什么是微生物發酵？

微生物發酵亦稱微生物工程，是生物工程的重要組成和基礎，它利用微生物的作用并通過近代工程技術來實現有用物質向工業化生產或其他產業過程轉化的科學技術體系。

它以微生物學和生物化學及遺傳學的理論為基礎，開發白然界微生物資源及其所有的潛在功能，使之應用于生產實踐。其主要包括原料的處理和有用微生物的篩選和誘變；菌種工業應用的培養條件的選擇；代謝的調節和控制；生物反應等的研究和設計；發酵工藝中各種參數的測試與白控；產物的分離和提取等。

微生物發酵技術與基因工程、細胞工程、酶工程相互密切結合、相互滲透和相互促進，是科研成果從實驗室向商業化轉移的重要課題?？偟膩碚f，微生物發酵既是開發生物資源的關鍵技術，也是生物技術產業化的重要環節。

微生物發酵的工作流程是怎樣的？

首先要了解微生物發酵到底是什么？其實我們見過的蘋果等食物的腐爛也是微生物在發酵，但是這里我們指的是利用微生物，在適宜的條件下，將原料經過特定的代謝途徑轉化為人類所需要產物的過程。那么這個過程主要有哪些步驟呢？

一、菌體的培育

1、是菌體自然選育

就是在生產過程中，不經過人工處理，利用菌種的自發突變，從而選育出優良菌種的過程，叫做自然選育。菌種的自發突變往往存在兩種可能性：菌種衰退，生產性能下降;或者是代謝更加旺盛，生產性能提高。具有實踐經驗和善于觀察的工作人員，就能利用自發突變而出現的菌種性狀的變化，選育出優良菌種。例如，在谷氨酸發酵過程中，人們從被噬菌體污染的發酵液中分離出了抗噬菌體的菌種。又如，在抗生素發酵生產中，從某一批次高產的發酵液取樣進行分離，往往能夠得到較穩定的高產菌株。但自發突變的頻率較低，出現優良性狀的可能較小，需堅持相當長的時間才能收到效果。

2、是菌體誘變育種

誘變育種是指用人工的方法處理微生物，使它們發生突變，再從中篩選出符合要求的突變菌株，供生產和科學實驗用。誘變育種與其他育種方法相比，具有操作簡便、速度快和收效大的優點，至今仍是一種重要的、廣泛應用的微生物育種方法。誘變育種包括出發菌種選擇、誘變處理和篩選突變株三個部分。

二、菌種的選取

菌種經誘變處理后，會產生各種各樣的突變類型。如何從中挑選出所需要的突變類型呢?一般要經過初篩和復篩兩個階段。下面以青霉素產生菌高產突變菌種的篩選為例說明。將經誘變處理的菌液按一定濃度稀釋后，涂布在平板培養基上。培養后，將單個菌落挑到斜面培養基上，經培養后，再將斜面上的菌落逐個接種到搖瓶中，振蕩培養后測它們的抗生素效價。這就是初篩。初篩中所得到的超過對照效價10%以上的菌種，再進行復篩。復篩的過程與初篩基本相同，不同的是一般將斜面上的單個菌落接種到三個搖瓶中，得出平均效價。復篩可進行1～3次。由此篩選出的高產穩定菌種還要經過小型甚至中型試驗，才能用到發酵生產中。

三、培養基的配置

(1)原料：碳源，氮源，生長因子，無機鹽和水。

(2)原則：目的要明確，營養要協調，PH要適宜。

四、滅菌

發酵過程中不能有雜菌污染,不僅要對培養基進行滅菌,還要對發酵裝置進行滅菌,通入的空氣也要進行滅菌.滅菌不僅要殺死雜菌細胞,還要殺死芽孢和孢子。

五、擴大培養和接種

擴大培養可以縮短微生物生長的調整期。

六、微生物發酵過程

是發酵的中心階段。 關鍵是控制發酵的條件，如溫度，pH，溶氧，通氣量與轉速等。原因是環境條件的變化，不僅會影響菌種的生長繁殖，還會影響菌種代謝產物的形成。影響發酵過程的因素 影響發酵過程的因素主要有以下幾個方面。

1、溫度控制

溫度對微生物的影響是多方面的。首先，溫度影響酶的活性。在溫度范圍內，隨著溫度的升高，菌體生長和代謝加快，發酵反應的速率加快。當超過溫度范圍以后，隨著溫度的升高，酶很快失活，菌體衰老，發酵周期縮短，產量降低。溫度也能影響生物合成的途徑。例如，金色鏈霉菌在30 ℃以下時，合成金霉素的能力較強，但當溫度超過35 ℃時，則只合成四環素而不合成金霉素。此外，溫度還會影響發酵液的物理性質，以及菌種對營養物質的分解吸收等。因此，要保證正常的發酵過程，就需維持溫度。但菌體生長和產物合成所需的溫度不一定相同。如灰色鏈霉菌的生長溫度是37 ℃，但產生抗生素的溫度是28 ℃。通常，必須通過實驗來確定不同菌種各發酵階段的溫度，采取分段控制。

2、適宜的pH值

pH能夠影響酶的活性，以及細胞膜的帶電荷狀況。細胞膜的帶電荷狀況如果發生變化，膜的透性也會改變，從而有可能影響微生物對營養物質的吸收及代謝產物的分泌。此外，pH還會影響培養基中營養物質的分解等。因此，應控制發酵液的pH。但不同菌種生長階段和合成產物階段的pH往往不同，需要分別加以控制。在發酵過程中，隨著菌體對營養物質的利用和代謝產物的積累，發酵液的pH必然會發生變化。如當尿素被分解時，發酵液中的NH+4濃度就會上升，pH也隨之上升。在工業生產上，常采用在發酵液中添加維持pH的緩沖系統，或通過中間補加氨水、尿素、碳酸銨或碳酸鈣來控制pH。目前，國內已研制出檢測發酵過程的pH電極，用于連續測定和記錄pH變化，并由pH控制器調節酸、堿的加入量。

3、溶解氧

氧的供應對需氧發酵來說，是一個關鍵因素。從葡萄糖氧化的需氧量來看，1 mol的葡萄糖氧化分解，需6 mol的氧;當糖用于合成代謝產物時，1 mol葡萄糖約需1.9 mol的氧。因此，好氧型微生物對氧的需要量是很大的，但在發酵過程中菌種只能利用發酵液中的溶解氧，然而氧很難溶于水。在101.32 kPa、25 ℃時，氧在水中的溶解度為0.26 mmol/L。在同樣條件下，氧在發酵液中的溶解度僅為0.20 mmol/L，而且隨著溫度的升高，溶解度還會下降。因此，必須向發酵液中連續補充大量的氧，并要不斷地進行攪拌，這樣可以提高氧在發酵液中的溶解度。

4、泡沫

在發酵過程中，通氣攪拌、微生物的代謝過程及培養基中某些成分的分解等，都有可能產生泡沫。發酵過程中產生一定數量的泡沫是正?，F象，但過多的持久性泡沫對發酵是不利的。因為泡沫會占據發酵罐的容積，影響通氣和攪拌的正常進行，甚至導致代謝異常，因而必須消除泡沫。常用的消泡沫措施有兩類：一類是安裝消泡沫擋板，通過強烈的機械振蕩;另一類是使用消泡沫劑 營養物質的濃度 發酵液中各種營養物質的濃度，特別是碳氮比、無機鹽和維生素的濃度，會直接影響菌體的生長和代謝產物的積累。如在谷氨酸發酵中，NH+4濃度的變化，會影響代謝途徑(見谷氨酸發酵)。因此，在發酵過程中，也應根據具體情況進行控制。 以制造谷氨酸為例，發酵在發酵過程中，氧、溫度、pH和磷酸鹽等的調節和控制如下：

①氧。谷氨酸產生菌是好氧菌，通風和攪拌不僅會影響菌種對氮源和碳源的利用率，而且會影響發酵周期和谷氨酸的合成量。尤其是在發酵后期，加大通氣量有利于谷氨酸的合成。

②溫度。菌種生長的溫度為30～32 ℃。當菌體生長到穩定期，適當提高溫度有利于產酸，因此，在發酵后期，可將溫度提高到34～37 ℃。

③pH。谷氨酸產生菌發酵的pH在7.0～8.0。但在發酵過程中，隨著營養物質的利用，代謝產物的積累，培養液的pH會不斷變化。如隨著氮源的利用，放出氨，pH會上升;當糖被利用生成有機酸時，pH會下降。

④磷酸鹽。它是谷氨酸發酵過程中必需的，但濃度不能過高，否則會轉向纈氨酸發酵。發酵結束后，常用離子交換樹脂法等進行提取。

七、分離提純

代謝產物：可采用蒸餾，萃取，離子交換等方法提取。

菌體自身：可采用過濾，沉淀等方法從培養液中分離出來。

八、應用范圍

微生物發酵生產水平主要取決于菌種本身的遺傳特性和培養條件。發酵工程的應用范圍有：

⑴醫藥工業，

⑵食品工業，

⑶能源工業，

⑷化學工業，

⑸農業：改造植物基因;生物固氮;工程殺蟲菌生物農藥;微生物養料。

⑹環境保護等方面。但微生物發酵的過程一定要注意不能被感染，一旦感染其他的菌種，將不能培育成我們所需要的產品。

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