Промышленная ферментация — это преднамеренное использование ферментации в производственных процессах. Помимо массового производства ферментированных продуктов питания 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 промышленные ферменты , производимые в коммерческих целях, такие как липаза , инвертаза и сычужный фермент , производятся путем ферментации с генетически модифицированными микробами . В некоторых случаях целью является производство самой биомассы , как в случае с одноклеточными белками , пекарскими дрожжами и заквасками для молочнокислых бактерий, используемых в сыроделии .
В целом ферментацию 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 , в частности бактерии , водоросли и грибы , такие как дрожжи и плесень , но промышленная ферментация может также включать клеточные культуры растений и животных, такие как клетки CHO и клетки насекомых . Особые соображения требуются для конкретных организмов, используемых в ферментации, таких как уровень растворенного кислорода , уровни питательных веществ и температура . Скорость ферментации зависит от концентрации микроорганизмов, клеток, клеточных компонентов и ферментов, а также температуры, pH [3] и уровня кислорода для аэробной ферментации . [4] Извлечение продукта часто включает концентрацию разбавленного раствора .
В большинстве промышленных ферментаций организмы или эукариотические клетки погружаются в жидкую среду; в других, таких как ферментация какао-бобов , кофейных ягод и мисо , ферментация происходит на влажной поверхности среды. [5] [6]
Существуют также промышленные соображения, связанные с процессом ферментации. Например, чтобы избежать биологического загрязнения процесса, среда ферментации, воздух и оборудование стерилизуются. Контроль пены может быть достигнут либо путем механического разрушения пены, либо химическими антивспенивателями . Необходимо измерять и контролировать несколько других факторов, таких как давление , температура , мощность вала мешалки и вязкость . Важным элементом для 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, которые работали в лаборатории, и слепо применить их к оборудованию промышленного масштаба . Хотя многие параметры были проверены для использования в качестве критериев масштабирования, общей формулы не существует из-за различий в процессах ферментации. Наиболее важными методами являются поддержание постоянного потребления энергии на единицу бульона и поддержание постоянной объемной скорости переноса. [3]
Ферментация начинается после того, как питательная среда инокулируется интересующим организмом. Рост инокулята не происходит немедленно. 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, в которой сдерживается 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 накопленные в культуре химические вещества химически разрушают клетки в процессе, называемом хемолизом . Если другие микроорганизмы не загрязняют культуру, химический состав остается неизменным. Если все питательные вещества в среде израсходованы или если концентрация токсинов слишком велика, клетки могут стать стареющими и начать отмирать. Общее количество биомассы может не уменьшиться, но количество жизнеспособных организмов уменьшится. [ необходима цитата ]
Микробы или эукариотические клетки, используемые для ферментации, растут в (или на) специально разработанной питательной среде , которая поставляет питательные вещества, необходимые организмам или клеткам. Существует множество сред, но они неизменно содержат источник углерода, источник азота, воду, соли и микроэлементы . В производстве вина средой является виноградное сусло. В 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 трансформаций 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 патока , кукурузный экстракт , [8] сок сахарного тростника или сок сахарной свеклы используются для минимизации затрат. Более чувствительные ферментации могут вместо этого использовать очищенную глюкозу , сахарозу , глицерин или другие сахара, что снижает вариации и помогает обеспечить чистоту конечного продукта. Организмы, предназначенные для производства ферментов, таких как бета-галактозидаза , инвертаза или другие амилазы, могут питаться крахмалом для отбора организмов, которые экспрессируют ферменты в больших количествах. [ необходима цитата ]
Источники фиксированного азота необходимы большинству организмов для синтеза белков , нуклеиновых кислот и других клеточных компонентов. В зависимости от ферментативных возможностей организма азот может быть предоставлен в виде основного белка, такого как соевая мука; в виде предварительно переваренных 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 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 могут быть добавлены при использовании очищенных источников 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 различные белки, пептиды или крахмалы, усиливающие пену. Чтобы предотвратить возникновение или накопление этой пены, можно добавлять антивспенивающие агенты . Минеральные буферные соли, такие как карбонаты и фосфаты, могут использоваться для стабилизации pH вблизи оптимального. Когда ионы металлов присутствуют в высоких концентрациях, может потребоваться использование хелатирующего агента . [ необходима цитата ]
Разработка оптимальной среды для ферментации является ключевой концепцией эффективной оптимизации. Метод «один фактор за раз» (OFAT) является предпочтительным выбором, который исследователи используют для проектирования состава среды. Этот метод подразумевает изменение только одного фактора за раз при сохранении других концентраций постоянными. Этот метод можно разделить на несколько подгрупп. Одна из них — эксперименты по удалению. В этом эксперименте все компоненты среды удаляются по одному за раз, и наблюдается их влияние на среду. Эксперименты по добавлению включают оценку влияния добавок азота и углерода на производство. Последний эксперимент — эксперимент по замене. Он включает замену источников азота и углерода, которые показывают эффект улучшения на предполагаемое 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. Примерами являются одноклеточный белок , пекарские дрожжи , лактобациллы , E. coli и другие. В случае одноклеточного белка водоросли выращивают в больших открытых прудах, которые позволяют фотосинтезу происходить. [11] Если биомасса будет использоваться для инокуляции других ферментаций, необходимо соблюдать осторожность, чтобы не допустить возникновения мутаций .
Метаболиты можно разделить на две группы: те, которые производятся во время фазы роста организма, называемые первичными метаболитами , и те, которые производятся во время стационарной фазы, называемые вторичными метаболитами . Некоторые примеры первичных метаболитов: этанол , лимонная кислота , глутаминовая кислота , лизин , витамины и полисахариды . Некоторые примеры вторичных метаболитов: пенициллин , циклоспорин А , гиббереллин и ловастатин . [9]
Первичные метаболиты — это соединения, которые производятся в ходе обычного метаболизма организма в фазе роста. Типичным примером является этанол или молочная кислота, которые производятся в ходе гликолиза . Лимонная кислота вырабатывается некоторыми штаммами Aspergillus niger как часть цикла лимонной кислоты для подкисления среды и предотвращения захвата конкурентами. Глутамат вырабатывается некоторыми видами Micrococcus [12] , а некоторые виды Corynebacterium производят лизин, треонин, триптофан и другие аминокислоты. Все эти соединения производятся в ходе обычной «работы» клетки и высвобождаются в окружающую среду. Поэтому нет необходимости разрушать клетки для извлечения продукта.
Вторичные метаболиты — это соединения, образующиеся в стационарной фазе; например, пенициллин предотвращает рост бактерий, которые могут конкурировать с плесенью Penicillium за ресурсы. Некоторые бактерии, такие как виды Lactobacillus , способны вырабатывать бактериоцины , которые также предотвращают рост бактериальных конкурентов. Эти соединения представляют очевидную ценность для людей, желающих предотвратить рост бактерий, либо как антибиотики , либо как антисептики (например, грамицидин S ). Фунгициды , такие как гризеофульвин , также производятся как вторичные метаболиты. [9] Обычно вторичные метаболиты не производятся в присутствии глюкозы или других источников углерода, которые могли бы стимулировать рост, [9] и, как и первичные метаболиты, высвобождаются в окружающую среду без разрыва клеточной мембраны.
На заре биотехнологической промышленности большинство биофармацевтических продуктов производилось в E. coli ; к 2004 году больше биофармацевтических препаратов производилось в эукариотических клетках, таких как клетки CHO , чем в микробах, но при этом использовались схожие системы биореакторов . [6] Системы культивирования клеток насекомых также начали использоваться в 2000-х годах. [13]
Основной интерес среди внутриклеточных компонентов 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] Самое большое отличие этого процесса от других заключается в том, что клетки должны быть разрушены (лизированы) в конце ферментации, а окружающая среда должна быть обработана для максимизации количества продукта. Кроме того, продукт (обычно белок) должен быть отделен от всех других клеточных белков в лизате, который должен быть очищен.
Трансформация субстрата включает в себя преобразование одного соединения в другое, как, например, в случае фенилацетилкарбинола , и биотрансформацию стероидов , или преобразование сырья в готовый продукт, в случае ферментации пищевых продуктов и очистки сточных вод.
В истории еды древние ферментированные пищевые процессы, такие как изготовление хлеба , вина , сыра , творога , идли , досы и т. д., могут быть датированы более чем семью тысячами лет назад . [15] Они были разработаны задолго до того, как человечество узнало о существовании вовлеченных микроорганизмов . Некоторые продукты, такие как мармит, являются побочным продуктом процесса ферментации, в данном случае при производстве пива .
Ферментация является основным источником [ требуется цитата ] этанола при производстве этанолового топлива . Распространенные культуры, такие как сахарный тростник , картофель , маниока и кукуруза , ферментируются дрожжами для получения этанола, который затем перерабатывается в топливо.
В процессе очистки сточных вод сточные воды перевариваются ферментами, выделяемыми бактериями. Твердые органические вещества расщепляются 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 вещества, также известные как шлам, высушиваются и используются в качестве удобрения. Газообразные побочные продукты, такие как метан, могут использоваться в качестве биогаза для питания электрогенераторов . Одним из преимуществ бактериального переваривания является то, что оно уменьшает объем и запах сточных вод, тем самым уменьшая пространство, необходимое для сброса. Основным недостатком бактериального переваривания при утилизации сточных вод является то, что это очень медленный процесс.
Широкий спектр агропромышленных отходов может быть ферментирован для использования в качестве корма для животных, особенно жвачных. Грибы использовались для расщепления целлюлозных отходов с целью увеличения содержания белка и улучшения усвояемости in vitro . [16]
Точная ферментация — это подход к производству определенных функциональных продуктов, который направлен на минимизацию производства нежелательных побочных продуктов посредством применения синтетической биологии , в частности, путем создания синтетических «фабрик клеток» с инженерными геномами и метаболическими путями, оптимизированными для максимально эффективного производства желаемых соединений с использованием имеющихся ресурсов. [17] Точная ферментация генетически модифицированных микроорганизмов может использоваться для производства белков, необходимых для сред для культивирования клеток, [18] обеспечивая получение сред для культивирования клеток без сыворотки в процессе производства культивируемого мяса . [19] В публикации 2021 года показано, что производство микробного белка с использованием фотоэлектрических элементов может использовать в 10 раз меньше земли для получения эквивалентного количества белка по сравнению с выращиванием сои. [20]
