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 с использованием генетически модифицированных микробов . В некоторых случаях целью является производство самой биомассы , как в случае с одноклеточными белками , пекарскими дрожжами и стартовыми культурами молочнокислых бактерий, используемых в сыроделии .
В целом брожения можно разделить на четыре типа: [2]
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 уровня кислорода для аэробной ферментации . [4] Для извлечения продукта часто требуется концентрирование разбавленного раствора .
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]
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 является 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 цитата ]
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 цитата ]
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, для минимизации затрат используются недорогие источники углеводов, такие как патока , кукурузный экстракт , [8] сок сахарного тростника или сок сахарной свеклы. 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 цитата ]
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 производят 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 образовывать слой пены, поскольку ферментационный бульон обычно содержит различные белки, пептиды или крахмалы, усиливающие пену. Чтобы предотвратить появление или накопление этой пены, можно добавить пеногасители . Минеральные буферные соли, такие как карбонаты и фосфаты, можно использовать для стабилизации pH вблизи оптимального. Когда ионы металлов присутствуют в высоких концентрациях, может потребоваться использование хелатирующего агента . [ нужна цитата ]
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]
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 возникновения мутаций .
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 — 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 — 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 производятся в присутствии глюкозы или других источников углерода, которые стимулируют рост, [9] и, как и первичные метаболиты, 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]
Среди внутриклеточных компонентов наибольший интерес представляют микробные ферменты : каталаза , амилаза , протеаза , пектиназа , целлюлаза , гемицеллюлаза , липаза , лактаза , стрептокиназа и многие другие. [14] Таким же способом производятся и рекомбинантные белки , такие как инсулин , вакцина против гепатита В , интерферон , гранулоцитарный колониестимулирующий фактор , стрептокиназа и другие. [6] Самая большая разница между этим процессом и другими заключается в том, что клетки должны быть разорваны (лизированы) в конце ферментации, а окружающая среда должна быть изменена, чтобы максимизировать количество продукта. Более того, продукт (обычно белок) необходимо отделить от всех других клеточных белков в очищаемом лизате .
Трансформация субстрата включает в себя трансформацию одного соединения в другое, например, в случае фенилацетилкарбинола и биотрансформацию стероидов , или преобразование сырья в готовый продукт в случае пищевой ферментации и очистки сточных вод.
В истории еды древние ферментированные пищевые процессы, такие как приготовление 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 человечество узнало о существовании задействованных микроорганизмов . Некоторые продукты, такие как мармит , являются побочным продуктом процесса ферментации, в данном случае при производстве пива .
Ферментация является основным источником этанола при производстве этанолового топлива . Обычные культуры, такие как сахарный тростник , картофель , маниока и кукуруза , ферментируются дрожжами для производства этанола, который далее перерабатывается в топливо.
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.
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]
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] Прецизионная ферментация генетически модифицированных микроорганизмов может использоваться для производства белков, необходимых для сред для культивирования клеток, [18] обеспечивая бессывороточные среды для культивирования клеток в процессе производства культивируемого 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]
{{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )