Ķīmija un tehnoloģijas

Site: Profesionālajā izglītībā iesaistīto vispārizglītojošo mācību priekšmetu pedagogu kompetences paaugstināšana
Course: ĶīmiT026 : Mūsdienīgs un atvērts mācību process ķīmijā profesionālajā izglītībā
Book: Ķīmija un tehnoloģijas
Printed by: Guest user
Date: Tuesday, 28 June 2022, 8:23 PM

Description

Ķīmija un tehnoloģijas

Titullapa

ESF + ES + IEGULDĪJUMS TAVĀ NĀKOTNĒ logo_LU

logo_Projekts


Sagatavojis: Jāzeps Logins

______________________________________________

ĶĪMIJA UN VIDES TEHNOLOĢIJAS

Materiāls izstrādāts
ESF Darbības programmas 2007. - 2013.gadam „Cilvēkresursi un nodarbinātība”
prioritātes 1.2. „Izglītība un prasmes”
pasākuma 1.2.1.„Profesionālās izglītības un vispārējo prasmju attīstība”
aktivitātes 1.2.1.2. „Vispārējo zināšanu un prasmju uzlabošana”
apakšaktivitātes 1.2.1.1.2. „Profesionālajā izglītībā iesaistīto pedagogu
kompetences paaugstināšana”
Latvijas Universitātes realizētā projekta
„Profesionālajā izglītībā iesaistīto vispārizglītojošo mācību priekšmetu pedagogu
kompetences paaugstināšana”
(Vienošanās Nr.2009/0274/1DP/1.2.1.1.2/09/IPIA/VIAA/003,
LU reģistrācijas Nr.ESS2009/88) īstenošanai.

Rīga, 2010

TEHNOLOĢIJA - NOTEKŪDEŅU ATTĪRĪŠANA

Tehnoloģija - notekūdeņu attīrīšana. I

Visiem zināms, ka bez ūdens nav iespējama dzīvība. Ūdens ir vajadzīgs it visur. Tīrs ūdens ir liela vērtība, bet piesārņots – var radīt lielas briesmas. Notekūdeņu efektīva attīrīšana irbijusi aktuāla daudzus gadsimtus. Attīstoties rūpniecībai, pieauga iedzīvotāju skaits, kā arī cilvēku dzīves līmenis. Cilvēki mūsdienās būtiski ietekmē ūdens riņķojumu dabā, tāpēc rūpes par tīru ūdeni saistītas ar visas sabiedrības pastāvēšanas jautājumu.

Notekūdeņu iedalījums:

  • industriālienotekūdeņi;
  • sadzīvesnotekūdeņi un fekālijas, par ko līdz 19. gs. parūpējās lietus ūdens.

Epidemioloģiskās situācijas rašanās draudi(holēra) bija galvenais pazemes kanalizāciju būvēšanas iemesls.

Notekūdeņiem piemīt pašattīrīšanās spējas. Ūdens mikroorganismi ir pēdējais posms barošanas ķēdē, kas kā barības vielas izmanto notekūdeņos esošās vielas un pārvērš tās par CO2 un ūdeni unveido mikroorganismu biomasu.

Mikroorganismu darbībai nepieciešams skābeklis. Ja ūdeņi ir pārlieku piesārņoti, gaisa skābeklis ­nespēj iešķīst notekūdeņos aerobo organismu darbībai pietiekošā daudzumā un savairojas anaerobie mikroorganismi. Notekūdeņus tie neoksidē, bet anaerobi sadala. Rodas biogāze, galvenokārt metāns. Veidojas vairumam dzīvo organismu, tai skaitā ūdensaugiem un zivīm kaitīga vide un šāds ūdens smako. Abi minētie procesi tiek īstenoti notekūdeņu attīrīšanas iekārtās.

Aprēķini liecina, ka attīstītajās Eiropasvalstīs uz vienu iedzīvotāju ir 140 l sadzīves (virtuves, vannas un tualetes) notekūdeņu un industriālo notekūdeņu.To piesārņojuma novēršanai būtu nepieciešami 60 g skābekļa. Šāds skābekļa daudzums ir 200 l gaisa un 20 ºC temperatūrā tas spēj iešķīst tikai 7500 l ūdens. Līdz ar to notekūdeņu atšķaidīšana līdz tilpumam, kurā notiek to pašattīrīšanās, nav iespējama.Nedaudz skābeklis šķīst arī pēc tā izlietošanas ūdens pašattīrīšanās gaitā,taču šķīšanas ātrums nav pietiekošs, tāpēc skābekli notekūdeņos ir jāpievadaattīrīšanas iekārtās papildus.

Skābekļa patēriņš ir atkarīgs no ķīmiskā piesārņojums veida. Agrāk ūdens piesārņojuma raksturošanai izmantoja bioloģiskā skābekļa patēriņu (BSP5). Ar to apzīmēja skābekļa daudzums, kopatērē mikroorganismi 5 dienu laikā. Šādi var noteikt tikai viegli noārdāmu vielu daudzumu, bet neiegūst datus par toksiskām un grūti noārdāmām vielām. Svarīgāks rādītājs ir ķīmiskais skābekļa patēriņš (ĶSP). Šim nolūkam izmanto spēcīgus oksidētājus, piem., hromātu un rezultātu pārrēķina uz līdzvērtīgu skābekļa daudzumu. BSP un ĶSP vērtības ir saistīti lielumi:

BSP noārdot 1 mol glikozes ir 3 mol skābekļa, bet ĶSP noārdot 1 mol glikozes ir 6 mol skābekļa. Tātad BSP:ĶSP=2:1. 112,5 g glikozes noārdīšanai BSP ir 60 g skābekļa, bet ĶSP – 120 gskābekļa.

Notekūdeņus attīra attīrīšanas iekārtās. Notekūdeņu ražotāji ir atbildīgi par notekūdeņu piesārņotības pakāpi un par to attīrīšanu maksā.

1. att. BAS„Daugavgrīva” notekūdeņu apstrādes shēma
(„Rīgas Ūdens”, 1 lpp.).

2. att. BAS "Saugavgrīva" nogulšņu pārstrādes shēma ("Rīgas Ūdens", 6. lpp.).

Tehniloģija - notekūdeņu attīrīšana. II

Ūdens attīrīšana bioloģiskajās attīrīšanas stacijās (BAS) norisinās vairākos posmos:

  • mehāniskā attīrīšana no smiltīm, rupjāmdaļiņām, dūņām;
  • bioloģiskā attīrīšana, ko var salīdzināt ar ūdeņu pašattīrīšanos;
  • ķīmiskā attīrīšana no citām kaitīgām vielām;
  • raudzēšana metantenkā.

Bioloģiskā attīrīšana. Notekūdeņiem cauri tiek pūsts skābeklis. Organiskās vielas kābarības vielas izmanto baktērijas, sēnes un vienšūņi. Atkarībā no notekūdeņu sastāva, vieni mikroorganismi savairojas, citu skaits samazinās, tātad dūņu mikroorganismu sastāvs ir mainīgs. Šajā procesā, kurā veidojas nodalāmas aktīvās dūņas, nepieciešama gaisa piekļuve. Aerācijas baseinu izmēri ir iespaidīgi – 90 000 m3, augstums 30 m un 26 m diametrs, bet darba tilpums 13 000 m3. Aerācijas baseinu apakšdaļā spiediens lielāks, tāpēc skābeklis šķīst labāk. Gāze jāsadala pēc iespējas sīkākos burbulīšos, tāpēc izmanto dažādas sprauslas. Attīrīšanas gaitā saistītas tiek 90% piesārņojošo un kaitīgo vielu. Attīrīšanas process notiek, kamēr mikroorganismiem ūdenī ir pietiekošs barības vielu daudzums. Tajā nedrīkst nokļūt skābas un sārmainas vielas, kas izmaina vides pH vērtību, kā arī toksiskas vielas. Metodes trūkumi – tikai 50 % piesārņojošo vielu oglekļa mikroorganismi pārvērš par CO2, bet 50 % oglekļa pārvēršas mikroorganismu biomasā – dūņās. Tās savukārt var izmantot kā mēslojumu vai raudzēt anaerobos apstākļos un iegūt biogāzi. Papildus rūpes sagādā notekūdeņu piesārņojums ar smagajiem metāliem, kas dūņas padara neizmantojamas lauksaimniecības augšņu uzlabošanai.

Ķīmiskā attīrīšana kaitīgām vielām. Piem., lai notekūdeņus attīrītu no fosfātjoniem, pievieno Al3+ vai Fe3+ jonus. 90 % fosfātjonu izkrīt mazšķīstošu nogulšņu veidā.

Raudzēšana metantenkā. Organiskos atkritumus un dūņas no mehāniskās un bioloģiskās attīrīšanas iekārtām nogādā metantenkā. Anaerobos apstākļos veidojas biogāze,kas galvenokārt satur metānu un noder kā enerģijas avots. Dūņas atūdeņo, daļu izmanto par mēslojumu. Dūņas, kas satur augstu piesārņojošo vielu koncentrāciju – deponē. Anaerobos apstākļos pārvērtībām tiek pakļauti 95% biomasas oglekļa – veidojas CH4 un CO2.

Metodes priekšrocības:

  • nepatērē skābekli;
  • biomasa veidojas 10 reizes mazāk kā aerobos apstākļos;
  • biogāzi var izmantot kā dabasgāzi.
  • smagie metāli veido nešķīstošus sāļus, t.sk., sulfīdus, jo reducējošos apstākļos sulfātjoni reducējas par sulfīdjoniem;
  • anaerobos apstākļos mikroorganismi ražo 10 reizes mazāk enerģijas kā aerobos apstākļos,tāpēc biomasas pieaugums ir mazs;
  • šķeļ aromātiskos savienojumus (aerobos apstākļos maz);
  • šķeļ toksiskus savienojumus (metanolu, furfurolu un arī etiķskābi – celulozes rūpniecības atūdeņu vielas).

Metodes trūkumi:

  • veidojas sērūdeņradis – indīgs un koroziju veicinošs savienojums;
  • anaerobos apstākļos slāpeklis tiek saistīts 10 reizes mazāk kā aerobos apstākļos;
  • neder visu veidu notekūdeņu attīrīšanai;
  • ilglaicīgs process.

Notekūdeņu attīrīšana. Anotācijas

Informācijas resursos atrodama papildus informācija par notekūdeņu attīrīšanu. Izmantojiet tos darbam ar tekstu.

Skatīt šeit.

TEHNOLOĢIJA - ALKOHOLISKO DZĒRIENU RAŽOŠANA

Cukuru saturošu produktu raudzēšanu un alkoholisko dzērienu iegūšanu pazina senajā Ēģiptē jau pirms 4 tūkstošiem gadu. Mikrobioloģisko procesu nozīmes pētījumi ir mikrobioloģijas kā zinātņu nozares rašanās aizsākums.

Raugs satur fermentus, kas disaharīdus šķeļ par monosaharīdiem un pēc tam pārvērš par etanolu un oglekļa(IV) oksīdu. Reakcijair eksotermiska.

C5H12O6→ 2C2H5OH + 2CO2 ΔH = -84 kJ/mol

No monosaharīdiem veidojas pirovīnogskābe (sāļi – piruvāti), kas atšķeļ CO2 un pārvēršas par acetaldehīdu, kurš savukārt reducējas par etanolu.

Vispārīgā shēmā to var attēlot šādi.

1. att. Spirta rūgšanas shēma.

Alus

Alus un vīna darīšana ir vairākus tūkstošus gadu senas tehnoloģijas. Alkoholisko dzērienu ražošanai pasaulē izmanto visdažādākos ar ogļhidrātiem bagātus produktus, piem., rīsus, kartupeļus, kukurūzu, kviešus,miežus utt. Nozīmīgs Vācijas alus darīšanā ir likums, ko 1516. g. izdeva Bavārijas herzogs Vilhelms IV. Tas vēl šobaltdien Vācijā liek ievērot alus tīrības likumu – alu drīkst izgatavot tikai no trīs izejvielām – miežiem, apiņiem un ūdens.

Alus darīšana ietver vairākus posmus.

1. Miežus samitrina un diedzē, tradicionāli to darīja uzklona grīdas. Diedzējot graudus, veidojas fermenti, vispirms jau amilāze (diastāze), kas cieti daļēji pārvērš par maltozi un glikozi. Iesals (sadīguši graudi) tiek izžāvēti (kaltēti) 80-110 ºC temperatūrā, pie tam ferments amilāze saglabā aktivitāti. Atkarībā no kaltēšanas temperatūras iegūst gaišo vai tumšo alu.

2. Graudus samaļ, 50-60 ºC temperatūrā samaisa ar ūdeni, kas nesatur baktērijas un dzelzi, un iztur vairākas stundas. Dekstrīni, maltoze un glikoze izšķīst ūdenī. Fermenti pabeidz šķelšanu. Iegūto saldo misu nokāš. Drabiņas izmanto kā lopbarību.

3. Misai pievieno garšvielu – apiņus (precīzāk apiņu sievišķās ziedkopas) vai to novārījumu. Misu uzkarsē līdz vārīšanai vai vāra vairākas stundas. Apiņi ir ne tikai garšviela, bet tajos esošās vielas arī koagulē proteīnus un paildzina alus uzglabāšanas laiku, jo tām piemīt bakteriostatiska iedarbība.

4. Misu dzesē, filtrē, pārpumpē 5-10 ºC pagrabos un pievieno raugu Saccharomyces cerevisiae tīrkultūru, kas šķīstošos misas cukurus raudzē par etanolu un CO2. Ferments maltāze šķeļ maltozi par glikozi, bet fermentu kopa zimāze – glikozi par etanolu un oglekļa(IV) oksīdu. Lai iegūtu alu ar vēlamām īpašībām, katrā konkrētā gadījumā lieto tikai noteiktu raugu. Rūgšana ilgst 8-10 dienas.

Alus darināšanā var izmantot dažādus raugus:

  • apakšējās rūgšanas alū rauga šūnas nogrimst uz leju,
  • augšējās rūgšanas alū raugi paliek raudzēšanas tvertnes virspusē (Weissbier, Koelsch, Altier alus).

5. Pēc rūgšanas alu vairākas nedēļas iztur pagrabos tvertnēs. Tas kļūst dzidrāks un piesātinās ar oglekļa(IV) oksīdu, t.i., turpina nogatavināties. Pēc tam alu filtrē un pilda tarā.

Tādējādi alus veidu (izskatu, garšu u.c. īpašības) nosaka iesala kaltēšanas apstākļi, rauga šķirne, apiņu daudzums un raudzēšanas režīms.

Alus sastāvs:

  • Ūdens >80%
  • Spirts 3-5%
  • Iesala cukurs (maltoze)
  • Minerālvielas 5-8%
  • Oglekļa(IV) oksīds 0,3%

Lieliska interaktīva alusdarīšanas shēma atrodama vietnē http://www.beer.de/brauereirundgang.php

Raugi spēj darboties aerobos un anaerobos apstākļos. Aerobos apstākļos norit enerģiska šūnu augšana. Etanols neveidojas. Ja gaisa pieplūdi novērš, raugi nevairojas un sāk veidot etanolu.

2. att. Skābekļa satura un alkohola veidošanās sakarība raugu fermentācijas reakcijās: A – aerobi apstākļi, B – anaerobi apstākļi.

Parasti alus satur 3-5% etanola. Etanola saturs Vācijā izplatītākajos alos:

  • Lagerbier 3,4-3,7%
  • Exportbier 3,5-4%
  • Kulmbacher 4,5-5%
  • Starkbier 5%
  • Berliner Weisbier 2,8-3,5%

Alū spirts veidojas līdz noteiktam daudzumam. Lai palielinātu tā saturu, jāpievieno cukurs. Etanols ir rauga šūnām kaitīgs vielmaiņas produkts, tas veidojas citoplazmā un no šūnas difundē caur šūnu membrānu. Ja etanola saturs rūgšanas vidē sasniedz 12-18% (atkarībā no rauga šķirnes) tie pārstāj darboties.

Vīns

Vīnu tradicionāli iegūst no vīnogām. No 100 kg ogām var izspiest 70-80 l sulas. Cukuru saturošo sulu 15 ºC temperatūrā raudzē 5-6 dienas, līdz rūgšanas proces sapstājas. Lai apstādinātu rūgšanu, mēdz ievadīt sēra(IV) oksīdu, kas mikroorganismiem ir stipra inde. Šādi iegūst saldos un pussaldos vīnus. To filtrē, pasterizē un pilda pudelēs.

Lai iegūtu sarkanvīnu, raudzēšanu veic pirms ogu miziņu nodalīšanas, tādējādi krāvielas iešķīst vīnā. Vīnu „buķeti” veido daudzi esteri, aldehīdi un ketoni.

Vīnogu sula satur vīnogu cukuru glikozi.Vīna un alus ražošanas bioķīmiskie procesi ir līdzīgi. Katrai vīna šķirnei lieto īpašus vīnu raugus. Atkarībā no spirta daudzuma vīnus iedala vieglajos vīnos (8-12%) un stiprajos vīnos (>14%).

Spirtotie dzērieni

Tradicionālie spirtotie dzērieni ar augstu etanola saturu ir degvīns un liķieri.

Degvīnu (40% etanols) iegūst, destilējot dažādas izcelsmes spirta rūgšanas produktus. Šī māka bija zināma kopš seniem laikiem. Kopš 11. gs. to veica retortēs, bet kā spirtoto dzērienu izgatavoja kopš 15. gs. Mūsdienās destilēšanu veic destilēšanas kolonnās.

Liķieri bez alkohola satur arī citus komponentus, piem., augu un augļu ekstraktus. Graudaugu degvīnu tradicionāli sauca par šņabi. No kukurūzas iegūst viskiju (Whiskey), no rīsiem – araku (Arrak),bet no cukurniedru cukura – rumu.

96% etanolu jeb rektifikātu izmanto ķīmiskajā rūpniecībā un medicīnā. 100% etanolu nevar iegūt, veicot vienkāršo destilāciju. To iegūst, veicot azeotropo destilēšanu ar benzolu vai dedzinātajiem kaļķiem (CaO).

Alkoholisko dzērienu ražošana. Anotācijas

Informācijas resursus un to anotācijas par alkoholisko dzērienu ražošanu skatīt šeit.

Tehnoloģija - CELULOZES PĀRSTRĀDE. ANOTĀCIJAS

Informācijas avotu norādes un anotācijas par celulozes pārstrādi skatīt šeit.

TEHNOLOĢIJA - SILIKĀTU RŪPNIECĪBA

Informācijas avotu norādes un anotācijas par celulozes pārstrādi skatīt šeit.

TEHNOLOĢIJA - PĀRTIKAS RŪPNIECĪBA. BIOTEHNOLOĢIJA

Raudzētiem pārtikas produktiem ir ilga vēsture. Fermentācijai pakļauti pārtikas produkti ir nozīmīga mūsu ikdienas uztura daļa. Tos izmantoja jau pirmatnējie cilvēki, bet mūsdienās to veic rūpnieciskajā ražošanā. Raudzēšana:

  • maina uztur produkta īpašības – tam piešķir jaunu garšu, aromātu, uzturvērtības kvalitāti, piem., palielina vitamīnu saturu (tos producē mikroorganismi);
  • pagarina augu un dzīvnieku valsts produktu uzglabāšanas laiku (pirms tam bija zināma tikai sālīšana, žāvēšana, konservēšana);
  • dažādo pārtikas produktus – iegūst daudzveidīgus pārtikas produktus ar dažādu uzturvērtību, noderīgu dažādām gaumēm, piem., piena pārstrādes produktu gadījumā.
  • siera, skābēto kāpostu, jēldesu un vīna iegūšanā gan agrākos laikos, gan mūsdienās izmanto rūgšanas procesus. Taču mūsdienās raudzēšanu veic ar modernām tehnoloģijām. Tās nodrošina:
  • izejvielu noteikts saturs;
  • mikroorganismu speciālas kultūras;
  • raudzēšanas apstākļu stingra ievērošana;
  • noteikts produkta iepakojums.

Rūgšanu nodrošina vairāki atšķirīgi procesi – pienskābā, spirta vai etiķskābā rūgšana. Raudzēšanai izmanto visdažādākos augu un dzīvnieku valsts produktus un to pielietojums ir ļoti daudzveidīgs (sk. tab.). Tabulā doti produkti, to izgatavošanas izejvielas, kā arī fermentācijas procesu nodrošinošie mikroorganismi.

Vīni un alus ir raugu darbības rezultāts. Tie veido atsevišķu nozīmīgu produktu grupu. Spirtotos dzērienus ar augstāku etanols saturu iegūst, pievienojot tīru etanolu. Mikrobioloģiski rūgšanas gaitā šādi tos nav iespējams iegūt.

Gaisa skābekļa klātbūtnē vīnā savairojas pienskābes baktērijas un etanols tiek pārvērsts par etiķskābi. Šādā veidā pasaulē tiek ražotas vairāk kā 100 tūkstoši tonnas etiķa un to izmanto kā garšvielu un konservantu.

Citi plaši ražotie produkti ir skābēti kāposti un skābēti gurķi, Eiropā arī skābētas pupas, Vidusjūras valstīs – skābētas olīvas, bet Kaukāzā – skābēti ķiploki. Kafijas, tējas, kakao un vaniļas ražošana notiek tropiskajā joslā un šajos procesos arī piedalās daudzi mikroorganismi, kas nodrošina šo produktu specifisko garšu un aromātu.

Austrumāzijas virtuvē tipiska garšviela ir sojas mērce. Tās pagatavošanas gaitā vispirms notiek fermentatīvi procesi pelējuma sēņu iedarbībā, bet pēc tam dominē pienskābā rūgšana un spirta rūgšana.

Dzīvnieku izcelsmes produkti biezpiens, jogurts, skābs krējums ir piena pārstrādes produkti. To ražošanas gaitā notiek pienskābā rūgšana, kefīra ražošanās – līdztekus arī spirta rūgšana, savukārt sieru ražošanā bez tam izmanto arī pelējumsēnes.

Jēlās desas tirgū vairāk kā 200 veidi. Populārākās no tām ir Salami un Cervelat desa. Arī to izgatavošanas gaitā norisinās pienskābā fermentācija. Gaļas masai pievieno nitrātus. Tie tiek reducēti par nitrītiem un fermentēšanas procesiem ir sava specifika.

Fermentāciju veicoši organismi apkārtējā vidē ir it visur. Līdzko nav skābekļa un apstākļi ir pietiekoši silti, sākas pienskābā rūgšana. Piemēram, gaļa vakuumiepakojumā. No ogļhidrātiem veidojas pienskābe. Pastērs (Van Louis Pasteur) to raksturoja kā „la wie sans air” – dzīve bez skābekļa.

1att

2att


Kā veikt vēlamo fermentācijas procesu, nepieļaujot produktu bojāšanos, kas savukārt var izsaukt saindēšanos?

Skābšanas procesus ierosina pienskābes baktērijas Streptococcaceae (lodveida forma) un Lactobacillaceae (nūjiņveida forma). Tās pārstrādā ogļhidrātus. Anaerobos apstākļos tās ir dominējošā daudzumā, kaut arī gaisa klātbūtnē līdztekus norisinās arī aerobo mikroorganismu (raugu, pelējuma sēņu) augšana. Produkts kļūst arvien skābāks. Pārstāj augt un proteīnus sadalīt pūšanas baktērijas, kam nepieciešama neitrāla vai vāji bāziska vide, bet pienskābes baktērijas turpina savu darbu.

Kāda rūgšana, pienskābā vai spirta rūgšana, norisināsies ogļhidrātus saturošos šķīdumos, nosaka vides pH vērtība un skābekļa klātbūtne. Produktos, kuru pH vērtība ir neitrāla vai nedaudz skāba un tajā ir daudz ogļhidrātu (cietes) norisinās pienskābā rūgšana, savukārt skābos augļos, augļu sulās, kas satur daudz ūdenī šķīstošos ogļhidrātus – spirta rūgšana. Bez galvenajiem rūgšanas produktiem veidojas arī liels skaits citu vielu, kas nosaka produkta garšu un aromātu, kā arī vitamīni. Rūgšanas gaitā tiek noārdītas pat dažas organismam kaitīgās vielas, piemēram, zilskābe auga manioka pārstrādes produktos, grūti sagremojami ogļhidrāti, gremošanas fermentu, piem., tripsīna inhibitori pākšaugos.

Tradicionālā fermentācija, ko veic naturālajās saimniecībās, joprojām raksturīga jaunattīstības valstīm. Šādi tiek iegūta trešdaļa produktu. Lielrūpnieciskajā ražošanā:

  • precīzi jāievēro izejvielu kvalitāte;
  • stingri jāievēro biotehnoloģisko procesu parametri;
  • galaproduktam jāatbilst noteiktam standartam.

Lai nodrošinātu rūpniecisko procesu atkārtojamību un produkta atbilstību noteiktiem standartiem, sākot ar 19. gs. beigām sāka izmantot mikroorganismu tīrkultūras. Vispirms tās izmantoja alus darītavās, taču mūsdienās noturīgas tīrkultūras izmanto praktiski visos biotehnoloģiskajos procesos. Prasības mikroorganismu kultūrām:

  • labi kultivējas;
  • augsta aktivitāte konkrētos apstākļos;
  • laba produkta reproducējamība – augsts tā iznākums un laba kvalitāte;
  • iespējami augsta rezistence (noturība) pret fāgiem un vīrusiem;
  • īpašību saglabāšana pēc vairākkārtējas kultivēšanas.

Lai iegūtu kultūras ar šādām īpašībām, izmanto mikrobioloģijas, ģenētikas sasniegumus, tehnoloģiju ieviešanas pieredzi, gēnu inženieriju u.c. metodes – pašu mūsdienīgāko zinātnisko metožu klāstu.

Galda etiķa ražošana

Etiķskābes baktērijas atrodas mums visapkārt, pat gaisā. Tāpēc alkoholiskajiem dzērieniem (alum, vīnam, šerijam) vai augļu sulai stāvot vaļējā taukā, tā spontāni sarūgst un pārvēršas par etiķi. Etiķskābes baktērijas etanolu oksidē izmantojot gaisa skābekli par etiķskābi.

Galda etiķis satur 3,5-7% etiķskābes. Veikalos bez tam ir nopērkama arī etiķa esence – sintētiski ražotas etiķskābes 60-80% ūdens šķīdums. Etiķskābe rūpnieciski pārsvarā tiek ražota, katalītiski oksidējot etanolu, ko savukārt iegūst no etēna.

Tirdzniecības pieprasījumu veido 25% etiķa esence un 75% etiķis.

Arī mūsdienās joprojām daļu etiķa iegūst, fermentatīvi oksidējot etanolu. Taču tīrs etanols nerūgst. To atšķaida līdz 5-10% koncentrācijai, pievieno garšvielas, augu ekstraktus vai aromatizējošās piedevas. Rūpnieciski galda etiķi iegūst arī no vīna, nenorūguša vīna, alus un citiem etanolu saturošiem produktiem. Šajā gadījumā piedevas pievienot nav nepieciešams.

Raudzēšanas šķīdumam ļauj burbuļot virs dižskābarža skaidām, uz kuru virsmas darbojas etiķskābās baktērijas. Rūgšanas tvertnes apakšdaļā pievada oksidēšanas procesiem nepieciešamo skābekli.

Var izmantot arī metodi, kurā ar pumpi nodrošina rūgstošā šķidrumu cirkulāciju – to 4-10 dienas izsmidzina uz skaidām. Rūgšanas reakcija ir eksotermiska, tāpēc jāveic dzesēšana, t.i., jāuztur 37 ºC temperatūra.

3att

3. att. Etiķa ražošanas tehnoloģiskā shēma.

Izmantojot modernās tehnoloģijas, skābekli burbuļojot cauri šķīdumam ļauj veidoties putām, uz kuru virsmas „peld” baktērijas un nodrošina rūgšanas procesu.

Bieži šādi iegūtu etiķi pēc tam filtrē, pilda lielās tvertnēs un iztur (no dažiem mēnešiem līdz pat vairākiem gadiem). Pēc tam to vēlreiz filtrē un fasē pudelēs. Pateicoties modernajām tehnoloģijām tas vairs nesatur etiķskābes baktērijas.

Balzāmetiķi iegūst traukos ilgi glabājot vīna etiķi. Tas zaudē gaistošos komponentus, veidojas esteri, kas nosaka tā daudz spēcīgāku aromātu.

Alus etiķi un iesala etiķi iegūst no alus. Īpaši izplatīts tas ir Anglijā un Skandināvijas valstīs. Pēc vairāku mēnešu izturēšanas bagāto smaržas buķeti un maigo garšu lielā mērā nosaka ekstraktviela, kas nav ogļhidrāti.

Starp augļu izcelsmes etiķiem dominē ābolu etiķis, taču tirdzniecībā ir arī citrusaugu etiķi. To aromāts atbilst izcelsmei. Garšas īpatnības saistītas ar to sastāvdaļām – ābolu vīnu un citronskābi.

Par vīna etiķi drīkstētu saukt tikai tos produktus, kas iegūti raudzējot vīnu, taču tirdzniecībā ir arī etiķi – vīna un degvīna etiķu maisījumi. Īsts vīna etiķis satur 60 g skābi/l un tam ir izsmalcināts, ziedu aromāts, kas tāpat kā vīniem, glabājot tos koka mucās, vēl pastiprinās.

Degvīna etiķi ražo no spirta. Šādi iegūst lēto galda etiķi. To izmanto arī aromatizēto etiķu iegūšanai, kā arī daudzu citu etiķi saturošu maisījumu iegūšanai, piem., citronetiķa iegūšanai, kas ir etiķa un citronu sulas maisījums.

Etiķskābes etiķis ir sintētisks produkts. Etiķa esenci pirms pievienošanas pārtikas produktiem noteikti atšķaida. Tikai šādi to var pievienot vajadzīgajā daudzumā. Atšķirībā no iepriekšējiem etiķa veidiem, tam ir tikai etiķskābes aromāts un garša.


Skābētu produktu ražošana

Skābpiena produktu un sieru iegūšana saistīta ar pienskābes baktēriju darbību. pirovīnogskābe, kas ir dzīvajās šūnās ir monosaharīdu noārdīšanās starpprodukts, anaerobos apstākļos reducējas par pienskābi.

3a-att

Pienskābajai rūgšanai ir liela nozīme arī kāpostu skābēšanā un augu zaļās masas pārstrādē lopkopībā. Gatavojot skābbarību, proteīnu un enerģijas zudums ir mazāks kā gatavojot sienu. Lai novērstu etiķskābo rūgšanu, zaļbarību sablietē, tādējādi novēršot gaisa piekļuvi. Skābbarība satur 1-2% pienskābi (pH 4-4,2) un to var uzglabāt daudzus mēnešus, pat vairākus gadus.

Skābētie kāposti

Arī mūsdienās ir produkti, piem., kāposti, piens, kuru skābšana norisinās spontāni, tiem stāvot. Daudzi kāpostu skābēšanu veic mājās – kāpostus griež, sāla, stampā, apsedz ar audumu un iztur. Līdzīgi kāpostu ražošanu veic arī lielrūpnieciskajā ražošanā. Šis process ir sarežģītāks kā mājas apstākļos un ietver dažādu skābēto kāpostu izstrādājumu ražošanu.

Kāpostus sagriež, saberž, pievieno 0,6-1,8% vārāmo sāli, kas izsauc šūnu bojāeju osmozes iedarbībā. To saturs izbrīvējas un iespējama baktēriju iedarbība. Virs 3% esošo cukuru pienskābes baktērijas pārvērš par pienskābi. Vienlaicīgi var skābēt pat 200-80 000 kg kāpostu. Parasti skābēšana ilgst 7-9 dienas. Ja skābšana ilgāka par 6-8 nedēļām, tā nav notikusi veiksmīgi. Ja skābētos kāpostos rodas vairāk nekā 0,75% pienskābes, tos pārstrādā – uzsilda (blanšē un/vai pasterizē). Šādi iznīcina baktērijas un novērš tālāku skābšanu. Visvairāk pircēji iecienījuši vidēji skābos kāpostus.


Piena pārstrādes produktu iegūšana

Siers

Siera ražošanas izejmateriāls ir piens. Tas satur fosfoproteīnu kazeīnu (3,3%) un ogļhidrātus. Piens nav īsts šķīdums, bet gan koloīds šķīdums un tam piemīt Tindāla efekts. Ūdenī nešķīstošās vielas atrodas micellās. Pateicoties Ca2+ joniem, micellām ir pozitīvs lādiņš un tāpēc tās nesalīp.

Siera pagatavošanas laikā vispirms iegūst piena proteīnu kazeīnu. Senākais kazeīna iegūšanas veids ir piena skābēšana. Piena cukurs laktoze (pienā 4,7%) pārvēršas pienskābē. Pieaugot pienskābes koncentrācijai, piena pH vērtība samazinās. Kalcija joni no micellām pāriet šķīdumā, tās zaudē lādiņu un salīp. Kazeīns koagulē – izgulsnējas galerta veidā. Rodas rūgušpiens, kuru uzsildot iegūst biezpienu.

Taču siera ražošanā izmanto citas kazeīna izdalīšanas metodes no piena. Kazeīnu iegūst iedarbojoties ar fermentu maisījumu Lab. Tas ir pirmais tehnoloģiskajos procesos izmantotais ferments. Šis ferments piena proteīnu kazeīnu daļēji šķeļ un padara to ūdenī nešķīstošu. Atšķirībā no pienskābās rūgšanas, sarecēšana notiek neitrālā vidē.

Agrāk Lab ieguva no teļu kuņģiem un tā svarīgākais komponents ir proteīnus šķeļošais ferments himozīns. Pieaugot rūpnieciskajai siera ražošanai, teļu kautķermeņu skaits Lab iegūšanai bija nepietiekošs, tāpēc sieru pagatavošanai izmantoja Lab pepsīnu no govju un cūku kuņģiem. Taču mūsdienās laši lieto mikrobiālās proteāzes no pelējuma sēnēm Mucor miehei, Mucor pusillus, Endothia parasitica, kā arī himozīnu, ko ražo ar gēnu inženierijas metodēm iegūti mikroorganismi.

Pirms pilnpiena pārstrādes to centrifugē – attīra no nejauši iekļuvušiem rupjākiem piemaisījumiem un iegūst pienu ar pazeminātu tauku saturu un krējumu. Dažādiem sieriem nepieciešams noteikts tauku saturs pienā. Pienu pasterizē, lai iznīcinātu slimības ierosinošos, patogēnos mikroorganismus, un dzesē.

Katra siera veida izgatavošanai ir tam raksturīga tehnoloģija. Rokforas sieru ražo šādi:

1. Pienam pievieno pienskābes baktēriju kultūru un pelējumsēnes Penicillium roquefortii un beigās Lab. Pēc 30 min. piens kļūst tik biezs, ka to var griezt ar nazi.

2. Nodala sūkalas. Pilda formās.

3. Apstrādā ar 20% vārāmā sāls šķīdumu.

4. Apžāvē.

5. Caurdur ar adatām, lai nodrošinātu gaisa piekļuvi un sierā varētu savairoties Rokforas sieram raksturīgās zilās pelējuma sēnītes. Tās aug aerobos apstākļos un pārgrieztā sierā redzamas adatu dūrienu kanāliņos.

6. Visbeidzot siera rituļus apsmidzina ar suspensiju, kas satur pelējumsēņu Penicillium caseicolum kultūru.

7. Sieru ievieto pagrabā, kurā ir 15 ºC temperatūra un 90% mitrums. Pelējumsēnes uz siera rituļu virsmas veido baltu pelējumu. Pēc 10 dienām siers gatavs.

8. Pako.

Siera uzglabāšanas laikā gatavināšanās procesi turpinās. Par to liecina konsistences maiņas un aromāta pastiprināšanās, jo proteīnus turpina šķelt fermenti, ko producē pelējuma sēnītes. Ja šī iedarbība uzglabāšanas laikā ir pārāk spēcīga, sieru mēs uztveram kā bojātu.

Pelējuma sieri ir mīkstie sieri. Tajos ir vismaz 52% ūdens, un tie uzglabājas īsāku laiku kā cietie sieri, jo mitrums izsauc tālāku mikroorganismu iedarbību. Cietu sieru ražošanas procesā vairāk nodala sūkalas.

4-att

4. att. Pelējuma sieru ražošanas shēma.


Tirdzniecībā ir ļoti dažādi puscieto un cieto sieru veidi. Veidu nosaka sieru gatavošanas tehnoloģiskie paņēmieni. Caurumu rašanos un sieru aromātu ietekmē arī propionskābes baktērijas.

2C6H12O6 --> 4CH3CH2COOH + 2CH3COOH + 2CO2

Oglekļa(IV) oksīds veido sieriem raksturīgo acojumu. Propionskābe bez tam kavē pelējuma sēņu un dažādu baciļu augšanu, tāpēc kā konservējoša viela tiek pievienota arī citiem produktiem, piem., maizei.

Gaļas pārstrādes produktu ražošana

Jēlās desas

Ikviens no mums ir uzturā lietojis salami desu. Šo griežamo (cieto) jēlo desu ražošanā izmanto mikroorganismus un stingri ievēro ražošanas tehnoloģiju.

Jēlo desu pamatizejvielas ir liellopu vai cūku gaļa un svaigs cūkas speķis, kas tiek atdzesēti (optimālā temperatūra – līdz 2 ºC) un samalti. Maltajai gaļai pievieno pārējās sastāvdaļas – sālījumu (vārāmā sāls un 0,5% nātrija nitrīts), biotehnoloģijas produktus, kas nodrošina mikroorganismu darbību un piešķir desām specifisko garšu un aromātu – askorbīnskābi, glutamātu, garšvielu cukuru, kā arī mikroorganismu kultūru. Desu masu samaisa, uzpilda zarnu desās un novieto žāvēšanas kamerās. Lai iegūtu ar pelējumu pārklātu salami desu, to ārpusi apsmidzina ar Penicillium nalgiovense sporu suspensija un tur noteiktos apstākļos.

5-att

5. att. Griežamo jēlo desu ražošanas shēma.

Vispirms temperatūra ir salīdzinoši augsta, lai sāktos optimāli vielmaiņas procesi. Pēc tam temperatūru un mitrumu nogatavināšanas telpā datorizēti pakāpeniski samazina. Tādējādi tiek nodrošināti fermentācijas procesi visā masā (svarīgi), un notiek pakāpeniska desu žūšana, kamēr iegūst produktu ar vēlamo smaržu, garšu un konsistenci.

Griežamo jēlo desu ūdens saturs ir neliels, tāpēc tajās dominē anaerobie procesi. Gaļas masai pievienotā mikroorganismu kultūra satur pienskābes baktērijas un Micrococcaceae ģints baktērijas. Katrai no tām ir noteiktas funkcijas: pienskābes baktērijas pārstrādā cukuru, kas gaļas masai pievienots kā iedeva, jo gaļa to satur ļoti maz. Desu pH vērtība ir 4,8-5,5 (vāji skāba). Pienskābe nosaka ne tikai garšu, bet līdztekus sālījumam nomāc nevēlamu mikroorganismu attīstību. Skābā vidē daļēji koagulē gaļas proteīni, un gaļas masa pārvēršas ar nazi griežamā konsistencē.

Skābā vidē rodas HNO2, kas disproporcionējas:

3HNO2 --> 2NO + HNO3 + H2O

Slāpekļa(II) oksīds, ļoti reaģētspējīga viela, reaģē ar muskuļu mioglobīnu un veido nitrozomioglobīnu. Tas nosaka produkta sarkano krāsu, kas saglabājas vārot. Slāpekļa(II) oksīds reaģē arī ar citām gaļas vielām, nodrošinot gaļas aromātu.

Jēlu desu izstrādājumos atsevišķos gadījumos NaNO2 var aizstāt ar NaNO3. Tas ir mazāk reaģētspējīgs savienojums kā NaNO2, toties spēj pārvērsties nitrītā. Šo procesu katalizē ferments nitrātreduktāze.

NaNO3 + 2[H] --> NaNO2 + H2O

Gaļā ferments nitrātreduktāze nav sastopams, bet to producē pievienotā Micrococcaceae kultūra. Šie mikroorganismi lielā mērā nodrošina jēlo desu krāsu un aromātu. Nitrīta pārākums var izsaukt nevēlamu vielu veidošanos. Lai veicinātu ātrāku nitrītu pārvēršanos par NO, pievieno askorbīnskābi.