发酵工程综述

《发酵工程综述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《发酵工程综述（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、发酵工程综述发酵工程的内容是随着科学技术的开展而不断扩大和充实的。现代的发酵工 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 内容包括生产菌种的选育，发酵条件的优化与控制，反响器的设计与产物的别离、 提取与精制等。1 发酵类型目前具有生产价值的发酵类型有以下五种：1.1 微生物菌体发酵这是以获得具有某种用途的菌体为目的的发酵。比拟传统的菌体发酵工业， 有用于面包制作的酵母发酵与用于人类食品或动物饲料的微生物菌体蛋白发酵 两种类型。新的菌体发酵可用来生产一些药用真菌，如香菇类、依赖虫蛹而生存 的冬虫夏草菌、与天麻共生的密环菌、以与从多孔菌科的茯苓菌获得的名贵中药 茯苓和

2、担子菌的灵芝等。这些药用真菌可以通过发酵培养的手段来产生与天然产 品具有同等疗效的产物。有的微生物菌体还可用作生物防治剂，可制成新型的微 生物杀虫剂，并用于农业生产中。因此菌体发酵工业还包括微生物杀虫剂的发酵。1.2 微生物酶发酵酶普遍存在于动物、植物和微生物中。最初，人们都是从动、植物组织中提 取酶，但目前工业应用的酶大多来自微生物发酵，因为微生物具有种类多、产酶 品种多、生产容易和本钱低等特点。微生物酶制剂有广泛的用途，多用于食品工 业和轻工业中，如微生物生产的淀粉酶和糖化酶用于生产葡萄糖，氨基酰化酶用 于拆分D、L-氨基酸等。1.3 微生物代谢产物发酵微生物代谢产物的种类很多，的有 37

3、 个大类。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， 这些产物叫做初级代谢产物。许多初级代谢产物在经济上具有相当的重要性，分 别形成了各种不同的发酵工业。在菌体生长静止期，某些菌体能合成一些具有特 定功能的产物，如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子等。这些产物与菌 体生长繁殖无明显关系，叫做次级代谢产物。次级代谢产物多为低分子量化合物， 但其化学构造类型多种多样，据不完全统计多达 47 类。其中抗生素按其构造类 型相似性，可分为 14 类。由于抗生素不仅具有广泛的抗菌作用，而且还有抗病 毒、抗癌和其他生理活性，因而得到了大力开展，已成为

4、发酵工业的重要支柱。1.4 微生物的转化发酵微生物转化是利用微生物细胞的一种或多种酶，把一种化合物转变成构造相 关的更有经济价值的产物。可进展的转化反响包括：脱氢反响、氧化反响、脱水 反响、缩合反响、脱羧反响、氨化反响、脱氨反响和异构化反响等。最古老的生 物转化，就是利用菌体将乙醇转化成乙酸的醋酸发酵。生物转化还可用于把异丙 醇转化成丙醇；甘油转化成二羟基丙酮；葡萄糖转化成葡萄糖酸，进而转化成 2 酮基葡萄糖酸或5酮基葡萄糖酸；以与将山梨醇转变成L山梨糖等。此外， 微生物转化发酵还包括甾类转化。1.5 生物工程细胞的发酵这是指利用生物工程技术所获得的细胞，如DNA重组的“工程菌以与细胞 融合所

5、得的“杂交细胞等进展培养的新型发酵，其产物多种多样。用基因工程 菌生产的有胰岛素、干扰素、青霉素酰化酶等，用杂交瘤细胞生产的用于治疗和 诊断的各种单克隆抗体等。2 发酵技术的特点微生物种类繁多、繁殖速度快、代谢能力强，容易通过人工诱变获得有益的 突变株；微生物酶的种类很多，能催化各种生物化学反响；微生物能够利用有机 物、无机物等各种营养源；可以用简易的设备来生产多种多样的产品；不受气候、 季节等自然条件的限制等优点。所以源于酒、酱、醋等酿造技术的发酵技术开展 非常迅速，并具有以下特点：发酵过程以生命体的自动调节方式进展，数十个 反响过程能够在发酵设备中一次完成；反响通常在常温常压下进展，条件温

6、和， 能耗少，设备较简单；原料通常以糖蜜、淀粉等碳水化合物为主，可以是农副 产品、工业废水或可再生资源（如植物秸秆、木屑等），微生物本身能有选择地摄 取所需物质；容易生产复杂的高分子化合物，能高度选择地在复杂化合物的特 定部位进展氧化、复原、官能团引入或去除等反响；发酵过程中需要防止杂菌 污染，大多情况下设备需要进展严格的冲洗、灭菌，空气需要过滤等。3 发酵技术的应用发酵过程的上述特点表达了发酵工程的种种优点。在目前能源、资源紧 X， 人口、粮食与污染问题日益严重的情况下，发酵工程作为现代生物技术的重要组 成局部之一，得到越来越广泛的应用：医药工业，用于生产抗生素、维生素等 常用药物和人胰岛素

7、、乙肝疫苗、干扰素、透明质酸等新药；食品工业，用于 微生物蛋白、氨基酸、新糖源、饮料、酒类和一些食品添加剂（柠檬酸、乳酸、 天然色素等）的生产；能源工业，通过微生物发酵，可将绿色植物的秸秆、木 屑以与工农业生产中的纤维素、半纤维素、木质素等废弃物转化为液体或气体燃 料（酒精或沼气），还可利用微生物采油、产氢以与制成微生物电池；化学工业， 用于生产可降解的生物塑料、化工原料（乙醇、丙酮、丁醇、癸二酸等）和一些生 物外表活性剂与生物凝集剂；冶金工业，微生物可用于黄金开采和铜、铀等金 属的浸提；农业，用于生物固氮和生产生物杀虫剂与微生物饲料，为农业和畜 牧业的增产发挥了巨大作用；环境保护，可用微生物

8、来净化有毒的高分子化合 物，降解海上浮油，去除有毒气体和恶臭物质以与处理有机废水、废渣等等。4 微生物发酵过程 微生物发酵过程即微生物反响过程，是指由微生物在生长繁殖过程中所引起 的牛化反响的过程。根据微生物的种类不同（好氧、厌氧、兼性厌氧），微生物发酵过程可以分为 好氧性发酵过程和厌氧性发酵过程两大类。（1）好氧性发酵 在发酵过程中需要不断地通人一定量的无菌空气，如利用黑 曲霉进展的柠檬酸发酵，利用棒状杆菌进展的谷氨酸发酵，利用黄单孢菌进展的 多糖发酵等。（2）厌氧性发酵 在发酵时不需要供应空气，如乳酸杆菌引起的乳酸发酵，梭 状芽孢杆菌引起的丙酮、丁醇发酵等。此外，酵母菌是兼性厌氧微生物，它

9、在缺氧条件下进展厌氧性发酵积累酒精 而在有氧即通气条件下那么进展好氧性发酵，大量繁殖菌体细胞，因此称为兼性 发酵。根据培养基状态的不同（固体或液体），微生物发酵可分为固体发酵和液体发 酵。如果按照发酵设备来分，又可分为敞口发酵、密闭发酵、浅盘发酵和深层发 酵。其中深层发酵法是指在液体培养基内部（不仅仅在外表）进展的微生物培养过 程。液体深层发酵是在青霉素等抗生素的生产中开展起来的技术。同其他发酵方 法相比，它具有很多优点：液体悬浮状态是很多微生物的最适生长环境；在 液体中，菌体与营养物、产物（包括热量）易于扩散，使发酵可在均质或拟均质条 件下进展，便于控制，易于扩大生产规模；液体输送方便，易于

10、机械化操作； 厂房面积小，生产效率高，易进展自动化控制，产品质量稳定；产品易于提 取、精制等。因而液体深层发酵在发酵工业中被广泛应用。4.1 发酵工业中的常用微生物微生物资源非常丰富，广布于土壤、水和空气中，尤以土壤中为多。有的微 生物从自然界中别离出来就能够被利用，有的需要对别离到的野生菌株进展人工 诱变，得到突变株才能被利用。当前发酵工业所用菌种的总趋势是从野生菌转向 变异菌，从自然选育转向代谢控制育种，从诱发基因突变转向基因重组的定向育 种。发酵工业生产上常用的微生物主要是细菌、放线菌、酵母菌和霉菌，由于发 酵工程本身的开展以与遗传工程的介入，藻类、病毒等也正在逐步地成为发酵工 业中采用

11、的微生物。4.2 培养基4.2.1 培养基的种类培养基是人们提供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物需要的多种营 养物质的混合物。培养基的成分和配比，对微生物的生长、发育、代谢与产物积 累，甚至对发酵工业的生产工艺都有很大的影响。依据其在生产中的用途，可将 培养基分成孢子培养基、种子培养基和发酵培养基等。4.2.2 发酵培养基的组成发酵培养基的组成和配比由于菌种不同、设备和工艺不同以与原料来源和质 量不同而有所差异。因此，需要根据不同要求考虑所用培养基的成分与配比。但 是综合所用培养基的营养成分，不外乎是碳源（包括用作消泡剂的油类）、氮源、 无机盐类（包括微量元素）、生长因子等几类。4.2.3

12、 菌种在进展发酵生产之前，必须从自然界别离得到能产生所需产物的菌种，并经 别离、纯化与选育后或是经基因工程改造后“工程菌，才能供应发酵使用。为 了能保持和获得稳定的高产菌株，还需要定期进展菌种纯化和育种，筛选出高产 量和高质量的优良菌株。4.2.4 种子扩大培养将保存在砂土管、冷冻枯燥管或冰箱中处于休眠状态的生产菌种接人试管斜 面培养基上活化后，再经过茄子瓶或摇瓶与种子罐逐级扩大培养，获得一定数量 和质量的纯种，这个全过程称为种子扩大培养，这些纯种培养物称为种子。发酵产物的产量与成品的质量，与菌种性能以与孢子和种子的制备情况密切 相关。先将储存的菌种进展生长繁殖，以获得良好的孢子，再用所得的孢

13、子制备 足够量的菌丝体，供发酵罐发酵使用。种子制备有不同的方式，有的从摇瓶培养 开场，将所得摇瓶种子液接人到种子罐进展逐级扩大培养，称为菌丝进罐培养； 有的将孢子直接接人种子罐进展扩大培养，称为孢子进罐培养。采用哪种方式和 多少培养级数，取决于菌种的性质、生产规模的大小和生产工艺的特点。种子制 备一般使用种子罐，扩大培养级数通常为二级。对于不产孢子的菌种，经试管培 养直接得到菌体，再经摇瓶培养后即可作为种子罐种子。4.2.5 发酵发酵是在无菌状态下对微生物进展纯种培养，本阶段微生物合成大量的产物 是整个发酵工程的中心环节。因此，所用的培养基和培养设备都必须经过灭菌， 通人的空气或中途的补料都是

14、无菌的，转移种子也要采用无菌接种技术。通常利 用饱和蒸汽对培养基进展灭菌，灭菌条件是在120C（约0 -1 MPa表压）维持2030 min。空气除菌那么采用介质过滤的方法，可用定期灭菌的枯燥介质来阻截流 过的空气中所含的微生物，从而制得无菌空气。发酵罐内部的代谢变化（菌丝形 态、菌浓度、糖含量、氮含量、pH、溶氧浓度和产物浓度等）是比拟复杂的，特 别是次级代谢产物发酵就更为复杂，受许多因素控制。4.2.6 下游处理发酵完毕后，要对发酵液或微生物细胞进展别离和提取精制，将发酵产物制 成符合要求的成品。5 液体深层发酵5.1 发酵的操作方式根据操作方式的不同，液体深层发酵主要有分批发酵、连续发酵

15、和补料分批 发酵三种类型。5.2 分批发酵营养物和菌种一次参加进展培养，直到完毕放罐，中间除了空气进入和尾气 排出，与外部没有物料交换。传统的生物产品发酵多用此过程，它除了控制温度 和 pH 与通气以外，不进展任何其他控制，操作简单。但从细胞所处的环境来看， 那么有明显改变，发酵初期营养物过多，可能抑制微生物的生长，而发酵的中后 期又可能因为营养物减少而降低培养效率；从细胞的增殖来说，初期细胞浓度低， 增长慢，后期细胞浓度虽高，但营养物浓度过低也生长不快，总的生产能力不是 很高。迄今为止，分批发酵仍是常用的发酵方法，广泛用于多种发酵过程。5.3 连续发酵所谓连续发酵，是指以一定的速度向发酵罐内

16、添加新鲜培养基，同时以一样 的速度流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定，微生物在稳定状态下生长。 稳定状态可以有效地延长分批培养中的对数期。在稳定的状态下，微生物所处的 环境条件，如营养物浓度、产物浓度、pH等都能保持相对恒定，微生物细胞的 浓度与其比生长速率也可维持不变，甚至还可以根据需要来调节生长速度。与分批发酵相比，连续发酵有着较多优点，但目前主要用于研究工作中，如 发酵动力学参数的测定，过程条件的优化试验等。而在工业生产中的应用还不多， 目前主要用于面包酵母和饲料酵母的生产，以与有机废水的活性污泥处理等。另 外，酒精连续发酵生产技术在前苏联也已获得成功的应用。而新近开展的一种培 养方法那么是把固定化细胞技术和连续培养方法结合起来，用于生产丙酮、丁醇、 正丁醇、异丙醇等重要工业溶剂。5.4 补料分批发酵补料分批发酵又称