發酵工程的內容-上、中、下游工程介紹

　　完整的發酵工程應該包括從投入原料到獲得最終產品的整個過程。發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化生產中去。發酵生產的基本工藝和設備流程一般為：

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

　　一、上游工程包括優良種株的培育，最適發酵條件(pH、溫度、溶氧和營養組成)的確定，營養物的準備等。優良發酵生產菌的特點：①能在廉價原料制成的培養基上迅速生長。②培養條件易于控制。③生長速度快，產能高，發酵周期短。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生突變體，從而改良菌種、提高產量，傳統的誘導突變和選擇的方法在發酵生產中獲得了較大的成功。多種抗生素的大量生產過程就是這種方法的成功例證。但是通過傳統的方法提高產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模發酵過程中的生長。傳統的誘變和選擇的方法過程繁瑣、耗時過長、費用極高，需要篩選和檢測大量的克隆。另外，用傳統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重組技術的出現和發展，這種情況發生了根本性的改變。同時，必須掌握菌株的生理生化特性和培養特性，解決大規模種子培養以及如何將其在無菌狀態下接入發酵罐等問題。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、中游工程主要指在最適發酵條件下，發酵罐中大量培養細胞和生產代謝產物的工藝技術。這里要有嚴格的無菌生長環境，包括發酵開始前采用高溫高壓對發酵罐以及各種連接管道進行滅菌的技術;在發酵過程中不斷向發酵罐中通入干燥無菌空氣的空氣過濾技術;在發酵過程中根據細胞生長要求控制加料速度的計算機控制技術;還有種子培養和生產培養的不同的工藝技術。此外，根據不同的需要，發酵工藝上還分批發酵(即一次投料發酵)、補料分批發酵(即在一次投料發酵的基礎上，流加一定量的營養，使細胞進一步的生長，或得到更多的代謝產物)和連續發酵(不斷地流回營養，并不怕地取出發酵液)。在進行任何大規模工業發酵前，必須在實驗室規模的小發酵罐進行大量的實驗，得到產物形成的動力學模型，并根據這個模型設計中試的發酵要求，最后從中試數據再設計更大規模生產的動力學模型。由于生物反應的復雜性，在從實驗室到中試，從中試到大規模生產過程中會出現許多問題，這就是發酵工程工藝放大問題。發酵過程的優化是指控制發酵過程的方案或發酵過程中主要控制的項目和方法。發酵過程優化的目的是：①條件和相互關系進行優化;②復雜關系盡可能簡化。

發酵罐

　　三、下游工程是對目的產物的提取與精制。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%;另一方面因為反應液雜質常與目的產物有相似的結構，加上一些具有生物活性的產品對溫度、酸堿度都十分敏感，一些作為藥物或食品的產品對對純度、有害物質都有嚴格的要求。從發酵液中分離和純化產品的技術：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)，最后還有產品的包裝處理技術(真空干燥和冷凍干燥等)。雖然發酵工業生產以發酵為主，發酵的好壞是整個生產的關鍵，但后處理在發酵生產中也占有很重要的地位。往往有這樣的情況：發酵產率很高，但因后處理操作和設備選用不當而大大降低了總得率。所以發酵過程的完成并不等于工作的結束。完整的發酵工程應該包括從投入獲得最終產品的整個過程。總之，下游加工過程步驟多，要求嚴，其生產費用往往占生產成本的一半以上。

　　發酵過程：發酵罐培養基配制-發酵罐接種發酵-發酵產物產物分離精制

　　通過以上文章可以了解發酵過程，采取科學有效的檢測及控制工程技術，使發酵目標產物向著質化、量化的方向發展。取得更高的經濟效益及使用價值。

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不銹鋼發酵罐

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