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技術(shù)文章
發(fā)酵工程在生物工程中的位置
閱讀：634 發(fā)布時(shí)間：2011-8-3
發(fā)酵是這樣一種生物氧化方式：在沒(méi)有外源zui終電子受體的條件下，化能異養(yǎng)型微生物細(xì)胞對(duì)能源有機(jī)化合物的氧化與內(nèi)源的（已經(jīng)經(jīng)過(guò)該細(xì)胞代謝的）有機(jī)化合物的還原相耦合，一般并不發(fā)生經(jīng)包含細(xì)胞色素等的電子傳遞鏈上的電子傳遞和電子傳遞磷酸化，而是通過(guò)底物（激酶的底物）水平磷酸化來(lái)獲得代謝能ATP；能源有機(jī)化合物釋放的電子的一級(jí)電子載體NAD，以NADH的形式直接將電子交給內(nèi)源的有機(jī)電子受體而再生成NAD，同時(shí)將后者還原成發(fā)酵產(chǎn)物（不*氧化的產(chǎn)物）。
細(xì)胞中的NAD是有限的，如果作為一級(jí)電子載體的輔酶NAD不能得到再生，就不能被回用，有效的電子載體就會(huì)愈來(lái)愈少，脫氫反應(yīng)就不能持續(xù)進(jìn)行下去了。因此輔酶NAD的再生是生物氧化（包括發(fā)酵）繼續(xù)進(jìn)行下去的必要條件。（2）工業(yè)生產(chǎn)上定義的發(fā)酵——“工業(yè)發(fā)酵”工業(yè)生產(chǎn)上籠統(tǒng)地把一切依靠微生物的生命活動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的工業(yè)利用秸稈發(fā)酵制成沼氣
生產(chǎn)均稱(chēng)為“發(fā)酵”。這樣定義的發(fā)酵就是“工業(yè)發(fā)酵”。工業(yè)發(fā)酵要依靠微生物的生命活動(dòng)，生命活動(dòng)依靠生物氧化提供的代謝能來(lái)支撐，因此工業(yè)發(fā)酵應(yīng)該覆蓋微生物生理學(xué)中生物氧化的所有方式：有氧呼吸、無(wú)氧呼吸和發(fā)酵。近百年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)酵技術(shù)發(fā)生了劃時(shí)代的變革，已經(jīng)從利用自然界中原有的微生物進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)的階段進(jìn)入到，按照人的意愿改造成具有特殊性能的微生物以生產(chǎn)人類(lèi)所需要的發(fā)酵產(chǎn)品的新階段。（3）專(zhuān)業(yè)詞匯“發(fā)酵（fermentation）”“發(fā)酵”這個(gè)詞匯在生活中往往是人聯(lián)想到發(fā)面制作大餅、油條、饅頭、包子，或者聯(lián)想到食品酸敗物品霉?fàn)€。“發(fā)酵”作為專(zhuān)業(yè)詞匯其含義不但覆蓋發(fā)面制作大餅、油條、饅頭、包子，更重要的是指用發(fā)酵的手段工業(yè)化生產(chǎn)酒及酒*料、食品及食品添加劑、飼料及飼料添加劑、藥品、化工材料等等。
發(fā)酵的特點(diǎn)
發(fā)酵和其他化學(xué)工業(yè)的zui大區(qū)別在于它是生物體所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。其主要特點(diǎn)如下：1，發(fā)酵過(guò)程一般來(lái)說(shuō)都是在常溫常壓下進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)安全，要求條件也比較簡(jiǎn)單。2，發(fā)酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他農(nóng)副產(chǎn)品為主，只要加入少量的有機(jī)和無(wú)機(jī)氮源就可進(jìn)行反應(yīng)。微生物因不同的類(lèi)別可以有選擇地去利用它所需要的營(yíng)養(yǎng)?；谶@—特性，可以利用廢水和廢物等作為發(fā)酵的原料進(jìn)行生物資源的改造和更新。3，發(fā)酵過(guò)程是通過(guò)生物體的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式來(lái)完成的，反應(yīng)的專(zhuān)一性強(qiáng)，因而可以得到較為單—的代謝產(chǎn)物。4，由于生物體本身所具有的反應(yīng)機(jī)制，能夠?qū)Ｒ恍缘睾透叨冗x通風(fēng)發(fā)酵池示意圖
擇性地對(duì)某些較為復(fù)雜的化合物進(jìn)行特定部位地氧化、還原等化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)，也可以產(chǎn)生比較復(fù)雜的高分子化合物。5，發(fā)酵過(guò)程中對(duì)雜菌污染的防治至關(guān)重要。除了必須對(duì)設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格消毒處理和空氣過(guò)濾外，反應(yīng)必須在無(wú)菌條件下進(jìn)行。如果污染了雜菌，生產(chǎn)上就要遭到巨大的經(jīng)濟(jì)損失，要是感染了噬菌體，對(duì)發(fā)酵就會(huì)造成更大的危害。因而維持無(wú)菌條件是發(fā)酵成敗的關(guān)鍵。6，微生物菌種是進(jìn)行發(fā)酵的根本因素，通過(guò)變異和菌種篩選，可以獲得高產(chǎn)的優(yōu)良菌株并使生產(chǎn)設(shè)備得到充分利用，也可以因此獲得按常規(guī)方法難以生產(chǎn)的產(chǎn)品。7，工業(yè)發(fā)酵與其他工業(yè)相比，投資少，見(jiàn)效快，開(kāi)可以取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。基于以上特點(diǎn)，工業(yè)發(fā)酵日益引起人們重視。和傳統(tǒng)的發(fā)酵工藝相比，現(xiàn)代發(fā)酵工程除了上述的發(fā)酵特征之外更有其*性。除了使用微生物外，還可以用動(dòng)植物細(xì)胞和酶，也可以用人工構(gòu)建的“工程菌’來(lái)進(jìn)行反應(yīng)；反應(yīng)設(shè)備也不只是常規(guī)的發(fā)酵罐，而是以各種各樣的生物反應(yīng)器而代之，自動(dòng)化連續(xù)化程度高，使發(fā)酵水平在原有基礎(chǔ)上有所提高和和創(chuàng)新。
發(fā)酵的類(lèi)型
根據(jù)發(fā)酵的特點(diǎn)和微生物對(duì)氧的不同需要，可以將發(fā)酵味精發(fā)酵工藝生產(chǎn)流程圖
分成若干類(lèi)型：1，按發(fā)酵原料來(lái)區(qū)分：糖類(lèi)物質(zhì)發(fā)酵、石油發(fā)酵及廢水發(fā)酵等類(lèi)型。2，按發(fā)酵產(chǎn)物來(lái)區(qū)分：如氨基酸發(fā)酵、有機(jī)酸發(fā)酵、抗生素發(fā)酵、酒精發(fā)酵、維生素發(fā)酵等。3，按發(fā)酵形式來(lái)區(qū)分，則有：固態(tài)發(fā)酵和深層液體發(fā)酵。4，按發(fā)酵工藝流程區(qū)分則有：分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和流加發(fā)酵。5，按發(fā)酵過(guò)程中對(duì)氧的不同需求來(lái)分，一般可分為：厭氧發(fā)酵和通風(fēng)發(fā)酵兩大類(lèi)型。發(fā)酵工程在生物工程中的位置生物工程主要包括基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、蛋白質(zhì)工程和發(fā)酵工程等5個(gè)部分；基因工程和細(xì)胞工程的研究結(jié)果，目前大多需要通過(guò)發(fā)酵工程和酶工程來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化?；蚬こ獭⒓?xì)胞工程和發(fā)酵工程中所需要的酶，往往是通過(guò)酶工程來(lái)獲得；酶工程中酶的生產(chǎn)，一般要通過(guò)微生物發(fā)酵的方法來(lái)進(jìn)行。由此可見(jiàn)，生物工程各個(gè)分支之間存在著交叉滲透的現(xiàn)象。
細(xì)胞中的NAD是有限的，如果作為一級(jí)電子載體的輔酶NAD不能得到再生，就不能被回用，有效的電子載體就會(huì)愈來(lái)愈少，脫氫反應(yīng)就不能持續(xù)進(jìn)行下去了。因此輔酶NAD的再生是生物氧化（包括發(fā)酵）繼續(xù)進(jìn)行下去的必要條件。（2）工業(yè)生產(chǎn)上定義的發(fā)酵——“工業(yè)發(fā)酵”工業(yè)生產(chǎn)上籠統(tǒng)地把一切依靠微生物的生命活動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的工業(yè)利用秸稈發(fā)酵制成沼氣
生產(chǎn)均稱(chēng)為“發(fā)酵”。這樣定義的發(fā)酵就是“工業(yè)發(fā)酵”。工業(yè)發(fā)酵要依靠微生物的生命活動(dòng)，生命活動(dòng)依靠生物氧化提供的代謝能來(lái)支撐，因此工業(yè)發(fā)酵應(yīng)該覆蓋微生物生理學(xué)中生物氧化的所有方式：有氧呼吸、無(wú)氧呼吸和發(fā)酵。近百年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)酵技術(shù)發(fā)生了劃時(shí)代的變革，已經(jīng)從利用自然界中原有的微生物進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)的階段進(jìn)入到，按照人的意愿改造成具有特殊性能的微生物以生產(chǎn)人類(lèi)所需要的發(fā)酵產(chǎn)品的新階段。（3）專(zhuān)業(yè)詞匯“發(fā)酵（fermentation）”“發(fā)酵”這個(gè)詞匯在生活中往往是人聯(lián)想到發(fā)面制作大餅、油條、饅頭、包子，或者聯(lián)想到食品酸敗物品霉?fàn)€。“發(fā)酵”作為專(zhuān)業(yè)詞匯其含義不但覆蓋發(fā)面制作大餅、油條、饅頭、包子，更重要的是指用發(fā)酵的手段工業(yè)化生產(chǎn)酒及酒*料、食品及食品添加劑、飼料及飼料添加劑、藥品、化工材料等等。
發(fā)酵的特點(diǎn)
發(fā)酵和其他化學(xué)工業(yè)的zui大區(qū)別在于它是生物體所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。其主要特點(diǎn)如下：1，發(fā)酵過(guò)程一般來(lái)說(shuō)都是在常溫常壓下進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)安全，要求條件也比較簡(jiǎn)單。2，發(fā)酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他農(nóng)副產(chǎn)品為主，只要加入少量的有機(jī)和無(wú)機(jī)氮源就可進(jìn)行反應(yīng)。微生物因不同的類(lèi)別可以有選擇地去利用它所需要的營(yíng)養(yǎng)?；谶@—特性，可以利用廢水和廢物等作為發(fā)酵的原料進(jìn)行生物資源的改造和更新。3，發(fā)酵過(guò)程是通過(guò)生物體的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式來(lái)完成的，反應(yīng)的專(zhuān)一性強(qiáng)，因而可以得到較為單—的代謝產(chǎn)物。4，由于生物體本身所具有的反應(yīng)機(jī)制，能夠?qū)Ｒ恍缘睾透叨冗x通風(fēng)發(fā)酵池示意圖
擇性地對(duì)某些較為復(fù)雜的化合物進(jìn)行特定部位地氧化、還原等化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)，也可以產(chǎn)生比較復(fù)雜的高分子化合物。5，發(fā)酵過(guò)程中對(duì)雜菌污染的防治至關(guān)重要。除了必須對(duì)設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格消毒處理和空氣過(guò)濾外，反應(yīng)必須在無(wú)菌條件下進(jìn)行。如果污染了雜菌，生產(chǎn)上就要遭到巨大的經(jīng)濟(jì)損失，要是感染了噬菌體，對(duì)發(fā)酵就會(huì)造成更大的危害。因而維持無(wú)菌條件是發(fā)酵成敗的關(guān)鍵。6，微生物菌種是進(jìn)行發(fā)酵的根本因素，通過(guò)變異和菌種篩選，可以獲得高產(chǎn)的優(yōu)良菌株并使生產(chǎn)設(shè)備得到充分利用，也可以因此獲得按常規(guī)方法難以生產(chǎn)的產(chǎn)品。7，工業(yè)發(fā)酵與其他工業(yè)相比，投資少，見(jiàn)效快，開(kāi)可以取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。基于以上特點(diǎn)，工業(yè)發(fā)酵日益引起人們重視。和傳統(tǒng)的發(fā)酵工藝相比，現(xiàn)代發(fā)酵工程除了上述的發(fā)酵特征之外更有其*性。除了使用微生物外，還可以用動(dòng)植物細(xì)胞和酶，也可以用人工構(gòu)建的“工程菌’來(lái)進(jìn)行反應(yīng)；反應(yīng)設(shè)備也不只是常規(guī)的發(fā)酵罐，而是以各種各樣的生物反應(yīng)器而代之，自動(dòng)化連續(xù)化程度高，使發(fā)酵水平在原有基礎(chǔ)上有所提高和和創(chuàng)新。
發(fā)酵的類(lèi)型
根據(jù)發(fā)酵的特點(diǎn)和微生物對(duì)氧的不同需要，可以將發(fā)酵味精發(fā)酵工藝生產(chǎn)流程圖
分成若干類(lèi)型：1，按發(fā)酵原料來(lái)區(qū)分：糖類(lèi)物質(zhì)發(fā)酵、石油發(fā)酵及廢水發(fā)酵等類(lèi)型。2，按發(fā)酵產(chǎn)物來(lái)區(qū)分：如氨基酸發(fā)酵、有機(jī)酸發(fā)酵、抗生素發(fā)酵、酒精發(fā)酵、維生素發(fā)酵等。3，按發(fā)酵形式來(lái)區(qū)分，則有：固態(tài)發(fā)酵和深層液體發(fā)酵。4，按發(fā)酵工藝流程區(qū)分則有：分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和流加發(fā)酵。5，按發(fā)酵過(guò)程中對(duì)氧的不同需求來(lái)分，一般可分為：厭氧發(fā)酵和通風(fēng)發(fā)酵兩大類(lèi)型。發(fā)酵工程在生物工程中的位置生物工程主要包括基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、蛋白質(zhì)工程和發(fā)酵工程等5個(gè)部分；基因工程和細(xì)胞工程的研究結(jié)果，目前大多需要通過(guò)發(fā)酵工程和酶工程來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化?；蚬こ獭⒓?xì)胞工程和發(fā)酵工程中所需要的酶，往往是通過(guò)酶工程來(lái)獲得；酶工程中酶的生產(chǎn)，一般要通過(guò)微生物發(fā)酵的方法來(lái)進(jìn)行。由此可見(jiàn)，生物工程各個(gè)分支之間存在著交叉滲透的現(xiàn)象。