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。

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

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。

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，