A mikroorganizmusok anyagcsere-útjai a biológiai fermentációban, a termékképződés mechanizmusa és a fermentációs tartályok tervezésének jelentősége

Bevezetés

A biológiai fermentációs technológia fontos támogató láncszem a modern biotechnológiában és ipari termelésben. A mikroorganizmusok anyagcsere-aktivitása révén az emberek nagy mennyiségű szerves savat, alkoholt, aminosavat, antibiotikumot és más nagy értékű anyagcsere-terméket tudnak előállítani. Lényege, hogy a mikroorganizmusok anyagcsere-útvonalait kihasználva a szubsztrátok céltermékekké alakíthatók. A különböző mikroorganizmusok anyagcsere-mechanizmusai azonban eltérőek, és a termékek képződését befolyásolja az anyagcsere-áramlás eloszlása, az energiaátalakítás hatékonysága és a környezeti feltételek. Ugyanakkor a tervezési és ellenőrzési szint... erjesztő tartályok meghatározzák a mikrobiális növekedés és a termékfelhalmozódás hatékonyságát. Ez a cikk áttekintést nyújt a mikroorganizmusok anyagcsere-útvonalairól és termékképződési mechanizmusairól a biológiai fermentációban, és tíz gyakori mikroorganizmus-példát mutat be a következők fontosságának magyarázata érdekében: erjesztő tartály tervezés.

I. A mikrobiális anyagcsere-útvonalak és a termékképződés alapelvei

A mikrobiális anyagcsere főként az asszimilációt (szintetikus anyagcsere) és a katabolizmust (lebomló anyagcsere) foglalja magában. A fermentációs termelés során a katabolizmus különösen fontos. A szénforrások (például a glükóz) különböző termékekké alakulnak olyan útvonalakon keresztül, mint a glikolízis (EMP), a pentóz-foszfát útvonal (HMP), a trikarbonsav-ciklus (TCA) és más elágazó anyagcsere-útvonalak. A termékek általában a következőkre oszthatók:

• Anyagcsere-termékek (elsődleges anyagcsere-termékek): például tejsav, etanol, aminosavak, amelyek általában szorosan kapcsolódnak az energia-anyagcseréhez.
• Másodlagos anyagcsere-termékek: például antibiotikumok, pigmentek, szteroid vegyületek, amelyek általában a sejtnövekedés későbbi szakaszában szintetizálódnak, és komplex szabályozási mechanizmusokkal rendelkeznek.

A termékképződés mechanizmusa a következőképpen foglalható össze: szubsztrátfelvétel → köztes anyagcsereút áramlása → kulcsenzim szabályozása → anyagcseretermék-szekréció.

II. Tíz gyakori baktériumtörzs és termelési mechanizmusaik

1. Tejsavbaktériumok (Lactobacillus sp.) - Tejsav

A tejsavbaktériumok a glikolízis útvonalon keresztül bontják le a glükózt, tejsavat termelve. A tipikus homofermentatív folyamat csak tejsavat termel, míg a heterofermentatív folyamat tejsavat, etanolt és CO₂-t is termel. A tejsav fontos termék az élelmiszer-fermentációban és a gyógyszeriparban, és széles körben használják tejtermékek, egészséges élelmiszerek és politejsav-anyagok előállításában.

2. Élesztő (Saccharomyces cerevisiae) - Etanol

Az élesztő anaerob körülmények között, az EMP útvonalon keresztül állítja elő a piruvátot, majd dekarboxilezéssel acetaldehiddé alakítja a piruvátot, végül pedig etanollá redukálja. Az etanolos erjesztés nemcsak az alkoholos italok alapvető folyamata, hanem az üzemanyag-etanol ipar központi eleme is.

MIKEBIO félüzemi méretű fermentációs rendszer

3. Corynebacterium glutamicum - Glutaminsav

Ez a törzs a TCA ciklus α-ketoglutarátját transzaminációval hasznosítja glutaminsav előállításához. A biotin korlátozásával vagy a sejtmembrán permeabilitásának szabályozásával a glutaminsav a sejten kívülre is kiválasztódhat. A glutaminsav fontos alapanyag a nátrium-glutamát és az aminosavipar számára.

4. Escherichia coli génsebészeti úton történő előállítása - Lizin

Az Escherichia coli az aszpartát útvonalon keresztül képes lizint szintetizálni. Géntechnológiai módszerekkel az aszpartát-kináz aktivitásának fokozása és az elágazási útvonal blokkolása jelentősen növelheti a lizintermelést. A lizin fontos aminosav a takarmány-adalékanyagokban és a gyógyszeripari szintézisben.

5. Penicillium chrysogenum - Penicillin

Másodlagos metabolitként a penicillin egy tripeptid prekurzorból (α-amino-hexil-karbamil-valinil) szintetizálódik ciklizációs és módosítási reakciók révén. Hozamának nagysága szorosan összefügg a táptalaj szén-nitrogén arányával és az oldott oxigén szintjével. A penicillin az emberiség történetének egyik legfontosabb antibiotikuma.

6. Streptomyces fajok - Tetraciklin antibiotikumok

A Streptomyces antibiotikumokat szintetizál egy komplex másodlagos anyagcsere-hálózaton keresztül, amely poliketid szintázokat és különféle módosító enzimeket foglal magában. A tetraciklin termelését erősen szabályozza a tenyésztési idő és a környezeti stressz. A Streptomyces antibiotikumai a modern gyógyszeripar egyik pillérei.

7. Aspergillus niger - Citromsav

Ez a törzs cukrot használ nyersanyagként, és az EMP és TCA ciklusok köztitermékein keresztül szintetizál citromsavat. A fémion-koncentrációk szabályozásával (például a vasionok csökkentésével) elkerülhető a melléktermékek felhalmozódása és növelhető a citromsav-elválasztás. A citromsavat széles körben használják élelmiszerekben, italokban, gyógyszerekben és vegyi anyagokban.

8. Clostridium acetobutylicum - Aceton-butanol-etanol

Ez a baktérium a glikolízis és az acetil-koenzim A segítségével képes a piruvátot butanollá és acetonná alakítani. Anyagcseréje dinamikus átmenetet mutat a „savtermelési fázis” és az „oldószertermelési fázis” között. A butanol fontos oldószer és bioüzemanyag.

9. Pseudomonas putida - Polihidroxibutirát (PHB)

Ez a baktérium egy hiányos oxidációs útvonalon keresztül képes polimerizálni az acetil-koenzim A-t PHB-vé. A PHB egy biológiailag lebomló bioműanyag, jelentős környezeti értékkel.

10. Streptococcus thermophilus - Tejsav és poliszacharidok

Ez a baktérium nemcsak tejsavat termel, hanem extracelluláris poliszacharidokat is választ ki, javítva a tejtermékek állagát és ízét. Anyagcsere-jellemzői a gyors cukoranyagcsere és az erős savtolerancia.

III. Az anyagcsere szabályozását befolyásoló tényezők

• Hordozóanyag koncentrációja és típusa: A szénforrások, a nitrogénforrások és a nyomelemek közvetlenül meghatározzák az anyagcsere-útvonalak aktivitási szintjét.
• Oldott oxigénszint: Számos termék képződése szorosan összefügg az oxigénellátással. Például az antibiotikumok előállításához elegendő oldott oxigénre van szükség, míg az etanolos erjesztéshez anaerob környezet szükséges.
• pH és hőmérséklet: Közvetlenül befolyásolják az enzimek aktivitását és a sejtmembrán permeabilitását.
• Genetikai módosítás: Géntechnológia segítségével optimalizálhatók az anyagcsere-útvonalak, például az anyagcsere-áramlás átirányítása, a kulcsfontosságú enzimek túltermelése és a visszacsatolási gátlás megszüntetése.

IV. Az erjesztőtartály tervezésének fontossága (bővített változat)

A erjesztő tartály, mint a biológiai fermentáció központi berendezése, tervezési szintje közvetlenül befolyásolja a fermentációs folyamat hatékonyságát, stabilitását és gazdaságosságát. A fermentációs tartály nemcsak egy fizikai reaktor, hanem egy olyan rendszer is, ahol a biológia és a mérnöki tudományok metszik egymást. Tervezése több tudományterület, például a folyadékmechanika, a tömegátadás, az irányítástechnika és az anyagtudomány ismereteit is magában foglalja. A következő szempontok különösen fontosak:

1. Gáz-folyadék tömegátadás és oxigénszabályozás

Az aerob fermentáció során az oldott oxigén az egyik korlátozó tényező. A keverőlapát formája, a forgási sebesség és a szellőztetőberendezések (például gyűrűs levegőztetők, porózus diszperziós berendezések) határozzák meg a gáz és a folyadék közötti határfelületet, valamint a tömegátadási sebességet. A legfontosabb mutató a térfogati oxigénátadási együttható (kLa), amely tükrözi az oxigén gázfázisból a folyékony fázisba jutásának hatékonyságát. Ha az oldott oxigén nem elegendő, az anyagcsere-útvonalak anaerob melléktermékek felé tolódnak el, ami súlyosan befolyásolja a céltermék hozamát.

Példa: A penicillin hatékony előállításához magas kLa-szint fenntartása szükséges; ellenkező esetben az antibiotikum-szintézis gátolt lesz.

2. Hőátadás és hőmérséklet-szabályozás

A mikrobiális anyagcsere nagy mennyiségű hőt szabadít fel. Az ipari nagy tartályokban a metabolikus hő felhalmozódása hőmérsékleti gradienseket okoz, amelyek befolyásolják az enzimaktivitást és a sejtmembrán működését. A ... kialakítása erjesztő tartály Általában köpenyhűtést, belső tekercses hűtést vagy külső keringtetéses hőcserélő rendszereket alkalmaz. A jó hőmérséklet-szabályozás nemcsak a mikrobiális sejtek növekedését biztosítja, hanem a termék stabilitását is fenntartja.

Példa: A tejsavbaktériumok magas hőmérsékleten leállítják a savtermelést, ezért a fermentációs tartálynak pontosan 30-37 ℃-on kell szabályoznia a hőmérsékletet.

3. Steril kialakítás és szennyeződés-szabályozás

A fermentáció gyakran egyetlen törzs tenyésztését jelenti, és a szennyező mikroorganizmusok versengenek a tápanyagokért, sőt, le is bontják a célterméket. Ezért a ... tervezése erjesztő tartály biztosítania kell az aszeptikus működést, beleértve:

•  A tartálytest és a csővezetékek képesek ellenállni a nagynyomású gőzsterilizálásnak.
•  Minden külvilággal való csatlakozási pontot (szellőzőnyílások, betápláló nyílások) nagy hatékonyságú szűrőberendezésekkel (HEPA szűrőkkel) kell felszerelni.
•  A higiénikus hegesztési és polírozási kezelés megakadályozza a szennyeződéshez vezető holtsarkok kialakulását.

4. Online megfigyelés és automatikus vezérlés

Modern erjesztő tartályok fokozatosan értek el intelligenciát. Az online érzékelőkön keresztül, amelyek figyelemmel kísérik a pH-értéket, az oldott oxigént, a vezetőképességet, a szénforrás koncentrációját, a biomasszát (optikai vagy kapacitív módszerrel), a számítógépes visszacsatoló rendszerrel kombinálva valós időben tudják beállítani a keverést, a szellőzést és az etetést.

Példa: A Corynebacterium glutamicum előállításánál az oldott oxigén online detektálásával és a forgási sebesség beállításával a glutaminsav szintézise jobb, mint a melléktermékeké.

5. A keverőrendszer és a folyadékmechanikai tervezés optimalizálása

A keverés nemcsak a tömegátadást segíti elő, hanem a mikro-környezet stabilitását is befolyásolja. Az ipari fermentáció során a folyadék térfogata nagy, és a nem megfelelő keverés könnyen tápanyaggradiensekhez és holt zónákhoz vezethet, ami egyenetlen anyagcserét eredményez. A gyakori járókerekek közé tartoznak a Rushton-turbinák, a spirális meghajtás és a ferde lapátos lapátok, és ezek kombinációit a mikroorganizmus jellemzői és a fermentációs követelmények alapján kell optimalizálni.

Példa: A Clostridium acetobutylicum érzékeny a nyíróerőre, ezért alacsony nyíróerejű lapátkialakításra van szükség a sejtkárosodás elkerülése érdekében.

6. Skálázási hatás és folyamatkonzisztencia

A laboratóriumi méretekben (1-5 l) elért optimális folyamatfeltételek nem vihetők át közvetlenül ipari tartályokba (10 000 l felett). A fő probléma az egyenetlen oxigénátadás és hőeloszlás. Ezért a fermentációs tartály tervezésekor figyelembe kell venni a vízkőképződést, például a többpontos levegőztetést, a többpontos mintavételt és a zónakeverést, hogy biztosítsák a stabilitást ipari méretben.

7. Habzásszabályozás

Sok mikroorganizmus habot termel az anyagcsere során, és a túlzott habzás rossz szellőzést, a táptalaj kiömlését és szennyeződési kockázatot okozhat. Erjesztő tartályok általában mechanikus habzásgátlókkal vagy automatikus habzásgátló adalékrendszerekkel vannak felszerelve.

Példa: Az antibiotikumos fermentáció gyakran nagy mennyiségű habot eredményez, és a termékveszteség elkerülése érdekében valós idejű habzásmentesítésre van szükség.

MIKEBIO többlépcsős erjesztő tartály

8. Zöldenergia-megtakarítás és fenntartható fejlődés

A zöld gyártási koncepció fejlődésével a modern erjesztő tartály A tervezés nemcsak a hozamot célozza, hanem az energiatakarékosságot és a környezetvédelmet is hangsúlyozza.

A hatékony keverőlapátok csökkenthetik az energiafogyasztást.

A hővisszanyerő rendszereket fűtésre vagy más folyamatokra használják.

A folyamatos fermentáció a membrános szeparációs technológiával kombinálva csökkenti a hulladékfolyadék-kibocsátást.

9. Többfunkciós és moduláris kialakítás

Jövőbeli erjesztő tartályok általában modulárisak, és egyetlen tartály több folyamatkövetelményhez is alkalmazkodhat. Például: ugyanaz a rendszer használható tejsavbaktériumok, élesztőbaktériumok és antibiotikumok előállítására, és csak a keverőlapátot és a levegőztető üzemmódot kell cserélni. Ez a rugalmas kialakítás segít gyorsan reagálni a piaci igényekre.

V. Következtetés

A biológiai fermentáció egy ipari alkalmazás, amely a mikroorganizmusok anyagcsere-útvonalain és termékképződési mechanizmusain alapul. A különböző törzsek anyagcsere-útvonalai határozzák meg termékeik jellemzőit. A tejsavtól, etanoltól az aminosavakon át az antibiotikumokig minden terméktípus szintézise specifikus biokémiai mechanizmusokkal és szabályozási lépésekkel rendelkezik. A hatékony termelés eléréséhez tudományosan megalapozott alapokra kell támaszkodni. erjesztő tartály olyan tervek, amelyek biztosítják a mikrobiális anyagcsere-környezet stabilitását és szabályozhatóságát. Az anyagcsere-mérnöki és intelligens szabályozási technológiák fejlődésével a jövő fermentációs ipara hatékonyabb és környezetbarátabb lesz, és nagyobb szerepet fog játszani az élelmiszeripar, az energiaipar és az orvostudomány területén.

Másrészt, amikor választunk egy bioreaktor fermentor, a termék minőségének biztosítása érdekében fontos egy jó hírnévvel és erősséggel rendelkező, rendszeres gyártót találni. A Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd.-t 2008-ban alapították, és a következőkre összpontosít: biológiai fermentációs berendezések Kutatás és fejlesztés, gyártás és értékesítés high-tech vállalatok számára. Cégünk rendelkezik egy intelligenciával és automatizálással integrált kísérleti fermentációs platformmal, és egy kiforrott fermentációs rendszert épített ki, amely képes optimalizálni a kísérleti fermentációs folyamatot, megbízni az összes folyamat fejlesztését a kísérleti fermentációtól a fermentációs termék elválasztásáig és tisztításáig, valamint egy orvosi munkaállomást és egy modern laboratóriumot állítani.

Cégünk szabványosított gyártóüzemmel rendelkezik, amely a telepítéshez szükséges komplett berendezés- és szerszámkészlettel rendelkezik, beleértve a különféle szerszámgépeket, automata argon ívhegesztőgépet, automata polírozógépet, automata vágógépet és hibakereső gépet, valamint több mint 60 gyártó- és tesztelőberendezést. A gyártási folyamat mind modern szabványos működést valósít meg, hogy professzionálisabb minőséget és technikai támogatást nyújtson az ügyfeleknek.