发酵工程

第三章发酵工程

第一节绪论

远古时代已经有发酵工程：酿酒、造醋、制面包等。

发酵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。

现代发酵工程不仅生产酒精类饮料、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、酶以及维生素和单细胞蛋白等。

发酵工程从广义上讲，由三部分组成：上游工程、发酵工程、下游工程。

上游工程包括：基因工程或细胞工程，种子培养，培养基配制，灭菌，接种。

下游工程包括：产物提取和纯化，废弃物处理，产品的获得。

一、发酵工程定义：

发酵工程（fermentation engineering）主要指在最适发酵条件下，在生物反应器中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。

发酵工程是生物技术产业化的基础和关键技术，无论传统发酵产品，如抗生素、氨基酸等，还是现代基因工程产品，如疫苗、人体蛋白质等，都需要发酵技术进行生产。

1．传统发酵

最初发酵是用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气泡的现象，或者是指酒的生产过程。ferver：发泡、沸腾——fermentation

发酵现象的本质

①显微镜观察：微生物（列文虎克）

②著名的巴斯德实验：微生物作用（1857年法国化学家、微生物家巴斯德（Pasteur）提出了著名的发酵理论：“一切发酵过程都是微生物作用的结果。”）巴斯德认为，酿酒是发酵，是微生物在起作用；酒变质也是发酵，是另一类微生物在作祟；随着科学技术的发展，可以用加热处理等方法来杀死有害的微生物，防止酒发生质变。同时，也可以把发酵的微生物分离出来，通过人工培养，根据不同的要求去诱发各种类型的发酵，获得所需的发酵产品。

③著名的毕希纳实验：酵素（酶）的作用（1897年德国化学家毕希纳（Buchner）发现磨碎的酵母仍使糖发酵形成酒精———酶）

2．生化和生理学意义的发酵

指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量的一种方式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。

如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出CO2。

3．工业上的发酵

泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程。包括：

①厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。

②通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等。

产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。

4．对发酵现象的不同理解——两种角度（能量、产物）

①生物化学家（侧重能量代谢）：

A能够在氧分子参与下进行有氧呼吸产生能量的生物可以进行：有氧呼吸（氧供应充分、有机物氧化彻底、产生大量能量）和糖酵解（暂时缺氧、有机物氧化不彻底、产生少量能量）。

B无氧呼吸：特指那些不需要氧的微生物所进行的能量代谢。指有机物经彻底或不彻底氧化，所脱下来的电子最后传给外源的无机氧化物（个别是有机氧化物）并释放较少能量。

生物化学家看待微生物发酵过程：发酵是酵母无氧呼吸产生能量的过程。发酵是指有机化合物进行无氧代谢释放能量的过程。厌氧发酵是厌氧菌借助氧化-还原反应释放能量的过程。需氧发酵是好氧生物在受到分子态氧短缺限制时的不完全氧化释放能量的过程。

②工业微生物学家（侧重产品的生产）：

发酵是利用微生物培养来生产产物的无氧或需氧的任何过程。利用生物细胞（包括动、植物细胞）培养来生产产物的所有过程（需氧过程、细胞工程）。

5．发酵工程的内容：

①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；

②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；

③种子培养和生产培养的不同的工艺技术。

④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。

⑤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。

二、发酵工业的发展历史

1．天然发酵阶段

①纯培养技术的建立：巴斯德，科赫等。人为地控制微生物的发酵进程。

②通气搅拌发酵技术的建立：青霉素的生产——深层培养

③代谢控制发酵技术的建立：微生物进行甾体化合物的转化，Glu和Lys发酵生产。对微生物具有高度专一性的酶反应

作为合成手段的一部分加以利用，进行合理的代谢。

2．开拓发酵原料时期

寻求更多更广泛的新型的发酵原料，如石油发酵，醋酸生产谷氨酸。

3．基因工程阶段

采用酶学的方法，将不同来源的DNA进行体外重组，再把重组DNA设法转入受体细胞内，并进行繁殖和遗传下去。人们能够根据自己的意愿将微生物以外的基因导入微生物细胞中，从而达到定向地改变生物性状与功能创新的物种，使发酵工业能够生产出自然界微生物所不能合成的产物。

三、发酵工业的范围

1．以微生物细胞为产物的发酵工业

定义：是以获得具有多种用途的微生物菌体细胞为目的的产品的发酵工业，包括单细胞的酵母和藻类、担子菌，生物防治的苏云金杆菌以及人、畜防治疾病用的疫苗等。

特点：细胞的生长与产物积累成平行关系，生长速率最大时期也是产物合成速率最高阶段，生长稳定期产量最高。

2．以微生物代谢产物为产品的发酵工业

①对数生长期形成的产物是细胞自身生长所必需的，称为初级代谢产物或中间代谢产物。

②各种次级代谢产物都是在微生物生长缓慢或停止生长时期即稳定期所产生的，来自于中间代谢产物和初级代谢产物。

生产初级代谢产物和次级代谢产物所采取的发酵方法和注意事项不同。

3．以微生物酶为产品的发酵工业

酶的特点：易于工业化生产，便于改善工艺提高产量。

分类：胞内酶和胞外酶。

生物合成特点：需要诱导作用，会遭受阻遏、抑制等调控作用的影响，因此在菌种选育、培养基配制以及发酵条件等方面需给予注意。

4、生物转化或修饰化合物的发酵工业

定义：是利用生物细胞对一些化合物某一特定部位（基团）的作用，使它转变成结构相类似但具有更在经济价值的化合物。

最终产物是由微生物细胞的酶或酶系对底物某一特定部位进行化学反应而形成的。

5、微生物废水处理和其他

①利用微生物消除环境污染

②利用微生物发酵保持生态平衡

③微生物湿法冶金

④利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域