1、生物工程及其在发酵工业上的应用【摘要】本文对生物工程以及在工业发酵、化肥等方面应用进行分析，以供参考。 【关键词】生物；发酵；工业；应用 中图分类号：Q81 文献标识码： A 一、前言 发酵技术是生物工程的重要技术，在工业、养殖等方面广泛使用。本文将对其应用进行重点分析。 二、生物工程学发展的历史背景 生物工程学是最近几年发展起来的新型学科,它的前身是发酵工业,但它的范围和深远意义却远远超过了发酵工业,生物工程学的历史背景是分子生物学、分子遗传学、微生物学、生物化学及计算机等基础学科,以及由它们派生出的基因工程、组织培养、细胞培养、固定化酶、固定化细胞、生物传感器、微生物培养过程中的自动化控制
2、,以及发酵产物的分离提纯新技术。从而使人们有可能利用微生物、动物或植物细胞的培养来得到人类在医药、食品、化工、能源、农业以及环保方面所希望得到的产品,或要求达到的目的。从它所产生的历史背景和所包括的内容(基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程),不难看出生物工程是多种基础学科和多种先进技术结合产生的一门崭新的跨学科、跨行业的新兴学科。它远远超过传统发酵工业范围。 近年来国内外政府部门、工商业界、科学教育界都涌跃投资,热情研究,并建立了许多生物工程公司。据统计近年来的国际上已建立了 300 多个生物工程公司,其中 80%在美国,其余分布在法国、英国、日本等发达的资本主义国家。各国都在结合自己的特点
3、发展生物科学:美国是全面发展,英国侧重研究单克隆拉体、单细胞蛋白、发酵技术;日本则结合传统的发酵产品,研究精细药品,法国则进行疫苗、动物蛋白以及食品工业有关的项目的研究,荷兰与澳大利亚则侧重于畜牧业与乳品工业等的研究。这些国家还建立了国际生物工程学研究中心。 三、生物工程在发酵工业中的应用 发酵工业是以微生物作基础的,微生物菌种性能的优劣不仅影响产品产量的高低、质量的好坏、成本的高低、经济效益的有无,而且还影响新产品的开发、新原料的利用。老的育种方法是通过从自然界中微生物的分离、常规诱变育种或合理的育种,曾获得高产菌株,增加了经济效益。他们的效果是:对原来存在的形成产物的结构基因没有改变；对调
4、节基因引起突变,解除了反馈调节,变诱导型为组成型；阻断支路代谢(如赖氨酸生产菌种的选育,就是阻断通往高丝氨酸支路),提高前体的供应解除协同反馈；改变细胞的渗透性,有利于产物的积累,从而使发酵工作取得了很大的效益。但由于以往对结构基因的拷贝数不能增加,原来不存在的结构基因更不能产生。因此用老的育种方法不能使菌种的生产性能有大的突破,更不能组建新的菌种。直到七十年代基因工程的诞生才为发酵工业开创了一个新的时代,因为人们能利用基因工程技术按照自己的意图,培育生产上最优良的菌种。 1、氨基酸发酵 氨基酸是组成蛋白质的基础成分,特别八种必须氨基酸在人和动物体内不能合成,必须由食物供给,因此用发酵法生产必
5、需氨基酸有其重要的经济意义,特别是赖氨酸对食品工业、饲料工业及儿童食品都有重要的经济意义。因为谷类蛋白质中赖氨酸含量不能满足儿童发育的需要,如果不进行人工添加,就会因赖氨酸不平衡而造成营养缺乏。日本人曾在小学生和中学生膳食中进行过添加赖氨酸试验,结果发现在食用添加赖氨酸的,其身材相对高大,握力也增大。 由于赖氨酸的重要性,无锡轻工业学院曾对赖氨酸生产菌种的选育作了大量研究工作,他们用物理、化学因素处理黄色短杆菌 Asl.495,结果获得了能积累赖氨酸的苏氨酸缺陷型菌株,再用 AEC 和 SD 处理,获得高产赖氨酸的 FRR961 菌株,在适宜条件下,赖氨酸积累量达 45 克/升,葡萄糖的转化率
6、达到 35%以上,发酵液中赖氨酸的总提取率达到 70%,该菌株是国内生产赖氨酸的优良菌株之一。 但赖氨酸的高产菌株都有生长缓慢的缺点,日本科学家们为了弥补这一缺陷,另选一株生长速度迅速的菌种与之进行细胞融合,结果获得一株产酸率高、生长快的菌株,其赖氨酸生产速率比原菌株提高了三倍。同时他们应用基因重组技术进一步构建赖氨酸高产的原理,他们因而获得了一项专利。法国巴黎大学对赖氨酸生物合成的头六个基因进行了分离和鉴定,以后他们与法国康涅徨大学的生物工程部的科学家们合作,从重组 DNA技术入手,通过基因扩增的方式,提高参与生物合成赖氨酸的某种酶的活性,使赖氨酸的产量提高了五倍。 2、酶的发酵生产 酶是十
7、种活性蛋白质,不同的酶是由不同的结构基因编码的,因此要提高酶的产量,就要扩增目的基因的拷贝数和解除调节基因的控制,日本科学家于 1983 年用基因工程技术组建 a 一淀粉酶的高产菌株。因为 a 一淀粉酶是枯草芽抱杆菌的主要胞外酶之一,酶的产量受多种调节基因控制。通过 DNA 转化,使这些调节基因的几个基因引入到一个细胞中,由于这些调节基因被引入到同一细胞中,能起到协同作用,所以引起 a 一淀粉酶的高产。一株至少含有 6 个调节基因的高产胞外 a 一淀粉酶的菌株下 2N26,就是通过逐步转化和突变的方法组建的。 3、酒精生产新技术 近年来,由于能源危机等原因,国外在生产化学产品上的明显趋向是,应
8、用生物工程技术,以生物物质生产酒精来代替石油。如日本由于石油缺乏,对于生物物质的利用作出了很大的努力,在七年计划中,前三年用于合成燃料的资金为 3400 万美元,主要是进行纤维素的酶法糖化和发酵工艺的研究,以此来生产酒精。加拿大也致力于纤维素生产酒精的研究,他们采用酸水解纤维素的方法。巴西则用废糖蜜生产酒精,并在汽油中加 20%酒精,名为酒精汽油,以此代替汽油。 4、新型甜味剂的开发。 由于饮料工业的发展,糖的消耗量迅速增加,但是糖系高热量食品,吃多了容易发胖,从而要求供应蔗糖以外的低热量甜味剂,在这种情况下就出现了高果糖浆和人工合成甜味剂,高果糖浆:蔗糖、葡萄糖与果糖的甜度比为 1：0.7：
9、1.6,第一代果葡糖浆含果搪 42%,工业化生产由日本人于1966 年初步成功,年产量约 2000 吨,应用一株链霉菌,其异构酶由木糖诱导。次年美国应用同一菌株,果糖含量达 42%,年产 60 万吨,所用酶为热稳定后的菌体,或 DEAE 吸附的酶。 四、发酵技术在有肥料方面的应用 我国是一个农业大国,目前粮食的产量在不断的增长,因此大量的农业秸秆废弃物也出现。根据最新的资料显示,目前我国每年产生的农作物秸秆高达 6 亿吨左右。在这些废弃的农业秸秆中,3 分之二的秸秆可以被收集利用。由于这些秸秆物中含有丰富的微量元素,比如:氮、磷、钾等,因此开发的价值很大,其中蕴含着丰富的资源。人们的生活水平在
10、不断的提高,因此对蛋奶以及肉的需求量越来越高。在此情况下,我国的养殖业迎来了一个新的发展机遇,因此发展迅速。猪、牛、羊、鸡、鸭等的出栏率在逐年攀升,存栏率也是一样。市场的需求也得到基本的满足。可以说,养殖业的迅速发展让市场的供求关系得到改善,但是随之也产生了一些问题,比如:大量的禽畜粪便如何处理以及有效的再次使用。北方这一问题还不是很严重,但是在南方却又为突出。养殖场产生了大量的粪便,这些粪便被随意的丢弃于河流中,这样臭气熏天,环境遭到了极大的污染。资源被白白的浪费,环境质量严重的下降。 我国是一个农业大国,目前农业在不断的发展,因此农业的基础地位也得到了不断的巩固。农业的种植结构也在不断的调
11、整,因此结构变化比较明显、传统的一些经济作物的面积在不断的下降,比如:水稻。因此,其他的一些作物的增长则比较快,比如一些高附加值的作物。谷物的种植面积的波动比较大,其中水稻下降的趋势比较明显,而蔬菜的播种面积一直在增加。水果的种植面积尽管有波动,但是一直保持平稳的趋势,变化不大。农民的收入主要依赖塑料大棚以及温室等。 长期以来,轻农肥、重化肥的思维已经在农民心中根深蒂固,长期使用化肥会让土壤板结、有机质大大下降、另外微生物匮乏。因此,应该使用有机肥。有机肥料生产工艺。生物发酵是有机肥生产的主要工艺,目前的方法是使用二段过程,也就是先使用耗氧发酵,然后使用厌氧发酵。过程如下:农业秸杆、禽畜粪便粉
12、碎生物厌氧发酵造粒干燥称重包装。 使用该工艺可以达到灭除病虫害的目的,但是需要增加一些设备,能耗也就相应增加。在此工艺中,也可以在发酵池底等距离排布通气管道,有机肥原料卸放池中,前期通空气实现耗氧发酵,待耗氧发酵完成后,停止通气,进入厌氧发酵过程,一定时间后完成全部生物发酵工艺过程。 五、我国发酵技术的发展前景 发酵技术是一项重要的生物技术,可以说其是医药生物工程与农业生物工程发展的桥梁,发展前景非常的广阔。科学技术日新月异,因此发酵技术的发展也很迅速。该技术已经可以被用来控制和改造微生物。现代生物技术的一个核心的部分就是现代发酵工程,其应用广阔,比如:基因工程。使用该工程可以对原有的菌种进行改良,这样产量就会提高。另外,可以使用其产药品,也可以被应用到,化妆品、食品、化工等行业。今后,基因工程及细胞杂交技术在微生物育种上的应用将是发酵技术的发展方向,其也可以有效的缓解能源压力。 六、结束语 随着科技的不断进步，生物工程也将得到深入发展，应用的范围将更加广泛，为人类社会作出更大的贡献。 参考文献 1刘俊吉,李季.基于支持向量机的生物发酵过程软测量建模J.东北大学学报(自然科学版),2011(11). 2韩俊毅.多元统计分析方法在生物发酵批过程监控中的应用J.黑龙江医药,2012(34).
