微生物发酵技术探讨VIP

1、摘要本文主要是论述了关于微生物发酵技术的发展历史、发酵的特点，探讨了影响发酵的因素及控制、微生物技术在各个方面的应用。关键词：微生物 发酵技术 影响因素 应用 abstractthis paper is mainly discussed about the microorganism fermentation technology development history, fermentation characteristics, discusses the influence ofthe factors and control, fermentation microorganisms tec

2、hnology in all aspectsof the application.keywords: microbe microbial fermentation influencing factorapplication 前言 发酵技术有着悠久的历史，早在几千年前，人们就开始从事酿酒、制酱、制奶酪等生产。作为现代科学概念的微生物发酵工业，是在20世纪40年代随着抗生素工业的兴起而得到迅速发展的，而现代发酵技术又是在传统发酵技术的基础上，结合了现代的基因工程、细胞工程、分子修饰和改造等新技术。由于微生物发酵工业具有投资少、见效快、污染小、外源目的基因易在微生物菌体中高效表达等特点，日益成为全球

3、经济的重要组成部分。总之，发酵工业，特别是微生物发酵工业，在与人们生活密切相关的许多领域中（医药、食品、化工、冶金、资源、能源、健康、环境等），都有着难以估量的社会和经济效益。正文1 微生物发酵技术 微生物发酵技术是生物技术的重要组成部分，是生物技术产业化的重要环节。它是一门将微生物学、生物化学和化学工程学的基本原理有机地结合起来，利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物资的工程技术。1.1 微生物发酵的发展史1857年巴斯德提出著名发酵理论：“一 切发酵过程都是微生物作用的结果。” 1929年flemming爵士发现了青霉素，增加一大类新产品-抗生素。20世纪40年代，以获取细菌的次生代谢

4、产物-抗生素为主要特征的抗生素工业成为微生物发酵工业技术的支柱产业。20世纪50年代，氨基酸发酵工业又成为微生物技术产业的又一个成员，实现了对微生物的代谢进行人工调节，这又使微生物技术进了一步。20世纪60年代，微生物技术产业又增加了酶制剂工业这一成员。20世纪70年代，为了解决由于人迅速增长而带来的粮食短缺问题，进行了非碳水化合物代替碳水化合物的发酵，如利用石油化工原料进行发酵生产，培养单细胞蛋白，进行污水处理，能源开发等。80年代以来，随着重组dna技术的发展，可以按人类社会的需要，定培养出有用的菌株，这为微生物发酵技术引入了遗传工程的技术，使微生物技术进入了一个新的阶段。 目前，人们把利

5、用微生物在有氧或无氧状态下生命活动来制备微生物菌体或其它代谢产物的过程统称为发酵。 2 微生物发酵的类型2.1 微生物菌体发酵 是以获得具有某种用途的菌体为目的的发酵。用于面包制作的酵母发酵及用于人类或动物食品的微生物菌体蛋白发酵是比较传统的菌体发酵工业。新的菌体发酵可用来生产药用真菌，如香菇菌、依赖虫蛹而生存的冬虫夏草菌、与天麻共存的密环菌等药用菌。2.2 微生物酶发酵 酶普遍存在于动物、植物和微生物中。因为微生物种类多、产酶的品种多、生产容易和成本低等特点，所以目前工业应用的酶大多来自微生物发酵。2.3 微生物代谢产物发酵 微生物代谢产物很多。在菌体对数生长期所产生的产物，如氨基酸、核苷酸

6、、蛋白质和糖类等是菌体生长繁殖所必需的，这些产物叫做初级代谢产物。在菌体生长静止期，某些菌体能合成一些具有特定功能的产物，如抗生素、生物碱、植物生长因子等。这些产物与菌体生长繁殖无明显关系，叫做次级代谢产物。 2.4 微生物的转化发酵 微生物的转化是利用微生物细胞的一种或多种酶，把一种化合物转变成结构相关的更有经济价值的产物。可进行的转化反应包括：脱氢反应、氧化反应、脱水反应、缩合反应、氨化反应、脱氨反应等。 2.5 生物工程细胞的发酵 是指利用生物工程技术所获得的细胞，如dna重组的“工程菌”，细胞融合所得的“杂交”细胞等进行培养的新型发酵。此类发酵的产物多种多样，如用基因工程菌生产胰岛素、

7、干扰素等。3 微生物发酵的特点1微生物种类繁多，繁殖速度快、代谢能力强，容易通过人工诱变获得有益的突变株；微生物酶的种类很多，能催化各种生物化学反应；微生物能过利用有机物、无机物等各种营养源；可以用坚毅的设备来生产多种多样的产品；不受气候、季节等自然条件的限制等优点。所以源于酒、酱、醋等酿造技术的发酵技术发展非常迅速，并具有一下特点：（1） 发酵过程以生命体的自动调节方式进行，数十个反应过程能够在发酵设备中一次完成；（2） 反应通常在常温常压下进行，条件温和，能耗少，设备简单；（3） 原料通常以糖蜜、淀粉等碳水化合物为主，可以是农副产品、工业废水或可再生资源（如植物秸秆、木屑等），微生物本身能

8、有选择地摄取所需物质；（4） 容易生产复杂的高分子化合物，能高度选择地在复杂化合物的特定部位进行氧化、还原、官能团引入或去除等反应；（5） 发酵过程中需要防止杂菌污染，大多情况下设备需要进行严格的冲洗、灭菌，空气需要过滤等。4 发酵常用的微生物微生物资源非常丰富，广布于土壤、水和空气中，尤以土壤中为多有的微生物从自然界中分离出来就能够利用，有得需要对分离到的野生菌株进行人工诱变，得到突变株才能被利用。当前发酵工业所用菌种的总趋势是从野生菌转向变异菌，从自然选育转向代谢控制育种。目前，发酵工业生产上常用的微生物有：（1）细菌 常用的细菌有：枯草芽孢杆菌、乳酸杆菌、醋酸杆菌、棒状杆菌、短杆菌等，主

9、要用于生产淀粉酶、乳酸、醋酸、氨基酸和肌苷酸等等。（2）放线菌 发酵工业常用的放线菌主要来自以下几个属：链霉菌属、小单孢菌属和诺卡氏菌属等，主要用于生产抗生素，如链霉素、金霉素、庆大霉素等。（3）酵母菌 发酵工业常用的酵母菌有：啤酒酵母、假丝酵母、类酵母等，主要用于酿酒、制造面包、制造低凝固点石油、生产脂肪酶，以及生产可食用、药用和饲料用的酵母菌体蛋白等。（4）霉菌 常用的霉菌有：藻状菌纲的根霉、毛霉、犁头霉，子囊菌纲的红曲霉，半知菌类的曲霉、青霉等，主要用于生产多种酶制剂、抗生素、有机酸及甾体激素等。（5）其他微生物 这类微生物主要包括担子菌（即菇菌）和藻类。担子菌主要用于多糖、橡胶物质和抗

10、癌药物的开发。5 影响微生物发酵的因素2微生物发酵是微生物一些原料养分在合适的发酵条件下经特定的代谢途径转变成所需产物的过程。发酵是一种复杂的生化过程，其发酵好坏涉及诸多因素，除了菌种的生产性能外，还与培养基的配比、灭菌条件以及发酵条件等有密切关系。5.1 培养基的配比先进的培养基组成和细胞代谢物的分析技术加上统计优化策略和生化研究对于建立高产、稳产和经济的发酵过程非常关键。培养基的成分对微生物发酵产物的形成有很大影响。每一种代谢产物有其最适的培养基配比和生产条件。因此，要根据发酵所用的菌种的特点合理的配制培养基，其中的养分、碳源、氮源、矿物源以及特殊养分的配比一定要合理。5.2 灭菌情况培养

11、基的灭菌情况对不同品种的发酵生产的影响是不一样的。一般随灭菌温度的升高，时间的延长，对养分的破坏作用愈大，从而影响产物的合成，特别是葡萄糖，不宜与其它养分一起灭菌。葡萄糖氧化酶发酵培养基的灭菌条件对产酶有显著影响。通常灭菌温度比灭菌时间对产酶的影响更大。5.3 种子质量发酵期间菌种生长的快慢和产物合成的多寡在很大程度上取决于种子的质和量。接种菌龄是指种子罐中的培养物开始移种到下一级种子罐或发酵罐时的培养时间。选择适当的接种菌龄十分重要太年轻或过老的种子对发酵不利。一般接种菌龄以对数生长期的后期，即培养液中菌浓接近高峰时所需的时间较为适宜。太年轻的种子接种后往往会出现前期生长缓慢，整个发酵周期延

12、长，产物开始形成时间推迟。过老的种子虽然菌量较多，但接种后会导致生产能力的下降，菌体过早衰退。不同品种或同一品种不同t艺条件的发酵，其接种菌龄也不尽相同。一般最适的接种菌龄要经多次试验，根据其最终发酵结果而定。5.4 发酵条件在微生物发酵的过程中，有许多发酵条件都可以直接影响到发酵的好坏，如温度、压力、搅拌功率、转速、泡沫、发酵液粘度、浊度、ph、离子浓度、溶解氧及基质浓度等。其中对发酵过程影响较大的因素有温度、ph值、溶解氧、泡沫等。5.4.1 温度温度对微生物的影响是多方面的。首先，温度影响酶的活性。在最适温度范围内，随着温度的升高，菌体生长和代谢加快，发酵反应的速率加快。当超过最适温度范

13、围以后，随着温度的升高，酶很快失活，菌体衰老，发酵周期缩短，产量降低。温度也能影响生物合成的途径。例如，金色链霉菌在30以下时，合成金霉素的能力较强，但当温度超过35 时，则只合成四环素而不合成金霉素。此外，温度还会影响发酵液的物理性质，以及菌种对营养物质的分解吸收等。因此，要保证正常的发酵过程，就需维持最适温度。但菌体生长和产物合成所需的最适温度不一定相同。如灰色链霉菌的最适生长温度是37 ，但产生抗生素的最适温度是28 。通常，必须通过实验来确定不同菌种各发酵阶段的最适温度，采取分段控制。5.4.2 ph值3ph能够影响酶的活性，以及细胞膜的带电荷状况。细胞膜的带电荷状况如果发生变化，膜的

14、透性也会改变，从而有可能影响微生物对营养物质的吸收及代谢产物的分泌。此外，ph还会影响培养基中营养物质的分解等。因此，应控制发酵液的ph。但不同菌种生长阶段和合成产物阶段的最适ph往往不同，需要分别加以控制。在发酵过程中，随着菌体对营养物质的利用和代谢产物的积累，发酵液的ph必然会发生变化。如当尿素被分解时，发酵液中的nh+4浓度就会上升，ph也随之上升。在工业生产上，常采用在发酵液中添加维持ph的缓冲系统，或通过中间补加氨水、尿素、碳酸铵或碳酸钙来控制ph。目前，国内已研制出检测发酵过程的ph电极，用于连续测定和记录ph变化，并由ph控制器调节酸、碱的加入量。5.4.3 溶解氧4氧的供应对需

15、氧发酵来说，是一个关键因素。从葡萄糖氧化的需氧量来看，1 mol的葡萄糖彻底氧化分解，需6 mol的氧；当糖用于合成代谢产物时，1 mol葡萄糖约需1.9 mol的氧。因此，好氧型微生物对氧的需要量是很大的，但在发酵过程中菌种只能利用发酵液中的溶解氧，然而氧很难溶于水。在101.32 kpa、25时，氧在水中的溶解度为0.26 mmol/l。在同样条件下，氧在发酵液中的溶解度仅为0.20 mmol/l，而且随着温度的升高，溶解度还会下降。因此，必须向发酵液中连续补充大量的氧，并要不断地进行搅拌，这样可以提高氧在发酵液中的溶解度。 5.4.4 泡沫在发酵过程中，通气搅拌、微生物的代谢过程及培养基

16、中某些成分的分解等，都有可能产生泡沫。发酵过程中产生一定数量的泡沫是正常现象，但过多的持久性泡沫对发酵是不利的。因为泡沫会占据发酵罐的容积，影响通气和搅拌的正常进行，甚至导致代谢异常，因而必须消除泡沫。常用的消泡沫措施有两类：一类是安装消泡沫挡板，通过强烈的机械振荡，促使泡沫破裂；另一类是使用消泡沫剂6 发酵技术的应用5发酵过程的特点体现了发酵工程的种种优点。在目前能源、资源紧张，人口、粮食及污染问题日益严重的情况下，微生物发酵技术作为现在生物技术的重要组成部分之一。得到越来越广泛的应用：（1） 医药工业，用于生产抗生素、维生素等常用药物和人胰岛素、乙肝疫苗、干扰素、透明质酸等新药；（2） 食

17、品工业，用于微生物蛋白、氨基酸、新糖源、饮料、酒类和一些食品添加剂的生产；（3） 能源工业，通过微生物发酵，可将绿色植物的秸秆、木屑以及工农业生产中的纤维素、半纤维素、木质素等废弃物转化为液体或气体燃料（酒精或沼气），还可以利用微生物采油、产氢以及制成微生物电池；（4） 化学工业，用于生产可降解的生物塑料、化工原料（乙醇、丙酮、丁醇等）和一些生物表面活性剂及生物凝集剂；（5） 冶金工业，微生物可用于黄金开采铜、铀等金属的浸提；（6） 农业，用于生物固氮和生产生物杀虫剂及微生物饲料，为农业和畜牧业的增产发挥了巨大作用；（7） 环境保护，可用微生物来净化有毒的高分子化合物，降解海上浮油，清除有毒气

18、体和恶臭物质以及处理有机废水、废渣等等。结束语微生物发酵工业是一种以高科技含量为特征的新型工业，近年来特别是20世纪90年代以来，行业的迅速发展已经使其在医药、食品、能源、化学等工业中占有重要地位。发酵工业的迅速发展不仅带动了相关行业的发展，而且对节约粮食、增加食品花色品种、提高产品质量及改善环境等，发挥了重要作用。可以说，发酵工业发展前景十分光明。然而，发酵工业的发展中仍然存在一些问题，如行业调控不够得力、市场竞争不够规模和价格比较混乱、低水平的重复建设及环保问题等。我国要使微生物发酵工业得到更好的发展，还需努力解决这些问题。参考文献1 生物技术概论 宋思扬，楼士林主编.2版.北京：科学出版社，20032