基本介紹
- 中文名：生物發酵
- 外文名：Biological fermentation
- 性質：生物工程
- 基礎：生物學的理論和技術
- 涉及領域：農業、工業、醫學 環境
- 興起時間：20世紀70年代
生物工程,發酵工程,工程發展,農產手工加工,近代發酵工程,現代發酵工程,生物發酵套用,
生物工程
所謂生物工程，一般認為是以生物學（特別是其中的微生物學、遺傳學、生物化學和細胞學）的理論和技術為基礎，結合化工、機械、電子計算機等現代工程技術，充分運用分子生物學的最新成就，自覺地操縱遺傳物質，定向地改造生物或其功能，短期內創造出具有超 遠緣性狀的新物種，再通過合適的生物反應器對這類“工程菌”或“工程細胞株”進行大規模的培養，以生產大量有用代謝產物或發揮它們獨特生理功能一門新興技術。
生物工程包括五大工程，即遺傳工程（基因工程）、細胞工程、微生物工程（發酵工程）、酶工程（生化工程）和生物反應器工程。在這五大領域中，前兩者作用是將常規菌（或動植物細胞株）作為特定遺傳物質受體，使它們獲得外來基因，成為能表達超遠緣性狀的新物種——“工程菌”或“工程細胞株”。後三者的作用則是這一有巨大潛在價值的新物種創造良好的生長與繁殖條件，進行大規模的培養，以充分發揮其內在潛力，為人們提供巨大的經濟效益 和社會效益。
生物工程的套用領域非常廣泛，包括農業、工業、醫學、藥物學、能源、環保、冶金、化工原料等。它必將對人類社會的政治、經濟、軍事和生活等方面產生巨大的影響，為世界面臨的資源、環境和人類健康等問題的解決提供美好的前景。
發酵工程
發酵工程是20世紀70年代初開始興起的一門新興的綜合性套用學科。
（1）“發酵”有“微生物生理學嚴格定義的發酵”和“工業發酵”，詞條“發酵工程”中的“發酵”應該是“工業發酵”。
（2）工業生產上通過“工業發酵”來加工或製作產品，其對應的加工或製作工藝被稱為“發酵工藝”。為實現工業化生產，就必須解決實現這些工藝（發酵工藝）的工業生產環境、設備和過程控制的工程學的問題，因此，就有了“發酵工程”。
（3）發酵工程是用來解決按發酵工藝進行工業化生產的工程學問題的學科。發酵工程從工程學的角度把實現發酵工藝的發酵工業過程分為菌種、發酵和提煉（包括廢水處理）等三個階段，這三個階段都有各自的工程學問題，一般分別把它們稱為發酵工程的上游、中游和下游工程。
（4）微生物是發酵工程的靈魂。近年來，對於發酵工程的生物學屬性的認識愈益明朗化，發酵工程正在走近科學。
（5）發酵工程最基本的原理是發酵工程的生物學原理。
（6）發酵工程有三個發展階段。
現代意義上的發酵工程是一個由多學科交叉、融合而形成的技術性和套用性較強的開放性的學科。發酵工程經歷了“農產手工加工——近代發酵工程——現代發酵工程”三個發展階段。
工程發展
農產手工加工
原始的手工作坊式的發酵製作憑藉祖先傳下來的技巧和經驗生產發酵產品，體力勞動繁重，生產規模受到限制，難以實現工業化的生產。於是，發酵界的前人首先求教於化學和化學工程，向農業化學和化學工程學習，對發酵生產工藝進行了規範，用泵和管道等輸送方式替代了肩挑手提的人力搬運，以機器生產代替了手工操作，把作坊式的發酵生產成功地推上了工業化生產的水平。發酵生產與化學和化學工程的結合促成了發酵生產的第一次飛躍。
近代發酵工程
通過發酵工業化生產的幾十年實踐，人們逐步認識到發酵工業過程是一個隨著時間變化的（時變的）、非線性的、多變數輸入和輸出的動態的生物學過程，按照化學工程的模式來處理髮酵工業生產（特別是大規模生產）的問題，往往難以收到預期的效果。從化學工程的角度來看，發酵罐也就是生產原料發酵的反應器，發酵罐中培養的微生物細胞只是一種催化劑，按化學工程的正統思維，微生物當然難以發揮其生命特有的生產潛力。於是，追溯到作坊式的發酵生產技術的生物學核心（微生物），返璞歸真而對發酵工程的屬性有了新的認識。發酵工程的生物學屬性的認定，使發酵工程的發展有了明確的方向，發酵工程進入了生物工程的範疇。
發酵工程是指採用工程技術手段，利用生物（主要是微生物）和有活性的離體酶的某些功能，為人類生產有用的生物產品，或直接用微生物參與控制某些工業生產過程的一種技術。人們熟知的利用酵母菌發酵製造啤酒、果酒、工業酒精，乳酸菌發酵製造乳酪和酸牛奶，利用真菌大規模生產青黴素等都是這方面的例子。隨著科學技術的進步，發酵技術也有了很大的發展，並且已經進入能夠人為控制和改造微生物，使這些微生物為人類生產產品的現代發酵工程階段。現代發酵工程作為現代生物技術的一個重要組成部分，具有廣闊的套用前景。例如，用基因工程的方法有目的地改造原有的菌種並且提高其產量；利用微生物發酵生產藥品，如人的胰島素、干擾素和生長激素等。
已經從過去簡單的生產酒精類飲料、生產醋酸和發酵麵包發展到今天成為生物工程的一個極其重要的分支，成為一個包括了微生物學、化學工程、基因工程、細胞工程、機械工程和計算機軟硬體工程的一個多學科工程。現代發酵工程不但生產酒精類飲料、醋酸和麵包，而且生產胰島素、干擾素、生長激素、抗生素和疫苗等多種醫療保健藥物，生產天然殺蟲劑、細菌肥料和微生物除草劑等農用生產資料，在化學工業上生產胺基酸、香料、生物高分子、酶、維生素和單細胞蛋白等。
現代發酵工程
從廣義上講，發酵工程由三部分組成：是上游工程，中游工程和下游工程。其中上游工程包括優良種株的選育，最適發酵條件（pH、溫度、溶氧和營養組成）的確定，營養物的準備等。中游工程主要指在最適發酵條件下，發酵罐中大量培養細胞和生產代謝產物的工藝技術。這裡要有嚴格的無菌生長環境，包括發酵開始前採用高溫高壓對發酵原料和發酵罐以及各種連線管道進行滅菌的技術；在發酵過程中不斷向發酵罐中通入乾燥無菌空氣的空氣過濾技術；在發酵過程中根據細胞生長要求控制加料速度的計算機控制技術；還有種子培養和生產培養的不同的工藝技術。此外，根據不同的需要，發酵工藝上還分類批量發酵：即一次投料發酵；流加批量發酵：即在一次投料發酵的基礎上，流加一定量的營養，使細胞進一步的生長，或得到更多的代謝產物；連續發酵：不斷地流加營養，並不斷地取出發酵液。在進行任何大規模工業發酵前，必須在實驗室規模的小發酵罐進行大量的實驗，得到產物形成的動力學模型，並根據這個模型設計中試的發酵要求，最後從中試數據再設計更大規模生產的動力學模型。由於生物反應的複雜性，在從實驗室到中試，從中試到大規模生產過程中會出現許多問題，這就是發酵工程工藝放大問題。下游工程指從發酵液中分離和純化產品的技術：包括固液分離技術（離心分離、過濾分離、沉澱分離等工藝），細胞破壁技術（超聲、高壓剪下、滲透壓、表面活性劑和溶壁酶等），蛋白質純化技術（沉澱法、色譜分離法和超濾法等），最後還有產品的包裝處理技術（真空乾燥和冰凍幹事燥等）。
此外，在生產藥物和食品的發酵工業中，需要嚴格遵守美國聯邦食品和藥物管理局所公布的cGMPs的規定，並要定時接受有關當局的檢查監督。
生物發酵套用
乙醇發酵（酒精發酵）
以澱粉和糖蜜做原料的乙醇發酵菌種是釀酒酵母，它能發酵葡萄糖、麥芽糖、蔗糖生產乙醇。釀酒酵母生長發酵的適宜溫度約為30℃，pH為4.2～4.5。中國乙醇發酵工業主要以甘薯為原料，用含高澱粉酶活性麴黴製成的固體曲或液體曲糖化，以優良釀酒酵母發酵，乙醇產率為澱粉的92%以上。
用可動酵單胞菌進行乙醇發酵比用酵母優越，表現為高糖利用率、高乙醇生產率、耐高濃度糖和乙醇、低能量消耗、乙醇產率接近理論數字等。酵母菌和酵單胞菌也能發酵果糖產生乙醇。乳製品工業的副產品乳清含乳糖5%，工業上已利用乳胞壁克氏酵母或熱帶假絲酵母發酵乳糖產生乙醇。纖維素是廉價的碳水化合物。有些盛產木材的國家，早已在工業中採用將纖維素經酸水解成單糖後發酵生產乙醇的方法。一類發酵是用纖維素酶和酵母菌或好熱纖維梭菌混合發酵用鹼處理過的纖維素，使酶水解生成的糖立即被發酵成乙醇；另一類發酵是不經酶水解糖化，用好熱纖維梭菌和解糖梭菌在55℃混合發酵不經鹼處理的纖維素，好熱纖維梭菌產生乙醇、乙酸和木糖，解糖梭菌將生成的木糖再發酵成乙醇。白色瘤胃球菌也曾用於纖維素的直接發酵。直接發酵法成本較高，工業上還沒有使用。
丙酮-丁醇發酵
在工業生產中，丙酮-丁醇發酵常用的菌種有：以澱粉發酵為主的丙酮-丁醇梭菌，細胞中具有澱粉酶，不需要預先糖化就可以直接發酵；另一種是用於糖蜜、纖維素水解液或亞硫酸紙漿廢液等糖質原料發酵的糖丙酮-丁醇梭菌，為嚴格的厭氧細菌，特別是在芽孢出芽階段。梭菌傳代培養多次以後，菌種的發酵能力往往減弱，所以常用加熱菌種芽孢懸液（100℃，1～2分鐘）的辦法，保持和提高菌種的發酵力。
澱粉質原料含有梭菌生長必需的全部營養物質，糖蜜原料中缺乏氮源，可用動物或植物蛋白或無機氮加以補充。碳水化合物的濃度對梭菌的生長無明顯影響，但丁醇濃度達到1.5%時，對發酵產生毒害，如果把丁醇濃度不斷稀釋並控制在1.5%以下，發酵即可正常進行。固定化細胞生產丁醇已取得良好結果，將梭菌細胞固定在藻酸鈉膠體顆粒上，進行生物化學反應，產物以丁醇為主，丁醇產率至少可保持1周不變。
丁醇-異丙醇發酵
丙酮－乙醇發酵
軟腐芽孢桿菌是進行這一發酵的細菌，它能利用各種碳水化合物發酵。發酵中要加碳酸鈣保持pH中性。溫度40～43℃。發酵過程需5～6天。原料轉化率較高，丙酮和乙醇產量的比例為1:3～4。這一發酵在工業上已不套用。
