微生物发酵技术

微生物发酵技术

微生物发酵技术以现代发酵技术为核心，利用微生物的代谢活动过程，经生物转化而大规模地制造各种工业发酵产品，已经形成了一个品种繁多、门类齐全的独立工业体系，在国民经济中占有重要地位。

工业发酵是指靠微生物的生命活动而实现的工业生产。

工业生产上笼统地把一切依靠微生物的生命活动而实现的工业生产均称为发酵。这样定义的发酵就是“工业发酵”。微生物是工业发酵的灵魂，没有微生物就没有工业发酵。

工业发酵就是通过微生物的生命活动，把发酵原料转化为人类所需要的微生物产品的过程。

工业发酵要依靠微生物的生命活动，生命活动依靠生物氧化提供的代谢能（metabolic energy）来支撑，因此工业发酵应该覆盖微生物学中生物氧化的所有方式：有氧呼吸、无氧呼吸和发酵。

近百年来，随着科学技术的进步，工业发酵发生了划时代的变革，已经从利用自然界中原有的微生物进行发酵生产的阶段进入到按照人的意愿改造成具有特殊X能的微生物以生产人类所需要的发酵产品的新阶段。

生产型不锈钢发酵罐

（1）工业发酵的研究从典型的工业发酵开始

比较常见的工业发酵一般符合以下三个条件：

① 使用的菌种属于化能异养型微生物，

② 目的产物属于初级代谢产物或能量代谢副产物，

③ 目的产物在细胞内生成后被分泌到细胞外。

符合以上条件的工业发酵叫做典型的工业发酵。

对工业发酵理论的研究从典型的工业发酵开始。

个台阶，系统地研究化能异养型微生物的工业发酵的理论；

第二个台阶，系统地研究其他营养类型微生物的工业发酵的理论；

第三个台阶，系统地研究微生物利用碳以外元素工业发酵的理论。

（2）工业发酵理论

个台阶的研究建立了微生物生命活动的三个基本假设（发酵学三假说）。它们是改造和利用微生物的理论基础。用这三个基本假设来分析典型的工业发酵，出现了：

① 工业发酵的微生物生物机器的新思路，

② 为工业生产服务的工业发酵若干推理，

③ 工业微生物育种和发酵工艺控制的“五字策略”。

（3）研究工业发酵的思路

工业发酵→【从一般到特殊】→典型的工业发酵→【从特殊到一般】→生物机器、细胞机器的概念模式→【深入研究以发现自然规律】→自然规律（微生物生命活动的三个基本假说）→【从一般到特殊：将自然规律运用到典型的工业发酵】→细胞机器亚稳态物流模式→载流路径→五段式→五字策略→【从特殊到一般】→对未来发酵工业生产的预测

涉及微生物细胞的生长和繁殖的每一个“动作”，包括细胞内的有机物降解的启动，生物合成的启动和持续，主动运输，pH自动动态平衡等都需要代谢能支持，维持细胞的生命也需要代谢能的支撑。

而微生物细胞的物质代谢和能量代谢是依靠代谢网络来实现的。化合物在代谢网络中流动，形成代谢流。工业发酵中，原料代谢流在细胞机器中经过一系列途径转化成为目的产物。在这个基础上，发酵学的第二假说提出了，代谢途径和输送系统在代谢物分子水平上整合，在辅因子水平上协调，形成横跨微生物活细胞内外的代谢网络。这个代谢网络不是生化途径和跨膜输送过程简单连接，而是要将生物化学概念纳入细胞代谢的总体框架。书里研究的主要是有机物（碳元素）在酶和蛋白质层面上的代谢网络。研究发现，对于兼X厌氧微生物来说，不但需氧与缺氧时代谢网络有明显差异，而且在不同的培养条件下生存时，其代谢网络也是有差异的。例如：有氧生长的代谢是在以TCA环为骨架的中心板块

的基础上构建，缺氧生长时，则是在以TCA在OAA处的分叉途径为骨架的中心板块的基础上构建的。

其实，微生物生命活动可分为4个层次：DNA层次，蛋白质层次，物流层次，微生物细胞层次，它们之间需要逐级激活。代谢网络是无尺度的，微生物细胞机器的工作模式把细胞机器运行阶段的载流路径描写成由向心途径，中心途径和离心途径三者依次首尾衔接而贯通的一条“通道”。作为代谢网络假说，基于工业发酵是可以操作的，它可以预测开拓新产品和新原料的可行X。

结构决定功能。水平上实现的，其台阶的方向是尽可能利用营养，实现比较大生长。真核生物细胞内原核生物没有核，因此DNA接受来自细胞质的调节信号，从而蛋白质合成的开关控制是在转录被膜分隔成不同空间，为合成代谢和分解代谢分开进行和分开调节提供可能X。大肠杆菌乳糖操纵子是控制乳糖降解途径的酶系的操纵子。转录开始的负控制和正控制分别能够促进转录——决定合成的酶的水平和阻止转录——防止葡萄糖与乳糖并存时的浪费。另外，微生物代谢途径中的抑制和激活的调节模式，途径的诱导和阻遏的调节模式，这些微生物自身非常“聪明”的自动调节，令它们更好地适应生存。这是不以人的主观意志为转移的，正如第三假说“细胞经济假说”所言，微生物细胞是在物竞天择中形成的经济体系，是微生物细胞生存的保障体系，为细胞的适应X，经济X和代谢持续X 提供保障。

这样看来，微生物细胞与独立经营自负盈亏的企业有相同的特点，非常生动。3个假说分别从能量，物质和信息等3个角度支撑发酵工业“细胞机器”正常运转。3个假说也逐渐深入地揭示了微生物在发酵工业中好好“工作”的道理。既然微生物活细胞是发酵生产线上不可或缺的微生物生物机器，是储存了生物信息的自主的细胞机器，我们就要增加和微生物细胞的“对话”，发挥主观能动X，遵循并利用固有的运行规律（自然规律），处理好发酵中人与微生物的对立统一关系，促成合作，获得效益。

微生物发酵过程即微生物反应过程，是指由微生物在生长繁殖过程中所引起的生化反应过程。

根据微生物的种类不同（好氧、厌氧、兼X厌氧），可以分为好氧X发酵和厌氧X发酵两大类。

（1）好氧X发酵在发酵过程中需要不断地通人一定量的无菌空气，如利用黑曲霉进行柠檬酸发酵、利用棒状杆菌进行谷氨酸发酵、利用黄单抱菌进行多糖发酵等等。

好氧不锈钢发酵罐

（2）厌氧X发酵在发酵时不需要供给空气，如乳酸杆菌引起的乳酸发酵、梭状芽抱杆菌引起的丙酮、丁醇发酵等。