微生物发酵你不得不了解的基础知识

微生物发酵是指利用微生物(包括细菌、真菌、酵母等)进行代谢反应获得所需产物的技术过程。以下是微生物发酵的基础知识：
1.微生物发酵的基本原理：微生物在特定条件下完成各种代谢反应，将有机物质转化为其他有用物质。
2.液态发酵与固态发酵：液态发酵常用于生产小分子有机物，如乙酸、酒精等；而固态发酵则常用于生产大分子有机物，如酶、抗生素、维生素等。
3.发酵工艺条件的优化：包括pH值、温度、气体组成、营养物质等因素的控制。优化这些条件可以提高微生物代谢的效率，产物的产量和质量。
4.发酵产物的分离纯化：发酵的产物可能和微生物混合在一起，需要将其分离纯化才能得到所需产物。纯化的方法包括沉淀法、吸附法、膜分离法等。
5.微生物质量的控制：保持微生物的健康状态、控制微生物种群的构成、避免微生物的污染对于发酵过程的成功至关重要。
6.化学反应机理的研究：从微观层面解析微生物在发酵过程中的行为代谢途径和化学反应机制，可以为发酵工艺的优化和产物质量的提高提供更深入理论基础。
微生物发酵产物的类型
微生物发酵在工业上可分为菌体作为目的产物、微生物产生的酶作为目的产物、微生物代谢产物作为目的产物和将添加的化学物质通过微生物进行化学改变或修饰后作为目的产物四个主要类型。
(1) 微生物菌体
主要以菌体细胞作为发酵产品，包括酵母，各种单细胞蛋白，作为生物防治的苏云金杆菌及各种人、畜疾病防治用的疫苗等。此外是从菌体细胞中提取有用的发酵产物，如由酵母细胞提取辅酶A、核糖核酸等产品。有的抗生素主要存在菌丝体中，如灰黄霉素产生菌在发酵过程中所产生的灰黄霉素主要存在于菌丝体中，因此，也要从菌丝体中进行提取。
酵母细胞图解
(2) 微生物的酶
微生物的酶可以用发酵技术大量生产，是其最大的优点。主要被用在食品工业和医药工业及其与之相关的工业中。酶的生产受到微生物的严格调控。为了提高酶的生产能力，必须改善这些调控体系。
酶的诱导 
在这些调控体系中，有酶的诱导和酶的反馈抑制等。通过向培养基中添加诱导因子或使菌种变异而改善调控体系，可使菌体的产酶能力大幅提高。目前，工业上使用的酶大都来自微生物发酵。
酶的反馈抑制 
我国酶制剂以淀粉酶、蛋白酶、糖化酶为主，多用于食品和轻工业中，如将微生物生产的淀粉酶和糖化酶用于淀粉的糖化等。在医药生产和医疗检测方面，酶的应用也很广。
(3) 微生物的代谢产物
微生物的代谢产物分为初级代谢产物和次级代谢产物，包括各种有机酸、有机溶剂、氨基酸、核苷酸类物质、抗生素、多糖、维生素及甾体激素等，可以被用在各行各业。
微生物的生长发育过程分为延滞期、对数期、稳定期和衰亡期。在对数生长期产生的代谢产物如氨基酸、核酸、蛋白质、脂质、碳水化合物等对菌体的生长繁殖是必需的物质。这些产物称为初级代谢产物；很多初级代谢产物都具有相当的经济价值，被工业化大规模生产。由于在野生菌株中初级代谢产物只是菌体生长繁殖所必需的量，代谢过程存在反馈调节、反馈阻遏等作用，不能产生过多。因此，工业上为了使产物能更有效地蓄积，采用诱变等方法使菌株变异来进行改良或调整培养条件等，在得到更多的产物方面下工夫。
微生物生长发育过程 
在菌体生长的稳定期，有时一些菌体能合成在生长期中不能合成的，与菌的本质代谢不直接相关的物质，这些物质称为次级代谢产物，如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子等。形成次级代谢产物的菌体生长时期叫生产期，这样的次级代谢产物在连续发酵时，要在低稀释率，即菌的生长非常慢甚至在几乎认为不生长的培养条件下才易生成。另外，在自然环境下，微生物生长速度比较低，由此可以想到，在自然界中，微生物在稳定期会产生比对数期更复杂、种类更多的代谢产物。
(4) 微生物转化
微生物可以通过酶的作用，把某些化合物转化成结构相似但更具经济价值的物质，这种转化一般是通过糖苷键反应、羟基化、脱氢(脱水)反应、酯化反应、环氧化反应、水解反应、水合反应、异构化等的酶促反应。 
乙醇和乙酸酯化反应
由微生物进行的这些反应相对于化学合成法而言，优点是不使用特殊的化学药品，不使用容易发生污染的重金属催化剂，且在相对较低的温度下就可进行反应，比如把酒精转换为醋酸的醋就是利用微生物转换反应的代表。近年来，更高附加值的化学品也通过各种微生物反应生产了出来，如抗生素、前列腺素等都可通过微生物化学的转换及修饰法产生。
为了提高反应的效率，用这些微生物化学的转换及修饰法时，一般高浓度的菌体是必要的。因此，把菌体或从菌体提取分离到的酶固定，确保有其高密度的生物酶而进行反应，即固定化细胞或固定化酶，是其很重要的发展方向。