Погружная ферментация

Типы погружного брожения

Термин «погружное брожение» (SmF) относится к процессу брожения, при котором микроорганизмы используются для преобразования субстратов в полезные продукты в жидкой среде. В промышленных приложениях широко используются несколько типов SmF.

• Микробное брожение: Это наиболее распространенный тип погружного брожения. Микроорганизмы, такие как бактерии, дрожжи и грибы, культивируют в жидкой среде для осуществления брожения. Например, при производстве алкоголя дрожжи сбраживают сахара в жидкой среде для получения алкоголя.
• Ферментативное брожение: Ферменты, продуцируемые микроорганизмами, используются для катализа химических реакций в системах погружного брожения. Эти ферменты могут использоваться для преобразования специфических субстратов в желаемые продукты. Например, при производстве кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы ферментативное брожение используется для преобразования кукурузного сиропа во фруктозу.
• Совместное культивирование: При этом типе брожения несколько микроорганизмов одновременно культивируют в жидкой среде. Взаимодействие и сотрудничество между различными видами способствуют производству специфических продуктов брожения. Например, при производстве традиционных ферментированных продуктов, таких как кимчи или квашеная капуста, могут сосуществовать и участвовать в процессе брожения различные бактерии.
• Твердофазное брожение (SSF) в сочетании с SmF: Некоторые микроорганизмы используют жидкие субстраты в SmF после роста на твердых субстратах в SSF. Эта комбинированная система брожения может повысить эффективность производства и выход. Например, при производстве грибковых ферментов или органических кислот сельскохозяйственные отходы могут сначала служить твердым субстратом, а затем добавлять жидкую среду для стимулирования погружного брожения.
• Брожение иммобилизованных клеток в SmF: Этот тип погружного брожения иммобилизует микроорганизмы на носителе или в фиксированной матрице, позволяя использовать их повторно несколько раз. Этот метод может повысить стабильность и производительность процессов брожения. Например, при брожении для производства биотоплива или химикатов системы иммобилизованных клеток могут непрерывно производить желаемые продукты в жидкой среде.

Спецификация и техническое обслуживание

Основные особенности системы погружного брожения можно понять из некоторых основных компонентов.

• Ферментер / сосуд-фильтр

  Ферментер или бродильные сосуды - это огромные контейнеры, отвечающие за создание идеальной среды для роста субстрата. Объем может варьироваться от 200 до 300 000 литров.

• Мешалка / аэратор

  Мешалка - это механизм, который перемешивает и перемешивает раствор с фиксированной скоростью для синтеза вещества. Обычно используется мешалка лопастного типа диаметром около 0,5-3 метров и высотой около 0,5-1,5 метров. Аэратор повышает давление воздуха в коробке для развития процесса микробного брожения. Мощность погружной бродильной машины может варьироваться от 1 до 20 м3 с возможностью изменения размера для удовлетворения конкретных потребностей.

• Система нагрева / охлаждения

  Эта система регулирует температуру реакции путем добавления охлаждающих труб или рубашек. Насос приводит в движение рубашку или охлаждающие трубы, а циркулирующая жидкость меняется по мере необходимости. Другой вариант - использовать теплообменник, который добавляет или удаляет тепло из ферментера с помощью циркулирующей жидкости. Другие методы включают резисторы или спиральные нагреватели и охлаждающие змеевики. Эти рубашки и змеевики используют либо воду, либо гликоль для регулирования температуры брожения, обычно от 10 до 30 градусов Цельсия.

• Система контроля pH

  Эта система содержит датчики pH, которые контролируют уровень pH процесса брожения, и насосы, которые могут добавлять кислоты или щелочи для регулирования pH. Другие элементы включают клапаны, контроллеры и регистраторы данных.

• Насос для субстрата

  Этот насос отвечает за перенос субстрата или питательного вещества в ферментер. Он работает при определенной скорости потока, давлении и времени.

• Система рекуперации продукта

  Это процесс отделения основных продуктов, образующихся в результате брожения, таких как дистиллированные, экстрагированные и очищенные вещества.

• Система загрузки и выгрузки

  Это очистка ферментера и метод утилизации использованного субстрата и микроорганизма.

Техническое обслуживание

Существуют некоторые меры предосторожности и рекомендации по техническому обслуживанию для погружного брожения. Они:

• Очистка: погружные бродильные машины, включая ферментеры и трубки, должны быть частью регулярного графика очистки. Это помогает избежать перекрестного загрязнения и роста микробов.
• Замена питательных веществ и воздуха: Их необходимо тщательно контролировать и заменять по мере необходимости, чтобы обеспечить более быстрое и эффективное развитие организма в правильной среде.
• Проверка pH и температуры: pH и температура брожения должны поддерживаться в оптимальном диапазоне организмов. Следовательно, регулярные проверки необходимы для предотвращения колебаний роста микроорганизмов и брожения.
• Плановое техническое обслуживание и ремонт: погружные бродильные машины - это очень сложные устройства. Регулярное техническое обслуживание гарантирует их правильную работу, а также продлевает срок службы. Следовательно, для них должен быть запланирован график обслуживания и непрерывного ремонта.

Сценарии погружного брожения

Погружное брожение имеет различные применения в разных отраслях промышленности. Ниже приведены некоторые из основных применений погружного брожения.

• Производство алкоголя

  Погружное брожение широко используется при производстве алкогольных напитков, таких как пиво, виски и вино. Микроорганизмы, такие как дрожжи, культивируют в богатых питательными веществами жидкостях для инициирования алкогольного брожения. При пивоварении погружное брожение помогает создавать различные сорта пива с использованием специфических штаммов дрожжей и условий брожения.

• Производство органических кислот

  Погружное брожение используется для производства органических кислот, таких как лимонная кислота, молочная кислота и уксусная кислота. Эти кислоты являются ценными добавками в пищевой и напиточной промышленности, а также в химическом производстве. Например, лимонная кислота широко используется в качестве подкислителя и консерванта в пищевых продуктах.

• Производство растворителей

  Погружное брожение используется для производства органических растворителей, таких как ацетон, бутанол и этанол. Эти растворители имеют промышленное применение в покрытиях, клеях, пластмассах и фармацевтических препаратах. Бактерии Clostridium обычно используются для производства бутанола и ацетона путем погружного брожения.

• Производство антибиотиков и фармацевтических препаратов

  Многие антибиотики и фармацевтические соединения производятся с помощью погружного брожения. Микроорганизмы, такие как грибы и бактерии, культивируют в специальных жидких средах для получения этих биоактивных соединений. Процесс погружного брожения позволяет производить в больших количествах антибиотики, такие как пенициллин, стрептомицин и тетрациклин, а также другие лекарственные соединения.

• Производство ферментов

  Погружное брожение широко используется для крупномасштабного производства ферментов, таких как протеазы, амилазы, целлюлазы и липазы. Эти ферменты находят применение в различных отраслях промышленности, включая пищевую и напиточную, моющие средства, текстиль, биотопливо и фармацевтику. Микроорганизмы, такие как бактерии и грибы, используются в качестве ферментативных агентов для производства ферментов.

Как выбрать погружное брожение

Вот несколько факторов, которые следует учитывать при выборе погружного брожения для продажи.

• Масштаб операции:

  Рассчитайте количество продукта, необходимое в месяц. Будь то мелкомасштабное или крупномасштабное производство, выбор системы погружного брожения будет зависеть от этого. Системы с большими бродильными резервуарами идеально подходят для крупномасштабных промышленных применений, а меньшие мешалки более подходят для мелкомасштабного или лабораторного использования.

• Микроорганизм:

  Учитывайте тип микроорганизмов, которые необходимо обрабатывать. Различные микроорганизмы требуют различных систем погружного брожения для процветания и эффективной работы. Убедитесь, что выбранная система брожения поддерживает желаемый микроорганизм.

• Требования к питательным веществам:

  Различные микроорганизмы имеют разные потребности в питательных веществах. Выберите систему погружного брожения, которая может оптимально использовать необходимые ингредиенты для обеспечения роста и развития микроорганизмов.

• Управление процессом:

  Процесс погружного брожения требует точного контроля температуры, pH, концентрации растворенного кислорода и подачи питательных веществ, среди прочего. Выберите систему брожения, которая доступна и надежна, чтобы гарантировать согласованность и качество продукции.

• Рекуперация и очистка продукта:

  Учитывайте методы и технологии, доступные для рекуперации и очистки конечных продуктов в системе брожения. Выберите систему погружного брожения, которая обеспечивает эффективные решения для извлечения и очистки продукта, чтобы повысить производительность и снизить эксплуатационные расходы.

• Экономический анализ:

  Оцените капитальные затраты, эксплуатационные расходы и потенциальную окупаемость инвестиций, связанные с различными типами систем погружного брожения. Проведите анализ затрат и выгод, основываясь на конкретных бизнес-потребностях и ограничениях, чтобы выбрать систему брожения, которая обеспечивает наилучшую экономическую эффективность.

• Соответствие нормативным требованиям:

  Для отраслей, работающих в условиях строгих нормативных требований, таких как фармацевтическая и пищевая промышленность, выбранная система погружного брожения должна соответствовать соответствующим нормативным стандартам. Это гарантирует безопасность продукта, качество и отслеживаемость, среди прочего.

Вопросы и ответы о погружном брожении

В1: Чем погружное брожение отличается от других методов брожения?

А1: Погружное брожение отличается от других методов, таких как твердофазное брожение и поверхностное брожение. Оно предполагает использование жидкой среды и подачи кислорода для стимулирования роста микроорганизмов и производства метаболитов.

В2: Какие типы микроорганизмов подходят для погружного брожения?

А2: Многие микроорганизмы могут процветать в условиях погружного брожения, включая бактерии, грибы и дрожжи. Важно выбирать штаммы, способные к эффективному использованию субстрата и образованию продукта.

В3: Какие типы продуктов получают методом погружного брожения?

А3: Погружное брожение используется для получения антибиотиков, органических кислот, спиртов, растворителей и других микробных метаболитов.

В4: В чем преимущества погружного брожения?

А4: Погружное брожение позволяет точно контролировать условия окружающей среды, что приводит к предсказуемым и воспроизводимым выходам продукта. Оно также поддерживает рост микроорганизмов с высокой плотностью и более высокие скорости брожения.