El método de fermentación microbiana

Introducción a la fermentación microbiana

Microbial fermentation refers to the process of using microorganisms to convert raw materials into products required by humans through specific metabolic pathways under suitable conditions. The level of microbial fermentation production mainly depends on the genetic characteristics and cultivation conditions of the strains themselves.

El ámbito de aplicación de la ingeniería de fermentación abarca la industria farmacéutica, alimentaria, energética, química y agrícola: transformación genética de plantas, fijación biológica de nitrógeno, insecticidas y biopesticidas, nutrientes microbianos, protección ambiental y otros aspectos. Los métodos de fermentación microbiana generalmente incluyen la fermentación discontinua, la fermentación continua y la fermentación discontinua de pienso.

(1) Fermentación continua

Se refiere a agregar medio de cultivo fresco al fermentador a una velocidad determinada, mientras fluye el medio de cultivo a la misma velocidad, para mantener una cantidad constante de líquido en el fermentador y permitir que los microorganismos crezcan en un estado estable.

Puede llevarse a cabo de forma continua durante un largo periodo de tiempo, con una alta capacidad de producción. Sin embargo, los requisitos de control operativo son elevados, con una alta inversión, contaminación por diversas bacterias y variación de cepas microbianas. Los fermentadores se utilizan principalmente para la investigación cinética de la fermentación en laboratorio, y su aplicación en la fermentación industrial es poco común. Solo se utilizan para fermentaciones con propiedades de selección de cepas relativamente estables, como la fermentación alcohólica, etc.

(2) Fermentación por lotes

También conocido como cultivo discontinuo, es un método de fermentación que consiste en añadir células bacterianas a una cantidad determinada de medio de cultivo para su cultivo y, finalmente, cosechar las células bacterianas o sus metabolitos de una sola vez. En la fermentación discontinua, para mantener la concentración de nutrientes en el medio de cultivo en un ambiente adecuado para el crecimiento bacteriano y que favorezca la acumulación de productos metabólicos por volumen bacteriano, se puede utilizar una alimentación intermedia.

El método común en la industria de la fermentación es la fermentación discontinua profunda en un solo tanque. Esta fermentación requiere tecnología y equipos relativamente sencillos, lo que facilita su manejo.

Por lo tanto, sigue siendo la corriente principal en la industria de la fermentación hoy en día, y las industrias de fermentación tradicionales generalmente utilizan el método de fermentación por lotes. Cada proceso de fermentación incluye inoculación, crecimiento y reproducción, envejecimiento bacteriano y, finalmente, la fermentación finaliza, dando como resultado la extracción del producto.

Bajo el control de ciertas condiciones del medio de cultivo, los microorganismos experimentan una serie de etapas de cambio desde su nacimiento hasta su muerte, cada una de las cuales está condicionada por las características del cuerpo bacteriano y también influenciada por el entorno circundante. Solo comprendiendo y dominando correctamente esta serie de cambios podemos controlar la producción de fermentación.

La fermentación por lotes se caracteriza por la constante evolución del entorno en el que se encuentran los microorganismos, lo que permite realizar una pequeña variedad de fermentaciones. Si se produce contaminación por diversas bacterias, la operación puede interrumpirse fácilmente.

Cuando cambian las condiciones de operación o se requiere la producción de nuevos productos, la estrategia de fermentación es fácil de modificar y los requisitos de composición de la materia prima son relativamente amplios. El proceso de crecimiento microbiano en cultivos discontinuos se puede dividir en cuatro etapas: fase de estancamiento (o ajuste), fase logarítmica (crecimiento), fase estable y fase de descomposición. Es recomendable utilizar células en fase logarítmica con el crecimiento más vigoroso para estudiar el metabolismo y la genética celular.

En la industria de la fermentación, las semillas utilizadas deben estar en fase logarítmica. Al inocularse en el medio de cultivo fresco del tanque de fermentación, el periodo de estancamiento es prácticamente nulo, lo que permite obtener un gran número de células bacterianas de crecimiento vigoroso en poco tiempo, lo que contribuye a acortar el ciclo de producción. En la investigación y la producción, a menudo es necesario extender la fase de crecimiento logarítmico de las células.

The main equipment for batch fermentation is the main fermenter (main fermenter) and the seed fermenter (seed fermenter), both of which belong to deep cultivation devices. (Contains ingredients, steam sterilization, cooling, ventilation, air filtration, stirring, and defoaming devices, etc.). Seed tank: The seed of the required strain for inoculating the main fermenter culture medium. Shake bottle culture – seed culture – fermentation culture (gradually expanding by 10 times the volume).Batch fermentation is a good fermentation method widely used in industrial production.

Factores que afectan el rendimiento total durante el proceso de fermentación por lotes:

① Factores del sustrato: La selección inadecuada del sustrato conduce a la limitación o inhibición del sustrato, lo que resulta en un efecto de inhibición de la descomposición del sustrato y un fenómeno de crecimiento secundario.

2. El impacto de las cepas bacterianas y los tipos de productos metabólicos: Las cepas bacterianas de fermentación tienen una adaptabilidad débil y no pueden adaptarse rápidamente a los tipos de sustrato y entornos de fermentación, o los productos son metabolitos secundarios que son sensibles a las altas concentraciones iniciales, lo que afecta el rendimiento total de la fermentación por lotes. Limitaciones del tipo de fermentación en sí: La fermentación por lotes es un proceso típico de estado no estable, con alimentación e inoculación únicas hasta que se completa la fermentación sin abrir la tapa.

Los nutrientes se agotará rápidamente, haciendo imposible mantener el crecimiento y la producción continuos de microorganismos;

4. El impacto de la etapa de crecimiento microbiano: un largo tiempo de inactividad conduce a una menor productividad.

(3) Fermentación por lotes alimentados

La fermentación discontinua, también conocida como fermentación semicontinua o cultivo semicontinuo, se refiere al método de cultivo que consiste en añadir medio de cultivo fresco, de forma intermitente o continua, durante el proceso de fermentación discontinua. En comparación con la fermentación discontinua tradicional, su ventaja reside en mantener una concentración muy baja de sustrato en el sistema de fermentación.

Las ventajas de una baja concentración de sustrato son:

① Puede eliminar el efecto inhibidor de la utilización rápida de las fuentes de carbono y mantener una concentración bacteriana adecuada, para no exacerbar la contradicción del suministro de oxígeno;

2. Evitar la acumulación de metabolitos tóxicos en el medio de cultivo.

La fermentación por lotes de alimentación se usa ampliamente en la producción de antibióticos, aminoácidos, preparaciones enzimáticas, nucleótidos, ácidos orgánicos y polímeros. Por ejemplo, la mayoría de la fermentación de Escherichia coli utiliza un cultivo de alimentación por lotes, que es una forma de optimizar los procesos de fermentación modernos y optimizar de manera efectiva el entorno químico durante el cultivo microbiano.

Coloque los microorganismos en un ambiente óptimo para su crecimiento. En comparación con la fermentación discontinua, puede aliviar la inhibición del sustrato, la inhibición por retroalimentación del producto y la inhibición de la descomposición de la glucosa. Evite el crecimiento celular excesivo y el consumo excesivo de oxígeno causados por la adición excesiva de azúcar en una sola fermentación discontinua, lo que puede resultar en un equipo de ventilación y agitación inadecuado.

El cuerpo bacteriano puede controlarse mediante una serie de etapas de transición continuas, lo que permite controlar la calidad celular. En comparación con la fermentación continua, la fermentación por lotes alimentados ofrece las siguientes ventajas: 1) bajos requisitos de esterilidad; 2) variación de cepas con mínima degradación; 3) mayor aplicabilidad.

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