发酵工程的有关进展综述.doc

发酵工程有关进展综述姓名：孙静娴班级：生物工程1012学号1020120222摘要：发酵工程是生物工程的重要组成部分和基础，是生物工程产业化的重要环节。它是利用生物技术对微生物进行质的改造，或构建出微生物原来不具有的新性状的菌株。关键词：发酵工程 发酵技术 发展现状 未来展望正文：发酵工程的内容随着科学技术的发展不断扩大和充实。现代的发酵工程不仅包括菌体生产和代谢物的发酵生产，还包括微生物机能的利用。其主要内容包括生产菌种的选育，发酵条件的优化与控制，反应器的设计及产物的分离、提取与精制等。发酵工程是利用微生物特定性状和功能，通过现代化工程技术生产有用物质或直接应用于工业化生产的技术体系，是将传统发酵与现代的DNA重组、细胞融合、分子修饰和改造等新技术结合并发展起来的发酵技术。也可以说是渗透有工程学的微生物学，也是发酵技术工程化的发展。由于主要利用的是微生物发酵过程来生产产品，因此也可成为微生物工程。发酵工程的发展简史：1、天然发酵阶段 在微生物的性质尚未被人们所认识时，人类已经利用自然接种方法进行发酵制品的生产。主要产品有酒、酒精、醋、干酪、酸乳等。当时还谈不上发酵工业，仅仅是家庭或作坊式的手工业生产。多数产品为厌氧发酵，非纯种培养，凭经验传授技术和产品质量不稳定是这个阶段的特点。2、 纯培养技术时期 1667年，荷兰人列文霍克（Antony Van Leowen hoek）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（Louis Pasteur）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、利用基因工程技术进行发酵阶段 20世纪70年代开始，由于DNA体外重组技术的建立，发酵技术进入一个崭新的阶段，这就是以基因工程技术为中心的生物工程时代。基因工程是采用酶学的方法，将不同来源的DNA进行体外重组，再把重组DNA设法导入受体细胞内，并进行繁殖和遗传下去，这样人们就能够根据自己的意愿将微生物以外的基因构件导入微生物细胞内，从而定向改变生物性状与功能，创造新的“物种”，使发酵工业能够生产出自然界微生物所不能合成的产物，大大地丰富了发酵工业的范围，使发酵技术发生了革命性的变化。发酵类型： 目前已知具有生产价值的发酵类型有以下五种：一是微生物本身，这是以获得具有某种用途的菌体为目的的发酵，如用于面包制作的酵母发酵、单细胞蛋白饲料添加剂、灵芝和虫草等菌丝体的生产等；二是微生物酶的发酵，如淀粉酶、糖化酶、蛋白酶、脂肪酶等粗酶制剂的生产等；三是微生物代谢产物发酵，如初级代谢产物（氨基酸、核苷酸等）生产，次级代谢产物（抗生素、生物碱、细菌毒素等）生产等；四是微生物转化发酵，它是利用微生物细胞的一种或多种酶把一种化合物转化成结构相关的更有经济价值的产物，如利用菌体将乙醇转化成乙酸的发酵；五是生物工程菌的发酵，这是指利用生物技术方法所获得的“工程菌”，以及细胞融合等技术获得“杂交细胞”等进行培养的新型发酵，其产物多种多样，如用基因工程菌生产的胰岛素、干扰素等，用杂交细胞生产的用于诊断和治疗的各种单克隆抗体等。发酵技术的特点： 微生物种类繁多、繁殖速度快、代谢能力强，容易通过人工诱变获得有益的突变株；微生物酶的种类很多，能催化各种生物化学反应；微生物能够利用有机物、无机物等各种营养源；可以用简易的设备来生产多种多样的产品；不受气候、季节等自然条件的限制等优点。所以源于酒、酱、醋等酿造技术的发酵技术发展非常迅速，并具有以下特点：发酵过程以生命体的自动调节方式进行，数十个反应过程能够在发酵设备中一次完成；反应通常在常温常压下进行，条件温和，能耗少，设备较简单；原料通常以糖蜜、淀粉等碳水化合物为主，可以是农副产品、工业废水或可再生资源(如植物秸秆、木屑等)，微生物本身能有选择地摄取所需物质；容易生产复杂的高分子化合物，能高度选择地在复杂化合物的特定部位进行氧化、还原、官能团引入或去除等反应；发酵过程中需要防止杂菌污染，大多情况下设备需要进行严格的冲洗、灭菌，空气需要过滤等。 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）。 发酵工程在各领域的发展现状 1、 医药行业 微生物发酵是生物转化法之一，在中药中早有应用。真菌是发酵中药的主要功能菌。发酵时大都采用单一菌种纯种发酵法。现代中药发酵技术分为液体发酵和固体发酵。中药发酵技术按应用方式可分为无渣式和去渣式,前者可直接用药，后者要提取和制剂用药。发展发酵中药可进一步推进中药现代化和国际化进程,提高中药行业的竞争力，为中药走向世界、造福人类作出新的贡献。 2、食品工业 现代化生物技术的突飞猛进，改写了食品发酵工艺的历史。据报道，由发酵工程贡献的产品可占食品工业总销售额的15%以上。目前利用微生物发酵法可以生产近20种氨基酸。该法较蛋白质水解和化学合成法生产成本低，工艺简单，且全部具有光学活性。 3、能源工业 乙醇作为一种生产工艺成熟，生产原料来源广泛的替代能源越来越受到人们的关注。燃料酒精不仅可以缓解能源短缺的问题，从长远的利益和能源的可再生性来看，燃料酒精又是一种潜力巨大的物能源。酒精发酵的方式有间歇式发酵、半连续式发酵和连续发酵。 发酵工程产业的未来展望： 随着生物工程技术特别是基因工程技术的发展，发酵工程技术也在不断改进和提高，其应用领域也在不断拓宽，展示出了它的巨大潜力。具体发展目标和方向有以下几个方面：1、 微生物资源的开发和利用。这又分为两个方面，第一是设计和开发更多的自动化、定向化、快速化的菌种首选技术和模型，筛选更多的新型菌种和代谢产物；其次是利用遗传工程等先进技术，人工选育和改良菌种。2、 发酵工程技术的改进和完善。这又分三个方向，第一是加强固定化技术（固定化酶技术、固定化细胞技术）的研究；第二是改进和提高传统发酵技术；第三是从事生态发酵技术（混合培养工艺）研究和开发。3、 新型发酵设备的研制和开发。发酵设备正逐步向容积大型化、结构多样化、操作控制自动化的高效生物反应器方向发展，其目的在于节省能源、原材料和劳动力，降低发酵产品的生产成本。4、 重视中、下游工程的研究。参考文献：发酵工程 黄方一，叶斌主编 华中师范大学出版社发酵工程 韦革宏，杨祥主编 科学出版社 发酵工程 韩德权主编 黑龙江大学出版社现代生物工程技术导论 贺小贤主编 科学出版社