發酵工程
關注創建者：寒寒boy 創建時間：2017-12-22
發酵工程的實例教程
菌種選育的基本方法包括自然選育、抗噬菌體選育、誘變選育、代謝工程育種、基因定向選育、基因組改組等一系列方法。
在發酵工程建立初期和近代發酵工程階段，發酵工程主要以野生的微生物為發酵主體。在現代發酵階段，優良的菌種選育方法依然是發酵工程上游工程中的重要環節，其一是利用新型的篩選機制和篩選鑒定指標，繼續從自然界中獲得優良的出發菌株;其二是利用基因工程、細胞工程技術，結合分子生物學手段，采用代謝工程、代謝調控學、組學、系統生物學等原理，重新構建所需的基因工程菌或對已有的出發菌株進行基因改造，來獲得能夠生產所需發酵產品的優良菌株。
2.純培養技術
發酵工業一般是采用特定微生物菌株進行純種培養，從而達到生產所需產品的目的。因此，發酵過程要在沒有雜菌污染的條件下進行。微生物無菌培養直接關系到生產過程的成敗。無菌問題解決不好，輕則導致所需要的產品數量減少、質量下降以及后處理困難;重則會使全部培養液變質，導致成噸的培養基報廢，造成經濟上的嚴重損失，這一點對大規模的生產過程更為突出。為了保證培養過程的正常進行，防止染菌的發生，對大部分微生物的培養，包括實驗室操作和工業生產，均需要進行嚴格的滅菌。發酵過程的滅菌涉及培養基、發酵設備和發酵過程的通氣。
3.發酵過程優化技術
發酵過程優化包括從微生物細胞層面到宏觀微生物生化反應層面的優化，使細胞的生理調節、細胞環境、反應器特征、工藝操作條件與反應器控制之間復雜的相互作用盡可能簡化，并對這些條件和相互關系進行優化，使之最適于特定發酵過程進行的系統優化方法。這種優化主要涉及四個方面的研究內容，第一是細胞生長過程的研究;第二是微生物反應的化學計量;第三是生物反應動力學;第四是生物反應器工程。
4.發酵過程放大技術
為達到將實驗室成果向工業規模推廣和過渡的目的，一般都要經過中試規模的工藝優化研究。
展開 2.3 酶工程技術
酶工程是生物技術的一個重要組成部分，酶工程是指在一定的生物反應器內，利用酶催化作用，將相應的原料轉化成有用物質，其應用領域已經遍及農業、食品、醫藥、環境保護、能源開發和生命科學理論研究等各個方面。酶工程包括各種酶的開發和生產、酶的分離和純化技術、酶或細胞的固定化技術、固定化酶反應器的研制以及酶的應用等方面。隨著基因工程、細胞工程等高新技術應用于酶工程領域，不斷研究開發出更多的新品種、新用途、高活力的酶類，同時酶的固定化技術，酶分子修飾技術及模擬酶技術也得到更快發展[4]。
2.4 發酵工程技術
發酵工程是生物工程技術的重要組成部分，是古老而又大有潛力的工業技術，是生物技術產業的重要環節，是一門利用微生物的生長和代謝活動來生產各種有用物質的工程技術。發酵工程是利用微生物的某些特定功能, 通過現代工程技術手段生產有用物質或直接把微生物應用于工業生產的方法和過程，包括培育優良菌種、發酵生產某些代謝產物、生產微生物菌體、改造某些天然物質等。發酵工程可用于工業化生產預定的食品或食品功能成分。利用發酵工程技術所取得的成就涉及到新食品配料、食品加工的催化劑、飲料穩定劑、D-氨基酸及其衍生物制造以及廢棄物利用和食品品質的檢測等[5]。
2.5蛋白質工程技術
隨著蛋白質晶體學、計算機學與基因工程手段相結合，便出現了蛋白質工程，又稱為“第二代基因工程”，即按照人們的意愿創造出適合人類需求的。具有不同功能的蛋白質，創造出世界上原來不曾有過的新蛋白質及其新產品[6]。
蛋白質工程的基礎是蛋白質晶體學和動力學，主要技術手段是所謂的計算機定位突變和盒式突變——即對編碼蛋白質基因定位改造，來造成人為的蛋白突變，在通過發酵或細胞培養生產足夠的這種蛋白質。
展開 時至今日，我們已了解了發酵的微觀原理。利用微生物發酵大規模生產人類所需產品的技術即生物工程。
生物工程的前世今生
01
生物工程簡介
生物工程是以生物學理論技術為基礎，定向改造生物或其功能，結合現代工程技術，大規模培養該生物，以生產大量有用代謝產物或發揮獨特生理功能的技術，主要學科包括基因工程、細胞工程、發酵工程、酶工程等。其應用領域包括：
02
傳統生物工程
傳統生物工程是在有限天然樣本中篩選出有用微生物進行發酵釀造的技術，如杜康釀酒、諸葛亮制饅頭都屬于該技術范疇。這些技術給人們的生活帶來了巨大改變，但因為不了解作用機理，應用領域有限。
03
現代生物工程
17世紀中期，列文虎克發明了高倍顯微鏡，幫助人們了解微生物在發酵中的作用。微生物純種培養技術的發展，也使發酵技術從傳統作坊式生產向大規模工業生產轉變。
1943年，通過發酵法實現了青霉素的工業化生產，人類第一次擁有了高效對抗細菌感染的手段，成為一項引領時代發展的重要技術。
此后生物工程應用領域越來越多。目前日常工作中涉及到的頭孢菌素等抗生素，β-胡蘿卜素等維生素，精氨酸等氨基酸類藥物的設計項目都是現代生物工程的成功應用。
展開 微生物在生長代謝過程中，O2的消耗、CO2的產生可以比較容易檢測，但大多數微生物發酵后產生有臭味的氣體，這些帶臭味的氣體大多數是一些揮發性的醛類、酸類、醇類、酯類、胺類、硫醇類、酚類、噻唑、吲哚和呋喃類雜環化合物類等。一般簡單的發酵氣味由幾十種上述化合物組成，復雜的發酵氣味由幾百種上述化合物組成。濃度不同呈現的主體氣味不同，比如低濃度的吲哚呈現出香氣，高濃度的吲哚呈現出糞便的臭氣。其實微生物發酵是通過控制溫度、ph、氧氣和營養源等條件讓微生物以最佳狀態生長和合成目標產物。由于微生物代謝的復雜性，通過簡單的供給控制并不能確保微生物處于最佳狀態。
近年來通過檢測發酵尾氣CO2和O2檢測分析技術已日臻成熟。其性能穩定，可靠性高，可實現連續在線檢測獲取發酵過程重要的呼吸代謝參數CER,OUR,RQ等。這些參數反映了微生物的代謝狀況，可以得到更多細胞代謝信息，更加深入了解發酵過程，掌握發酵規律，從而優化工藝，全面控制發酵過程，提高產率。尾氣分析儀作為發酵罐標配設備已成為一種趨勢。
因是從尾氣取氣分析，對發酵無任何影響；也無需高溫滅菌，故為其應用創造了有利條件。發酵尾氣分析技術應用現代傳感器及信息技術，實時在線檢測發酵罐尾氣中CO2和O2百分比濃度，同步計算呼吸代謝參數CER、OUR及RQ，旨在獲取發酵過程細胞代謝信息，實現生物信息軟測量，藉此深入了解發酵規律，優化工藝，控制過程，提高產率，是發酵工程新的重要分析手段。發酵尾氣分析儀實時監測微生物發酵過程中氧氣的消耗速率和二氧化碳的產生速率是現代發酵工業中監控微生物代謝狀態的最有效手段，通過控制氧氣消耗率和二氧化碳產生率進行微生物發酵工藝的工業放大最為有效。為我國生物產業發展提供了先進技術設備。
展開 關鍵詞：生物工程；進展
生物工程或稱生物技術，簡單地說，是應用科學和工程原理來加工生物材料以提供商品和服務。再具體一點說，是以生物學為基礎，結合化學、物理學以及機械、電子、信息等工程技術，運用近代分子生物學、細胞生物學、發育生物學的成就，按照人類的愿望，改造生物或其功能，培養生物新物種新品種，業且通過組織和細胞培養工業化生產各種產品，或達到特殊目的的綜合性科學技術。生物工程的主要內容包括細胞工程、基因工程、發酵工程和蛋白質工程等幾個方面。
一、生物工程研究和發展概況
1973年重組DNA技術取得成功，1976年就誕生了第一家生物技術公司。1982年第一個基因工程產品一一胰島素投入市場，從而拉開了生物技術產業化的序幕。由于生物技術有明確的應用目標，所以一開始便吸引了大批科學家、企業家的興趣和高度重視，業迅速發展成為重要的高科技開發領域。
目前在世界各國中，以美國的生物技術研究發展最快，成果也最多。美國政府和民間，每年對生物技術的投資達數十億美元，業制定了各項扶植政策，使美國生物技術研究一直處于世界領先地位。近年又相繼批準了一批基因工程產品用于醫藥和大田試驗，使生物技術產業開始出現生機勃勃的局面。在西歐、東歐和日本，乃至一些第三世界國家(包括我國在內)，根據自身的特點，制定了符合各自國情的對策和發展戰略。特別是日本，將很快成為生物技術方面的一個重要國家和市場。日本政府已把生物技術作為未來發展的主要工業，逐年提高生物技術的預算，1989年的研究經費就達6400多萬美元。
生物技術產、業的優點可概括為以下五大方面.①原料可以采用再生的資源多②投資少，③廠房小，對環境的污染也少，④能耗較低和⑥應用范圍廣，覆蓋面大。迄今，生物技術的研究雖然已有一定的基礎，但要取得真正突破，可能是21世紀的事。
展開 
發酵工程的最新內容
發酵尾氣分析技術應用現代傳感器及信息技術，實時在線檢測發酵罐尾氣中CO2和O2百分比濃度，同步計算呼吸代謝參數CER、OUR及RQ，旨在獲取發酵過程細胞代謝信息，實現生物信息軟測量，藉此深入了解發酵規律，優化工藝，控制過程，提高產率，是發酵工程新的重要分析手段。
隨著以基因工程、細胞工程、酶工程、發酵工程為代表的現代生物技術迅猛發展，生物發酵制品已成為2l世紀投資最活躍、發展最快的產業之一。因生物發酵藥品具有療效高，毒性低，副作用少等特點，而被廣泛應用于I臨床，甚至將會逐步取代一些化學合成藥物，為人類健康作出越來越大的作用。
在發酵工程建立初期和近代發酵工程階段，發酵工程主要以野生的微生物為發酵主體。
生物工程的前世今生
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生物工程簡介
生物工程是以生物學理論技術為基礎，定向改造生物或其功能，結合現代工程技術，大規模培養該生物，以生產大量有用代謝產物或發揮獨特生理功能的技術，主要學科包括基因工程、細胞工程、發酵工程、酶工程等。
它是分離液體混合物常用的單元操作，在發酵和生物工程生產上的應用相當廣泛，它不僅可以提取和增濃產物，還可以除掉部分其他類似的物質，使產物獲得初步純化
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第二代厭氧反應器
隨著生物發酵工程中固定化技術的發展，人們認識到提高反應器中污泥濃度的重要性，于是，基于微生物固定化原理的高效厭氧生物反應器得以發展。第二代高效厭氧生物反應器必須滿足以下兩個條件:
1)系統內能夠保持大量的活性厭氧污泥；
2) 反應器進水應與污泥保持良好的接觸。
它是分離液體混合物常用的單元操作，在發酵和生物工程生產上的應用相當廣泛，它不僅可以提取和增濃產物，還可以除掉部分其他類似的物質，使產物獲得初步純化。
【作者簡介】
馬興毅畢業于哈爾濱工業大學，并分別于成均館大學（SKKU）和高麗大學（Korea University）獲得工學碩士和博士學位，現在高麗大學融合化工系統研究所擔任研究教授，以技術產業化和科研立項為工作重點，主要負責納米生物技術的研發，具體領域是醫學納米傳感和生物工程發酵，研究方向包括（1）利用生物分子，制備新型光學納米材料，用于醫學傳感和成像，（2）利用微流體芯片篩選靶細胞
目前污泥好氧發酵工程可采用高效、快速、穩定、集約化的設計、運營模式，可實現占地面積的大幅縮小；此外，研究表明我國城市生活污泥的重金屬超標比例約5%，污染風險較小，不應該成為限制污泥發酵產品土地利用的主要障礙。
因此，在《城鎮污水處理廠污泥處理處理技術指南(試行)》中，“好氧發酵+土地利用”也被列為推薦技術路線。該技術在相對欠發達地區，應用前景較大。
2.4 發酵工程技術
發酵工程是生物工程技術的重要組成部分，是古老而又大有潛力的工業技術，是生物技術產業的重要環節，是一門利用微生物的生長和代謝活動來生產各種有用物質的工程技術。發酵工程是利用微生物的某些特定功能, 通過現代工程技術手段生產有用物質或直接把微生物應用于工業生產的方法和過程，包括培育優良菌種、發酵生產某些代謝產物、生產微生物菌體、改造某些天然物質等。
