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微生物发酵及其应用

更新时间:2016-8-23 14:20:00  手机版

  微生物发酵及其应用:

  1、发酵工程的历史发展

  (1)自然发酵时期早在数千年前,我国劳动人民就懂得酿酒、制酱油、酿醋等。酿酒工业是历史上最古老的微生物工业,但当时人们并不知道它与微生物的关系,也不清楚发酵的原因,只是靠口传身授,在实践中应用微生物。例如,嫌气性发酵用于酒类酿造,好气性发酵用于酿醋、制曲,这是古典发酵的特点,这一时期称为自然发酵时期。

  (2)纯培养技术时期

  1667年,荷兰人列文霍克(AntonyVanLeowenhoek)发明了显微镜,揭开了微生物世界的秘密。随着微生物的发现,1850-1880年法国巴斯德(LouisPasteur)通过实验发现了发酵原理,认识到发酵是由微生物的活动引起的。随着微生物纯培养技术的逐步完善,开创了人为控制微生物的新时代。采用杀菌操作,发明了简便的密闭式发酵罐等技术设备,使发酵失败现象(如腐败)大大减少,即人工控制环境条件使发酵效率迅速提高。嫌气性发酵由此逐步发展起来,产品包括酒精、丙酮、丁醇等。在世界范围内利用微生物分解代谢进行规模化工业生产经历了100多年的历史。因此,微生物纯培养技术的创立是微生物工程发酵技术发展的第一个转折时期。

  (3)通气搅拌的好气性发酵工程技术时期

  1929年,英国细菌学家傅莱明(Fleming)发现了青霉素。随着青霉素大规模生产的成功,实验室采用摇瓶通风培养以及空气纤维过滤的高效除菌,在20世纪40年代创立了好气性发酵通气搅拌工程技术。抗生素工业的兴起不仅使微生物技术应用到医药工业,而且大大促进了好气性发酵工程和微生物工业的发展。微生物工程已经从分解代谢转为生物合成代谢,可以利用微生物合成积累大量有用的代谢产物,如各种有机酸、酶制剂、维生素、激素等,这已超越微生物正常代谢的范围。因此,通气搅拌的好气性发酵工程技术的创立是微生物工程发酵技术发展的第二个转折时期。

  (4)人工诱变育种与代谢控制发酵工程技术时期

  随着微生物遗传学、生物化学和分子生物学的发展,促进了20世纪60年代氨基酸、核苷酸微生物工业的建立,这是遗传水平上控制微生物代谢的结果。日本于1956年用发酵法生产谷氨酸获得成功,至今可用发酵法生产22种氨基酸,其中18种是直接发酵,4种是酶法转化。氨基酸发酵工业采用了人工诱变育种与代谢控制发酵的新技术,即首先将微生物进行人工诱变,得到适合生产某种产物的突变株,然后通过人工控制培养,选择性地大量生产人们所需要的物质。此项工程技术已用于核苷酸类物质、有机酸和一部分抗生素的发酵生产。因此,代谢控制发酵工程技术的创立是微生物工程发酵技术发展的第三个转折时期。

  (5)发酵动力学和连续化、自动化发酵工程技术时期

  随着微生物工业向大型发酵罐的连续化、自动化方向发展,以数学、动力学、化工原理等为基础,通过计算机实现发酵过程自动化控制的研究,使发酵过程的工艺控制更为合理,相应的新工艺、新设备也层出不穷。例如,日本的塔式连续发酵设备适用于各种连续通风发酵。法国L-M型单级连续发酵槽用于酵母菌连续培养,其结构简单而效率却相当高。世界上最新设计的实验型万能发酵罐适于任何发酵生产,可同时记录24个物理、化学和生物化学数据。目前,发酵过程的基本参数,包括温度、pH值、罐压、溶解氧、氧化还原电位、通气流量、CO2含量等均可自动记录和控制。可见,发酵的连续化、自动化工程技术的创立是微生物工程发酵技术发展的第四个转折时期。

  (6)微生物酶反应合成与化学合成相结合工程技术时期

  随着微生物合成工程技术与化学合成工程技术的不断应用,矿产物的开发和石油化工的发展为化学合成法提供了丰富的原料,用于生产一些低分子的有机化合物,如乙醇、丙酮及丁醇等,美国工业应用化学合成法可以生产100多种发酵产品,如大部分的酒精、丙酮、丁醇等,部分的葡萄糖酸、谷氨酸、乳酸等。对于那些用化学合成法不能生产的一些复杂化合物,采用微生物发酵合成法可以在常温、常压下一步完成,特别是可以直接生产一些具有立体特异性的化合物,且生产设备投资较少。但发酵法也存在目的代谢产物浓度较低、分离较困难、生产周期较长等不利因素。

  而微生物酶反应生物合成与化学合成工程技术的结合,可生产许多过去不能生产的有用物质。例如,抗生素的化学结构改造是获得新的高效抗生素的重要来源,而维生素C是最早成功的例子,即先利用微生物将山梨糖醇发酵转变为山梨糖,再通过化学合成法生产维生素C。或者先用化学合成法生产廉价的前体,再用发酵法生产出贵重产品。目前,采用此项新技术可大规模生产多种物质,如激素、核苷酸、新抗生素(如半合成头孢霉素、卡那霉素、氯霉素等)、某些氨基酸(如L-酪氨酸、L-色氨酸、L-赖氨酸等)等,随着研究的深入将能生产更多有用的物质。因此,微生物酶反应合成与化学合成相结合工程技术的创立是微生物工程发酵技术发展的第五个转折时期。

  2、发酵生产过程探秘

  (1)发酵是利用微生物,在适宜的条件下,将原料经过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的过程。

  (2)由于不同的微生物具有产生不同代谢产物的能力,因此,利用不同的微生物就可以产生出人们所需要的多种产物。

  (3)现代发酵工业产品大多数是好氧微生物发酵产生的,但也有一部分产品是利用厌氧微生物发酵产生的。

  3、发酵与食品生产:菌种选育→菌种的扩大培养→培养基的配制→灭菌和接种→发酵条件的控制→分离和提纯。

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