Introducción a la ingeniería de fermentación
Es una rama importante de la disciplina de primer nivel "Tecnología e ingeniería de la industria ligera" y una disciplina clave de desarrollo de segundo nivel. Desempeña un papel clave en el proceso de industrialización de la biotecnología.
1) "Fermentación" incluye "fermentación estrictamente definida por la fisiología microbiana" y "fermentación industrial". La "fermentación" en la entrada "ingeniería de fermentación" debe ser "fermentación industrial".
(2) En la producción industrial, los productos se procesan o elaboran mediante "fermentación industrial", y la tecnología de procesamiento o fabricación correspondiente se denomina "tecnología de fermentación". Para lograr una producción industrializada, es necesario resolver los problemas de ingeniería del entorno de producción industrial, los equipos y el control de procesos para realizar estos procesos (procesos de fermentación). Por lo tanto, existe la "ingeniería de fermentación".
(3) La ingeniería de fermentación es una disciplina utilizada para resolver problemas de ingeniería en la producción industrial basados en procesos de fermentación. Desde una perspectiva de ingeniería, la ingeniería de fermentación divide el proceso industrial de fermentación que implementa el proceso de fermentación en tres etapas: bacterias, fermentación y refinación (incluido el tratamiento de aguas residuales). Estas tres etapas tienen sus propios problemas de ingeniería y generalmente se denominan respectivamente. Son los proyectos upstream, midstream y downstream de ingeniería de fermentación.
(4) Los microorganismos son el alma de la ingeniería de fermentación. En los últimos años, la comprensión de las propiedades biológicas de la ingeniería de fermentación se ha vuelto cada vez más clara y la ingeniería de fermentación se está acercando a la ciencia.
(5) El principio más básico de la ingeniería de fermentación es el principio biológico de la ingeniería de fermentación.
La ingeniería de fermentación se refiere al uso de tecnología de ingeniería para utilizar ciertas funciones de organismos (principalmente microorganismos) y enzimas activas in vitro para producir productos biológicos útiles para los humanos, o usar directamente microorganismos para participar en el control de ciertos Una tecnología para algunos procesos de producción industrial. Ejemplos bien conocidos incluyen el uso de fermentación con levadura para producir cerveza, vino de frutas y alcohol industrial, el uso de bacterias del ácido láctico para fermentar queso y yogur y el uso de hongos para producir penicilina a gran escala. Con el avance de la ciencia y la tecnología, la tecnología de fermentación también se ha desarrollado enormemente y ha entrado en la etapa de la ingeniería de fermentación moderna que puede controlar y transformar artificialmente microorganismos para que puedan producir productos para los humanos. Como parte importante de la biotecnología moderna, la ingeniería de fermentación moderna tiene amplias perspectivas de aplicación. Por ejemplo, los métodos de ingeniería genética se utilizan para modificar intencionadamente cepas bacterianas originales y aumentar su rendimiento; la fermentación microbiana se utiliza para producir fármacos, como la insulina humana, el interferón y la hormona del crecimiento.
Ha pasado de producir simplemente bebidas alcohólicas, ácido acético y pan fermentado en el pasado a convertirse en una rama extremadamente importante de la bioingeniería en la actualidad, que incluye la microbiología, la ingeniería química, la ingeniería genética y la ingeniería celular. y la ingeniería de software y hardware informático como proyecto multidisciplinar. La ingeniería de fermentación moderna no sólo produce bebidas alcohólicas, ácido acético y pan, sino que también produce una variedad de medicamentos médicos y de atención sanitaria como insulina, interferón, hormona del crecimiento, antibióticos y vacunas, así como materiales de producción agrícola como pesticidas naturales, bacterias. En la industria química se producen fertilizantes y herbicidas microbianos, aminoácidos, especias, biopolímeros, enzimas, vitaminas y proteínas unicelulares.
En términos generales, la ingeniería de fermentación consta de tres partes: ingeniería upstream, ingeniería midstream e ingeniería downstream. Los proyectos upstream incluyen la selección de cepas excelentes, determinación de las condiciones óptimas de fermentación (pH, temperatura, oxígeno disuelto y composición de nutrientes), preparación de nutrientes, etc. La ingeniería intermedia se refiere principalmente a la tecnología de proceso para cultivar una gran cantidad de células y producir metabolitos en tanques de fermentación en condiciones óptimas de fermentación. Aquí debe haber un ambiente de crecimiento aséptico estricto, incluido el uso de tecnología de alta temperatura y alta presión para esterilizar las materias primas de fermentación, los tanques de fermentación y varias tuberías de conexión antes de que comience la fermentación, la tecnología de introducción continua de aire seco estéril en la fermentación; tanques durante el proceso de fermentación; tecnología de filtración de aire; tecnología de control por computadora para controlar la tasa de alimentación de acuerdo con los requisitos de crecimiento celular durante el proceso de fermentación y diferentes tecnologías de proceso para el cultivo de semillas y el cultivo de producción; Además, según las diferentes necesidades, el proceso de fermentación también se clasifica en fermentación por lotes: fermentación por lotes alimentada una sola vez: es decir, sobre la base de la fermentación alimentada una sola vez, se agrega una cierta cantidad de nutrientes; para hacer crecer aún más las células u obtener mejores resultados. Más metabolitos fermentación continua: agregue nutrientes continuamente y elimine continuamente el líquido de fermentación. Antes de llevar a cabo cualquier fermentación industrial a gran escala, se deben realizar una gran cantidad de experimentos en pequeños fermentadores de laboratorio para obtener un modelo cinético de formación del producto, y los requisitos de fermentación de la planta piloto deben diseñarse en base a este modelo. Finalmente, se debe diseñar una escala mayor basada en los datos de la planta piloto. Debido a la complejidad de las reacciones biológicas, surgirán muchos problemas en el proceso desde el laboratorio hasta la planta piloto y desde la planta piloto hasta la producción a gran escala. Este es el problema de la amplificación del proceso de ingeniería de fermentación.
La ingeniería downstream se refiere a la tecnología para separar y purificar productos del caldo de fermentación: incluida la tecnología de separación sólido-líquido (separación centrífuga, separación por filtración, separación por precipitación y otros procesos), tecnología de ruptura de la pared celular (ultrasonido, cizallamiento a alta presión, presión osmótica, tensioactivos y enzimas murales, etc.), tecnologías de purificación de proteínas (precipitación, separación cromatográfica, ultrafiltración, etc.) y, finalmente, tecnologías de envasado y procesamiento de productos (secado al vacío, liofilización, etc.).
Además, en la industria de la fermentación que produce medicamentos y alimentos, es necesario cumplir estrictamente con las regulaciones cGMP promulgadas por la Administración Federal de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. y aceptar inspecciones y supervisión periódicas por parte de las autoridades pertinentes. .