Jump to content

Промышленная ферментация

(Перенаправлено из «Точное брожение »)

Промышленная ферментация — это намеренное использование ферментации в производственных процессах. Помимо массового производства ферментированных продуктов и напитков , промышленная ферментация широко применяется в химической промышленности . Товарные химикаты , такие как уксусная кислота , лимонная кислота и этанол , производятся путем ферментации. [ 1 ] Более того, почти все коммерчески производимые промышленные ферменты , такие как липаза , инвертаза и сычужный фермент , производятся путем ферментации генетически модифицированными микробами . В некоторых случаях биомассы целью является производство самой , как в случае с одноклеточными белками , пекарскими дрожжами и стартовыми культурами молочнокислых бактерий, используемых в сыроделиях .

В целом брожения можно разделить на четыре типа: [ 2 ]

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

Эти типы не обязательно отделены друг от друга, но обеспечивают основу для понимания различий в подходах. Используемые организмы обычно представляют собой микроорганизмы , особенно бактерии , водоросли и грибы , такие как дрожжи и плесень , но промышленная ферментация может также включать культуры клеток растений и животных, такие как клетки CHO и клетки насекомых . Особого внимания требуют конкретные организмы, используемые в ферментации, такие как уровень растворенного кислорода , уровень питательных веществ и температура . Скорость ферментации зависит от концентрации микроорганизмов, клеток, клеточных компонентов и ферментов, а также от температуры, pH. [ 3 ] и уровень кислорода для аэробной ферментации . [ 4 ] Восстановление продукта часто включает концентрирование разбавленного раствора .

Общий обзор процесса

[ редактировать ]

В большинстве промышленных ферментаций организмы или эукариотические клетки погружаются в жидкую среду; в других, таких как ферментация какао-бобов , кофейных зерен и мисо , ферментация происходит на влажной поверхности среды. [ 5 ] [ 6 ]

Существуют также промышленные соображения, связанные с процессом ферментации. Например, во избежание биологического загрязнения процесса ферментационная среда, воздух и оборудование стерилизуются. Контроль пенообразования может быть достигнут либо механическим разрушением пены, либо химическими пеногасителями . Необходимо измерять и контролировать несколько других факторов, таких как давление , температура , мощность вала мешалки и вязкость . Важным элементом промышленной ферментации является масштабирование. Это преобразование лабораторной процедуры в промышленный процесс . В области промышленной микробиологии хорошо известно , что то, что хорошо работает в лабораторных масштабах, может работать плохо или вообще не работать при первой попытке в больших масштабах. Как правило, невозможно взять условия ферментации, проверенные в лаборатории, и слепо применить их к оборудованию промышленного масштаба . Хотя многие параметры были протестированы для использования в качестве критериев масштабирования, 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. [ 3 ]

Фазы роста

[ редактировать ]
бактерий Кривая роста

Ферментация начинается после инокуляции питательной среды интересующим организмом. Рост инокулята происходит не сразу. Это период адаптации, называемый лаг-фазой. [ 7 ] После лаг-фазы скорость роста организма неуклонно увеличивается в течение определенного периода — этот период называется логарифмической или экспоненциальной фазой. [ 7 ]

После фазы экспоненциального роста скорость роста замедляется из-за непрерывно падающих концентраций питательных веществ и/или непрерывно увеличивающихся (накапливающихся) концентраций токсичных веществ. Эта фаза, на которой контролируется 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, химически разрушают клетки в процессе, называемом хемолизом . Если культуру не загрязняют другие микроорганизмы, ее химический состав остается неизменным. Если все питательные вещества среды израсходованы или концентрация токсинов слишком велика, клетки могут стареть и начать отмирать. Общее количество биомассы может не уменьшиться, но количество жизнеспособных организмов уменьшится. [ нужна ссылка ]

Ферментационная среда

[ редактировать ]

Микробы или эукариотические клетки, используемые для ферментации, растут в специально разработанной питательной среде (или на ней) , которая поставляет питательные вещества, необходимые организмам или клеткам. Существуют различные среды, но они неизменно содержат источник углерода, источник азота, воду, соли и микроэлементы . В производстве вина средой является виноградное сусло. При производстве биоэтанола среда может состоять в основном из любого доступного недорогого источника углерода. [ нужна ссылка ]

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, недорогие источники углеводов, такие как патока , кукурузный отвар , [ 8 ] сок сахарного тростника или сок сахарной свеклы используются для минимизации затрат. Вместо этого в более чувствительных ферментациях можно использовать очищенную глюкозу , сахарозу , глицерин или другие сахара, что уменьшает вариации и помогает обеспечить чистоту конечного продукта. Организмы, предназначенные для производства ферментов, таких как бета-галактозидаза , инвертаза или другие амилазы, могут скармливаться крахмалу для отбора организмов, которые экспрессируют ферменты в больших количествах. [ нужна ссылка ]

Фиксированные источники азота необходимы большинству организмов для синтеза белков , нуклеиновых кислот и других клеточных компонентов. В зависимости от ферментных возможностей организма азот может поступать в виде основного белка, например, соевого шрота; в виде предварительно переваренных полипептидов, таких как пептон или триптон ; или в виде солей аммиака или нитрата. Стоимость также является важным фактором при выборе источника азота. Фосфор необходим для производства фосфолипидов в клеточных мембранах и для производства нуклеиновых кислот . Количество добавляемого фосфата зависит от состава бульона и потребностей организма, а также цели ферментации. Например, некоторые культуры не будут производить вторичные метаболиты в присутствии фосфата. [ 9 ]

Факторы роста и микроэлементы включены в ферментационный бульон для организмов, неспособных производить все необходимые им витамины. Дрожжевой экстракт является распространенным источником микроэлементов и витаминов для ферментационных сред. Неорганические питательные вещества, включая микроэлементы, такие как железо, цинк, медь, марганец, молибден и кобальт, обычно присутствуют в неочищенных источниках углерода и азота, но, возможно, их придется добавлять, когда используются очищенные источники углерода и азота. Ферментации, при которых выделяется большое количество газа (или которые требуют добавления газа), имеют тенденцию к образованию слоя пены, поскольку ферментационный бульон обычно содержит различные усиливающие пену белки, пептиды или крахмалы. Чтобы предотвратить появление или накопление этой пены, пеногасители можно добавить . Минеральные буферные соли, такие как карбонаты и фосфаты, можно использовать для стабилизации pH вблизи оптимального. Когда ионы металлов присутствуют в высоких концентрациях, использование хелатирующего агента . может потребоваться [ нужна ссылка ]

Разработка оптимальной среды для ферментации является ключевой концепцией эффективной оптимизации. «Один фактор за раз» (OFAT) — это предпочтительный выбор, который исследователи используют для разработки состава среды. Этот метод предполагает изменение только одного фактора за раз, сохраняя при этом остальные концентрации постоянными. Этот метод можно разделить на несколько подгрупп. Один из них — «Эксперименты по удалению». В этом эксперименте все компоненты среды удаляются по одному и наблюдают их влияние на среду. Эксперименты с добавками включают оценку влияния добавок азота и углерода на производство. Заключительный эксперимент – это замещающий эксперимент. Это предполагает замену источников азота и углерода, которые оказывают положительное влияние на запланированное производство. В целом OFAT является основным преимуществом перед другими методами оптимизации из-за своей простоты. [ 10 ]

Производство биомассы

[ редактировать ]

Микробные клетки или биомасса иногда являются предполагаемым продуктом ферментации. Примеры включают одноклеточный белок , пекарские дрожжи , лактобактерии , кишечную палочку и другие. В случае одноклеточного белка водоросли выращивают в больших открытых прудах, что позволяет осуществлять фотосинтез. [ 11 ] Если биомасса будет использоваться для инокуляции других ферментов, необходимо принять меры для предотвращения мутаций возникновения .

Производство внеклеточных метаболитов

[ редактировать ]

Метаболиты можно разделить на две группы: те, которые вырабатываются во время фазы роста организма, называемые первичными метаболитами , и те, которые производятся во время стационарной фазы, называемые вторичными метаболитами . Некоторыми примерами первичных метаболитов являются этанол , лимонная кислота , глутаминовая кислота , лизин , витамины и полисахариды . Некоторыми примерами вторичных метаболитов являются пенициллин , циклоспорин А , гиббереллин и ловастатин . [ 9 ]

Первичные метаболиты

[ редактировать ]

Первичные метаболиты — это соединения, образующиеся в ходе обычного метаболизма организма во время фазы роста. Типичным примером является этанол или молочная кислота, образующиеся в ходе гликолиза . Лимонная кислота вырабатывается некоторыми штаммами Aspergillus niger в рамках цикла лимонной кислоты, чтобы подкислить окружающую среду и предотвратить захват власти конкурентами. Глутамат вырабатывается некоторыми видами Micrococcus . [ 12 ] а некоторые виды Corynebacterium производят лизин, треонин, триптофан и другие аминокислоты. Все эти соединения производятся в ходе нормальной «деловой деятельности» клетки и выбрасываются в окружающую среду. Поэтому нет необходимости разрывать ячейки для извлечения продукта.

Вторичные метаболиты

[ редактировать ]

Вторичные метаболиты — это соединения, образующиеся в стационарной фазе; пенициллин, например, предотвращает рост бактерий, которые могут конкурировать с плесенью Penicillium за ресурсы. Некоторые бактерии, такие как виды Lactobacillus , способны продуцировать бактериоцины , которые также предотвращают рост бактерий-конкурентов. Эти соединения имеют очевидную ценность для людей, желающих предотвратить рост бактерий, либо в качестве антибиотиков , либо в качестве антисептиков (таких как грамицидин S ). Фунгициды , такие как гризеофульвин, также производятся в виде вторичных метаболитов. [ 9 ] Обычно вторичные метаболиты не образуются в присутствии глюкозы или других источников углерода, которые стимулируют рост. [ 9 ] и подобно первичным метаболитам высвобождаются в окружающую среду без разрыва клеточной мембраны.

На заре биотехнологической промышленности большая часть биофармацевтических продуктов производилась на кишечной палочке ; к 2004 году больше биофармацевтических препаратов производилось в эукариотических клетках, таких как клетки CHO , чем в микробах, но с использованием аналогичных биореакторных систем. [ 6 ] Системы культивирования клеток насекомых также начали использоваться в 2000-х годах. [ 13 ]

Производство внутриклеточных компонентов

[ редактировать ]

Среди внутриклеточных компонентов наибольший интерес представляют микробные ферменты : каталаза , амилаза , протеаза , пектиназа , целлюлаза , гемицеллюлаза , липаза , лактаза , стрептокиназа и многие другие. [ 14 ] рекомбинантные белки , такие как инсулин , вакцина против гепатита В , интерферон , гранулоцитарный колониестимулирующий фактор , стрептокиназа и другие. Таким же способом получают и [ 6 ] Самая большая разница между этим процессом и другими заключается в том, что клетки необходимо разорвать (лизировать) в конце ферментации, а окружающую среду необходимо манипулировать, чтобы максимизировать количество продукта. Более того, продукт (обычно белок) необходимо отделить от всех других клеточных белков в лизате очищаемом .

Трансформация субстрата

[ редактировать ]

Преобразование субстрата включает в себя преобразование одного соединения в другое, например, в случае фенилацетилкарбинола и стероидов биотрансформацию , или преобразование сырья в готовый продукт в случае пищевой ферментации и очистки сточных вод.

Пищевая ферментация

[ редактировать ]

В истории еды древние ферментированные пищевые процессы, такие как приготовление хлеба , вина , сыра , творога , идли , доса и т. д., можно датировать более чем семью тысячами лет назад . [ 15 ] Они были разработаны задолго до того, как человечество узнало о существовании соответствующих микроорганизмов . Некоторые продукты, такие как мармит, являются побочным продуктом процесса ферментации, в данном случае при производстве пива .

Этаноловое топливо

[ редактировать ]

Ферментация является основным источником [ нужна ссылка ] этанола в производстве этанольного топлива . Обычные культуры, такие как сахарный тростник , картофель , маниока и кукуруза , ферментируются дрожжами для производства этанола, который далее перерабатывается в топливо.

Очистка сточных вод

[ редактировать ]

В процессе очистки сточных вод сточные воды перевариваются ферментами, выделяемыми бактериями. Твердые органические вещества распадаются на безвредные растворимые вещества и углекислый газ. Полученные жидкости дезинфицируются для удаления болезнетворных микроорганизмов перед сбросом в реки или море или могут использоваться в качестве жидких удобрений. Переваренные твердые вещества, известные также как ил, сушат и используют в качестве удобрения. Газообразные побочные продукты, такие как метан, можно использовать в качестве биогаза для питания электрических генераторов . Одним из преимуществ бактериального расщепления является то, что оно уменьшает объем и запах сточных вод, тем самым уменьшая пространство, необходимое для сброса. Основным недостатком бактериального разложения при удалении сточных вод является то, что это очень медленный процесс.

Сельскохозяйственные корма

[ редактировать ]

Широкий спектр отходов агропромышленного производства можно ферментировать и использовать в пищу животным, особенно жвачным. Грибы использовались для расщепления целлюлозных отходов с целью увеличения содержания белка и улучшения усвояемости in vitro . [ 16 ]

Прецизионное брожение

[ редактировать ]

Прецизионная ферментация — это подход к производству конкретных функциональных продуктов, который направлен на минимизацию производства нежелательных побочных продуктов за счет применения синтетической биологии , в частности, путем создания синтетических «клеточных фабрик» с сконструированными геномами и метаболическими путями, оптимизированными для максимально эффективного производства желаемых соединений. насколько это возможно с имеющимися ресурсами. [ 17 ] Прецизионную ферментацию генетически модифицированных микроорганизмов можно использовать для производства белков, необходимых для сред для культивирования клеток. [ 18 ] обеспечение бессывороточных сред для культивирования клеток в процессе производства культивированного мяса . [ 19 ] Публикация 2021 года показала, что для производства микробного белка с помощью фотоэлектрической энергии можно использовать в 10 раз меньше земли для эквивалентного количества белка по сравнению с выращиванием сои. [ 20 ]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Юсуф С. (1999). Робинсон Р.К. (ред.). Энциклопедия пищевой микробиологии (PDF) . Лондон: Академическая пресса. стр. 663–674. ISBN  978-0-12-227070-3 .
  2. ^ Стэнбери П.Ф., Уитакер А., Холл С.Дж. (1999). Принципы технологии ферментации (второе изд.). Баттерворт-Хайнеманн. ISBN  978-0750645010 .
  3. ^ Перейти обратно: а б «Ферментация» . Rpi.edu. Архивировано из оригинала 15 июня 2015 г. Проверено 2 июня 2015 г.
  4. ^ Рао Д.Г. (2010). Введение в биохимическую инженерию – Дубаси Говардхана Рао . Тата МакГроу-Хилл. ISBN  9780070151383 . Проверено 2 июня 2015 г.
  5. ^ «Ферментация (Промышленная)» (PDF) . Massey.ac.nz . Проверено 2 июня 2015 г.
  6. ^ Перейти обратно: а б с Вурм FM (ноябрь 2004 г.). «Производство рекомбинантных белковых терапевтических средств в культивируемых клетках млекопитающих». Природная биотехнология . 22 (11): 1393–8. дои : 10.1038/nbt1026 . ПМИД   15529164 . S2CID   20428452 .
  7. ^ Перейти обратно: а б «Рост бактерий» . Баканова . Архивировано из оригинала 29 октября 2013 года.
  8. ^ Лиггетт Р.В., Коффлер Х. (декабрь 1948 г.). «Кукурузный настой в микробиологии» . Бактериологические обзоры . 12 (4): 297–311. дои : 10.1128/MMBR.12.4.297-311.1948 . ПМК   180696 . ПМИД   16350125 .
  9. ^ Перейти обратно: а б с д Стэнбери ПФ (2007). «Глава 1: Технология ферментации» (PDF) . У Уокера Дж. М., Рэпли Р. (ред.). Молекулярная биология и биотехнология . Королевское химическое общество. стр. 1–24. ISBN  978-1-84755-149-8 . Архивировано из оригинала (PDF) 2 декабря 2012 г.
  10. ^ Сингх В., Хак С., Нивас Р., Шривастава А., Пасупулети М., Трипати К.К. (06 января 2017 г.). «Стратегии оптимизации среды ферментации: углубленный обзор» . Границы микробиологии . 7 : 2087. doi : 10.3389/fmicb.2016.02087 . ПМК   5216682 . ПМИД   28111566 .
  11. ^ «Сбор водорослей – Промышленная ферментация – Сепараторы» . Альфалаваль.com. Архивировано из оригинала 2 июня 2015 г. Проверено 2 июня 2015 г.
  12. ^ Киносита С., Удака С., Симоно М. (декабрь 2004 г.). «Исследования по ферментации аминокислот. Часть 1. Продукция L-глутаминовой кислоты различными микроорганизмами». Журнал общей и прикладной микробиологии . 50 (6): 331–43. ПМИД   15965888 .
  13. ^ Другманд Дж.К., Шнайдер Ю.Дж., Агатос С.Н. (2012). «Клетки насекомых как фабрики по биопроизводству» . Достижения биотехнологии . 30 (5): 1140–57. doi : 10.1016/j.biotechadv.2011.09.014 . ПМИД   21983546 .
  14. ^ Де Лурдес М., Полизели Т.М., Рай М. (2013). Грибковые ферменты . ЦРК Пресс. ISBN  978-1-466-59454-8 .
  15. ^ Хамфри А.Е., Ли С.Э. (1992). Промышленная ферментация: принципы, процессы и продукты . стр. 916–986. doi : 10.1007/978-94-011-7691-0_24 (неактивен 22 июня 2024 г.). ISBN  978-94-011-7693-4 . {{cite book}}: |journal= игнорируется ( справка ) CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на июнь 2024 г. ( ссылка )
  16. ^ Альборес С., Пьянццола М.Дж., Субес М., Сердейрас М.П. (2006). «Биодеградация агропромышленных отходов Pleurotus spp для использования в качестве корма для жвачных животных» . Электронный журнал биотехнологии . 9 (3). doi : 10.2225/vol9-issue3-fulltext-2 . hdl : 1807/48850 . Проверено 2 июня 2015 г.
  17. ^ Тенг, Тин Шиен; Чин, И Лин; Чай, Конг Фей; Чен, Вэй Нин (2021). «Ферментация для пищевых систем будущего: точная ферментация может дополнить сферу применения и применение традиционной ферментации» . Отчеты ЭМБО . 22 (5): e52680. дои : 10.15252/эмбр.202152680 . ISSN   1469-221X . ПМК   8097352 . ПМИД   33908143 .
  18. ^ Табб, Кэтрин; Себа, Тони (2020). Переосмысление продовольствия и сельского хозяйства, 2020-2030 гг.: второе одомашнивание растений и животных, разрушение коровьего хозяйства и крах промышленного животноводства (1-е изд.). США: RethinkX. ISBN  978-0-9970471-7-2 . OCLC   1257489312 .
  19. ^ Сингх, Сатнам; Да, Крошка Лебедь; Гэ, Сяо Юй; Мин, Вероника Ли Си; Чоудри, Дипак (2022). «Производство культивированного мяса, основанное на ферментации». Тенденции в пищевой науке и технологиях . 120 : 48–58. дои : 10.1016/j.tifs.2021.12.028 . S2CID   245491693 .
  20. ^ Леже, Дориан; Матасса, Сильвио; Нур, Элад; Шепон, Алон; Майло, Рон; Бар-Эвен, Аррен (29 июня 2021 г.). «Производство микробного белка с помощью фотоэлектрической энергии может использовать землю и солнечный свет более эффективно, чем традиционные культуры» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 118 (26): e2015025118. Бибкод : 2021PNAS..11815025L . дои : 10.1073/pnas.2015025118 . ISSN   0027-8424 . ПМЦ   8255800 . ПМИД   34155098 .

Библиография

[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 87ab45c8c47df2e9b88936ceb1da1686__1719043440
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/87/86/87ab45c8c47df2e9b88936ceb1da1686.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Industrial fermentation - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)