Õppeaine eesmärk on:
- süvendada teadmisi erinevatest toidu tootmisega seotud kääritusprotsessidest, k.a juuretiskultuuride tootmine ja kasutamine;
- anda ülevaade bioprotsesside tootlikkuse põhiparameetritest (saagis, kiirus ja tiiter), mikroorganismide kasvuruumist ja rakkude ab initio disainist;
- õpetama arvutama, millised rakulised, biokeemilised ja keskkonnaparameetrid mõjutavad rakkude kasvu ning biotehnoloogiliste protsesside tootlikkusi;
- õpetada tudengid kasutama kaasaegseid kultiveerimsitehnoloogiaid rakkude ainevahetuse uurimiseks ja biotehnoloogiliste protsesside optimeerimiseks.

The aim of this course is to:
- to provide deeper insights into main non-dairy food fermentation processes, including starter culture production and applications;
- to provide the knowledge about the main parameters that determine productivity of bioprocesses (yield, rate and titer), growth space of cells and ab initio cell design;
- to practice of modelling of cell growth and metabolism;
- to practice of cultivation using advanced continuous culture methods.

Aine läbinud üliõpilane:
- kirjeldab põhilisi toidu fermentatsiooniprotsesse, biotehnoloogilisi tööstusprotsesse ja laboratoorseid uurimismeetodeid;
- iseloomustab fermentatsiooniprotsessides kasutatavaid tooraineid ja mikroorganisme;
- määrab ära, milliseid fermentatsioonide juhtimiseks vajalikke parameetreid on vaja muuta;
- arvutab bioprotsesside saagiseid, tootlikkusi jm mikroorganismide kasvuga seotud parameetreid;
- konstrueerib ainevoogude mudeleid.

After completing this course the student:
- describes the main food fermentation processes, biotechnological industrial processes and laboratory research methods;
- characterizes the raw materials and micro-organisms used in the fermentation processes;
- determines which parameters need to be changed to control fermentations;
- calculates yields, productivity and other parameters related to the growth of micro-organisms in bioprocesses;
- constructs material flow models.

Toidufermentatsioonide ajalugu ühiskonnas, sh uued suunad kaasaegses toidufermentatsioonitööstuses. Toidu fermentatsiooniprotsesside alused (sh fermentatsiooniprotsessides kasutatavad mikroorganismid, nende ainevahetus ja elutegevust mõjutavad keskkonnafaktorid). Tööstuslike starterkultuuride tootmine ning kasutamine toidufermentatsioonide alustamisel. Õlle tootmise tehnoloogia. Veini tootmisetehnoloogia. Äädikhappeline fermentatsioon ning selle kasutamine äädika tootmisel. Idamaised fermenteeritud toiduained, nende tootmistehnoloogia ja kasutatavad mikroorganismid. Toidutööstuses kasutatavate orgaaniliste hapete mikrobioloogiline tootmine.
Harjutustunnid hõlmavad teemasid:
a. Protsessi tootlikkuse arvutamine erinevates kultiveerimisprotsessides: perioodiline, poolperioodiline, pidevkultiveerimine, muutusstaatsed tehnikad (A-staat, De-staat, D-staat, auksoaktselerostaadid), paralleelülekandesüsteemid steady state kultuuride ’kloneerimiseks’ (nn MD süsteemid). Millised parameetrid mõjutavad rakkude kasvuruumi (keskkonnaparameetrid: pH, T, aw jm., rakuparameetrid: rakukomponentide molekulaarsed omadused).
b. Andmebaasid kasvuruumiparameetrite kohta (Combase jt.).
c. Massiülekande arvutused. Fermenterite ehitusest (reaktorid, pumbad, sensorid jne ning nende tööpõhimõtted).
d. Kultiveerimistarkvarad ja kontrollalgoritmid (AD/DA, PID, OPC).
2) Rakumudelite koostamine harjutustunnis käsitleb teemasid:
a. Ab initio rakkude konstrueerimise alused.
b. Ensüümikineetika ja rakuenergeetika põhialused (reaktsioonisuunad ja termodünaamika).
c. Genoomide andmebaasid ja nendest andmekaeve.
d. Metabolismi võrgustike koostamine.
e. Metabolismi võrgustiku lahendamine ja voogude mustri leidmine stationaarse seisundi korral. Lineaaralgebra bioloogiliste süsteemide kirjeldamisel
f. Mittelineaarsed süsteemid (kogurakumudelid, üherakumudelid). Üherakumudelite koostamise alused.

Food fermentation processes history and state of the art trends in food fermentation industry. Principles of fermentation processes (incl. fermentation microorganisms, their metabolism, growth parameters). Using commercial starter cultures for fermentation. Beer production technology. Wine production technology. Acetic fermentation. Fermented foods from east and their production technologies. Microbiological production of food grade organic acids.
The excersise lessons are divided into three parts:
1) Cultivation theory:
a. Calculation of productivities for different cultivation processes: batch, fed-batch, continuous culture, advanced cultivation approaches.
b. Databases about growth data of microorganisms (Combase).
c. Calculation of mass transfer rates. Bioreactor components (sensors, pumps etc.)
d. Cultivation software and control algorithms.
2) Cell model theory:
a. Principles of ab initio cell design.
b. Enzyme kinetics and thermodynamics.
c. Genome databases and data mining.
d. Construction of metabolic networks.
e. Calculation of metabolic fluxes.
f. Single cell models, non-linerar systems.
g. Applications for cell models.
3) Practical work about:
a. Model construction and calculations (eg. In silico generation of mutants for production of low molecular compound).
b. Participation in science project or in factory related to cultivation or modelling of microbes.
c. Preparation of report and oral presentation.

Eksam

Examination

-

-

Loengumaterjalid Moodles,
Application of Biotechnology to Traditional Fermented Foods (National Academy Press 1992, elektronkataloogist ISBN 0-309-04685-8);
Brock Biology of Microorganisms;
Functional Dairy Products (Woodhead Publishing Ltd 2003, ISBN 97
Bioreaction engineering principles, ed. J. Nielsen, J. Villadsen, G. Liden. Kluwer Academic/Plenum Publishers.
Erm, Sten; Abner, Kristo; Seiman, Andres; Adamberg, Kaarel; Vilu, Raivo. Study of cells in the steady state growth space. Subramanian: Continuous Bio-manufacturing, Wiley 2017.
Adamberg, K., Valgepea, K., Vilu, R., 2015. Advanced continuous cultivation methods for systems microbiology. Microbiol. (United Kingdom) 161, 1707–1719. doi:10.1099/mic.0.000146

-