发酵工程复习VIP

发酵工程复习一、发酵工程概述（一）发酵工程的定义发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。它涉及微生物学、生物化学、化学工程、基因工程等多个学科领域，通过对微生物细胞的代谢活动进行调控和优化，实现目标产物的高效合成与生产。

（二）发酵工程的发展历程1.传统发酵阶段早在几千年前，人类就开始利用微生物进行发酵生产，如酿酒、制醋、制作面包等。这些传统发酵过程主要基于经验，对微生物的认识较为有限。2.近代发酵工程阶段19世纪，巴斯德奠定了微生物学的基础，揭示了发酵的本质是微生物的代谢活动。随后，科赫等科学家进一步完善了微生物的分离培养技术，为发酵工程的发展提供了理论和技术支持。20世纪初，随着工业生产的需求增加，发酵技术逐渐从传统的作坊式生产向工业化生产转变。采用纯种培养技术，使发酵过程更加可控，产量和质量得到提高。3.现代发酵工程阶段20世纪中叶以后，随着分子生物学、基因工程等学科的飞速发展，发酵工程进入了现代阶段。基因工程技术的应用，使得人们能够对微生物进行定向改造，构建具有特定功能的工程菌，从而生产出各种高附加值的产品，如胰岛素、干扰素、单克隆抗体等。同时，发酵工程的工艺和设备也不断改进和创新，实现了发酵过程的自动化、连续化和智能化控制，大大提高了生产效率和产品质量。

二、发酵工程的基本原理（一）微生物的代谢1.微生物的代谢类型微生物的代谢类型多种多样，包括光能自养型、光能异养型、化能自养型和化能异养型等。其中，化能异养型微生物是发酵工程中最常用的类型，它们利用有机化合物作为碳源和能源，通过分解代谢和合成代谢来维持生命活动。2.分解代谢分解代谢是指微生物将复杂的有机物质分解为简单的小分子物质，并释放出能量的过程。常见的分解代谢途径包括糖酵解、三羧酸循环、磷酸戊糖途径等。这些途径在不同的微生物中可能存在差异，但它们的核心功能都是将有机物质逐步氧化分解，产生能量和中间代谢产物。3.合成代谢合成代谢是指微生物利用分解代谢产生的能量和中间代谢产物，合成细胞物质和代谢产物的过程。合成代谢需要消耗能量，并通过一系列的酶促反应将小分子物质转化为大分子物质，如蛋白质、核酸、多糖等。在发酵工程中，我们关注的是微生物合成目标产物的过程，通过调控发酵条件和微生物代谢途径，提高目标产物的产量。

（二）发酵类型1.根据发酵产物分类酒精发酵：主要由酵母菌进行，将葡萄糖等糖类发酵生成酒精和二氧化碳。酒精发酵在酿酒工业中具有重要应用。乳酸发酵：乳酸菌可将糖类发酵生成乳酸。乳酸发酵广泛应用于食品工业，如酸奶、泡菜的制作。氨基酸发酵：利用微生物发酵生产各种氨基酸，如谷氨酸发酵生产味精。抗生素发酵：许多抗生素如青霉素、链霉素等都是通过微生物发酵生产的。2.根据发酵过程中对氧的需求分类好氧发酵：在发酵过程中需要不断通入氧气，以满足微生物生长和代谢的需要。如柠檬酸发酵、谷氨酸发酵等。厌氧发酵：发酵过程中不需要氧气，微生物在无氧条件下进行代谢。如酒精发酵、乳酸发酵等。兼性厌氧发酵：微生物既能在有氧条件下生长，也能在无氧条件下生长。如酵母菌在有氧时进行有氧呼吸，大量繁殖；在无氧时进行酒精发酵。

三、发酵工程的主要环节（一）菌种的选育1.自然选育从自然界中分离筛选出具有优良性能的微生物菌株。通过采集不同环境样品，如土壤、水体、空气等，利用特定的培养基和培养条件，富集和分离出目标微生物。然后通过初筛和复筛，筛选出高产、稳定的菌株。2.诱变育种利用物理或化学因素处理微生物细胞，使其发生基因突变，从而获得具有优良性状的突变株。常用的物理诱变剂有紫外线、X射线、γ射线等；化学诱变剂有亚硝酸、硫酸二乙酯等。诱变育种可以提高菌种的突变频率，扩大变异范围，但突变具有随机性和不定向性，需要进行大量的筛选工作。3.基因工程育种基因工程技术为菌种选育提供了更为精准和高效的手段。通过基因克隆、表达载体构建、宿主细胞转化等步骤，将外源基因导入目标微生物中，使其获得新的功能或提高原有功能的表达水平。例如，将编码某种酶的基因导入微生物中，使其能够高效合成该酶，从而提高发酵产物的产量。

（二）培养基的配制1.培养基的成分碳源：为微生物提供能量和碳骨架，常用的碳源有葡萄糖、蔗糖、淀粉等。氮源：用于合成微生物细胞中的蛋白质、核酸等含氮物质，常见的氮源有铵盐、硝酸盐、蛋白质水解物等。无机盐：提供微生物生长所需的各种矿物质元素，如磷、钾、镁、铁等。生长因子：一些微生物自身不能合成或合成量不足的有机化合物，如维生素、氨基酸等，需要在培养基中添加。水：是微生物生长必不可少的物质，同时也是许多化学反应的溶剂。2.培养基的类型天然培养基：利用天然物质如牛肉膏、蛋白胨、酵母提取物等配制而成。天然培养基营养丰富，适合多种微生物的生长，但成分复杂，质量不稳定。合成培养基：由化学成分明确的物质配制而成，成分精确，重复性好，但营养成分相对单一。半合成培养基：结合了天然培养基和合成培养基的优点，含有部分天然成分和部分已知化学成分的物质，是发酵工业中常用的培养基类型。

（三）发酵条件的控制1.温度温度对微生物的生长和代谢有重要影响。不同的微生物有其最适生长温度范围，在发酵过程中需要将温度控制在适宜的水平。一般来说，嗜温微生物的最适生长温度为2540℃，嗜热微生物的最适生长温度可高达5080℃。温度过高会导致微生物细胞内的酶失活，代谢停止；温度过低则会使微生物生长缓慢，发酵周期延长。2.pH值pH值影响微生物细胞膜的通透性、酶的活性和代谢途径。不同的微生物对pH值的要求不同，大多数细菌适宜在中性或微碱性环境中生长，霉菌和酵母菌适宜在酸性环境中生长。在发酵过程中，需要通过添加酸或碱来调节发酵液的pH值，使其保持在适宜的范围内。3.溶解氧对于好氧发酵，溶解氧是影响微生物生长和代谢的关键因素之一。通过搅拌、通气等方式向发酵罐中提供充足的氧气，以满足微生物的呼吸需求。溶解氧的浓度过高或过低都会对发酵产生不利影响，过高可能导致泡沫增多、能耗增加，过低则会使微生物生长受限，产物合成减少。4.泡沫发酵过程中产生的泡沫会影响发酵罐的装料系数，增加染菌的机会，还可能导致发酵液溢出。因此，需要采取措施控制泡沫的产生，如添加消泡剂、采用机械消泡装置等。

（四）发酵过程的监测与控制1.参数监测在发酵过程中，需要实时监测各种参数，如温度、pH值、溶解氧、罐压、发酵液浓度等。通过传感器将这些参数信号传输到控制系统，以便及时了解发酵过程的状态。2.反馈控制根据监测到的参数，控制系统能够自动调节发酵条件，使其保持在设定的范围内。例如，当发酵液的pH值下降时，控制系统会自动添加碱液进行调节；当溶解氧浓度降低时，会增加通气量或搅拌速度。通过反馈控制，可以实现发酵过程的自动化和优化，提高发酵效率和产品质量。

（五）发酵产物的分离与提取1.过滤发酵结束后，首先通过过滤将发酵液中的固体杂质（如微生物细胞、菌丝体等）与液体分离。常用的过滤方法有常压过滤、加压过滤和真空过滤等。2.离心对于一些难以过滤的发酵液，可以采用离心的方法进一步分离固体和液体。离心分离是利用离心力的作用，使固体颗粒沉降到离心管底部，从而实现固液分离。3.萃取萃取是利用溶质在互不相溶的两种溶剂中的溶解度差异，将溶质从一种溶剂转移到另一种溶剂中的过程。在发酵产物的分离中，常用有机溶剂萃取发酵液中的目标产物。4.蒸馏蒸馏是利用液体混合物中各组分沸点的差异，将其分离的方法。对于一些挥发性的发酵产物，如酒精等，可以采用蒸馏的方法进行提纯。5.离子交换离子交换是利用离子交换树脂与溶液中的离子进行交换反应，从而分离和提纯目标产物的方法。离子交换树脂具有特定的离子交换基团，能够选择性地吸附和交换溶液中的离子。6.色谱分离色谱分离技术是一种高效的分离方法，包括柱色谱、高效液相色谱等。它利用不同物质在固定相和流动相之间的分配系数差异，实现对混合物的分离和分析。在发酵产物的分离中，色谱分离技术可以用于纯化一些高纯度的生物活性物质。

四、发酵工程的应用（一）食品工业1.酒类酿造啤酒、葡萄酒、白酒等酒类产品都是通过发酵工程生产的。酵母菌在无氧条件下将糖类发酵生成酒精，同时产生各种风味物质，赋予酒类独特的口感和香气。2.调味品生产酱油、醋、味精等调味品的生产离不开发酵工程。例如，酱油是由米曲霉等微生物发酵大豆、小麦等原料制成，醋是由醋酸菌发酵酒精或糖类产生醋酸。3.乳制品加工酸奶、奶酪等乳制品的发酵过程利用了乳酸菌等微生物。乳酸菌将牛奶中的乳糖发酵生成乳酸，使牛奶变酸并形成独特的质地和风味。

（二）医药工业1.抗生素生产抗生素是发酵工程在医药领域的重要应用之一。如青霉素、链霉素、红霉素等抗生素都是通过微生物发酵大量生产的，为人类的健康提供了有力保障。2.生物制药利用基因工程技术构建工程菌，生产各种生物药物，如胰岛素、干扰素、生长激素、单克隆抗体等。这些生物药物具有高效、低毒等优点，在疾病的诊断、治疗和预防方面发挥着重要作用。

（三）生物能源1.乙醇发酵利用微生物发酵糖类等原料生产乙醇，乙醇可以作为生物燃料替代部分化石燃料，减少对环境的污染。常用的发酵原料有玉米、甘蔗、木薯等。2.生物柴油通过微生物发酵油脂或利用微生物代谢产物合成生物柴油的前体物质，经过进一步加工制成生物柴油。生物柴油具有可再生、环保等特点，是一种有潜力的替代能源。

（四）环境保护1.污水处理利用微生物的代谢作用，将污水中的有机污染物分解为无害的物质。例如，活性污泥法、生物膜法等污水处理工艺都是基于微生物的发酵原理，通过微生物的生长繁殖和代谢活动，去除污水中的有机物、氮、磷等污染物。2.环境修复一些微生物能够降解土壤和水体中的有害物质，如石油、农药、重金属等。利用这些微生物进行环境修复，可以恢复受污染环境的生态功能。

五、发酵工程的发展趋势（一）基因工程与合成生物学的深度融合随着基因编辑技术和合成生物学的不断发展，将能够更加精准地设计和构建微生物细胞工厂，实现目标产物的高效合成。通过合成生物学方法，可以重新设计微生物的代谢途径，引入新的基因元件，优化基因表达调控，从而提高发酵产物的产量和质量，拓展发酵工程的应用范围。

（二）发酵过程的智能化控制利用先进的传感器技术、数据分析技术和人工智能算法，实现发酵过程的实时监测、优化控制和故障诊断。智能化控制系统能够根据发酵过程中的各种参数变化，自动调整发酵条件，使发酵过程始终处于最佳状态，提高发酵效率和产品质量的稳定性。

（三）新型发酵技术的不断涌现如固态发酵、连续发酵、固定化细胞发酵等新型发酵技术将得到更广泛的应用和发展。这些新型发酵技术具有独特的优势，如固态发酵可以减少培养基的用量，降低生产成本，同时有利于产物的分离提取；连续发酵能够实现发酵过程的连续化生产，提高生产效率。

（四）发酵工程与其他学科的交叉融合发酵工程将与材料科学、医学、农业等学科深度交叉融合，开发出更多具有创新性的产品和应用。例如，利用发酵工程技术生产生物可降解材料、开发新型疫苗和生物肥料等，为解决全球性问题提供新的途径和方法。

六、复习要点总结（一）重点概念1.发酵工程2.微生物代谢3.发酵类型4.菌种选育方法5.培养基成分与类型6.发酵条件控制7.发酵产物分离提取方法

（二）重点知识1.微生物代谢途径（糖酵解、三羧酸循环、磷酸戊糖途径等）2.不同发酵类型的特点及应用3.菌种选育的原理和方法4.培养基的配制原则和方法5.发酵条件对微生物生长和代谢的影响6.发酵过程监测与控制的方法和原理