微生物发酵工程

微生物发酵工程

学号：1413030112 姓名：胡晓晓班级：生物工程1班微生物工程又叫发酵工程。对微生物进行生物工程改造，包括基因工程技术、转基因生物技术、合成生物学技术等，以及工业化应用微生物发酵生产的工程等。发酵是微生物特有的作用，在几千年前就被人类认识了，并且用来制造酒、面包、酱、醋等。微生物工程，是大规模发酵生产工艺的总称，就是利用微生物发酵作用，通过现代工程技术手段来生产有用物质，或者把微生物直接应用于生物反应器的技术。它是在发酵工艺基础上吸收基因工程、细胞工程和酶工程以及其他技术的成果而形成的。发酵工程的内容包括菌种选育、培养基的配置、灭菌、种子扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯（生物分离工程）等方面。

发酵工程跟化学工业、医药、食品、能源、环境保护和农牧业等许多领域关系密切，对它的开发有很大的经济效益。DNA重组技术和生物反应器?装有固定化酶的容器，能进行生物化学合成，是生物工程中的两大支柱。从工业规模生产这一点看，生物反应器尤其重要。因为只有通过微生物发酵，才能形成新的产业。

发酵工程以其生产条件温和，原料来源丰富且价格低廉，产物专一，废弃物对环境污染小和容易处理等特点，而在医药工业、食品工程、农业、冶金工业、环境保护等许多领域得到了广泛的应用，逐步形成了规模庞大的发酵工业。在一些发达国家，发酵工业的总产值占到国民生产总值的5%左右。

从广义上讲，发酵工程由三部分组成：是上游工程，中游工程和下游工程。其中上游工程包括优良种株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶氧和营养组成）的确定，营养物的准备等。中游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。这里要有严格的无菌生长环境，包括发酵开始前采用高温高压对发酵原料和发酵罐以及各种连接管道进行灭菌的技术；在发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空气的空气过滤技术；在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速度的计算机控制技术；还有种子培养和生产培养的不同的工艺技术。此外，根据不同的需要，发酵工艺上还分类批量发酵：即一次投料发酵；流加批量发酵：即在一次投料发酵的基础上，流加一定量的营养，使细胞进一步的生长，或得到更多的代谢产物；连续发酵：不断地流加营养，并不断地取出发酵液。在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物形成的动力学模型，并根据这个模型设计中试的发酵要求，最后从中试数据再设计更大规模生产的动力学模型。由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试，从中试到大规模生产过程中会出现许多问题，这就是发酵工程工艺放大问题。下游工程指从发酵液中分离和纯化产品的技术：包括固液分离技术（离心分离，过滤分离，沉淀分离等工艺），细胞破壁技术（超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂和融壁酶等），蛋白质纯化技术（沉淀法、色谱分离法和超滤法等），最后还有产品的包装处理技术（真空干燥和冰冻干事燥等）。

现代意义上的发酵工程是一个由多学科交叉、融合而形成的技术性和应用性较强的开放性的学科。发酵工程经历了“农产手工加工——近代发酵工程——现代发酵工程”三个发展阶段。

发酵工程发源于家庭或作坊式的发酵制作（农产手工加工），后来借鉴于化学工程实现了工业化生产（近代发酵工程），最后返璞归真以微生物生命活力为中心研究、设计和指导工业发酵生产（现代发酵工程），跨入生物工程的行列。

原始的手工作坊式的发酵制作凭借祖先传下来的技巧和经验生产发酵产品，体力劳动繁重，生产规模受到限制，难以实现工业化的生产。于是，发酵界的前人首先求教于化学和化学工程，向农业化学和化学工程学习，对发酵生产工艺进行了规范，用泵和管道等输送方式替代了肩挑手提的人力搬运，以机器生产代替了手工操作，把作坊式的发酵生产成功地推上了工业化生产的水平。发酵生产与化学和化学工程的结合促成了发酵生产的第一次飞跃。

通过发酵工业化生产的几十年实践，人们逐步认识到发酵工业过程是一个随着时间变化的（时变的）、非线性的、多变量输入和输出的动态的生物学过程，按照化学工程的模式来处理发酵工业生产（特别是大规模生产）的问题，往往难以收到预期的效果。从化学工程的角度来看，发酵罐也就是生产原料发酵的反应器，发酵罐中培养的微生物细胞只是一种催化剂，按化学工程的正统思维，微生物当然难以发挥其生命特有的生产潜力。于是，追溯到作坊式的发酵生产技术的生物学内核（微生物），返璞归真而对发酵工程的属性有了新的认识。发酵工程的生物学属性的认定，使发酵工程的发展有了明确的方向，发酵工程进入了生物工程的范畴。

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。

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、维生素、激素等都可以用发酵法大规模生产。

1957年，日本用微生物生产氨基酸成功，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。发酵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氨基酸、有机酸和部分抗生素等的生产中。

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。

综上可知微生物发酵工程是非常有意义非常有用途的，一下就具体介绍微生物发酵工程的具体应用。

微生物发酵食品已经成为食品工业中的重要分支就广义而言；凡是利用微生物的作用制取的食品都可称为发酵食品。功能性发酵食品主要是以高新生物技术（包括发酵法、酶法）制取的具有某种生理活性的物质生产出能调节机体生理功能的食品。

发酵食品因在食品加工过程中有微生物参与作用，进而可以形成一些特异性营养因子。如提供小肠黏膜能源的谷氨酰胺，供结肠黏膜能源物质的短链脂肪酸，以及亚油酸、精氨酸等。

经发酵过程制造食品时所利用的。最常用的有酵母菌、曲霉以及细菌中的乳酸菌、醋酸菌、黄短杆菌、棒状杆菌等。通过这些微生物作用制成的食品通常有以下5类（见表[代表性的发酵食品及其使用的微生物]）：①酒精饮料，如蒸馏酒、黄酒、果酒、啤酒等；②乳制品，如酸奶、酸性奶油、马奶酒、干酪等；③豆制品，如豆腐乳、豆豉、纳豆等；④发酵蔬菜，如泡菜、酸菜等；⑤调味品，如醋、黄酱、酱油、甜味剂（如天冬甜味精）、增味剂（如5′-核苷酸）和味精等。

醋酸杆菌常见于腐烂的水果、蔬菜、酸果汁、醋和饮料酒中。属革兰式阴性无芽孢杆菌，兼性好氧，但易出现退化型。退化型菌体出现枝状、丝状等弯曲状。培养物中的菌株革兰氏染色也常常出现变化。醋酸杆菌能氧化乙醇使之成为乙酸，因而是制造食醋的主要菌种。

非致病棒杆菌经常从土壤、水、空气和被污染的细菌培养皿或血平板中分离得到。非致病棒杆菌中的谷氨酸棒杆菌、力士棒杆菌、解烃棒杆菌经常用于味精（L-谷氨酸盐）的生产。它们能将糖分解成有机酸，并将含氮物质分解成铵离子，再进一步合成谷氨酸并积累于发酵液中。

乳酸菌能产生乳酸，是发酵乳制品制造过程中起主要作用的一类菌。按其对糖发酵特性可分为同型发酵菌和异型发酵菌。

我们常吃的发酵食品主要有谷物发酵制品、豆类发酵制品和乳类发酵制品。

谷物发酵制品包括甜面酱、米醋、米酒、葡萄酒等，这些食品中富含苏氨酸等成分，可以防止记忆力减退。另外，醋的主要成分是多种氨基酸及矿物质，有降低血压、血糖及胆固醇的效果。此外，还有馒头、面包、包子、发面饼等。

豆类发酵制品包括豆瓣酱、酱油、豆豉、腐乳等。发酵的大豆含有丰富的抗血栓成分，有预防动脉粥样硬化、降低血压之功效。豆类发酵之后，能参与维生素K合成，防止骨质疏松症的发生。

乳类发酵制品如酸奶、奶酪等含有乳酸菌等成分，能抑制肠道腐败菌的生长，又能刺激机体免疫系统，调动机体的积极因素，有效地预防癌症。

发酵后的馒头、面包就比大饼、面条等没有发酵的食物营养更丰富，原因就在于所使用的酵母。实验证明，酵母不仅改变了面团结构，还让它们变得更松软好吃，这也大大增加了馒头、面包的营养价值。因此，常吃发酵食品有如下好处：发酵食品含有丰富的蛋白质实验证明，酵母富含多种维生素、矿物质和酶类。每1千克干酵母所含的蛋白质，相当于5千克大米、2千克大豆或2.5千克猪肉