Ingeniería de procesos de fermentación industrial en la industria alimentaria

La ciencia de la fermentación industrial es un componente importante de la biología industrial y una disciplina clave que promueve la transición de productos biológicos importantes desde la preparación en el laboratorio hasta la producción a gran escala en fábricas. La ciencia de la fermentación industrial se dedica a analizar las leyes básicas del comportamiento microbiano en entornos industriales en diferentes niveles de moléculas, células y sistemas, mejorando la eficiencia de la biofabricación y el bioprocesamiento y logrando una unidad relativa de alto rendimiento, alta tasa de conversión y alta intensidad de producción.

1. Características del proceso de fermentación industrial en la industria alimentaria

La mayor diferencia entre el proceso de fermentación industrial en la industria alimentaria y otras industrias químicas es que se trata de una reacción química llevada a cabo por organismos vivos. Sus principales características son las siguientes:

(1) El proceso de fermentación industrial en la industria alimentaria es generalmente una reacción bioquímica realizada a temperatura y presión ambiente, que es segura y requiere condiciones relativamente simples.

(2) Las materias primas utilizadas en la fermentación industrial de la industria alimentaria suelen ser almidón, melaza u otros productos agrícolas y derivados. Siempre que se añada una pequeña cantidad de fuentes de nitrógeno orgánico e inorgánico, la reacción puede llevarse a cabo. Los microorganismos pueden utilizar de forma selectiva los nutrientes que necesitan debido a sus diferentes categorías. En función de esta característica, las aguas residuales y los desechos pueden utilizarse como materias primas para la fermentación con el fin de transformar los recursos biológicos.

(3) El proceso de fermentación industrial se completa a través de la regulación automática de los organismos, con una fuerte especificidad de la reacción, obteniendo así metabolitos relativamente únicos.

(4) Debido al mecanismo de reacción inherente a los organismos vivos, estos pueden llevar a cabo de manera selectiva y específica reacciones de transformación química como la oxidación y reducción de ciertos compuestos complejos en sitios específicos, y también pueden producir compuestos poliméricos complejos.

(5) Es fundamental prevenir y controlar la contaminación bacteriana durante los procesos de fermentación industrial. Además de una estricta desinfección y filtración del aire del equipo, la reacción debe llevarse a cabo en condiciones estériles. Si se contamina con diversas bacterias, la producción sufrirá enormes pérdidas económicas. Si se infecta con bacteriófagos, el daño causado a la fermentación industrial será mayor, por lo que mantener las condiciones estériles es la clave para el éxito de la fermentación industrial.

(6) Las cepas microbianas son el factor fundamental en la fermentación industrial. Mediante la mutación y el cribado de cepas, se pueden obtener cepas excelentes y de alto rendimiento, y se puede aprovechar al máximo el equipo de producción. Por lo tanto, se pueden obtener productos que son difíciles de producir con métodos convencionales.

(7) Compared with other industries, industrial fermentation requires less investment, yields quick results, and can achieve significant economic benefits. Based on the above characteristics, industrial fermentation is increasingly attracting people’s attention. Compared with traditional fermentation processes, modern industrial fermentation engineering has its own advantages in addition to the fermentation characteristics mentioned above. In addition to using microbial cells, animal and plant cells and enzymes can also be used, and artificially constructed “engineered bacteria” can be used for the reaction; The reaction equipment is not just a conventional fermentation tank, but is replaced by various bioreactors with high automation and continuity, which improves and innovates the fermentation level on the original basis.

2、Los tipos de fermentación industrial se pueden dividir en varios tipos según las características de la fermentación y los diferentes requisitos de oxígeno de los microorganismos:

(1) Según las materias primas de fermentación, se puede dividir en tipos como fermentación de azúcar, fermentación de petróleo y fermentación de aguas residuales.

(2) Según los productos de fermentación, se puede dividir en fermentación de aminoácidos, fermentación de ácidos orgánicos, fermentación de antibióticos, fermentación de alcohol, fermentación de vitaminas, etc.

(3) Según la forma de fermentación, se puede dividir en fermentación en estado sólido, fermentación semisólida y fermentación líquida.

(4) Según el proceso de fermentación, se puede dividir en fermentación por lotes, fermentación continua y fermentación por adición de flujo.

(5) Según los diferentes requisitos de oxígeno durante el proceso de fermentación, se puede dividir en fermentación anaeróbica y fermentación ventilada.

(6) Según la fermentación de metabolitos primarios como la fermentación de alcohol, la fermentación de aminoácidos, la fermentación de ácidos orgánicos y otros metabolitos secundarios como la fermentación de antibióticos y la fermentación de pigmentos.

3、 Para cualquier tipo de fermentación (excepto algunos procesos de transformación), un determinado proceso de fermentación consta de seis partes:

①Cepa y medio de cultivo de semillas determinado y medio de fermentación; ②Esterilización de medios de cultivo, tanques de fermentación y equipos auxiliares; ③Producción de cultivos de semillas activos, de raza pura y a gran escala; ④Producción a gran escala de productos en condiciones óptimas de crecimiento para microorganismos en tanques de fermentación; ⑤Extracción y purificación de productos; ⑥Tratamiento de líquido residual de fermentación.

Antes de establecer el proceso de fermentación industrial, primero se debe aislar la cepa y transformarla para sintetizar el producto objetivo, de modo que el producto resultante cumpla con los requisitos industriales y tenga valor económico en términos de rendimiento. Luego, se determinan los requisitos de cultivo de los microorganismos y se diseña el equipo correspondiente. Al mismo tiempo, es necesario determinar el método de separación y extracción del producto. Además, todo el plan de investigación también debe incluir la optimización continua de las cepas microbianas, los medios de cultivo y los métodos de extracción durante el proceso de fermentación industrial.

4. Tecnologías clave de la ingeniería de fermentación industrial

(1)Strain selection technology Strain selection is based on the theory of microbial genetic variation according to production requirements, using artificial methods to induce strain variation, and then using various screening methods to select target strains that meet the requirements.

The purpose of strain selection is to improve the basic characteristics of strains, in order to increase yield, improve quality, reduce costs, reform processes, facilitate management, and comprehensive utilization. The basic methods of strain breeding include natural breeding, phage resistance breeding, mutagenesis breeding, metabolic engineering breeding, gene targeted breeding, genome shuffling, and a series of other methods. In the early stages of industrial fermentationengineering and modern fermentation engineering, fermentation engineering mainly relied on wild microorganisms as the main fermenting agents.

In the modern fermentation stage, excellent strain selection methods are still an important link in the upstream engineering of industrial fermentationengineering. One is to use new screening mechanisms and screening identification indicators to continue obtaining excellent starting strains from nature; The second approach is to utilize genetic engineering and cell engineering techniques, combined with molecular biology methods, using principles such as metabolic engineering, metabolic regulation, genomics, and systems biology to reconstruct the required genetic engineering bacteria or genetically modify existing starting strains to obtain excellent strains capable of producing the desired fermentation products.

(2)Pure cultivation technology: Industrial fermentationgenerally uses specific microbial strains for purebred cultivation to achieve the goal of producing the required products. Therefore, the fermentation process should be carried out under conditions without bacterial contamination. Microbial aseptic cultivation is directly related to the success or failure of the production process.

If the aseptic problem is not solved well, it can lead to a reduction in the required quantity of products, a decrease in quality, and difficulties in post-processing; Heavy damage can cause the entire culture medium to deteriorate, resulting in the scrapping of tons of culture medium and causing serious economic losses, which is particularly prominent in large-scale production processes.

In order to ensure the normal operation of the cultivation process and prevent bacterial contamination, strict sterilization is required for the cultivation of most microorganisms, including laboratory operations and industrial fermentationproduction. The sterilization of the fermentation process involves the culture medium, fermentation equipment, and ventilation of the fermentation process.

(3)Industrial fermentationprocess optimization technology Fermentation process optimization includes optimization from the microbial cell level to the macro microbial biochemical reaction level, simplifying the complex interactions between cell physiological regulation, cell environment, reactor characteristics, process operating conditions, and reactor control as much as possible, and optimizing these conditions and relationships to make them most suitable for specific fermentation processes as a systematic optimization method.

This optimization mainly involves four aspects of research content, the first of which is the study of cell growth process; The second is the stoichiometry of microbial reactions; The third is biological reaction kinetics; The fourth is bioreactor engineering.

(4) Para lograr el objetivo de promover y trasladar los resultados de laboratorio a escala industrial, la tecnología de ampliación de escala del proceso de fermentación industrial generalmente requiere una investigación de optimización del proceso a escala piloto. Para superar las dificultades, especialmente para algunos productos de fermentación industrial a gran escala, se adopta un método de ampliación de escala paso a paso. Los métodos para amplificar los procesos de fermentación industrial incluyen: amplificación de similitud geométrica de tanques de fermentación, amplificación de similitud de la capacidad de suministro de oxígeno, amplificación de similitud del metabolismo bacteriano, amplificación de similitud de las condiciones de cultivo, simulación de modelos matemáticos y amplificación de predicciones, etc.

(5)Downstream separation and purification technology in industrial fermentationengineering refers to the process of extracting, concentrating, purifying, and refining the fermentation target product. The importance of separation and purification of industrial fermentationproducts is mainly reflected in the particularity, complexity, and strict requirements of biological products, which result in a large proportion of separation and purification costs in the overall production cost of fermentation products.

The downstream separation and purification process of industrial fermentation engineering usually accounts for 50% to 70% of the production cost, and some even up to 90%, which often becomes a limiting factor for implementing biochemical processes instead of chemical processes in production. Therefore, designing a reasonable extraction and refining process to improve product quality and reduce production costs is necessary to truly achieve commercial large-scale production of fermented products.

En cierto sentido, el éxito o el fracaso de los procesos de fermentación industrial depende enteramente del mantenimiento de un entorno controlado para el crecimiento y favorable para la producción. La forma más eficaz de lograr este objetivo es medir directamente los cambios de diversos parámetros y regular los procesos biológicos. La aplicación de las matemáticas, los principios de la ingeniería química, la tecnología informática electrónica y los dispositivos de control automático al proceso de fermentación, la medición de los parámetros biotecnológicos, el modelado y el control de los procesos biológicos, pueden controlar y gestionar eficazmente los procesos de fermentación industrial y mejorar la eficiencia de la producción.