Χρησιμοποίηση βιοπολυμερών για την ακινητοποίηση ζυμομυκητών με σκοπό την παραγωγή οίνου

Abstract

The aim of this dissertation thesis is to design and study a reactor with immobilized yeasts on a surface for wine production that presents continuous operation characteristics and to be able to control the quality of the wine from the macroscopic characteristics of the reactor. There is a large number of publications in recent years on the subject of vinification from immobilized yeasts in microspheres, which shows the strong interest, both from a technological and academic point of view, since these reactors can find wide application not only for the production of wine but also for other products such as ethyl alcohol etc. The immobilization of yeasts reported to date can be either chemical or physical. To date, most systems that have been presented are usually encapsulation within beads. Unfortunately, this form of encapsulation has the disadvantage that the pellets may rupture due to the inevitable production of carbon dioxide and release the yeasts thus turning the vinification into a conventional tank vinification system. The objectives of this doctoral thesis are: a) The design of a semi-continuous operation reactor containing immobilized yeasts on flat surfaces in order to convert the must into wine, and to have the possibility to operate in a semi-continuous manner, that is to introduce into the reactor must at regular intervals with simultaneous removal of the produced wine. The advantages of this arrangement will be the continuous production of wine without the need to remove the solid products of conventional vinification (wine lees), as well as the control of the quality of the wine produced by the macroscopic characteristics of the reactor, and b) The study and determination of reactor characteristics such as the concentration of saccharomyces, as well as winemaking conditions such as temperature, pH. Thus, the quality of the wine can be controlled by these experimental parameters as well as the rate will be maximized while keeping its quality high. The advantages presented by immobilized yeast devices over conventional vinification methods in a container are: A) Large surface that favors the yeasts to attach and function, B) Ease of handling and regeneration of the yeast, C) High rate of yeast multiplication and their stability, D) High catalytic activity due to large surface area of the immobilized yeasts. E) Lack of the clarification stage of the wine to remove the lees, since the by-products of the winemaking adhere to the surfaces with the immobilized yeasts, F) Production of huge quantities of wine using small reactors, due to the possibility of semi-continuous vinification, G) Due to the possibility of using small bioreactors for vinification it is possible to control the vinification conditions (temperature) it is possible to prepare very high quality wine that is not possible with the conventional vinification in large vessels. H) In addition, due to the immobilization of the yeasts on flat surfaces, we will not have the problem of the release of the yeasts from the pellets due to their breakage from the production of CO2, since the yeasts are immobilized on a surface and not locked in a closed immobilization system where the CO2 diffuses freely and does not cause breakage of immobilization material and I) Reduction of wine production costs.

Στόχος του διδακτορικού αυτού είναι ο σχεδιασμός και η μελέτη ενός αντιδραστήρα με ακινητοποιημένους ζυμομύκητες σε επιφάνεια για παραγωγή οίνου που να παρουσιάζει χαρακτηριστικά ημι-συνεχούς λειτουργίας και να μπορούμε να ελέγχουμε την ποιότητα του οίνου από τα μακροσκοπικά χαρακτηριστικά του αντιδραστήρα. Υπάρχει μεγάλος αριθμός δημοσιεύσεων τα τελευταία χρόνια στο θέμα της οινοποίησης από ακινητοποιημένους μύκητες κυρίως σε μικροσφαιρίδια, που φανερώνει το έντονο ενδιαφέρον, τόσο από πλευράς τεχνολογικής όσο και ακαδημαϊκής, αφού οι αντιδραστήρες αυτοί μπορούν να βρίσκουν ευρεία εφαρμογή όχι μόνο για παραγωγή οίνου αλλά και άλλων προϊόντων όπως αιθυλικής αλκοόλης κ.α. Η ακινητοποίηση των ζυμομυκήτων που έχει αναφερθεί μέχρι σήμερα μπορεί να είναι είτε χημική είτε φυσική. Μέχρι σήμερα, τα περισσότερα συστήματα που έχουν παρουσιαστεί είναι συνήθως εγκλωβισμός μέσα σε σφαιρίδια. Δυστυχώς η μορφή αυτή εγκλωβισμού παρουσιάζει το μειονέκτημα ότι μπορεί τα σφαιρίδια να διαρραγούν λόγω της αναπόφευκτης παραγωγής διοξειδίου του άνθρακα, και να απελευθερωθούν οι μύκητες με συνέπεια να μετατραπεί η οινοποίηση σε ένα συμβατικό σύστημα οινοποίησης σε δοχείο. Στόχοι της διδακτορικής αυτής διατριβής είναι: α) Ο σχεδιασμός ενός αντιδραστήρα ημι-συνεχούς λειτουργίας που να περιέχει ακινητοποιημένους ζυμομύκητες σε επίπεδες επιφάνειες με σκοπό τη μετατροπή του γλεύκους σε οίνο, και να έχει την δυνατότητα να λειτουργεί με ημισυνεχόμενο τρόπο, δηλαδή να εισάγουμε στον αντιδραστήρα γλεύκος σε τακτά χρονικά διαστήματα με ταυτόχρονη απομάκρυνση του παραγόμενου οίνου. Τα πλεονεκτήματα αυτής της διάταξης θα είναι η συνεχής παραγωγή οίνου χωρίς να είναι απαραίτητη η απομάκρυνση των στερεών προϊόντων της συμβατικής οινοποίησης (οινολάσπη), καθώς και ο έλεγχος της ποιότητας του παραγόμενου οίνου από τα μακροσκοπικά χαρακτηριστικά του αντιδραστήρα, και β) Η μελέτη και ο προσδιορισμός των χαρακτηριστικών του αντιδραστήρα όπως η συγκέντρωση των σακχαρομυκήτων, καθώς και των συνθηκών οινοποίησης όπως η θερμοκρασία, το pH. Με τον τρόπο αυτό μπορεί να ελέγχεται η ποιότητα του οίνου από τις πειραματικές αυτές παραμέτρους ώστε να μεγιστοποιείται η παραγωγή οίνου διατηρώντας την ποιότητά του υψηλή. Τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν οι συσκευές ακινητοποιημένων ζυμομυκήτων έναντι των συμβατικών μεθόδων οινοποίησης σε δοχείο είναι: Α) Μεγάλη επιφάνεια που ευνοεί τους μύκητες να προσκολληθούν και να λειτουργήσουν, Β) Ευκολία χειρισμού και αναγέννησης των ζυμομυκήτων, Γ) Υψηλός ρυθμός πολλαπλασιασμού ζυμομυκήτων και σταθερότητά τους, και Δ) Υψηλή καταλυτική δραστικότητα λόγω μεγάλης επιφάνειας των ακινητοποιημένων μυκήτων. Ε) Έλλειψη του σταδίου διαύγασης του οίνοι για την απομάκρυνση της οινολάσπης, αφού τα παραπροϊόντα της οινοποίησης προσκολλώνται στις επιφάνειες με τους ακινητοποιημένους ζυμομύκητες, ΣΤ) Παραγωγή τεράστιων ποσοτήτων οίνου με την χρήση μικρών αντιδραστήρων, λόγω της δυνατότητας ημι-συνεχούς οινοποίησης, Ζ) Λόγω της δυνατότητας χρήσης μικρών βιοαντιδραστήρων για την οινοποίηση είναι δυνατός ο έλεγχος των συνθηκών οινοποίησης (θερμοκρασία) είναι δυνατή η παρασκευή πολύ υψηλής ποιότητας οίνου που δεν είναι δυνατόν με την συμβατική οινοποίηση σε μεγάλα δοχεία. Η) Επιπλέον, λόγω της ακινητοποίησης των ζυμομυκήτων σε επίπεδες επιφάνειες, δεν θα έχουμε το πρόβλημα της απελευθέρωσης των ζυμομυκήτων από τα σφαιρίδια λόγω της θραύσης τους από την παραγωγή CO2, αφού οι ζυμομύκητες είναι ακινητοποιημένοι σε επιφάνεια και όχι εγκλωβισμένοι σε κλειστό σύστημα ακινητοποίησης όπου το CO2 διαχέεται ελεύθερα και δεν προκαλεί θραύση του υλικού ακινητοποίησης και Θ) Μείωση κόστους παραγωγής οίνου.