發(fā)酵工程的有關進展綜述

1、發(fā)酵工程有關進展綜述姓名：孫靜嫻班級：生物工程1012學號 1020120222摘要：發(fā)酵工程是生物工程的重要組成部分和基礎，是生物工程產業(yè)化的重要環(huán)節(jié)。它是利用生物 技術對微生物進行質的改造，或構建出微生物原來不具有的新性狀的菌株。關鍵詞：發(fā)酵工程發(fā)酵技術發(fā)展現狀未來展望正文：發(fā)酵工程的內容隨著科學技術的發(fā)展不斷擴大和充實?，F代的發(fā)酵工程不僅包括菌體生產和 代謝物的發(fā)酵生產，還包括微生物機能的利用。其主要內容包括生產菌種的選育，發(fā)酵條件的優(yōu)化 與控制，反應器的設計及產物的分離、提取與精制等。發(fā)酵工程是利用微生物特定性狀和功能，通過現代化工程技術生產有用物質或直接應用于工業(yè) 化生產的技術體系，

2、是將傳統發(fā)酵與現代的DNA重組、細胞融合、分子修飾和改造等新技術結合并 發(fā)展起來的發(fā)酵技術。也可以說是滲透有工程學的微生物學，也是發(fā)酵技術工程化的發(fā)展。由于主 要利用的是微生物發(fā)酵過程來生產產品，因此也可成為微生物工程。發(fā)酵工程的發(fā)展簡史：1、天然發(fā)酵階段在微生物的性質尚未被人們所認識時，人類已經利用自然接種方法進行發(fā)酵制品的生產。主要 產品有酒、酒精、醋、干酪、酸乳等。當時還談不上發(fā)酵工業(yè)，僅僅是家庭或作坊式的手工業(yè)生產。 多數產品為厭氧發(fā)酵，非純種培養(yǎng)，憑經驗傳授技術和產品質量不穩(wěn)定是這個階段的特點。2、純培養(yǎng)技術時期1667年，荷蘭人列文霍克（An tony Van Leowen hoe

3、k發(fā)明了顯微鏡，揭開了微生物世界的秘 密。隨著微生物的發(fā)現，1850 -1880年法國巴斯德（Louis Pasteur）通過實驗發(fā)現了發(fā)酵原理，認 識到發(fā)酵是由微生物的活動引起的。隨著微生物純培養(yǎng)技術的逐步完善，開創(chuàng)了人為控制微生物的 新時代。采用殺菌操作，發(fā)明了簡便的密閉式發(fā)酵罐等技術設備，使發(fā)酵失敗現象（如腐?。┐蟠?減少，即人工控制環(huán)境條件使發(fā)酵效率迅速提高。嫌氣性發(fā)酵由此逐步發(fā)展起來，產品包括酒精、 丙酮、丁醇等。在世界范圍內利用微生物分解代謝進行規(guī)?；I(yè)生產經歷了 100多年的歷史。因此， 微生物純培養(yǎng)技術的創(chuàng)立是微生物工程發(fā)酵技術發(fā)展的第一個轉折時期。3、通氣攪拌的好氣性發(fā)酵工

4、程技術時期1929年，英國細菌學家傅萊明（Fleming）發(fā)現了青霉素。隨著青霉素大規(guī)模生產的成功，實 驗室采用搖瓶通風培養(yǎng)以及空氣纖維過濾的高效除菌，在20世紀40年代創(chuàng)立了好氣性發(fā)酵通氣攪拌 工程技術。抗生素工業(yè)的興起不僅使微生物技術應用到醫(yī)藥工業(yè)，而且大大促進了好氣性發(fā)酵工程 和微生物工業(yè)的發(fā)展。微生物工程已經從分解代謝轉為生物合成代謝，可以利用微生物合成積累大 量有用的代謝產物，如各種有機酸、酶制劑、維生素、激素等，這已超越微生物正常代謝的范圍。 因此，通氣攪拌的好氣性發(fā)酵工程技術的創(chuàng)立是微生物工程發(fā)酵技術發(fā)展的第二個轉折時期。4、人工誘變育種與代謝控制發(fā)酵工程技術時期隨著微生物遺傳學

5、、生物化學和分子生物學的發(fā)展，促進了20世紀60年代氨基酸、核苷酸微生 物工業(yè)的建立，這是遺傳水平上控制微生物代謝的結果。日本于1956年用發(fā)酵法生產谷氨酸獲得成 功，至今可用發(fā)酵法生產22種氨基酸，其中18種是直接發(fā)酵，4種是酶法轉化。氨基酸發(fā)酵工業(yè)采用 了人工誘變育種與代謝控制發(fā)酵的新技術，即首先將微生物進行人工誘變，得到適合生產某種產物 的突變株，然后通過人工控制培養(yǎng)，選擇性地大量生產人們所需要的物質。此項工程技術已用于核 苷酸類物質、有機酸和一部分抗生素的發(fā)酵生產。因此，代謝控制發(fā)酵工程技術的創(chuàng)立是微生物工 程發(fā)酵技術發(fā)展的第三個轉折時期。5、利用基因工程技術進行發(fā)酵階段20世紀70年

6、代開始，由于DNA體外重組技術的建立，發(fā)酵技術進入一個嶄新的階段，這就是以 基因工程技術為中心的生物工程時代?；蚬こ淌遣捎妹笇W的方法，將不同來源的DNA進行體外重組，再把重組DNA設法導入受體細胞內， 并進行繁殖和遺傳下去，這樣人們就能夠根據自己的意愿將微生物以外的基因構件導入微生物細胞 內，從而定向改變生物性狀與功能，創(chuàng)造新的“物種，使發(fā)酵工業(yè)能夠生產出自然界微生物所不能 合成的產物，大大地豐富了發(fā)酵工業(yè)的范圍，使發(fā)酵技術發(fā)生了革命性的變化。發(fā)酵類型：目前已知具有生產價值的發(fā)酵類型有以下五種：一是微生物本身，這是以獲得具有某種用途的 菌體為目的的發(fā)酵，如用于面包制作的酵母發(fā)酵、單細胞蛋白飼

7、料添加劑、靈芝和蟲草等菌絲體的 生產等；二是微生物酶的發(fā)酵，如淀粉酶、糖化酶、蛋白酶、脂肪酶等粗酶制劑的生產等；三是微 生物代謝產物發(fā)酵，如初級代謝產物（氨基酸、核苷酸等）生產，次級代謝產物（抗生素、生物堿、 細菌毒素等）生產等；四是微生物轉化發(fā)酵，它是利用微生物細胞的一種或多種酶把一種化合物轉 化成結構相關的更有經濟價值的產物，如利用菌體將乙醇轉化成乙酸的發(fā)酵；五是生物工程菌的發(fā) 酵，這是指利用生物技術方法所獲得的“工程菌”以及細胞融合等技術獲得“雜交細胞”等進行培 養(yǎng)的新型發(fā)酵，其產物多種多樣，如用基因工程菌生產的胰島素、干擾素等，用雜交細胞生產的用 于診斷和治療的各種單克隆抗體等。發(fā)酵技

8、術的特點：微生物種類繁多、繁殖速度快、代謝能力強，容易通過人工誘變獲得有益的突變株；微生物酶 的種類很多，能催化各種生物化學反應；微生物能夠利用有機物、無機物等各種營養(yǎng)源；可以用簡 易的設備來生產多種多樣的產品；不受氣候、季節(jié)等自然條件的限制等優(yōu)點。所以源于酒、醬、醋 等釀造技術的發(fā)酵技術發(fā)展非常迅速，并具有以下特點：發(fā)酵過程以生命體的自動調節(jié)方式進行， 數十個反應過程能夠在發(fā)酵設備中一次完成；反應通常在常溫常壓下進行，條件溫和，能耗少， 設備較簡單；原料通常以糖蜜、淀粉等碳水化合物為主，可以是農副產品、工業(yè)廢水或可再生資 源（如植物秸稈、木屑等），微生物本身能有選擇地攝取所需物質；容易生產復

9、雜的高分子化合物, 能高度選擇地在復雜化合物的特定部位進行氧化、還原、官能團引入或去除等反應；發(fā)酵過程中 需要防止雜菌污染，大多情況下設備需要進行嚴格的沖洗、滅菌，空氣需要過濾等。發(fā)酵工程由三部分組成：是上游工程，中游工程和下游工程。其中上游工程包括優(yōu)良種株的選 育，最適發(fā)酵條件（pH、溫度、溶氧和營養(yǎng)組成）的確定，營養(yǎng)物的準備等。中游工程主要指在最 適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細胞和生產代謝產物的工藝技術。這里要有嚴格的無菌生長環(huán)境， 包括發(fā)酵開始前采用高溫高壓對發(fā)酵原料和發(fā)酵罐以及各種連接管道進行滅菌的技術；在發(fā)酵過程 中不斷向發(fā)酵罐中通入干燥無菌空氣的空氣過濾技術；在發(fā)酵過程中根據細胞

10、生長要求控制加料速 度的計算機控制技術；還有種子培養(yǎng)和生產培養(yǎng)的不同的工藝技術。此外，根據不同的需要，發(fā)酵 工藝上還分類批量發(fā)酵：即一次投料發(fā)酵；流加批量發(fā)酵：即在一次投料發(fā)酵的基礎上，流加一定 量的營養(yǎng)，使細胞進一步的生長，或得到更多的代謝產物；連續(xù)發(fā)酵：不斷地流加營養(yǎng)，并不斷地 取出發(fā)酵液。在進行任何大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵前，必須在實驗室規(guī)模的小發(fā)酵罐進行大量的實驗，得到 產物形成的動力學模型，并根據這個模型設計中試的發(fā)酵要求，最后從中試數據再設計更大規(guī)模生 產的動力學模型。由于生物反應的復雜性，在從實驗室到中試，從中試到大規(guī)模生產過程中會出現 許多問題，這就是發(fā)酵工程工藝放大問題。下游工程指從發(fā)

11、酵液中分離和純化產品的技術：包括固 液分離技術（離心分離，過濾分離，沉淀分離等工藝），細胞破壁技術（超聲、高壓剪切、滲透壓、 表面活性劑和溶壁酶等），蛋白質純化技術（沉淀法、色譜分離法和超濾法等），最后還有產品的包 裝處理技術（真空干燥和冰凍干事燥等）。發(fā)酵工程在各領域的發(fā)展現狀1、醫(yī)藥行業(yè)微生物發(fā)酵是生物轉化法之一，在中藥中早有應用。真菌是發(fā)酵中藥的主要功能菌。 發(fā)酵時大都采用單一菌種純種發(fā)酵法。現代中藥發(fā)酵技術分為液體發(fā)酵和固體發(fā)酵。中藥發(fā)酵技術 按應用方式可分為無渣式和去渣式，前者可直接用藥，后者要提取和制劑用藥。發(fā)展發(fā)酵中藥可進一 步推進中藥現代化和國際化進程，提高中藥行業(yè)的競爭力，為

12、中藥走向世界、造福人類作出新的貢獻。2、食品工業(yè) 現代化生物技術的突飛猛進，改寫了食品發(fā)酵工藝的歷史。據報道，由發(fā)酵工程貢獻 的產品可占食品工業(yè)總銷售額的15%以上。目前利用微生物發(fā)酵法可以生產近20種氨基酸。該法較蛋 白質水解和化學合成法生產成本低，工藝簡單，且全部具有光學活性。3、能源工業(yè)乙醇作為一種生產工藝成熟，生產原料來源廣泛的替代能源越來越受到人們的關注。 燃料酒精不僅可以緩解能源短缺的問題，從長遠的利益和能源的可再生性來看，燃料酒精又是一種 潛力巨大的物能源。酒精發(fā)酵的方式有間歇式發(fā)酵、半連續(xù)式發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵。發(fā)酵工程產業(yè)的未來展望：隨著生物工程技術特別是基因工程技術的發(fā)展，發(fā)酵工程技術也在不斷改進和提高，其應用領 域也在不斷拓寬，展示出了它的巨大潛力。具體發(fā)展目標和方向有以下幾個方面：1、微生物資源的開發(fā)和利用。這又分為兩個方面，第一是設計和開發(fā)更多的自動化、定向化、快速 化的菌種首選技術和模型，篩選更多的新型菌種和代謝產物；其次是利用遺傳工程等先進技術，人 工選育和改良菌種。2、發(fā)酵工程技術的改進和完善。這又分三個方向，第一是加強固定化技術（固定化酶技術、固定化 細胞技術）的研究；第二是改進和提高傳統發(fā)酵技術；第三是從事生態(tài)發(fā)酵技術（混