مقدمة في عملية هندسة التخمير والتكنولوجيا الرئيسية

خصائص عملية التخمير

الفرق الأكبر بين التخمير والصناعات الكيميائية الأخرى هو أنه رد فعل كيميائي يقوم به الكائنات الحية. ميزاتها الرئيسيةيتبع::

أنا. بشكل عام ، فإن عملية التخمير هي رد فعل كيميائي حيوي تحت درجة الحرارة والضغط الطبيعي ، وهو آمن ويتطلب ظروفًا بسيطة نسبيًا.

الثاني. ال المواد الخام المستخدمة في التخمير عادةً ما تكون النشا أو الدبس أو غيرها من المنتجات الزراعية والانهيار ، ويمكن إجراء التفاعل طالما تتم إضافة كمية صغيرة من مصادر النيتروجين العضوية وغير العضوية. اعتمادًا على نوع الكائن الحي ، يمكنه استخدام العناصر الغذائية التي يحتاجها بشكل انتقائي. بناءً على هذه الخاصية ، يمكن استخدام مياه الصرف الصحي والنفايات كمواد خام للتخمير لتحويل الموارد البيولوجية.

ثالثا. يتم الانتهاء من عملية التخمير من خلال التنظيم التلقائي للكائن الحي ، وتفاعل التفاعل خصوصية قوية ، بحيث يمكن الحصول على المستقلبات الفردية نسبيًا.

رابعا. نظرًا لآلية التفاعل للكائن الحي نفسه ، يمكن أن تنفذ تفاعلات التحول الكيميائي مثل الأكسدة وتقليل أجزاء محددة من بعض المركبات المعقدة بطريقة متخصصة وانتقائية للغاية ، ويمكن أن تنتج أيضًا مركبات بوليمر معقدة نسبيًا.

ضد. من المهم جدًا منع التلوث البكتيري والتحكم فيه في عملية التخمير. بالإضافة إلى التطهير الصارم للمعدات وترشيح الهواء ، يجب تنفيذ التفاعل في ظل ظروف معقمة. إذا كانت البكتيريا ملوثة ، فإن الإنتاج سيعاني من خسائر اقتصادية هائلة. إذا كان المصاب بالبكتيريا ، فإن التخمير سيؤدي إلى مزيد من الضرر ، وبالتالي فإن الحفاظ على الظروف المعقمة هو مفتاح نجاح التخمير.

السادس. السلالات الميكروبية هي العوامل الأساسية للتخمير. من خلال الطفرة وفحص الإجهاد ، يمكن الحصول على سلالات عالية العائد ويمكن استخدام معدات الإنتاج بالكامل ، بحيث يمكن الحصول على المنتجات التي يصعب إنتاجها بالطرق التقليدية.

السابع. بالمقارنة مع الصناعات الأخرى ، فإن التخمير الصناعي له استثمار أقل ، وتأثير سريع ، ويمكن أن يحقق فوائد اقتصادية كبيرة.

بناءً على الخصائص المذكورة أعلاه ، اجتذب التخمير الصناعي المزيد والمزيد من الاهتمام. بالمقارنة مع تقنية التخمير التقليدية ، فإن هندسة التخمير الحديثة لديها المزيد من المزايا بالإضافة إلى الخصائص المذكورة أعلاه. كما هو الحال في استخدام الخلايا الميكروبية ، يمكن أيضًا استخدام الخلايا والإنزيمات الحيوانية والنباتية ، يمكن أيضًا استخدام البناء الاصطناعي للبكتيريا الهندسية "للتفاعل ؛ معدات التفاعل ليست فقط المخمر التقليدي ، ولكن مجموعة متنوعة من المفاعلات الحيوية بدلاً من ذلك ، أتمتة ، درجة عالية من الاستمرارية ، بحيث يكون مستوى التخمير على الأساس الأصلي للتحسين والابتكار.

أنواع التخمير

اعتمادًا على خصائص التخمير ومتطلبات الأكسجين للكائنات الحية الدقيقة ، يمكن تقسيم التخمير إلى عدة أنواع:

أنا. وفقًا لمواد التخمير ، يمكن تقسيمها إلى تخمير السكاريد ، وتخمير البترول ، وتخمير مياه الصرف وأنواع أخرى.

الثاني. وفقًا لمنتجات التخمير ، يمكن تقسيمها إلى تخمير الأحماض الأمينية ، وتخمير الأحماض العضوية ، وتخمير المضادات الحيوية ، وتخمير الكحول ، وتخمير الفيتامينات ، إلخ.

ثالثا. وفقًا لشكل التخمير ، يتم تقسيمه إلى التخمير الصلب ، والتخمير شبه الصلب والتخمير السائل.

رابعا. وفقًا لعملية التخمير ، يمكن تقسيمها إلى تخمير الدُفعات والتخمير المستمر وتخمير التدفق.

v. وفقًا للاحتياجات المختلفة للأكسجين في عملية التخمير ، يمكن تقسيمها إلى تخمير اللاهوائي وتخمير التهوية.

السادس. وفقًا للمستقلبات ، يتم تقسيمه إلى تخمير الأيض الأولي (تخمير الكحول ، تخمير الأحماض الأمينية ، تخمير الأحماض العضوية ، إلخ) وتخمير المستقلب الثانوي (تخمير المضادات الحيوية ، تخمير الصباغ ، إلخ).

عملية التخمير

لأي نوع من التخمير (باستثناء بعض عمليات التحويل) ، تتكون عملية التخمير المحددة من 6 مكونات:

أنا). الأنواع والبذور المتوسطة ووسط التخمير ؛

الثاني). تعقيم المعدات المتوسطة والمخمر والمساعد ؛

ثالثا). إنتاج ثقافة البذور على نطاق واسع ونشط ونقي ؛

رابعا). الإنتاج الضخم للمنتجات في ظل ظروف النمو المثلى للكائنات الحية الدقيقة في المخمرات ؛

الخامس). استخراج المنتج وتنقية ؛

السادس). معالجة سائل نفايات التخمير.

لذلك ، من الضروري إجراء بحث مستمر لتحسين الكفاءة الذاتية لعملية التخمير بأكملها. قبل إنشاء عملية التخمير ، يجب عزل السلالة وتعديلها لتجميع المنتج المستهدف بحيث يفي المنتج المنتج بالمتطلبات الصناعية ويجب أن يكون العائد ذا قيمة اقتصادية. ثم حدد متطلبات الكائنات الحية الدقيقة في الثقافة ، وقم بإعداد المعدات المقابلة. في الوقت نفسه ، يجب تحديد طريقة الفصل والاستخراج للمنتج. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن تتضمن خطة البحث الشاملة أيضًا التحسين المستمر للأنواع الميكروبية والوسائط وطرق الاستخراج أثناء التخمير وبعدها.

تقنيات مفتاح هندسة التخمير

أنا. اختيار الإجهاد وتكنولوجيا التكاثر

يعتمد اختيار الإجهاد على متطلبات الإنتاج ونظرية التباين الجيني الميكروبي. تُستخدم الطرق الاصطناعية لتحفيز السلالات ، ثم يتم استخدام طرق الفحص المختلفة لفحص السلالات المستهدفة التي تلبي المتطلبات. الغرض من تربية الإجهاد هو تحسين الخصائص الأساسية للسلالة ، وزيادة العائد ، وتحسين الجودة ، وتقليل التكلفة ، وإصلاح التكنولوجيا ، والإدارة المريحة والاستخدام الشامل. تشمل الطرق الأساسية للتكاثر البكتيري التكاثر الطبيعي ، وتكاثر مقاومة البغال ، وتربية الطفرات ، وتربية هندسة التمثيل الغذائي ، والتكاثر الموجهة للجينات ، وإعادة تنظيم الجينوم وسلسلة من الطرق.

في المرحلة المبكرة من هندسة التخمير والمرحلة الحديثة من هندسة التخمير ، تم استخدام الكائنات الحية الدقيقة البرية باعتبارها الهيئة الرئيسية للتخمير. في المرحلة الحديثة من التخمير ، لا تزال طرق التكاثر الممتازة رابطًا مهمًا في مشروع هندسة التخمير. أولاً ، باستخدام آلية الفحص الجديدة ومؤشرات تعريف الفحص ، نواصل الحصول على سلالات ممتازة من الطبيعة. والثاني هو استخدام الهندسة الوراثية ، وتكنولوجيا هندسة الخلايا ، إلى جانب وسائل البيولوجيا الجزيئية ، واعتماد مبادئ هندسة التمثيل الغذائي ، والتنظيم الأيضي ، وبيولوجيا الأنظمة ، وما إلى ذلك ، لإعادة بناء البكتيريا المهندسة وراثيا أو التعديل الوراثي للوجود سلالات المبتدئين ، وذلك للحصول على سلالات ممتازة قادرة على إنتاج منتجات التخمير المطلوبة.

الثاني. تكنولوجيا الثقافة الخالصة

تستخدم صناعة التخمير عمومًا سلالات ميكروبية محددة للثقافة الخالصة ، وذلك لتحقيق الغرض من إنتاج المنتجات المطلوبة. لذلك ، يجب تنفيذ عملية التخمير في ظل حالة عدم وجود تلوث في البكتيريا المتنوعة. ترتبط الثقافة المعقمة للكائنات الحية الدقيقة مباشرة بنجاح أو فشل عملية الإنتاج. إذا لم يتم حل مشكلة العقم بشكل جيد ، فستؤدي ذلك إلى الحد من كمية وجودة المنتجات المطلوبة وصعوبة ما بعد المعالجة. سوف تجعل الثقيلة جميع الثقافة المتوسطة المتحولة ، مما يؤدي إلى الكثير من الخردة الإعلامية ، مما يؤدي إلى خسائر اقتصادية خطيرة ، وهو أمر أكثر بروزًا لعملية الإنتاج على نطاق واسع. من أجل ضمان التقدم الطبيعي لعملية الثقافة ومنع حدوث البكتيريا ، تحتاج ثقافة معظم الكائنات الحية الدقيقة ، بما في ذلك تشغيل المختبر والإنتاج الصناعي ، إلى إجراء تعقيم صارم. تعقيم عملية التخمير ينطوي على معدات التخمير والتهوية في عملية التخمير.

ثالثا. تقنية تحسين عملية التخمير

تحسين عملية التخمير بما في ذلك من الخلايا الميكروبية إلى تحسين المستوى الكلي للكيمياء الحيوية الميكروبية ، وخلايا التنظيم الفسيولوجي ، والبيئة ، وخصائص المفاعل ، وظروف التشغيل العملية ، وتفاعلات معقدة التحكم في المفاعل بين المبسطة قدر الإمكان ، والعلاقة بين هذه الظروف و الأمثل ، اجعل الأنسب لطريقة تحسين نظام التخمير المعينة. يتضمن هذا التحسين بشكل أساسي أربعة جوانب من محتوى البحث ، الأول هو دراسة عملية نمو الخلايا ؛ والثاني هو القياس المتكافئ للتفاعلات الميكروبية. والثالث هو حركية التفاعل البيولوجي. الرابع هو هندسة المفاعل الحيوي.

رابعا. تقنية تضخيم عملية التخمير

من أجل تحقيق الغرض من تعميم وانتقال نتائج المختبر إلى النطاق الصناعي ، من الضروري عمومًا الذهاب من خلال أبحاث تحسين عملية النطاق التجريبي. من أجل التغلب على الصعوبات ، خاصة بالنسبة لبعض منتجات التخمير على نطاق واسع نسبيًا ، يتم اعتماد طريقة تضخيم خطوة بخطوة. تشمل طرق تضخيم عملية التخمير: تخمير التماثل التشابه الهندسي ، وتضخيم قدرة إمدادات الأكسجين ، وتضخيم تشابه استقلاب البكتيريا ، وتضخيم تشابه ظروف الثقافة ، ومحاكاة النموذج الرياضي وتضخيم التنبؤ.

v.

يشير الفصل وتنقية منتجات التخمير إلى عملية الاستخراج والتركيز وتنقية وإنهاء المنتجات المستهدفة للتخمير. تنعكس أهمية فصل وتنقية منتجات التخمير بشكل أساسي في خصوصية وتعقيد ومتطلبات المنتجات البيولوجية الصارمة ، مما يؤدي إلى نسبة كبيرة من تكلفة الفصل وتنقية تكلفة الإنتاج بأكملها لمنتجات التخمير. عادةً ما تمثل تكلفة فصل الانفصال والتنقية في هندسة التخمير بنسبة 50 ٪ ~ 70 ٪ من تكلفة الإنتاج ، وبعضها يصل إلى 90 ٪ ، مما يصبح في كثير من الأحيان عامل التقييد لتنفيذ العملية الكيميائية الحيوية بدلاً من العملية الكيميائية إنتاج. لذلك ، فقط من خلال تصميم عملية الاستخراج والتكرير المعقولة لتحسين جودة المنتج وتقليل تكلفة الإنتاج ، يمكن تحقيق الإنتاج التجاري على نطاق واسع للمنتجات المخمرة.

السادس. تكنولوجيا المراقبة والتحكم التلقائية لعملية التخمير

بمعنى ما ، يعتمد نجاح أو فشل عملية التخمير بالكامل على الحفاظ على بيئة محكومة ومثمرة. الطريقة الأكثر فعالية لتحقيق ذلك هي من خلال القياس المباشر لتغييرات المعلمة المختلفة وتنظيم العمليات البيولوجية. يمكن لتطبيق الرياضيات ، والمبادئ الكيميائية ، وتكنولوجيا الكمبيوتر الإلكترونية ، وأجهزة التحكم التلقائي على عملية التخمير ، وقياس معلمات التكنولوجيا الحيوية ، ونمذجة والتحكم في العملية البيولوجية ، السيطرة الفعالة على عملية التخمير الصناعية وتحسين كفاءة الإنتاج.