微生物发酵工程概述

gl19860312

先秦的《周礼天宫》一书中记载有主管王室、官用造酒事的“酒正”、“酒人”等官职说明酿酒已成为专门的职业，与此同时国外埃及人已掌握了烘制面包、酿果酒的技术。发酵业虽然历史悠久，但在科学技术普遍受压抑的时代里长期停留在“实践－实践－实践”的基础上，只能处于低水平的应用阶段，并且人们普遍认为各种发酵产物是自然产生的。

到了１７世纪，西方近代资本主义制度的建立，生产力得到了前所未有的发展，人们的知识水平得到了大幅度的提高给发酵业的发展带来了契机。自１６７６年荷兰人列文．虎克用自制的显微镜发现微生物开始，各国科技工作者纷纷对“自然发生说”提出质疑，并将发酵产物与微生物联系在一起.到了19世纪的早期法国的巴斯德通过近二十年潜心研究，以自己科学结论说服了“自然发生说”，提出了“一切发酵过程都是微生物作用的结果，是生命过程”的理论，使发酵业在深度和广度不断得到发展，并与工程学结合形成新兴的工程——微生物发酵工程。

发酵是在人工设定的环境下使目的微生物大量繁殖。其过程包括以下三步：

一、上游处理过程

二、发酵、转化

三、下游处理过程

其具体操作过程如图1。　　　　　菌种选育　　接种　　　　　培养基　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　我国先民以大米、小麦　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

等酿出的酒甘醇可口，这些　　　　　　　　　　　培养　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

农产品是发酵的材料微生物　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

的培养基。研究表明微生物　　　　　　　　　　　分离　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

培养基包括碳源（构成细胞　　　　培养液　　　　　　　　　　　细　胞　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

物质或代谢产物碳架来源的　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

营养物质），氮源（氮素来源　　　　　　　　 死细胞生物量　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

的营养物质），无机盐，水和　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

生长因子。研究的成果使培　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

养基取材不断扩大，酒精发　　　　　　细胞破碎　　　　　　活细胞生物量　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

酵是一“古老”的技术，先　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

民利用谷物酿造酒其实质是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

发酵生产酒精。进入工业化　　　　　　　　　　　离心　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

时代后， 人们用森林工业和　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

木材加工的下脚，废纤维垃　　　　　　　　　　产品稳定　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

圾等生产工业酒精，而随着　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

技术进步又开发了利用微生　　　　　　　　　　　脱水　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

物将亚硫酸纸浆废液等工业　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

废物生产酒精技术。目前科　　　　　　　　　　　干产品　　　　新鲜产品　　　　　　　　　　　　

技工作者对利用微生物将石　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

油产品发酵生产酒精技术作　　　　　　　　　　　　　　　贮存　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

研究并有了一定的突破。                  图1 发酵操作过程流程图

各种微生物代谢产物千变万化，为了获得纯净的目的产物，就需要在接种前对培养基进行灭菌处理。原始的灭菌法是将培养基煮沸，即加热灭菌法。加热灭菌法温度较底（通常在100 0 C­以内不能将所有菌体杀灭（如－些芽孢细菌在1400 C­以上经２～３h 才被杀死）。于是出现了高温蒸汽压灭菌法。虽然温度升高后可将菌体最大程度的消灭，但也造成了培养基组分的破坏。而现在被广泛运用的辐射灭菌法（即紫外线杀菌法）。

发酵和转化是微生物合成大量产物的过程是整个工程中的中心环节，因此在发酵过程中应选择合适的方法和发酵器。表1是各种酒精发酵方法的比较。原始间歇法生产中投料、

                            表1  各种酒精发酵方法的比较　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　发酵方法


　细胞浓度（g/L）
　酒精浓度(V/V)         
发酵产率[g/(L.h)]

间歇法（原始酿酒）
　　　５
　７～１４
　　１～２０

连续法　
　　　６
　６～１３
　　１～４

有循环的连续法
　　５０
５．５
　　　　１６

酵母再循环法
　　１５
７～８
　　　　　４

絮凝酵母法
　　５０
８
　　　　１６

真空发酵法
　　５０
２５
　　　　８０

固定化酵母法
　　７０
　５～１－
　　　　２８．６


投菌都是一次性的，无法适应系统内的菌种的个体和生理功能的变化．发酵产率很低．而目前普遍使用的直接发酵法以及不断得到完善的固定化酵母法它们或是利用新的生物代谢途径或者是重复利用菌种使得产率显著提高，避免了无谓的浪费。家庭、小作坊中的酿酒用具只适用于生产经微生物无氧呼吸得到的产物。随着上世纪四十年代青霉素的工业化生产，深层通气发酵法广泛运用，为适应此工艺的发展，工程师结合了空气动力学、流体动力学等设计了具有出料补料口、接种口、传热通风设备的大型发酵罐——机械搅拌式发酵器。随后又开发了通风搅拌式。随着工业自动化水平不断升级，微机也在发酵系统中发挥了越来越大的作用。例如镇江东大生物工程设备公司设计的计算机集散控制系统，可以自控温度、压力、通气量等１３种参数，实现了发酵工程的高度自动化。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

材料经发酵后，便进入了最后环节目的产物的分离、纯化。最初人们面对“鱼龙混杂”的发酵产物，只能通过初步的过滤然后经蒸馏得到“纯净”的目的产物（当时目的产物本身就是混合物）。随着技术发展和人们对高纯度的产物的要求，这一后续环节不断得到完善，其操作过程如图2。

　　　　　　　　　　　　　　　发酵液

  




　细胞产物　　　　　　　　　　　胞外产物　　　　　　　　　胞内产物

  




　离心过滤　　溶液　　　　　　　离心过滤　　　　　　　　　离心过滤　

　（洗涤）　　－循环　　　　　 含　　　　滤渣　

　　　　　　　－副产物　　　　 产　　　　－细胞　

　细　胞　　　－废液　　　　　物　　　－副产物　　细胞破碎　　　　整体细胞萃取           

　　　　　　　　　　　　　　　清　　　－循环　　　

　干　燥　　　　　　　　　　　流　　　－废物　　　离心过滤（洗涤）　废物　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　含产物清流　去除核酸

　产　物　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　溶剂　　　　　　　提　取（沉淀、吸附、萃取、过滤）　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　回收　　　　　　　　　

　　

　　　　　　　溶剂　　　　　　　纯　化　（色层分离、蒸馏、结晶、电泳）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　回收　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　干　燥　　　　　产　物　　　

                      图2 获得发酵高纯产物后续环节流程图   

　　发酵工程长期以来仅局限于食品工业，而在当前新形势下，其被赋予了新的使命，在医药、能源、环保等方面发挥其独特作用。

１．医药工业。传统制药业不外乎两种：化学合成和生物提取。前者工艺复杂污染严重，后者受动植物资源的限制且产率低，都不是理想的方法。而生物发酵制药则突破了各方面的不利因素，引起人们的重视。化工厂生产Vc耗能大，而目前从自然中找到良种微生物（草氏欧文氏菌和棒状杆菌）各自承担一段转化任务。科学家通过ＤＮＡ重组技术将棒状杆菌中有效基因克窿到草氏欧文氏菌中，结果可通过将Ｄ－葡萄糖发酵生成Vc的前体，耗能少污染被克服。

２．能源工业。经济的高速发展加速了世界各国对能源需求，而目前利用的能源不仅污染重而且终将枯竭，而有些微生物则可发酵生产再生性能源和新能源。酒精是石油很好的替代品，而利用酵母发酵生产酒精技术已相当成熟。人类未来最合适的能源是氢，其高能和“绿色”无人能比。而某些海洋光和细菌（如假单细胞）能利用玉米甚至制糖厂、造纸厂的废液直接发酵放氢，这方面研究一旦突破其效益是不可估量的。

３．环保。目前环境问题日益受到关注，且成为阻碍经济发展的障碍。工业化时代的大生产中产生的废物是不可避免的。用一般的物理化学方法难以彻底处理。但是微生物对污染物有惊人的降解能力。利用微生物发酵是污染控制研究中最活跃领域。如上提到利用酵母发酵亚硫酸纸浆废液即是一个很好的例子

微生物发酵工程是一门古老的学科，在各种技术的不断渗入下面貌焕然一新，与人们生活息息相关。相信在不久的将来其必然成为国民经济新的增长点。