第四節(jié)　發(fā)酵工程技術發(fā)展趨勢

一、發(fā)酵工程技術產業(yè)化的關鍵因素

發(fā)酵工程技術只有實現產業(yè)化才能造福人類，而能否實現規(guī)?；a主要取決于所用的菌種的生產能力、發(fā)酵的工藝條件和發(fā)酵罐的操作性能，只有這三個方面條件均具備，發(fā)酵生產才能順利進行。對于給定的菌株，通過建立適當的發(fā)酵工藝，給微生物提供良好的環(huán)境，充分發(fā)揮所用菌株的生產能力，提高發(fā)酵的水平。發(fā)酵過程的工藝控制，則依賴于發(fā)酵罐的操作性能和過程控制。發(fā)酵產品能否占領市場取決于影響發(fā)酵產品的價格因素，發(fā)酵產品的分離與純化過程費用通常占生產成本的50%～70%，有的甚至高達90%，甚至更高。分離步驟多、耗時長，往往成為實施生化過程生產替代化學過程生產的制約因素。因此，發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展始終都是圍繞發(fā)酵工程技術產業(yè)化來展開的。

二、發(fā)酵工業(yè)發(fā)展趨勢

1.發(fā)酵原料的開發(fā)和利用

糧食和能源緊張是當下和今后世界各國都將面臨的難題。發(fā)酵產業(yè)對能源和糧食的消耗巨大，同時地球上的石油、煤炭、天然氣等化石燃料終將枯竭。因此，發(fā)酵工業(yè)在發(fā)酵原料的開發(fā)和利用方面，未來的發(fā)展要求應該是：①實現原料到產品的高轉化率。②開發(fā)和利用非糧食農業(yè)生物質發(fā)酵原料，如纖維素、非糧淀粉、非糧脂肪酸等。③加強發(fā)酵產業(yè)向能源、化工以及材料等領域延伸，實現部分代替石油，生產大宗材料、能源、化工產品等，逐漸減少對石油的依賴。例如通過微生物利用秸稈、玉米芯等木質纖維素農林業(yè)殘渣作為原料發(fā)酵生產乙醇等燃料能源，已經引起越來越多的國家在發(fā)展戰(zhàn)略上的重視。盡管目前纖維素乙醇的生產成本已下降至5000～6000元/t，但限制乙醇作為燃料使用的主要障礙還是成本問題，因而構建能夠利用可再生物質生產乙醇的工程菌仍是主要的努力方向。④隨著工業(yè)的發(fā)展、人口增長和國民生活的改善，廢棄物也日益增多，同時也造成環(huán)境污染。因此，通過發(fā)酵技術對各類廢棄物的治理和轉化，變廢為寶，實現無害化、資源化和產業(yè)化。

2.提高菌種效率是關鍵

我國的發(fā)酵產業(yè)在硬件方面已經達到很高的水平。因此，今后節(jié)能減排的工作重點應該放在菌種的改良上。

①充分利用包括基因工程在內的現代分子生物學技術研究成果，按照人們的意愿來改良菌種及將外源基因導入微生物細胞，對傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)菌種進行改造，提高發(fā)酵效率。

②構建復合功能微生物是菌種改良的重要方向。目標是獲得一個能快速生長、能進行多種基因整合、抗染菌、允許不同多個個體的染色體在細胞中共存，從而獲得多種性能、能生產多種產品的菌株。

近期和中期菌種改造研究的重要應用領域包括：改造控制生長速度的微生物基因組，使微生物細胞更快地生長，利用快速生長的微生物菌株生產大宗化工產品，提高生物過程相對于化工過程的競爭性。限制細胞群體效應，使發(fā)酵能達到更高的密度，提高生物產品單位時間和單位體積的生產效率。實現跨種屬染色體在一個細胞共存，使細胞具有多種功能（特別是利用纖維素快速生長獲得目標產物）?？傊?，提高菌種的效率是提高發(fā)酵產業(yè)的關鍵。

3.開拓先進發(fā)酵工藝技術

發(fā)酵工業(yè)具有高耗能、高耗水、不連續(xù)、易染菌的缺點，導致發(fā)酵產業(yè)成本的增加，降低了其競爭性。未來發(fā)酵產業(yè)應該向著無高溫滅菌、低耗水和連續(xù)發(fā)酵方向發(fā)展，以最終達到節(jié)能減排的目的。最近，我國在嗜鹽菌發(fā)酵生產生物塑料聚羥基脂肪酸酯（PHA）方面已經實現了至少兩周的開放發(fā)酵，使PHA成為有競爭性產業(yè)的步伐又向前邁進了一步。未來，可以利用海水為介質發(fā)掘嗜鹽菌在高pH值、高溫和高鹽濃度條件下生長繁殖的特點，建立一個能進行無高溫滅菌、低耗水（利用海水）和連續(xù)發(fā)酵、有競爭性的發(fā)酵產業(yè)。

4.新型發(fā)酵設備的研制

新型發(fā)酵設備的研制為發(fā)酵工程提供了先進工具。例如，固定化反應器是利用細胞或酶的固定化技術來生產發(fā)酵產品，提高產率。英國科學家設計了一種“光生物反應器”培養(yǎng)水藻，通過光合作用將太陽能轉化為生物燃料，其轉化率比一般農作物和樹木要高得多，可使光合作用達到最佳程度，并可以從釋放的氣體中回收氫能。

5.大型化、連續(xù)化、自動化控制技術的應用

現代生物技術的成功與發(fā)展，取決于高效率、低能耗的生物反應過程，而它的高效率又取決于它的自動化。發(fā)酵設備正逐步向容積大型化、結構多樣化、操作控制自動化的高效生物反應器方向發(fā)展，其目的在于節(jié)省能源、原材料和勞動力，降低發(fā)酵產品的生產成本。生物反應器大型化為世界各發(fā)達國家所重視。微生物發(fā)酵過程是一個非線性、時變性、大滯后、階段性、多變量輸入輸出、強耦合的生化反應工程。發(fā)酵過程很簡單，常規(guī)控制已不能滿足其快速發(fā)展的需求。發(fā)酵過程的全方位自動化就是通過建立預報模型、監(jiān)控與故障診斷模型，用于在線監(jiān)視與優(yōu)化控制，及時發(fā)現并消除異常狀況，實現過程的高效、安全、穩(wěn)定運行，最終達到提高產品質量一致性和企業(yè)經濟效益的目的。

6.生態(tài)型發(fā)酵工業(yè)的興起開拓了發(fā)酵的新領域

隨著近代發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展，越來越多的過去靠化學合成的產品，現在已全部或部分借助發(fā)酵方法來完成。也就是說，發(fā)酵法正在逐漸代替化學工業(yè)的某些方法。有機化學合成方法與發(fā)酵生物合成方法關系更加密切，生物半合成或化學半合成方法已應用到許多產品的工業(yè)生產中。微生物酶催化生物合成和化學合成相結合，使發(fā)酵產物通過化學修飾及化學結構改造進一步為生產更多精細化工產品開拓了一個嶄新的領域。

7.發(fā)酵產品高效分離技術的開發(fā)

在發(fā)酵工業(yè)中為達到既高產又豐收的目的，必須具備高水平的發(fā)酵產物后處理技術和設備。尋求經濟適用的分離純化技術，已成為發(fā)酵工程領域的熱點。分離純化技術的研發(fā)有兩個方向：一是結合其他學科的發(fā)展開發(fā)新的分離純化技術；二是對現有的分離純化技術進行重新研發(fā)，從其他角度對現有的分離純化技術進行利用。目前國外在發(fā)酵工程后提取工藝上已大規(guī)模應用的新型分離純化技術，如雙水相萃取、新型電泳分離、大規(guī)模制備色譜、膜分離（微濾、超濾等）、連續(xù)結晶技術等。這些新型技術的開發(fā)與應用，減少了后提取工藝的操作費用，提高了后提取工藝的產品收率，大大降低了生產成本。如何將這些新型分離純化技術有效地應用于發(fā)酵工業(yè)生產過程，如何提高現有產品的收率、降低產品的生產成本是今后研究的重要課題。另外，將發(fā)酵過程與產物的分離相偶聯(lián)，解除發(fā)酵產物對菌體生長和代謝的抑制，既能提高發(fā)酵水平，又有利于產物的分離。

總之，現在菌種的選育不僅能利用現代化科技進行高效的常規(guī)選育，而且已經應用基因工程等最新生物技術將外來基因引入微生物細胞內，使微生物細胞按照人類的需要合成某些產品；發(fā)酵條件控制也在積極探索，按照微生物生理和代謝特性及產物的合成途徑進行調控；在工程方面，不僅設計了多種類型的發(fā)酵設備，以滿足各類微生物和各種產品的生產，同時隨著電子計算機的應用，各種敏感的測試元件的出現，發(fā)酵工程工業(yè)已經廣泛應用微機控制進行發(fā)酵生產；對發(fā)酵數學模型的研究，也將進一步促使發(fā)酵工程工業(yè)朝著模擬化、自動化、最優(yōu)化方向發(fā)展。因此，發(fā)酵工程工業(yè)已經發(fā)展成為規(guī)模龐大的現代化工業(yè)，現在的發(fā)酵工程工業(yè)與過去相比，具有范圍更廣、技術更復雜、要求更高等特點。