Introducción al proceso de ingeniería de fermentación y tecnología clave

Características del proceso de fermentación

La mayor diferencia entre la fermentación y otras industrias químicas es que es una reacción química llevada a cabo por organismos vivos. Sus características principales son unS sigue:

i. En términos generales, el proceso de fermentación es una reacción bioquímica bajo temperatura y presión normales, lo cual es seguro y requiere condiciones relativamente simples.

II. los Materias primas utilizadas en la fermentación generalmente son almidón, melaza u otros productos agrícolas y de línea lateral, y la reacción se puede llevar a cabo siempre que se agregue una pequeña cantidad de fuentes de nitrógeno orgánicos e inorgánicos. Dependiendo del tipo de organismo, puede usar selectivamente los nutrientes que necesita. Según esta característica, las aguas residuales y los desechos se pueden usar como materias primas para la fermentación para transformar los recursos biológicos.

iii. El proceso de fermentación se completa mediante la regulación automática del organismo, y la reacción tiene una fuerte especificidad, por lo que se pueden obtener metabolitos relativamente individuales.

iv. Debido al mecanismo de reacción del organismo en sí, puede llevar a cabo reacciones de transformación química, como la oxidación y la reducción de partes específicas de algunos compuestos complejos de una manera especializada y altamente selectiva, y también puede producir compuestos de polímeros relativamente complejos.

v. Es muy importante prevenir y controlar la contaminación bacteriana en el proceso de fermentación. Además de la estricta desinfección del equipo y la filtración de aire, la reacción debe llevarse a cabo en condiciones estériles. Si las bacterias están contaminadas, la producción sufrirá enormes pérdidas económicas. Si se infecta con bacteriófago, la fermentación causará más daño, por lo que el mantenimiento de condiciones estériles es la clave para el éxito de la fermentación.

VI. Las cepas microbianas son los factores fundamentales para la fermentación. A través de la mutación y el cribado de tensión, se pueden obtener cepas de alto rendimiento y se pueden utilizar el equipo de producción, de modo que los productos difíciles de producir mediante métodos convencionales se puedan obtener.

vii. En comparación con otras industrias, la fermentación industrial tiene menos inversión, efecto rápido y puede lograr beneficios económicos significativos.

Según las características anteriores, la fermentación industrial ha atraído más y más atención. En comparación con la tecnología de fermentación tradicional, la ingeniería de fermentación moderna tiene más ventajas además de las características anteriores. Como además del uso de células microbianas, también puede usar células y enzimas animales y vegetales, también puede usar la construcción artificial de "bacterias de ingeniería" para reaccionar; El equipo de reacción no es solo el fermentador convencional, sino una variedad de biorreactores, automatización, alto grado de continuidad, de modo que el nivel de fermentación en la base original para mejorar e innovación.

Tipos de fermentación

Dependiendo de las características de la fermentación y los requisitos de oxígeno de los microorganismos, la fermentación se puede dividir en varios tipos:

i. Según los materiales de fermentación, se puede dividir en fermentación de sacáridos, fermentación de petróleo, fermentación de aguas residuales y otros tipos.

II. Según los productos de fermentación, se puede dividir en fermentación de aminoácidos, fermentación de ácido orgánico, fermentación antibiótica, fermentación de alcohol, fermentación de vitaminas, etc.

iii. Según la forma de fermentación, se divide en fermentación sólida, fermentación semisólida y fermentación líquida.

iv. Según el proceso de fermentación, se puede dividir en fermentación por lotes, fermentación continua y fermentación de flujo.

v. Según las diferentes necesidades de oxígeno en el proceso de fermentación, se puede dividir en fermentación anaeróbica y fermentación de ventilación.

VI. Según los metabolitos, se divide en fermentación primaria de metabolitos (fermentación de alcohol, fermentación de aminoácidos, fermentación de ácido orgánico, etc.) y fermentación de metabolitos secundario (fermentación antibiótica, fermentación de pigmento, etc.).

Proceso de fermentación

Para cualquier tipo de fermentación (con la excepción de algunos procesos de conversión), un proceso de fermentación definido consta de 6 componentes:

i). La especie y el medio de semilla determinado y el medio de fermentación;

ii). Esterilización de equipos medianos, fermentadores y auxiliares;

iii). Producción de cultivo de semillas puro a gran escala, activa y pura;

iv). Producción en masa de productos en condiciones de crecimiento óptimas de microorganismos en fermentadores;

v). extracción de productos y purificación;

vi). Tratamiento del líquido de desechos de fermentación.

Por lo tanto, es necesario realizar investigaciones continuas para mejorar gradualmente la autoeficiencia de todo el proceso de fermentación. Antes de establecer el proceso de fermentación, la cepa debe aislarse y modificarse para sintetizar el producto objetivo para que el producto producido cumpla con los requisitos industriales y el rendimiento debe ser económicamente valioso. Luego determine los requisitos de los microorganismos en la cultura y cree el equipo correspondiente. Al mismo tiempo, se debe determinar el método de separación y extracción del producto. Además, el plan de investigación general también debe incluir la optimización continua de especies microbianas, medios y métodos de extracción durante y después de la fermentación.

Tecnologías clave de ingeniería de fermentación

i. Selección de tensión y tecnología de reproducción

La selección de deformación se basa en los requisitos de producción y la teoría de la variación genética microbiana. Los métodos artificiales se utilizan para mutar cepas, y luego se utilizan varios métodos de detección para seleccionar las cepas objetivo que cumplan con los requisitos. El propósito de la reproducción de la tensión es mejorar las características básicas de la tensión, aumentar el rendimiento, mejorar la calidad, reducir el costo, reformar la tecnología, la gestión conveniente y la utilización integral. Los métodos básicos de reproducción bacteriana incluyen la cría natural, la cría de resistencia al fago, la cría de mutagénesis, la cría de ingeniería metabólica, la cría dirigida por genes, la reorganización del genoma y una serie de métodos.

En la etapa temprana de la ingeniería de fermentación y la etapa moderna de la ingeniería de fermentación, los microorganismos salvajes se utilizaron como el principal cuerpo de fermentación. En la etapa moderna de fermentación, los excelentes métodos de reproducción siguen siendo un vínculo importante en el proyecto aguas arriba de ingeniería de fermentación. En primer lugar, utilizando un nuevo mecanismo de detección e indicadores de identificación de detección, continuamos obteniendo excelentes cepas de la naturaleza. El segundo es utilizar la ingeniería genética, la tecnología de ingeniería celular, combinada con medios de biología molecular, y adoptar los principios de la ingeniería metabólica, la regulación metabólica, los ómicos, la biología de sistemas, etc., para reconstruir las bacterias genéticamente diseñadas requeridas o la modificación genética de la existencia de la existencia existente. cepas de arranque, para obtener excelentes cepas capaces de producir los productos de fermentación requeridos.

II. Tecnología de cultivo puro

La industria de la fermentación generalmente utiliza cepas microbianas específicas para la cultura pura, a fin de lograr el propósito de producir los productos deseados. Por lo tanto, el proceso de fermentación debe llevarse a cabo bajo la condición de no contaminación por bacterias misceláneas. La cultura estéril de los microorganismos está directamente relacionado con el éxito o el fracaso del proceso de producción. Si el problema de la esterilidad no se resuelve bien, conducirá a la reducción de la cantidad y calidad de los productos requeridos y la dificultad del postprocesamiento. Heavy hará que todo el medio cultural metamórfico, lo que resulta en toneladas de chatarra de medios, lo que resulta en serias pérdidas económicas, lo que es más prominente para el proceso de producción a gran escala. Para garantizar el progreso normal del proceso de cultivo y prevenir la aparición de bacterias, el cultivo de la mayoría de los microorganismos, incluida la operación de laboratorio y la producción industrial, debe llevar a cabo una esterilización estricta. La esterilización del proceso de fermentación implica medio, equipo de fermentación y ventilación del proceso de fermentación.

iii. Tecnología de optimización del proceso de fermentación

La optimización del proceso de fermentación, incluida la optimización de células microbianas a nivel macro de la bioquímica microbiana, y las células de la regulación fisiológica, el entorno, las características del reactor, las condiciones de funcionamiento del proceso y las interacciones complejas de control del reactor entre lo simplificado lo más lejos posible, y la relación entre estas condiciones y Optimizado, haga lo más adecuado para un método de optimización del sistema de proceso de fermentación particular. Esta optimización implica principalmente cuatro aspectos del contenido de investigación, el primero es el estudio del proceso de crecimiento celular; El segundo es la estequiometría de las reacciones microbianas; El tercero es la cinética de reacción biológica; El cuarto es la ingeniería de biorreactor.

iv. Tecnología de amplificación del proceso de fermentación

Para lograr el propósito de la popularización y la transición de los resultados de laboratorio a la escala industrial, generalmente es necesario pasar por la investigación de optimización de procesos de escala piloto. Para superar las dificultades, especialmente para algunos productos de fermentación a gran escala, se adopta el método de amplificación paso a paso. Los métodos de amplificación del proceso de fermentación incluyen: amplificación de similitud geométrica del fermentador, amplificación de similitud de capacidad de suministro de oxígeno, amplificación de similitud de metabolismo de bacterias, amplificación de similitud de similitud de condición de cultivo, simulación del modelo matemático y amplificación de predicción.

v. Tecnología de separación y purificación de la ingeniería de fermentación

La separación aguas abajo y la purificación de los productos de fermentación se refieren al proceso de extracción, concentración, purificación y finalización de productos objetivo de fermentación. La importancia de la separación y la purificación de los productos de fermentación se refleja principalmente en la particularidad, la complejidad y los requisitos estrictos de los productos biológicos, lo que conduce a la gran proporción del costo de separación y purificación de todo el costo de producción de los productos de fermentación. El costo del proceso de separación y purificación posterior de la ingeniería de fermentación generalmente representa el 50%~ 70%del costo de producción, y algunos incluso tan alto como 90%, lo que a menudo se convierte en el factor de restricción para la implementación del proceso bioquímico en lugar del proceso químico producción. Por lo tanto, solo mediante el diseño de extracción razonable y un proceso de refinación para mejorar la calidad del producto y reducir el costo de producción se puede realizar la producción comercial de productos fermentados a gran escala.

VI. Monitoreo automático y tecnología de control del proceso de fermentación

En cierto sentido, el éxito o el fracaso del proceso de fermentación depende completamente de mantener un entorno controlado y productivo. La forma más efectiva de lograr esto es a través de la medición directa de varios cambios de parámetros y la regulación de los procesos biológicos. La aplicación de matemáticas, principios químicos, tecnología informática electrónica y dispositivos de control automático al proceso de fermentación, la medición de los parámetros de biotecnología, el modelado y el control del proceso biológico, puede llevar a cabo un control eficiente y la gestión del proceso de fermentación industrial y mejorar la eficiencia de la producción.