Промышленное брожение - Industrial fermentation

Промышленное брожение преднамеренное использование ферментация от микроорганизмы Такие как бактерии и грибы а также эукариотические клетки, такие как Клетки CHO и клетки насекомых, чтобы сделать продукты полезными для человека. Ферментированные продукты находят применение как в пищевой, так и в общей промышленности. Некоторые товарные химикаты, такие как уксусная кислота, лимонная кислота, и этиловый спирт производятся путем ферментации.[1] Скорость ферментации зависит от концентрации микроорганизмов, клеток, клеточных компонентов и ферментов, а также от температуры, pH.[2] и для аэробная ферментация[3] кислород. Извлечение продукта часто включает концентрацию разбавленного раствора. Почти все коммерчески производимые ферменты, такие как липаза, инвертаза и сычужный фермент, производятся путем ферментации с генетически модифицированные микробы. В некоторых случаях целью является само производство биомассы, как в случае пекарские дрожжи и молочнокислые бактерии закваски для сыроделия. В целом ферментации можно разделить на четыре типа:[4]

  • Производство биомассы (жизнеспособного клеточного материала)
  • Производство внеклеточных метаболитов (химических соединений)
  • Производство внутриклеточных компонентов (ферментов и других белков)
  • Трансформация субстрата (в котором трансформированный субстрат сам является продуктом)

Эти типы не обязательно отделены друг от друга, но обеспечивают основу для понимания различий в подходах. Используемые организмы могут быть бактериями, дрожжами, плесенью, водорослями, клетками животных или клетками растений. Особые соображения необходимы для конкретных организмов, используемых при ферментации, таких как растворенные кислород уровень, уровни питательных веществ и температура.

Общий обзор процесса

В большинстве промышленных ферментаций организмы или эукариотические клетки погружены в жидкую среду; в других, таких как ферментация какао бобы, кофе вишня и мисо, брожение происходит на влажной поверхности среды.[5][6]Есть также промышленные соображения, связанные с процессом ферментации. Например, чтобы избежать биологического загрязнения процесса, ферментационная среда, воздух и оборудование стерилизуются. Контроль пенообразования может быть достигнут либо механическим разрушением пены, либо химическими противопенными средствами. Необходимо измерять и контролировать ряд других факторов, таких как давление, температура, мощность вала мешалки и вязкость. Важным элементом промышленной ферментации является масштабирование. Это превращение лабораторной процедуры в промышленный процесс. В области промышленной микробиологии хорошо известно, что то, что хорошо работает в лабораторных условиях, может работать плохо или вообще не работать при первой попытке в крупном масштабе. Как правило, невозможно брать условия ферментации, которые работали в лаборатории, и слепо применять их к промышленному оборудованию. Хотя многие параметры были протестированы на предмет использования в качестве критериев увеличения, общей формулы не существует из-за различий в процессах ферментации. Наиболее важными методами являются поддержание постоянного расхода энергии на единицу бульона и поддержание постоянной объемной скорости переноса.[2]

Фазы роста

Кривая роста бактерий Кинетическая кривая

Ферментация начинается после того, как в питательную среду вносится интересующий организм. Рост посевного материала происходит не сразу. Это период адаптации, называемый лаг-фазой.[7] После лаг-фазы скорость роста организма неуклонно увеличивается в течение определенного периода - этот период является логарифмической или экспоненциальной фазой.[7]

После фазы экспоненциального роста скорость роста замедляется из-за постоянно падающих концентраций питательных веществ и / или постоянно увеличивающихся (накапливающихся) концентраций токсичных веществ. Эта фаза, где проверяется увеличение скорости роста, является фазой замедления. После фазы замедления рост прекращается, и культура переходит в стационарную фазу или устойчивое состояние. Биомасса остается постоянной, за исключением случаев, когда определенные химические вещества, накопленные в культуре, лизируют клетки (хемолиз). Если культура не загрязняется другими микроорганизмами, ее химический состав остается неизменным. Если все питательные вещества в среде израсходованы или если концентрация токсинов слишком велика, клетки могут стать сцены и начинают умирать. Общее количество биомассы может не уменьшиться, но количество жизнеспособных организмов уменьшится.

Ферментационная среда

Микробы или эукариотические клетки, используемые для ферментации, растут в (или на) специально разработанных среда роста который поставляет питательные вещества, необходимые для организмов или клеток. Существует множество сред, но они неизменно содержат источник углерода, источник азота, воду, соли и питательные микроэлементы. Средой для производства вина является виноградное сусло. При производстве биоэтанола среда может состоять в основном из любого доступного недорогого источника углерода.

Источниками углерода обычно являются сахара или другие углеводы, хотя в случае трансформации субстрата (например, при производстве уксуса) источником углерода может быть спирт или что-то еще. Для крупномасштабных ферментаций, таких как те, которые используются для производства этанола, используются недорогие источники углеводов, такие как патока, кукурузный крепкий ликер,[8] сок сахарного тростника или сок сахарной свеклы используются для минимизации затрат. Более чувствительные ферментации могут вместо этого использовать очищенные глюкоза, сахароза, глицерин или другие сахара, что снижает вариативность и помогает обеспечить чистоту конечного продукта. Организмы, предназначенные для производства ферментов, таких как бета-галактозидаза, инвертаза или другие амилазы могут подаваться крахмалом для отбора организмов, которые экспрессируют ферменты в большом количестве.

Фиксированный азот источники необходимы большинству организмов для синтеза белки, нуклеиновые кислоты и другие клеточные компоненты. В зависимости от ферментативных возможностей организма азот может поставляться в виде основного белка, такого как соевый шрот; как предварительно расщепленные полипептиды, такие как пептон или триптон; или в виде солей аммиака или нитрата. Стоимость также является важным фактором при выборе источника азота. Фосфор необходим для производства фосфолипиды в клеточных мембранах и для производства нуклеиновые кислоты. Количество фосфата, которое необходимо добавить, зависит от состава бульона и потребностей организма, а также от цели ферментации. Например, некоторые культуры не производят вторичных метаболитов в присутствии фосфата.[9]

Факторы роста и микроэлементы включены в ферментационный бульон для организмов, неспособных производить все необходимые им витамины. Экстракт дрожжей является обычным источником питательных микроэлементов и витаминов для ферментационных сред. Неорганические питательные вещества, в том числе микроэлементы такие как железо, цинк, медь, марганец, молибден и кобальт, как правило, присутствуют в неочищенных источниках углерода и азота, но могут быть добавлены при использовании источников очищенного углерода и азота. Ферментации, которые производят большое количество газа (или которые требуют добавления газа), будут иметь тенденцию к образованию слоя пены, поскольку ферментационный бульон обычно содержит множество усиливающих пену белков, пептидов или крахмалов. Чтобы эта пена не образовывалась или не накапливалась, пеногасители могут быть добавлены. Минеральные буферные соли, такие как карбонаты и фосфаты, можно использовать для стабилизации рН около оптимального. Когда ионы металлов присутствуют в высоких концентрациях, используйте хелатирующий агент может быть необходимо.

Разработка оптимальной среды для ферментации - ключевая концепция эффективной оптимизации. Однократная обработка (OFAT) - это предпочтительный выбор, который исследователи используют для разработки средней композиции. Этот метод включает изменение только одного фактора за раз, при сохранении постоянных других концентраций. Этот метод можно разделить на несколько подгрупп. Один из них - это эксперименты по удалению. В этом эксперименте все компоненты среды удаляются по одному, и их влияние на среду наблюдается. Эксперименты с добавками включают оценку воздействия добавок азота и углерода на производство. Последний эксперимент - эксперимент замены. Это включает замену источников азота и углерода, которые демонстрируют улучшающий эффект на предполагаемое производство. В целом OFAT является большим преимуществом перед другими методами оптимизации из-за своей простоты.[10]

Производство биомассы

Микробный клетки или биомасса иногда является предполагаемым продуктом брожения. Примеры включают одноклеточный белок, пекарские дрожжи, лактобациллы, Кишечная палочка, и другие. В случае одноклеточного белка водоросли выращивается в больших открытых прудах, где возможен фотосинтез.[11] Если биомасса будет использоваться для инокуляции других ферментаций, необходимо принять меры для предотвращения мутации от возникновения.

Производство внеклеточных метаболитов

Метаболиты можно разделить на две группы: производимые во время фазы роста организма, называемые первичные метаболиты и те, которые производятся в стационарной фазе, называемые вторичные метаболиты. Некоторые примеры первичных метаболитов: этиловый спирт, лимонная кислота, глютаминовая кислота, лизин, витамины и полисахариды. Некоторые примеры вторичных метаболитов: пенициллин, циклоспорин А, гиббереллин, и ловастатин.[9]

Первичные метаболиты

Первичные метаболиты представляют собой соединения, образующиеся при обычном метаболизме организма во время фазы роста. Типичным примером является этанол или молочная кислота, производимые во время гликолиз. Лимонная кислота производится некоторыми штаммами Aspergillus niger как часть цикл лимонной кислоты чтобы подкисить окружающую среду и не дать конкурентам захватить власть. Глутамат производится некоторыми Микрококк разновидность,[12] и немного Коринебактерии виды производят лизин, треонин, триптофан и другие аминокислоты. Все эти соединения производятся во время нормальной «работы» клетки и выбрасываются в окружающую среду. Следовательно, нет необходимости разрушать ячейки для извлечения продукта.

Вторичные метаболиты

Вторичные метаболиты составы в стационарной фазе; пенициллин, например, предотвращает рост бактерий, которые могут конкурировать с Пенициллий формы для ресурсов. Некоторые бактерии, такие как Лактобациллы виды, способны производить бактериоцины которые также предотвращают рост бактериальных конкурентов. Эти соединения имеют очевидную ценность для людей, желающих предотвратить рост бактерий. антибиотики или как антисептики (Такие как грамицидин S ). Фунгициды, такие как гризеофульвин также производятся как вторичные метаболиты.[9] Обычно вторичные метаболиты не образуются в присутствии глюкозы или других источников углерода, которые могут способствовать росту,[9] и подобные первичные метаболиты высвобождаются в окружающую среду без разрыва клеточной мембраны.

На заре биотехнологической индустрии большинство биофармацевтический продукция была произведена в Кишечная палочка; к 2004 году в эукариотических клетках производилось больше биофармацевтических препаратов, таких как Клетки CHO, чем у микробов, но использовали аналогичные биореактор системы.[6] Культура клеток насекомых системы начали использоваться и в 2000-х годах.[13]

Производство внутриклеточных компонентов

Среди внутриклеточных компонентов наибольший интерес представляют микробные ферменты: каталаза, амилаза, протеаза, пектиназа, целлюлаза, гемицеллюлаза, липаза, лактаза, стрептокиназа и много других.[14] Рекомбинантные белки, такие как инсулин, вакцина против гепатита В, интерферон, колониестимулирующий фактор гранулоцитов, стрептокиназа и другие тоже сделаны таким же образом.[6] Самая большая разница между этим процессом и другими заключается в том, что клетки должны быть разрушены (лизированы) в конце ферментации, а окружающая среда должна быть изменена для максимального увеличения количества продукта. Кроме того, продукт (обычно белок) должен быть отделен от всех других клеточных белков в очищаемом лизате.

Трансформация субстрата

Преобразование субстрата включает преобразование одного соединения в другое, например, в случае фенилацетилкарбинол, и стероидный препарат биотрансформация или преобразование сырья в готовый продукт в случае пищевой ферментации и очистки сточных вод.

Пищевая ферментация

Основная статья: Ферментация (еда)

Древние ферментированные пищевые процессы, такие как приготовление хлеб, вино, сыр, творог, идли, доса и т. д., могут быть датированы более чем семь тысяч лет назад.[15] Они были разработаны задолго до того, как человек узнал о существовании микроорганизмы участвует. Некоторые продукты, такие как Мармит являются побочным продуктом процесса ферментации, в данном случае при производстве пиво.

Этанол топливо

Основная статья: Этанол топливо

Ферментация является основным источником этанола при производстве этанол топливо. Обычные культуры, такие как сахарный тростник, картофель, маниока и кукуруза, ферментируются дрожжами для производства этанола, который затем перерабатывается в топливо.

Очистка сточных вод

Основная статья: Очистные сооружения

В процессе очистки сточных вод сточные воды перевариваются ферментами, выделяемыми бактериями. Твердые органические вещества распадаются на безвредные растворимые вещества и диоксид углерода. Полученные жидкости дезинфицируются для удаления болезнетворных микроорганизмов перед сбросом в реки или море или могут использоваться в качестве жидких удобрений. Переваренные твердые частицы, известные также как ил, сушат и используют в качестве удобрения. Газообразные побочные продукты, такие как метан, могут использоваться как биогаз для заправки электрогенераторов. Одним из преимуществ бактериального сбраживания является то, что оно уменьшает объем и запах сточных вод, тем самым уменьшая пространство, необходимое для сброса. Основным недостатком бактериального переваривания сточных вод является то, что это очень медленный процесс.

Сельскохозяйственный корм

Для использования в пищу животным, особенно жвачным, можно ферментировать самые разные отходы агропромышленного комплекса. Грибы использовались для разложения целлюлозных отходов, чтобы увеличить содержание белка и улучшить in vitro усвояемость.[16]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Юсуф С (1999). Робинсон Р.К. (ред.). Энциклопедия пищевой микробиологии (PDF). Лондон: Academic Press. С. 663–674. ISBN  978-0-12-227070-3.
  2. ^ а б "Ферментация". Rpi.edu. Архивировано из оригинал на 2015-06-15. Получено 2015-06-02.
  3. ^ Рао Д.Г. (2010). Введение в биохимическую инженерию - Дубаши Говардхана Рао. ISBN  9780070151383. Получено 2015-06-02.
  4. ^ Stanbury PF, Whiitaker A, Hall SJ (1999). Принципы технологии ферментации (Второе изд.). Баттерворт-Хайнеманн. ISBN  978-0750645010.
  5. ^ «Ферментация (Промышленная)» (PDF). Massey.ac.nz. Получено 2015-06-02.
  6. ^ а б c Wurm FM (ноябрь 2004 г.). «Производство рекомбинантных белковых терапевтических средств в культивируемых клетках млекопитающих». Природа Биотехнологии. 22 (11): 1393–8. Дои:10.1038 / nbt1026. PMID  15529164.
  7. ^ а б «Бактериальный рост». Баканова. Архивировано из оригинал 29 октября 2013 г.
  8. ^ Лиггетт RW, Коффлер H (декабрь 1948 г.). «Кукурузный настой в микробиологии». Бактериологические обзоры. 12 (4): 297–311. Дои:10.1128 / MMBR.12.4.297-311.1948. ЧВК  180696. PMID  16350125.
  9. ^ а б c d Stanbury PF (2007). «Глава 1: Технология ферментации» (PDF). В Walker JM, Rapley R (ред.). Молекулярная биология и биотехнология. Королевское химическое общество. С. 1–24. ISBN  978-1-84755-149-8.
  10. ^ Сингх В., Хак С., Нивас Р., Шривастава А., Пасупулети М., Трипати К.К. (06.01.2017). «Стратегии оптимизации ферментационной среды: углубленный обзор». Границы микробиологии. 7: 2087. Дои:10.3389 / fmicb.2016.02087. ЧВК  5216682. PMID  28111566.
  11. ^ «Сбор водорослей - Промышленное брожение - Сепараторы». Alfalaval.com. Архивировано из оригинал на 2015-06-02. Получено 2015-06-02.
  12. ^ Киношита С., Удака С., Шимоно М. (декабрь 2004 г.). «Исследования по ферментации аминокислот. Часть 1. Производство L-глутаминовой кислоты различными микроорганизмами». Журнал общей и прикладной микробиологии. 50 (6): 331–43. PMID  15965888.
  13. ^ Drugmand JC, Schneider YJ, Agathos SN (2012). «Клетки насекомых как фабрики по производству биопродуктов». Достижения биотехнологии. 30 (5): 1140–57. Дои:10.1016 / j.biotechadv.2011.09.014. PMID  21983546.
  14. ^ Де Лурдес М, Полизели ТМ, Рай М (2013). Грибковые ферменты. CRC Press. ISBN  978-1-466-59454-8.
  15. ^ Хамфри А.Е., Ли С.Е. (1992). Промышленная ферментация: принципы, процессы и продукты. Справочник Ригеля по промышленной химии. С. 916–986. Дои:10.1007/978-94-011-7691-0_24. ISBN  978-94-011-7693-4.
  16. ^ Альборес С., Пьянццола М.Дж., Субес М., Кердейрас М.П. (2006). «Биоразложение агропромышленных отходов с помощью Pleurotus spp для использования в качестве корма для жвачных животных». Электронный журнал биотехнологии. 9 (3). Дои:10.2225 / vol9-issue3-fulltext-2. Получено 2015-06-02.

Библиография

  • Основы биохимической инженерии, Дж. Э. Бейли и П.Ф. Оллис, McGraw Hill Publication
  • Принципы технологии ферментации, Stansbury, P.F., A. Whitaker, S.J. Холл, 1997 г.
  • Пенициллин: парадигма биотехнологии, Ричард I Мателес, ISBN  1-891545-01-9

внешняя ссылка