5发酵工程

发酵工程什么是发酵？微生物微生物（microorganism,microbe）是一切肉眼看不见或看不清楚的微小生物的总称。它们是一些个体微小（0.1mm）、构造简单的低等生物，包括属于原核类的细菌、放线菌、支原体、立克次氏体、衣原体和蓝细菌，属于真核类的真菌（酵母菌和霉菌）、原生动物和显微藻类，以及属于非细胞类的病毒、类病毒和朊病毒等。细菌细菌是微生物世界中数量和种类最多的族群。细菌被称为原核生物因为它们缺乏细胞核和胞器。有细菌，如霍乱弧菌、沙门氏杆菌、金黄葡萄球菌等，一但进入人体将会使我们生病，但有些寄生我们肠道的细菌如双叉乳杆菌或一些乳酸菌，却能帮助我们维持身体的健康。抗生素，一种由放线菌产生的神奇物质，可以帮助我们对抗细菌，减少疾病的死亡率，而人类现在的寿命远超过十九世纪所能想象的，都是拜抗生素所赐。除了医学上的用途，微生物在环境中扮演着分解者的角色，它们能循环生物圈中被固定的养份，使养份可以在不同生物中流动。同时，它也帮助我们分解环境中的毒性物质，使被污染的环境能再度被我们利用；但它们也会产生一些温室效应的气体，环境造成破坏。在食品上细菌也被用来产生一些乳制品，如奶酪、酸奶等。分裂后的大肠杆菌（带鞭毛）脑膜脓毒性金黄杆菌真菌真菌是真核生物，可能有一个细胞核或多个细胞核，谈到真菌，我们会想到的大概是市场买的美味的菇类或是面包上的霉菌。这些真菌和生物界的原素循环亦扮演着重要的角色，特别是纤维素或木质素的分解，在医学上，第一种抗生素－盘尼西林－是由真菌产生，但有一些真菌却会产生毒素使人致死；也有的真菌感染虽然不会致死，但却会使人非常不舒服，如香港脚。除了与人的健康有关外，真菌与我们日常的食物生产有关，如酱油和味增。脚气真菌黑曲霉红酵母青霉毛壳菌曲霉分生孢子面包酵母（长有芽孢）原生虫原生虫是单细胞的真核生物。当初虎克用最原始的显微镜所观察的就是这些小虫子，也才有近代微生物的研究，在食物链中，原生虫扮演的是一级消费者，并支持着食物链上层的生物，在环境中，它们可以靠鞭毛，纤毛或伪足来移动。在废水处理厂中，原生虫扮演了减少细菌数量的重要角色。它们也帮助反刍动物分解胃内食物。但有些原生虫如Giardialamblia造成下痢，使人病痛不欲生。藻类藻类有着固定的细胞壁，而且因为它们有叶绿素，因此它们也被认为是类似植物的生物。在食物链中，它们是第一级的生产者，没有它们，我们将面临严重的食物短缺。另一方面，它们也是造成水的腥味或优养化的原因。有一些藻类像甲藻更会产生剧毒，对身体造成严重的后果。病毒病毒是目前发现最小的微生物们只能活在活的生物体中。虽然它们是如此的微小，一但它进入宿主的细胞，就会造成莫大的伤害。不管动物或植物都难逃病毒的攻击，比如说一般的感冒、泡疹和肝炎都是病毒所造成的疾病。在过去二十年，最严重的病－AIDS是由称为HIV的病毒所造成的。尽管它们对生物有很大的害处，由于它们可以将遗传物质插入宿主，病毒现在广为用来进行遗传工程的实验，随着科技的不断发展，微生物在生物学的研究上渐渐成为一个主要的学科。可以预见的是它在二十一世纪对于增进人类的福祉是非常重要的。微生物对人类的贡献（一）占据地盘以减少病原菌的人侵机会。例如:在皮肤、口腔、呼吸道、泌尿生殖道…等处的无害细菌。产生有益的物质。例如:大肠菌可产生维生素B和维生素E;且可分泌大肠菌素以抑制肠道病原菌。制造抗生素,例如:青霉菌、红霉菌…等。食用菇类,例如:木耳、香菇、洋菇…等微生物对人类的贡献（二）食品工业上的运用:酿酒、制造面包,例如:醇母菌。制醋,例如:醋酸菌。乳酸食品,例如:乳酸杆菌。制造酱油,例如:黄曲菌。遗传工程上,常利用细菌等微生物来制造激素、酵素…等。例如:胰岛素的制造啤酒酵母5发酵工程水果和葡萄在自然条件下会发酵产生酒，这一自然现象早在5000~6000年前的“仰韶文化时期”就为人们所了解并用于酿酒。发酵（Fermentation）一词，最初来自拉丁语“发泡”（fervere），是指酒精发酵时产生二氧化碳的现象。在生物化学中，发酵（狭义发酵）是指微生物的一种呼吸类型，为微生物在无氧时的代谢过程。在现代工业中，发酵（广义发酵）是指利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体或其代谢物生产各种目的产物的过程，包括利用好氧微生物的需氧发酵，厌氧微生物的厌氧发酵及兼气厌氧微生物的兼气发酵。这里唱主角的是细菌、真菌等微生物。发酵工程主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术人们起初应用发酵技术制造酱油、醋和酒等，随后应用微生物来生产越来越多的东西，随着生产技术与化工技术相结合，而导致了发酵工程的建立。发酵工程始于二十世纪40年代初，当时大规模生产抗生素工艺的建立，为发酵工程的发展奠定了基础。简言之，发酵工程就是通过研究改造发酵所用的菌以及应用技术手段控制发酵过程来大规模工业化生产发酵产品。目前医用抗生素、农用抗生素等已愈200多个品种，绝大部分都是发酵工程的产品。除抗生素外，发酵工程产品还包括氨基酸、核苷酸、维生素、甾体激素、黄原胶、工业用酶等等。我们日常生活中常见的味精、VB2、Vc等也是发酵工程的产品。特别是近30年来，随着基因工程、代谢工程、组合生物合成等技术的迅猛发展，发酵工业的应用领域大大扩展，发酵工程的研究内容也日益拓展和丰富。5.1发酵类型及技术特点现代发酵工程不仅包括菌体生产和代谢产物的发酵生产，还包括微生物机能的利用。其主要内容包括生产菌株的选育，发酵条件的优化与控制，反映器的设计及产物的分离、提取与精制等。不管发酵的过程怎样，都是利用微生物和其代谢产物的过程，一般多用发酵产物命名，如青霉素发酵、谷氨酸发酵、核黄素发酵和蛋白酶发酵等等。也可按菌体、代谢产物等来归类。5.1发酵类型及技术特点5.2微生物发酵工艺过程5.3液体发酵5.4固体发酵5.5发酵工程的应用5.1.1发酵类型目前已知具有生产价值的发酵有微生物菌体发酵、微生物酶代谢产物发酵、生物转化、工程菌发酵等几种。5.1.1.1微生物菌体发酵传统的菌体发酵有用于面包制作的酵母发酵和微生物菌体蛋白（单细胞蛋白）的生产。人们利用菌体发酵培养来生产一些药用真菌及同等疗效的产品，采用真菌菌丝体发酵，人工培养已批量生产冬虫夏草菌丝体，灵芝、猪茯苓、灰树花、姬松茸等菌丝体。如云南微生物所研发并上市的冬虫夏草菌精粉，多虫夏草菌多糖，贵州大学张义明等采用深层发酵培养虫草菌素等。又如从香菇类中获取香菇多糖、金针菇多糖，接种多孔菌茯苓菌培养茯苓提取多糖等等。人们从食药兼用的担子菌伞菌目的大型真菌裂褶菌（树花）发酵液中提取免疫增强剂裂褶多糖（SPG）。5.1.1.2微生物酶发酵酶普遍存在于动物、植物和微生物中。起初，人们从动物脏器和植物种子等组织中提取酶，但含量低、成本高。而微生物种类繁多，已鉴定的约有20万种，使得人们可以从繁多的微生物中，选取生产所需酶的微生物，容易得到所需的酶类。因微生物生长周期短，长的一周左右，短的只要十几个小时。且微生物的培养原料如麸皮、豆饼、玉米浆、废糖蜜等大都比较廉价，生产成本低。所以目前工业应用的酶类大多来自微生物发酵。5.1.1.3微生物代谢产物发酵微生物代谢产物的类型很多，医药上用的抗生素、维生素、疫苗等，食品工业中的氨基酸、发酵剂、核酸等，农业上的生长促进剂、除草剂、杀虫剂、以及轻工业上应用的有机酸、生物碱、表面活性剂等等。在菌体对数生长期所产生的产物，如氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、糖类等，是菌体生长繁殖所必需的，这些初级代谢产物在生产上很重要，与之形成了为获取初级产物为目的的不同发酵工业。例如微生物胞外多糖具有植物多糖不具备的优良性质，它们生产周期短，不受季节、地域和病虫害条件限制，经济上具有广阔的市场发展前景。5.1.1.4微生物的转化发酵微生物转化是利用微生物细胞的酶把一种化合物转变成结构相关的有价值的另一种产物，如人们利用植物乳杆菌发酵法生产乳酸脱氢酶（lactatedehydragenaseLDH），植物乳杆菌可将亚油酸（linoleicAcid,LA）转化为最具生物活性的共轭亚油酸（conjugatedlinoleicAcid,CLA），后者具多种营养和保健功能。微生物可进行的转化反应有脱氢、脱水、脱羧、缩合反应，氧化、氨化、脱氨反应以及异构化反应等。微生物发酵将乙醇转化成乙酸，算是最早的生物转化。葡萄糖酸杆菌能将D-山梨醇转变成L-山梨糖，葡萄糖可转化成葡萄糖酸再进一步转化成2—酮基葡萄糖，都是微生物转化的作用。5.1.1.5生物工程细胞发酵用DNA重组的工程菌及细胞融合所得的杂交细胞等来进行发酵培养也可获得干扰素、胰岛素、青霉素酰化酶等多种代谢产品，用淋巴细胞杂交瘤来制备各种单克隆抗体用于免疫检测和疾病诊断。比如将重组大肠杆菌发酵生产的β-葡聚糖酶用于麦类饲料添加剂和啤酒工业生产中，极大地改善了它们的品质。上世纪末瑞士、俄国、德国一些公司相继构建一些核黄素高产枯草芽孢杆菌，这些工程菌株的应用使核黄素产量在原有基础上提高了近十倍，在核黄素工业生产中发挥了重要作用。5.1.2发酵技术的特点及应用在发酵过程中唱主角的是微生物，它们种类繁多，多达20万种。生长周期短，长的一周左右，短的30分钟至十几个小时一代，繁殖增长速度快，代谢能力强，且容易通过诱变获得有益的突变株。它们能够利用有机物、无机物等各种原料生产多种代谢产物产品。来源于微生物的众多酶类能促成各种生物化学反应，制备诸多产品。微生物发酵技术可以实现规模化生产，形成相关产业，不受气候季节的限制。这些源于酱、醋、酒类古老酿造技术到近代发酵技术的迅速发展，形成了现代的发酵工程。微生物发酵技术具有其自身的一些特点：（1）发酵过程以微生物细胞完善的代谢调节机制使其细胞内复杂的生化反应高度有序进行，使得复杂的发酵过程得以在发酵罐中一次完成。（2）微生物的生物酶促反应，通常在常温常压下进行，反应条件温和，能耗少，设备简单。（3）微生物培养基原料通常以糖蜜、淀粉、玉米粉等碳水化合物为主，可以利用农村产品、糖厂下脚料、纸厂等工业废水、农作物秸秆、锯木屑等，不同微生物能从中选择性吸收所需营养物质。（4）微生物发酵既能获得低分子化合物，也容易生产高分子化合物，且能高度选择性地把复杂化合物进行生物转化。（5）发酵过程中培养基要求严格灭菌、去除非目的菌的杂菌污染，通入的氧气也是经过灭菌的洁净空气，设备换罐要严格清洗、灭菌。微生物发酵的上述特点也给发酵工程带来了诸多优越性，使其能广泛应用于医药、轻工、食品、环保、工农业生产各领域。（1）在医药工业上，首先是生产抗生素、维生素等常用大宗药品，还用于生产胰岛素、乙肝疫苗、干扰素、透明质酸等新药。（2）食品工业方面，更是用于氨基酸、微生物蛋白、发酵饮料、酒类和乳酸、天然色素、食品添加剂等的生产。在这方面，我国发酵产品生产中，柠檬酸、味精、啤酒的产量均为世界第一。（3）在生物能源的开发应用上，将绿色植物的秸秆、木屑及农林业生产中的纤维素、半纤维素、木质素等废弃物通过微生物发酵制造酒精液体燃料或沼气燃料。还可利用肠杆菌、梭状菌等产氢菌行厌氧发酵制氢气及微生物电池。（4）化学工业上用于乙醇、丙三醇、丁醇、丙酮、丙醇酸等化工原料的生产。（5）用于微生物采矿、湿法冶金。（6）农业上，应用根瘤菌肥料接种剂、解磷细菌肥、光合细菌肥、“5406”抗生菌肥料，Bt.苏云金杆菌杀虫剂、白僵菌剂以及微生物作用的青贮糖化饲料、单细胞蛋白饲料等等，为农林业的增产和畜牧业的发展做出了重要贡献。（7）保护环境、治理环境污染。5.2微生物发酵工艺过程微生物发酵过程是指由微生物在生长繁殖过程中所引起的生化反应过程。发酵过程包括培养基的配制，培养基、发酵罐及其它辅助设备的灭菌，将培养好的菌种按一定比例接入发酵罐中，控制发酵条件进行发酵，分离产物并进行精制以得到合格的产品，回收或处理发酵过程中所产生的废物等。典型发酵工艺流程图见图。菌种筛选摇瓶试验发酵罐试验5.2.1工业生产中常用微生物微生物在自然界的分布极为广泛，如土壤、空气、水、动植物体以及人和动物体内都有微生物存在，以土壤中为