微生物發(fā)酵技術

微生物發(fā)酵技術以現代發(fā)酵技術為核心，利用微生物的代謝活動過程，經生物轉化而大規(guī)模地制造各種工業(yè)發(fā)酵產品，已經形成了一個品種繁多、門類齊全的獨立工業(yè)體系，在國民經濟中占有重要地位。

工業(yè)發(fā)酵是指靠微生物的生命活動而實現的工業(yè)生產。
工業(yè)生產上籠統(tǒng)地把一切依靠微生物的生命活動而實現的工業(yè)生產均稱為發(fā)酵。這樣定義的發(fā)酵就是“工業(yè)發(fā)酵”。 微生物是工業(yè)發(fā)酵的靈魂，沒有微生物就沒有工業(yè)發(fā)酵。
工業(yè)發(fā)酵就是通過微生物的生命活動，把發(fā)酵原料轉化為人類所需要的微生物產品的過程。
工業(yè)發(fā)酵要依靠微生物的生命活動，生命活動依靠生物氧化提供的代謝能（metabolic energy）來支撐，因此工業(yè)發(fā)酵應該覆蓋微生物學中生物氧化的所有方式：有氧呼吸、無氧呼吸和發(fā)酵。
近百年來，隨著科學技術的進步，工業(yè)發(fā)酵發(fā)生了劃時代的變革，已經從利用自然界中原有的微生物進行發(fā)酵生產的階段進入到按照人的意愿改造成具有特殊X能的微生物以生產人類所需要的發(fā)酵產品的新階段。

生產型不銹鋼發(fā)酵罐
（1）工業(yè)發(fā)酵的研究從典型的工業(yè)發(fā)酵開始
比較常見的工業(yè)發(fā)酵一般符合以下三個條件：
① 使用的菌種屬于化能異養(yǎng)型微生物，
② 目的產物屬于初級代謝產物或能量代謝副產物，
③ 目的產物在細胞內生成后被分泌到細胞外。
符合以上條件的工業(yè)發(fā)酵叫做典型的工業(yè)發(fā)酵。
對工業(yè)發(fā)酵理論的研究從典型的工業(yè)發(fā)酵開始。
個臺階，系統(tǒng)地研究化能異養(yǎng)型微生物的工業(yè)發(fā)酵的理論；
第二個臺階，系統(tǒng)地研究其他營養(yǎng)類型微生物的工業(yè)發(fā)酵的理論；
第三個臺階，系統(tǒng)地研究微生物利用碳以外元素工業(yè)發(fā)酵的理論。
（2）工業(yè)發(fā)酵理論
個臺階的研究建立了微生物生命活動的三個基本假設（發(fā)酵學三假說）。它們是改造和利用微生物的理論基礎。用這三個基本假設來分析典型的工業(yè)發(fā)酵，出現了：
① 工業(yè)發(fā)酵的微生物生物機器的新思路，
② 為工業(yè)生產服務的工業(yè)發(fā)酵若干推理，
③ 工業(yè)微生物育種和發(fā)酵工藝控制的“五字策略”。
（3）研究工業(yè)發(fā)酵的思路

工業(yè)發(fā)酵→【從一般到特殊】→典型的工業(yè)發(fā)酵→【從特殊到一般】→生物機器、細胞機器的概念模式→【深入研究以發(fā)現自然規(guī)律】→自然規(guī)律（微生物生命活動的三個基本假說）→【從一般到特殊：將自然規(guī)律運用到典型的工業(yè)發(fā)酵】→細胞機器亞穩(wěn)態(tài)物流模式→載流路徑→五段式→五字策略→【從特殊到一般】→對未來發(fā)酵工業(yè)生產的預測
涉及微生物細胞的生長和繁殖的每一個“動作”，包括細胞內的有機物降解的啟動，生物合成的啟動和持續(xù)，主動運輸，pH自動動態(tài)平衡等都需要代謝能支持，維持細胞的生命也需要代謝能的支撐。
而微生物細胞的物質代謝和能量代謝是依靠代謝網絡來實現的?；衔镌诖x網絡中流動，形成代謝流。工業(yè)發(fā)酵中，原料代謝流在細胞機器中經過一系列途徑轉化成為目的產物。在這個基礎上，發(fā)酵學的第二假說提出了，代謝途徑和輸送系統(tǒng)在代謝物分子水平上整合，在輔因子水平上協(xié)調，形成橫跨微生物活細胞內外的代謝網絡。這個代謝網絡不是生化途徑和跨膜輸送過程簡單連接，而是要將生物化學概念納入細胞代謝的總體框架。書里研究的主要是有機物（碳元素）在酶和蛋白質層面上的代謝網絡。研究發(fā)現，對于兼X厭氧微生物來說，不但需氧與缺氧時代謝網絡有明顯差異，而且在不同的培養(yǎng)條件下生存時，其代謝網絡也是有差異的。例如：有氧生長的代謝是在以TCA環(huán)為骨架的中心板塊的基礎上構建，缺氧生長時，則是在以TCA在OAA處的分叉途徑為骨架的中心板塊的基礎上構建的。
其實，微生物生命活動可分為4個層次：DNA層次，蛋白質層次，物流層次，微生物細胞層次，它們之間需要逐級激活。代謝網絡是無尺度的，微生物細胞機器的工作模式把細胞機器運行階段的載流路徑描寫成由向心途徑，中心途徑和離心途徑三者依次首尾銜接而貫通的一條“通道”。作為代謝網絡假說，基于工業(yè)發(fā)酵是可以操作的，它可以預測開拓新產品和新原料的可行X。
結構決定功能。水平上實現的，其臺階的方向是盡可能利用營養(yǎng)，實現比較大生長。真核生物細胞內原核生物沒有核，因此DNA接受來自細胞質的調節(jié)信號，從而蛋白質合成的開關控制是在轉錄被膜分隔成不同空間，為合成代謝和分解代謝分開進行和分開調節(jié)提供可能X。大腸桿菌乳糖操縱子是控制乳糖降解途徑的酶系的操縱子。轉錄開始的負控制和正控制分別能夠促進轉錄——決定合成的酶的水平和阻止轉錄——防止葡萄糖與乳糖并存時的浪費。另外，微生物代謝途徑中的抑制和激活的調節(jié)模式，途徑的誘導和阻遏的調節(jié)模式， 這些微生物自身非常“聰明”的自動調節(jié)，令它們更好地適應生存。這是不以人的主觀意志為轉移的，正如第三假說“細胞經濟假說”所言，微生物細胞是在物競天擇中形成的經濟體系，是微生物細胞生存的保障體系，為細胞的適應X，經濟X和代謝持續(xù)X提供保障。
這樣看來，微生物細胞與獨立經營自負盈虧的企業(yè)有相同的特點，非常生動。3個假說分別從能量，物質和信息等3個角度支撐發(fā)酵工業(yè)“細胞機器”正常運轉。3個假說也逐漸深入地揭示了微生物在發(fā)酵工業(yè)中好好“工作”的道理。既然微生物活細胞是發(fā)酵生產線上*的微生物生物機器，是儲存了生物信息的自主的細胞機器，我們就要增加和微生物細胞的“對話”，發(fā)揮主觀能動X，遵循并利用固有的運行規(guī)律（自然規(guī)律），處理好發(fā)酵中人與微生物的對立統(tǒng)一關系，促成合作，獲得效益。
微生物發(fā)酵過程即微生物反應過程，是指由微生物在生長繁殖過程中所引起的生化反應過程。

根據微生物的種類不同（好氧、厭氧、兼X厭氧），可以分為好氧X發(fā)酵和厭氧X發(fā)酵兩大類。
（1）好氧X發(fā)酵 在發(fā)酵過程中需要不斷地通人一定量的無菌空氣，如利用黑曲霉進行檸檬酸發(fā)酵、利用棒狀桿菌進行谷氨酸發(fā)酵、利用黃單抱菌進行多糖發(fā)酵等等。

好氧不銹鋼發(fā)酵罐

（2）厭氧X發(fā)酵 在發(fā)酵時不需要供給空氣，如乳酸桿菌引起的乳酸發(fā)酵、梭狀芽抱桿菌引起的丙酮、丁醇發(fā)酵等。

厭氧不銹鋼發(fā)酵罐

（3）兼X發(fā)酵 酵母菌是兼X厭氧微生物，它在缺氧條件下進行厭氣X發(fā)酵積累酒精，而在有氧即通氣條件下則進行好氧X發(fā)酵，大量繁殖菌體細胞。

兼厭氧不銹鋼發(fā)酵

按照設備來分，發(fā)酵又可分為敞口發(fā)酵、密閉發(fā)酵、淺盤發(fā)酵和深層發(fā)酵。
一般敞口發(fā)酵應用于繁殖快并進行好氧發(fā)酵的類型，如酵母生產，由于其菌體迅速而大量繁殖，可抑制其他雜菌生長。所以敞口發(fā)酵設備要求簡單。相反，密閉發(fā)酵是在密閉的設備內進行，所以設備要求嚴格，工藝也較復雜。淺盤發(fā)酵（表面培養(yǎng)法）是利用淺盤僅裝一薄層培養(yǎng)液，接人菌種后進行表面培養(yǎng)，在液體上面形成一層菌膜。在缺乏通氣設備時，對一些繁殖快的好氧X微生物可利用此法。深層發(fā)酵法是指在液體培養(yǎng)基內部（不僅僅在表面）進行的微生物培養(yǎng)過程。
液體深層發(fā)酵是在青霉素等抗生素的生產中發(fā)展起來的技術。同其他發(fā)酵方法相比，它具有很多優(yōu)點：
①液體懸浮狀態(tài)是很多微生物的比較適生長環(huán)境。
②在液體中，菌體及營養(yǎng)物、產物（包括熱量）易于擴散，使發(fā)酵可在均質或擬均質條件下進行，便于控制，易于擴大生產規(guī)模。
③液體輸送方便，易于機械化操作。
④廠房面積小，生產效率高，易進行自動化控制，產品質量穩(wěn)定。
⑤產品易于提取、精制等。因而液體深層發(fā)酵在發(fā)酵工業(yè)中被廣泛應用
工業(yè)生產常用微生物
微生物資源非常豐富，廣布于土壤、水和空氣中，尤以土壤中為比較多。有的微生物從自然界中分離出來就能夠被利用，有的需要對分離到的野生菌株進行人工誘變，得到突變株才能被利用。當前發(fā)酵工業(yè)所用菌種的總趨勢是從野生菌轉向變異菌，從自然選育轉向代謝控制育種，從誘發(fā)基因突變轉向基因重組的定向育種。工業(yè)生產上常用的微生物主要是細菌、放線菌、酵母菌和霉菌，由于發(fā)酵工程本身的發(fā)展以及遺傳工程的介人，藻類、病毒等也正在逐步地變?yōu)楣I(yè)生產用的微生物。其他微生物有擔子菌、 藻類。
【EM】菌 微生物發(fā)酵技術常用菌
微生物發(fā)酵常因菌種和產品不同而有所不同，但一般過程都基本相同，通常包括菌種制備、原料處理、接種培養(yǎng)、發(fā)酵控制和產品提取等環(huán)節(jié)。
1.菌種制備
菌種是發(fā)酵工業(yè)之母，沒有菌種，就談不上微生物發(fā)酵。菌種一般分保藏菌種、搖瓶（茄子瓶等）菌種和種子罐菌種。保藏菌種是發(fā)酵生產的備用菌種，一般放在低溫干燥狀態(tài)下保存。保藏菌種進入生產接種之前，首先接入斜面進行活化，使菌種從休眠狀態(tài)轉為正常代謝狀態(tài)。用于活化的培養(yǎng)基一般營養(yǎng)豐富、易于吸收，有利于菌種的生長繁殖?；罨蟮木N再進行擴大，將其接人搖瓶（茄子瓶等）中進行培養(yǎng)，此時所用的培養(yǎng)

菌種培養(yǎng)發(fā)酵罐

基比保藏菌種用培養(yǎng)基更粗放，更經濟。搖瓶種子進一步擴大，接人種子罐進行培養(yǎng)。種子罐培養(yǎng)基比較接近發(fā)酵罐所用培養(yǎng)基成分，目的是讓菌種進一步適應發(fā)酵培養(yǎng)基的環(huán)境。種子罐種子培養(yǎng)好以后可適時進行大罐（通風曲室）接種。