微生物发酵工程的应用与展望（生物技术制药）

微生物发酵工程的应用与展望

The application of microbial fermentation

engineering and prospect

罗施镇

（12制药工程班 学号：201200605015）

摘 要：文章简述了发酵工程概念、技术原理以及发酵工程在当代生活中的应用和未来发展方向。

关键词：微生物；发酵工程；应用

Abstract: The article has summarized the fermentation engineering concept, technology principle and the application of fermentation engineering in contemporary life and its development direction in future. Key words：microorganisms；fermentation engineering；application

1 前言

生物工程和技术被认为是21世纪的主导技术，作为新技术革命的标

志之一，已受到世界各国的普遍重视。生物工程将为解决人类所面临的环境、资源、人口、粮食等危机和压力提供最有希望的解决途径，发酵工程和化学工业，医药、食品、能源、环境保护等领域关系密切，它的开发具有很大的经济效益。

1 发酵工程概述

1.1 发酵工程的概念

发酵工程又称微生物工程，是利用微生物制造原料与工业产品并提供 服务的技术，是生物技术的基础工程。用于产品制造的基因工程、细胞工程和酶工程等的实施，几乎与发酵工程紧密相连。

现代发酵工业已经形成完整的工业体系，包括抗生素、氨基酸、维生素、有机算、有机溶剂、多糖、酶制剂、单细胞蛋白、基因工程药物、核酸类及其他生物活性物质等。 1.2 发酵工程发展的简介

20世纪20年代的酒精、甘油和丙酮等发酵工程，属于厌氧发酵。从那时起，发酵工程又经历了几次重大的转折，在不断地发展和完善。

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20世纪40年代初，随着青霉素的发现，抗生素发酵工业逐渐兴起。由于青霉素产生菌是需氧型的，微生物学家就在厌氧发酵技术的基础上，成功地引进了通气搅拌和一整套无菌技术，建立了深层通气发酵技术。它大大促进了发酵工业的发展，使有机酸、微生素、激素等都可以用发酵法大规模生产。

1957年，日本用微生物生产谷氨酸成功，如今20种氨基酸都可以用发酵法生产。氨基酸发酵工业的发展，是建立在代谢控制发酵新技术的基础上的。科学家在深入研究微生物代谢途径的基础上，通过对微生物进行人工诱变，先得到适合于生产某种产品的突变类型，再在人工控制的条件下培养，就大量产生人们所需要的物质。目前，代谢控制发酵技术已经与核苷酸、有机酸和部分抗生素等的生产中。

20世纪70年代以后，基因工程、细胞工程等生物工程技术的开发，使发酵工程进入了定向育种的新阶段，新产品层出不穷。

20世纪80年代以来，随着学科之间的不断交叉和渗透，微生物学家开始用数学、动力学、化工工程原理、计算机技术对发酵过程进行综合研究，使得对发酵过程的控制更为合理。在一些国家，已经能够自动记录和自动控制发酵过程的全部参数，明显提高了生产效率。

3 发酵的基本过程

发酵的基本过程为：菌种→种子制备→发酵→发酵液预处理→提取精制。 3.1 菌种

发酵水平的高低与菌种的性能质量有直接的关系，菌种的生产能力、生长繁殖的情况和代谢特性是决定发酵水平的内在因素。这就要求用于生产的菌种产量高、生长快、性能稳定、容易培养。为了防止菌种衰退，生产菌种必须以休眠状态保存在沙土管或冷冻干燥管中，并且于0—4℃恒温冰箱（库）内。 3.2 种子的制备

种子是发酵工程开始的重要环节。这一过程是使用菌种繁殖，并获得足够数量的菌体，以便接种到发酵罐中。种子制备可以在摇瓶中或小罐内

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进行，大型发酵罐的种子要经过两次扩大培养才能接入发酵罐。摇瓶培养是在锥形瓶内装入一定量的液体培养基，灭菌后接入菌种，然后放在回转式或往复式摇床上恒温培养。 3.3 发酵

发酵的目的是使微生物产生大量的目的产物，是发酵工序的关键阶段。发酵一般是在钢制或不锈钢德尔罐内进行，有关设备和培养基应事先严格灭菌，然后将长好种子接入，接种量一般为5％—20％。在整个发酵过程要不断地通气、搅拌，维持一定的罐温、罐压，并定时进行取样分析和无菌试验，观察代谢和产物含量情况及有无杂菌污染。 3.4 产物提取

发酵完成后得到的发酵液是一种混合物，其中除了含有表达的目的产物外，还有残余的培养基、微生物代谢产生的各种杂质和微生物的菌体等。提取过程包括以下三个方面：①发酵液的预处理和过滤; ②提取过程；③精制过程。

4 发酵工程的发酵方式

微生物发酵是一个错综复杂的过程，尤其在大规模工业发酵，要达到预定目标，更是需要采用和研究开发各式各样的发酵技术，发酵的方式就是最重要的发酵技术之一。 4.1 分批发酵

简单的分批发酵是将全部物料一次投入到反应器中，经灭菌、接种，经过若干时间的发酵后在将发酵液一次放出的操作过程。放料后再重复投料、灭菌、接种、发酵过程。它以微生物生长、各种基质消耗和代谢产物合成都处于瞬变之中为特征，整个发酵过程处于不稳定状态。分批发酵过程中的pH、温度、溶解氧浓度以及多种营养物质浓度都可作为控制变量加以优化。 4.2 补料分批发酵

补料分批培养是将种子接入发酵反应器中进行培养，经过一段时间后，间歇或连续地补加新鲜培养基，使菌体进一步生长的培养方法。所补材料可为全料（基础培养基）或简单的碳源、氮源及前体。

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目前，运用补料分批发酵技术进行生产和研究的范围十分广泛，包括单细胞蛋白、氨基酸、生长激素、抗生素、维生素、酶制剂、有机溶剂、有机酸、核苷酸、高聚物等，几乎遍及整个发酵行业。它不仅被广泛用于液体发酵中，在固体发酵及混合培养中也有应用。随着研究工作的深入及微机在发酵过程自动控制中的应用，补料分批发酵技术将日益发挥出其巨大的优势。 4.3 连续发酵

连续发酵是将种子接入发酵反应器中，搅拌培养至一定菌体浓度后，开动进料和出料的蠕动泵，以控制一定稀释率进行不间断的培养，发酵反应器中的细胞总数和总体积均保持不变，发酵体系处于平衡状态，发酵中的各个变量都能达到恒定值而区别于瞬间状态的分批发酵。

连续发酵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，以及有机废水的活性污泥处理等。连续发酵的主要优势是简化了菌种的扩大培养，发酵罐的多次灭菌、清洗、出料，缩短了发酵周期，提高了设备利用率，降低了人力、物力的消耗，增加了生产效率，使产品更具商业性竞争力。

4.4 固定化酶和固定化细胞发酵

微生物也可以看作是多种酶的包裹，工业发酵是合理控制和利用微生物酶的过程，因此，可以将酶从微生物细胞中提取出，将其与底物作用制造产品，也可以将提取出的酶用固体支持物(称为载体)固定，使其成为不溶于水或不易散失和可多次使用的生物催化剂，利用它与底物作用制造产品。同样可以将微生物细胞用载体固定，将反应物与其作用，制造产品或做其他用途。未固定的酶或细胞用于工业生产，可以称为游离酶或细胞，固定的酶称为固定化酶 (immobilized enzyme)，固定的微生物细胞称为固定化细胞(immobilized cell)。固定化酶(细胞)用于发酵可称为固定化酶(细胞)发酵，或简称固定化发酵。固定化酶和固定化细胞可以重复使用，产品的分离、提纯等后处理比较容易。 4.5混合培养物发酵

混合培养物发酵(mixed culture fermentation)，又简称混合发酵，

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它是指多种微生物混合在一起共用一种培养基进行发酵，也称为混合培养。用纯的单一菌种的发酵可称为纯种发酵，或纯培养。混合发酵也是由来已久，许多传统的微生物工业就是混合发酵，如：酒曲的制作，某些葡萄酒、白酒的酿制，湿法冶金，污水处理，沼气池的发酵等都是混合发酵。这些混合发酵中菌种的种类和数量大都是未知的，人们主要是通过培养基组成和发酵条件来控制，达到生产目的。混合发酵能够获得一些独特的产品，而纯种发酵是很难做到的，混合的多种菌种，增加了发酵中许多基因的功能，通过不同代谢能力的组合，完成单个菌种难以完成的复杂代谢作用，可以代替某些基因重组工程菌来进行复杂的多种代谢反应，或促进生长代谢，提高生产效率。

5 微生物发酵工程的应用

目前，现代发酵工程技术已深入到生产的各个行业，如工业、农业、矿业、化工、医药、食品、能源和环境保护等。现代发酵工程技术已经作为一种新兴的工业体系发展起来，在各个行业的知识和技术创新中起着越来越重要的作用。 5.1 医药工业

用于生产抗生素、维生素等常用药物；还可用于乙肝疫苗、干扰素、透明质酸等新药的开发。 5.2 资源开发

通过微生物发酵，可将绿色植物的秸秆、木屑以及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、产氢以及制成微生物电池；还可以用于发展新型的生物基化工产品，如水杨酸、乌头酸、丙烯酸、己二酸、丙烯酸胺、长链二元酸、聚乳酸（PLA）和聚羟丁酸（PHB）等。 5.3 食品工业

随着全世界人口总数的不断增加，可耕地面积日益减少，粮食及其他食品的需求日益严峻，而微生物工程为人类提供食品、改善营养的重要途径之一。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(如柠檬酸、乳酸、天然色素等)的生产。

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5.4 化学工业

传统的化工生产需要耐热、耐压和耐腐蚀的材料，而微生物技术的发展，不仅可以制造其他方法难以生产或价值高的稀有产品，而且有可能改革化学工业的面貌，创建省能源，少污染的新工艺。目前，已研究出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)和一些生物表面活性剂及生物凝集剂。 5.5 冶金工业

细菌冶金是指利用微生物及其代谢产物作为浸矿剂，喷淋在堆放的矿石上，浸矿剂溶解矿石中的有效成分，最后从手机的浸取液中分离、浓缩和提纯有用的金属。目前，已有可浸提包括金、银、铜、铀、锰、钼、锌、钴、镍、钡、钪等10余种贵重和稀有金属，特别是黄金、铜、铀的开采。 5.6 农业

在人口剧增、耕地面积日益缩小的今天，要解决人类面临的粮食问题，现代发酵工程技术是重要的途径之一。目前，发酵工程已经可用于生物固氮和生产生物肥料、生物杀虫剂及生物饲料，为农业和畜牧业的增产发挥了巨大作用。 5.7 环境保护

目前，已研制出可用微生物来净化有毒的高分子化合物，降解海上浮油，清除有毒气体和恶臭物质以及处理有机废水、废渣等等。

6 微生物发酵工程的展望

随着生物技术的发展，发酵工程的应用领域也在不断扩大。从细胞生长法制、代谢的角度而言，利用发酵工程技术进行的大规模植物细胞培养，将用于生产一些昂贵的植物化学品；而动物细胞培养所生产的一些蛋白质和多肽类产品将作为医用激素及抗癌与艾滋病的新药物。

发酵原料的更换也将使发酵工程发生重大的变革。2000年以后，由于木质纤维素原料的大量应用，发酵工程将大规模生产通用化学品及能源。这样，发酵工程变得对人类更为重要。目前还在逐步应用的化工原料前体发酵技术，已使发酵工程成为生产某些化学品的不可替换的手段，诸如色氨酸的前体发酵，长链脂肪烃（13,14正烷烃）发酵等，将使人类大

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规模应用色氨酸和长链二元酸成为可能。

发酵工程技术在今后的重点发展方向为：基因工程及细胞杂交技术在微生物育种上的应用，将使发酵用菌种达到前所未有的水平；生物反应器技术及分离技术的相应进步讲消除发酵工业的某些神秘特征；由于物理微生物数据库、发酵动力学、发酵传递力学的发展，将使人们能够够清楚地描述与使用微生物的适当环境和有关的生物学行为，从而能最佳地、理性化地进行工业发酵设计与生产。

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