工业发酵与生物加工

工业发酵和生物加工是在工程生物反应器中扩大微生物培养规模，利用廉价原材料生产各种产品。

Definition

工业发酵和生物加工是指对微生物或其组分进行受控的大规模培养以生产产品，以及对这些产品的制造和回收过程进行工程设计。

Scope

本主题涵盖生物反应器的设计与操作；初级代谢产物和次级代谢产物的区别；分批、补料分批和连续工艺；菌株选择与改良；通气、温度和pH等条件的控制；以及产品的下游回收和纯化。它将微生物培养视为一门建立在生理学原理基础上的工程学科。

Core questions

• 微生物如何进行工业规模培养？
• 初级代谢产物和次级代谢产物的生产有何区别？
• 如何控制生物反应器条件以最大化产量？
• 如何从发酵液中回收产品？

Key concepts

• 生物反应器设计与操作
• 初级代谢产物与次级代谢产物
• 分批、补料分批和连续发酵
• 菌株选择与改良
• 下游加工

Mechanisms

在生物反应器中，营养供应、氧气、温度和pH等条件受到控制，以利于生长和产物形成。初级代谢产物在活跃生长期积累，而次级代谢产物（如许多抗生素）通常在生长减缓后产生。包括补料分批添加底物在内的工艺策略可优化产量，下游加工则将产品从培养物中分离和纯化出来。

Clinical relevance

工业发酵大规模生产抗生素、酶、有机酸、氨基酸、维生素和重组蛋白，生物加工原理支撑着许多药品、食品和工业化学品的制造。

History

大规模微生物工艺在20世纪从传统的发酵工艺发展成为一个以科学为基础的产业，其中工业丙酮-丁醇发酵和青霉素生产的战时规模化等里程碑确立了现代生物加工的方法。

Key figures

• Louis Pasteur
• Chaim Weizmann

Seminal works

• madigan2018
• willey2020

Frequently asked questions

什么是次级代谢产物？

次级代谢产物是微生物产生的一种非生长必需产物，通常在活跃生长期减缓后产生。许多抗生素是次级代谢产物，这就是为什么它们在发酵生产中通常在培养后期达到产量高峰。