發(fā)酵工程復(fù)習(xí)?一、發(fā)酵工程概述（一）發(fā)酵工程的定義發(fā)酵工程是指采用現(xiàn)代工程技術(shù)手段，利用微生物的某些特定功能，為人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品，或直接把微生物應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程的一種新技術(shù)。它涉及微生物學(xué)、生物化學(xué)、化學(xué)工程、基因工程等多個學(xué)科領(lǐng)域，通過對微生物細(xì)胞的代謝活動進(jìn)行調(diào)控和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物的高效合成與生產(chǎn)。

（二）發(fā)酵工程的發(fā)展歷程1.傳統(tǒng)發(fā)酵階段早在幾千年前，人類就開始利用微生物進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)，如釀酒、制醋、制作面包等。這些傳統(tǒng)發(fā)酵過程主要基于經(jīng)驗(yàn)，對微生物的認(rèn)識較為有限。2.近代發(fā)酵工程階段19世紀(jì)，巴斯德奠定了微生物學(xué)的基礎(chǔ)，揭示了發(fā)酵的本質(zhì)是微生物的代謝活動。隨后，科赫等科學(xué)家進(jìn)一步完善了微生物的分離培養(yǎng)技術(shù)，為發(fā)酵工程的發(fā)展提供了理論和技術(shù)支持。20世紀(jì)初，隨著工業(yè)生產(chǎn)的需求增加，發(fā)酵技術(shù)逐漸從傳統(tǒng)的作坊式生產(chǎn)向工業(yè)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變。采用純種培養(yǎng)技術(shù)，使發(fā)酵過程更加可控，產(chǎn)量和質(zhì)量得到提高。3.現(xiàn)代發(fā)酵工程階段20世紀(jì)中葉以后，隨著分子生物學(xué)、基因工程等學(xué)科的飛速發(fā)展，發(fā)酵工程進(jìn)入了現(xiàn)代階段?；蚬こ碳夹g(shù)的應(yīng)用，使得人們能夠?qū)ξ⑸镞M(jìn)行定向改造，構(gòu)建具有特定功能的工程菌，從而生產(chǎn)出各種高附加值的產(chǎn)品，如胰島素、干擾素、單克隆抗體等。同時，發(fā)酵工程的工藝和設(shè)備也不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵過程的自動化、連續(xù)化和智能化控制，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

二、發(fā)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(yǎng)型、光能異養(yǎng)型、化能自養(yǎng)型和化能異養(yǎng)型等。其中，化能異養(yǎng)型微生物是發(fā)酵工程中最常用的類型，它們利用有機(jī)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(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)分解為簡單的小分子物質(zhì)，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(huán)、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(jī)物質(zhì)逐步氧化分解，產(chǎn)生能量和中間代謝產(chǎn)物。3.合成代謝合成代謝是指微生物利用分解代謝產(chǎn)生的能量和中間代謝產(chǎn)物，合成細(xì)胞物質(zhì)和代謝產(chǎn)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(yīng)將小分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為大分子物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、核酸、多糖等。在發(fā)酵工程中，我們關(guān)注的是微生物合成目標(biāo)產(chǎn)物的過程，通過調(diào)控發(fā)酵條件和微生物代謝途徑，提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量。

（二）發(fā)酵類型1.根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)物分類酒精發(fā)酵：主要由酵母菌進(jìn)行，將葡萄糖等糖類發(fā)酵生成酒精和二氧化碳。酒精發(fā)酵在釀酒工業(yè)中具有重要應(yīng)用。乳酸發(fā)酵：乳酸菌可將糖類發(fā)酵生成乳酸。乳酸發(fā)酵廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)，如酸奶、泡菜的制作。氨基酸發(fā)酵：利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)各種氨基酸，如谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)味精?？股匕l(fā)酵：許多抗生素如青霉素、鏈霉素等都是通過微生物發(fā)酵生產(chǎn)的。2.根據(jù)發(fā)酵過程中對氧的需求分類好氧發(fā)酵：在發(fā)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(fā)酵、谷氨酸發(fā)酵等。厭氧發(fā)酵：發(fā)酵過程中不需要氧氣，微生物在無氧條件下進(jìn)行代謝。如酒精發(fā)酵、乳酸發(fā)酵等。兼性厭氧發(fā)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(jìn)行有氧呼吸，大量繁殖；在無氧時進(jìn)行酒精發(fā)酵。

三、發(fā)酵工程的主要環(huán)節(jié)（一）菌種的選育1.自然選育從自然界中分離篩選出具有優(yōu)良性能的微生物菌株。通過采集不同環(huán)境樣品，如土壤、水體、空氣等，利用特定的培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件，富集和分離出目標(biāo)微生物。然后通過初篩和復(fù)篩，篩選出高產(chǎn)、穩(wěn)定的菌株。2.誘變育種利用物理或化學(xué)因素處理微生物細(xì)胞，使其發(fā)生基因突變，從而獲得具有優(yōu)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(xué)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(kuò)大變異范圍，但突變具有隨機(jī)性和不定向性，需要進(jìn)行大量的篩選工作。3.基因工程育種基因工程技術(shù)為菌種選育提供了更為精準(zhǔn)和高效的手段。通過基因克隆、表達(dá)載體構(gòu)建、宿主細(xì)胞轉(zhuǎn)化等步驟，將外源基因?qū)肽繕?biāo)微生物中，使其獲得新的功能或提高原有功能的表達(dá)水平。例如，將編碼某種酶的基因?qū)胛⑸镏?，使其能夠高效合成該酶，從而提高發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量。

（二）培養(yǎng)基的配制1.培養(yǎng)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(xì)胞中的蛋白質(zhì)、核酸等含氮物質(zhì)，常見的氮源有銨鹽、硝酸鹽、蛋白質(zhì)水解物等。無機(jī)鹽：提供微生物生長所需的各種礦物質(zhì)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(jī)化合物，如維生素、氨基酸等，需要在培養(yǎng)基中添加。水：是微生物生長必不可少的物質(zhì)，同時也是許多化學(xué)反應(yīng)的溶劑。2.培養(yǎng)基的類型天然培養(yǎng)基：利用天然物質(zhì)如牛肉膏、蛋白胨、酵母提取物等配制而成。天然培養(yǎng)基營養(yǎng)豐富，適合多種微生物的生長，但成分復(fù)雜，質(zhì)量不穩(wěn)定。合成培養(yǎng)基：由化學(xué)成分明確的物質(zhì)配制而成，成分精確，重復(fù)性好，但營養(yǎng)成分相對單一。半合成培養(yǎng)基：結(jié)合了天然培養(yǎng)基和合成培養(yǎng)基的優(yōu)點(diǎn)，含有部分天然成分和部分已知化學(xué)成分的物質(zhì)，是發(fā)酵工業(yè)中常用的培養(yǎng)基類型。

（三）發(fā)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(fā)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(dá)5080℃。溫度過高會導(dǎo)致微生物細(xì)胞內(nèi)的酶失活，代謝停止；溫度過低則會使微生物生長緩慢，發(fā)酵周期延長。2.pH值pH值影響微生物細(xì)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(shù)細(xì)菌適宜在中性或微堿性環(huán)境中生長，霉菌和酵母菌適宜在酸性環(huán)境中生長。在發(fā)酵過程中，需要通過添加酸或堿來調(diào)節(jié)發(fā)酵液的pH值，使其保持在適宜的范圍內(nèi)。3.溶解氧對于好氧發(fā)酵，溶解氧是影響微生物生長和代謝的關(guān)鍵因素之一。通過攪拌、通氣等方式向發(fā)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(fā)酵產(chǎn)生不利影響，過高可能導(dǎo)致泡沫增多、能耗增加，過低則會使微生物生長受限，產(chǎn)物合成減少。4.泡沫發(fā)酵過程中產(chǎn)生的泡沫會影響發(fā)酵罐的裝料系數(shù)，增加染菌的機(jī)會，還可能導(dǎo)致發(fā)酵液溢出。因此，需要采取措施控制泡沫的產(chǎn)生，如添加消泡劑、采用機(jī)械消泡裝置等。

（四）發(fā)酵過程的監(jiān)測與控制1.參數(shù)監(jiān)測在發(fā)酵過程中，需要實(shí)時監(jiān)測各種參數(shù)，如溫度、pH值、溶解氧、罐壓、發(fā)酵液濃度等。通過傳感器將這些參數(shù)信號傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，以便及時了解發(fā)酵過程的狀態(tài)。2.反饋控制根據(jù)監(jiān)測到的參數(shù)，控制系統(tǒng)能夠自動調(diào)節(jié)發(fā)酵條件，使其保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。例如，當(dāng)發(fā)酵液的pH值下降時，控制系統(tǒng)會自動添加堿液進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)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(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程的自動化和優(yōu)化，提高發(fā)酵效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

（五）發(fā)酵產(chǎn)物的分離與提取1.過濾發(fā)酵結(jié)束后，首先通過過濾將發(fā)酵液中的固體雜質(zhì)（如微生物細(xì)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(fā)酵液，可以采用離心的方法進(jìn)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(shí)現(xiàn)固液分離。3.萃取萃取是利用溶質(zhì)在互不相溶的兩種溶劑中的溶解度差異，將溶質(zhì)從一種溶劑轉(zhuǎn)移到另一種溶劑中的過程。在發(fā)酵產(chǎn)物的分離中，常用有機(jī)溶劑萃取發(fā)酵液中的目標(biāo)產(chǎn)物。4.蒸餾蒸餾是利用液體混合物中各組分沸點(diǎn)的差異，將其分離的方法。對于一些揮發(fā)性的發(fā)酵產(chǎn)物，如酒精等，可以采用蒸餾的方法進(jìn)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(jìn)行交換反應(yīng)，從而分離和提純目標(biāo)產(chǎn)物的方法。離子交換樹脂具有特定的離子交換基團(tuán)，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(shù)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(zhì)在固定相和流動相之間的分配系數(shù)差異，實(shí)現(xiàn)對混合物的分離和分析。在發(fā)酵產(chǎn)物的分離中，色譜分離技術(shù)可以用于純化一些高純度的生物活性物質(zhì)。

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

（二）醫(yī)藥工業(yè)1.抗生素生產(chǎn)抗生素是發(fā)酵工程在醫(yī)藥領(lǐng)域的重要應(yīng)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(fā)酵大量生產(chǎn)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(shù)構(gòu)建工程菌，生產(chǎn)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(yōu)點(diǎn)，在疾病的診斷、治療和預(yù)防方面發(fā)揮著重要作用。

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

（四）環(huán)境保護(hù)1.污水處理利用微生物的代謝作用，將污水中的有機(jī)污染物分解為無害的物質(zhì)。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(fā)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(jī)物、氮、磷等污染物。2.環(huán)境修復(fù)一些微生物能夠降解土壤和水體中的有害物質(zhì)，如石油、農(nóng)藥、重金屬等。利用這些微生物進(jìn)行環(huán)境修復(fù)，可以恢復(fù)受污染環(huán)境的生態(tài)功能。

五、發(fā)酵工程的發(fā)展趨勢（一）基因工程與合成生物學(xué)的深度融合隨著基因編輯技術(shù)和合成生物學(xué)的不斷發(fā)展，將能夠更加精準(zhǔn)地設(shè)計(jì)和構(gòu)建微生物細(xì)胞工廠，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物的高效合成。通過合成生物學(xué)方法，可以重新設(shè)計(jì)微生物的代謝途徑，引入新的基因元件，優(yōu)化基因表達(dá)調(diào)控，從而提高發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量和質(zhì)量，拓展發(fā)酵工程的應(yīng)用范圍。

（二）發(fā)酵過程的智能化控制利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)和人工智能算法，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程的實(shí)時監(jiān)測、優(yōu)化控制和故障診斷。智能化控制系統(tǒng)能夠根據(jù)發(fā)酵過程中的各種參數(shù)變化，自動調(diào)整發(fā)酵條件，使發(fā)酵過程始終處于最佳狀態(tài)，提高發(fā)酵效率和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

（三）新型發(fā)酵技術(shù)的不斷涌現(xiàn)如固態(tài)發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵、固定化細(xì)胞發(fā)酵等新型發(fā)酵技術(shù)將得到更廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。這些新型發(fā)酵技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，如固態(tài)發(fā)酵可以減少培養(yǎng)基的用量，降低生產(chǎn)成本，同時有利于產(chǎn)物的分離提取；連續(xù)發(fā)酵能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)酵過程的連續(xù)化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。

（四）發(fā)酵工程與其他學(xué)科的交叉融合發(fā)酵工程將與材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)等學(xué)科深度交叉融合，開發(fā)出更多具有創(chuàng)新性的產(chǎn)品和應(yīng)用。例如，利用發(fā)酵工程技術(shù)生產(chǎn)生物可降解材料、開發(fā)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(fù)習(xí)要點(diǎn)總結(jié)（一）重點(diǎn)概念1.發(fā)酵工程2.微生物代謝3.發(fā)酵類型4.菌種選育方法5.培養(yǎng)基成分與類型6.發(fā)酵條件控制7.發(fā)酵產(chǎn)物分離提取方法

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