除某些转化过程外,典型的发酵工艺流程大致可以划分为以下6个基本过程:①准备菌种以及用作种子扩大培养和发酵生产的各种培养基的配制;②培养基、发酵罐及其附属设备的灭菌;③扩大培养有活性的适量纯种,以一定比例将菌种接入发酵罐中;④控制最适的发酵条件使微生物生长并形成大量的代谢产物;⑤将产物提取并精制,以得到合格的产品;⑥回收或处理发酵过程中所产生的三废物质。
发酵工程已涉及国计民生的方方面面,包括农业生产、轻化工原料生产、医药卫生、食品、环境保护、资源和能源的开发等各领域。
(一)农业
发酵工程应用于农业领域,能生产生物肥料(固氮菌、钾细菌、磷细菌等)、生物农药(苏云金杆菌或其变种所产生伴孢晶体——能杀死蛾类幼虫的毒蛋白等)、兽类抗生素(泰乐霉素、抗金葡球菌素等)、食品和饲料的添加剂、农用酶制剂、动植物生长调节剂(如赤霉素)等,特别在生产单细胞蛋白(SCP)饲料方面,已是国际科技界公认的解决蛋白质资源匮乏的重要途径,目前世界SCP的年产量在250万~300万。
(二)食品工业
发酵工程对食品工业的贡献较大,从传统酿造到菌体蛋白,都是农副产品升值的主要手段。据报道,由发酵工程贡献的产品可占食品工业总销售额的15%以上。氨基酸可用作食品、饲料添加剂和药物,利用微生物发酵法可生产近20种氨基酸,较蛋白质水解和化学合成法生产成本低,工艺简单,且全部具有光学活性。食品工业中常用的有机酸,如柠檬酸、苹果酸等几乎都是利用微生物发酵法生产的;乳制品(如酸奶)及谷物的发酵是重要的食品发酵过程;微生物发酵生产的食用色素如伊胡萝卜素、虾青素等受到重视;同时随着多糖、多肽应用的开拓,由微生物发酵生产的增稠剂、免疫制剂以及抗菌剂等都得到了优先发展。
(三)医药工业
传统的药物主要有化学合成药物、动植物中提取的生化药物和天然药物、微生物发酵药物,化学合成药物生产往往工艺复杂、条件苛刻、污染严重、药物毒副作用大;而动植物药物生产受资源限制,单价往往较昂贵,而且动物来源的药物因安全问题受到越来越多的限制;所以,采用生物工程技术,通过微生物发酵方法生产传统或新型药物就具有明显的优势。
抗生素是目前最大的一类治疗药物,它们主要是由微生物发酵生产,包括抗菌剂、抗癌药物等许多不同生理活性类型。维生素是重要的医药产品,同时也是食品和饲料的重要添加剂。目前采用发酵工程生产的维生素有维生素C、维生素B2、维生素B12等。多烯不饱和脂肪酸如二十碳五烯酸(EPA)、二十二碳六烯酸(DHA)、二十碳四烯酸(AA)等有价值的医药保健产品也可通过某些微生物(如网黏菌Labyrinthulaler SR21)进行生产。随着手性药物需求量的增大,利用生物转化合成手性药物也越来越受到重视。
(四)能源工业
能源紧张是当今世界各国都面临的一大难题。石油危机之后,人们更加清楚地认识到地球上的石油、煤炭、天然气等化石燃料终将枯竭,而有些微生物则能开发再生性能源和新能源。
通过微生物或酶的作用,利用含淀粉、糖质和纤维素、木质素等的植物资源生产燃料乙醇;也可以利用各种植物油料生产生物柴油。以各种有机废料如秸秆、猪粪等为原料通过微生物发酵作用生成沼气作为能源。利用基因工程菌进行微生物采油。利用部分产氢细菌制造微生物电池。
(五)化学工业
传统的化工生产需要耐热、耐压和耐腐蚀的材料,而随着微生物发酵技术的发展,不仅可制造化学方法难以生产或价值高的稀有产品,而且有可能改变化学工业面貌,创建节能少污染的新工艺。例如,发酵工程为生产生物可降解塑料这一难题提供了途径,科学家经过选育和基因重组构建了“工程菌”,已获得积累聚酯塑料占菌体重量70%~80%的菌株。再如以石油为原料发酵生产的长链二羧酸,是工程塑料、耐寒农用薄膜和黏合剂的合成原料。显然,有越来越多的化工产品将由微生物发酵生产来实现。
(六)冶金工业
虽然地球上矿物质蕴藏量丰富,但其属于不可再生资源,且大多数矿床品位太低。随着现代工业的发展,高品位富矿也不断耗尽。面对以万吨计的废矿渣、贫矿、尾矿、废矿,采用一般选浮矿法无能为力,唯有细菌冶金给我们带来了新的希望:采用细菌冶金可浸提包括金、银、铜、铀、锰、钼、锌、钴、镆、钡、钪等10余种贵重的稀有金属,特别是黄金、铜、铀等的开采。
冶金的需求是一个相对比较新兴的行业。
(七)环境保护综上所述,发酵工程在工业上的应用具有投资少、见效快和污染小的优点,在一些发达国家,发酵工程已成为国民经济的重要支柱。
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