การหมักทางอุตสาหกรรมและกระบวนการทางชีวภาพ

การหมักทางอุตสาหกรรมและกระบวนการทางชีวภาพเป็นการขยายขนาดการเพาะเลี้ยงจุลินทรีย์ในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพที่ออกแบบมาเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์หลากหลายชนิดจากวัตถุดิบราคาไม่แพง

Definition

การหมักทางอุตสาหกรรมและกระบวนการทางชีวภาพคือการเพาะเลี้ยงจุลินทรีย์หรือส่วนประกอบของจุลินทรีย์ในขนาดใหญ่และมีการควบคุม เพื่อผลิตผลิตภัณฑ์ และวิศวกรรมของกระบวนการที่ใช้ในการผลิตและกู้คืนผลิตภัณฑ์เหล่านั้น

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงการออกแบบและการดำเนินงานของเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ; ความแตกต่างระหว่างเมแทบอไลต์ปฐมภูมิและทุติยภูมิ; กระบวนการแบบแบตช์ (batch), แบบเฟด-แบตช์ (fed-batch) และแบบต่อเนื่อง (continuous); การคัดเลือกและปรับปรุงสายพันธุ์; การควบคุมสภาวะต่างๆ เช่น การเติมอากาศ อุณหภูมิ และ pH; และการแยกและทำให้บริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์ในขั้นตอนปลายน้ำ หัวข้อนี้ถือว่าการเพาะเลี้ยงจุลินทรีย์เป็นสาขาวิชาวิศวกรรมที่สร้างขึ้นบนหลักการทางสรีรวิทยา

Core questions

• จุลินทรีย์ถูกเพาะเลี้ยงในระดับอุตสาหกรรมได้อย่างไร?
• อะไรคือสิ่งที่แยกความแตกต่างระหว่างการผลิตเมแทบอไลต์ปฐมภูมิและทุติยภูมิ?
• สภาวะในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพถูกควบคุมอย่างไรเพื่อเพิ่มผลผลิตสูงสุด?
• ผลิตภัณฑ์ถูกกู้คืนจากการหมักได้อย่างไร?

Key concepts

• การออกแบบและการดำเนินงานของเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ
• เมแทบอไลต์ปฐมภูมิเทียบกับเมแทบอไลต์ทุติยภูมิ
• การหมักแบบแบตช์ แบบเฟด-แบตช์ และแบบต่อเนื่อง
• การคัดเลือกและปรับปรุงสายพันธุ์
• กระบวนการปลายน้ำ

Mechanisms

ในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ สภาวะต่างๆ เช่น การจัดหาสารอาหาร ออกซิเจน อุณหภูมิ และ pH จะถูกควบคุมเพื่อส่งเสริมการเจริญเติบโตและการสร้างผลิตภัณฑ์ เมแทบอไลต์ปฐมภูมิจะสะสมในระหว่างการเจริญเติบโตที่กระตือรือร้น ในขณะที่เมแทบอไลต์ทุติยภูมิ เช่น ยาปฏิชีวนะหลายชนิด มักจะผลิตขึ้นหลังจากที่การเจริญเติบโตช้าลง กลยุทธ์ของกระบวนการ รวมถึงการเติมสารตั้งต้นแบบเฟด-แบตช์ จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของผลผลิต และกระบวนการปลายน้ำจะแยกและทำให้ผลิตภัณฑ์บริสุทธิ์ออกจากวัฒนธรรม

Clinical relevance

การหมักทางอุตสาหกรรมผลิตยาปฏิชีวนะ เอนไซม์ กรดอินทรีย์ กรดอะมิโน วิตามิน และโปรตีนลูกผสมในปริมาณมาก และหลักการของกระบวนการทางชีวภาพเป็นพื้นฐานในการผลิตยา อาหาร และสารเคมีอุตสาหกรรมหลายชนิด

History

กระบวนการจุลินทรีย์ขนาดใหญ่พัฒนาจากการหมักแบบดั้งเดิมไปสู่อุตสาหกรรมที่อิงวิทยาศาสตร์ในศตวรรษที่ยี่สิบ โดยมีเหตุการณ์สำคัญ เช่น การหมักอะซิโตน-บิวทานอลทางอุตสาหกรรม และการขยายขนาดการผลิตเพนิซิลลินในช่วงสงคราม ซึ่งได้วางรากฐานวิธีการของกระบวนการทางชีวภาพสมัยใหม่

Key figures

• Louis Pasteur
• Chaim Weizmann

Seminal works

• madigan2018
• willey2020

Frequently asked questions

เมแทบอไลต์ทุติยภูมิคืออะไร?

เมแทบอไลต์ทุติยภูมิคือผลิตภัณฑ์จากจุลินทรีย์ที่ไม่จำเป็นต่อการเจริญเติบโต ซึ่งมักจะถูกสร้างขึ้นหลังจากที่การเจริญเติบโตที่กระตือรือร้นช้าลง ยาปฏิชีวนะหลายชนิดเป็นเมแทบอไลต์ทุติยภูมิ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการผลิตของพวกมันในการหมักมักจะสูงสุดในระยะหลังของการเพาะเลี้ยง