發(fā)酵工程論文 -.doc

發(fā)酵工程的研究進展【前言】 發(fā)酵工程是泛指利用微生物制造或生產(chǎn)某些產(chǎn)品的過程。它包括厭氧發(fā)酵的生產(chǎn)過程（如酒精、乳酸、丙酮丁醇等）和有氧發(fā)酵的生產(chǎn)過程（如氨基酸、檸檬酸、抗生素等）。廣義的概念：生物學(微生物學、生物化學)和工程學(化學工程)結(jié)合。狹義的發(fā)酵概念：微生物培養(yǎng)和代謝過程。發(fā)酵技術是人類最早通過實踐掌握的生產(chǎn)技術之一，產(chǎn)品也很多，以傳統(tǒng)食品來說，東方有醬、醬油、醋、白酒、黃酒等，西方有啤酒、葡萄酒、奶酪等。這些發(fā)酵食品都是數(shù)千年來憑借人類的智慧和經(jīng)驗，在沒有親眼看到微生物的情況下，巧妙地利用微生物生產(chǎn)的產(chǎn)品?！娟P鍵詞】 發(fā)酵 發(fā)展 應用1、發(fā)酵工程的內(nèi)容1.1 定義 發(fā)酵工程是指采用工程技術手段，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(chǎn)有用的生物產(chǎn)品，或直接用微生物參與控制某些工業(yè)生產(chǎn)過程的一種技術。1.2現(xiàn)代發(fā)酵工程 人們熟知的利用酵母菌發(fā)酵制造啤酒、果酒、工業(yè)酒精，乳酸菌發(fā)酵制造奶酪和酸牛奶，利用真菌大規(guī)模生產(chǎn)青霉素等都是這方面的例子。隨著科學技術的進步，發(fā)酵技術也有了很大的發(fā)展，并且已經(jīng)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(chǎn)產(chǎn)品的現(xiàn)代發(fā)酵工程階段。 現(xiàn)代發(fā)酵工程作為現(xiàn)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并且提高其產(chǎn)量；利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)藥品，如人的胰島素、干擾素和生長激素等。已經(jīng)從過去簡單的生產(chǎn)酒精類飲料、生產(chǎn)醋酸和發(fā)酵面包發(fā)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件工程的一個多學科工程?，F(xiàn)代發(fā)酵工程不但生產(chǎn)酒精類飲料、醋酸和面包，而且生產(chǎn)胰島素、干擾素、生長激素、抗生素和疫苗等多種醫(yī)療保健藥物，生產(chǎn)天然殺蟲劑、細菌肥料和微生物除草劑等農(nóng)用生產(chǎn)資料，在化學工業(yè)上生產(chǎn)氨基酸、香料、生物高分子、酶、維生素和單細胞蛋白等。1.3組成從廣義上講，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。1.3.1 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。1.3.2 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(chǎn)代謝產(chǎn)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(jù)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(yǎng)和生產(chǎn)培養(yǎng)的不同的工藝技術。此外，根據(jù)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(chǎn)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(chǎn)物形成的動力學模型，并根據(jù)這個模型設計中試的發(fā)酵要求，最后從中試數(shù)據(jù)再設計更大規(guī)模生產(chǎn)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(chǎn)過程中會出現(xiàn)許多問題，這就是發(fā)酵工程工藝放大問題。1.3.3 下游工程：指從發(fā)酵液中分離和純化產(chǎn)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(zhì)純化技術（沉淀法、色譜分離法和超濾法等），最后還有產(chǎn)品的包裝處理技術（真空干燥和冰凍干事燥等）。此外，在生產(chǎn)藥物和食品的發(fā)酵工業(yè)中，需要嚴格遵守美國聯(lián)邦食品和藥物管理局所公布的cGMPs的規(guī)定，并要定時接受有關當局的檢查監(jiān)督。2.發(fā)酵工程技術的發(fā)展發(fā)酵技術的發(fā)展經(jīng)歷了如下幾個階段：2.1 自然發(fā)酵階段 這個階段為從史前到19世紀末，主要特征為人類利用自然接種的方法進行傳統(tǒng)釀造食品的生產(chǎn)。2.2 純培養(yǎng)厭氧發(fā)酵技術的建立 這個階段始于19世紀末，20世紀初，主要特征為人類在顯微鏡的幫助下，把單一的微生物進行純培養(yǎng)，在密閉容器中進行氧發(fā)酵生產(chǎn)酒精等工業(yè)產(chǎn)品。2.3 通氣攪拌發(fā)酵技術的建立 這個階段始于20世紀40年代，其技術特征為，成功地建立起深層通氣進行微生物發(fā)酵的一整套技術，有效地控制了微生物有氧發(fā)酵的通氣量、溫度、pH和營養(yǎng)物質(zhì)的供給，使得抗生素、檸檬酸、酶制劑等好氧發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)成為可能，是現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)的開端。2.4 代謝調(diào)控發(fā)酵技術的建立 這個階段始于20世紀60年代，其技術特征為，以生物化學和遺傳學為基礎，研究代謝產(chǎn)物的生物合成途徑和代謝調(diào)節(jié)機制，選擇巧妙的技術路線，人為地控制目的代謝產(chǎn)物的大量合成，從而得到所需產(chǎn)品。2.5 現(xiàn)代發(fā)酵工程技術的建立 這個階段始于20世紀70年代，其主要技術特征表現(xiàn)在如下幾個方面：2.5.1 原生質(zhì)體融合技術、基因工程技術的發(fā)展和在微生物菌種選育方面的應用，為發(fā)酵工程技術帶來了方法上、手段上的重大變化和革命。2.5.2 計算機控制發(fā)酵技術，固定化細胞技術，發(fā)酵工程優(yōu)化控制技術，先進的提取、分離、純化技術以及現(xiàn)代化的發(fā)酵與提取設備的應用，使發(fā)酵工業(yè)得到了迅速的發(fā)展，并展現(xiàn)了廣闊的前景。3.發(fā)酵工程的應用領域3.1輕工業(yè)輕工業(yè)是發(fā)酵工程技術應用最早和最多的領域，這個領域的特點是大量利用農(nóng)副產(chǎn)品（產(chǎn)要是淀粉類產(chǎn)品）進行深加工，其生產(chǎn)的產(chǎn)品種類有：3.1.1 酒和溶劑類： 如啤酒、白酒、果酒、酒精、丙酮、丁醇等；3.1.2 有機酸類：如檸檬酸、乳酸、蘋果酸、衣康酸等；3.1.3 氨基酸類：如谷氨酸、賴氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸等；3.1.4 酶制劑類：如食品工業(yè)用酶、紡織工業(yè)用酶、飼料工業(yè)用酶等；3.1.5功能性蛋白質(zhì)、功能性脂類、功能性糖類。 3.2 生物醫(yī)藥工業(yè) 通過發(fā)酵工程技術，可以生產(chǎn)多種抗生素、疫苗、以及一些基因工程藥物（如干擾素、白細胞介素系列等）。3.3 農(nóng)牧業(yè) 通過發(fā)酵工程技術，可以生產(chǎn)生物農(nóng)藥、生物肥料、植物生長調(diào)節(jié)劑、飼料蛋白、飼料工業(yè)用酶等。3.4 環(huán)境保護 發(fā)酵工程技術，可用于污水處理，有毒物質(zhì)的降解、固體垃圾處理、土壤污染的修復。3.5 能源開發(fā) 通過發(fā)酵工程技術可利用可再生原料生產(chǎn)燃料酒精，生產(chǎn)沼氣，進行微生物冶金等。4.現(xiàn)代發(fā)酵工程技術的發(fā)展方向展望由于發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)具有反應條件溫和，生產(chǎn)原料來源廣泛，價格低廉，以及與其它工業(yè)相比投資少、見效快，經(jīng)濟與社會效益顯著等諸多優(yōu)點。而且，通過發(fā)酵工程技術生產(chǎn)的產(chǎn)品種類多、應用面廣。因此，發(fā)酵工程具有廣闊的發(fā)展應用前景。近年來，生物技術的迅速發(fā)展有力地推動了發(fā)酵工程技術的發(fā)展。而發(fā)酵工程技術的應用，則是直接將生物技術轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，用于生產(chǎn)人類所需的各種產(chǎn)品，以及為社會服務的重要手段。因此，基因工程、細胞工程、酶工程技術的最終實施，主要是依靠發(fā)酵工程技術來完成的。所以現(xiàn)代發(fā)酵工程是生物技術的重要內(nèi)容之一，是生物技術實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的必由之路，是未來經(jīng)濟社會發(fā)展過程中富有生機和活力的一個重要產(chǎn)業(yè)群體。目前發(fā)酵工程技術的研究主要集中在如下幾個方面： 4.1采用基因工程、細胞工程技術與常規(guī)微生物育種方法相結(jié)合，輔之以激光、離子束、射線等物理誘變方法，致力于選育發(fā)酵工業(yè)所需的各種優(yōu)良生產(chǎn)菌種。 4.2 開發(fā)研制社會需要、附加值高的新型發(fā)酵產(chǎn)品。 4.3 采用發(fā)酵工程技術取代部分傳統(tǒng)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)，降低原材料消耗和能源消耗，減少污染物的排放。 4.4 研究開發(fā)發(fā)酵和提取新技術、新工藝、新設備，提高產(chǎn)品收率、節(jié)能降耗。 4.5 大規(guī)模工業(yè)化發(fā)酵生產(chǎn)技術。5.學術思想發(fā)酵工程研究：獲得應用價值的微生物，反應器及過程放大，發(fā)酵產(chǎn)物分離提取，發(fā)酵過程優(yōu)化和控制。研究一些重要的工業(yè)微生物的抗脅迫因子及其抗脅迫機制，考察環(huán)境脅迫條件下特定微生物蛋白轉(zhuǎn)錄和代謝途徑變化，采用不同環(huán)境脅迫手段或措施對微生物的生長或代謝進行調(diào)控，促進微生物生長或大量合成目的產(chǎn)物。 研究輔因子形式及其濃度在物質(zhì)代謝和信號傳遞途徑中控制代謝流方向和流量分配的作用機制、物質(zhì)流和輔因子流的變化規(guī)律，對微生物的生長或代謝進行調(diào)控，促進微生物合成目的產(chǎn)物的代謝流的最大化和快速化。參考文獻 ：1.張星元 發(fā)酵原理 科學出版社 20052.李寅，高海軍 陳堅 高細胞密度發(fā)酵技術 化學工業(yè)出版社 20063.陳騊聲 中國微生物工業(yè)發(fā)展史 北京輕工業(yè)出版社 19794.胡之璧 劉滌 生物技術生產(chǎn)傳統(tǒng)藥材的探索 廈門大學出版社19985.李艷 發(fā)酵工程的可持續(xù)發(fā)展