发酵工程是什么?关于发酵工程的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:29:22

发酵工程,是指采用现代工程技术手段,利用微生物的某些特定功能,为人类生产有用的产品,或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术,是生物工程的一个分支。发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。在食品、医药、工业等领域有广泛的应用。一些化学品,如乙酸,柠檬酸,和乙醇都是通过发酵工程技术生产而来的。发酵速度取决于微生物、细胞、细胞成分和酶的浓度以及温度、酸碱度等,对于好氧发酵还受到氧气的影响。产品回收经常涉及稀溶液的浓缩。几乎所有商业生产的酶,如脂肪酶,转化酶和凝乳酶,都是通过用遗传修饰的微生物发酵制备。一般来说,发酵可以分为四种类型:

  • 生物质的生产(活细胞材料)
  • 胞外代谢物(化学化合物)的生产
  • 细胞内成分(酶和其他蛋白质)的产生
  • 底物的转化(其中转化的底物本身就是产物)

这些类型不一定相互分离,但为理解方法上的差异提供了一个框架。使用的生物体可以是细菌、酵母、霉菌、藻类、动物细胞或植物细胞。发酵中使用的特定生物体需要特殊考虑,例如溶解的氧气水平、营养水平和温度。

一般流程概述

在大多数工业发酵中,生物体或真核细胞浸没在液体培养基中进行发酵,在一些情况下,发酵发生在培养基的潮湿表面上例如可可豆、咖啡樱桃和味噌的发酵。发酵过程也有工业方面的考虑。例如,为了避免生物过程污染,发酵培养基、空气和设备都要消毒。泡沫控制可以通过机械泡沫破坏或化学消泡剂来实现。必须测量和控制其他几个因素,如压力、温度、搅拌器轴功率和粘度。工业发酵的一个重要因素是扩大规模发酵。这是实验室程序到工业过程的转换。在工业微生物学领域,已经很好地确立了在实验室规模上工作良好的发酵流程,在首次大规模尝试时可能工作不佳或者根本不工作。一般来说,不可能将实验室中有效的发酵条件盲目应用于工业规模的设备。尽管已经测试了许多参数作为放大标准,但由于发酵过程中的变化,没有通用公式。最重要的方法是保持单位发酵液的恒定功耗和恒定的体积传输速率。

成长阶段

细菌生长曲线动力学曲线

一旦生长培养基接种了感兴趣的生物体,发酵就开始了。接种物的生长不会立即发生,这是适应阶段。在适应阶段之后,生物体的生长速度在一定时期内稳步增加——这个时期是对数或指数阶段。

在指数生长阶段后,由于营养物浓度持续下降和/或有毒物质浓度持续增加(积累),生长速度减慢,这个阶段是减速阶段,在这个阶段,增长率的增长受到抑制。减速阶段后,生长停止,培养物进入稳定阶段或稳定状态,生物量保持不变,除非培养物中积累的某些化学物质溶解细胞(化学溶解),或其他微生物污染了培养物,否则化学成分保持不变。如果培养基中的所有营养物质都被消耗掉,或者毒素浓度过高,细胞可能会难以生存,并开始死亡,生物量的总量可能不会减少,但有活力的生物体的数量会减少。

发酵培养基

用于发酵的微生物或真核细胞生长在(或在)专门设计的生长培养基中,该培养基提供生物或细胞所需的营养。培养基有很多种,但总是包含碳源、氮源、水、盐和微量营养素。在葡萄酒生产中,培养基是葡萄汁。在生物乙醇的生产中,培养基可能主要由任何廉价的碳源组成。 碳源通常是糖或其他碳水化合物,例如糖蜜,玉米浆。更敏感的发酵可以改为使用纯化的葡萄糖、蔗糖、甘油或其他糖,这减少了变化并有助于确保最终产品的纯度。在产生酶(如β半乳糖苷酶、转化酶或其他淀粉酶)的生物体可以用淀粉作为营养物,以选择大量表达酶的生物体。

固定氮源是大多数生物体合成蛋白质、核酸和其他细胞成分所必需的。根据生物体的酶能力,氮可以选择豆粕、蛋白胨、胰蛋白胨、氨或硝酸盐。成本也是选择氮源的一个重要因素,在细胞膜中生产磷脂和生产核酸需要磷,必须添加的磷酸盐的量取决于肉汤的组成和生物体的需要,以及发酵的目的。例如,一些培养物在磷酸盐存在下不会产生次生代谢物。

生长因子和微量营养素包含在发酵液中,用于不能产生所需全部维生素的生物体。酵母抽提物是发酵培养基中微量营养素和维生素的常见来源。无机营养物,包括微量元素,例如铁、锌、铜、锰、钼和钴,通常存在于未精炼的碳源和氮源中,但是当使用纯化的碳源和氮源时,可能必须添加。产生大量气体(或需要添加气体)的发酵将倾向于形成一层泡沫,因为发酵液通常包含多种泡沫增强蛋白质、肽或淀粉。为了防止这种泡沫产生或积累,可以加入消泡剂。矿物缓冲盐,如碳酸盐和磷酸盐,可用于将酸碱度稳定在接近最佳值。当金属离子以高浓度存在时,使用螯合剂可能是必要的。

开发用于发酵的最佳培养基是有效优化的关键概念。一次一个因素(OFAT)是研究人员用来设计媒介组合的优先选择。这种方法一次只改变一个因子,而保持其他浓度不变。这种方法可以分成不同实验来验证。一个是移除实验,在这个实验中,一次移除一种培养基的一种成分,并观察它们对培养基的影响;还有一个补充实验,包括评估氮和碳补充对生产的影响;最后一个实验是替换实验,这包括更换对预期生产有增强效果的氮和碳源。总的来说,OFAT算法因其简单性而优于其他优化方法。

生物质生产

微生物细胞或生物量有时是发酵的预期产物。例子包括单细胞蛋白、面包酵母、乳酸菌、大肠杆菌和其他。在单细胞蛋白质的情况下,藻类生长在允许光合作用发生的大型开放池塘中。如果生物质将用于其他发酵的接种,必须小心防止发生突变。

细胞外代谢产物的产生

代谢物可以分为两组:在生物体生长阶段产生的,称为初级代谢产物,在稳定期产生的,叫做次生代谢物。一些主要代谢物的例子是乙醇,柠檬酸,谷氨酸,赖氨酸,维生素和多糖。次生代谢物的一些例子是青霉素,环孢霉素a,赤霉素,和洛伐他汀。

初级代谢产物

初级代谢产物是生物体在生长期正常新陈代谢过程中产生的化合物。一个常见的例子是乙醇或乳酸,在糖酵解过程中产生。柠檬酸是由一些菌株产生的,作为柠檬酸循环的一部分,酸化环境,防止竞争对手。谷氨酸盐是由一些微球菌属菌株产生,还有一些棒状杆菌产生赖氨酸,苏氨酸,色氨酸和其他氨基酸。所有这些化合物都是在细胞的正常“工作”过程中产生并释放到环境中的。

次级代谢产物

次级代谢产物是在固定相中产生的化合物。一些细菌,例如乳酸菌,能够产生细菌素,这也防止了细菌竞争者的生长,这些化合物对于希望防止细菌生长具有明显的价值,可以作为抗生素或防腐剂(例如短杆菌肽S )。杀真菌剂,如灰黄霉素,也作为次级代谢产物产生。通常在葡萄糖或其他碳源存在的情况下不会产生次生代谢物,而葡萄糖或其他碳源会促进生长,并且像初级代谢物一样被释放到周围的介质中而不会使细胞膜破裂。 在生物技术行业的早期,大多数生物制药产品是在大肠杆菌中生产,到2004年,在真核细胞(如 CHO细胞)中制造的生物制药比微生物多,但使用的是类似的生物反应器系统。昆虫细胞培养系统也在2000年代开始使用。

细胞内成分的产生

细胞内成分中主要感兴趣的是微生物酶:过氧化氢酶,淀粉酶,蛋白酶,果胶酶,葡萄糖异构酶,纤维素酶,半纤维素酶,脂肪酶,乳糖分解酵素,链激酶和许多其他酶类。重组蛋白,如胰岛素、乙肝疫苗、干扰素、粒细胞集落刺激因子、链激酶等也是用这种方法制备的。这个过程和其他过程之间最大的区别是细胞必须在发酵结束时破裂(溶解),并且必须控制环境以使产物的量最大化。此外,产品(通常是蛋白质)必须与溶胞产物中的所有其他细胞蛋白质分离以进行纯化。

底物的转化

底物转化涉及特定化合物向另一种化合物的转化,例如在苯乙酰甲醇和类固醇的生物转化。

食品发酵

古代发酵食品加工,如制作面包、酒、奶酪、凝乳等,可以追溯到7000多年前的。它们是在人类对所涉及的微生物的存在有所了解之前很久就发展起来的。一些食品,如马麦酱,是发酵过程的副产品,在这种情况下是生产啤酒。

燃料乙醇

发酵是生产乙醇燃料中乙醇的主要来源。普通作物如甘蔗、土豆、木薯和玉米通过酵母发酵生产乙醇,乙醇被进一步加工成燃料。

污泥处理

在污水处理过程中,污水被细菌分泌的酶消化。固体有机物被分解成无害的可溶性物质和二氧化碳。产生的液体在排入河流或海洋之前经过消毒以去除病原体,或者可以用作液体肥料。被消化的固体也被称为污泥,被干燥并用作肥料。气态副产物如甲烷可以用作发电机燃料的沼气。细菌消化的一个优点是它减少了污水的体积和气味,从而减少了倾倒所需的空间。细菌消化在污水处理中的主要缺点是它是一个非常缓慢的过程。

农业饲料

多种农业工业废物可以发酵用作动物,特别是反刍动物的食物。真菌已被用于分解纤维素废物,以增加蛋白质含量和提高体外消化率。