发酵工程研究的新进展

发酵工程研究的新进展

息晓杰

河北首朗新能源科技有限公司 河北 唐山 063200

前言：近些年，在有关技术领域中微生物的发酵技术已得到了非常广泛的应用，特别在医药行业内应用十分普遍，人们不断深入的研究微生物的发酵工艺意义重大。为此，本文对发酵工程的发展进程及发酵工艺进一步优化的方法进行了讨论，为发酵工程的发展提供参考。

关键词：发酵；方法；发展

1.发酵工程的发展

发酵工程作为最早从事微生物学的研究领域，在过去的几百年来为人类的生活、生存和社会的发展作出了重大的贡献。发酵技术的发展经历了自然发酵阶段、纯培养厌氧发酵技术的建立、通气搅拌发酵技术的建立、代谢调控发酵技术的建立、现代发酵工程技术的建立几个阶段。发酵工程是个传统领域，与现在的生物工程（基因工程）相比处于劣势，普遍认为，通过一些操作过程的控制和菌种的筛选难以达到基因工程那样迅捷的效果。但近些年，发酵工程不断地通过整合其它学科及领域的优点来发展自己，发展较为迅速。

1.1发酵工程上游方面

发酵的上游工程包括优良种株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶氧和营养组成）的确定，营养物的准备等。在菌种选育方面与基因工程相结合，通过将供体微生物的基因提取出来或者人工合成基因，按照人们的愿望，进行严密的设计，经过体外加工重组，使受体细胞获得新的遗传性状，最终大量的获得基因药物、酶制剂、氨基酸等产品，在产品的特异性上更具选择性，比如，食用真菌富硒产品的开发等应用实例。

1.2发酵工程过程控制方面

在过程控制中，与微生物学、微生物生理学、计算机工程、控制工程、化工工程等学科相结合，将过程操作变量与微生物代谢活动结合起来。基于微生物反应原理的培养基组成优化、基于微生物代谢特性的分阶段培养、基于代谢通量分析的发酵优化等策略的利用，促进了发酵过程的控制。华东理工大学的多角度控制策略就是将化工领域的策略运用到微生物学领域的典型范例，并在制药领域取得很大的成就。

1.3发酵工程下游方面：

目前，很多产品都能通过发酵生产出来，将其从发酵液中高效的分离出来成为技术应用的关键，这也是发酵工程最需要解决和优化的问题。发酵工程与其它领域的充分联合发展是发酵工程发展的主要方式，例如，发酵工程与环境工程的交叉形成了环境生物技术，与化工交叉的生物化工，与纺织工业交叉的纺织生物工程等等。通过这种方式，多方面有效的解决了发酵过程中的控制问题，产物的分离纯化问题，丰富了发酵的终端产品。

2．发酵工艺的优化方法

通常情况下，发酵工艺可从两方面进行优化：培养条件和培养基成分的比例。近些年，在微生物的发酵技术中应用了统计学，使优化发酵工艺的方法由单因子的设计法发展成为均匀设计，正交试验设计等方法，优化的工艺更加高效化，系统化。在研究过程中，众多研究者选择利用统计软件进行优化和数学模拟其试验的结果，应用Plackett-Burman设计法科学地筛选优化因子，然后运用响应面的分析法实现其优化目的。

2.1 正交试验的设计法

此方法是依托统计学的发展利用正交表对微生物发酵的多因素进行分析，利用多因素实验得出结果，再通过直观分析和直接对比找出最适合的组合，利用此法能够确定影响发酵的主要因素。这种方法的优点是工作量小，效率高，方法简单等，因此在优化发酵工艺时，正交试验的设计方法应用较为广泛。

2.2 Plackett-Burman设计法

这种设计法可以及时筛选出影响试验结果的关键因素。一般情况下，运用Plackett-Burman设计法进行N次试验，而能研究的因素最多只有N-1个，每个因素中取两个水平，一般将低水平设为原始的培养条件，而高水平则是低水平的1.25倍，利用对整体差异和两水平差异做分析对比，从而确定其因素的显著性。值得注意的是，若是没有选取适宜的因素水平，就会使Plackett-Burman设计法的试验结果失去作用，然而就需要再次进行因素选取重新做试验；若是有有效的Plackett-Burman试验模型，就能够确定其因素对试验影响明显，接下来再利用响应面的设计方法等，将最优条件的因素筛选出来。

2.3 响应面的设计法

这种设计方法利用数学建模、统计分析等方法的有机结合，通过试验设计分析其有关的数据，同时拟合的函数关系采用多元二次的回归方程法，从而达到对优化微生物发酵工艺参数的要求。如果在微生物的发酵中存在非常多的变量因素，则选用响应面的设计法取得的效果十分明显，基于Plackett-Burman设计法，能够非常准确的确定最优的发酵因素、培养基的配方等，这对微生物发酵产量的提高有着显著效果。在优化微生物发酵工艺中，响应面的设计法得到了广泛的应用，而且在医学、制药、生物学等领域的应用已趋于成熟，同时应用效果非常明显。

3.发酵工程的发展方向展望

近年来，生物技术的迅速发展有力地推动了发酵工程技术的发展。而发酵工程技术的应用，则是直接将生物技术转化为生产力，用于生产人类所需的各种产品，以及为社会服务的重要手段。现代发酵工程是是生物技术实现产业化的必由之路，是未来经济社会发展过程中富有生机和活力的一个重要产业群体。

目前发酵工程技术的研究主要集中在如下几个方面：采用基因工程、细胞工程技术与常规微生物育种方法相结合选育发酵工业所需的各种优良生产菌种； 开发研制社会需要、附加值高的新型发酵产品；研究开发发酵提取新技术、新工艺、新设备，提高产品收率、节能降耗。

此外，在发酵工程领域中，主要分为液态发酵和固态发酵。液态发酵的传热、传质均匀性使其有较大程度的可行性，发展较为充分。固态发酵是指在培养基呈固态，虽然含水丰富，但投有或几乎没有自由流动水的状态下进行的一种或多种微生物发酵过程，底物(基质)是不溶于水的聚合物，它不仅可以提供微生物所需碳源、氮源、无机盐、水及其它营养物，还是微生物生长的场所。由于能源危机与环境问题的日益严重，固态发酵技术再次引起人们的兴趣，近几年得到迅速发展及应用。固态发酵具有大规模操作的潜能，已有一些像酶生产及生物农药等过程成功小规模地应用固态发酵技术，如中国科学院化冶所设计的“周期性压力脉动反应器”成功应用于工业生产。现代固态发酵技术既与传统的发酵技术相区别，又与现代液态深层发酵相对应。随着人们对固态发酵机理认识不断加深，现代固态发酵的成功也将成为现代发酵技术的一次革命。

结束语

发酵过程具有反应条件温和，生产原料来源广泛，价格低廉，以及与其它工业相比投资少、见效快，经济与社会效益显着等诸多优点。而且，通过发酵工程生产的产品种类多，而且应用面广。随着环境治理及绿色发展需求，人们期望通过发酵技术解决的问题越来越多，发酵工程与我们的生活联系越来越紧密，发酵工程具有更广阔的发展前景。

参考文献：

[1]张文芝，郭坚华.微生物发酵的工艺优化研究进展[J].广东农业科学，2013，（06）：114-117.

[2]董昌健.如何推动微生物发酵工艺优化的研究[J].吉林农业，2013，（10）：34.

[3]孙毅．生物技术应用于环境保护的新进展[J]．环境保护，1997（10）：39－41．

[4]王福源．现代食品发酵技术．北京：中国轻工业出版社，1998.

[5]朱克庆.我国发酵面食机械装备的发展与对策，粮食与食品工业，2019.

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