发酵工程的研究进展

发酵工程的研究进展

息晓杰

河北首朗新能源科技有限公司 河北唐山 063200

引言：发酵工程是泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程。它包括厌氧发酵的生产过程（如酒精、乳酸、丙酮丁醇等）和有氧发酵的生产过程（如氨基酸、柠檬酸、抗生素等）。广义的概念：生物学(微生物学、生物化学)和工程学(化学工程)结合。狭义的发酵概念：微生物培养和代谢过程。

发酵技术是人类最早通过实践掌握的生产技术之一，产品也很多，以传统食品来说，东方有酱、酱油、醋、白酒、黄酒等，西方有啤酒、葡萄酒、奶酪等。这些发酵食品都是数千年来凭借人类的智慧和经验，在没有亲眼看到微生物的情况下，巧妙地利用微生物生产的产品。

关键词：发酵；发展；应用

1发酵工程的内容

1.1定义

发酵工程是指采用工程技术手段，利用生物（主要是微生物）和有活性的离体酶的某些功能，为人类生产有用的生物产品，或直接用微生物参与控制某些工业生产过程的一种技术。

1.2现代发酵工程

人们熟知的利用酵母菌发酵制造啤酒、果酒、工业酒精，乳酸菌发酵制造奶酪和酸牛奶，利用真菌大规模生产青霉素等都是这方面的例子。随着科学技术的进步，发酵技术也有了很大的发展，并且已经进入能够人为控制和改造微生物，使这些微生物为人类生产产品的现代发酵工程阶段。

现代发酵工程作为现代生物技术的一个重要组成部分，具有广阔的应用前景。例如，用基因工程的方法有目的地改造原有的菌种并且提高其产量；利用微生物发酵生产药品，如人的胰岛素、干扰素和生长激素等。已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。

现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶、维生素和单细胞蛋白等。

1.3组成

从广义上讲，发酵工程由三部分组成：是上游工程，中游工程和下游工程。

1.3.1上游工程：包括优良种株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶氧和营养组成）的确定，营养物的准备等。

1.3.2中游工程：主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。这里要有严格的无菌生长环境，包括发酵开始前采用高温高压对发酵原料和发酵罐以及各种连接管道进行灭菌的技术；在发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空气的空气过滤技术；在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速度的计算机控制技术；还有种子培养和生产培养的不同的工艺技术。

此外，根据不同的需要，发酵工艺上还分类批量发酵：即一次投料发酵；流加批量发酵：即在一次投料发酵的基础上，流加一定量的营养，使细胞进一步的生长，或得到更多的代谢产物； 连续发酵：不断地流加营养，并不断地取出发酵液。在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物形成的动力学模型，并根据这个模型设计中试的发酵要求，最后从中试数据再设计更大规模生产的动力学模型。由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试，从中试到大规模生产过程中会出现许多问题，这就是发酵工程工艺放大问题。

1.3.3下游工程：指从发酵液中分离和纯化产品的技术：包括固液分离技术（离心分离，过滤分离，沉淀分离等工艺），细胞破壁技术（超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂和溶壁酶等），蛋白质纯化技术（沉淀法、色谱分离法和超滤法等），最后还有产品的包装处理技术（真空干燥和冰冻干事燥等）。②此外，在生产药物和食品的发酵工业中，需要严格遵守美国联邦食品和药物管理局所公布的cGMPs的规定，并要定时接受有关当局的检查监督。

2发酵工程技术的发展

发酵技术的发展经历了如下几个阶段：

2.1自然发酵阶段

这个阶段为从史前到19世纪末，主要特征为人类利用自然接种的方法进行传统酿造食品的生产。

2.2纯培养厌氧发酵技术的建立

这个阶段始于19世纪末，20世纪初，主要特征为人类在显微镜的帮助下，把单一的微生物进行纯培养，在密闭容器中进行氧发酵生产酒精等工业产品。

2.3通气搅拌发酵技术的建立

这个阶段始于20世纪40年代，其技术特征为，成功地建立起深层通气进行微生物发酵的一整套技术，有效地控制了微生物有氧发酵的通气量、温度、pH和营养物质的供给，使得抗生素、柠檬酸、酶制剂等好氧发酵产品的生产成为可能，是现代发酵工业的开端。

2.4代谢调控发酵技术的建立

这个阶段始于20世纪60年代，其技术特征为，以生物化学和遗传学为基础，研究代谢产物的生物合成途径和代谢调节机制，选择巧妙的技术路线，人为地控制目的代谢产物的大量合成，从而得到所需产品。

2.5现代发酵工程技术的建立

这个阶段始于20世纪70年代，其主要技术特征表现在如下几个方面：

2.5.1原生质体融合技术、基因工程技术的发展和在微生物菌种选育方面的应用，为发酵工程技术带来了方法上、手段上的重大变化和革命。

2.5.2计算机控制发酵技术，固定化细胞技术，发酵工程优化控制技术，先进的提取、分离、纯化技术以及现代化的发酵与提取设备的应用，使发酵工业得到了迅速的发展，并展现了广阔的前景。

3发酵工程的应用领域

3.1轻工业

轻工业是发酵工程技术应用最早和最多的领域，这个领域的特点是大量利用农副产品（产要是淀粉类产品）进行深加工，其生产的产品种类有：

3.1.1酒和溶剂类： 如啤酒、白酒、果酒、酒精、丙酮、丁醇等；

3.1.2有机酸类：如柠檬酸、乳酸、苹果酸、衣康酸等；

3.1.3氨基酸类：如谷氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸等；

3.1.4酶制剂类：如食品工业用酶、纺织工业用酶、饲料工业用酶等；

3.1.5功能性蛋白质、功能性脂类、功能性糖类。

3.2生物医药工业

通过发酵工程技术，可以生产多种抗生素、疫苗、以及一些基因工程药物（如干扰素、白细胞介素系列等）。

4现代发酵工程技术的发展方向展望

由于发酵工业生产具有反应条件温和，生产原料来源广泛，价格低廉，以及与其它工业相比投资少、见效快，经济与社会效益显着等诸多优点。而且，通过发酵工程技术生产的产品种类多、应用面广。因此，发酵工程具有广阔的发展应用前景。

近年来，生物技术的迅速发展有力地推动了发酵工程技术的发展。而发酵工程技术的应用，则是直接将生物技术转化为生产力，用于生产人类所需的各种产品，以及为社会服务的重要手段。因此，基因工程、细胞工程、酶工程技术的最终实施，主要是依靠发酵工程技术来完成的。所以现代发酵工程是生物技术的重要内容之一，是生物技术实现产业化的必由之路，是未来经济社会发展过程中富有生机和活力的一个重要产业群体。

目前发酵工程技术的研究主要集中在如下几个方面：

4.1采用基因工程、细胞工程技术与常规微生物育种方法相结合，辅之以激光、离子束、γ－射线等物理诱变方法，致力于选育发酵工业所需的各种优良生产菌种。

4.2开发研制社会需要、附加值高的新型发酵产品。

4.3采用发酵工程技术取代部分传统化工产品的生产，降低原材料消耗和能源消耗，减少污染物的排放。

4.4研究开发发酵和提取新技术、新工艺、新设备，提高产品收率、节能降耗。

4.5大规模工业化发酵生产技术。

5学术思想

发酵工程研究：获得应用价值的微生物，反应器及过程放大，发酵产物分离提取，发酵过程优化和控制。

研究一些重要的工业微生物的抗胁迫因子及其抗胁迫机制，考察环境胁迫条件下特定微生物蛋白转录和代谢途径变化，采用不同环境胁迫手段或措施对微生物的生长或代谢进行调控，促进微生物生长或大量合成目的产物。

研究辅因子形式及其浓度在物质代谢和信号传递途径中控制代谢流方向和流量分配的作用机制、物质流和辅因子流的变化规律，对微生物的生长或代谢进行调控，促进微生物合成目的产物的代谢流的最大化和快速化。

参考文献

[1]张星元.发酵原理.科学出版社.2015

[2]李寅,高海军,陈坚.高细胞密度发酵技术.化学工业出版社.2016

[3]陈騊声.中国微生物工业发展史.北京轻工业出版社.2015

[4]胡之璧,刘涤.生物技术生产传统药材的探索.厦门大学出版社.2016