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發酵工程是指採用現代工程技術手段,利用微生物的某些特定功能,為人類生產有用的產品,或直接把微生物應用於工業生產過程的一種新技術。發酵工程的內容包括菌種的選育、培養基的配製、滅菌、擴大培養和接種、發酵過程和產品的分離提純等方面。

發酵工程是指採用現代工程技術手段,利用微生物的某些特定功能,為人類生產有用的產品,或直接把微生物應用於工業生產過程的一種新技術。發酵工程的內容包括菌種的選育、培養基的配製、滅菌、擴大培養和接種、發酵過程和產品的分離提純等方面。

1 發酵工程 -發展簡史

20世紀20年代的酒精、甘油和丙酮等發酵工程,屬於厭氧發酵。從那時起,發酵工程又經歷了幾次重大的轉折,在不斷地發展和完善。

20世紀40年代初,隨著青霉素的發現,抗生素髮酵工業逐漸興起。由於青霉素產生菌是需氧型的,微生物學家就在厭氧發酵技術的基礎上,成功地引進了通氣攪拌和一整套無菌技術,建立了深層通氣發酵技術。它大大促進了發酵工業的發展,使有機酸、微生素、激素等都可以用發酵法大規模生產。

1957年,日本用微生物生產谷氨酸成功,如今20種氨基酸都可以用發酵法生產。氨基酸發酵工業的發展,是建立在代謝控制發酵新技術的基礎上的。科學家在深入研究微生物代謝途徑的基礎上,通過對微生物進行人工誘變,先得到適合於生產某種產品的突變類型,再在人工控制的條件下培養,就大量產生人們所需要的物質。目前,代謝控制發酵技術已經與核苷酸、有機酸和部分抗生素等的生產中。

20世紀70年代以後,基因工程、細胞工程等生物工程技術的開發,使發酵工程進入了定向育種的新階段,新產品層出不窮。

20世紀80年代以來,隨著學科之間的不斷交叉和滲透,微生物學家開始用數學、動力學、化工工程原理、計算機技術對發酵過程進行綜合研究,使得對發酵過程的控制更為合理。在一些國家,已經能夠自動記錄和自動控制發酵過程的全部參數,明顯提高了生產效率。

2 發酵工程 -主要內容

現代意義上的發酵工程是一個由多學科交叉、融合而形成的技術性和應用性較強的開放性的學科。發酵工程經歷了「農產手工加工——近代發酵工程——現代發酵工程」三個發展階段。

發酵工程發源於家庭或作坊式的發酵製作(農產手工加工),後來借鑒於化學工程實現了工業化生產(近代發酵工程),最後返璞歸真以微生物生命活動為中心研究、設計和指導工業發酵生產(現代發酵工程),跨入生物工程的行列。

原始的手工作坊式的發酵製作憑藉祖先傳下來的技巧和經驗生產發酵產品,體力勞動繁重,生產規模受到限制,難以實現工業化的生產。於是,發酵界的前人首先求教於化學和化學工程,向農業化學和化學工程學習,對發酵生產工藝進行了規範,用泵和管道等輸送方式替代了肩挑手提的人力搬運,以機器生產代替了手工操作,把作坊式的發酵生產成功地推上了工業化生產的水平。發酵生產與化學和化學工程的結合促成了發酵生產的第一次飛躍。

通過發酵工業化生產的幾十年實踐,人們逐步認識到發酵工業過程是一個隨著時間變化的(時變的)、非線性的、多變數輸入和輸出的動態的生物學過程,按照化學工程的模式來處理髮酵工業生產(特別是大規模生產)的問題,往往難以收到預期的效果。從化學工程的角度來看,發酵罐也就是生產原料發酵的反應器,發酵罐中培養的微生物細胞只是一種催化劑,按化學工程的正統思維,微生物當然難以發揮其生命特有的生產潛力。於是,追溯到作坊式的發酵生產技術的生物學內核(微生物),返璞歸真而對發酵工程的屬性有了新的認識。發酵工程的生物學屬性的認定,使發酵工程的發展有了明確的方向,發酵工程進入了生物工程的範疇。

發酵工程是指採用工程技術手段,利用生物(主要是微生物)和有活性的離體酶的某些功能,為人類生產有用的生物產品,或直接用微生物參與控制某些工業生產過程的一種技術。人們熟知的利用酵母菌發酵製造啤酒、果酒、工業酒精,乳酸菌發酵製造乳酪和酸牛奶,利用真菌大規模生產青霉素等都是這方面的例子。隨著科學技術的進步,發酵技術也有了很大的發展,並且已經進入能夠人為控制和改造微生物,使這些微生物為人類生產產品的現代發酵工程階段。現代發酵工程作為現代生物技術的一個重要組成部分,具有廣闊的應用前景。例如,用基因工程的方法有目的地改造原有的菌種並且提高其產量;利用微生物發酵生產藥品,如人的胰島素、干擾素和生長激素等。

已經從過去簡單的生產酒精類飲料、生產醋酸和發酵麵包發展到今天成為生物工程的一個極其重要的分支,成為一個包括了微生物學、化學工程、基因工程、細胞工程、機械工程和計算機軟硬體工程的一個多學科工程。現代發酵工程不但生產酒精類飲料、醋酸和麵包,而且生產胰島素、干擾素、生長激素、抗生素和疫苗等多種醫療保健藥物,生產天然殺蟲劑、細菌肥料和微生物除草劑等農用生產資料,在化學工業上生產氨基酸、香料、生物高分子、酶、維生素和單細胞蛋白等。

3 發酵工程 -組成部分

發酵工程主要分為三個部分:上游工程,發酵工程和下游工程。

上游工程包括優良種株的選育,最適發酵條件(pH、溫度、溶氧和營養組成)的確定,營養物的準備等。

發酵工程主要指在最適發酵條件下,發酵罐中大量培養細胞和生產代謝產物的工藝技術。這裡要有嚴格的無菌生長環境,包括發酵開始前採用高溫高壓對發酵原料和發酵罐以及各種連接管道進行滅菌的技術;在發酵過程中不斷向發酵罐中通入乾燥無菌空氣的空氣過濾技術;在發酵過程中根據細胞生長要求控制加料速度的計算機控制技術;還有種子培養和生產培養的不同的工藝技術。此外,根據不同的需要,發酵工藝上還分類批量發酵:即一次投料發酵;流加批量發酵:即在一次投料發酵的基礎上,流加一定量的營養,使細胞進一步的生長,或得到更多的代謝產物; 連續發酵:不斷地流加營養,並不斷地取出發酵液。在進行任何大規模工業發酵前,必須在實驗室規模的小發酵罐進行大量的實驗,得到產物形成的動力學模型,並根據這個模型設計中試的發酵要求,最後從中試數據再設計更大規模生產的動力學模型。由於生物反應的複雜性,在從實驗室到中試,從中試到大規模生產過程中會出現許多問題,這就是發酵工程工藝放大問題。

下游工程指從發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,沉澱分離等工藝),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(沉澱法、色譜分離法和超濾法等),最後還有產品的包裝處理技術(真空乾燥和冰凍幹事燥等)。

此外,在生產藥物和食品的發酵工業中,需要嚴格遵守美國聯邦食品和藥物管理局所公布的cGMPs的規定,並要定時接受有關當局的檢查監督。

4 發酵工程 -相關詞條

生物工程生物催化微生物工程發酵工程生物分離工程

 

5 發酵工程 -參考資料

[1]北京市科學技術協會
[2]張星元:發酵原理,科學出版社,2005
[3]http://biozhang.blog.163.com中有關生物工程的博客
[4]http://biozhang.bioon.cn中有關生物工程的博客
[5]高中生物選修第五章

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