發酵工程復習?一、發酵工程概述（一）發酵工程的定義發酵工程是指采用現代工程技術手段，利用微生物的某些特定功能，為人類生產有用的產品，或直接把微生物應用于工業生產過程的一種新技術。它涉及微生物學、生物化學、化學工程、基因工程等多個學科領域，通過對微生物細胞的代謝活動進行調控和優化，實現目標產物的高效合成與生產。

（二）發酵工程的發展歷程1.傳統發酵階段早在幾千年前，人類就開始利用微生物進行發酵生產，如釀酒、制醋、制作面包等。這些傳統發酵過程主要基于經驗，對微生物的認識較為有限。2.近代發酵工程階段19世紀，巴斯德奠定了微生物學的基礎，揭示了發酵的本質是微生物的代謝活動。隨后，科赫等科學家進一步完善了微生物的分離培養技術，為發酵工程的發展提供了理論和技術支持。20世紀初，隨著工業生產的需求增加，發酵技術逐漸從傳統的作坊式生產向工業化生產轉變。采用純種培養技術，使發酵過程更加可控，產量和質量得到提高。3.現代發酵工程階段20世紀中葉以后，隨著分子生物學、基因工程等學科的飛速發展，發酵工程進入了現代階段。基因工程技術的應用，使得人們能夠對微生物進行定向改造，構建具有特定功能的工程菌，從而生產出各種高附加值的產品，如胰島素、干擾素、單克隆抗體等。同時，發酵工程的工藝和設備也不斷改進和創新，實現了發酵過程的自動化、連續化和智能化控制，大大提高了生產效率和產品質量。

二、發酵工程的基本原理（一）微生物的代謝1.微生物的代謝類型微生物的代謝類型多種多樣，包括光能自養型、光能異養型、化能自養型和化能異養型等。其中，化能異養型微生物是發酵工程中最常用的類型，它們利用有機化合物作為碳源和能源，通過分解代謝和合成代謝來維持生命活動。2.分解代謝分解代謝是指微生物將復雜的有機物質分解為簡單的小分子物質，并釋放出能量的過程。常見的分解代謝途徑包括糖酵解、三羧酸循環、磷酸戊糖途徑等。這些途徑在不同的微生物中可能存在差異，但它們的核心功能都是將有機物質逐步氧化分解，產生能量和中間代謝產物。3.合成代謝合成代謝是指微生物利用分解代謝產生的能量和中間代謝產物，合成細胞物質和代謝產物的過程。合成代謝需要消耗能量，并通過一系列的酶促反應將小分子物質轉化為大分子物質，如蛋白質、核酸、多糖等。在發酵工程中，我們關注的是微生物合成目標產物的過程，通過調控發酵條件和微生物代謝途徑，提高目標產物的產量。

（二）發酵類型1.根據發酵產物分類酒精發酵：主要由酵母菌進行，將葡萄糖等糖類發酵生成酒精和二氧化碳。酒精發酵在釀酒工業中具有重要應用。乳酸發酵：乳酸菌可將糖類發酵生成乳酸。乳酸發酵廣泛應用于食品工業，如酸奶、泡菜的制作。氨基酸發酵：利用微生物發酵生產各種氨基酸，如谷氨酸發酵生產味精。抗生素發酵：許多抗生素如青霉素、鏈霉素等都是通過微生物發酵生產的。2.根據發酵過程中對氧的需求分類好氧發酵：在發酵過程中需要不斷通入氧氣，以滿足微生物生長和代謝的需要。如檸檬酸發酵、谷氨酸發酵等。厭氧發酵：發酵過程中不需要氧氣，微生物在無氧條件下進行代謝。如酒精發酵、乳酸發酵等。兼性厭氧發酵：微生物既能在有氧條件下生長，也能在無氧條件下生長。如酵母菌在有氧時進行有氧呼吸，大量繁殖；在無氧時進行酒精發酵。

三、發酵工程的主要環節（一）菌種的選育1.自然選育從自然界中分離篩選出具有優良性能的微生物菌株。通過采集不同環境樣品，如土壤、水體、空氣等，利用特定的培養基和培養條件，富集和分離出目標微生物。然后通過初篩和復篩，篩選出高產、穩定的菌株。2.誘變育種利用物理或化學因素處理微生物細胞，使其發生基因突變，從而獲得具有優良性狀的突變株。常用的物理誘變劑有紫外線、X射線、γ射線等；化學誘變劑有亞硝酸、硫酸二乙酯等。誘變育種可以提高菌種的突變頻率，擴大變異范圍，但突變具有隨機性和不定向性，需要進行大量的篩選工作。3.基因工程育種基因工程技術為菌種選育提供了更為精準和高效的手段。通過基因克隆、表達載體構建、宿主細胞轉化等步驟，將外源基因導入目標微生物中，使其獲得新的功能或提高原有功能的表達水平。例如，將編碼某種酶的基因導入微生物中，使其能夠高效合成該酶，從而提高發酵產物的產量。

（二）培養基的配制1.培養基的成分碳源：為微生物提供能量和碳骨架，常用的碳源有葡萄糖、蔗糖、淀粉等。氮源：用于合成微生物細胞中的蛋白質、核酸等含氮物質，常見的氮源有銨鹽、硝酸鹽、蛋白質水解物等。無機鹽：提供微生物生長所需的各種礦物質元素，如磷、鉀、鎂、鐵等。生長因子：一些微生物自身不能合成或合成量不足的有機化合物，如維生素、氨基酸等，需要在培養基中添加。水：是微生物生長必不可少的物質，同時也是許多化學反應的溶劑。2.培養基的類型天然培養基：利用天然物質如牛肉膏、蛋白胨、酵母提取物等配制而成。天然培養基營養豐富，適合多種微生物的生長，但成分復雜，質量不穩定。合成培養基：由化學成分明確的物質配制而成，成分精確，重復性好，但營養成分相對單一。半合成培養基：結合了天然培養基和合成培養基的優點，含有部分天然成分和部分已知化學成分的物質，是發酵工業中常用的培養基類型。

（三）發酵條件的控制1.溫度溫度對微生物的生長和代謝有重要影響。不同的微生物有其最適生長溫度范圍，在發酵過程中需要將溫度控制在適宜的水平。一般來說，嗜溫微生物的最適生長溫度為2540℃，嗜熱微生物的最適生長溫度可高達5080℃。溫度過高會導致微生物細胞內的酶失活，代謝停止；溫度過低則會使微生物生長緩慢，發酵周期延長。2.pH值pH值影響微生物細胞膜的通透性、酶的活性和代謝途徑。不同的微生物對pH值的要求不同，大多數細菌適宜在中性或微堿性環境中生長，霉菌和酵母菌適宜在酸性環境中生長。在發酵過程中，需要通過添加酸或堿來調節發酵液的pH值，使其保持在適宜的范圍內。3.溶解氧對于好氧發酵，溶解氧是影響微生物生長和代謝的關鍵因素之一。通過攪拌、通氣等方式向發酵罐中提供充足的氧氣，以滿足微生物的呼吸需求。溶解氧的濃度過高或過低都會對發酵產生不利影響，過高可能導致泡沫增多、能耗增加，過低則會使微生物生長受限，產物合成減少。4.泡沫發酵過程中產生的泡沫會影響發酵罐的裝料系數，增加染菌的機會，還可能導致發酵液溢出。因此，需要采取措施控制泡沫的產生，如添加消泡劑、采用機械消泡裝置等。

（四）發酵過程的監測與控制1.參數監測在發酵過程中，需要實時監測各種參數，如溫度、pH值、溶解氧、罐壓、發酵液濃度等。通過傳感器將這些參數信號傳輸到控制系統，以便及時了解發酵過程的狀態。2.反饋控制根據監測到的參數，控制系統能夠自動調節發酵條件，使其保持在設定的范圍內。例如，當發酵液的pH值下降時，控制系統會自動添加堿液進行調節；當溶解氧濃度降低時，會增加通氣量或攪拌速度。通過反饋控制，可以實現發酵過程的自動化和優化，提高發酵效率和產品質量。

（五）發酵產物的分離與提取1.過濾發酵結束后，首先通過過濾將發酵液中的固體雜質（如微生物細胞、菌絲體等）與液體分離。常用的過濾方法有常壓過濾、加壓過濾和真空過濾等。2.離心對于一些難以過濾的發酵液，可以采用離心的方法進一步分離固體和液體。離心分離是利用離心力的作用，使固體顆粒沉降到離心管底部，從而實現固液分離。3.萃取萃取是利用溶質在互不相溶的兩種溶劑中的溶解度差異，將溶質從一種溶劑轉移到另一種溶劑中的過程。在發酵產物的分離中，常用有機溶劑萃取發酵液中的目標產物。4.蒸餾蒸餾是利用液體混合物中各組分沸點的差異，將其分離的方法。對于一些揮發性的發酵產物，如酒精等，可以采用蒸餾的方法進行提純。5.離子交換離子交換是利用離子交換樹脂與溶液中的離子進行交換反應，從而分離和提純目標產物的方法。離子交換樹脂具有特定的離子交換基團，能夠選擇性地吸附和交換溶液中的離子。6.色譜分離色譜分離技術是一種高效的分離方法，包括柱色譜、高效液相色譜等。它利用不同物質在固定相和流動相之間的分配系數差異，實現對混合物的分離和分析。在發酵產物的分離中，色譜分離技術可以用于純化一些高純度的生物活性物質。

四、發酵工程的應用（一）食品工業1.酒類釀造啤酒、葡萄酒、白酒等酒類產品都是通過發酵工程生產的。酵母菌在無氧條件下將糖類發酵生成酒精，同時產生各種風味物質，賦予酒類獨特的口感和香氣。2.調味品生產醬油、醋、味精等調味品的生產離不開發酵工程。例如，醬油是由米曲霉等微生物發酵大豆、小麥等原料制成，醋是由醋酸菌發酵酒精或糖類產生醋酸。3.乳制品加工酸奶、奶酪等乳制品的發酵過程利用了乳酸菌等微生物。乳酸菌將牛奶中的乳糖發酵生成乳酸，使牛奶變酸并形成獨特的質地和風味。

（二）醫藥工業1.抗生素生產抗生素是發酵工程在醫藥領域的重要應用之一。如青霉素、鏈霉素、紅霉素等抗生素都是通過微生物發酵大量生產的，為人類的健康提供了有力保障。2.生物制藥利用基因工程技術構建工程菌，生產各種生物藥物，如胰島素、干擾素、生長激素、單克隆抗體等。這些生物藥物具有高效、低毒等優點，在疾病的診斷、治療和預防方面發揮著重要作用。

（三）生物能源1.乙醇發酵利用微生物發酵糖類等原料生產乙醇，乙醇可以作為生物燃料替代部分化石燃料，減少對環境的污染。常用的發酵原料有玉米、甘蔗、木薯等。2.生物柴油通過微生物發酵油脂或利用微生物代謝產物合成生物柴油的前體物質，經過進一步加工制成生物柴油。生物柴油具有可再生、環保等特點，是一種有潛力的替代能源。

（四）環境保護1.污水處理利用微生物的代謝作用，將污水中的有機污染物分解為無害的物質。例如，活性污泥法、生物膜法等污水處理工藝都是基于微生物的發酵原理，通過微生物的生長繁殖和代謝活動，去除污水中的有機物、氮、磷等污染物。2.環境修復一些微生物能夠降解土壤和水體中的有害物質，如石油、農藥、重金屬等。利用這些微生物進行環境修復，可以恢復受污染環境的生態功能。

五、發酵工程的發展趨勢（一）基因工程與合成生物學的深度融合隨著基因編輯技術和合成生物學的不斷發展，將能夠更加精準地設計和構建微生物細胞工廠，實現目標產物的高效合成。通過合成生物學方法，可以重新設計微生物的代謝途徑，引入新的基因元件，優化基因表達調控，從而提高發酵產物的產量和質量，拓展發酵工程的應用范圍。

（二）發酵過程的智能化控制利用先進的傳感器技術、數據分析技術和人工智能算法，實現發酵過程的實時監測、優化控制和故障診斷。智能化控制系統能夠根據發酵過程中的各種參數變化，自動調整發酵條件，使發酵過程始終處于最佳狀態，提高發酵效率和產品質量的穩定性。

（三）新型發酵技術的不斷涌現如固態發酵、連續發酵、固定化細胞發酵等新型發酵技術將得到更廣泛的應用和發展。這些新型發酵技術具有獨特的優勢，如固態發酵可以減少培養基的用量，降低生產成本，同時有利于產物的分離提取；連續發酵能夠實現發酵過程的連續化生產，提高生產效率。

（四）發酵工程與其他學科的交叉融合發酵工程將與材料科學、醫學、農業等學科深度交叉融合，開發出更多具有創新性的產品和應用。例如，利用發酵工程技術生產生物可降解材料、開發新型疫苗和生物肥料等，為解決全球性問題提供新的途徑和方法。

六、復習要點總結（一）重點概念1.發酵工程2.微生物代謝3.發酵類型4.菌種選育方法5.培養基成分與類型6.發酵條件控制7.發酵產物分離提取方法

（二）重點知識1.微生物代謝途徑（糖酵解、三羧酸循環、磷酸戊糖途徑等）2.不同發酵類型的特點及應用3.菌種選育的原理和方法4.培養基的配制原則和方法5.發酵條件對微生物生長和代謝的影響6.發酵過程監測與控制的方法和原理