工业生物发酵技术的发展与应用

工业微生物 chap10 微生物与现代发酵工业

2 第十章 微生物与现代发酵工业

发酵现象，具有与地球上生命体的诞生同样长的历史，有史以来就被人类所认识。几千年来，微生物一直被用来生产面包、啤酒和葡萄酒等产品。第二阶段的传统发酵技术开始于第一次世界大战期间，发展了丙酮-丁醇和甘油发酵技术。随着生物化学的进展以及对发酵机理和代谢调控理论研究的深入，发酵产品扩展到柠檬酸、苹果酸等有机酸、氨基酸、核苷酸等食品添加剂、酶制剂、维生素和抗生素等药品。在20世纪70年代初期，传统的工业微生物学与分子生物学结合起来，制造出40多种生物制药产品，例如红细胞生成素、人体生长激素、干扰素等。今天，微生物学在全球工业中扮演重要的角色，尤其在制药、食品和化学工业中，微生物是主要的参与者。

第一节 微生物发酵生产酒精

一、发酵法酒精生产的传统技术

酒精发酵是最重要的发酵工业之一。酒精是由多糖降解成可发酵性的糖后，酿酒酵母或假单

3 胞菌属细菌再将六碳糖，或是脆壁克鲁维酵母、假丝酵母等将乳糖或戊糖酵解而得到的。如果是由淀粉质原料制造酒精，先将原料蒸煮后，冷至60℃左右，加麸曲或液曲进行糖化制成糖化醪，送入发酵槽加酒母醪进行发酵，再行蒸馏出酒精。而由糖蜜发酵生产酒精时，用制备酵母醪的稀糖蜜在纯粹培养器中进行灭菌、冷却，再接种酵母菌进行发酵，最后经蒸馏产出酒精。

1. 与酒精发酵有关的微生物

由淀粉质原料发酵生产酒精，第一步将淀粉通过糖化剂的作用，转变为可发酵糖。糖化剂所用霉菌有曲霉与根霉两大类。第二步将发酵糖通过酵母菌或细菌的作用转变为酒精。

曲霉属中用于酿酒的种属主要有：米曲霉、泡盛曲霉、甘薯曲霉、宇佐美曲霉、黑曲霉NRRL330、NRRL337、臭曲霉、海枣曲霉和黑曲霉AS3.4309。

常用的根霉有鲁氏毛霉、日本根霉、东京根霉及爪哇根霉。

国外酒精工厂常用的酵母菌，以德国Lindner氏发现的RasseⅡ及RasseⅫ最为著名。我国使用淀粉质原料制造酒精的工厂所用的酵

- 1 - 微生物发酵技术

微生物发酵技术是由微生物以酶催化的方式，以生物体来进行发酵过程，将物质分解，从而获得不同物质代谢产物的一种技术。它是生物工程、食品科学、医药科学及其他相关领域应用最为广泛的技术，也是各种发酵工程中最重要的技术之一。

一、微生物发酵技术的概述

微生物发酵技术是利用微生物对原料进行代谢，以酶催化的方式，以生物体来进行发酵过程，将多种原料分解，分子重组，从而获得其他不同物质的一种技术。微生物发酵技术可以以原料为基础，利用微生物催化剂以及其他化学方法，生产各种化工产品，如酸类、糖类、醇类、酯类、脂类、酶类等，用于食品、医药、农药、生物燃料、材料等等。

二、微生物发酵技术的应用

1.食品工业：微生物发酵技术在食品工业中的应用非常广泛，最为突出的是制作发酵制品，如面包、酒、醋、啤酒、酸奶、酱油、泡菜等，以及其他一些新的发酵制品，如发酵乳、发酵米、发酵果汁等。

2.医药工业：在医药工业中，微生物发酵技术可以用于制造各种药物、抗生素、生物碱、抗体、细胞毒素、抗癌药及其他生物活性物质等。

3.其他领域：微生物发酵技术还可以用于环境污染领域，如生物处理污水、空气污染的处理等。同时，也可以用于生物燃料、酶催化合成、动物蛋白质、生物材料等行业。 - 2 - 三、微生物发酵技术的发展趋势

1.生物代谢工程技术在发展：在微生物发酵技术中，生物代谢工程技术被用来改变细菌和真菌的内部代谢，以及改良微生物体系。生物代谢工程技术可以改变微生物群落的发酵特性，并帮助制造出更多新型发酵制品，如非乙醇性饮料、豆乳、新型乳酸饮料等。

2.成本效率提高：随着技术的发展，微生物发酵技术的成本也在不断降低，从而使得发酵技术更加经济。如通过改善发酵技术，降低发酵所需设备和原料成本等，可以提高发酵产品的成本效率。

3.新型发酵技术研发：为了实现更多的发酵产品，微生物发酵技术的发展还在不断探索新的发酵技术，如改进发酵环境，结合生物信息学、生物工程等技术，研发新型发酵技术，以获取更多的有用物质。

中国生物发酵产业现状与发展趋势

摘要：生物技术又称生物工程，是指以生物学的理论和技术为基础，结合化学、机械、电子计算机等现代工程技术，定向地改造生物或其功能，再通过合适的生物反应器对这类“工程菌”或“工程细胞株”进行大规模的培养，以生产大量有用代谢产物或发挥它们独特生理功能一门新兴技术。生物工程技术广泛应用于医药、卫生、农业、林业、畜牧、渔业、轻工、食品、化工、发酵罐新技术和新底物的环保等。这种新兴行业的出现，将给人类带来深刻而又具有革命意义的影响。生物技术主要由以下几大部分组成，基因工程、细胞工程、微生物工程(如发酵工程)、酶工程（生化工程）以及生物反应器工程。其中生物发酵工程是生物工程的一个重要组成部分，微生物利用碳水化合物发酵生产各种工业溶剂和化工原料。发酵工程也是唯一能够实现生物产业化的工程，是将生命科学成果转化为生产力的重要桥梁和手段，也是推动生物工程产业化的重要基础。

关键词：产业；科技；生物工程发酵；生物发酵；

引言

近几十年来，我国生物工程发酵技术不断提高，成为了全球生物工程发酵技术强国。近年来，[1]在我国地方政府和经济政策重大调整的市场经济新形势下，全行业始终坚持以促进工业经济发展的质量与效益作为发展中心，深化以制度供给体制改革为基础和主线的体系改革和发展，以进一步深化技术创新驱动发展为引擎，加快了产品结构的调整，有力促进了我国工业经济的稳定健康地增长。

一、我国生物发酵产业的历史现状分析

（一）生物发酵产业发展的三个阶段

我国的生物发酵主要经历了三个发展阶段:一是手工加工，采用家庭或作坊式的发酵制作，传统祖先继承下来的发酵方式制造出可以进行化学发酵的产品；二是近代发酵，对发酵生产工艺进行了规范，以机器生产代替了手工操作，按照化学工程的模式处理发酵工业生产的问题，把作坊式的发酵生产成功地推上了工业化生产的水平；三是现代发酵，通过发酵工业化生产的几十年实践，人们逐步认识到发酵工业过程是一个随着时间变化的（时变的）、非线性的、多变量输入和输出的动态的生物学过程。根据发酵工程的生物学属性的认定，使发酵产业的发展有了明确的方向。

微生物代谢与发酵工程的研究及应用

微生物代谢和发酵工程是现代生物工程学中的重要组成部分，它们在食品、制药、化工、环境保护等领域发挥着重要的作用。微生物可以利用废物、廉价原料生产高价值产品，对于提高资源利用效率具有重要意义。在发酵工程领域，为了提高丰度和产量，对微生物的代谢调控研究已成为研究前沿。

一、微生物代谢

微生物代谢是指微生物内部的化学反应过程，包括物质的合成反应、分解反应和转化反应等，是微生物生长和繁殖的必要条件。代谢途径需要消耗能量，常常是从底部的有机化合物中提取能量，以ATP作为最常见的能量介质。微生物代谢通常分为两类：有氧代谢和无氧代谢。有氧代谢需要氧气参与，可以从较高浓度的底物中提取更多的能量；无氧代谢则是在没有氧气的情况下进行的，有时候甚至能够从较低浓度的底物中提取能量。

微生物代谢的研究，对于发酵工程和深层次了解微生物的生长、代谢机制、产物合成和分解，都具有非常重要的意义。通过代谢途径的调控，提高代谢产物的产率和水平，对于工业生产具有非常重要的实际意义。

二、发酵工程

发酵工程是微生物代谢的应用领域，是利用微生物进行发酵生产的工程学科。发酵工程涉及大量的学科知识，主要包括微生物学、生物化学、反应工程、传热传质、流体力学等。发酵工程的目的是通过准确的代谢途径调控，推动微生物利用废物和廉价原料进行有机合成和分解，产生高质量的产品，包括生物农药、食品添加剂、医药中间体、生物染料、工业酶、生物燃料等。发酵过程需要消耗大量的能量，通过调整温度、pH值、氧气含量、添加营养素等方式来优化代谢途径，提高产率和质量。

三、工业微生物发酵

工业微生物发酵是最为常见的发酵工程应用之一。工业微生物包括大肠杆菌、酵母、乳酸菌、青霉素等。这些菌株的发酵工艺和代谢途径都已经被深入研究。许多微生物均可以在工业规模下安全进行大规模的生产，包括工业酶、抗生素、植物生长素等。目前，发酵工程学已成为成熟的产业，微生物发酵工艺正在成为全球实现化工可持续发展的重要技术途径之一。