简述微生物发酵工程的应用

牛其东 山东技师学院

发酵工程通常又称之为微生物工程，是利用微生物的生长和代谢活动，通过现代化工技术来生产各种有用物质的一种技术。发酵工程范畴伴随现代生物技术不断升级进一步扩大和延伸。20世纪70年代以来，它已与基因重组、蛋白质工程以及细胞融合等新方法进行了紧密结合，发展成为现代微生物发酵工程。微生物发酵和工程技术的巧妙结合并广泛涉及在环境保护、医药工业、食品加工生产等许多领域。

一、发酵工程的发展历程

1.自然发酵时期 人类利用微生物代谢产物已经有几千年的历史，而人们认识发酵、研究发酵却只有200多年，“自然发生说”盛极一时，此阶段一般都是手工作坊，谈不上发酵工业。产品简单，质量不稳定。2.纯种培养时期。人们已经会利用发酵技术生产酒精、有机酸、酶制剂等，通过采用纯种培养和无菌操作技术，再加上灭菌及使用密闭发酵罐，避免了发酵时被污染的问题的同时，也提高了产品的质量，真正的发酵工业开始形成。3.深层培养时期。在那个青霉素发现的年代，由于战争造成的大量需求促进了发酵技术的发展，20世纪40年代，通过通气搅拌发酵技术，进一步推动了青霉素发酵生产技术从理论研究转化为现实，也有效推动了需氧菌的发酵生产进入了规模化工业生产阶段。4.近代发酵工程时期。以动态生物化学和微生物遗传学为基础，将微生物进行人工诱变，得到适合其生产某种产品的突变株，再在人工控制的条件下培养，既能选择性地大量生产人们所需要的物质。5.现代发酵工程时期。人类可以借助分子生物学、分子遗传学等新方法，按照自己的想法和一定的要求将一定的遗传基因进行特定搭配，从而更好地基于分子水平来培育新的物种，转化再生新的微生物，进而促进自然界微生物不能转化向着可以实现顺利合成转变。

二、 微生物发酵工程的原理及特点

发酵工程的实现通常包括三大部分，即菌种、发酵、提炼。该工程的实施和顺利实现，一方面需要基于发酵工程生物学原理进行，另一方面需要把握基本特点，不断探究微生物复杂系统运行的自然规律，从而确保有序完成。

微生物发酵技术具有以下特点：（1）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，也可在同一发酵设备生产多种发酵产品；（2）反应一般需要设定常温常压值，符合条件后方可进行操作，且操作简便，能耗少；（3）原料通常以农副产品（糖蜜、淀粉）、工业废水、可再生资源（如植物秸秆、木屑等）等为主，利于综合利用；（4）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，容易产生复杂的高分子化合物；（5）产物专一，副反应少，污染小，是较为环保的工业生产方式。

三、微生物发酵过程分类

1.按照微生物种类差异进行划分，微生物发酵过程可以分成好氧性发酵、厌氧性发酵两种类型。前者需要在发酵阶段通过一定的方式注入一定量的无菌空气，从而实现。后者在发酵阶段不需要空气供给就可以实现，比如通常见到的乳酸杆菌引起的乳酸发酵、丁醇发酵等。2.按照培养基状态的差异，可以将微生物发酵划分为固体、液体发酵两种形式；后者还可以根据操作模式的差异分成分批发酵、连续发酵以及补料分批发酵等形式。依据发酵设备应用的差异，还可以进一步细分为密闭发酵、敞口发酵、深层发酵、浅盘发酵。

四、微生物发酵常用的设备

微生物发酵常用的设备主要是生物反应器，该设备能够为微生物发酵、酶反应过程有序推进提供重要的硬件设备支持。生物反应器也俗称为发酵罐。主要有机械搅拌式、通风搅拌式、厌氧式三种模式。

五、 微生物发酵工程的应用

近年来伴随现代生物发酵技术不断升级，目前已渗透到工业、农业、矿业、化工、医药、食品、能源和环境保护等多个领域，且日益发挥着重要的功能，为推动工农业生产和国民经济水平持续提升做出了起到重要的作用。具体在应用体现在以下几个方面：

1.微生物发酵技术在医药科研事业中的应用分析。医药发酵以适宜的培养基为营养,通过微生物的生长代谢和生命活动产生丰富的次生代谢产物。药物经过发酵炮制后改变药物的原有性能 、增加或产生新的疗效、降低毒副作用等。微生物发酵应用在中药领域方面的应用，能够起到以下作用：（1）不断提升有效成分水平。微生物本身具有类型多样化、分布广泛的特征，可以应用药物中的营养成分从而为微生物生存提供重要的支持，进而促进其不断分裂、生长繁殖以及代谢和转化，所以可以通过设定一定的条件，借助微生物发酵技术，实现药物成分的有效转化，进而提升有效成分的含量，提升药用价值。（2）不断提升药材的药用水平。通过借助现代发酵工程，将微生物和中药有效成分进行进一步结合，通过酶催化过程，进一步推动药物性能不断增强，提升药效，更好地加以利用。（3）不断减少副作用等不良影响。微生物在生长代谢过程中通常会产生很多代谢产物，这些代谢产物含有丰富的营养，进而和医药药材进行结合，转化、分解，进一步降低不良毒素造成的影响，提升治疗效果。

2.微生物发酵在农业领域方面的应用。伴随生物科学理论日益完善，微生物发酵技术不断提升，将微生物发酵技术应用于农业领域，也取得了重大的研究进展，比如通过微生物发酵技术，与饲料资源进行融合，发生反应，从而制作成新的饲料资源，通过进一步生产，能够生产出优质蛋白质饲料、新型添加剂，这样就能够在饲料领域得到更广泛的应用，进一步促进饲料营养成分更加全面，有效弥补氨基酸成分不足等缺陷，从而起到增强消化、促进营养全面吸收的功效。

3.微生物发酵在食品领域的应用分析。在食品行业应用微生物发酵技术，也比较常见，也是科研的重点。在传统发酵食品行业，我们国家积累了丰富的经验，借助微生物发酵技术，主要可以在以下方面进行进一步探索：（1）微生物菌体发酵是以获得具有多种用途的微生物菌体细胞为目的的产品，包括用于面包工业的酵母发酵，单细胞蛋白，活性乳酸菌剂等。（2）微生物代谢产物，包括初级代谢产物一供菌体利用、中级和级次产物如酒类、食醋、有机酸、维生素供人们利用。（3）微生物酶发酵，借助发酵工艺制作成微生物酶，包括α-淀粉酶、β-淀粉酶、糖化酶等，从而在发酵工业领域进一步扩大应用范围。

4.微生物发酵在环境保护领域方面的应用探究。随着人类的物质文明和健康的需要，对环境要求越来越高，为了达到提高空气质量和水环境质量的要求，环境工程除用常规的处理设备和构筑物处理污废水；顺应趋势，微生物也逐渐应用到环境保护中。它与物理，化学法相比，具有经济，高效的优点，更重要的是可基本达到无害化。微生物在环境工程中处理废水，废物，废气的应用。微生物在废水处理中根据其处理过程中氧的状况，可分为好氧处理系统与厌氧处理系统。随着生命科学的发展，发酵工程的应用领域也在不断的扩大。微生物发酵与人民的吃穿息息相关，现代生物技术将成为21 世纪的朝阳产业，我们已经看到了微生物发酵工程、基因重组、细胞融合等现代生物技术的发展与应用到健康、食品、医药、工农业、环保等诸多领域。