Tecnología de cultivo celular de alta densidad
Also known as high-density fermentation technology, it refers to a bacterial culture technology that, under a specific culture system, by improving the culture method and culture conditions, significantly increases the density of bacterial fermentation and ultimately increases the particular productivity of the product (the output of the product per unit volume per unit time).
Los tipos de biorreactores comúnmente utilizados para cultivos de alta densidad celular incluyen fermentadores agitados ordinarios, fermentadores agitados con dispositivos de retención celular externos o internos, reactores de membrana de diálisis, reactores ciclónicos, reactores de transporte aéreo y reactores de botella de cerámica con vibración.
Utilizing high cell-density fermentation process has the following advantages:
- Puede aumentar la concentración de bacterias en la solución de cultivo por unidad de volumen y aumentar la productividad del volumen.
- Reduzca en consecuencia el volumen del reactor, acorte el ciclo de producción y reduzca la inversión en equipos.
- Prolongar la separación y extracción posterior para reducir en cierta medida la cantidad de aguas residuales.
- Reduzca los costos de producción y mejore la eficiencia general de la producción.
Métodos para alta densidad celular. fermentación
Los métodos para lograr una fermentación de alta densidad celular incluyen principalmente cultivos discontinuos, cultivos de circulación celular, cultivos de diálisis, cultivos de inmovilización celular, etc. Entre ellos, el cultivo discontinuo es el mejor investigado y el más utilizado.
Cultura por lotes alimentados
El cultivo discontinuo alimenta nutrientes al reactor de forma continua o según un patrón específico bajo la premisa del cultivo discontinuo para mantener una concentración baja de nutrientes en el sistema de fermentación. Actualmente, existen dos estrategias principales para controlar los nutrientes alimentados: control por retroalimentación y control sin retroalimentación.
El uso de un cultivo discontinuo puede eliminar el efecto represivo causado por la rápida utilización de fuentes de carbono, evitar la toxicidad causada por la acumulación de subproductos inhibidores producidos durante el proceso de cultivo y evitar el problema de la inestabilidad del plásmido causado por el rápido crecimiento. de bacterias. Sin embargo, también tiene ciertas desventajas, como que el equipo accesorio utilizado para el control de retroalimentación es relativamente caro y requiere que los operadores tengan altas habilidades operativas.
Ccultura del ciclo del ell
El cultivo de circulación celular utiliza un método para separar las células del puré y las células se devuelven al recipiente para su reciclaje. El puré libre de células se transfiere continuamente a una velocidad determinada y se reemplaza con un medio de cultivo nuevo. Generalmente incluyen filtración en reposo, sedimentación y membrana.
Esta tecnología puede transferir continuamente productos de desecho metabólicos, evitar la inhibición por retroalimentación del crecimiento celular y facilitar la separación de los productos objetivo.
Dcultivo de iálisis
Dialysis culture is a method in which microorganisms are wrapped with a dialysis membrane, and fresh culture fluid flows outside. It can effectively remove harmful low molecular weight metabolites while providing sufficient nutrients to the culture solution for bacterial utilization. The semipermeable membrane is not perfused during dialysis, which avoids the membrane clogging problem in microfiltration and ultrafiltration. Moreover, the “nutrient distribution” feeding strategy is adopted to improve the nutrient utilization rate significantly.
En comparación con otros métodos de cultivo, el cultivo de diálisis puede aumentar la densidad celular 30 veces. Al utilizar cultivos de diálisis en alta densidad celular, las fermentaciones pueden eliminar el proceso de optimización de medios que requiere mucho tiempo y mejorar la eficiencia de las operaciones de producción. Sin embargo, la inversión en equipos para el cultivo de diálisis es significativa y los requisitos de tecnología de operación son altos, por lo que rara vez se utiliza en la producción.
Cultivo de células inmovilizadas
La inmovilización celular consiste en restringir o posicionar células libres en una ubicación espacial específica mediante medios físicos o químicos. El uso de células inmovilizadas puede convertir la fermentación microbiana tradicional en reacciones enzimáticas continuas, mejorar la productividad y, simultáneamente, reducir el efecto inhibidor de los metabolitos sobre el crecimiento celular.
El cultivo de microencapsulación de núcleo líquido de Lactobacillus es un tipo de cultivo de inmovilización celular. Utiliza una capa de membrana hidrofílica semipermeable para rodear las células en microcápsulas en forma de cuentas. El cultivo continuo puede alcanzar una concentración muy alta en las cápsulas: densidad celular.
Factores que afectan la fermentación con alta densidad celular
Muchos factores afectan la fermentación con alta densidad celular, como la composición del medio de cultivo, la concentración de oxígeno disuelto, la temperatura del cultivo, el valor del pH y los metabolitos nocivos.
- Composición del medio de cultivo.
La fermentación de alta densidad celular generalmente utiliza medios de cultivo semisintéticos, y la concentración y proporción de cada componente del medio de cultivo debe ser adecuada, especialmente la relación carbono-nitrógeno. La glucosa es el material fuente de carbono más comúnmente utilizado en la fermentación bacteriana recombinante. Aún así, una concentración excesiva de glucosa inhibirá el crecimiento celular y conducirá a la acumulación de la sustancia inhibidora metabólica ácido acético, afectando negativamente el crecimiento bacteriano.
- valor de pH
Sustancias como el ácido acético y el dióxido de carbono producidos durante la fermentación de alta densidad celular cambiarán el valor del pH, afectando negativamente el crecimiento y el metabolismo celular. Los métodos de detección en línea pueden ajustar el valor del pH a tiempo con ácidos y álcalis para evitar cambios intensos de pH. Variedad.
- Temperatura
Temperature changes will affect the reaction rates of various enzymes and protein properties, the fermentation broth’s physical properties, and indirectly affect the bacteria. For genetically engineered bacteria, using different temperatures at different culture stages is beneficial to increasing the growth density of the bacteria and the expression of target products and shortening the culture cycle.
- Concentración de oxígeno disuelto
For aerobic fermentation bacteria, too high or too low dissolved oxygen concentration will affect the growth and metabolism of the bacteria. Dissolved oxygen can be increased by increasing the stirring speed, increasing airflow, increasing oxygen partial pressure, using oxygen carriers, and modifying the oxygen-obtaining capacity of microorganisms. However, the higher the dissolved oxygen content, the better. It is necessary to examine each fermentation product’s critical dissolved oxygen concentration and optimal dissolved oxygen concentration and maintain the optimal dissolved oxygen concentration during the fermentation process.
- Regulación de metabolitos nocivos.
Durante el cultivo de microorganismos de alta densidad celular, la acumulación de subproductos metabólicos como el dióxido de carbono y el ácido acético es uno de los principales factores que afectan el crecimiento bacteriano y la expresión del producto. Para reducir la concentración de subproductos metabólicos durante el cultivo bacteriano, se puede ajustar la composición del medio de cultivo, especialmente el contenido y el tipo de fuentes de carbono, para evitar la producción de sustancias inhibidoras. Por ejemplo, como se mencionó anteriormente, también se puede usar glicerol en lugar de glucosa como fuente de carbono. Se espera que prevenga la producción de inhibidores cambiando las vías metabólicas de las bacterias mediante ingeniería metabólica.
High-density fermentation process applications
Aplicación en productos biológicos: Las investigaciones muestran que la tecnología de fermentación de alta densidad se ha utilizado ampliamente para producir diversos interferones, factores de crecimiento, enzimas naturales, péptidos, polisacáridos y otros ingredientes activos utilizando bacterias diseñadas.
Aplicación en la industria alimentaria: Se puede utilizar tecnología de fermentación de alta densidad celular para cultivar células vivas (el producto deseado). Por ejemplo, al mejorar el entorno de cultivo y los métodos de regulación, se puede obtener una fermentación de bacterias de ácido láctico de alta densidad y aplicarla a la industria láctea. Además, la fermentación de alta densidad celular también se puede utilizar para producir alcohol mediante levadura y utilizar células de espirulina para producir espirulina.
Conclusión
La tecnología de fermentación de alta densidad tiene ventajas únicas sobre la tecnología de fermentación ordinaria. Aplicarlo a la expresión eficiente de diversos productos microbianos puede reducir significativamente los costos de producción y mejorar la eficiencia de la producción. Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, la tecnología de fermentación de alta densidad se utilizará cada vez más en la producción de fermentación.
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