微生物发酵的工业应用介绍（下）

引言

  微生物发酵，作为利用微生物（包括细菌、酵母、霉菌等）的代谢活动在受控条件下（发酵罐）生产目标产物的核心技术，已从古老的食品酿造工艺发展成为现代生物技术产业的基石。它以其高效、绿色、可持续的特点，深度渗透到食品、医药、化工等关键领域。

  前篇已简述微生物发酵的相关生物类群特性及在医药生物技术领域的应用，本文将继续介绍化工领域中的应用及发酵工艺流程。

一、化工领域的应用与技术要点

  在化工领域主要追求高产、低成本和大规模的发酵技术，通过基因工程、过程优化等手段使微生物将原料高效地转化为需要的目标产物，通常底物为葡萄糖、蔗糖、玉米浆、甲醇、纤维素水解液等。

1.工业酶制剂的生产

  在实验室中，微生物合成酶的量很少，只满足自身需要。工业化生产的目标则是通过基因工程改造及发酵工艺的优化，促进物大量生产并分泌特定的酶。

（1）基因工程改造

  主要分为三步，一是从天然产酶菌株中分离编码目标酶的基因，或通过人工合成得到该基因，构建表达载体，设计强启动子，建立多拷贝数的基因副本；二为优化信号肽，信号肽的效率直接影响分泌效果，通过基因工程改造，不同信号肽的效率差异很大，通过筛选或理性设计最适合目标酶-宿主组合的信号肽；三为敲除胞外蛋白酶基因：通过基因敲除灭活宿主菌中编码胞外蛋白酶的基因，防止降解生产的目标酶。

（2）发酵工艺的优化

  发酵工艺的优化主要有三部分分别为营养优化、诱导控制、环境参数优化。

  营养优化，提供精确配比的碳源（如葡萄糖、淀粉）、氮源、无机盐等，既满足菌体生长和产酶的需要，又避免过度生长或产生副产物。

  诱导控制，精确控制诱导剂添加的时机和浓度，在最合适的菌体生长阶段启动酶的合成。

  环境参数控制，全程精确控制温度、pH、溶解氧等参数，因为这些因素直接影响酶的合成速率和稳定性。

2.有机酸的生产

  有机酸是微生物初级代谢的中间产物，通过调控代谢途径，可以使这些中间产物积累并分泌到细胞外。绝大多数有机酸发酵都以糖类为起点，核心路径主要为糖酵解途径及三羧酸循环。

（1）柠檬酸

  这是世界上产量最大的有机酸，主要由黑曲霉发酵生产，黑曲霉拥有高效的糖转运系统和糖酵解途径，能快速将葡萄糖转化为丙酮酸，丙酮酸一方面氧化脱羧生成大量乙酰辅酶A，另一方面羧化生成草酰乙酸，乙酰辅酶A与草酰乙酸在柠檬酸合成酶作用下缩合为柠檬酸，通过调节培养基中的磷酸盐、金属离子，调节顺乌头酸酶的活性，阻断柠檬酸转化异柠檬酸，诱导菌体生理异常代谢以大量积累柠檬酸。

（2）乳酸

  由乳酸菌发酵生产，纯糖酵解，乳酸发酵是典型的同型发酵。葡萄糖经糖酵解途径生成丙酮，在乳酸脱氢酶（LDH）的催化下，丙酮酸作为氢受体，被糖酵解产生的NADH还原，直接生成乳酸。此过程的唯一终产物是乳酸。其核心目的是在无氧条件下通过产生乳酸来再生NAD⁺，使糖酵解能持续进行，以获取能量，代谢流向非常直接，没有分支。

（3）醋酸

  主要通过醋酸菌（如醋杆菌属、葡糖酸杆菌属）的氧化发酵生产，醋酸菌可以直接氧化乙醇（来自果汁、酒精发酵液）为醋酸。首先，乙醇在膜结合的乙醇脱氢酶作用下被氧化为乙醛，然后乙醛在乙醛脱氢酶作用下进一步氧化为醋酸。此过程产生的电子通过膜上的电子传递链，最终传递给氧气，并产生能量（ATP）。醋酸菌对醋酸的耐受力很强，能将培养基中的酒精几乎完全转化为醋酸。

表1 不同工业酶制剂及有机酸的相关微生物

二、通用发酵工艺流程

  无论应用于哪个领域，一个完整的发酵工艺都包含以下关键环节：

  1.菌种选育与保藏，从自然分离到诱变育种，再到现代的代谢工程和合成生物学改造，目标是获得高产、稳定、符合生产要求的菌种。菌种需在超低温或液氮中妥善保藏。

  2.种子扩培，将保藏的菌种逐级放大培养，获得数量充足、生理状态旺盛的种子液，为接种到大发酵罐做准备。

  3.培养基设计与灭菌，培养基为微生物提供碳源、氮源、无机盐、生长因子等。所有物料和发酵设备必须经过严格灭菌，杜绝杂菌污染。

  4.发酵过程控制，发酵的核心阶段，需在线或离线监测并控制关键参数。

表2 发酵的关键参数及影响

  5.下游加工，发酵结束后，将目标产物从发酵液中分离、纯化并制成成品。包括固液分离、细胞破碎、提取、纯化（层析、膜过滤等）、结晶、干燥等步骤。下游加工成本往往占整个生产成本的很大部分。

三、相关培养基的采购

  青岛高科技工业园海博生物技术有限公司有适用于发酵生产菌株涉及的相关培养基，客户可根据实际情况和用途进行选用。

注:本文属海博生物原创,未经允许不得转载。

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