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微生物发酵过程特点及发展趋向分析2023-11-02

微生物是肉眼难以看清，必要借助光学显微镜或电子显微镜能力观察到的所有微幼生物的总称，蕴含细菌、真菌、放线菌、支原体和衣原体等。微生物氧化分化有机物质和开释能量的过程称为生物氧化，生物氧化分为呼吸和发酵两种，发酵是生物氧化的沉要蹊径。发酵是指各类微生物细胞分化有机物的过程，或者是指通过微生物技术和离体的酶分化糖类，产生大量乳酸、乙醇和二氧化碳等代谢反映产品的过程。

生物工程又称生物技术，是以生物学（出格是微生物学、遗传学、生物化学和细胞生物学）为基础，结合化学、机械、电子、推算机等现代工程技术，利用生物体的个性和职能，使用分子生物学的新技术，有意识地把持遗传物质，对生物体及其职能进行定向建饰，而后通过适当的生物反映器大规模造就这些工程细菌或工程细胞系，产生大量有效的代谢物或阐扬其怪异生理职能的一个综合性技术系统，是在分子生物学和细胞生物学基础上发展起来的一门新型综合性利用学科。它以分子生物学、仿生学等现代科学为领导，在工程领域利用各类生物利用技术和生物模仿技术，蕴含基因工程（基因工程）、细胞工程、微生物工程（发酵工程）、酶工程（生化工程）和生物反映器工程。

1 .发酵工程概述

1.1 发酵工程的概想

微生物工程又称发酵工程，是生物工程的一个沉要组成部门，即利用微生物，在适当的前提下，将原料通过特定的代谢蹊径加工成人类所必要的产品。从广义上讲，发酵系统工程由3个部门组成：上游工程、中游工程和下游工程。上游工程是理论钻延注技术发展，蕴含良好菌株的选育、最佳发酵前提（p H、温度、溶化氧和营养成分）简直定等。中游工程重要是指在最佳发酵前提下进行细胞大量造就和发酵罐中代谢产品出产的技术。下游工程指从发酵液中分离和纯化进行出产的技术，蕴含固液分离分析技术（例如离心分离、过滤分离、沉淀分离等工艺）、细胞破壁技术（超声、高压剪怯注渗入压、表表活性剂和溶壁酶等）、蛋白质纯化技术（沉淀法、色谱分离法和超滤法等），还有产品的包装设计处置技术（真空干燥和冰冻干燥等）。从微生物的选择、营养前提简直定、灭菌、种子罐膨胀造就、接种、发酵后期产品的分离纯化等方面，对社会经济的发展起到了很大的推进作用。

发酵工程技术发展汗青悠久，经历了“手工农产品加工—近代发酵工程—现代发酵工程”3个阶段，能够利用现代生物信息技术对微生物进行质的刷新，或构建出微生物原来不拥有的新性状的菌株，利用微生物成长速度快、成长环境前提比力单一以及代谢过程单一等特点，在相宜的前提下通过现代化建设工程治理技术和步骤，使传统的劳动密集型微生物产业向技术密集型产业不休发展，形成多多生物系统工程新型文化产业，开发多多人类社会必要的微生物发酵工程产品。

1.2 发酵工程的类型

1.2.1 对氧的需要

依照对氧的需要，发酵工程分为好氧发酵和厌氧发酵。好氧发酵也叫透风发酵，是指在发酵过程中必须透风提供氧气的发酵过程，通常工业出产当选取通入肯定量无菌空气的步骤实现。厌氧发酵是指在整个发酵过程中无需透风提供氧气的发酵过程，通常厌氧发酵过程必要密关容器。

1.2.2 造就基的物理状态

依照造就基的物理状态，发酵工程分为固态发酵和液态发酵。固态发酵是指微生物接种于固态造就介质中的发酵过程。液态发酵是指微生物接种于液态造就介质中的发酵过程。

1.2.3 菌种多样性

依照菌种多样性，发酵工程分为纯种发酵和混菌发酵。纯种发酵是指接种单一纯种微生物进行造就的发酵过程�；炀⒔褪侵附又侄嘀治⑸锝性炀偷姆⒔凸�。

1.2.4 工艺流程

依照工艺流程，发酵工程分为分批发酵、陆续发酵和补料分批发酵。分批发酵是一种在特定前提下只实现一个成长周期的微生物造就步骤。陆续发酵是指以肯定的速度向发酵罐内陆续输入一种新鲜造就基料液，同时以一样速度不休流出含有产品的发酵液，从而使发酵罐内的液量维持恒定的发酵出产过程[7]。补料分批发酵是指在分批造就过程中，间歇或陆续补充新鲜造就液的造就步骤。

1.2.5 发酵规模

依照发酵规模，发酵工程分为幼试发酵、中试发酵和大出产发酵。幼试发酵是指在尝试室幼试规模下进行的发酵过程，通常反映器容积在10～100 L。中试发酵是指规模介于尝试室幼试发酵和大出产发酵之间的发酵过程，通常反映器容积在100～3 000 L。大出产发酵是指在工业出产规模下进行的发酵过程，通常反映器容积在3 000 L以上。

1.2.6 发酵原料

依照发酵原料，发酵工程分为糖类发酵、油类发酵、废水发酵等类型。

1.2.7 发酵产品

依照发酵产品，发酵工程分为氨基酸发酵、有机酸发酵、抗生素发酵、酒精发酵、维生素发酵等。

1.2.8 代谢产品

依照代谢产品，发酵工程分为低级代谢产品发酵（酒精发酵、氨基酸发酵、有机酸发酵等）、次级代谢产品发酵（抗生素发酵、色素发酵等）。低级代谢产品是指微生物通过代谢活动产生的低级代谢物，是成长和滋生必须的物质；次级代谢产品是指生物成长到肯定阶段，通过次级代谢合成的分子结构极度复杂的次级代谢物，没有显著或没有必要的生物幼分子的成长和滋生。

1.3 发酵工程发展史

发酵→酿造食品工业→非食品工业→青霉素→抗生素发酵工业→氨基酸、核酸发酵（代谢节造发酵）→基因工程菌→动物细胞大规模造就→植物细胞大规模造就→藻类细胞大规模造就→转基因动物。

1.3.1 发酵景象的早期意识

1857年，巴斯德证了然酒精是由活的酵母发酵形成的。

1897年，毕希纳发现磨碎的酵母仍能使糖发酵形成酒精酶。

1.3.2 发酵工程的早期阶段

人们对发酵工程技术的意识始于19世纪末期，重要来自厌氧发酵，如利用酵母菌、乳酸菌出产食用酒精、乳酸和各类分歧发酵过程的食品。

1916年，英国用梭状芽孢杆菌出产丙酮丁醇；第一次世界大战期间，德国用亚硫酸盐法出产甘油，标志取发酵工程从食品工业拓展到非食品工业。

1.3.3 发酵工程的沉大转折点

1940岁首，二战发作，青霉素被发现，工业化大规模出产迅速形成。随着抗生素工业的发展，形成了一套系统齐全的好氧发酵出产技术，推动了全世界发酵工业的深刻发展，为现代发酵工程建设奠定了基础。

1970岁首，细胞融合技术、基因技术等生物技术的发展，突破了生物物种之间的阻碍，疏导了新的有效微生物的出产，增长了节造微生物代谢物的基因拷贝，能够大大增长指标产品的产量。将动物、植物或某些微生物的节造基因植入细胞，能够急剧、经济地大量出产这些产品。将拥有分歧工作机能的多种质粒植入微生物体内，使新菌株在断根传染、以非食品物质为原料进行发酵出产或环境信息�；し矫娌镒饔�。

1.3.4 发酵工程产业化发展

目前，全球发酵产品的年销售额在400亿美元左右，并以每年7%～8%的速度增长。我国发酵行业出产企业有5 000多家，重要发酵产品的年产值高达1 300亿元。发酵工程技术为社会出产力的提高带来了巨大的动力，关系到解决食品与营养、健康与环境、资源与能源等沉大问题。

2 发酵工程道理与技术

2.1 微生物菌种的选育

通常工业微生物能够通过以下方式获得：从菌种保留机构获得有关菌株、筛选所需菌株、从天然样品中分离和筛选菌株、从一些发酵制品中分离主张菌株。

2.1.1 天然选育

天然选育的通常法式是将菌种造成菌悬液，用稀释法在固体平板上分离单菌落，再别离测定单菌落的出产能力，从当选出高水平菌种。

凭据钻研主张，从天然界中分离、筛选分歧菌株的通常步骤步骤：样本数据采集→标本资料的预处置→富集能力造就→菌种初筛→菌种复筛→机能鉴定→菌种珍藏。

2.1.2 诱变育种

诱变育种是利用物理诱变剂和化学诱变剂扭转微生物DNA的碱基，使谬误的DNA模板形成异常的遗传信息，使某些蛋白质的结构产生扭转，扭转细胞职能。

2.1.3 杂交育种

杂交育种通常是指人为利用真核微生物的有性或准有性生殖，或原核微生物的接合、F因子转导等，诱导两个拥有分歧遗传性状的菌株进行基因沉组，以获得机能良好的出产菌株。

2.1.4 代谢调控育种

代谢调控育种的钻研内容重要蕴含扭转代谢通路的育种、扭转自我代谢调节系统的育种。

2.1.5 原生质体融合技术

原生质体融合技术是将拥有分歧遗传个性的两个细胞的原生质体融合产生沉组的一种人为步骤，也称为“细胞融合”。原生质体融合技术在细菌、放线菌、霉菌和酵母菌的育种中得到了宽泛的利用。原生质体融合技术钻研的重要工作步骤蕴含选择优良菌株、造备原生质体、融合原生质体、融合体再生、筛选良好性状的融合沉组子基因。

2.1.6 基因工程育种

某些物质在微生物体内是不能合成的，由于它们不足合成这些物质的基因或酶。随着基因工程的发展，某种基因能够人为合成，也能够从动物身上提取、加工、拼接，而后通过载体转移到微生物中表白，微生物能够合成人为胰岛素等物质，这些微生物被称为工程菌株�；蚬こ碳际跤种匾芄煌üㄗ⒆肌⒆尽⒃咏坏燃苛�，有主张地不休增长、加强、取缔、减弱某个或某些基因，得到发展必要的工程菌株。

2.2 微生物种子扩大造就

2.2.1 种子扩大造就

种子扩大造就是将沙管、休眠状态的冷冻干燥管等贮藏细菌活化后接入试管的倾斜面，而后通过锥形瓶和种子罐，经陆续扩增后进行肯定数量和质量的纯种造就过程。

种子造备蕴含尝试室种子造备和出产车间种子造备两个阶段。

2.2.2 影响质量的重要成分

影响质量的重要成分有造就基、接种龄和接种量、温度、p H、通气与搅拌、泡沫等。

2.2.3 种子质量尺度

种子质量的评价通常从细胞或菌体的状态、发酵工业出产原料可选择化指标、产品天生量、酶活力等方面进行。

3 发酵工程常用发酵设备

生物反映器是用于生化反映的主题设备，为生化反映提供相宜的场所和反映前提。生物反映器的选择、先进水平、运行操作和治理水平直接影响产品的产量、质量和工业效益。

微生物按需氧量可分为好氧微生物和厌氧微生物，生物反映器也可分为透风生物反映器（好氧生物反映器）和厌氧生物反映器。

3.1 透风液体发酵设备

透风搅拌通常是为了提高透风发酵罐中氧气的溶化率，以满足分歧微生物代谢和产品不休堆集的必要。发酵罐有机械搅拌发酵罐、自吸式发酵罐、气升式发酵罐、喷射自吸式发酵罐、溢流喷射自吸式发酵罐等。

3.2 透风固体发酵设备

透风固体发酵是一种设备单一、投资少的传统发酵工艺，宽泛利用于酱油和葡萄酒酿造、农副产品出产饲料蛋白等。透风固体发酵设备分为天然透风固体发酵技术设备和工程机械透风固体发酵设备。

3.3 厌氧发酵设备

厌氧发酵不必要供氧，设备结构通常比透风发酵单一，发酵设备分为乙醇发酵设备和啤酒发酵设备等。

4 发酵过程参数

发酵工程技术钻研的性质是通过内部节造发酵罐的操作参数，为微生物的出产和堆集提供最有利的造就环境。

4.1 物理参数

4.1.1 温度

温杜纂酶的反映速度、氧在造就基中的溶化度和转移速度、细胞成长速度与产品合成反映速度亲昵有关。

4.1.2 压力

罐内的正压能够预防表界空气中的细菌入侵，预防传染，保障纯净的造就环境。

4.1.3 空气流量

空气流量是指每分钟内每单元体积发酵液通入空气的体积，也称透风比，是透风发酵的节造参数。

4.1.4 搅拌转速

对于透风发酵，通过节造发酵过程分歧时期的转速，能够调节造就基中的溶化氧含量。

4.1.5 搅拌功率

搅拌功率指搅拌仪器在搅拌时所亏损的功率，通常指混合发酵液每立方米所亏损的功率。

4.1.6 黏度

黏度可作为细胞成长或细胞结构状态的一项沉要标志，也能反映分歧发酵罐中菌丝割裂过程的前提。

4.1.7 料液流量

料液流量是节造流体进料的参数。

4.2 化学参数

4.2.1 p H

发酵液的p H是发酵出产过程中各类反映的综合反映，是发酵工程的沉要特点参数。p H与细菌的成长和产品的合成有沉要关系。

4.2.2 溶化氧浓度

溶化氧浓度是发酵工程的必要前提之一。

4.2.3 基质含量

基质含量是指发酵液中糖、氮、磷等沉要营养物质的浓度。

4.2.4 浊度

浊度是能实时反映一个单细胞生物成长发展情况的参数，对产品的出产极其沉要。

4.2.5 产品浓度

产品浓度是确定发酵产品产率或正常合成代谢的沉要参数，也是确定发酵功夫长短的凭据。

4.2.6 氧化还原电位

氧化还原电位是发酵工程沉要参数之一。

4.2.7 废气中的氧和CO2含量

测定废气中的氧和CO2含量能够算出出产菌的呼吸熵，得到出产菌的呼吸代谢法规。

4.3 生物参数

4.3.1 菌丝状态

菌丝状态是评价种子质量、分辨发酵阶段、节造发酵代谢变动和确定发酵周期的基础。

4.3.2 菌体浓度

菌体浓度是节造微生物发酵的沉要参数之一，出格是匹敌生素次级代谢产品的发酵。

5 微生物发酵工程的利用

现代发酵工程技术已被用于工业、农业、造药、食品、能源、环保等多个行业出产，能够作为一种新兴工业经济系统建设发展，在各个行业创新中阐扬沉要作用。

5.1 医药工业

微生物发酵技术是生物转化的重要步骤之一，现代微生物发酵技术与医药钻研结合，在医药学领域用于出产抗生素、维生素等常用药物。

5.1.1 抗生素的微生物合成

抗生素是由微生物（蕴含真菌、放线菌、支原体和衣原体等）或高档动植物在生涯过程中产生的拥有抗病原体或其他活性的一类次级代谢产品，能滋扰其他生物细胞成长发育职能的化学物质。

随着现代科学技术的发展，抗生素的起源不仅限于微生物，已扩大到动植物，不仅能够用于医治细菌习染，还能够用于医治由原活泼物、病毒和立克次体引起的肿瘤等疾病，有些抗生素能推进动植物的成长。

5.1.2 维生素类药物的出产

维生素是一系列有机化合物的统称，是生物体必要的微量营养成分，通常无法由生物体自己出产，必要通过饮食等伎俩获得。作为六大性命身分之一，维生素在性命活动中必不成少。

5.2 资源开发

通过生物发酵，能够将绿色植物的秸秆、木屑以及工农业出产中的维生素、半纤维素和木质素等拔除物转化为液体或气体燃料（酒精或沼气）；能够利用微生物采油、产氢以及造成微生物电池；能够用于发展新型生物基化工产品，如水杨酸、乌头酸、丙烯酸、己二酸、丙烯酰胺、长链二元酸、聚乳酸（PLA）和聚羟丁酸（PHB）等。

5.3 农业出产

5.3.1 出产食用菌

秸秆是水稻、幼麦等农作物成熟脱粒后渣滓的茎叶部门，其中，水稻的秸秆常被称为稻草、稻藁，幼麦的秸秆则被称为麦秆。在合适的环境下，将秸秆切碎转化为一种优良的食用菌基质，能出产出营养丰硕的食用菌。

5.3.2 菌糠包办有机肥

食用菌成长后的菌类物质称为菌糠。在纤维素酶的协同作用下，秸秆中的纤维素和半纤维素能够降解为葡萄糖和果糖，动物能够直接利用。出格是饲猜中普遍不足的必须氨基酸和Ca、Fe、Zn、Mg等元素的含量也相对较高，营养价值很高�？煞鬯槭秤镁�，直接用作饲料豢养六畜。

随着全世界人丁总数的不休增长，人均耕地面积日益削减，粮食及其他食品的需要越来越大，而微生物工程是为人类提供食品、补充营养的沉要蹊径之一，用于微生物蛋白、氨基酸、新糖源、饮料、酒类和一些食品增长剂（如柠檬酸、乳酸、天然色素等）的出产。微生物肥料是一种纯天然、无毒、无害、无残留、无传染的高科技生物，性命力极强，适应社会各类工程地质、各类泥土，使用领域极广，可推进水稻、幼麦等作物的成长。

生物有机肥是以动植物残体为重要原料（如食草动物粪便、农作物秸秆等），由特殊职能微生物和有机物组成的肥料。生物有机肥固然有微生物肥料、微生物菌剂、活性有机肥料等分歧的叫法，但都是遵循泥土微生态学和作物营养学的道理，通过固态发酵步骤出产的给作物提供营养物质、推进我国经济作物成长的一种复岳阳。

6 发酵工程发展趋向

6.1 发酵原料的开发和利用

粮食和能源严重问题是当前和未来世界列国面对的挑战。地球上的石油、煤炭、天然气等化石燃料终将枯竭，因而，发酵工业在发酵原料开发和利用方面的发展要求应该是：（1）实现原料到产品的高转化率。（2）开发和利用非粮食农业生物质发酵原料，如纤维素、非粮淀粉、非粮脂肪酸等。（3）加强发酵产业向能源、化工以及资料等领域的延长，实现部门包办石油，出产大量资料、能源、化工产品等，逐步削减对石油的依赖。

6.2 提高菌种效能

我国的发酵产业在硬件方面已经达到很高的水平，提高菌种的效能是发展发酵产业的关键。

6.3 研发先进的发酵工艺技术

发酵工业拥有高耗能、高耗水、不陆续、易染菌的弊端，导致发酵产业成本增长，降低了竞争力。未来，发酵产业应该朝着无害高温灭菌、低耗水和陆续发酵方向发展，最终达到节能减排的主张。

6.4 新型发酵设备的研造

新型发酵设备的研造为发酵工程提供了先进工具，如固定化反映器是利用细胞或酶的固定化技术来出产发酵产品，提高了产率。

6.5 大型化、陆续化、自动化节造技术的利用

现代生物技术的成功取决于高效能、低能耗的生物反映过程，其高效能又取决于自动化。发酵设备正逐步朝着容积大型化、结构多样化、操作节造自动化的高效生物反映器方向发展，主张在于节俭能源、原资料和劳动力，降低发酵产品的出产成本。

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