Los efectos de las cepas comunes y las características de la fermentación biológica y las diferencias de las cepas en el diseño del fermentador.
La tecnología de fermentación biológica combina la bioingeniería moderna con productos industriales tradicionales. Utiliza microorganismos como "fábricas" que, mediante el control de condiciones de cultivo específicas, permiten que su metabolismo produzca los productos deseados. Como elemento central del proceso de fermentación, el tipo y las características de las cepas influyen directamente en la eficiencia, el tipo y la calidad del producto. Este artículo presenta varias cepas comunes utilizadas en la fermentación biológica y sus principales características.
I. Cepas comunes de fermentación biológica y sus principales características.
1. Bacterias del ácido láctico
1.1 Tipos comunes:
- Lactococcus lactis
- Streptococcus thermophilus
- Lactobacillus plantarum
- Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus
1.2 Características y aplicaciones:
Las bacterias lácticas son un tipo de bacteria Grampositiva que produce ácido láctico como metabolito principal y se utilizan ampliamente en la industria alimentaria, farmacéutica, de productos para la salud y otros campos. Generalmente, tienen bajos requerimientos ambientales, pueden crecer en ambientes con pH y oxígeno bajos, y poseen buena resistencia a los ácidos y efectos beneficiosos para la salud.
Ejemplos de aplicación:
- Producción de yogur, encurtidos y productos de soja fermentada.
- Probióticos intestinales
- Producción industrial de ácido láctico mediante fermentación.
2, Levadura (Levadura)
2.1 Tipos comunes:
- Saccharomyces cerevisiae
- Pastel de pastor
- Hansenula polymorpha
2.2 Características y aplicaciones:
La levadura es un tipo de hongo unicelular con una gran capacidad para metabolizar la glucosa. Puede metabolizar etanol, dióxido de carbono y diversos ácidos orgánicos en condiciones aeróbicas o de hipoxia. La levadura se ha utilizado ampliamente en la fermentación alcohólica, la panadería, la producción de glutamato monosódico, sistemas de expresión de proteínas, entre otros.
Ejemplos de aplicación:
- Elaboración de cerveza, vino y licores
- Producción de bioetanol
- Expresión de proteínas recombinantes (por ejemplo, antígeno de vacuna, insulina)
Sistema de fermentación MIKEBIO para la producción de hongos comestibles
3, Bacillus subtilis
3.1 Características:
Bacillus subtilis es una bacteria aerobia Grampositiva que puede formar esporas con gran resistencia al estrés. Entre sus metabolitos se encuentran proteasa, amilasa, diversos antibióticos y sustancias tensioactivas, ampliamente utilizadas en la producción de preparados enzimáticos industriales, aditivos para piensos y pesticidas biológicos.
Características ventajosas:
- Fuerte capacidad secretora, adecuada para la expresión de proteínas extrañas.
- Gran resistencia al estrés, puede crecer en condiciones de alta salinidad y alta temperatura.
- Ciclo de fermentación corto, alta eficiencia de producción.
Ejemplos de aplicación:
- Fermentación de preparaciones enzimáticas (por ejemplo, proteasa, amilasa)
- Productos de legumbres fermentadas (Natto)
- Agente de control biológico, agente promotor del crecimiento
4. E. coli (Escherichia coli)
4.1 Características:
Escherichia coli (EScherichia coli) es un patógeno oportunista, pero de gran valor en biología molecular. Gracias a su clara estructura genómica, su fácil manipulación genética y su corto ciclo de crecimiento, es una de las bacterias modificadas genéticamente más utilizadas en laboratorios e industria.
Características ventajosas:
- Crecimiento rápido, ciclo de fermentación corto
- Sistema de expresión génica exógena maduro (como el sistema pET)
- Puede utilizarse para la expresión de diversas proteínas recombinantes, enzimas y vacunas.
Ejemplos de aplicación:
- Producción de proteínas recombinantes (insulina, vacunas)
- Fermentación de aminoácidos (por ejemplo, lisina, valina)
- Plataforma de investigación en biología sintética
5. Streptomyces spp.
5.1 Tipos comunes:
- Streptomyces griseus
- Liquen de Bacillus (Streptomyces coelicolor)
5.2 Características:
Streptomyces es un grupo de bacterias filamentosas Gram positivas que son importantes productoras de antibióticos en la naturaleza. Su extenso genoma, con diversas rutas metabólicas secundarias, lo hace idóneo para el desarrollo de antibióticos, inmunosupresores y fármacos antitumorales.
Ejemplos de aplicación:
- Producción de estreptomicina, oxitetraciclina, eritromicina y otros antibióticos
- Desarrollo de metabolitos secundarios como enzimas industriales y pigmentos naturales.
- Investigación sobre la detección de nuevos fármacos y la extracción de productos naturales.
6. Actinomicetos
Actinomyces y Streptomyces pertenecen a la clase Actinomyces. Algunas cepas poseen una gran capacidad de producción de fármacos y adaptabilidad ambiental, lo que las convierte en recursos importantes para la investigación y el desarrollo de productos naturales. Algunos actinomicetos también se utilizan en la fermentación industrial, por ejemplo, para la producción de glutamato monosódico, ácido cítrico, etc.
7. Cepas de hongos
7.1 Tipos comunes:
- Aspergillus niger, Aspergillus oryzae
- Penicillium chrysogenum
- Hongo terrestre (Rhizopus spp.)
7.2 Características y aplicaciones:
Los hongos desempeñan un papel importante en la producción de enzimas, la fermentación de ácidos orgánicos y la producción de antibióticos. Las cepas de Aspergillus pueden producir ácido cítrico y glucosa oxidasa a gran escala, y el Penicillium se utiliza en la producción industrial de penicilina.
Ejemplos de aplicación:
- Fermentación de ácido cítrico, ácido málico y ácido láctico.
- Producción de antibióticos de penicilina y cefalosporina
- Tofu mohoso, vino de arroz Qu y otros alimentos fermentados tradicionales.
8. Otras cepas especiales
8.1 Pseudomonas spp.
Posee una potente vía metabólica, puede degradar diversos contaminantes orgánicos y se utiliza para la biorremediación ambiental, el tratamiento de aguas, etc.
8.2 Sphingomonas spp.
Caracterizada por su eficiente degradación de contaminantes orgánicos y la producción de polisacáridos, se utiliza ampliamente en la protección del medio ambiente y en el sector farmacéutico.
8.3 Otras especies de Bacillus (por ejemplo, Bacillus lipothermophilus)
Resistente a altas temperaturas, apto para fermentación a altas temperaturas, pretratamiento de piensos para animales y otras aplicaciones.
Sistema de fermentación MIKEBIO para la producción de probióticos
II. Influencia de diferentes cepas en el diseño del fermentador
- El tipo de deformación determina los parámetros de diseño del núcleo.
| Tipo de cepa | Puntos clave del diseño del fermentador | Consideraciones clave |
|---|---|---|
| Bacterias aerobias (E. coli) | Ventilación mejorada + agitación eficiente | La tasa de transferencia de masa de oxígeno es fundamental; control de la espuma según la demanda |
| Bacterias anaeróbicas (por ejemplo, bacterias lácticas) | Buen sellado + control de la presión del gas | El oxígeno debe aislarse; control del CO₂ y otros metabolitos gaseosos |
| Bacterias microaeróbicas (por ejemplo, bacterias del acetato) | Controlar con precisión el suministro de oxígeno. | El exceso o la insuficiencia de suministro de oxígeno pueden inhibir el metabolismo. |
| Hongos/Levadura | Alta viscosidad + resistencia al cizallamiento | El líquido del tanque es espeso y necesita ser removido suavemente para evitar dañar el micelio. |
| Bacterias filamentosas (por ejemplo, Streptomyces) | Pared anti-cizallamiento y antiadherente | Fácil formación de bacterias, transferencia de masa deficiente, el diseño especial del impulsor tiene ventajas |
| Células animales/células de insectos | agitación muy suave | Biorreactor de elevación neumática o de ondas, de uso común y fácilmente dañable. |
| célula vegetal | Suspensión difícil + crecimiento lento | Requiere materiales de soporte especiales y una mezcla lenta. |
2. Parámetros clave que influyen
- Requerimiento de oxígeno disuelto (OD)
Las bacterias aerobias como Escherichia coli y las levaduras necesitan una alta ventilación y agitación a alta velocidad.
Las bacterias anaeróbicas, como las bacterias lácticas y los bacilos anaeróbicos, requieren un ambiente libre de oxígeno, por lo que la estanqueidad del tanque y el diseño para la emisión de CO₂ son muy importantes.
- sensibilidad al corte
Por ejemplo, los hongos, las células animales y las células vegetales no se pueden remover con paletas de alta velocidad; se necesita un impulsor de baja cizalladura (correa espiral, elevador neumático, etc.).
- Control de espuma
Algunas bacterias, como la levadura y los actinomicetos, producen mucha espuma; en ese caso, es necesario instalar una sonda de espuma y un sistema antiespumante (mecánico o con adición de antiespumante) en el tanque.
- Viscosidad y reología
Las bacterias filamentosas o los metabolitos viscosos (como los polisacáridos y los coloides) provocarán una alta viscosidad del sistema, por lo que es necesario reforzar la estructura del remo y diseñar una transferencia de calor adecuada.
3, Ejemplos de fermentador variables de diseño
| Artículo | Influencia de diferentes cepas en el diseño |
|---|---|
| Modo de ventilación | Aireación superficial/Aireación profunda/Aireación con microburbujas/Aireación a presión (debe ajustarse a los requerimientos de oxígeno de la cepa). |
| Estructura de la paleta agitadora | Remo Rushton (corte alto)/remo de cinta/remo de marco (corte bajo) |
| Sistema de control de temperatura | Las bacterias de alto metabolismo necesitan una camisa de enfriamiento eficiente; las bacterias sensibles a la temperatura requieren una precisión de temperatura constante de ±0,1 ℃. |
| sistema de control de pH | Algunas bacterias productoras de ácido (como las bacterias lácticas) requieren un sistema de amortiguación de pH fuerte; se debe configurar un puerto de adición de lejía. |
| Monitoreo automático | Los sistemas de sensores de oxígeno disuelto, pH, temperatura, espuma y presión establecen umbrales en función del comportamiento de la deformación. |
Sistema de fermentación tipo producción MIKEBIO para aloxulosa
Conclusión:
La selección de la cepa es clave para el éxito de la ingeniería de fermentación. Diferentes cepas se adaptan a distintos objetivos de producto y parámetros de proceso. Gracias al desarrollo de la ingeniería genética y la biología sintética, se modifican y optimizan constantemente las cepas microbianas para lograr mayores rendimientos, menor generación de subproductos y procesos de producción más estables.
En el futuro, la tecnología de fermentación biológica se utilizará ampliamente en los campos de la fabricación ecológica, la seguridad alimentaria, la medicina y la salud, y se convertirá en la fuerza central para construir "fábricas sin residuos" y una "bioeconomía".
Por otro lado, al elegir un fermentador biorreactorEs necesario encontrar un fabricante confiable, con buena reputación y solidez, para garantizar la calidad del producto. Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd., fundada en 2008, es una empresa de alta tecnología dedicada a la investigación, desarrollo, producción y venta de equipos de fermentación biológica. Nuestra empresa cuenta con una plataforma piloto de fermentación, que integra inteligencia y automatización, y ha desarrollado un sistema de fermentación avanzado que permite optimizar el proceso de fermentación piloto, gestionar el desarrollo de todos los procesos, desde la producción hasta la separación y purificación del producto final. Además, contamos con una estación de trabajo para médicos y un laboratorio moderno.
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