Magdalena Lech1, Anna Trusek-Hołownia
Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki eksperymentu mającego na celu opracowanie procesu biodegradacji serwatki koziej w reaktorze mieszalnikowym działającym w sposób okresowy. W celu zredukowania zawartości laktozy i białka zastosowano szczep grzybowy Aspergillus niger, który wykorzystuje te składniki do przemian metabolicznych i wzrostu.
Słowa kluczowe: biodegradacja, serwatka, bioreaktor
1. Wprowadzenie
Serwatka będąca produktem ubocznym przemysłu mleczarskiego zawiera duże ilości cukru (laktozy) i białka. Ich stężenie wynosi odpowiednio około 46 i 11 g/l w serwatce koziej o pH ok.
4,5. W związku z powyższym zakłady mleczarskie są zobligowane do jej utylizacji, w przeciwnym razie wydalanie jej bezpośrednio do rzek i rozwój mikroorganizmów rosnących na serwatce, powodowałoby eliminację w nich życia biologicznego i nadmierne porastanie zbiorników wodnych.
Ten sam fakt można wykorzystać w projektowaniu procesu biodegradacji w mieszalnikowym reaktorze okresowym (Rys.1). Stwarzając odpowiednie warunki dla szczepu grzybowego A. niger rozwijającego się na podłożu składającym się z bogatej w substancje odżywcze serwatki kwaśnej można doprowadzić do zerowego stężenia laktozy i znacznie zredukować zawartość białka.
Rys. 1. Mieszalnikowy bioreaktor
2. Opis zagadnienia
Biodegradowanym medium była serwatka powstająca po produkcji kozich serów podpuszczkowych, zawierająca w swym składzie białkowym: immunoglobuliny (o masie powyżej 150 kDa), laktoferynę (78 kDa), albuminę serum (69 kDa) oraz te o największym stężeniu: β – laktoglobulinę (18 kDa) i α – laktoalbuminę (14 kDa) [1]. Zawartość laktozy wynosiła w zależności do mleka użytego do produkcji ok. 46 g/l. Wspomniane wcześniej (i cenne z punktu
1 Politechnika Wrocławska, Wydział Chemiczny, Zakład Procesów Chemicznych i Biochemicznych, ul. Norwida 4/6, 50-373 Wrocław, magdalena.lech@pwr.wroc.pl
99
widzenia biologicznego, odżywczego czy farmakologicznego) białka mogą zostać odseparowane przy pomocy membran ceramicznych lub polimerowych czy metod chromatograficznych. Strumień zawierający zbędne już białka lub takie, których nie jesteśmy w stanie odseparować musi zostać poddany utylizacji. Poniżej przedstawione badania zostały wykonane na bezpośrednio na strumieniu poprodukcyjnym, czyli o znacznie wyższym stężeniu białka.
2.1. Przygotowanie serwatki do biodegradacji i dobór odpowiedniego szczepu.
W celu pozbycia się pozostałości skrzepu kazeinowego (po dodaniu do mleka enzymu podpuszczkowego następuje strącenie białka mleka – kazeiny w postaci skrzepu twarogowego) i tłuszczu serwatkę wirowano w wirówce, w temperaturze 4ºC, przy obrotach 9000 1/min przez 20 minut. Następnie w celu pozbycia się pozostałości tłuszczów, w postaci osadu kompleksów tłuszczu i fosforanów wapnia dodano CaCl2 (1,2 g/l) w temperaturze 2-5ºC. Następnie doprowadzono serwatkę do pH = 7,3 przy pomocy 6M NaOH i podgrzewano do temperatury 55ºC i utrzymywano takie warunki przez 8 minut [2]. Powstałą zawiesinę wirowano przez 20 minut i otrzymano tym samym klarowną serwatkę, której skład pod względem białka i cukru nie uległ zmianie.
Klarowność roztworu białkowego pozwala na pomiary spektrofotometryczne zmian steżenia tych składników (analiza DNS, przy zastosowaniu długości fali λ=550 nm i Lowry’ego przy λ=750 nm) [3,4].
Kolejnym etapem badań było dobranie odpowiedniego szczepu Aspergillus.
Przeprowadzono doświadczenie mające na celu weryfikacje skuteczności procesu rozkładu laktozy i białka przez szczepy A. niger i A. fumigatus. W tym celu badano w trakcie wzrostu grzybów spadek laktozy i białka.
Rys. 2. Spadek laktozy i białka w serwatce 4 – krotnie rozcieńczonej podczas wzrostu A. niger i A. fumigatus.
Do dalszych badań użyto szczepu A. niger, ponieważ w obu przypadkach uzyskano stężenie laktozy bliskie zeru i mimo, że w przypadku A. fumigatus stan ten uzyskano już po 7 dniach, to ilość białka, które uległo biodegradacji było zdecydowanie większe w tym samym czasie dla A.niger.
2.2. Proces w reaktorze okresowym
Prowadzono proces biodegradacji na podłożu składającym się z rozcieńczonej serwatki koziej, bez dodatku przemysłowych soli mineralnych, by proces prowadzony w skali laboratoryjnej zbliżyć jak najbardziej do warunków przemysłowych. Reaktory (Rys. 1.) były napowietrzane w sposób ciągły przy pomocy sprężarki wysokociśnieniowej i termostatowane przy pomocy płaszcza grzejnego, a temperatura utrzymywana była na poziomie 35ºC. Pobierane codziennie, w trakcie procesu próbki mierzono, podobnie jak w to miało miejsce w przypadku hodowli w kolbach, przy
100
pomocy analizy kolorymetrycznej DNS, w celu zmierzenia stężenia laktozy i Lowry’ego do oznaczenia stężenia białka. Uzyskane wyniki przedstawia Rys.3.
Rys. 3. Stężenie laktozy i białka w trakcie biodegradacji 4-krotnie rozcieńczonej serwatki
2.3. Wpływ intensywności mieszania i natleniania w procesie biodegradacji w mieszalnikowym reaktorze z udziałem szczepu A. niger.
Dokonano również pomiarów zależności tempa biodegradacji od intensywności mieszania w reaktorze. W tym celu prowadzono proces równolegle w dwóch reaktorach. Temperatura prowadzenia procesu wynosiła 35ºC. Reaktory były początkowo odłączone od zródła powietrza w celu sprawdzenia wpływu jego obecności na efektywność biodegradacji. Po 10 dniach zostało rozpoczęte intensywne natlenianie reaktora. Reaktor pierwszy był mieszany z intensywnością 90 rpm, natomiast drugi z trzykrotnie większym natężeniem (30 rpm) przez cały okres trwania eksperymentu. Uzyskane wyniki przedstawiają poniższe wykresy:
Rys. 4. Biodegradacja w reaktorze mieszalnikowym przy intensywności mieszania 30 i 90 obrotów na minutę.
3. Wnioski
Powszechnie występujący mezofilny gatunek grzyba Aspergillus niger może zostać wykorzystany do biodegradacji serwatki, będącej roztworem białka i laktozy oraz charakteryzującej się wysokimi, z punktu widzenia ochrony środowiska, współczynnikami biochemicznego (BOD) i chemicznego (COD) zapotrzebowania na tlen, wynoszących odpowiednio 30000 – 50000 ppm i 60000 – 80000 ppm [5]. Najkorzystniejszym rozwiązaniem jest zastosowanie bioreaktora mieszalnikowego.
101
Badania wpływu intensywności mieszania na szybkość biodegradacji pokazały, że korzystniejsze jest zastosowanie intensywniejszego mieszania. W bioreaktorze, w którym obroty wynosiły 90 (na minutę) po 15 dniach osiągnięto zerowe stężenie laktozy, podczas gdy w drugim bioreaktorze wynosiło ono 0,6 g/l.
Spadek stężenia białka w obu przypadkach następował w podobnym stopniu. Warto jednak zaznaczyć, że był on podobny w warunkach intesywnego natleniania, jak i jego braku. Można wnioskować, że biodegradacja białka serwatkowego nie wymaga natleniania w procesie, czego nie można stwierdzić w przypadku laktozy – jest on niezbędny. Świadczy to o możliwości zachodzenia różnego typu przemian metabolicznych w badanym szczepie w zależności od warunków procesowych. Na podstawie uzyskanych wyników badań planowane jest podjęcie opracowania procesu biodegradacji w reaktorze działającym w sposób ciągły.
Publikacja sfinansowana ze środków Uni Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społeczego
Literatura:
[1] A.L. Zydney, 1998, Protein Separation Using Membrane Filtration: New Opportunities for whey Fractionation, Diary Journal 8, (1998) 243 – 250;
[2] M.C. Almecija, R. Ibanez, A. Guadix, E.M. Guadix, 2007, Effect of pH on the fractionation of whey proteins with a ceramic ultrafiltration membrane, Journal of Membrane Science 288 (2007) 28 – 35;
[3] O. Lowry, N. Rosebrough, A. Farr, R. Randall, 1951, Protein measurement with the Folin phenol reagent, J. Biol. Chem, 193, 265 – 270.
[4] C. N. Miller, 1959, Use of dinitrosalicyle acid reagent for determination of reducing sugar, Anal. Chem, 81, 426 – 428;
[5] M. I. Gonzalez Siso, 1996, The biotechnological utilization of cheese whey, Bioresource Technology 57 (1996) 1-11;
BIODEGRADTION OF GOAT WHEY WASTE, USING THE MIXING BIOREACTOR WITH ASPERGILLUS NIGER IN REACTION ZONE
The paper presents the results of goat whey biodegradation in the mixing reactor in batch process. In order to reduce the lactose and the protein content the strain of Aspergillus niger was used. Aspergillus niger uses these components to the metabolism and growth.
The experiment showed that this strain is ideal for the process because uses lactose contained in the whey very quickly. It is necessary during this process to mix intensively and oxygenate those components. Compare to the lactose utilization, protein biodegradation is much slower. However, it is common to utilize the whey with recovery of a substantial part of the protein so the content of proteins is lower. The advantage of the protein degradability is the fact that it does not require the intensive oxygenation. Mushroom structure formed in the reaction zone is a great way to start the process of biodegradation in the reactor operating continuously.
102