發(fā)酵工程的內容-上、中、下游工程介紹
完整的發(fā)酵工程應該包括從投入原料到獲得最終產(chǎn)品的整個過程。發(fā)酵工程就是要研究和解決這整個過程中的工藝和設備問題，將實驗室和中試成果迅速擴大到工業(yè)化生產(chǎn)中去。發(fā)酵生產(chǎn)的基本工藝和設備流程一般為：
從工程學的角度把發(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，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。優(yōu)良發(fā)酵生產(chǎn)菌的特點：①能在廉價原料制成的培養(yǎng)基上迅速生長。②培養(yǎng)條件易于控制。③生長速度快，產(chǎn)能高，發(fā)酵周期短。④菌種純粹，抗噬菌體，非病原菌。人們一般通過化學突變、化學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受到影響，因此這反過來又會影響微生物在大規(guī)模發(fā)酵過程中的生長。傳統(tǒng)的誘變和選擇的方法過程繁瑣、耗時過長、費用，需要篩選和檢測大量的克隆。另外，用傳統(tǒng)的方法能提高微生物一種已有的遺傳性質 ，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還僅僅局限在化學工程和微生物工程的領域內。隨著dna重組技術的出現(xiàn)和發(fā)展，這種情況發(fā)生了根本性的改變。同時，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、滅菌動力學和設備等有關工程問題。
二、中游工程主要指在發(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)酵工藝上還分批發(fā)酵（即一次投料發(fā)酵）、補料分批發(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）和連續(xù)發(fā)酵（不斷地流回營養(yǎng)，并不怕地取出發(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。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目和方法。發(fā)酵過程優(yōu)化的目的是：①條件和相互關系進行優(yōu)化；②復雜關系盡可能簡化。
三、下游工程是對目的產(chǎn)物的提取與精制。這一過程是比較困難的。這是因為一方面生物反應液中的目的產(chǎn)物的濃度是很低微的。例如，濃度的乙醇僅為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%；另一方面因為反應液雜質常與目的產(chǎn)物有相似的結構，加上一些具有生物活性的產(chǎn)品對溫度、酸堿度都十分敏感，一些作為藥物或食品的產(chǎn)品對對純度、有害物質都有嚴格的要求。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)酵的好壞是整個生產(chǎn)的關鍵，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備選用不當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束。完整的發(fā)酵工程應該包括從投入獲得最終產(chǎn)品的整個過程?？傊?，下游加工過程步驟多，要求嚴，其生產(chǎn)費用往往占生產(chǎn)成本的一半以上。本文部分摘自發(fā)酵工程與設備，詳細資料可參考教科書版
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
通過上文章可以了解發(fā)酵過程，采取科學有效的檢測及控制工程技術，使發(fā)酵目標產(chǎn)物向著質化、量化的方向發(fā)展。取得更高的經(jīng)濟效益及使用價值。
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