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Herausforderungen der Fermentation im industriellen Maßstab

Herausforderungen der Fermentation im industriellen Maßstab


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Ich habe den Wikipedia-Artikel über die industrielle Fermentation gelesen und er erwähnt das

Auf dem Gebiet der industriellen Mikrobiologie ist allgemein bekannt, dass das, was im Labormaßstab gut funktioniert, beim ersten Versuch im großen Maßstab schlecht oder gar nicht funktioniert.

Warum ist das so? Was sind die Hindernisse für eine groß angelegte Fermentation von Bakterienkulturen?

Ich weiß auch, dass Zellkulturen unterschiedliche Wachstums- und Zerfallsphasen haben, aber was passiert nach dem Absterben der Zellen? Müsste ein industrieller Fermentationsprozess die Bakterien "rekultivieren"?


12. International Symposium on Process Systems Engineering und 25. European Symposium on Computer Aided Process Engineering

1. Einleitung

Industrielle Fermentationsverfahren werden immer beliebter für die Produktion von Massen- und Feinchemikalien, Pharmazeutika etc. Es ist in der Tat bemerkenswert, dass der Begriff „Fermentationsprozess“ ein breites Spektrum von Produktionswirten umfasst: (1) Filamentöse Pilze werden zur Herstellung von organischen Säuren verwendet, wobei die Zitronensäureproduktion durch Aspergillus niger ( Shu und Johnson, 1948 ) ist ein bekanntes Beispiel (2) Penicillin, das erste entdeckte Antibiotikum, wird in großem Maßstab durch Fermentation von Penicillium chrysogenum (Moyer, 1948) (3) Rekombinante Proteine ​​wie Insulin werden durch Fermentation mit Escherichia coli ( Johnson, 1983 ) und die Hefe Saccharomyces cerevisiae (Ostergaardet al., 2000). Auch bei Bioethanol-Produktionsprozessen der 2. Generation spielt die Fermentation eine herausragende Rolle. Infolgedessen werden industrielle Fermentationsprozesse als wichtiger technologischer Vorteil angesehen, um unsere zukünftige Abhängigkeit von Chemikalien und aus fossilen Brennstoffen hergestellten Produkten zu verringern.

Trotz ihrer zunehmenden Popularität haben Fermentationsverfahren jedoch noch nicht die gleiche Reife wie traditionelle chemische Produktionsverfahren erreicht, insbesondere wenn es darum geht, Engineering-Tools wie mathematische Modelle, Prozesssteuerungsalgorithmen und Optimierungstechniken zu verwenden, um die Suche nach verbesserten und effizienteren Prozesse.

Diese Perspektive beginnt mit einer Beschreibung einiger der wichtigsten technischen Herausforderungen in der industriellen Fermentationstechnologie, da ein grundlegendes Verständnis dieser Herausforderungen von Vorteil ist, wenn man versucht, die Grenzen des aktuellen Einsatzes von PSE-Methoden und -Werkzeugen zu verstehen. Danach verlagert sich der Fokus auf PSE-Tools und deren Anwendung im Fermentationsbereich, mit besonderem Fokus auf mathematische Modelle. Das Papier endet mit einer Reihe von Zukunftsperspektiven in diesem Bereich: Es werden mehrere potenzielle Lösungen vorgeschlagen, um den zukünftigen Einsatz von PSE-Methoden und -Werkzeugen bei der Entwicklung, dem Betrieb und der Optimierung von Fermentationsprozessen zu erleichtern.


8 Hauptherausforderungen für das Scale-Up von Pilotanlagen

Die Skalierung von Prozesssystemen und Pilotanlagen ist mit mehreren spezifischen Herausforderungen verbunden. In diesem Blog behandeln wir die wichtigsten Herausforderungen, darunter:

  • Herausforderung Nr. 1: Nichtlineares Scale-Up – So einfach ist das nicht
  • Herausforderung #2: Reaktionskinetik – Mischen Sie gut?
  • Herausforderung #3: Chemisches Gleichgewicht – Wie schnell reagieren Sie?
  • Herausforderung #4: Materialeigenschaften – Woraus bist du gemacht? Herausforderung #5: Fluid Dynamics – Wie fließen Sie?
  • Herausforderung #6: Thermodynamik – Ist Ihnen heiß oder kalt?
  • Herausforderung #7: Ausrüstungsauswahl – Wie stellst du sie zusammen?
  • Herausforderung Nr. 8: Agitationsprobleme – Können Sie es sich leisten, es zu verwechseln?
  • Wie man diese Herausforderungen meistert – Sie können es tun

Lesen Sie unten über jede Herausforderung.

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Herausforderungen beim Scale-Up

Ein Pilotanlagen-Scale-up-Projekt erfordert mehrere eingehende technische Studien, um diese Herausforderungen zu meistern. Front-End-Engineering und Scale-up-Design in Modellierungssoftware sollten beide während der Designphase durchgeführt werden. Semiempirische Modellierungsmethoden können verwendet werden, um die Grenzen Ihrer Technologie durch Modellierung zu bestimmen. Es sollte festgestellt werden, dass die chemische Technologie skaliert werden kann und die erforderliche Leistung zu akzeptablen Kosten produziert, bevor ein endgültiger Vertrag unterzeichnet wird.

1. Nichtlineares Scale-up

Nichtlineares Scale-up ist die größte Herausforderung für das Scale-up von Pilotanlagen und die Ursache für die anderen sieben Herausforderungen. Nichtlineares Scale-up bedeutet im Grunde genommen, dass Sie einen chemischen Prozess nicht im Labor nehmen und ihn in eine Pilotanlage bringen können, indem Sie einfach die beteiligten Chemikalien und Ausrüstungen proportional erhöhen.

Wenn ein System vergrößert wird, ändert sich die Oberfläche im Verhältnis zur Masse. Viele andere Eigenschaften, die sich auf die Systemgröße beziehen, ändern sich ebenfalls, wie z. B. laminare und turbulente Strömungsregime aufgrund von Änderungen, die durch die Oberfläche verursacht werden, und das Massenverhältnis. Diese physikalischen Änderungen bewirken eine nichtlineare Änderung der Reaktionskinetik, der Strömungsmechanik und der Thermodynamik.

Zum Beispiel – eine chemische Reaktion in einem Becherglas erfordert eine bestimmte Menge an Chemikalie A und eine bestimmte Menge an Chemikalie B. Das Becherglas hat eine bestimmte Größe. Die Reaktion zwischen diesen beiden Chemikalien führt dazu, dass eine bestimmte Menge an Chemikalie C und eine bestimmte Menge an Wärme freigesetzt werden. Wenn Sie dieses System linear skaliert haben – die Bechergröße 500-mal auf einen Tank erhöht und die Mengen der Chemikalien A und B um das 500-Fache erhöht haben, sollten Sie die 500-fache Menge an Chemikalie C und 500-mal mehr Wärme freigesetzt haben.

Aber Sie werden es nicht tun. Mehrere Dinge können Ihre Reaktion beeinflussen. Zunächst einmal hat ein Tank, der 500 mal größer ist als ein Becherglas, ein ganz anderes Verhältnis zur Chemikalienmasse im Inneren. Ein Becherglas hat viel mehr Kontakt mit der darin enthaltenen Flüssigkeit als ein großer Tank, da die meisten Chemikalien in einem Tank die Wände des Tanks nicht berühren. Dies ist das Verhältnis von Oberfläche zu Masse, das die physikalischen Eigenschaften einer Reaktion beeinflusst.

Einige andere Dinge können sich ändern. Strömungsregime ändern sich und beeinflussen die Art und Weise, wie sich die Chemikalien mischen und miteinander reagieren. Thermodynamik, Fluiddynamik und Reaktionskinetik werden in dem größeren System alle unterschiedlich sein. Alle diese Faktoren beeinflussen die benötigten Mengen von Chemikalie A und Chemikalie B und die produzierten Mengen von Chemikalie C.

Im Folgenden sind sieben spezifische Dinge aufgeführt, die sich während des Scale-Ups ändern. Diese basieren alle auf der obigen Idee, dass Scale-up nicht linear ist.

2. Reaktionskinetik

Moleküle in einer Reaktion müssen sich gut vermischen, um so schnell wie möglich den Gleichgewichtszustand zu erreichen. Es gibt verschiedene physikalische und chemische Faktoren, die eine effiziente Vermischung und Kollision beeinflussen und zu einer schlechten Reaktionskinetik führen können.

3. Chemisches Gleichgewicht

Die Zeit bis zum Erreichen des chemischen Gleichgewichts verlängert sich, wenn größere Mengen an Chemikalien gemischt werden. Eine Reaktion ist erst dann produktiv, wenn das chemische Gleichgewicht erreicht ist.

4. Materialeigenschaften

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften der mit der Reaktion in Kontakt stehenden Materialien können die Reaktion beeinflussen, mit der Zeit erodieren oder die Kosten des Systems unnötig in die Höhe treiben. Die Materialauswahl ist daher äußerst wichtig.

5. Fluiddynamik

Die Fluiddynamik ändert sich mit einer nichtlinearen Geschwindigkeit, wenn die Systeme größer werden, und es ist wichtig, den Durchfluss auf der richtigen Reynolds-Zahl zu halten, um die Wärmeübertragung und die Mischeffizienz zu verbessern. Änderungen zwischen laminarer und turbulenter Strömung sind aufgrund der nichtlinearen Natur der Fluiddynamik schwer vorherzusagen.

6. Thermodynamik

Aufgrund der Empfindlichkeit chemischer Reaktionen gegenüber Wärmegewinn und Wärmeverlust ist eine gründliche thermodynamische Analyse für ein erfolgreiches Scale-up erforderlich.

7. Geräteauswahl

Physikalische Einschränkungen der Ausrüstung können chemische Reaktionen ernsthaft beeinträchtigen. Geräte mit falscher Größe können die Kontrolle von Reaktionen erschweren, Thermodynamik, Fluiddynamik und andere Aspekte von Reaktionen beeinflussen. Die Langlebigkeit des Systems hängt auch stark von der richtigen Geräteauswahl ab. Außerdem sind Konstruktionsmaterialien, die im Labormaßstab leicht erhältlich sind, möglicherweise nicht in den erforderlichen Mengen verfügbar oder können in Großanlagen zu teuer sein.

8. Probleme mit der Aufregung

Die richtige Menge an Turbulenz innerhalb eines Systems ist entscheidend für eine gute Reaktionskinetik. Abgewinkelte Rührwerke und Leitbleche können verwendet werden, um die Turbulenz zu erhöhen, und das Problem des Rührens muss angegangen werden. Dieses Video veranschaulicht dieses Problem weiter

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Abschluss

Der Markt für neuartige Lebensmittelzusatzstoffe wie 2′-FL, 3-FL, LNnT und LNT ist mit dem ständig wachsenden Markt für Säuglingsnahrung vielversprechend. 2′-FL und LNnT sind für die Herstellung im industriellen Maßstab durch chemische Synthese, Fermentation und enzymatische Produktion zugelassen. Obwohl die mikrobielle Produktion von HMOs eine sehr junge Technologie ist, wächst sie aufgrund der Entwicklung von Strategien des Metabolic Engineering und der synthetischen Biologie schnell. Einige der Strategien sind sehr effektiv, während viele nicht bekannt sind, wie die Unsicherheit der Stoffwechselmuster selbst bei Modellmikroorganismen, die die mikrobielle und industrielle Entwicklung von HMOs behindert haben.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Produktion von Fucosyl-Donor GDP-l-Fucose mit dem verbesserten Bergung Weg. Die De-novo-Erzeugung des Donors ist wenig effektiv, aber für die industrielle Produktion mit den billigen Substraten besser geeignet. Derzeit ist die Fucosylierungskatalyse der wichtigste Engpass für die Produktionseffizienz bei mikrobiellen Produktionen, einschließlich Fermentation, Ganzzellsynthese und enzymatischer Produktion. Es sollten mehr Anstrengungen unternommen werden, um wirksamere FucTs zu entdecken oder bestehende Enzyme umzugestalten, um die Umwandlungsrate und Effizienz zu verbessern. Auch die Sicherheitsaspekte sind für die Chassis-Mikroben wichtig, Technologien wie die antibiotikafreie Kultivierung sowie die nachgeschaltete Isolierung und Reinigung.


Fermentationen im großen Maßstab

Fermentationen im großen Maßstab sind der Schlüssel zur Herstellung zahlreicher Produkte, von Lebensmitteln bis hin zu pharmazeutischen Produkten.

Lernziele

Beschreiben Sie die Fermentation und ihre Anwendungen zur Herstellung von Lebensmitteln, alkoholischen Getränken, Kraftstoffen und rekombinanten Produkten wie Insulin

Die zentralen Thesen

Wichtige Punkte

  • Durch Fermentationen im großen Maßstab werden große Mengen Ethanol erzeugt, die für die Lebensmittelproduktion, die Alkoholproduktion und sogar die Benzinproduktion verwendet werden.
  • Die Fermentation ist durch die Stoffwechselprozesse gekennzeichnet, die verwendet werden, um von Nährstoffen freigesetzte Elektronen auf Moleküle zu übertragen, die durch den Abbau derselben Nährstoffe erhalten werden.
  • Bei der Fermentation werden zahlreiche organische Verbindungen wie Zucker als endogene Elektronenakzeptoren verwendet, um den auftretenden Elektronentransfer zu fördern.

Schlüsselbegriffe

  • Oxidation: Eine Reaktion, bei der die Atome eines Elements Elektronen verlieren und die Wertigkeit des Elements zunimmt.
  • Amylase: Eine Art Verdauungsenzym, das komplexe Kohlenhydrate in Einfachzucker aufspalten kann.

Die Fermentation umfasst die Prozesse, bei denen Energie aus der Oxidation organischer Verbindungen gewonnen wird. Die Oxidation organischer Verbindungen erfolgt, indem ein endogener Elektronenakzeptor verwendet wird, um von Nährstoffen freigesetzte Elektronen auf Moleküle zu übertragen, die durch den Abbau dieser Nährstoffe erhalten werden.

Gängige Fermentationsarten: Dies sind übliche Fermentationsarten, die in eukaryotischen Zellen verwendet werden.

Es gibt verschiedene Arten der Fermentation, die auf industrieller Ebene vorkommen, wie die Ethanolfermentation und Fermentationsprozesse zur Herstellung von Lebensmitteln und Wein. Die Fähigkeit, den Fermentationsprozess unter anaeroben Bedingungen zu nutzen, ist für Organismen kritisch, die eine ATP-Produktion durch Glykolyse fordern. Die Fermentation kann auch unter aeroben Bedingungen durchgeführt werden, wie im Fall von Hefezellen, die die Fermentation der oxidativen Phosphorylierung vorziehen. Das Folgende ist ein kurzer Überblick über einige Arten von Fermentationen im großen Maßstab, die von Industrien bei der Herstellung von Produktionen verwendet werden.

Ethanol-Fermentation

Ethanol-Fermentation wird verwendet, um Ethanol für die Verwendung in Lebensmitteln, alkoholischen Getränken und sowohl Kraftstoffen als auch in der Industrie zu produzieren. Der Prozess der Ethanolfermentation findet statt, wenn Zucker in Zellenergie umgewandelt wird. Zu den am häufigsten verwendeten Zuckern gehören Glucose, Fructose und Saccharose. Diese Zucker werden in Zellenergie umgewandelt und produzieren als Abfallprodukte sowohl Ethanol als auch Kohlendioxid. Hefe ist der am häufigsten verwendete Organismus zur Herstellung von Ethanol über den Fermentationsprozess für die Herstellung von Bier, Wein und alkoholischen Getränken. Wie bereits erwähnt, bevorzugen Hefen trotz der reichlich vorhandenen Sauerstoffmengen die Fermentation. Daher erfolgt die großtechnische Verwendung von Hefe zur Herstellung von Ethanol und Kohlendioxid in einer anaeroben Umgebung.

Das dabei entstehende Ethanol kann dann in der Brotherstellung verwendet werden. Hefe wandelt den im Teig enthaltenen Zucker in Zellenergie um und produziert dabei sowohl Ethanol als auch Kohlendioxid. Das Ethanol verdunstet und das Kohlendioxid dehnt den Teig aus. In Bezug auf die Alkoholproduktion induziert Hefe die Gärung und produziert Ethanol. Insbesondere bei der Weinherstellung wandelt die Hefe den in den Trauben enthaltenen Zucker um. In Bier und zusätzlichem Alkohol wie Wodka oder Whisky wandelt die Hefe den Zucker um, der durch die Umwandlung von Getreidestärke in Zucker durch Amylase entsteht. Darüber hinaus wird die Hefefermentation zur Massenproduktion von Ethanol verwendet, das dem Benzin zugesetzt wird. Die wichtigste Zuckerquelle für die Ethanolproduktion in den USA ist derzeit Mais, aber auch Pflanzen wie Zuckerrohr oder Zuckerrüben können verwendet werden.

Gärung in Trauben: Dies ist ein Foto von Trauben, die während des Weinherstellungsprozesses fermentiert werden.

Rekombinante Produkte

Fermentation wird auch bei der Massenproduktion verschiedener rekombinanter Produkte verwendet. Diese rekombinanten Produkte umfassen zahlreiche Pharmazeutika wie Insulin und Hepatitis-B-Impfstoff. Das von der Bauchspeicheldrüse produzierte Insulin dient als zentraler Regulator des Kohlenhydrat- und Fettstoffwechsels und ist für die Regulierung des Blutzuckerspiegels verantwortlich. Insulin wird medizinisch verwendet, um Personen mit diagnostiziertem Diabetes mellitus zu behandeln. Insbesondere Personen mit Typ-1-Diabetes sind nicht in der Lage, Insulin zu produzieren, und Personen mit Typ-2-Diabetes entwickeln oft eine Insulinresistenz, bei der das Hormon nicht mehr wirksam ist.

Die Zunahme von Personen, bei denen Diabetes mellitus diagnostiziert wurde, hat zu einem Anstieg der Nachfrage nach externem Insulin geführt. Die Massenproduktion von Insulin erfolgt unter Verwendung sowohl der rekombinanten DNA-Technologie als auch von Fermentationsprozessen. E. coli, wes wurde genetisch verändert, um Proinsulin zu produzieren, wird zu einer großen Menge angebaut, um ausreichende Mengen in einer Fermentationsbrühe zu produzieren. Das Proinsulin wird dann durch Aufschluss der Zelle isoliert und gereinigt. Es treten weitere enzymatische Reaktionen auf, die dann das Proinsulin in Rohinsulin umwandeln, das zur Verwendung als medizinische Verbindung weiter verändert werden kann.

Ein zusätzliches rekombinantes Produkt, das den herzustellenden Fermentationsprozess nutzt, ist der Hepatitis-B-Impfstoff. Der Hepatitis-B-Impfstoff wurde speziell gegen die Hepatitis-B-Virusinfektion entwickelt. Bei der Herstellung dieses Impfstoffs werden sowohl rekombinante DNA-Technologie als auch Fermentation verwendet. Ein für das Hepatitis-B-Virus spezifisches Gen, HBV, wird in das Genom des Organismus Hefe eingefügt. Die Hefe wird verwendet, um das HBV-Gen in großen Mengen zu züchten und dann geerntet und gereinigt. Der Fermentationsprozess wird verwendet, um die Hefe zu züchten, wodurch die Produktion großer Mengen des HBV-Proteins gefördert wird, das dem Genom genetisch hinzugefügt wurde.


Fermentation, die neue Proteinlieferkette

FEIGE. 1. Zelluläre Landwirtschaft, eine Methode zur Herstellung von tierischen Proteinen ohne den Einsatz von Tieren.
Diese Abbildung wurde von &ldquoCellular Agriculture: An extension of common production methods for food&rdquo mit Genehmigung des Herausgebers The Good Food Institute neu veröffentlicht.

Proteinreiche Lebensmittel sind nicht nur für Bodybuilder und Extremsportler geeignet. Die Verbraucher betrachten die Zutat heute als integralen Bestandteil ihrer Ernährung. Laut einer aktuellen Marktanalyse (https://tinyurl.com/y2evtyz2) wird der Umsatz mit Proteininhaltsstoffen bis 2025 weltweit 48 Milliarden US-Dollar erreichen. Im Jahr 2016 lieferten Tiere 72 Prozent der weltweiten Proteinzutatenindustrie. Die Deckung des zukünftigen Bedarfs erfordert eine Proteinlieferkette, die nicht nur auf Tiere angewiesen ist. Proteinquellen auf pflanzlicher Basis sind verfügbar, weisen jedoch für viele Anwendungen nicht die gleichen sensorischen oder funktionellen Eigenschaften auf wie tierische Proteine. Anstatt sich anzupassen, um eine pflanzliche Proteinformulierung eher einer tierischen zu ähneln, haben Fortschritte in der Biotechnologie Start-ups ausgelöst, die Proteine ​​auf Bestellung liefern. Unternehmen können das ideale Protein für eine bestimmte Anwendung identifizieren und rückwärts arbeitend die Genetik bestimmen, die zu seiner Herstellung erforderlich ist. Anschließend kodieren sie die genetische Information in den Zellkern eines Wirtsorganismus wie Bakterien oder Pilze. Wenn sich diese Mikroorganismen in Fermentationstanks von Zucker oder anderen Nährstoffen ernähren, folgen die Zellen den codierten Anweisungen und produzieren eine Fülle des angegebenen Proteins. Nach der Trennung der Proteine ​​von den Wirtszellen ist der letzte Schritt des Prozesses die Reinigung. Durch Fermentation erschließen Unternehmen einen natürlichen Stoffwechselprozess von Mikroorganismen und optimieren Proteine ​​für eine Vielzahl von Marktanwendungen, von Anti-Aging-Kosmetik bis hin zu veganen Ersatzstoffen für Milchprodukte. Mit millionenschweren Investitionen in Proteinunternehmen wird der Traum von der zellulären Landwirtschaft schnell Wirklichkeit. Der Erfolg der biotechnologisch unterstützten Fermentation zeigt sich im Wachstumstempo von Unternehmen wie Geltor (https://www.geltor.com) und Perfect Day (https://www.perfectdayfoods.com). &bdquoSo viele Start-ups und andere Unternehmen in der Anfangsphase denken über Fermentation nach, um Biomaterialien herzustellen, die in der Vergangenheit aus Tieren oder anderen Quellen gewonnen wurden, die aus anderen Gründen nicht nachhaltig oder schwierig waren&rdquo, sagt Alex Lorestani, Mitbegründer und CEO von Geltor , ein Unternehmen für kosmetische Inhaltsstoffe mit Sitz in San Leandro, Kalifornien, das sich auf Kollagen spezialisiert hat. &ldquoSobald Sie ein neues Protein herstellen, das aus einer effizienteren, saubereren Quelle stammt und auf individuelle Anwendungen wie Lebensmittel zugeschnitten werden kann, bieten sich hier viele Möglichkeiten&rdquo, sagt Tim Geistlinger, Chief Technology Officer bei Perfect Day, einem Unternehmen in San Francisco , Kalifornien, das vegane Milchersatzprodukte herstellt. &bdquoDies ist der Beginn einer neuen Proteinlieferkette.&rdquo

Schönheit durch Mikroben

Geltor begann 2015 mit einem Machbarkeitsnachweis im Labormaßstab für ein Kollagen, das Lorestani und sein Mitbegründer Nick Ouzounov entwickelt haben. Im April 2018 brachten sie ihr erstes kommerzielles Produkt, N-Collage&trade, auf den Markt und sechs Monate später erhielten sie 18,2 Millionen US-Dollar von Investoren, um ihr Produktangebot zu erweitern (https://tinyurl.com/y3ffqr47). Lorestani sagt, dass er die Herausforderungen beobachtet hat, die mit der Nutzung der zellulären Landwirtschaft zur Herstellung von Proteinen für einen großen Verbrauchermarkt verbunden sind, wie beispielsweise der Ersatz von Rindfleisch in der Lebensmittelindustrie. Stattdessen entschied sich sein Unternehmen, sich auf höherwertige Zutaten zu konzentrieren, die in kleineren Mengen hergestellt werden. Nachdem er gesehen hatte, dass die synthetische Biologie so erfolgreich für die Arzneimittelentwicklung eingesetzt wurde, wollten er und Ouzounov sie auf die Konsumgüterindustrie anwenden. &bdquoWir konnten einen proteinwissenschaftlichen Ansatz verfolgen, um die Inhaltsstoffe von Kosmetika und Körperpflegeprodukten zu verbessern&rdquo, sagt er. Um beispielsweise ein Kollagen zu produzieren, das sich auf der Haut seidig anfühlt, finden sie natürliche Kollagene, die eine solche Qualität aufweisen. Mithilfe von Computerbiologie entwickeln sie eine Aminosäuresequenz für das gewünschte Protein und entwickeln Mikroorganismen, um es herzustellen. &bdquoDamit produzieren wir ein reines Proteinprodukt, das mit einem in der Natur vorkommenden identisch ist&ldquo, so Lorestani. Er fügt hinzu, dass die meisten natürlichen Proteine ​​noch nicht im industriellen Maßstab hergestellt werden. Kollagen ist beispielsweise eines der am häufigsten vorkommenden Proteine ​​im Tierreich, aber derzeit werden nur zwei Arten von Tieren gewonnen. Die Fermentation ermöglicht Wissenschaftlern den Zugang zur Vielfalt der Natur durch die unzähligen Möglichkeiten, wie die DNA eines Mikroorganismus verändert werden kann. Es bietet Wissenschaftlern einen brandneuen Werkzeugkasten, um jedes beliebige Molekül zu erstellen, das sie sich vorstellen können. Für Lorestani und viele andere, die Produkte in diesem Bereich auf den Markt bringen, ist es wichtiger, dass die zelluläre Landwirtschaft es seinem Unternehmen ermöglicht, ein Proteinprodukt herzustellen, ohne dass ein Tier ineffizient aufgezogen und geschlachtet wird.

&ldquoMilch&rdquo ohne Kühe

Wie Geltor machte sich Perfect Day daran, den biotechnologischen Erfolg der Pharmaindustrie in der Konsumgüterindustrie nachzuahmen und brachte schnell ein Proteinprodukt auf den Markt. Perfect Day wurde 2014 gegründet, sammelte in den ersten Jahren 40 Millionen US-Dollar von Investoren und hatte Ende 2018 eine gemeinsame Entwicklungsvereinbarung mit Archer Daniels Midland (https://tinyurl.com/y38fyg9d) abgeschlossen. Ein Unterschied zwischen den beiden Unternehmen besteht darin, dass die Mitbegründer von Perfect Day vegan sind. Perfect Day stellt Milchproteine ​​ohne die Kuh her. &ldquoUm die Proteine ​​herzustellen, die Milchprodukte zu etwas Besonderem machen, werden viele verschiedene Proteine ​​benötigt&ldquo, sagt Geistlinger. &bdquoSie werden allgemein als Molkenproteine ​​und Quarkproteine ​​​​bezeichnet. Sie fallen in diese zwei verschiedenen Klassen von Proteinen. Wir stellen eine große Mehrheit der wichtigsten Proteine ​​​​in Milchprodukten her.&rdquo Die Firmengründer wollten ein Produkt mit den ernährungsphysiologischen und sensorischen Eigenschaften der Milch bereitstellen, ohne jedoch Tieren zu schaden oder den Land- und Wasserverbrauch für die Aufzucht eines Tieres zu fordern. Und sie wollten ein veganes Produkt herstellen, das alle anspricht. Geistlinger sagt, dass ihre Milchproteine ​​noch nicht zur Milchherstellung verwendet werden, da Milch so kompliziert ist. Sie verwenden die Mikroflora, um Proteine ​​wie Caseinatproteine ​​herzustellen, die den Lebensmittelformulierern bekannt sind. &bdquoWir verwenden ein paar verschiedene Organismen, die in der Lebensmittelindustrie verwendet wurden, um Proteine, Enzyme und Probiotika herzustellen&rdquo, sagt er. Das Unternehmen verwendet Pilze, Hefen und Bakterien, um eine Reihe von Proteinen herzustellen. Durch die Verwendung einer Vielzahl von Zellen können sie eine Vielzahl von Produkten herstellen. &bdquoWir können mehrere Proteine ​​aus einem einzigen Wirt herstellen oder wir können ein einzelnes Protein herstellen. Wir können diese Verhältnisse kontrollieren, um sie später neu zu kombinieren, oder wir können mit einer Mischung beginnen“, sagt Geistlinger. Perfect Day konzentriert sich derzeit auf die Herstellung individueller Proteine, um die Nachfrage der Verbraucher nach einem selbst zugeschnittenen, nährstoffreichen Profil zu erfüllen, sagt er.

Ungebundene Vielseitigkeit

Laut Geistlinger ersetzt Perfect Day Zutaten für eine Vielzahl von Anwendungen in einer Vielzahl von Artikeln im Lebensmittelgeschäft, weist jedoch darauf hin, dass die verwendete Technologie über Proteine ​​hinausgeht. &bdquoDiese Technologie findet Anwendung in Biomaterialien und Medizin und allen möglichen anderen Dingen&rdquo, sagt er. &bdquoDies ist wirklich ein faszinierender Marktplatz.&ldquo &ldquoDie Fähigkeit, Zellen zu entwickeln und sie sehr gezielt zu entwerfen, ist um Größenordnungen besser geworden als in der Vergangenheit, und die Wissenschaft wächst weiterhin in rasantem Tempo&rdquo, sagt Christophe Schilling, CEO und Mitbegründer von Genomatica, einem in San Diego, Kalifornien, ansässigen Unternehmen, das Fermentation für einen anderen Produktbereich einsetzt. Genomatica stellt Verbindungen her, um diejenigen zu ersetzen, die früher nur durch petrochemische Verarbeitung erhältlich waren, wie beispielsweise Nylon und Butylenglykol. Die Fermentation ist nicht nur effizienter für die Herstellung von Proteinen im Vergleich zur industriellen Landwirtschaft nach Schilling, sie ist insgesamt effizienter. Die Herstellung mit Biologie reduziert die bei der chemischen Verarbeitung üblichen Zwischen- und Nebenreaktionen. Chemisch hergestelltes Butylenglykol führt beispielsweise zu einem 50-50 racemischen Gemisch, das schwer zu trennen ist. &bdquoWir können jede gewünschte Form mit fast 100-prozentiger Reinheit zu den gleichen Kosten herstellen, die für die Herstellung der racemischen Mischung erforderlich sind&ldquo, sagt Schilling. &bdquoWenn es Anwendungen gibt, die die eine oder andere Form dieses Moleküls benötigen, wird die Biologie die Chemie problemlos übertreffen. Das ist ein riesiger Vorteil.&rdquo Die wissenschaftlichen Vorteile der Fermentation ziehen fast wöchentlich neue Start-ups an (https://tinyurl.com/y7ydzk33). Der Eifer, in den Markt einzusteigen, hat auch unterstützende Industrien ins Leben gerufen. Das neueste, Cultural Biosciences, ist auf die Durchführung von Machbarkeitsstudien für Unternehmen spezialisiert, die diesen Bereich betreten möchten (https://tinyurl.com/y5tkwe5o). Die neuesten Unternehmen wären klug, sich die Zeit zu nehmen, von denen zu lernen, die sie vorangetrieben haben. &bdquoDie Unternehmen, die jetzt erfolgreich sind, stellen tatsächlich Produkte her, die wesentlich besser sind als alles, was man aus Erdöl, einem Schwein oder einer Pflanze gewinnen kann&rdquo, sagt Lorestani. &ldquoDinge besser zu machen, ermöglicht es Ihnen, in dieser Branche erfolgreich zu sein.&rdquo In den kommenden Monaten werden die Verbraucher die Möglichkeit haben, sich selbst ein Urteil zu bilden, da die Produkte von Geltor und Perfect Day beginnen, mit Produkten aus traditioneller Produktion auf dem Markt zu konkurrieren.

Rebecca Guenard ist Mitherausgeberin von INFORMIEREN bei AOCS. Sie kann unter [email protected] kontaktiert werden.

Verweise

  • Heterotrophe Kulturen von Mikroalgen: Stoffwechselprodukte und potenzielle Produkte, Bashan, Y., et al., Wasserres. 45: 11&ndash36, 2011.
  • Auf dem Weg zur skalierbaren Produktion eines kollagenartigen Proteins aus Streptococcus pyogenes für biomedizinische Anwendungen, Peng, Y.Y., et al., Mikrobielle Zellfabriken 11: 46, 2012.
  • Prinzipien der Fermentationstechnologie, Dritte Ausgabe, von P. F. Stanbury, A. Whitaker und S. J. Hall, Butterworth-Heinemann, Cambridge, MA, 2017.

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Wie kann systematisch bestimmt werden, welche Pilze am besten für die Skalierung der Produktionsanforderungen geeignet sind?

Christopher Kong : Es ist ganz anders, die Technologie an der Werkbank zu entwickeln und in den industriellen Maßstab zu wachsen, insbesondere bei Lebensmitteln. Es gibt so viele Vorschriften und so viele Gesundheits- und Sicherheitsmaßnahmen, die kontrolliert werden müssen. Für uns ist das Aussehen des Endprodukts ein großes Thema, und wenn ein Pilz sporuliert, verfärbt er sich typischerweise schwarz, was für Kunden ziemlich unattraktiv sein kann. Für uns war es sehr wichtig, eine Sorte zu finden, die dieser Sporulation widersteht und dennoch recht schnell wächst und Hitzestress, Wasserstress und Feuchtigkeitsstress widersteht.

Viele unserer Entscheidungen wurden von einer Benchtop-Analyse des Nährwert- sowie des sensorischen Profils des Endprodukts geleitet, das wir erstellen wollten Kontrolle der Fermentationsbedingungen, um ein Produkt im Maßstab zu erzeugen, dies effizient und zuverlässig zu tun.

Mauricio Braia : Wenn wir über Skalierbarkeit sprechen, arbeiten wir mit Bioreaktoren. In Bezug auf die Technologie gibt es viele Bioreaktoren in der Industrie und für ein Scale-Up verfügbar. Die Arbeit mit Fadenpilzen kann sehr herausfordernd sein, aber es gibt viel Wissen über einige Arten, wie z Aspergillus , Penicillium oder auch Fusarium .

Einer der Gründe, warum wir uns für die Verwendung von Fadenpilzen entschieden haben, sind die alternativen Rohstoffe, die Sie auf natürliche Weise mit diesen Pilzen verwenden können, selbst wenn Sie in der Submersfermentation arbeiten. Sie können agroindustrielle Abfälle verwenden, was ein attraktives Merkmal ist. Der schwierigste Teil bei der Arbeit mit diesen filamentösen Pilzen ist nicht die Fermentation, sondern das Stamm-Engineering.

Rachel Linzer : Bei Biomaterialien verwenden Sie Ihren Pilz nicht als Fabrik, um etwas anderes herzustellen, sondern Ihre Biomasse ist tatsächlich Ihr Produkt. Es entsteht ein komplexes Zusammenspiel zwischen den Materialeigenschaften des Fadenpilzes, den ästhetischen Eigenschaften, der Fermentationsgeschwindigkeit und dem Ausgangsmaterial. Sie müssen einen biosicheren Pilz finden, wenn Sie das Produkt nicht von dem Pilz reinigen möchten, wenn Menschen in physischem Kontakt mit den Materialien sind, dann möchten Sie sicherstellen, dass Sicherheit ein großer Teil der Sortenauswahl ist.


Was ist industrielle Fermentation? (Mit Bildern)

Die industrielle Fermentation ist das gleiche Verfahren, das Haushaltsbäcker beim Aufbringen von Hefe auf Brot verwenden, jedoch in einem viel größeren Maßstab. Dieses Verfahren fermentiert bestimmte Materialien zu nützlichen Produkten, indem Mikroorganismen, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und eine Energiequelle verwendet werden, um die Fermentation anzutreiben. Dies wird üblicherweise bei Nahrungsmitteln durchgeführt, aber auch in der pharmazeutischen Industrie und bei der Abwasserentsorgung wird die industrielle Fermentation durchgeführt. Der größte Unterschied zwischen der regulären Fermentation und der industriellen Variante besteht darin, dass große Fermentereinheiten verwendet werden, um eine Fermentation im großen Maßstab durchzuführen.

Bei der Fermentation, sei es im Haushalt oder in der Industrie, werden organische Verbindungen oxidiert, um eine neue Komponente zu erzeugen. Um diesen Effekt zu erzeugen, müssen mehrere natürliche Elemente vorhanden sein. Die Fermentation erfordert eine Kohlenstoffquelle, wie Zucker, eine Stickstoffquelle, wie Protein oder Nitrate, Sauerstoff und eine Energiequelle, wie Wärme oder Druck. Wenn diese sich verbinden, zerlegt der natürliche Fermentationsprozess die Bestandteile eines Materials und verwandelt sie in etwas Nützliches.

Die industrielle Fermentation für Lebensmittel ist eine der offensichtlichsten Anwendungen der Fermentation. Alle Alkohole erfordern eine Gärung, damit sich der Alkohol entwickeln kann. Käse erfordert, dass Milchprodukte gealtert und fermentiert werden, bevor sie die Eigenschaften von Käse annehmen. Es gibt auch viele Backanwendungen, wie zum Beispiel die Herstellung der meisten Brote, die ebenfalls eine Fermentation erfordern.

Die pharmazeutische Industrie benötigt zur Herstellung vieler Medikamente Fermentation. Alle auf Penicillin basierenden Antibiotika erfordern beispielsweise die Fermentation von Penicillin, um das Antibiotikum wirksam zu machen. Das gleiche gilt für künstliche Hormone wie Insulin und medizinische Steroide sowie Vitamine und Aminosäuren in Proteinriegeln.

Die Abwasserentsorgung nutzt die industrielle Vergärung, indem feste Abwässer in unschädliche Stoffe zerlegt werden, die als Dünger verwendet werden können. Bakterien werden in das Abwasser eingebracht und beginnen, es zu zerfressen, bis das Abwasser löslich und harmlos ist. Die Abwasserfermentation ist zwar wirksam, dauert jedoch lange.

Vergleicht man die industrielle Fermentation mit anderen Fermentationsformen, gibt es kaum Unterschiede, da beide auf die gleichen biologischen Prozesse zurückgreifen. Am häufigsten wird bei der Fermentation im industriellen Maßstab eine Maschine verwendet, die als Fermenter bezeichnet wird und groß genug ist, um große Mengen an Komponenten aufzunehmen. Diese Maschinen wurden entwickelt, um die Materialien unter den richtigen Bedingungen zu halten, um eine kontinuierliche Fermentation zu gewährleisten. Fermenter werden am häufigsten bei der pharmazeutischen Fermentation verwendet, aber auch die Backfermentation verwendet die Ausrüstung.


Autorenbeiträge

XL, WD und HJ haben das Manuskript konzipiert und gestaltet. XL und WD führten die bibliographische Recherche durch und verfassten das Manuskript. HJ skizzierte die Struktur und überprüfte das Manuskript. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Danksagung

Wir danken Dr. Dan Li und Dr. Lucija Tomljenovic von der University of British Columbia sowie Prof. Jing Cai von der Marco University für die Überarbeitung des Manuskripts. Wir danken auch dem Herausgeber und zwei Gutachtern für ihre wertvollen Kommentare zu der früheren Version dieser Arbeit.

Konkurrierende Interessen

Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden Interessen haben.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

The datasets supporting the review are included within the article.

Funding

This work was supported by the 973 Program (2015CB755704), the Hundred Talent Program of the Chinese Academy of Sciences and the National Natural Science Foundation of China (31470215) to HJ, as well as by Tianjin Research Program of Application Foundation and Advanced Technology (15JCYBJC24200), and the National Natural Science Foundation of China (31501041) to WD.

Publisher’s Note

Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.


The future of fashion

There is still a lot of work needed until biofabrication becomes mainstream in the fashion industry and replaces traditional methods to produce and dye fabric. One of the big challenges is transforming prototype biological processes into industrial-scale production, which will be key to make these products widely available and affordable.

“With any fundamentally new material, the price point will initially be above common materials, both to reflect the impact of the innovation and to take account of the material’s value,” said Klein. “As the industry begins to scale up, and as you see companies begin to produce these biofabricated materials at commercial scale, we will begin seeing them approach the broader market.”

Another challenge is to determine the real impact that these new processes actually have on the environment. “What needs to be measured, and nobody has done this yet because scale-up is still in progress, is a full life cycle analysis,” said Chieza. “We have to remember that fermentation is tied to carbon, which currently comes from sugar. We have to look at sustainability in terms of the input.”

As biofabrication keeps advancing and scaling up, the fashion industry is poised to change radically. “Fashion will need to become more comfortable with longer R&D cycles and perhaps somewhat slower consumption. The fashion industry is very much powered to produce and discard, and that model is broken,” added Chieza.

“We want a fashion industry that is clean, healthy and sustainable, for the workers and for the end users,” said Krebs. “We are the green engine for the fashion revolution.”

It will take time. After all, it took decades since nylon was developed in the 1930s until it became as ubiquitous as it is today. But the future of fashion is already here, and biology is the future.


Schau das Video: 4 Hjertet (September 2022).


Bemerkungen:

  1. Arashikazahn

    I can't remember.

  2. Nasim

    Sehnsucht

  3. Chadwick

    Thank you for your help in this matter, now I will not make such a mistake.

  4. Carmelo

    Du liegst absolut richtig. In diesem Nichts steckt eine gute Idee. Ich stimme zu.

  5. Mikasar

    Verschmelzen. Ich stimme all den oben genannten Said zu. Versuchen wir, die Angelegenheit zu besprechen. Hier oder am Nachmittag.

  6. Ashly

    Ich denke, dass Sie sich irren. Ich kann es beweisen. Maile mir per PN.

  7. Leroi

    Ich gratuliere, dein Denken ist brillant



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