（一）工業(yè)發(fā)酵的概念

        工業(yè)發(fā)酵是指細菌和真菌等微生物以及真核細胞(CHO細胞和昆蟲細胞)有意利用發(fā)酵來制造對人類有用的產(chǎn)品。發(fā)酵產(chǎn)品在食品和一般工業(yè)中都有應用。一些日用化學品，如醋酸、檸檬酸和乙醇是通過發(fā)酵生產(chǎn)的。發(fā)酵的速率取決于微生物、細胞、細胞成分和酶的濃度以及溫度、pH和需氧發(fā)酵的氧。幾乎所有商業(yè)生產(chǎn)的酶，如脂肪酶、轉(zhuǎn)化酶和凝乳酶，都是用轉(zhuǎn)基因微生物發(fā)酵制成的。在某些情況下，生物量產(chǎn)生本身就是目的，如用于奶酪制造的面包酵母和乳酸菌發(fā)酵劑。

一般來說，發(fā)酵可以分為四種類型：

生物量的產(chǎn)生(可存活的細胞物質(zhì))；

細胞外代謝物的產(chǎn)生(化合物)；

細胞內(nèi)成分的產(chǎn)生(酶和其他蛋白質(zhì))；

基質(zhì)的轉(zhuǎn)化(轉(zhuǎn)化的基質(zhì)本身就是產(chǎn)物)。

這些類型不一定相互獨立，但提供了一個框架來理解方法中的差異。所用的生物體可能是細菌、酵母、霉菌、藻類、動物細胞或植物細胞，還需要特別考慮在發(fā)酵中使用的特定生物體，如溶解氧水平、營養(yǎng)水平和溫度。

（二）工業(yè)發(fā)酵過程概述

        在大多數(shù)工業(yè)發(fā)酵過程中，生物體或真核細胞都浸泡在液體培養(yǎng)基中；在其他的發(fā)酵過程中，比如可可豆、咖啡櫻桃和味噌的發(fā)酵，發(fā)酵產(chǎn)生在濕潤的培養(yǎng)基表面。還有一些與發(fā)酵過程有關(guān)的工業(yè)方面的考慮。例如，為了避免生物工藝污染，發(fā)酵介質(zhì)、空氣和設備都要消毒。泡沫控制可以通過機械消泡劑或化學消泡劑來實現(xiàn)。其他一些因素必須測量和控制，如壓力、溫度、攪拌軸功率和粘度。

        工業(yè)發(fā)酵的一個重要因素是規(guī)模擴大。這是實驗室程序到工業(yè)過程的轉(zhuǎn)變。在工業(yè)微生物學領(lǐng)域，當?shù)谝淮未笠?guī)模嘗試時，在實驗室規(guī)模上行之有效的方法可能在工業(yè)過程中效果不佳或根本行不通。一般情況下，不能把在實驗室已經(jīng)有效的發(fā)酵條件盲目地應用到工業(yè)規(guī)模的設備上。雖然許多參數(shù)已被測試使用作為放大標準，但沒有通用公式，因為在發(fā)酵過程的變化。最重要的方法是保持單位肉湯的恒定功率消耗和保持恒定的容積傳輸率。

        用于發(fā)酵的微生物或真核細胞生長在特殊設計的生長培養(yǎng)基中，它能提供生物體或細胞所需的營養(yǎng)，這種生長培養(yǎng)基就是發(fā)酵培養(yǎng)基。它存在著各種各樣的介質(zhì)，但無一例外都含有碳源、氮源、水、鹽和微量元素。

        碳源通常是糖或其他碳水化合物，盡管在底物轉(zhuǎn)化的情況下(如醋的生產(chǎn))，碳源可能是酒精或其他東西。對于大規(guī)模的發(fā)酵，如那些用于生產(chǎn)乙醇的，廉價的碳水化合物來源，如糖蜜，玉米漿，甘蔗汁，或甜菜汁會被經(jīng)常使用以減少成本。更敏感的發(fā)酵可以使用純化的葡萄糖、蔗糖、甘油或其他糖類，這樣可以減少變異，有助于確保最終產(chǎn)品的純度。本應產(chǎn)生酶如半乳糖苷酶、轉(zhuǎn)化酶或其他淀粉酶的生物體，可以喂淀粉以選擇大量表達酶的生物體。

        對于大多數(shù)生物來說，固定的氮源是合成蛋白質(zhì)、核酸和其他細胞成分所必需的。取決于生物體的酶能力，氮可以以大量蛋白質(zhì)的形式提供，如豆粕;如預消化的多肽，如蛋白胨或胰蛋白酶；或者作為氨或硝酸鹽。成本也是氮源選擇的一個重要因素。

        磷是細胞膜磷脂生產(chǎn)和核酸生產(chǎn)所必需的。必須添加的磷酸鹽的數(shù)量取決于肉湯的組成和生物的需要，以及發(fā)酵的目的。例如，有些培養(yǎng)物在磷酸鹽存在時不會產(chǎn)生次生代謝物。

        生長因子和微量營養(yǎng)素，在發(fā)酵液的生物體不能產(chǎn)生他們所需要的所有維生素，所以需要額外提供。酵母提取物是發(fā)酵培養(yǎng)基中微量營養(yǎng)素和維生素的常見來源。無機營養(yǎng)素，包括鐵、鋅、銅、錳、鉬和鈷等微量元素，通常存在于未精制的碳和氮源中，但在使用純化的碳和氮源時，可能需要添加。

        由于發(fā)酵液通常含有多種增強泡沫的蛋白質(zhì)、多肽或淀粉，所以產(chǎn)生大量氣體(或需要添加氣體)的發(fā)酵過程往往會形成一層泡沫。為了防止這種泡沫的發(fā)生或積累，可以添加消泡劑。礦物緩沖鹽，如碳酸鹽和磷酸鹽，可用來穩(wěn)定pH值接近最佳。當金屬離子濃度很高時，可能需要使用螯合劑。

        許多工業(yè)發(fā)酵使用復雜的有機氮源，這些氮源是農(nóng)業(yè)和食品加工工業(yè)的副產(chǎn)品，如:玉米漿、干蒸餾液、酵母、魚或骨粉、玉米胚芽或面筋粉、蛋白、蛋白胨、水解物和酪蛋白等等。這些氮源提供許多其他營養(yǎng)物質(zhì)，而且通常價格合理。使用這些材料后，工業(yè)發(fā)酵通常會更快更有效，因為它們減少了化合物的數(shù)量。

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