHYSIOLOGISCHE UNTERSUCHUNGEN - 78
4.1.1 WACHSTUMSHEMMUNG DURCH LACTAT 78
4.1.2 WACHSTUMSHEMMUNG DURCH GLUCOSE . 91
4.1.3 WACHSTUMSHEMMUNG DURCH DIE KONZENTRATION DER GESAMTHEIT DER
SUBSTRATKOMPONENTEN 96
4.1.4 ZUSAMMENFASSUNG DER ERGEBNISSE AUS DEN UNTERSUCHUNGEN ZUR
SUBSTRAT- UND PRODUKTHEMMUNG 106
4.1.5 BESTIMMUNG DER THEORETISCHEN AUSBEUTE UND DES
ERHALTUNGSSTOFFWECHSELS 106
4.1.6 ANTEILE AN D- UND L-LACTAT IM FERMENTATIONSVERLAUF 110
4.2 OPTIMIERUNG DER FERMENTATION VON L CURVATUS UND P. PENTOSACEUS IM 30
I LABORMASSSTAB 113
4.2.1 FERMENTATION IM BATCH- UND FED-BATCH-VERFAHREN MIT L CURVATUS IM
30 I LABORMASSSTAB 114
4.2.1.1 BESTIMMUNG DER OPTIMALEN SUBSTRATKOMPONENTEN 114 4.2.1.1.1
PROTEINKOMPONENTEN 118
4.2.1.1.2 GLUCOSEKONZENTRATION 119
4.2.1.1.3 NAEHRSALZE 119
IMAGE 7
VI
INHALTSVERZEICHNIS
4.2.1.1.4 OBERFLAECHENAKTIVE AGENTIEN (TWEEN80) 120
4.2.1.2 BESTIMMUNG DER MAXIMALEN SUBSTRATKONZENTRATION 120 4.2.1.3
VERHAELTNIS VON KOHLENSTOFFQUELLE ZU PROTEINQUELLE 122 4.2.1.4 UMSATZ VON
GLUCOSE ZU LACTAT 122
4.2.1.5 SUBSTRATKONZENTRATION BEI FERMENTATIONSBEGINN 123
4.2.1.6 FED-BATCH-FERMENTATION MIT L. CURVATUS IM 30 I LABORFERMENTER
124
4.3 FERMENTATIONEN MIT L CURVATUS UND P. PENTOSACEUS IM 5000 I
PRODUKTIONSFERMENTER IM BATCH-, FED-BATCH- UND ZELLRUECKFUEHRVERFAHREN 128
4.3.1 BATCH-FERMENTATIONEN IM PRODUKTIONSMASSSTAB 129 4.3.2 GRUNDLEGENDE
UNTERSUCHUNGEN ZUM VERFAHREN IM 5000 I FERMENTER MIT ZELLRUECKFUEHRSYSTEM
129
4.3.2.1 MISCHZEITEN IM GERUEHRTEN KESSEL 129
4.3.2.2 ZELLSCHAEDIGUNG IM SEPARATOR 130
4.3.2.3 WACHSTUMSVERHALTEN NACH SUBSTRATLIMITIERUNG 134 4.3.3
FERMENTATION MIT KONTINUIERLICHER SUBSTRATDOSAGE UND KONTINUIERLICHER
ZELLRUECKFUEHRUNG 136
4.3.3.1 VERLAUF DER FERMENTATIONSPARAMETER FUER L. CURVATUS 136 4.3.3.2
SUBSTRATVERLUSTE UND SEPARATORLEISTUNG IM KONTINUIERLICHEN
FERMENTATIONSSYSTEM 141
4.3.4 FERMENTATION MIT DISKONTINUIERLICHER SUBSTRATDOSAGE,
DISKONTINUIERLICHER ZELLRUECKFUEHRUNG UND TEILERNTE 142 4.3.4.1 VERLAUF
DER FERMENTATIONSPARAMETER FUER L. CURVATUS UND P. PENTOSACEUS 142
4.3.4.2 GRENZWERTE UND SYSTEMPARAMETER FUER MAXIMALE PRODUKTIVITAET 152
4.3.5 KORRELATION VON OPT. DICHTE, TROCKENSUBSTANZ UND KEIMZAHL 156
4.3.6 VERGLEICH DER KENNWERTE DER FERMENTATIONSVERFAHREN 161
4.3.6.1 SUBSTRATKONZENTRATION UND SUBSTRATVERHAELTNIS 161 4.3.6.2
FERMENTATIONSZEITEN 163
4.3.6.3 OPTISCHE DICHTE UND SPEZ. WACHSTUMSRATE IM SYSTEM 165
4.3.6.4 GESAMTKEIMZAHL UND TROCKENMASSE IM SYSTEM 166 4.3.6.5
BIOMASSEVERLUSTE DURCH AUFARBEITUNG 168
4.3.6.6 KEIMZAHLKONZENTRATION UND KEIMZAHLBEZOGENE, SPEZIFISCHE
PRODUKTBILDUNGSRATE 169
4.3.6.7 BIOMASSEKONZENTRATION UND SPEZIFISCHE PRODUKTBILDUNGSRATE 171
IMAGE 8
INHALTSVERZEICHNIS VII
4.3:6.8 LACTATBILDUNG, LACTATKONZENTRATION UND UMSATZ VON GLUCOSE ZU
LACTAT 172
4.3.6.9 AUSBEUTEKOEFFIZIENTEN 174
4.3.6.10 KEIMZAHLBEZOGENER SUBSTRATVERBRAUCH 175
4.3.6.11 SPEZIFISCHER, MASSENBEZOGENER SUBSTRATVERBRAUCH 177 4.3.6.12
SPEZIFISCHES KEIMGEWICHT 178
4.4 QUALITAETSKONTROLLE DER STARTERKULTURLYOPHILISATE 180
4.4.1 BESTIMMUNG DER UEBERLEBENSRATE NACH SEPARATION UND GEFRIERTROCKNUNG
180
4.4.2 WASSERGEHALT IM LYOPHILISAT 182
4.4.3 IDENTITAETSPRUEFUNG DER ORGANISMEN UEBER ZUCKERSPEKTRUM UND
PLASMIDMUSTERBESTIMMUNG 183
4.4.4 SAEUERUNGSAKTIVITAET 185
4.4.5 ROHWURSTHERSTELLUNG UNTER STANDARDISIERTEN BEDINGUNGEN 186
4.5 . WICHTIGE ASPEKTE DER VERFAHRENSOPTIMIERUNG 189
4.5.1 VERGLEICH DER FERMENTATIONSPARAMETER BEI UNTERSCHIEDLICHEN
VERFAHREN 190
4.5.2 STATISTISCHE BETRACHTUNG DER FERMENTATIONSPARAMETER 193
4.5.3 HERSTELLKOSTEN 195
4.5.4 ANLAGENINVESTITIONSKOSTEN 197
4.5.5 VERGLEICH DER FERMENTATIONSARTEN 199
4.6 COMPUTERSIMULATION DER FERMENTATIONSVERFAHREN FUER L. CURVATUS 202
5. DISKUSSION 209
5.1 PHYSIOLOGISCHE UNTERSUCHUNGEN 209
5.2 FERMENTATIONSVERFAHREN 215
5.3 QUALITAETSKONTROLLE DER LYOPHILISATE 234
5.4 BEWERTUNG DER VERFAHRENSOPTIMIERUNG 237
6. ZUSAMMENFASSUNG 240
7. LITERATURVERZEICHNIS 247
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