微生物发酵技术

时间:2014-10-28 15:43 点击:
    微生物发酵技术以现代发酵技术为核心,利用微生物的代谢活动过程,经生物转化而大规模地制造各种工业发酵产品,已经形成了一个品种繁多、门类齐全的独立工业体系,在国民经济中占有重要地位。

     工业发酵是指靠微生物的生命活动而实现的工业生产。

    工业生产上笼统地把一切依靠微生物的生命活动而实现的工业生产均称为发酵。这样定义的发酵就是“工业发酵”。 微生物是工业发酵的灵魂,没有微生物就没有工业发酵。

    工业发酵就是通过微生物的生命活动,把发酵原料转化为人类所需要的微生物产品的过程。

    工业发酵要依靠微生物的生命活动,生命活动依靠生物氧化提供的代谢能(metabolic energy)来支撑,因此工业发酵应该覆盖微生物生理学中生物氧化的所有方式:有氧呼吸、无氧呼吸和发酵。

      近百年来,随着科学技术的进步,工业发酵发生了划时代的变革,已经从利用自然界中原有的微生物进行发酵生产的阶段进入到按照人的意愿改造成具有特殊性能的微生物以生产人类所需要的发酵产品的新阶段。

(1)工业发酵的研究从典型的工业发酵开始

    最常见的工业发酵一般符合以下三个条件:
     ①        使用的菌种属于化能异养型微生物,
     ②        目的产物属于初级代谢产物或能量代谢副产物,
     ③        目的产物在细胞内生成后被分泌到细胞外。
    符合以上条件的工业发酵叫做典型的工业发酵。
    对工业发酵理论的研究从典型的工业发酵开始。
    第一个台阶,系统地研究化能异养型微生物的工业发酵的理论;
    第二个台阶,系统地研究其他营养类型微生物的工业发酵的理论;
    第三个台阶,系统地研究微生物利用碳以外元素工业发酵的理论。

(2)工业发酵理论

    第一个台阶的研究建立了微生物生命活动的三个基本假设(发酵学三假说)。它们是改造和利用微生物的理论基础。用这三个基本假设来分析典型的工业发酵,出现了:
① 工业发酵的微生物生物机器的新思路,
② 为工业生产服务的工业发酵若干推理,
③ 工业微生物育种和发酵工艺控制的“五字策略”。

(3)研究工业发酵的思路

    工业发酵→【从一般到特殊】→典型的工业发酵→【从特殊到一般】→生物机器、细胞机器的概念模式→【深入研究以发现自然规律】→自然规律(微生物生命活动的三个基本假说)→【从一般到特殊:将自然规律运用到典型的工业发酵】→细胞机器亚稳态物流模式→载流路径→五段式→五字策略→【从特殊到一般】→对未来发酵工业生产的预测
涉及微生物细胞的生长和繁殖的每一个“动作”,包括细胞内的有机物降解的启动,生物合成的启动和持续,主动运输,pH自动动态平衡等都需要代谢能支持,维持细胞的生命也需要代谢能的支撑。

        而微生物细胞的物质代谢和能量代谢是依靠代谢网络来实现的。化合物在代谢网络中流动,形成代谢流。工业发酵中,原料代谢流在细胞机器中经过一系列途径转化成为目的产物。在这个基础上,发酵学的第二假说提出了,代谢途径和输送系统在代谢物分子水平上整合,在辅因子水平上协调,形成横跨微生物活细胞内外的代谢网络。这个代谢网络不是生化途径和跨膜输送过程简单连接,而是要将生物化学概念纳入细胞代谢的总体框架。书里研究的主要是有机物(碳元素)在酶和蛋白质层面上的代谢网络。研究发现,对于兼性厌氧微生物来说,不但需氧与缺氧时代谢网络有明显差异,而且在不同的培养条件下生存时,其代谢网络也是有差异的。例如:有氧生长的代谢是在以TCA环为骨架的中心板块的基础上构建,缺氧生长时,则是在以TCA在OAA处的分叉途径为骨架的中心板块的基础上构建的。

        其实,微生物生命活动可分为4个层次:DNA层次,蛋白质层次,物流层次,微生物细胞层次,它们之间需要逐级激活。代谢网络是无尺度的,微生物细胞机器的工作模式把细胞机器运行阶段的载流路径描写成由向心途径,中心途径和离心途径三者依次首尾衔接而贯通的一条“通道”。作为代谢网络假说,基于工业发酵是可以操作的,它可以预测开拓新产品和新原料的可行性。

        结构决定功能。水平上实现的,其台阶的方向是尽可能高效利用营养,实现最大生长。真核生物细胞内原核生物没有核,因此DNA接受来自细胞质的调节信号,从而蛋白质合成的开关控制是在转录被膜分隔成不同空间,为合成代谢和分解代谢分开进行和分开调节提供可能性。大肠杆菌乳糖操纵子是控制乳糖降解途径的酶系的操纵子。转录开始的负控制和正控制分别能够促进转录——决定合成的酶的水平和阻止转录——防止葡萄糖与乳糖并存时的浪费。另外,微生物代谢途径中的抑制和激活的调节模式,途径的诱导和阻遏的调节模式, 这些微生物自身非常“聪明”的自动调节,令它们更好地适应生存。这是不以人的主观意志为转移的,正如第三假说“细胞经济假说”所言,微生物细胞是在物竞天择中形成的经济体系,是微生物细胞生存的保障体系,为细胞的适应性,经济性和代谢持续性提供保障。

        这样看来,微生物细胞与独立经营自负盈亏的企业有相同的特点,非常生动。3个假说分别从能量,物质和信息等3个角度支撑发酵工业“细胞机器”正常运转。3个假说也逐渐深入地揭示了微生物在发酵工业中好好“工作”的道理。既然微生物活细胞是发酵生产线上不可或缺的微生物生物机器,是储存了生物信息的自主的细胞机器,我们就要增加和微生物细胞的“对话”,发挥主观能动性,遵循并利用固有的运行规律(自然规律),处理好发酵中人与微生物的对立统一关系,促成合作,获得效益。

    微生物发酵过程即微生物反应过程,是指由微生物在生长繁殖过程中所引起的生化反应过程。

      根据微生物的种类不同(好氧、厌氧、兼性厌氧),可以分为好氧性发酵和厌氧性发酵两大类。
(1)好氧性发酵 在发酵过程中需要不断地通人一定量的无菌空气,如利用黑曲霉进行柠檬酸发酵、利用棒状杆菌进行谷氨酸发酵、利用黄单抱菌进行多糖发酵等等。
(2)厌氧性发酵 在发酵时不需要供给空气,如乳酸杆菌引起的乳酸发酵、梭状芽抱杆菌引起的丙酮、丁醇发酵等。
(3)兼性发酵 酵母菌是兼性厌氧微生物,它在缺氧条件下进行厌气性发酵积累酒精,而在有氧即通气条件下则进行好氧性发酵,大量繁殖菌体细胞。
        按照设备来分,发酵又可分为敞口发酵、密闭发酵、浅盘发酵和深层发酵。
     一般敞口发酵应用于繁殖快并进行好氧发酵的类型,如酵母生产,由于其菌体迅速而大量繁殖,可抑制其他杂菌生长。所以敞口发酵设备要求简单。相反,密闭发酵是在密闭的设备内进行,所以设备要求严格,工艺也较复杂。浅盘发酵(表面培养法)是利用浅盘仅装一薄层培养液,接人菌种后进行表面培养,在液体上面形成一层菌膜。在缺乏通气设备时,对一些繁殖快的好氧性微生物可利用此法。深层发酵法是指在液体培养基内部(不仅仅在表面)进行的微生物培养过程。
       液体深层发酵是在青霉素等抗生素的生产中发展起来的技术。同其他发酵方法相比,它具有很多优点:
①液体悬浮状态是很多微生物的最适生长环境。
②在液体中,菌体及营养物、产物(包括热量)易于扩散,使发酵可在均质或拟均质条件下进行,便于控制,易于扩大生产规模。
③液体输送方便,易于机械化操作。
④厂房面积小,生产效率高,易进行自动化控制,产品质量稳定。
⑤产品易于提取、精制等。因而液体深层发酵在发酵工业中被广泛应用

工业生产常用微生物

   微生物资源非常丰富,广布于土壤、水和空气中,尤以土壤中为最多。有的微生物从自然界中分离出来就能够被利用,有的需要对分离到的野生菌株进行人工诱变,得到突变株才能被利用。当前发酵工业所用菌种的总趋势是从野生菌转向变异菌,从自然选育转向代谢控制育种,从诱发基因突变转向基因重组的定向育种。工业生产上常用的微生物主要是细菌、放线菌、酵母菌和霉菌,由于发酵工程本身的发展以及遗传工程的介人,藻类、病毒等也正在逐步地变为工业生产用的微生物。其他微生物有担子菌、 藻类。

【EM】菌  微生物发酵技术常用菌
 
    微生物发酵常因菌种和产品不同而有所不同,但一般过程都基本相同,通常包括菌种制备、原料处理、接种培养、发酵控制和产品提取等环节。

1.菌种制备

    菌种是发酵工业之母,没有菌种,就谈不上微生物发酵。菌种一般分保藏菌种、摇瓶(茄子瓶等)菌种和种子罐菌种。保藏菌种是发酵生产的备用菌种,一般放在低温干燥状态下保存。保藏菌种进入生产接种之前,首先接入斜面进行活化,使菌种从休眠状态转为正常代谢状态。用于活化的培养基一般营养丰富、易于吸收,有利于菌种的生长
繁殖。活化后的菌种再进行扩大,将其接人摇瓶(茄子瓶等)中进行培养,此时所用的培养基比保藏菌种用培养基更粗放,更经济。摇瓶种子进一步扩大,接人种子罐进行培养。种子罐培养基比较接近发酵罐所用培养基成分,目的是让菌种进一步适应发酵培养基的环境。种子罐种子培养好以后可适时进行大罐(通风曲室)接种。

2.原料处理

    发酵原料来源丰富,成分粗放,状态不一,通常不能直接为微生物所利用,因而要进行预处理,才能作为微生物发酵用的培养基的成分。发酵原料一般要经过筛选、粉碎、蒸煮或水解后,再加上其他有关物质配制成发酵培养基。

3.接种培养

    发酵培养基配制好以后,进行灭菌。待其冷却后,适时进行接种。接种要保证在无菌条件下进行,以防污染。无菌接种是发酵成败的关键。

4.发酵控制

    菌种接好后,提供必要的生长条件,菌体开始生长繁殖,进行新陈代谢,发酵累积代谢产物。必要的生产条件包括培养温度、氧气需求、PH指标、营养成分补充和泡沫消除等。所有这些条件要经常观察、记录、分析、改进,以保证发酵生产正常进行。在发酵过程中,还要经常观察菌体的形态变化,测定代谢产物的积累情况,以决定放罐的最佳时间,进行收获。

5.产品提取

    发酵过程一旦完成,及时进行产品提取。根据不同的产品,采取不同的方法进行分离纯化,以求获得最高的产量和最好的质量。提取的方法一般有物理法(如过滤、离心、干燥等)、化学法(吸附、蒸馏、层析、离子交换等)和生物法等
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