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景觀水、湖水、河道等凈化治理設計與施工

泳池、水景噴泉、水上樂園等水循環(huán)設計與施工

污水、廢水、中水回用、雨水利用等設計與施工

 

微生物技術工程之發(fā)酵工程的發(fā)展歷史與形成過程




      微生物工程是指采用現(xiàn)代工程技術手段,利用微生物的某些特定功能,為人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品,或直接把微生物應用于工業(yè)生產(chǎn)過程的一種新技術——
發(fā)酵工程。發(fā)酵工程的內(nèi)容包括菌種的選育、培養(yǎng)基的配制、滅菌、擴大培養(yǎng)和接種、發(fā)酵過程和產(chǎn)品的分離提純等方面。
     人們熟知的利用酵母菌發(fā)酵制造啤酒、果酒、工業(yè)酒精,乳酸菌發(fā)酵制造奶酪和酸牛奶,利用真菌大規(guī)模生產(chǎn)青霉素等都是這方面的例子。隨著科學技術的進步,發(fā)酵技術也有了很大的發(fā)展,并且已經(jīng)進入能夠人為控制和改造微生物,使這些微生物為人類生產(chǎn)產(chǎn)品的現(xiàn)代發(fā)酵工程階段?,F(xiàn)代發(fā)酵工程作為現(xiàn)代生物技術的一個重要組成部分,具有廣闊的應用前景。例如,用基因工程的方法有目的地改造原有的菌種并且提高其產(chǎn)量;利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)藥品,如人的胰島素、干擾素和生長激素等。
      已經(jīng)從過去簡單的生產(chǎn)酒精類飲料、生產(chǎn)醋酸和發(fā)酵面包發(fā)展到今天成為生物工程的一個極其重要的分支,成為一個包括了微生物學、化學工程、基因工程、細胞工程、機械工程和計算機軟硬件工程的一個多學科工程。現(xiàn)代發(fā)酵工程不但生產(chǎn)酒精類飲料、醋酸和面包,而且生產(chǎn)胰島素、干擾素、生長激素、抗生素和疫苗等多種醫(yī)療保健藥物,生產(chǎn)天然殺蟲劑、細菌肥料和微生物除草劑等農(nóng)用生產(chǎn)資料,在化學工業(yè)上生產(chǎn)氨基酸、香料、生物高分子、酶、維生素和單細胞蛋白等。
      20世紀20年代的酒精、甘油和丙酮等發(fā)酵工程,屬于厭氧發(fā)酵。從那時起,發(fā)酵工程又經(jīng)歷了幾次重大的轉(zhuǎn)折,在不斷地發(fā)展和完善。
      20世紀40年代初,隨著青霉素的發(fā)現(xiàn),抗生素發(fā)酵工業(yè)逐漸興起。由于青霉素產(chǎn)生菌是需氧型的,微生物學家就在厭氧發(fā)酵技術的基礎上,成功地引進了通氣攪拌和一整套無菌技術,建立了深層通氣發(fā)酵技術。它大大促進了發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展,使有機酸、維生素、激素等都可以用發(fā)酵法大規(guī)模生產(chǎn)。
       1957年,日本用微生物生產(chǎn)谷氨酸成功,如今20種氨基酸都可以用發(fā)酵法生產(chǎn)。氨基酸發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展,是建立在代謝控制發(fā)酵新技術的基礎上的??茖W家在深入研究微生物代謝途徑的基礎上,通過對微生物進行人工誘變,先得到適合于生產(chǎn)某種產(chǎn)品的突變類型,再在人工控制的條件下培養(yǎng),就大量產(chǎn)生人們所需要的物質(zhì)。目前,代謝控制發(fā)酵技術已經(jīng)與核苷酸、有機酸和部分抗生素等的生產(chǎn)中。
      20世紀70年代以后,基因工程、細胞工程等生物工程技術的開發(fā),使發(fā)酵工程進入了定向育種的新階段,新產(chǎn)品層出不窮。
      20世紀80年代以來,隨著學科之間的不斷交叉和滲透,微生物學家開始用數(shù)學、動力學、化工工程原理、計算機技術對發(fā)酵過程進行綜合研究,使得對發(fā)酵過程的控制更為合理。在一些國家,已經(jīng)能夠自動記錄和自動控制發(fā)酵過程的全部參數(shù),明顯提高了生產(chǎn)效率。
      發(fā)酵工程它是一級學科“輕工技術與工程”中的一個重要分支和重點發(fā)展的二級學科,在生物技術產(chǎn)業(yè)化過程中起著關鍵作用。
      1、“發(fā)酵”有“微生物生理學嚴格定義的發(fā)酵”和“工業(yè)發(fā)酵”,詞條“發(fā)酵工程”中的“發(fā)酵”應該是“工業(yè)發(fā)酵”。
      2、工業(yè)生產(chǎn)上通過“工業(yè)發(fā)酵”來加工或制作產(chǎn)品,其對應的加工或制作工藝被稱為“發(fā)酵工藝”。為實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),就必須解決實現(xiàn)這些工藝(發(fā)酵工藝)的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境、設備和過程控制的工程學的問題,因此,就有了“發(fā)酵工程”。
      3、發(fā)酵工程是用來解決按發(fā)酵工藝進行工業(yè)化生產(chǎn)的工程學問題的學科。發(fā)酵工程從工程學的角度把實現(xiàn)發(fā)酵工藝的發(fā)酵工業(yè)過程分為菌種、發(fā)酵和提煉(包括廢水處理)等三個階段,這三個階段都有各自的工程學問題,一般分別把它們稱為發(fā)酵工程的上游、中游和下游工程。
      4、微生物是發(fā)酵工程的靈魂。近年來,對于發(fā)酵工程的生物學屬性的認識愈益明朗化,發(fā)酵工程正在走近科學。
      5、發(fā)酵工程最基本的原理是發(fā)酵工程的生物學原理。      
      從廣義上講,發(fā)酵工程由三部分組成:是上游工程,中游工程和下游工程。其中上游工程包括優(yōu)良種株的選育,最適發(fā)酵條件(pH、溫度、溶氧和營養(yǎng)組成)的確定,營養(yǎng)物的準備等。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)細胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術。這里要有嚴格的無菌生長環(huán)境,包括發(fā)酵開始前采用高溫高壓對發(fā)酵原料和發(fā)酵罐以及各種連接管道進行滅菌的技術;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;在發(fā)酵過程中根據(jù)細胞生長要求控制加料速度的計算機控制技術;還有種子培養(yǎng)和生產(chǎn)培養(yǎng)的不同的工藝技術。此外,根據(jù)不同的需要,發(fā)酵工藝上還分類批量發(fā)酵:即一次投料發(fā)酵;流加批量發(fā)酵:即在一次投料發(fā)酵的基礎上,流加一定量的營養(yǎng),使細胞進一步的生長,或得到更多的代謝產(chǎn)物;連續(xù)發(fā)酵:不斷地流加營養(yǎng),并不斷地取出發(fā)酵液。
      在進行任何大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵前,必須在實驗室規(guī)模的小發(fā)酵罐進行大量的實驗,得到產(chǎn)物形成的動力學模型,并根據(jù)這個模型設計中試的發(fā)酵要求,最后從中試數(shù)據(jù)再設計更大規(guī)模生產(chǎn)的動力學模型。由于生物反應的復雜性,在從實驗室到中試,從中試到大規(guī)模生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)許多問題,這就是發(fā)酵工程工藝放大問題。下游工程指從發(fā)酵液中分離和純化產(chǎn)品的技術:包括固液分離技術(離心分離,過濾分離,沉淀分離等工藝),細胞破壁技術(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(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(真空干燥和冰凍干事燥等)。