發(fā)酵工程的內(nèi)容-上、中、下游工程介紹

　　完整的發(fā)酵工程應(yīng)該包括從投入原料到獲得最終產(chǎn)品的整個(gè)過程。發(fā)酵工程就是要研究和解決這整個(gè)過程中的工藝和設(shè)備問題，將實(shí)驗(yàn)室和中試成果迅速擴(kuò)大到工業(yè)化生產(chǎn)中去。發(fā)酵生產(chǎn)的基本工藝和設(shè)備流程一般為：

　　從工程學(xué)的角度把發(fā)酵工業(yè)過程分為菌種、發(fā)酵和提煉(包括廢水處理)等三個(gè)階段，稱為發(fā)酵工程的上游、中游和下游工程。

　　一、上游工程包括優(yōu)良種株的培育，最適發(fā)酵條件(pH、溫度、溶氧和營(yíng)養(yǎng)組成)的確定，營(yíng)養(yǎng)物的準(zhǔn)備等。優(yōu)良發(fā)酵生產(chǎn)菌的特點(diǎn)：①能在廉價(jià)原料制成的培養(yǎng)基上迅速生長(zhǎng)。②培養(yǎng)條件易于控制。③生長(zhǎng)速度快，產(chǎn)能高，發(fā)酵周期短。④菌種純粹，抗噬菌體，非病原菌。人們一般通過化學(xué)突變、化學(xué)誘變或者紫外線照射來產(chǎn)生突變體，從而改良菌種、提高產(chǎn)量，傳統(tǒng)的誘導(dǎo)突變和選擇的方法在發(fā)酵生產(chǎn)中獲得了較大的成功。多種抗生素的大量生產(chǎn)過程就是這種方法的成功例證。但是通過傳統(tǒng)的方法提高產(chǎn)量的幅度是非常有限的，如果一個(gè)突變了的菌株某一組分合成太多，那么其他一些代謝物的合成就會(huì)受到影響，因此這反過來又會(huì)影響微生物在大規(guī)模發(fā)酵過程中的生長(zhǎng)。傳統(tǒng)的誘變和選擇的方法過程繁瑣、耗時(shí)過長(zhǎng)、費(fèi)用極高，需要篩選和檢測(cè)大量的克隆。另外，用傳統(tǒng)的方法能提高微生物一種已有的遺傳性質(zhì) ，并不能賦予這種微生物以其他遺傳特性。總的來說傳統(tǒng)的改良菌種的生物技術(shù)還僅僅局限在化學(xué)工程和微生物工程的領(lǐng)域內(nèi)。隨著DNA重組技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，這種情況發(fā)生了根本性的改變。同時(shí)，必須掌握菌株的生理生化特性和培養(yǎng)特性，解決大規(guī)模種子培養(yǎng)以及如何將其在無菌狀態(tài)下接入發(fā)酵罐等問題。上游加工中還包括原材料的物理和化學(xué)處理、培養(yǎng)基的配制和滅菌等問題，這里包括有物料破碎、混合和輸送等多種化工單元操作以及熱量傳遞、滅菌動(dòng)力學(xué)和設(shè)備等有關(guān)工程問題。

　　二、中游工程主要指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細(xì)胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù)。這里要有嚴(yán)格的無菌生長(zhǎng)環(huán)境，包括發(fā)酵開始前采用高溫高壓對(duì)發(fā)酵罐以及各種連接管道進(jìn)行滅菌的技術(shù);在發(fā)酵過程中不斷向發(fā)酵罐中通入干燥無菌空氣的空氣過濾技術(shù);在發(fā)酵過程中根據(jù)細(xì)胞生長(zhǎng)要求控制加料速度的計(jì)算機(jī)控制技術(shù);還有種子培養(yǎng)和生產(chǎn)培養(yǎng)的不同的工藝技術(shù)。此外，根據(jù)不同的需要，發(fā)酵工藝上還分批發(fā)酵(即一次投料發(fā)酵)、補(bǔ)料分批發(fā)酵(即在一次投料發(fā)酵的基礎(chǔ)上，流加一定量的營(yíng)養(yǎng)，使細(xì)胞進(jìn)一步的生長(zhǎng)，或得到更多的代謝產(chǎn)物)和連續(xù)發(fā)酵(不斷地流回營(yíng)養(yǎng)，并不怕地取出發(fā)酵液)。在進(jìn)行任何大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵前，必須在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小發(fā)酵罐進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，得到產(chǎn)物形成的動(dòng)力學(xué)模型，并根據(jù)這個(gè)模型設(shè)計(jì)中試的發(fā)酵要求，最后從中試數(shù)據(jù)再設(shè)計(jì)更大規(guī)模生產(chǎn)的動(dòng)力學(xué)模型。由于生物反應(yīng)的復(fù)雜性，在從實(shí)驗(yàn)室到中試，從中試到大規(guī)模生產(chǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)許多問題，這就是發(fā)酵工程工藝放大問題。發(fā)酵過程的優(yōu)化是指控制發(fā)酵過程的方案或發(fā)酵過程中主要控制的項(xiàng)目和方法。發(fā)酵過程優(yōu)化的目的是：①條件和相互關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化;②復(fù)雜關(guān)系盡可能簡(jiǎn)化。

發(fā)酵罐

　　三、下游工程是對(duì)目的產(chǎn)物的提取與精制。這一過程是比較困難的。這是因?yàn)橐环矫嫔�物反�?yīng)液中的目的產(chǎn)物的濃度是很低微的。例如，濃度最高的乙醇僅為10%左右，氨基酸不超過8%，抗生素不超過5%，酶制劑不超過1%，胰島素不超過0.01%，單克隆抗體不超過0.0001%;另一方面因?yàn)榉磻?yīng)液雜質(zhì)常與目的產(chǎn)物有相似的結(jié)構(gòu)，加上一些具有生物活性的產(chǎn)品對(duì)溫度、酸堿度都十分敏感，一些作為藥物或食品的產(chǎn)品對(duì)對(duì)純度、有害物質(zhì)都有嚴(yán)格的要求。從發(fā)酵液中分離和純化產(chǎn)品的技術(shù)：包括固液分離技術(shù)(離心分離，過濾分離，沉淀分離等工藝)，細(xì)胞破壁技術(shù)(超聲、高壓剪切、滲透壓、表面活性劑和溶壁酶等)，蛋白質(zhì)純化技術(shù)(沉淀法、色譜分離法和超濾法等)，最后還有產(chǎn)品的包裝處理技術(shù)(真空干燥和冷凍干燥等)。雖然發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)以發(fā)酵為主，發(fā)酵的好壞是整個(gè)生產(chǎn)的關(guān)鍵，但后處理在發(fā)酵生產(chǎn)中也占有很重要的地位。往往有這樣的情況：發(fā)酵產(chǎn)率很高，但因后處理操作和設(shè)備選用不當(dāng)而大大降低了總得率。所以發(fā)酵過程的完成并不等于工作的結(jié)束。完整的發(fā)酵工程應(yīng)該包括從投入獲得最終產(chǎn)品的整個(gè)過程。總之，下游加工過程步驟多，要求嚴(yán)，其生產(chǎn)費(fèi)用往往占生產(chǎn)成本的一半以上。

　　發(fā)酵過程：發(fā)酵罐培養(yǎng)基配制-發(fā)酵罐接種發(fā)酵-發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)物分離精制

　　通過以上文章可以了解發(fā)酵過程，采取科學(xué)有效的檢測(cè)及控制工程技術(shù)，使發(fā)酵目標(biāo)產(chǎn)物向著質(zhì)化、量化的方向發(fā)展。取得更高的經(jīng)濟(jì)效益及使用價(jià)值。

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不銹鋼發(fā)酵罐

結(jié)語(yǔ)：通過以上這篇文章的介紹，相信每一位讀者朋友們對(duì)不銹鋼發(fā)酵工程的內(nèi)容都有了一個(gè)非常深刻的了解。以上的注意事項(xiàng)的介紹，都是非常重要的知識(shí)點(diǎn)。