生物發(fā)酵作為新材料、新技術越來越貼近我們的日常生活,應用在人們生活的諸多領域。從歷史發(fā)展脈絡看,生物發(fā)酵技術已經(jīng)應用了很長時間,公元前 3000 年,古埃及人最先掌握了制作發(fā)酵面包的技術,古巴比倫人使用啤酒和酵母來幫助傷口愈合,中國發(fā)酵歷史最早也是最典型的就是饅頭,據(jù)傳是三國時期諸葛亮發(fā)明的。
從食品、藥品、化工、化妝品、生活用品等等都和生物發(fā)酵技術息息相關。具不完全統(tǒng)計,我國生物發(fā)酵相關企業(yè)超1.8萬家,生物發(fā)酵行業(yè)產(chǎn)學研用的合作日益密切,在輕工業(yè)、食品等領域科技成果數(shù)量快速提升,我國在許多相關產(chǎn)業(yè)化及應用方面已走在世界前列。
問
發(fā)酵是什么??
發(fā)酵就是將微生物接種到合適的培養(yǎng)基中,通過控制其生長和代謝環(huán)境,來使微生物發(fā)揮起獨特功能的過程。其主要內(nèi)容包括菌種的選育,種子的擴大培養(yǎng),培養(yǎng)基的配制與滅菌,接種及發(fā)酵控制等。
從不同的角度可將發(fā)酵分成不同的類型。根據(jù)是否需要氧氣可分為厭氧發(fā)酵(靜置發(fā)酵)和好氧發(fā)酵(通氣發(fā)酵);根據(jù)發(fā)酵培養(yǎng)基的性質(zhì)可分為固態(tài)發(fā)酵和液態(tài)發(fā)酵;根據(jù)發(fā)酵方式的不同可分為分批發(fā)酵、補料分批發(fā)酵及連續(xù)發(fā)酵等。下面我們主要以發(fā)酵培養(yǎng)基的性質(zhì)分類為例。
固態(tài)發(fā)酵
指沒有或幾乎沒有自由水存在下,在有一定濕度的水溶性固態(tài)基質(zhì)中,用一種或多種微生物的一個生物反應過程。從生物反應過程中的本質(zhì)考慮,固態(tài)發(fā)酵是以氣相為連續(xù)相的生物反應過程。固體發(fā)酵具有操作簡便、能耗低、發(fā)酵過程容易控制、對無菌要求相對較低、不易發(fā)生大面積的污染等優(yōu)點。
液態(tài)發(fā)酵
指發(fā)酵培養(yǎng)基的狀態(tài)為液體。絕大多數(shù)純種發(fā)酵都為液態(tài)發(fā)酵,如青霉素發(fā)酵。早期的青霉素發(fā)酵在液體淺盤上進行,由于該法存在產(chǎn)量低、易污染且勞動強度大等缺點,現(xiàn)已被深層液體通風發(fā)酵法取代。深層液體通風發(fā)酵在密閉通風發(fā)酵罐中進行,將種子接入滅菌的發(fā)酵培養(yǎng)基中,然后在適宜的溫度、溶氧下發(fā)酵,發(fā)酵罐中有蛇管或夾套可以控溫,溶解氧的濃度可以通過調(diào)節(jié)攪拌機轉(zhuǎn)速或通入的無菌空氣的風量來控制。
在食品工業(yè)領域,食品發(fā)酵工藝不斷革新,發(fā)酵工程產(chǎn)品可占食品工業(yè)總銷售額的15%以上。目前,利用微生物發(fā)酵法可以生產(chǎn)近20種氨基酸,該法與蛋白質(zhì)水解和化學合成法相比,具有生產(chǎn)成本低,工藝簡單等優(yōu)勢,且全部具有光學活性。健康食品中的營養(yǎng)素生產(chǎn)也有賴微生物發(fā)酵技術,但微生物發(fā)酵法對技術要求較高,不但需要特定的優(yōu)質(zhì)菌種,而且發(fā)酵過程需要嚴格控制工藝條件。此外某些食品營養(yǎng)強化劑也可采用微生物發(fā)酵,具有產(chǎn)品效率高、單位能耗低、對環(huán)境的污染小等優(yōu)勢。
在制藥領域,通過微生物發(fā)酵生產(chǎn)的藥物有氨基酸、核酸、抗生素、酶及部分多肽等。根據(jù)不同的發(fā)酵菌種,可將微生物發(fā)酵制藥分為好氧發(fā)酵、厭氧發(fā)酵和兼性厭氧發(fā)酵三類。根據(jù)使用的不同發(fā)酵工具,微生物發(fā)酵又可分為密閉發(fā)酵、敞口發(fā)酵、淺盤發(fā)酵及深層發(fā)酵等。其中深層發(fā)酵的技術門檻較高,需要專業(yè)的培養(yǎng)液,富含利于細菌發(fā)酵所需的營養(yǎng)物質(zhì)和原料。深層發(fā)酵的優(yōu)點是便于實現(xiàn)機械化操作及大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn),青霉素的生產(chǎn)就曾借助于深層發(fā)酵技術。此外,合適的培養(yǎng)基也是取得良好轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的必要條件。人工培養(yǎng)基包括固體培養(yǎng)基、液體培養(yǎng)基、半固體培養(yǎng)基、脫水培養(yǎng)基這四種。
在環(huán)保工業(yè)領域,發(fā)酵工程技術也展示出廣闊的應用前景。數(shù)據(jù)顯示,我國每年由于固體廢棄物造成的經(jīng)濟損失累計約80億元,而這些廢棄物中有大量的有機物,利用微生物發(fā)酵技術可以對廢棄物進行無害化、資源化、減量化處理,變廢為寶。比如有機廢物經(jīng)堆肥化處理后能變成優(yōu)良的土壤改良劑和優(yōu)質(zhì)肥料。還有針對食品加工產(chǎn)生的廢水,利用酵母循環(huán)系統(tǒng)可有效處理,處理后產(chǎn)生的污泥也可作為飼料或肥料而加以利用。相比細菌的活性污泥法,酵母循環(huán)系統(tǒng)處理能力是細菌法的5至7倍,能高效地利用資源。
未來,生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)還會催生出更多創(chuàng)新,融入更多領域,要將科學基礎轉(zhuǎn)換成技術的支撐,通過技術保障好產(chǎn)品的品質(zhì)。舜甫科技集團與國內(nèi)頂尖科研院所合作,通過產(chǎn)學研用的整體思路為發(fā)酵產(chǎn)業(yè)進行生態(tài)賦能,幫助企業(yè)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)升級、助您突破技術瓶頸,實現(xiàn)共同發(fā)展、共享共贏!
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