长春理工大学选修论文 发酵工程1_长春理工大学论文

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本科生选修论文

浅谈发酵工程

Introduction to Fermentation Engineering

学 生 姓 名 专 业 学 号 指 导 教 师 学 院

阚海慧

探测制导与控制技术

110222233 葛淑敏

光电工程学院

二〇一三年十一月

浅谈发酵工程

摘要: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。发酵技术有着悠久的历史，早在几千年前，人们就开始从事酿酒、制酱、制奶酪等生产。作为现代科学概念的微生物发酵工业，是在20世纪40年代随着抗生素工业的兴起而得到迅速发展的，而现代发酵技术又是在传统发酵技术的基础上，结合了现代的基因工程、细胞工程、分子修饰和改造等新技术。由于微生物发酵工业具有投资少、见效快、污染小、外源目的基因易在微生物菌体中高效表达等特点，日益成为全球经济的重要组成部分。本文主要介绍发酵工程及其发展状况与前景。

关键词:历史 发展 状况 前景 发酵工程

一、发酵工程的发展历史 20世纪20年代的酒精、甘油和丙酮等发酵工程，属于厌氧发酵。从那时起，发酵工程又经历了几次重大的转折，在不断地发展和完善。

20世纪40年代初，随着青霉素的发现，抗生素发酵工业逐渐兴起。

1957年，日本用微生物生产谷氨酸成功，如今20种氨基酸都可以用发酵法生产。氨基酸发酵工业的发展，是建立在代谢控制发酵新技术的基础上的。目前，代谢控制发酵技术已经与核苷酸、有机酸和部分抗生素等的生产中。

20世纪70年代以后，基因工程、细胞工程等生物工程技术的开发，使发酵工程进入了定向育种的新阶段，新产品层出不穷。

20世纪80年代以来，微生物学家开始用数学、动力学、化工工程原理、计算机技术对发酵过程进行综合研究，使得对发酵过程的控制更为合理。在一些国家，已经能够自动记录和自动控制发酵过程的全部参数，明显提高了生产效率。

二、发酵技术的类型及特点(一)微生物菌体发酵

这是以获得具有某种用途的菌体为目的的发酵。比较传统的菌体发酵工业，有用于面包制作的酵母发酵及用于人类食品或动物饲料的微生物菌体蛋白发酵两种类型。新的菌体发酵可用来生产一些药用真菌，如香菇类、依赖虫蛹而生存的冬虫夏草菌、与天麻共生的密环菌、以及从多孔菌科的茯苓菌获得的名贵中药茯苓和担子菌的灵芝等。这些药用真菌可以通过发酵培养的手段来产生与天然产品具有同等疗效的产物。有的微生物菌体还可用作生物防治剂，可制成新型的微生物杀虫剂，并用于农业生产中。因此菌体发酵工业还包括微生物杀虫剂的发酵。(二)微生物酶发酵

酶普遍存在于动物、植物和微生物中。目前工业应用的酶大多来自微生物发酵，因为微生物具有种类多、产酶品种多、生产容易和成本低等特点。微生物酶制剂有广泛的用途，多用于食品工业和轻工业中，如微生物生产的淀粉酶和糖化酶用于生产葡萄糖，氨基酰化酶用于拆分D、L-氨基酸等。(三)微生物代谢产物发酵

微生物代谢产物的种类很多，已知的有37个大类。在菌体对数生长期所产生的产物，如氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、糖类等，是菌体生长繁殖所必需的，这些产物叫做初级代谢产物。在菌体生长静止期，某些菌体能合成一些具有特定功能的产物，如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子等。这些产物与菌体生长繁殖无明显关系，叫做次级代谢产物。次级代谢产物多为低分子量化合物，但其化学结构类型多种多样，据不完全统计多达47类。其中抗生素按其结构类型相似性，可分为14类。由于抗生素不仅具有广泛的抗菌作用，而且还有抗病毒、抗癌和其他生理活性，因而得到了大力发展，已成为发酵工业的重要支柱。(四)微生物的转化发酵

微生物转化是利用微生物细胞的一种或多种酶，把一种化合物转变成结构相关的更有经济价值的产物。可进行的转化反应包括：脱氢反应、氧化反应、脱水反应、缩合反应、脱羧反应、氨化反应、脱氨反应和异构化反应等。生物转化还可用于把异丙醇转化成丙醇；甘油转化成二羟基丙酮；葡萄糖转化成葡萄糖酸，进而转化成2—酮基葡萄糖酸或5—酮基葡萄糖酸；及将山梨醇转变成L—山梨糖等。此外，微生物转化发酵还包括甾类转化。

(五)生物工程细胞的发酵

这是指利用生物工程技术所获得的细胞，如DNA重组的“工程菌”以及细胞融合所得的“杂交”细胞等进行培养的新型发酵，其产物多种多样。用基因工程菌生产的有胰岛素、干扰素、青霉素酰化酶等，用杂交瘤细胞生产的用于治疗和诊断的各种单克隆抗体等。

三、现代发酵工程的过程

(一)利用现代化的手段对微生物加以筛选和改造，以形成更符合工业生产需要的新菌种的工业微生物育种技术、其中渗透了基因工程、细胞工程的一些内容，经过改造的、满足人们需要的微生物菌种通常被称之为工程菌；的手段对微生物加以筛选和改造，以形成更符合工业生产需要的新菌种的工业微生物育种技术、其中渗透了基因工程、细胞工程的一些内容，经过改造的、满足人们需要的微生物菌种通常被称之为工程菌；

(二)微生物菌体的生产，即利用先进的生产工艺高速的对某种微生物进行大量的纯培养，即工程菌的克隆；

(三)从微生物中分离有用物质；微生物菌体的生产；(四)微生物初级和次级代谢产物的发酵生产；(五)发酵产物的分离纯化和加工后处理；

(六)利用微生物控制或参与工业生产，如采矿、冶金等；

(七)微生物生物反应器的研究开发，新型发酵装置、生物传感器和使用电子计算机控制的自动化连续发酵的技术等等。

四、发酵工程的发展现状及应用

(一)发展现状

传统的酿造食品，都是用微生物将自然食品发酵成易消化的可口食品。现代提倡的添加氨基酸、维生素的强化食品都是生物工程，特别是发酵工程带来的成果。国际上用发酵工程法或酶法已经开发并生产出了18种氨基酸，年产量接近百万吨。用淀粉酶，糖化酶和异构酶生产的高果糖浆已都进入规模化生产阶段。

我国自20世纪50代以来，在发酵工程的研究和应用方面取得了一大批瞩目的成果。如使酱油、醋、酒等传统发酵工业得到了改革和更新。还从无到有建立了抗生素、氨基酸、柠檬酸、维生素、核苷酸，微生物多糖等一系列发酵工程，并形成了完整的工业体系。我国在世界范围内首创的二步发酵生产维生素C新工艺，已在国内全面推广，并已向国外转让专利技术。我国研究开发的发酵工程产品核苷酸用于医药以及微生物无害农药，杀虫效果好，无污染。利用微生物及其代谢产物提高了石油的采收率。开发沼气发酵新工艺，为合理利用有机废弃物，变废为宝，改善环境，提高再生能源起到了重要的作用。

作为现代科学技术的发酵工程，是20世纪40年代随着抗生素发酵工业的建立而兴起的。目前，由于细胞融合，细胞固定化以及基因工程的建立，是发酵工程进入了一个崭新的发展阶段，它已经涉及到医药、食品、农业、化工、能源、冶金和环境保护等广泛的领域。

(二)应用 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。4.农业

近年来，固态发酵工艺在生物农药工业生产中的应用取得了进展。固态发酵是没有或只有少量游离水存在，在具有可以满足微生物生长代谢的一定湿度的固态营养基质中进行的微生物发酵过程。5.环境保护

近年来，利用现代发酵及分离技术对大量的农作物麸皮，、壳和秸杆以及各种果渣等有机废渣资源进行深层次的研究开发，从而获得高活性、高附加值的天然功能产品，引起了各国学者的广泛重视，其中以有机废渣为基本培养基，选择合适的微生物菌株(酵母、真菌或细菌)进行固态发酵，以获得高附加值的微生物代谢物。

五、发酵工程的发展趋势和前景

(一)发酵工程未来的发展趋向主要有以下几个大方面 ①基因工程的发展为发酵工程带来新的活力。②新型发酵设备的研制为发酵工程提供先进工具。

③大型化、连续化、自动化控制技术的应用为发酵工程的发展拓展了新空间。④强调代谢机理与调控研究，使微生物的发酵机能得到进一步开发。⑤生态型发酵工业的兴起开拓了发酵的新领域。⑥再生资源的利用给人们带来了希望。

(二)发酵工程的发展前景

发酵工程在工业上的应用具有投资少、见效快、污染小的特点，开展此项工程的应用往往是一举多得。它是未来社会经济的支柱——生物工程的重要组成部分。随着当代基因组测序国际联合行动的开展，发酵工程定会进入一个新的发展阶段。进入21世纪以来，在一些发达国家，发酵工程已经成为国民经济的重要支柱。我国地域辽阔，农副产品废弃物很多，发酵工程研究开发已取得一定的成果，加上我们已经培养出一批专业的技术队伍，因此发酵工程将会有一个新的飞跃。

参考文献

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［3］ 王福源.现代食品发酵技术［M］.北京:中国轻工业出版社，1998。［4］ 陈 琳, 赵 婷, 侯恩太, 赖智捷, 路 锋, 巩江, 倪士峰.发酵中药研究概况,Journal of Anhui Agri.Sci.2010,38(15):8274-8275 ［5］ 陈万里，赵明星，燃料乙醇产业发展综述，河南化工，2010，27。