Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Промышленная ферментация является преднамеренное использование ферментации с помощью микроорганизмов , таких как бактерии и грибы , а также эукариотические клетки , такие как клетки СНО и клетки насекомых , чтобы сделать продукты полезны для человека. Ферментированные продукты находят применение как в пищевой, так и в общей промышленности. Некоторые товарные химические вещества, такие как уксусная кислота , лимонная кислота и этанол , производятся путем ферментации. [1] Скорость ферментации зависит от концентрации микроорганизмов, клеток, клеточных компонентов и ферментов, а также от температуры, pH [2] иаэробное брожение [3] кислород. Извлечение продукта часто включает концентрацию разбавленного раствора. Почти все коммерчески производимые ферменты, такие как липаза , инвертаза и сычужный фермент , производятся путем ферментации генетически модифицированными микробами . В некоторых случаях целью является производство самой биомассы, как, например, одноклеточный белок и как в случае заквасочных культур пекарских дрожжей и молочнокислых бактерий 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 представлять собой бактерии, дрожжи, плесень, водоросли, клетки животных или клетки растений. Особые соображения требуются для конкретных организмов, используемых в ферментации, таких как уровень растворенного кислорода , уровни питательных веществ и температура .

Общий обзор процесса [ править ]

В большинстве промышленных ферментаций организмы или эукариотические клетки погружены в жидкую среду; в других случаях, таких как ферментация какао-бобов , кофейных ягод и мисо , ферментация происходит на влажной поверхности среды. [5] [6]Есть также промышленные соображения, связанные с процессом ферментации. Например, чтобы избежать загрязнения биологического 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 взять условия ферментации, которые работали в лаборатории, и слепо применить их к промышленному оборудованию. Хотя многие параметры были протестированы для 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 [ править ]

Кривая роста бактерий \ Кинетическая кривая

Ферментация начинается, как только 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, на которой 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 другие микроорганизмы не загрязняют культуру, химический состав остается неизменным. Если все питательные вещества в среде потреблены или если концентрация токсинов слишком велика, клетки могут стать яркими.и начинают умирать. Общее количество биомассы может не уменьшиться, но количество жизнеспособных организмов уменьшится. [ необходима цитата ]

Среда для брожения [ править ]

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

Источниками углерода обычно являются сахара или другие углеводы, хотя в случае преобразования субстрата (например, производства 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 меласса , кукурузный экстракт , [8] сок сахарного тростника или сахарной свеклы сок используется , чтобы минимизировать затраты. Вместо этого более чувствительные ферментации могут использовать очищенную глюкозу , сахарозу , 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. [ необходима цитата ]

Постоянные источники азота необходимы большинству организмов для синтеза белков , нуклеиновых кислот и других клеточных компонентов. В зависимости от ферментативных возможностей организма азот может поставляться в виде основного белка, такого как соевый шрот; в виде предварительно расщепленных полипептидов, таких как пептон или триптон ; или в виде аммиачных или нитратных солей. Стоимость также является важным фактором при выборе источника азота. Фосфор необходим для производства фосфолипидов в клеточных мембранах и для производства нуклеиновых кислот.. 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. Дрожжевой экстракт является обычным источником питательных 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 могут быть добавлены при использовании источников очищенного углерода и азота. Ферментация, производящая большое количество газа (или требующая добавления газа), будет иметь тенденцию к образованию слоя пены, поскольку ферментационный бульон обычно содержит множество усиливающих пену белков, пептидов или крахмалов. Чтобы предотвратить образование или накопление этой пены, пеногасителимогут быть добавлены. Минеральные буферные соли, такие как карбонаты и фосфаты, можно использовать для стабилизации pH около оптимума. Когда ионы металлов присутствуют в высоких концентрациях, может потребоваться использование хелатирующего агента . [ необходима цитата ]

Разработка оптимальной среды для ферментации - ключевая концепция эффективной оптимизации. Один фактор за один раз (OFAT) - это предпочтительный выбор, который исследователи используют для разработки средней композиции. Этот метод предполагает 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 в себя 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 [ править ]

Иногда предполагаемым продуктом ферментации являются микробные клетки или биомасса . Примеры включают одноклеточный белок , пекарские дрожжи , лактобациллы , E. coli и другие. В случае одноклеточного белка водоросли выращивают в больших открытых прудах, которые позволяют происходить фотосинтезу. [11] Если биомасса будет использоваться для инокуляции других ферментаций, необходимо принять меры для предотвращения возникновения мутаций .

Производство внеклеточных метаболитов [ править ]

Метаболиты можно разделить на две группы: те, которые вырабатываются во время фазы роста организма, называемые первичными метаболитами, и те, которые вырабатываются 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 [ править ]

Первичные метаболиты - это соединения, вырабатываемые в ходе обычного метаболизма организма во время фазы роста. Типичный пример - этанол или молочная кислота, образующиеся при гликолизе . Лимонная кислота вырабатывается некоторыми штаммами Aspergillus niger как часть цикла лимонной кислоты, чтобы подкисить окружающую среду и не дать конкурентам захватить власть. Глутамат продуцируется некоторыми видами Micrococcus [12] и некоторыми Corynebacterium. 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 [ править ]

Вторичные метаболиты - это соединения, образующиеся в стационарной фазе; пенициллин, например, предотвращает рост бактерий, которые могут конкурировать с плесневыми грибами Penicillium за ресурсы. Некоторые бактерии, такие как виды Lactobacillus , способны продуцировать бактериоцины, которые также предотвращают рост бактериальных 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 могли бы стимулировать рост [9], и подобные первичные метаболиты высвобождаются в окружающую среду без разрыва клеточной мембраны.

На заре биотехнологической индустрии большинство биофармацевтических продуктов производилось на E. coli ; к 2004 году больше биофармацевтических препаратов производилось в эукариотических клетках, таких как клетки СНО , чем в микробах, но с использованием аналогичных систем биореакторов . [6] Системы культивирования клеток насекомых также начали использоваться в 2000-х годах. [13]

Производство внутриклеточных компонентов [ править ]

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, также производятся таким 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) необходимо отделить от всех других клеточных белков в очищаемом лизате.

Трансформация субстрата [ править ]

Трансформация субстрата включает преобразование одного соединения в другое, например, в случае фенилацетилкарбинола , и биотрансформацию стероидов или преобразование сырья в готовый продукт в случае пищевых ферментаций и очистки сточных вод.

Брожение пищи [ править ]

Основная статья: Ферментация (еда)

Древние процессы ферментации пищевых продуктов, такие как изготовление хлеба , вина , сыра , творога , идли , доса и т. Д., Могут быть датированы более чем семью тысячами лет назад . [15] Они были разработаны задолго до того, как человек узнал о существовании соответствующих микроорганизмов . Некоторые продукты, такие как мармит, являются побочным продуктом процесса ферментации, в данном случае при производстве пива .

Топливо этанол [ править ]

Основная статья: этанол топливо

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

Очистка сточных вод [ править ]

Основная статья: Удаление сточных вод

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 патогенов 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, можно использовать в качестве биогаза для топлива электрических генераторов. 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.

Сельскохозяйственные корма [ править ]

Широкий спектр отходов агропромышленного комплекса может быть ферментирован для использования в пищу животным, особенно жвачным. Грибы использовались для разложения целлюлозных отходов с целью увеличения содержания белка и улучшения усвояемости in vitro . [16]

См. Также [ править ]

  • Хемостат
  • Съедобная вакцина против водорослей
  • Fed-партия
  • Пищевая микробиология
  • Промышленные ферменты

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Юсуф C (1999). Робинзон Р.К. (ред.). Энциклопедия пищевой микробиологии (PDF) . Лондон: Academic Press. С. 663–674. ISBN 978-0-12-227070-3.
  2. ^ a b «Брожение» . Rpi.edu. Архивировано из оригинала на 2015-06-15 . Проверено 2 июня 2015 .
  3. Перейти ↑ Rao DG (2010). Введение в биохимическую инженерию - Дубаши Говардхана Рао . ISBN 9780070151383. Проверено 2 июня 2015 .
  4. ^ Stanbury PF, Whiitaker A, зал SJ (1999). Принципы технологии ферментации (второе изд.). Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 978-0750645010.
  5. ^ "Ферментация (Промышленная)" (PDF) . Massey.ac.nz . Проверено 2 июня 2015 .
  6. ^ a b c Wurm FM (ноябрь 2004 г.). «Производство рекомбинантных белковых терапевтических средств в культивируемых клетках млекопитающих». Природа Биотехнологии . 22 (11): 1393–8. DOI : 10.1038 / nbt1026 . PMID 15529164 . 
  7. ^ а б «Бактериальный рост» . Баканова . Архивировано из оригинального 29 октября 2013 года.
  8. ^ Liggett RW, Коффлер H (декабрь 1948). «Кукурузный настой в микробиологии» . Бактериологические обзоры . 12 (4): 297–311. DOI : 10.1128 / MMBR.12.4.297-311.1948 . PMC 180696 . PMID 16350125 .  
  9. ^ а б в г 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. ^ Синг В, С Хак, Нивас R, Шривастава А, Pasupuleti М, Трипатхи CK (2017-01-06). «Стратегии оптимизации ферментационной среды: углубленный обзор» . Границы микробиологии . 7 : 2087. DOI : 10,3389 / fmicb.2016.02087 . PMC 5216682 . PMID 28111566 .  
  11. ^ «Сбор водорослей - Промышленное брожение - Сепараторы» . Alfalaval.com. Архивировано из оригинала на 2015-06-02 . Проверено 2 июня 2015 .
  12. ^ Киношиты S, Udaka S, M Shimono (декабрь 2004). «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. DOI : 10.1016 / j.biotechadv.2011.09.014 . PMID 21983546 . 
  14. ^ De Lourdes M, Polizeli TM, Rai M (2013). Грибковые ферменты . CRC Press. ISBN 978-1-466-59454-8.
  15. Перейти ↑ Humphrey AE, Lee SE (1992). Промышленное брожение: принципы, процессы и продукты . Справочник Ригеля по промышленной химии . С. 916–986. DOI : 10.1007 / 978-94-011-7691-0_24 . ISBN 978-94-011-7693-4.
  16. ^ Albores S, Pianzzola MJ, Soubes M, Cerdeiras MP (2006). «Биоразложение агропромышленных отходов с помощью Pleurotus spp для использования в качестве корма для жвачных животных» . Электронный журнал биотехнологии . 9 (3). DOI : 10,2225 / vol9-issue3-полнотекстового-2 . Проверено 2 июня 2015 .

Библиография [ править ]

  • Основы биохимической инженерии , JE Bailey и PF Ollis, McGraw Hill Publication
  • Принципы технологии ферментации , Стэнсбери, П. Ф., А. Уитакер и С. Дж. Холл, 1997 г.
  • Пенициллин: парадигма биотехнологии , Ричард I Мателес, ISBN 1-891545-01-9 

Внешние ссылки [ править ]

  • Пищевая биотехнология
  • Биотехнологии и биоинженерия
  • Журнал технологии ферментации