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发酵工程【前言】发酵工程，是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品分离提纯等方面。【正文】一、发酵工程的内容：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。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。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。其中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。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。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。二、发酵工程的发展简史③20世纪20年代的酒精、甘油和丙酮等发酵工程，属于厌氧发酵。从那时起，发酵工程又经历了几次重大的转折，在不断地发展和完善。20世纪40年代初，随着青霉素的发现，抗生素发酵工业逐渐兴起。由于青霉素产生菌是需氧型的，微生物学家就在厌氧发酵技术的基础上，成功地引进了通气搅拌和一整套无菌技术，建立了深层通气发酵技术。它大大促进了发酵工业的发展，使有机酸、微生素、激素等都可以用发酵法大规模生产。1957年，日本用微生物生产谷氨酸成功，如今20种氨基酸都可以用发酵法生产。氨基酸发酵工业的发展，是建立在代谢控制发酵新技术的基础上的。科学家在深入研究微生物代谢途径的基础上，通过对微生物进行人工诱变，先得到适合于生产某种产品的突变类型，再在人工控制的条件下培养，就大量产生人们所需要的物质。目前，代谢控制发酵技术已经与核苷酸、有机酸和部分抗生素等的生产中。20世纪70年代以后，基因工程、细胞工程等生物工程技术的开发，使发酵工程进入了定向育种的新阶段，新产品层出不穷。20世纪80年代以来，随着学科之间的不断交叉和渗透，微生物学家开始用数学、动力学、化工工程原理、计算机技术对发酵过程进行综合研究，使得对发酵过程的控制更为合理。在一些国家，已经能够自动记录和自动控制发酵过程的全部参数，明显提高了生产效率。三、发酵工程的应用1、在医药工业上的应用：基于发酵工程技术，开发了种类繁多的药品，如人类生长激素、重组乙肝疫苗、某些种类的单克隆抗体、白细胞介素－2、抗血友病因子等。④2、在食品工业上的应用：主要有三大类产品，一是生产传统的发酵产品，如啤酒、果酒、食醋等；二是生产食品添加剂；三是帮助解决粮食问题。四、发酵工程前景及发展方向1、该学科前途无量，需要发展：发酵工程作为最早从事微生物学的研究领域，在过去的3个世纪中为人类的生活、生存、社会的发展作出了重大的贡献。但这些都是过去的成就。发酵工程与现在的生物工程（基因工程）相比，是处于劣势，因为其是个老学科，在很多人看来，其没有什么大的学问，通过一些操作过程的控制和菌种的筛选难以达到基因工程那样迅捷的效果。但目前发酵工程不断在发展自己，不断整合其他学科的优点来发展自己：（1）上游方面：在菌种选育方面与基因工程相结合，从源头上来发展自己的优势。但这一方面存在很大的问题，因为搞基因的人对发酵不很熟悉，使得许多基因工程菌难以发酵生产产品，而且基因工程菌发酵的乙酸问题到现在还没有解决；另一方面，基因工程领域的专家对发酵工业具有很大应用价值的菌种还没有做深入研究（我指的是国内情况），国内还没有哪个基因中心对工业微生物进行基因测序，据我知道，华中农业大学已经在农业微生物方面已经与基因中心在进行农业微生物的测序工作，而工业微生物还没有第一个吃螃蟹的人，主要是因为工业微生物这个菌种生产上不行了，换个就是了，舍不得花钱。当然哦，测序的费用也很大，需要基因工程进一步提高技术降低测序成本。（2）工艺方面：在过程控制中，与微生物学、微生物生理学、计算机工程、控制工程、化工工程等学科相结合，将过程操作变数与微生物生理状态结合起来。基于微生物反应原理的培养基组成优化；基于微生物代谢特性的分阶段培养策略；基于代谢通量分析的发酵优化策略。等等策略的利用，华东理工大学的多尺度控制策略（叶勤教授等）就是将化工领域的策略运用到微生物学领域的典型范例，并取得很大的成就（华北制药等等）。（3）下游方面：也是我个人认为最薄弱、最需要发展的方面。从我所知道的情况，目前我们很多产品都能通过发酵工程发酵生产出来，但我们没有办法将其从发酵液中拿出来，这是我们发酵工程最需要解决的问题。为什么会出现这样的问题呢？因为搞发酵工程的人大多是搞微生物学或者食品方向的，缺乏化学工程的学术背景，而发酵产品提取需要化工背景的人来做，但我们国家化学工程方面的人不屑于做这些事情，一方面是发酵工程方面的人搞不定产品的提取，一方面是化工背景的人不屑于做这样的事情，才导致我们国家很多发酵产品虽然能发酵出来，但不能提出出来进入市场。2、该学科在积极拓展自己的领域：最明显的例子是交叉学科的出现，如发酵工程与环境工程的交叉形成了环境生物技术，与化工交叉的生物化工，与纺织工业交叉的纺织生物工程等的等。【参考文献】①张星元：《发酵原理》，科学出版社，2005②李寅，高海军，陈坚高细胞密度发酵技术化学工业出版社2006-10-01③陈騊声：《中国微生物工业发展史》北京轻工业出版社1979④］胡之璧，刘涤.生物技术生产传统药材的探索［m］.厦门:厦门大学出版社，1998.