Введение

Биохимический процесс, применяемый в промышленном производстве. Промышленная ферментация – это намеренное использование ферментации в производственных процессах. Помимо массового производства ферментированных продуктов питания и напитков, промышленная ферментация имеет широкое применение в химической промышленности. Товары химической промышленности, такие как уксусная кислота, лимонная кислота и этанол, производятся путем ферментации. Более того, почти все промышленные ферменты, производимые в коммерческих масштабах, такие как липаза, инвертаза и реннин, производятся ферментацией с использованием генетически модифицированных микроорганизмов. В некоторых случаях целью является производство самой биомассы, как это происходит при производстве одноклеточных белков, пекарских дрожжей и заквасок для молочнокислых бактерий, используемых в сыроделии. В целом, ферментации можно разделить на четыре типа: производство биомассы (жизнеспособного клеточного материала), производство внеклеточных метаболитов (химических соединений), производство внутриклеточных компонентов (ферментов и других белков) и преобразование субстрата (в котором преобразованный субстрат сам является продуктом). Эти типы не обязательно исключают друг друга, но предоставляют основу для понимания различий в подходах. Обычно используются микроорганизмы, особенно бактерии, водоросли и грибы, такие как дрожжи и плесени, но промышленная ферментация может также включать клеточные культуры растений и животных, например, клетки CHO и клетки насекомых. Для конкретных организмов, используемых в ферментации, требуются специальные условия, 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 и уровня кислорода для аэробной ферментации. Выделение продукта часто включает концентрирование разбавленного раствора.

Общий обзор процесса

В большинстве промышленных ферментаций организмы или эукариотические клетки погружены в жидкую среду; в других, таких как ферментация какао-бобов, кофейных ягод и мисо, ферментация происходит на влажной поверхности среды. Существуют также промышленные аспекты, связанные с процессом ферментации. Например, для предотвращения биологического загрязнения ферментационная среда, воздух и оборудование стерилизуются. Контроль пенообразования может быть достигнут либо механическим разрушением пены, либо с помощью химических пеногасителей. Необходимо измерять и контролировать ряд других факторов, таких как давление, температура, мощность вала мешалки и вязкость. Важным элементом для промышленных ферментаций является масштабирование. Это преобразование лабораторной процедуры в промышленный процесс. В области промышленной микробиологии хорошо известно, что то, что хорошо работает в лабораторном масштабе, может плохо работать или вообще не работать при первой попытке в крупном масштабе. Обычно невозможно взять условия ферментации, которые успешно применялись в лаборатории, и напрямую переносить их на промышленное оборудование. Хотя многие параметры были протестированы в качестве критериев масштабирования, не существует универсальной формулы из-за разнообразия процессов ферментации. Наиболее важными методами являются поддержание постоянного энергопотребления на единицу объема среды и поддержание постоянной объемной скорости перемешивания. После лаг-фазы скорость роста организма стабильно увеличивается в течение определенного периода – эта фаза называется логарифмической или экспоненциальной. Для минимизации затрат используют сок сахарного тростника или сок сахарной свеклы. В более чувствительных ферментациях вместо этого могут использоваться очищенная глюкоза, сахароза, глицерин или другие сахара, что снижает вариативность и способствует обеспечению чистоты конечного продукта. Организмы, предназначенные для производства ферментов, таких как бета-галактозидаза, инвертаза или другие амилазы, могут быть подкормлены крахмалом для отбора организмов, экспрессирующих ферменты в больших количествах. Для синтеза белков, нуклеиновых кислот и других клеточных компонентов большинству организмов необходимы источники фиксированного азота. В зависимости от ферментативных возможностей организма азот может быть предоставлен в виде общего белка, такого как соевая мука; в виде предварительно гидролизованных полипептидов, таких как пептон или триптон; или в виде солей аммония или нитратов. 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 среды и потребностей организма, а также от цели ферментации. Например, некоторые культуры не будут производить вторичные метаболиты в присутствии фосфата. Факторы роста и микроэлементы добавляются в ферментационную среду для организмов, не способных синтезировать все необходимые им витамины. Экстракт дрожжей 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 потребоваться добавки при использовании очищенных источников углерода и азота. Ферментации, производящие большое количество газа (или требующие добавления газа), склонны к образованию пены, поскольку ферментационная среда обычно содержит различные белки, пептиды или крахмалы, усиливающие пенообразование. Для предотвращения образования или накопления пены могут быть добавлены пеногасители. Минеральные буферные соли, такие как карбонаты и фосфаты, могут использоваться для стабилизации pH вблизи оптимального значения. При наличии ионов металлов в высоких концентрациях может потребоваться использование хелатирующего агента. Разработка оптимальной среды для ферментации является ключевым понятием для эффективной оптимизации. Метод "один фактор за раз" (OFAT) является предпочтительным выбором для исследователей при разработке состава среды. Этот метод предполагает изменение только одного фактора за один раз, сохраняя при этом остальные концентрации постоянными. Этот метод можно разделить на несколько подгрупп. Одна из них – эксперименты по исключению. В этом эксперименте все компоненты среды удаляются по одному, и наблюдается их влияние на среду. Эксперименты по добавлению включают оценку влияния добавок азота и углерода на продукцию. Последний эксперимент – это эксперимент по замене. Он включает замену источников азота и углерода, которые оказывают положительное влияние на целевую продукцию. В целом, OFAT имеет значительное преимущество перед другими методами оптимизации благодаря своей простоте.

Производство биомассы

Микробные клетки или биомасса иногда являются целевым продуктом ферментации. Примеры включают одноклеточный белок, пекарские дрожжи, лактобактерии, кишечную палочку и другие. В случае одноклеточного белка, водоросли выращиваются в больших открытых водоемах, где происходит фотосинтез. Если биомасса предназначена для инокуляции других ферментаций, необходимо принять меры для предотвращения возникновения мутаций.

Производство внеклеточных метаболитов

Метаболиты можно разделить на две группы: те, что образуются в фазе роста организма, называемые первичными метаболитами, и те, что образуются в стационарной фазе, называемые вторичными метаболитами. Примерами первичных метаболитов являются этанол, лимонная кислота, глутаминовая кислота, лизин, витамины и полисахариды. Примерами вторичных метаболитов служат пенициллин, циклоспорин А, гиббереллин и ловастатин. Некоторые виды Corynebacterium производят лизин, треонин, триптофан и другие аминокислоты. Все эти соединения образуются в процессе нормальной жизнедеятельности клетки и выделяются в окружающую среду, поэтому для извлечения продукта нет необходимости разрушать клетки.

Вторичные метаболиты

Вторичные метаболиты – это соединения, образующиеся на стационарной фазе роста; пенициллин, например, подавляет рост бактерий, которые могли бы конкурировать с плесневыми грибами Penicillium за ресурсы. Некоторые бактерии, такие как виды Lactobacillus, способны производить бактериоцины, которые также препятствуют росту бактериальных конкурентов. Эти соединения представляют очевидную ценность для человека, стремящегося предотвратить рост бактерий, будь то в качестве антибиотиков или антисептиков (например, грамицидин S). Фунгициды, такие как гризеофулвин, также являются вторичными метаболитами.

Производство внутриклеточных компонентов

Среди внутриклеточных компонентов особый интерес представляют микробные ферменты: каталаза, амилаза, протеаза, пектиназа, целлюлаза, гемицеллюлаза, липаза, лактаза, стрептокиназа и многие другие. Рекомбинантные белки, такие как инсулин, вакцина против гепатита В, интерферон, фактор, стимулирующий колонии гранулоцитов, стрептокиназа и другие, также производятся таким образом. Они были разработаны задолго до того, как человечество узнало о существовании участвующих в этом микроорганизмов. Некоторые продукты питания, например, Marmite, являются побочным продуктом процесса ферментации, в данном случае – производства пива.

Топливо для этанола

Ферментация является основным источником этанола в производстве топливного этанола. Распространенные сельскохозяйственные культуры, такие как сахарный тростник, картофель, маниока и кукуруза, подвергаются брожению с помощью дрожжей для получения этанола, который затем перерабатывается в топливо.

Очистка сточных вод

В процессе очистки сточных вод происходит их разложение под действием ферментов, выделяемых бактериями. Твердые органические вещества расщепляются на безвредные растворимые соединения и углекислый газ. Образующиеся жидкости дезинфицируются для удаления патогенов перед сбросом в реки или море, либо могут использоваться как жидкие удобрения. Переработанные твердые вещества, также известные как осадок, высушиваются и применяются в качестве удобрения. Газообразные побочные продукты, такие как метан, могут использоваться в качестве биогаза для выработки электроэнергии. Одним из преимуществ бактериального разложения является уменьшение объема и запаха сточных вод, что снижает потребность в площади для их утилизации. Главный недостаток бактериального разложения при очистке сточных вод – это его длительность.

Кормовые продукты для сельского хозяйства

Широкий спектр агропромышленных отходов может подвергаться ферментации для использования в качестве корма для животных, особенно жвачных. Грибы применяются для разложения целлюлозосодержащих отходов с целью повышения содержания белка и улучшения усвояемости in vitro.

Точная ферментация

Точное брожение – это подход к производству конкретных функциональных продуктов, направленный на минимизацию образования нежелательных побочных продуктов посредством применения синтетической биологии, в частности, путем создания синтетических «клеточных фабрик» с разработанными геномами и оптимизированными метаболическими путями для максимально эффективного производства целевых соединений с использованием доступных ресурсов. Точное брожение генетически модифицированных микроорганизмов может использоваться для производства белков, необходимых для сред для культивирования клеток, что позволяет получать среды, не содержащие сыворотки, в процессе производства культивируемого мяса. Публикация 2021 года показала, что производство микробного белка с использованием фотоэлектрических установок может потребовать в 10 раз меньше земли для получения эквивалентного количества белка по сравнению с выращиванием сои.