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Na indústria de fermentação, a qualidade das sementes é a pedra angular do processo de produção e está diretamente relacionada à eficiência da fermentação, rendimento do produto e estabilidade da qualidade. As sementes de alta qualidade são ricas em células microbianas com vitalidade vigorosa e características genéticas estáveis, que podem se adaptar rapidamente ao ambiente de fermentação, utilizar eficientemente os recursos do meio de cultura e promover o rápido acúmulo de metabólitos. Pelo contrário, a má qualidade das sementes pode causar problemas como crescimento lento e contaminação por bactérias estranhas, restringindo seriamente o processo de fermentação e até levando à falha de produção. Portanto, o controle rigoroso da tecnologia de preparação de sementes para garantir alta pureza de sementes e forte vitalidade é a chave para melhorar a eficiência da produção de fermentação e garantir a qualidade do produto. Os principais fatores que afetam a cultura do tanque de sementes incluem: condições nutricionais, condições de cultura, controle de contaminação, determinação do nível de expansão e determinação da quantidade de inoculação.

01 Meio de cultura (condições nutricionais):

O meio de cultura está relacionado à aquisição da nutrição e tem impacto direto no crescimento, reprodução, atividade enzimática e rendimento dos microrganismos. O meio de cultura pode ser dividido em nutrição de crescimento básico C/N, controle de pressão osmótica de sal inorgânico, composição de manutenção de oligoelementos e sistema de regulação de atividade de enzima de pH.

Os requisitos para o meio de cultura são composição simples, fontes abundantes, baixo preço e aquisição de material conveniente. O meio de cultura de sementes é o ambiente básico para o crescimento e reprodução de sementes. Ele fornece aos microrganismos os nutrientes necessários, fontes de energia e condições físicas e químicas adequadas. Em primeiro lugar, nutrientes suficientes e equilibrados são a chave para garantir a vitalidade e quantidade das sementes. Por exemplo, a fonte de carbono é a base energética para o crescimento microbiano, e a fonte de nitrogênio é um componente importante do material celular. Se a fonte de carbono ou fonte de nitrogênio for insuficiente, o crescimento das sementes será inibido e a quantidade e qualidade esperadas não podem ser alcançadas. Os sais inorgânicos no meio de cultura, como fósforo, enxofre, magnésio, potássio, etc., desempenham um papel indispensável na manutenção do equilíbrio da pressão osmótica das células, atividade enzimática, e integridade estrutural das células. Tomando o fósforo como exemplo, está envolvido na síntese de ácidos nucléicos e fosfolipídios. Se falta fósforo, a replicação do material genético celular e a formação das membranas celulares serão prejudicadas, afetando assim o crescimento e a reprodução das sementes. O teor de pureza e impureza das matérias-primas do meio de cultura afetará o crescimento de microrganismos. Se as matérias-primas contiverem substâncias tóxicas ou inibidores, elas podem ter um efeito tóxico no crescimento das sementes e até causar a morte das sementes.

A. O último nível de meio de cultura no tanque de sementes deve ser consistente com o do tanque de produção. Neste momento, o sistema enzimático necessário para a fermentação foi estabelecido no tanque anterior e não precisa ser reconstruído sob as novas condições ambientais.

B. A razão da fonte de nitrogênio deve ser aumentada no meio de cultura do tanque de sementes, e a proporção incremental de nitrogênio inorgânico deve ser maior.

C. Depois que a deformação é atualizada, devido às diferenças do equipamento (tipo de tanque, forma de agitação, velocidade, etc.), a proporção do meio de cultura precisa ser reajustada de acordo com o experimento.

02 espécies de idade, quantidade de inoculação:

O requisito de idade das sementes é de grande importância para o transplante na fase de crescimento logarítmico.

Como as sementes jovens não cresceram e amadureceram totalmente, vários sistemas enzimáticos e mecanismos metabólicos nas células ainda não foram totalmente estabelecidos, resultando em uma fraca capacidade de se adaptar ao novo ambiente após o repotting e uma lenta velocidade de inicialização. As espécies antigas, por outro lado, também podem ter um desempenho ruim no novo ambiente devido a razões como viabilidade celular reduzida e capacidade metabólica. Ambas as situações prolongarão o ciclo de fermentação, aumentarão os custos de produção e, em última análise, levarão a rendimentos mais baixos. A quantidade de inoculação tem um impacto significativo no comprimento da fase de defasagem no novo ambiente. Quando a quantidade de inoculação é grande, os metabólitos que acompanham, como o RNA, necessários para a divisão e reprodução celular, sãoBundant. Esses metabólitos podem suportar rapidamente o crescimento e a reprodução de células no novo ambiente, permitindo que as células entrem rapidamente na fase de crescimento logarítmico e encurtem o tempo de adaptação ao novo ambiente.

Pelo contrário, se a quantidade de inoculação é muito pequena, o conteúdo de metabólitos nas células é insuficiente, e as células precisam gastar mais tempo para sintetizar as substâncias necessárias, prolongando assim o período de atraso. Tomando a produção de álcool por fermentação de levedura como exemplo, quando a quantidade de inoculação é insuficiente, a taxa de produção de álcool no estágio inicial da fermentação será significativamente retardada, resultando em todo o ciclo de fermentação sendo prolongado e a eficiência da produção reduzida.

03 Temperatura:

Olhe para a temperatura no estágio inicial e dissolveu o oxigênio no estágio posterior.

Qualquer microorganismo tem sua temperatura de crescimento e temperatura de produção ideais, como segue:

No campo da biologia, temperatura, como um dos principais fatores ambientais para o crescimento microbiano, hComo um impacto significativo na taxa de crescimento e atividades metabólicas de microrganismos. De acordo com uma regra geral, a taxa de crescimento de microrganismos geralmente dobra para cada aumento de 10 ° C. Isso ocorre principalmente porque a temperatura pode afetar diretamente o sistema enzimático metabólico nas células.

Enzimas são proteínas que catalisam reações químicas em organismos, e quase todo o crescimento microbiano e processos metabólicos são catalisados por enzimas. A taxa de reação das enzimas é muito afetada pela temperatura. Existe uma faixa de temperatura ideal. Dentro dessa faixa, a atividade enzimática é a mais alta e o crescimento e o metabolismo dos microrganismos também são os mais rápidos. Quando a temperatura é inferior à temperatura ideal, a atividade da enzima diminui e a taxa de crescimento dos microrganismos diminui; quando a temperatura é superior à temperatura ideal, a enzima pode perder atividade devido à desnaturação, resultando no crescimento de microrganismos sendo prejudicado ou até mesmo na morte.

04 efeito pH:

4.1 Efeito do valor do pH na atividade enzimática:

Regulação da atividade enzimática: As enzimas são proteínas-chave que catalisam reações bioquímicas em microrganismos e sua atividade é significativamente afetada pelo valor do pH. Cada enzima tem sua faixa de pH ideal, dentro da qual a atividade enzimática é mais alta. Quando o valor do pH se desvia da faixa ideal, a atividade enzimática diminui gradualmente ou até se torna completamente inativa. Isso fará com que o processo metabólico dos microrganismos seja bloqueado, afetando a absorção e utilização de nutrientes, reduzindo assim a qualidade das sementes.

Afetando as vias metabólicas: Mudanças no pH também podem causar alterações nas vias metabólicas microbianas. Por exemplo, sob condições ácidas, certos microrganismos podem aumentar a via de fermentação do ácido láctico para manter a homeostase do pH, o que pode alterar os tipos e proporções dos metabólitos, afetando assim a qualidade das sementes.

4.2 Efeito do valor do pH na membrana celular:

Permeabilidade da membrana celular: o valor do pH pode afetar o estado de carga da membrana celular microbiana, alterando assim a permeabilidade da membrana celular. A membrana celular é o principal canal para os microrganismos trocarem substâncias com o ambiente externo. Mudanças em sua permeabilidade afetarão diretamente a absorção de nutrientes e a excreção de metabólitos por microrganismos.

Estabilidade celular: sob condições extremas de pH, a estrutura da membrana celular pode ser danificada, fazendo com que substâncias intracelulares vazem ou substâncias nocivas externas entrem na célula, afetando assim as funções fisiológicas normais da célula.

4.3 Efeito do valor do pH na absorção de nutrientes:

Afeta a dissociação de nutrientes: Nutrientes (como aminoácidos, minerais, etc.) no meio de cultura se dissociam em diferentes graus sob diferentes condições de pH, que afetará a eficiência de absorção e utilização desses nutrientes pelos microrganismos.

Competição que afeta os nutrientes: em sistemas de cultura mista, diferentes microrganismos têm diferentes habilidades para absorver e utilizar nutrientes. Mudanças no pH podem mudar essa relação competitiva, afetando assim o crescimento e a reprodução de espécies bacterianas dominantes.

Os valores de pH não ótimos farão com que a taxa de crescimento dos microrganismos diminua ou até mesmo fique estagnada, o que afetará o acúmulo de biomassa e a melhoria da qualidade das sementes; o cultivo a longo prazo de microrganismos sob condições inadequadas de pH pode levar a mudanças em suas características genéticas (como mutações de genes, recombinação de genes, etc.), Afetando assim a estabilidade genética das sementes e a estabilidade da produção de fermentação subsequente; um valor de pH adequado pode melhorar a resistência ao estresse dos microrganismos (como antioxidante, resistência à pressão osmótica, etc.), permitindo que eles adaptem melhor o ambiente de produção complexo e mutável e mantenham o crescimento estável e o estado metabólico.

Ânions (acetato, fosfato) são absorvidos ou fontes de nitrogênio são utilizadas para produzir NH3, fazendo com que o pH suba;

Os catiões (NH4 , K) são absorvidos ou os ácidos orgânicos se acumulam, fazendo com que o pH caia;

O pH do meio de cultura C alto se move para baixo pH;

O pH do meio N alto se move em direção a um pH alto.

Existem três maneiras de ajustar o pH: uma solução ácido-base; b solução tampão; c tampão fisiológico (sal fisiológico ácido ou fisiológico alcalino).

05 Aeração e agitação:

O volume de ventilação, a pressão do tanque e a agitação determinam em conjunto o estado atual de oxigênio dissolvido. Somente quando o oxigênio dissolvido é maior do que o DBO atual, o lote de sementes pode crescer normalmente. Após o transplante, as bactérias entram no período de crescimento logarítmico, e a divisão e o reproTaxa de ducção aumenta exponencialmente. Neste momento, o volume de ventilação e a potência de agitação são geralmente ajustados alternadamente para fazer o DO atingir o padrão necessário da bactéria. Uma vez que a bactéria não consegue atender ao padrão, a temperatura pode ser baixada apropriadamente para reduzir a taxa de consumo de oxigênio da bactéria. Neste momento, a eficiência da divisão bacteriana e do crescimento é reduzida, mas não causará hipoxia, deformidade ou autólise.

5.1 Efeito sinérgico do volume de ventilação e agitação:

O volume de ventilação aumenta diretamente a fonte de oxigênio dissolvido, injetando ar fresco no fermentador. Ao mesmo tempo, a agitação melhora a uniformidade da distribuição e a eficiência de transferência de massa do oxigênio dissolvido no meio de cultura, promovendo a mistura de partículas gasosas, líquidas e sólidas no meio de cultura. O ajuste alternado do volume de ventilação e da potência de agitação pode atingir um controle fino dos estágios de oxigênio dissolvido. Por exemplo, durante o período de crescimento bacteriano vigoroso, aumentar o volume de ventilação e o poder de agitação pode aumentar o nível de oxigênio dissolvido e atender à demanda bacteriana por oxigênio; quando o oxigênio dissolvido é excessivo ou insuficiente, o oxigênio dissolvido pode ser mantido estável ajustando o volume de ventilação e o poder de agitação.

5.2 Relação entre oxigênio dissolvido e BOD:

A demanda biológica de oxigênio (DBO) é um indicador do grau de poluição orgânica na água, que reflete a quantidade de oxigênio necessária pelos microrganismos para decompor essa matéria orgânica. Durante o processo de fermentação, os microrganismos só podem crescer normalmente quando o oxigênio dissolvido (DO) é maior do que a atual demanda biológica de oxigênio (DBO). Se o DO for menor do que o DBO, os microrganismos serão inibidos pela falta de oxigênio, resultando em uma diminuição na taxa de crescimento, acúmulo reduzido de metabólitos e até autólise celular.

06 Determinação dos estágios do tanque de sementes:

Quanto menos estágios, menos provável é que seja contaminado. Os estágios são determinados pelas propriedades da cepa, como taxa de crescimento, concentração bacteriana logarítmica, nível de desenvolvimento de esporos, etc. Após otimização contínua e depuração, o número de estágios do tanque de sementes deve ser reduzido o máximo possível, Mas deve basear-se na premissa de que não afeta ou afeta menos o aumento no período de defasagem do tanque de produção e a taxa de crescimento no período de crescimento logarítmico.

Na indústria de fermentação, o número de estágios de tanque de sementes é um parâmetro de processo chave, que afeta diretamente o risco de contaminação microbiana, eficiência de crescimento e a estabilidade e custo de todo o processo de fermentação. A determinação do nível é geralmente baseada nas características da cepa, como taxa de crescimento, concentração bacteriana logarítmica, nível de desenvolvimento de esporos, etc. Esses fatores determinam em conjunto as necessidades e adaptabilidade dos microrganismos em diferentes estágios de crescimento. Quais são as vantagens de reduzir o número de estágios de expansão?

6.1 Reduzir o risco de contaminação:

Quanto menos os estágios, menos etapas operacionais e mudanças ambientais que os microrganismos experimentam durante o processo de expansão, reduzindo assim o risco de contaminação. A contaminação bacteriana é um problema comum na indústria de fermentação, que pode levar à falha de fermentação, degradação da qualidade do produto e até interrupção da produção. Portanto, reduzir o número de estágios é de grande importância para melhorar a estabilidade e confiabilidade do processo de fermentação.

6.2 Melhorar a eficiência do crescimento:

Sob condições adequadas, a taxa de crescimento dos microrganismos é constante, mas cada vez que os microrganismos são transferidos e expandidos, haverá uma certa perda de crescimento e período de adaptação. Portanto, reduzir o número de estágios pode encurtar o tempo desde a inoculação até o período de crescimento logarítmico dos microrganismos e melhorar a eficiência do crescimento.

6.3 Reduzindo custos:

Reduzir o número de etapas significa que os equipamentos, mão de obra, materiais e outros recursos necessários também são reduzidos em conformidade, o que ajuda a reduzir os custos de produção.

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6.4 Precauções:

No processo de redução do número de etapas, deve-se assegurar que o aumento no período de histerese do tanque de produção e a taxa de crescimento no período de crescimento logarítmico não sejam significativamente afetados. Isso ocorre porque o período de histerese é um período crítico para os microrganismos se adaptarem ao novo ambiente e ajustarem seu estado metabólico. Se o período de histerese for muito longo, isso levará a uma extensão de todo o ciclo de fermentação e a uma diminuição no rendimento. Ao mesmo tempo, o crescimento raTe durante a fase de crescimento logarítmico determina diretamente a taxa de reprodução e a biomassa final dos microrganismos. Se a taxa de crescimento diminuir, também afetará o efeito de fermentação e a qualidade do produto.

07 Controle de bactérias na fase de sementes:

A contaminação por bactérias refere-se à contaminação de microrganismos não-alvo durante o processo de cultura. Isso pode levar à falha de cultura ou degradação da qualidade do produto. Portanto, medidas de operação asséptica rigorosas devem ser tomadas, como o uso de equipamentos assépticos, meio de cultura e inóculo, desinfecção e esterilização regulares, etc.

7.1 A contaminação por bactérias levará diretamente a um declínio na qualidade das sementes:

A vitalidade das sementes se reflete na capacidade de se dividir, no número total de bactérias viáveis e no tempo necessário para a inicialização. As sementes normais devem ser populações microbianas puras e únicas, mas após a contaminação, outras bactérias serão misturadas, alterando a composição microbiana e a proporção das sementes. Isso afetará as características de crescimento e a atividade metabólica das sementes. Por exemplo, as bactérias podem competir por nutrientes, interferir no crescimento normal e no metabolismo dos microrganismos-alvo, levar à vitalidade insuficiente das sementes, aumentar o tempo necessário para a expansão, etc.

7.2 A contaminação por bactérias afetará o rendimento e a qualidade da fermentação:

Devido à presença de bactérias nas sementes, inoculação forçada ou ignorando o risco de contaminação por bactérias, após entrar no tanque, essas bactérias podem produzir substâncias diferentes do produto alvo, resultando em uma diminuição no rendimento e pureza do produto de fermentação. Por exemplo, ao produzir antibióticos, a contaminação por bactérias pode reduzir a potência dos antibióticos ou até mesmo não atender aos padrões farmacêuticos.

7.3 Falha SOP, ajuste temporário do processo:

Após inocular o líquido de sementes contendo bactérias estranhas, as propriedades físicas e químicas do líquido de fermentação no tanque de produção, como valor de pH, oxigênio dissolvido, etc., podem ser alteradas, destruindo assim o ambiente de fermentação adequado, afetando o crescimento normal e a regulação metabólica dos microrganismos, Fazendo com que o processo de fermentação seja desordenado e incapaz de operar de acordo com o SOP estabelecido, exigindo intervenção temporária e orientação do pessoal de processo.

7.4 A contaminação bacteriana aumentará os custos de produção:

Uma vez que a contaminação bacteriana é descoberta, uma série de medidas são frequentemente necessárias para lidar com ela, como interromper a fermentação, limpar equipamentos e repreparar sementes, que requer muita mão de obra e recursos materiais e aumenta os custos de tempo.

A contaminação bacteriana durante o período de ativação pode ser evitada aumentando as operações paralelas e selecionando cepas de alta qualidade para garrafas agitadas. Mesmo se ocorrer contaminação bacteriana, aumentará os custos de tempo e não causará muitos custos de material e perdas de manutenção de equipamentos; a perda de contaminação bacteriana durante o estágio de expansão é maior do que durante o estágio de ativação, mas ainda é mais sensato encerrar a fermentação após a contaminação bacteriana.

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