La palabra inglesa "ferration" proviene de la palabra latina "ferver", que significa "burbuja" e "hinchazón", porque hay burbujas y cosas similares durante la fermentación. . Hinchazón en ebullición.
Por ejemplo, la elaboración de vino de arroz chino y la fermentación de cerveza europea utilizan la formación de espuma como señal para juzgar el proceso de fermentación.
Se puede decir que los humanos han utilizado microorganismos para la fermentación de alimentos y la elaboración de cerveza durante miles de años, y el fenómeno de la fermentación ha sido descubierto y dominado desde la antigüedad. Sin embargo, debido a una comprensión insuficiente de los microorganismos, la esencia de la fermentación y la elaboración de la cerveza no se ha revelado durante mucho tiempo y siempre ha estado llena de misterio.
Así que antes de mediados del siglo XIX, el desarrollo de la industria de la fermentación y la elaboración de cerveza era extremadamente lento.
Leewenhoch, que hizo grandes contribuciones al descubrimiento de los microorganismos a finales del siglo XVII, construyó con éxito el primer microscopio del mundo utilizando sus propias lentes pulidas a mano y descubrió células individuales a simple vista por primera vez. en la historia de la humanidad - microorganismos.
Debido a que la teoría de la generación espontánea estaba en pleno apogeo en ese momento, su descubrimiento no recibió la atención que merecía.
Durante los siguientes 100 años continuaron las observaciones de diversos microorganismos, pero no se encontró ninguna relación entre los microorganismos y la fermentación.
No fue hasta mediados del siglo XIX cuando Pasteur afirmó de manera convincente que la fermentación es el resultado de microorganismos después de una investigación meticulosa y a largo plazo.
Pasteur añadió jugo de carne a la botella de Pasteur y descubrió que no fermentaba cuando se calentaba, pero sí que fermentaba cuando no se calentaba. También observó en detalle el crecimiento de muchos organismos microscópicos en el caldo de fermentación, y llegó a la conclusión. Conclusión: La fermentación es un cambio químico realizado por microorganismos.
Después de una investigación continua sobre la fermentación del ácido láctico, la fermentación del alcohol de azúcar invertido, la elaboración del vino, la producción de vinagre y varias otras fermentaciones de la época, Pasteur se dio cuenta de que estos diferentes tipos de fermentación eran causados por varios microorganismos específicos. Estos microorganismos se pueden distinguir morfológicamente.
Sin embargo, en la investigación de Pasteur, se utilizaron todos los cultivos mixtos naturales y la tecnología de control de microorganismos no se ha dominado bien.
Poco después, Koch desarrolló una tecnología para el aislamiento y cultivo puro de microorganismos individuales. Cuando se utilizó esta técnica para estudiar el ántrax, se descubrió que la enfermedad infecciosa en los animales es causada por bacterias específicas.
Se puede observar que los microorganismos, al igual que las plantas superiores, se pueden distinguir claramente en función de sus relaciones de especies.
Desde entonces, la tecnología de cultivo puro de varios microorganismos ha tenido éxito. Los humanos han aprendido gradualmente a usar la sabiduría para controlar los microorganismos y aplicar cepas microbianas únicas a varios productos fermentados, lo que ha mejorado la frescura del producto y ha aumentado el rendimiento. y la mejora de la calidad desempeñaron un papel importante en la estabilidad.
Por lo tanto, el aislamiento de un solo microorganismo y el establecimiento de una tecnología de cultivo puro son el primer punto de inflexión en el desarrollo de la tecnología de fermentación y elaboración de cerveza.
Durante este período, Pasteur, Koch y otros maestros científicos que sentaron una base sólida para la fermentación moderna y la industria cervecera revelaron la esencia de la fermentación, pero aún no entendían la naturaleza química de la fermentación.
No fue hasta 1897 que Büchner aclaró la naturaleza de las reacciones químicas microbianas.
Para utilizar el extracto de levadura con fines medicinales, molió células de levadura con arena de cuarzo para obtener jugo de levadura y añadió una gran cantidad de azúcar para conservarlo. Como resultado, descubrió inesperadamente que el jugo de levadura también fermenta, produciendo dióxido de carbono y etanol. Este fue el primer ejemplo de fermentación utilizando un sistema sin células.
Esto hizo que la gente se diera cuenta de que cualquier ser vivo tiene una sustancia que provoca la fermentación: la enzima.
Desde entonces, la gente ha utilizado la matriz de las células biológicas para estudiar diversas reacciones, lo que condujo al nacimiento de la bioquímica contemporánea, vinculando la bioquímica y la microbiología entre sí, ampliando enormemente el alcance de la fermentación y la elaboración de cerveza. Productos de fermentación y elaboración de cerveza.
Sin embargo, no hubo mejoras especiales en la tecnología de fermentación y elaboración de cerveza durante este período. No fue hasta la década de 1940, con el auge de la industria de los antibióticos, que se estableció la tecnología de cultivo de aireación y agitación.
Debido a que en ese momento estábamos en la Segunda Guerra Mundial, y debido a las necesidades de la guerra, la gente necesitaba urgentemente producir penicilina a gran escala.
Por lo tanto, aprovechando la tecnología de fermentación anaeróbica pura de acetona-butanol, establecimos con éxito un método de cultivo de aireación profunda y un conjunto completo de tecnologías de cultivo, incluida la introducción de una gran cantidad de aire estéril en el tanque de fermentación, la distribución uniforme del aire mediante agitación y esterilización. y aséptico el medio de cultivo, etc. , controlando así estrictamente la temperatura, pH, ventilación y suministro de cultivo de microorganismos durante el proceso de cultivo.
Estas tecnologías han promovido enormemente la fermentación de alimentos y las industrias cerveceras, y se pueden producir a gran escala diversos ácidos orgánicos, preparaciones enzimáticas, vitaminas y hormonas mediante la fermentación aeróbica. Por lo tanto, la tecnología de ingeniería de fermentación aeróbica se ha convertido en el segundo punto de inflexión en el desarrollo de la tecnología de fermentación y elaboración de cerveza.
La tecnología de fermentación y elaboración de cerveza de este período se basaba principalmente en el control de factores ambientales externos, que estaba lejos de satisfacer las necesidades de las personas de productos fermentados. Por lo tanto, se creó una nueva tecnología: la ingeniería de fermentación de control metabólico y la reproducción por mutación artificial. Surgió la tecnología.
Basándose en la bioquímica dinámica y la genética microbiana, las personas realizan mutagénesis artificial de microorganismos para obtener cepas mutantes adecuadas para la producción de ciertos productos, y luego las cultivan bajo control artificial para producir selectivamente una gran cantidad de personas necesarias. material.
Esta nueva tecnología tuvo éxito primero en la producción de aminoácidos y luego se aplicó a otros productos como nucleótidos, ácidos orgánicos y antibióticos.
Se puede decir que la tecnología de ingeniería de fermentación de control metabólico y reproducción por mutación artificial es el tercer punto de inflexión en el desarrollo de la tecnología de fermentación y elaboración de cerveza.
Con el desarrollo de productos minerales y el rápido desarrollo de la industria petroquímica, los productos de fermentación microbiana compiten inevitablemente con los productos de síntesis química.
Los recursos minerales y el petróleo proporcionan materias primas abundantes y baratas para la síntesis química, lo que resulta muy propicio para utilizar estas materias primas para producir algunos compuestos orgánicos de bajo peso molecular.
Al mismo tiempo, la producción mundial de alimentos es muy limitada y costosa.
Por lo tanto, en un momento, un número considerable de productos fermentados en los países desarrollados se produjeron sintéticamente.
Sin embargo, debido a las preocupaciones sobre la toxicidad de los productos químicos, los alimentos sintetizados químicamente no son aceptados por los consumidores y tienen dificultades para tener un mercado amplio; además, la síntesis química es impotente para algunas sustancias complejas;
Sin embargo, los fabricantes esperan utilizar la síntesis química para reducir los costes de producción y fabricar productos de alta calidad, por lo que utilizan un método que combina la síntesis química con la fermentación microbiana.
Por ejemplo, para producir algunos ácidos orgánicos, los precursores primero se sintetizan químicamente y luego son transformados por microorganismos para obtener el producto final.
De esta manera, se estableció una tecnología de ingeniería que combina orgánicamente la síntesis química con la fermentación microbiana, constituyendo el cuarto punto de inflexión en el desarrollo de la tecnología de fermentación y elaboración de cerveza.
Durante este período, además de la fermentación celular microbiana convencional, muchos productos también adoptaron un método de conversión enzimática de un solo paso, es decir, utilizando únicamente enzimas producidas por microorganismos para realizar una única reacción química.
Por ejemplo, en la producción de jarabe alto en fructosa, se utiliza la glucosa isomerasa para convertir la glucosa en fructosa.
Por lo tanto, para ser precisos, este período es el período de aplicación de la combinación de biosíntesis y síntesis química de reacciones enzimáticas microbianas.
Con el rápido desarrollo de la industria moderna, la tecnología de ingeniería de fermentación de alimentos y elaboración de cerveza también se desarrolló rápidamente durante este período, lo que se refleja principalmente en los tanques de fermentación a gran escala, diversificados, continuos y automatizados.
Todos los parámetros básicos del proceso de fermentación, incluidos la temperatura, el pH, la presión del tanque, el oxígeno disuelto, el potencial redox, el flujo de aire y el contenido de dióxido de carbono, se pueden registrar y controlar automáticamente. Se han puesto en uso tanques de fermentación continua automática a gran escala.
La continuidad y automatización del proceso de fermentación también se han convertido en novedades clave durante este periodo.
La tecnología de ADN recombinante desarrollada en la década de 1970 ha promovido en gran medida el desarrollo de la tecnología de fermentación y elaboración de cerveza.
Primero, se obtienen muchas cepas nuevas con funciones especiales y multifuncionalidad mediante la tecnología de fusión celular, y luego se obtienen muchas nuevas sustancias útiles mediante fermentación convencional.
Por ejemplo, mediante la fusión de células vegetales, se pueden obtener células vegetales multifuncionales y se pueden producir cuidados de salud y medicamentos mediante el cultivo de células vegetales.
En los últimos años, con el rápido desarrollo de la tecnología de ingeniería genética, los genes de células biológicas pueden recombinarse in vitro y clonarse en células microbianas para formar bacterias diseñadas, que pueden usarse para producir productos que el original Los microorganismos no pueden producir, como la insulina, los factores de interferencia, etc., aumentan en gran medida los productos de fermentación de los microorganismos.
Se puede decir que la tecnología de fermentación y elaboración de cerveza ya no es una simple fermentación microbiana, sino que se ha extendido al campo de las células animales y vegetales, incluido el cultivo de microorganismos naturales, bacterias artificiales recombinantes, animales y células vegetales y otras células biológicas.
Con la aparición de animales y plantas genéticamente modificados, los equipos de fermentación - biorreactores ya no son equipos de acero tradicionales. El cuerpo de un insecto, la glándula mamaria de las células animales, las raíces y los frutos de las células vegetales, pueden considerarse como un biorreactor.
Por lo tanto, con el desarrollo de la ingeniería genética, la ingeniería celular, la ingeniería enzimática y la ingeniería bioquímica, la industria tradicional de fermentación y elaboración de cerveza ha recibido un nuevo contenido, y la fermentación y elaboración de cerveza modernas han abierto un nuevo campo.
Historia del desarrollo de la industria de la fermentación
1. Desarrollo de la industria de la fermentación extranjera
La historia del desarrollo de la industria de la fermentación se puede dividir en cinco etapas.
Esta es la primera etapa anterior al siglo XIX.
En aquella época se limitaba a la elaboración de bebidas alcohólicas y vinagre.
Aunque en el antiguo Egipto se podía elaborar cerveza, no fue hasta el siglo XVII d.C. cuando se realizó la primera elaboración real de cerveza en una tina de madera con una capacidad de 1.500 barriles (un barril equivale a 110 litros). ). Elaboración de cerveza a gran escala.
Incluso en los primeros días de elaboración de la cerveza, intentamos controlar el proceso.
Según los registros históricos, en 1757 se utilizó un termómetro; en 1801 había un intercambiador de calor original.
A mediados del siglo XVIII, Cagniard-Latour, Schwann y Kutzing confirmaron respectivamente las leyes de la actividad de las levaduras en la fermentación alcohólica.
El pasado finalmente convenció a la comunidad científica de las leyes que seguían las levaduras durante la fermentación.
Hansen comenzó su trabajo pionero en la cervecería Cal***erg a finales del siglo XVIII.
Estableció el aislamiento y la propagación de células individuales de levadura, proporcionó tecnología de cultivo pura y formó un conjunto de tecnología de cultivo de producción inicial compleja.
La elaboración de cerveza británica no utiliza cultivo puro.
Para ser precisos, muchos pequeños procesos tradicionales de elaboración de cerveza todavía utilizan levaduras mixtas.
La producción del vinagre se realiza inicialmente en recipientes poco profundos o en barriles de madera sin cerveza. El vino restante se oxida lentamente para producir vinagre, que emite una fragancia natural.
Después de darse cuenta de la importancia del aire en el proceso de elaboración del vinagre, finalmente se inventó el "generador".
El generador se llena con sustancias inertes (como coque, carbón y diversas virutas de madera) y el vino gotea lentamente.
El generador de vinagre puede considerarse como el primer generador aeróbico.
Desde finales de 2018 hasta principios de 2019, el medio de cultivo básico fue pasteurizado y luego inoculado con un 10% de vinagre de alta calidad para acidificarlo, lo que puede prevenir la contaminación bacteriana.
Esto lo convierte en un buen material de inoculación.
A principios del siglo XX se había establecido el concepto de control de procesos en la industria vitivinícola y vitivinícola.
De 1900 a 1940, los principales productos nuevos fueron la levadura, la glicerina, el ácido cítrico, el ácido láctico, el butanol y la acetona.
Entre ellos, la fermentación de levadura de panadería y disolventes orgánicos ha logrado grandes avances.
La producción de levadura de panadería es un proceso aeróbico.
La levadura crece rápidamente en abundantes nutrientes, agotando el oxígeno de la solución de cultivo.
Se forma etanol al mismo tiempo que se reduce el crecimiento bacteriano.
Limitar la concentración inicial de nutrientes para que el crecimiento celular esté más bien limitado por fuentes de carbono que por falta de oxígeno; luego añadir pequeñas cantidades de nutrientes durante el proceso de cultivo.
Esta tecnología es ahora un método de cultivo por lotes alimentados y se ha utilizado ampliamente en la industria de la fermentación para prevenir la hipoxia. Además, el método inicial de introducir aire en la solución de cultivo de levadura se mejoró para ingresar a la solución de cultivo a través de un tubo de distribución de aire.
Los tubos de distribución de aire se pueden limpiar con vapor.
Durante la Primera Guerra Mundial, Weizmann fue pionero en la fermentación de butanol y acetona, estableciendo una verdadera fermentación estéril.
El proceso utilizado hasta ahora puede considerarse un método que proporciona un buen material de inóculo y cumple con los estándares higiénicos con menos posibilidades de infección bacteriana.
Aunque la fermentación de butanol y acetona son anaeróbicas, se contaminan fácilmente con bacterias aeróbicas en las primeras etapas de la fermentación. En las condiciones anaeróbicas posteriores, también estará contaminada por bacterias anaeróbicas productoras de ácido.
Un tanque de fermentación es un barril redondo hecho de acero dulce con una parte superior e inferior semicirculares.
Se puede esterilizar con vapor bajo presión para minimizar la contaminación de bacterias extrañas.
Sin embargo, es difícil ampliar el inóculo y mantenerlo libre de bacterias extrañas utilizando un fermentador con un volumen de 200M3.
El desarrollo de la tecnología de fermentación con disolventes orgánicos en la década de 1940 fue el principal avance en la tecnología de fermentación.
También allana el camino para el éxito de un proceso aeróbico libre de bacterias.
El progreso de la industria de la tercera fermentación fue la producción de penicilina mediante cultivo profundo bajo tecnología de cultivo puro basada en las necesidades de tiempos de guerra.
La producción de penicilina se lleva a cabo mediante un proceso aeróbico y se contamina fácilmente con diversas bacterias.
Aunque se han adquirido conocimientos valiosos a partir de la fermentación con disolventes, todavía es necesario resolver los problemas de agitación que supone la introducción de grandes cantidades de aire estéril y caldo de cultivo de alta viscosidad en el medio de cultivo.
La diferencia entre la producción temprana de penicilina y la fermentación con disolventes es que la capacidad de producción de penicilina es extremadamente baja, lo que promueve el proceso de mejora de la cepa y juega un papel importante en la industria futura.
La industria de la fermentación se ha desarrollado aún más gracias al surgimiento de plantas piloto, que pueden probar nuevas tecnologías a escala de semiproducción.
Al mismo tiempo, el proceso de extracción para la recuperación a gran escala de penicilina también es otro avance importante.
Durante este período, la tecnología de fermentación cambió drásticamente, haciendo posible establecer muchos procesos nuevos, incluida la conversión de otros antibióticos, giberelinas, aminoácidos, enzimas y esteroides.
A principios de los años 60, muchas empresas multinacionales decidieron investigar y producir células microbianas como fuente de proteína alimentaria, lo que impulsó el progreso tecnológico.
Este período puede considerarse como la cuarta etapa de la industria de la fermentación.
El volumen del tanque de fermentación más grande con agitación mecánica se ha ampliado de 80M3 en la tercera etapa a 150M3.
Dado que las proteínas microbianas son baratas, deben producirse a mayor escala que otros productos fermentados.
Si se utilizan hidrocarburos como fuente de carbono, la demanda de oxígeno durante el proceso de fermentación aumentará, por lo que surgió el tanque de fermentación de circulación forzada con inyección de alta presión y sin agitación mecánica.
Este método es más económico si se utiliza de forma continua.
En esta etapa, el cultivo por lotes y el cultivo por lotes alimentados se utilizan ampliamente en la industria.
La fermentación continua consiste en inyectar continuamente medio de cultivo fresco en el tanque de fermentación para promover el crecimiento continuo de microorganismos y extraer parte del líquido de cultivo. Su aplicación en la gran industria es extremadamente limitada.
Al mismo tiempo, el potencial de la fermentación continua también se ha estudiado en la industria cervecera, pero tiene pocas aplicaciones industriales.
Por ejemplo, ICI Company todavía utiliza un tanque de fermentación de circulación forzada continua de 3000M3.
El ciclo de operación de la fermentación continua ultralarga puede exceder los 100 días y el problema es la contaminación bacteriana.
La gravedad ha superado con creces la producción de antibióticos en la década de 1940.
La esterilización de este tanque de fermentación se logra mediante los siguientes medios: estructura del tanque de fermentación altamente estandarizada, esterilización continua del líquido de alimentación, control informático de los ciclos de esterilización y operación, minimizando las operaciones manuales.
La quinta etapa en la historia de la industria de la fermentación comenzó con la finalización de la manipulación genética in vitro de microorganismos, a menudo denominada ingeniería genética.
La ingeniería genética no sólo puede transferir genes entre organismos no relacionados, sino también intercambiar de forma precisa el genoma de un organismo.
Así, las células microbianas pueden estar dotadas de la capacidad de producir compuestos producidos por células de organismos superiores.
Esto da como resultado la formación de nuevos procesos de fermentación, como la producción de insulina e interferón, lo que permite a los microorganismos industriales producir compuestos más allá del alcance de los microorganismos originales.
Para mejorar aún más la capacidad de producción de productos microbianos industriales convencionales, también se puede utilizar tecnología de manipulación genética.
Se cree que la tecnología de manipulación genética supondrá una revolución en la industria de la fermentación y surgirán una gran cantidad de nuevos procesos.
Sin embargo, para desarrollar un nuevo proceso, todavía tenemos que confiar en una gran cantidad de tecnologías de cultivo celular, que alguna vez comenzaron con levadura y fermentación de fundente, luego pasaron por fermentación antibiótica, hasta llegar a células continuas a gran escala. cultura.