Промышленный процесс ферментации в пищевой промышленности

Наука о промышленной ферментации является важным компонентом промышленной биологии и ключевой дисциплиной, которая способствует переходу важных биологических продуктов от лабораторного приготовления к крупномасштабному производству на заводах. Наука о промышленной ферментации занимается анализом основных законов поведения микроорганизмов в промышленных средах на разных уровнях молекул, клеток и систем, повышением эффективности биопроизводства и биообработки и достижением относительного единства высокого выхода, высокой скорости конверсии и высокой интенсивности производства.

1. Характеристики процесса промышленной ферментации в пищевой промышленности.

Самое большое отличие между процессом промышленной ферментации в пищевой промышленности и другими химическими отраслями промышленности заключается в том, что это химическая реакция, осуществляемая живыми организмами. Ее основные характеристики следующие:

(1) Процесс промышленной ферментации в пищевой промышленности обычно представляет собой биохимическую реакцию, проводимую при комнатной температуре и давлении, что является безопасным и требует относительно простых условий.

(2) Сырьем, используемым в промышленной ферментации в пищевой промышленности, обычно являются крахмал, патока или другие сельскохозяйственные и побочные продукты. При условии добавления небольшого количества органических и неорганических источников азота реакция может быть осуществлена. Микроорганизмы могут избирательно использовать необходимые им питательные вещества из-за их различных категорий. Исходя из этой характеристики, сточные воды и отходы могут использоваться в качестве сырья для ферментации с целью преобразования биологических ресурсов.

(3) Процесс промышленной ферментации осуществляется посредством автоматического регулирования организмов с высокой специфичностью реакции, что позволяет получать относительно единичные метаболиты.

(4) Благодаря реакционному механизму, присущему живым организмам, они могут избирательно и целенаправленно осуществлять реакции химического превращения, такие как окисление и восстановление определенных сложных соединений в определенных местах, а также могут производить сложные полимерные соединения.

(5) Крайне важно предотвращать и контролировать бактериальное загрязнение во время промышленных процессов ферментации. Помимо строгой дезинфекции и фильтрации воздуха оборудования, реакция должна проводиться в стерильных условиях. При загрязнении различными бактериями производство понесет огромные экономические потери. При заражении бактериофагами вред, причиненный промышленной ферментации, будет больше, поэтому поддержание стерильных условий является ключом к успешной промышленной ферментации.

(6) Микробные штаммы являются основополагающим фактором в промышленной ферментации. Благодаря мутации и скринингу штаммов можно получить высокопродуктивные и превосходные штаммы, а также полностью использовать производственное оборудование. Таким образом, можно получить продукты, которые трудно производить обычными методами.

(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. Виды промышленной ферментации можно разделить на несколько типов в зависимости от характеристик ферментации и различных потребностей микроорганизмов в кислороде:

(1) В зависимости от сырья для ферментации ее можно разделить на такие типы, как ферментация сахара, ферментация нефти и ферментация сточных вод.

(2) В зависимости от продуктов ферментации ее можно разделить на ферментацию аминокислот, ферментацию органических кислот, ферментацию антибиотиков, спиртовую ферментацию, витаминную ферментацию и т. д.

(3) По форме ферментации ее можно разделить на твердофазную ферментацию, полутвердую ферментацию и жидкую ферментацию.

(4) В зависимости от процесса ферментации ее можно разделить на периодическую ферментацию, непрерывную ферментацию и ферментацию с добавлением потока.

(5) В зависимости от различных потребностей в кислороде во время процесса ферментации его можно разделить на анаэробную ферментацию и вентилируемую ферментацию.

(6) По ферментации первичных метаболитов, таких как ферментация спирта, ферментация аминокислот, ферментация органических кислот, и других вторичных метаболитов, таких как ферментация антибиотиков и ферментация пигментов.

3. Для любого типа ферментации (за исключением некоторых процессов трансформации) определенный процесс ферментации состоит из шести частей:

①Штамм и определенная среда для культивирования семян и среда для ферментации; ②Стерилизация питательных сред, бродильных емкостей и вспомогательного оборудования; ③Производство крупномасштабных, активных, чистопородных посевных культур; ④Массовое производство продуктов в оптимальных условиях роста микроорганизмов в бродильных емкостях; ⑤Извлечение и очистка продуктов; ⑥Очистка отработанной жидкости ферментации.

Перед тем, как установить процесс промышленной ферментации, штамм должен быть сначала изолирован и трансформирован для синтеза целевого продукта, так чтобы полученный продукт соответствовал промышленным требованиям и имел экономическую ценность с точки зрения выхода. Затем определить требования к культивированию микроорганизмов и спроектировать соответствующее оборудование. В то же время необходимо определить метод разделения и извлечения продукта. Кроме того, весь план исследований должен также включать непрерывную оптимизацию микробных штаммов, питательных сред и методов извлечения в процессе промышленной ферментации.

4. Ключевые технологии промышленной ферментации

(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) Для достижения цели продвижения и переноса лабораторных результатов в промышленный масштаб, технология масштабирования промышленного процесса ферментации обычно требует исследования оптимизации процесса пилотного масштаба. Для преодоления трудностей, особенно для некоторых крупномасштабных промышленных продуктов ферментации, применяется пошаговый метод масштабирования. Методы амплификации промышленных процессов ферментации включают: геометрическое подобие амплификации бродильных чанов, подобие амплификации емкости подачи кислорода, подобие амплификации бактериального метаболизма, подобие амплификации условий культивирования, математическое моделирование модели и прогнозирование амплификации и т. д.

(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.

В некотором смысле, успех или неудача промышленных процессов ферментации полностью зависит от поддержания контролируемого роста и благоприятной для производства среды. Наиболее эффективным способом достижения этой цели является прямое измерение различных изменений параметров и регулирование биологических процессов. Применение математики, принципов химической инженерии, электронно-вычислительной техники и устройств автоматического управления к процессу ферментации, измерение биотехнологических параметров, моделирование и управление биологическими процессами может эффективно контролировать и управлять промышленными процессами ферментации и повышать эффективность производства.