科普 | 工业发酵的概念与过程

  • 作者:宣传部
  • 时间:2021-04-01
  • 所属类型:公司新闻

(一)工业发酵的概念

        工业发酵是指细菌和真菌等微生物以及真核细胞(CHO细胞和昆虫细胞)有意利用发酵来制造对人类有用的产品。发酵产品在食品和一般工业中都有应用。一些日用化学品,如醋酸、柠檬酸和乙醇是通过发酵生产的。发酵的速率取决于微生物、细胞、细胞成分和酶的浓度以及温度、pH和需氧发酵的氧。几乎所有商业生产的酶,如脂肪酶、转化酶和凝乳酶,都是用转基因微生物发酵制成的。在某些情况下,生物量产生本身就是目的,如用于奶酪制造的面包酵母和乳酸菌发酵剂。

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一般来说,发酵可以分为四种类型:

生物量的产生(可存活的细胞物质);

细胞外代谢物的产生(化合物);

细胞内成分的产生(酶和其他蛋白质);

基质的转化(转化的基质本身就是产物)。

这些类型不一定相互独立,但提供了一个框架来理解方法中的差异。所用的生物体可能是细菌、酵母、霉菌、藻类、动物细胞或植物细胞,还需要特别考虑在发酵中使用的特定生物体,如溶解氧水平、营养水平和温度。

(二)工业发酵过程概述

        在大多数工业发酵过程中,生物体或真核细胞都浸泡在液体培养基中;在其他的发酵过程中,比如可可豆、咖啡樱桃和味噌的发酵,发酵产生在湿润的培养基表面。还有一些与发酵过程有关的工业方面的考虑。例如,为了避免生物工艺污染,发酵介质、空气和设备都要消毒。泡沫控制可以通过机械消泡剂或化学消泡剂来实现。其他一些因素必须测量和控制,如压力、温度、搅拌轴功率和粘度。

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        工业发酵的一个重要因素是规模扩大。这是实验室程序到工业过程的转变。在工业微生物学领域,当第一次大规模尝试时,在实验室规模上行之有效的方法可能在工业过程中效果不佳或根本行不通。一般情况下,不能把在实验室已经有效的发酵条件盲目地应用到工业规模的设备上。虽然许多参数已被测试使用作为放大标准,但没有通用公式,因为在发酵过程的变化。最重要的方法是保持单位肉汤的恒定功率消耗和保持恒定的容积传输率。

        用于发酵的微生物或真核细胞生长在特殊设计的生长培养基中,它能提供生物体或细胞所需的营养,这种生长培养基就是发酵培养基。它存在着各种各样的介质,但无一例外都含有碳源、氮源、水、盐和微量元素。

        碳源通常是糖或其他碳水化合物,尽管在底物转化的情况下(如醋的生产),碳源可能是酒精或其他东西。对于大规模的发酵,如那些用于生产乙醇的,廉价的碳水化合物来源,如糖蜜,玉米浆,甘蔗汁,或甜菜汁会被经常使用以减少成本。更敏感的发酵可以使用纯化的葡萄糖、蔗糖、甘油或其他糖类,这样可以减少变异,有助于确保最终产品的纯度。本应产生酶如半乳糖苷酶、转化酶或其他淀粉酶的生物体,可以喂淀粉以选择大量表达酶的生物体。

        对于大多数生物来说,固定的氮源是合成蛋白质、核酸和其他细胞成分所必需的。取决于生物体的酶能力,氮可以以大量蛋白质的形式提供,如豆粕;如预消化的多肽,如蛋白胨或胰蛋白酶;或者作为氨或硝酸盐。成本也是氮源选择的一个重要因素。

        磷是细胞膜磷脂生产和核酸生产所必需的。必须添加的磷酸盐的数量取决于肉汤的组成和生物的需要,以及发酵的目的。例如,有些培养物在磷酸盐存在时不会产生次生代谢物。

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        生长因子和微量营养素,在发酵液的生物体不能产生他们所需要的所有维生素,所以需要额外提供。酵母提取物是发酵培养基中微量营养素和维生素的常见来源。无机营养素,包括铁、锌、铜、锰、钼和钴等微量元素,通常存在于未精制的碳和氮源中,但在使用纯化的碳和氮源时,可能需要添加。

        由于发酵液通常含有多种增强泡沫的蛋白质、多肽或淀粉,所以产生大量气体(或需要添加气体)的发酵过程往往会形成一层泡沫。为了防止这种泡沫的发生或积累,可以添加消泡剂。矿物缓冲盐,如碳酸盐和磷酸盐,可用来稳定pH值接近最佳。当金属离子浓度很高时,可能需要使用螯合剂。

        许多工业发酵使用复杂的有机氮源,这些氮源是农业和食品加工工业的副产品,如:玉米浆、干蒸馏液、酵母、鱼或骨粉、玉米胚芽或面筋粉、蛋白、蛋白胨、水解物和酪蛋白等等。这些氮源提供许多其他营养物质,而且通常价格合理。使用这些材料后,工业发酵通常会更快更有效,因为它们减少了化合物的数量。

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