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生物发酵

作者:立博体育 发布日期:2020-08-10 20:13



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  生物发酵工程是生物工程的一个重要组成部分,微生物利用碳水化合物发酵生产各种工业溶剂和化工原料。乙醇、丙酮丁醇、丁醇-异丙醇、丙酮-乙醇、2,3-丁二醇和甘油发酵是微生物进行溶剂发酵的几种形式。

  所谓生物工程,一般认为是以生物学(特别是其中的微生物学、遗传学、生物化学和细胞学)的理论和技术为基础,结合化工、机械、电子计算机等现代工程技术,充分运用分子生物学的最新成就,自觉地操纵遗传物质,定向地改造生物或其功能,短期内创造出具有超 远缘性状的新物种,再通过合适的生物反应器对这类“工程菌”或“工程细胞株”进行大规模的培养,以生产大量有用代谢产物或发挥它们独特生理功能一门新兴技术。

  生物工程包括五大工程,即遗传工程(基因工程)、细胞工程、微生物工程(发酵工程)、酶工程(生化工程)和生物反应器工程。在这五大领域中,前两者作用是将常规菌(或动植物细胞株)作为特定遗传物质受体,使它们获得外来基因,成为能表达超远缘性状的新物种——“工程菌”或“工程细胞株”。后三者的作用则是这一有巨大潜在价值的新物种创造良好的生长与繁殖条件,进行大规模的培养,以充分发挥其内在潜力,为人们提供巨大的经济效益 和社会效益。

  生物工程的应用领域非常广泛,包括农业、工业、医学、药物学、能源、环保、冶金、化工原料等。它必将对人类社会的政治、经济、军事和生活等方面产生巨大的影响,为世界面临的资源、环境和人类健康等问题的解决提供美好的前景。

  21世纪,系统生物学合成生物学的迅速发展,基于系统生物学原理的生物工程系统生物工程开发生物计算机、细胞制药厂、生物太阳能技术,将产生新的一轮产业化变革。

  (1)“发酵”有“微生物生理学严格定义的发酵”和“工业发酵”,词条“发酵工程”中的“发酵”应该是“工业发酵”。

  (2)工业生产上通过“工业发酵”来加工或制作产品,其对应的加工或制作工艺被称为“发酵工艺”。为实现工业化生产,就必须解决实现这些工艺(发酵工艺)的工业生产环境、设备和过程控制的工程学的问题,因此,就有了“发酵工程”。

  (3)发酵工程是用来解决按发酵工艺进行工业化生产的工程学问题的学科。发酵工程从工程学的角度把实现发酵工艺的发酵工业过程分为菌种、发酵和提炼(包括废水处理)等三个阶段,这三个阶段都有各自的工程学问题,一般分别把它们称为发酵工程的上游、中游和下游工程。

  (4)微生物是发酵工程的灵魂。近年来,对于发酵工程的生物学属性的认识愈益明朗化,发酵工程正在走近科学。

  现代意义上的发酵工程是一个由多学科交叉、融合而形成的技术性和应用性较强的开放性的学科。发酵工程经历了“农产手工加工——近代发酵工程——现代发酵工程”三个发展阶段。

  发酵工程发源于家庭或作坊式的发酵制作(农产手工加工),后来借鉴于化学工程实现了工业化生产(近代发酵工程),最后返璞归真以微生物生命活动为中心研究、设计和指导工业发酵生产(现代发酵工程),跨入生物工程的行列。

  原始的手工作坊式的发酵制作凭借祖先传下来的技巧和经验生产发酵产品,体力劳动繁重,生产规模受到限制,难以实现工业化的生产。于是,发酵界的前人首先求教于化学和化学工程,向农业化学和化学工程学习,对发酵生产工艺进行了规范,用泵和管道等输送方式替代了肩挑手提的人力搬运,以机器生产代替了手工操作,把作坊式的发酵生产成功地推上了工业化生产的水平。发酵生产与化学和化学工程的结合促成了发酵生产的第一次飞跃。

  通过发酵工业化生产的几十年实践,人们逐步认识到发酵工业过程是一个随着时间变化的(时变的)、非线性的、多变量输入和输出的动态的生物学过程,按照化学工程的模式来处理发酵工业生产(特别是大规模生产)的问题,往往难以收到预期的效果。从化学工程的角度来看,发酵罐也就是生产原料发酵的反应器,发酵罐中培养的微生物细胞只是一种催化剂,按化学工程的正统思维,微生物当然难以发挥其生命特有的生产潜力。于是,追溯到作坊式的发酵生产技术的生物学内核(微生物),返璞归真而对发酵工程的属性有了新的认识。发酵工程的生物学属性的认定,使发酵工程的发展有了明确的方向,发酵工程进入了生物工程的范畴。

  发酵工程是指采用工程技术手段,利用生物(主要是微生物)和有活性的离体酶的某些功能,为人类生产有用的生物产品,或直接用微生物参与控制某些工业生产过程的一种技术。人们熟知的利用酵母菌发酵制造啤酒、果酒、工业酒精,乳酸菌发酵制造奶酪和酸牛奶,利用真菌大规模生产青霉素等都是这方面的例子。随着科学技术的进步,发酵技术也有了很大的发展,并且已经进入能够人为控制和改造微生物,使这些微生物为人类生产产品的现代发酵工程阶段。现代发酵工程作为现代生物技术的一个重要组成部分,具有广阔的应用前景。例如,用基因工程的方法有目的地改造原有的菌种并且提高其产量;利用微生物发酵生产药品,如人的胰岛素、干扰素和生长激素等。

  已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支,成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包,而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物,生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料,在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶、维生素和单细胞蛋白等。

  从广义上讲,发酵工程由三部分组成:是上游工程,中游工程和下游工程。其中上游工程包括优良种株的选育,最适发酵条件(pH、温度、溶氧和营养组成)的确定,营养物的准备等。中游工程主要指在最适发酵条件下,发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。这里要有严格的无菌生长环境,包括发酵开始前采用高温高压对发酵原料和发酵罐以及各种连接管道进行灭菌的技术;在发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空气的空气过滤技术;在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速度的计算机控制技术;还有种子培养和生产培养的不同的工艺技术。此外,根据不同的需要,发酵工艺上还分类批量发酵:即一次投料发酵;流加批量发酵:即在一次投料发酵的基础上,流加一定量的营养,使细胞进一步的生长,或得到更多的代谢产物连续发酵:不断地流加营养,并不断地取出发酵液。在进行任何大规模工业发酵前,必须在实验室规模的小发酵罐进行大量的实验,得到产物形成的动力学模型,并根据这个模型设计中试的发酵要求,最后从中试数据再设计更大规模生产的动力学模型。由于生物反应的复杂性,在从实验室到中试,从中试到大规模生产过程中会出现许多问题,这就是发酵工程工艺放大问题。下游工程指从发酵液中分离和纯化产品的技术:包括固液分离技术(离心分离,过滤分离,沉淀分离等工艺),细胞破壁技术(超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂和溶壁酶等),蛋白质纯化技术沉淀法色谱分离法和超滤法等),最后还有产品的包装处理技术(真空干燥和冰冻干事燥等)。

  此外,在生产药物和食品的发酵工业中,需要严格遵守美国联邦食品和药物管理局所公布的cGMPs的规定,并要定时接受有关当局的检查监督。

  利用微生物对碳水化合物发酵生产各种工业溶剂和化工原料。乙醇、丙酮丁醇、丁醇-异丙醇、丙酮-乙醇、2,3-丁二醇和甘油发酵是微生物进行溶剂发酵的几种形式。

  以淀粉和糖蜜做原料的乙醇发酵菌种是酿酒酵母,它能发酵葡萄糖、麦芽糖、蔗糖生产乙醇。酿酒酵母生长发酵的适宜温度约为30℃,pH为4.2~4.5。中国乙醇发酵工业主要以甘薯为原料,用含高淀粉酶活性曲霉制成的固体曲或液体曲糖化,以优良酿酒酵母发酵,乙醇产率为淀粉的92%以上。

  用可动酵单胞菌进行乙醇发酵比用酵母优越,表现为高糖利用率、高乙醇生产率、耐高浓度糖和乙醇、低能量消耗、乙醇产率接近理论数字等。酵母菌和酵单胞菌也能发酵果糖产生乙醇。乳制品工业的副产品乳清含乳糖5%,工业上已利用乳胞壁克氏酵母或热带假丝酵母发酵乳糖产生乙醇。纤维素是廉价的碳水化合物。有些盛产木材的国家,早已在工业中采用将纤维素经酸水解成单糖后发酵生产乙醇的方法。一类发酵是用纤维素酶和酵母菌或好热纤维梭菌混合发酵用碱处理过的纤维素,使酶水解生成的糖立即被发酵成乙醇;另一类发酵是不经酶水解糖化,用好热纤维梭菌和解糖梭菌在55℃混合发酵不经碱处理的纤维素,好热纤维梭菌产生乙醇、乙酸木糖,解糖梭菌将生成的木糖再发酵成乙醇。白色瘤胃球菌也曾用于纤维素的直接发酵。直接发酵法成本较高,工业上还没有使用。

  在工业生产中,丙酮-丁醇发酵常用的菌种有:以淀粉发酵为主的丙酮-丁醇梭菌,细胞中具有淀粉酶,不需要预先糖化就可以直接发酵;另一种是用于糖蜜、纤维素水解液或亚硫酸纸浆废液等糖质原料发酵的糖丙酮-丁醇梭菌,为严格的厌氧细菌,特别是在芽孢出芽阶段。梭菌传代培养多次以后,菌种的发酵能力往往减弱,所以常用加热菌种芽孢悬液(100℃,1~2分钟)的办法,保持和提高菌种的发酵力。

  淀粉质原料含有梭菌生长必需的全部营养物质,糖蜜原料中缺乏氮源,可用动物或植物蛋白或无机氮加以补充。碳水化合物的浓度对梭菌的生长无明显影响,但丁醇浓度达到1.5%时,对发酵产生毒害,如果把丁醇浓度不断稀释并控制在1.5%以下,发酵即可正常进行。固定化细胞生产丁醇已取得良好结果,将梭菌细胞固定在藻酸钠胶体颗粒上,进行生物化学反应,产物以丁醇为主,丁醇产率至少可保持1周不变。

  酪酸梭菌是主要的丁醇-异丙醇发酵细菌发酵条件与丙酮-丁醇相近。发酵产物还有少量乙酸和丁酸。异丙醇化工合成的成本远比发酵便宜,因此这一发酵未用于工业生产。

  软腐芽孢杆菌是进行这一发酵的细菌,它能利用各种碳水化合物发酵。发酵中要加碳酸钙保持pH中性。温度40~43℃。发酵过程需5~6天。原料转化率较高,丙酮和乙醇产量的比例为1:3~4。这一发酵在工业上已不应用。

  许多细菌和酵母菌能发酵生产2,3-丁二醇,产量较高的有能利用蔗糖葡萄糖的产气杆菌和能利用淀粉、蔗糖、葡萄糖的多粘芽孢杆菌。前者生产的2,3-丁二醇中,90%是光学消旋异构型,10%为右旋型;后者产生的几乎全是左旋型。发酵产物还有有机酸、乙醇、二氧化碳。

  在酵母菌进行的乙醇发酵中添加亚硫酸钠,亚硫酸钠与代谢中间产物乙醛结合,干扰代谢途径,使甘油成为主要产物。这是第一次世界大战中为生产炸药取得甘油原料的一种方法,战后不再使用。以后有人培育耐高渗透压酵母菌,如鲁氏酵母、蜂蜜酵母等,发酵高浓度糖,而不需要添加亚硫酸钠。中国用230~250克/升的淀粉水解糖可得100克/升以上的甘油。甘油发酵不是工业甘油的主要生产方法。

  袁嫦静. 走进“发酵”世界聚焦2014上海生物发酵产品展[J]. 食品科学, 2014, 35(21):27-27.

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