第二節　發酵工程工藝及關鍵技術

一、發酵過程的特點

發酵過程和其他化學工業的最大區別在于它是生物體所進行的化學反應。其主要特點如下：

（1）發酵過程一般來說都是在常溫常壓下進行的生物化學反應，反應安全，要求條件也比較簡單。

（2）發酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他農副產品為主，只要加入少量的有機氮源和無機氮源就可進行反應。微生物因不同的類別可以有選擇地去利用它所需要的營養。基于這一特性，可以利用廢水和廢物等作為發酵的原料進行生物資源的改造。

（3）發酵過程是通過生物體的自動調節方式來完成的，反應的專一性強，因而可以得到較為單一的代謝產物。

（4）由于生物體本身所具有的反應機制，能夠專一地和高度選擇地對某些較為復雜的化合物進行特定部位的氧化、還原等化學轉化反應，也可以產生比較復雜的高分子化合物。

（5）發酵過程中對雜菌污染的防治至關重要。除了必須對設備進行嚴格消毒處理和空氣過濾外，反應必須在無菌條件下進行。如果污染了雜菌，生產就會遭到巨大的經濟損失。如果感染了噬菌體，對發酵造成的危害會更大，因而維持無菌條件是發酵成功的關鍵。

（6）微生物菌種是進行發酵的根本因素，通過變異和菌種篩選，可以獲得高產的優良菌株并使生產設備得到充分利用，也因此可以獲得按常規方法難以生產的產品。

（7）工業發酵與其他工業相比，投資少，見效快，并可以取得顯著的經濟效益。

基于以上特點，工業發酵日益引起人們的重視。和傳統的發酵工藝相比，現代發酵工程除了上述的發酵特點之外更有其優越性。如除了使用微生物細胞外，還可以用動植物細胞和酶，也可以用人工構建的“工程菌”來進行反應；反應設備也不只是常規的發酵罐，而是以各種各樣的生物反應器代替，自動化、連續化程度高，使發酵水平在原有基礎上有所提高和創新。

二、發酵的類型

根據發酵的特點和微生物對氧的需求不同，可以將發酵分成若干類型：

（1）按發酵原料　分為糖類物質發酵、石油發酵、廢水發酵等類型。

（2）按發酵產物　分為氨基酸發酵、有機酸發酵、抗生素發酵、酒精發酵、維生素發酵等。

（3）按發酵形式　分為固態發酵、半固態發酵、液態發酵。

（4）按發酵工藝流程　分為分批發酵、連續發酵、流加發酵。

（5）按發酵過程中對氧的不同需求　分為厭氧發酵、通風發酵。

（6）按代謝產物　分為初級代謝產物發酵（酒精發酵、氨基酸發酵、有機酸發酵等）、次級代謝產物發酵（抗生素發酵、色素發酵等）。

三、發酵工藝過程

對于任何發酵類型（除一些轉化過程外），一個確定的發酵過程由6個部分組成：

①菌種以及確定的種子培養基和發酵培養基；

②培養基、發酵罐和輔助設備的滅菌；

③大規模的、有活性的、純種的種子培養物的生產；

④發酵罐中微生物最優的生長條件下產物的大規模生產；

⑤產物的提取、純化；

⑥發酵廢液的處理。

它們的相互關系如圖1-1所示。因此，有必要不斷進行研究以逐步提高整個發酵過程的效率。在建立發酵過程之前，首先要分離出菌株，通過改造使其合成目標產物，使所產生的產物符合工業要求，并且其產量應具有經濟價值。然后測定微生物在培養上的需求，并設計相應的設備。同時必須確定產品的分離提取方法。此外，整個研究計劃也應包括在發酵過程中不斷地優化微生物菌種、培養基和提取方法。

四、發酵工程關鍵技術

1.菌種選育技術

菌種選育是按照生產的要求，以微生物遺傳變異理論為依據，采用人工方法使菌種發生變異，再用各種篩選方法篩選出符合要求的目的菌種。菌種選育的目的是改善菌種的基本特性，以提高產量、改進質量、降低成本、改革工藝、方便管理及綜合利用。菌種選育的基本方法包括自然選育、抗噬菌體選育、誘變選育、代謝工程育種、基因定向選育、基因組改組等一系列方法。

在發酵工程建立初期和近代發酵工程階段，發酵工程主要以野生的微生物為發酵主體。在現代發酵階段，優良的菌種選育方法依然是發酵工程上游工程中的重要環節，其一是利用新型的篩選機制和篩選鑒定指標，繼續從自然界中獲得優良的出發菌株；其二是利用基因工程、細胞工程技術，結合分子生物學手段，采用代謝工程、代謝調控學、組學、系統生物學等原理，重新構建所需的基因工程菌或對已有的出發菌株進行基因改造，來獲得能夠生產所需發酵產品的優良菌株。

2.純培養技術

發酵工業一般是采用特定微生物菌株進行純種培養，從而達到生產所需產品的目的。因此，發酵過程要在沒有雜菌污染的條件下進行。微生物無菌培養直接關系到生產過程的成敗。無菌問題解決不好，輕則導致所需要的產品數量減少、質量下降以及后處理困難；重則會使全部培養液變質，導致成噸的培養基報廢，造成經濟上的嚴重損失，這一點對大規模的生產過程更為突出。為了保證培養過程的正常進行，防止染菌的發生，對大部分微生物的培養，包括實驗室操作和工業生產，均需要進行嚴格的滅菌。發酵過程的滅菌涉及培養基、發酵設備和發酵過程的通氣。

3.發酵過程優化技術

發酵過程優化包括從微生物細胞層面到宏觀微生物生化反應層面的優化，使細胞的生理調節、細胞環境、反應器特征、工藝操作條件與反應器控制之間復雜的相互作用盡可能簡化，并對這些條件和相互關系進行優化，使之最適于特定發酵過程進行的系統優化方法。這種優化主要涉及四個方面的研究內容，第一是細胞生長過程的研究；第二是微生物反應的化學計量；第三是生物反應動力學；第四是生物反應器工程。

4.發酵過程放大技術

為達到將實驗室成果向工業規模推廣和過渡的目的，一般都要經過中試規模的工藝優化研究。為了克服困難，特別對一些規模比較大的發酵產品，采取逐級放大的方法。發酵過程放大的方法包括：發酵罐幾何相似放大、供氧能力相似放大、菌體代謝相似放大、培養條件相似放大、數學模型模擬與預測放大等。

5.發酵工程下游分離純化技術

發酵產物的下游分離純化是指將發酵目標產物進行提取、濃縮、純化和成品化等過程。發酵產物分離純化的重要性主要體現在生物產物的特殊性、復雜性和對產品的嚴格要求上，導致分離純化成本占整個發酵產物生產成本的比例較大。發酵工程下游分離純化過程，其費用通常占生產成本的50%～70%，有的甚至高達90%，往往成為實施生化過程代替化學過程生產的制約因素。因此，設計合理的提取與精制過程來提高產品質量和降低生產成本才能夠真正實現發酵產品的商業化大規模生產。

6.發酵過程自動監測、控制技術

某種意義上說，發酵過程的成敗完全取決于能否維持一個生長受控和對生產良好的環境。達到此目的最有效的方法是通過直接測量各種參數變化和對生物過程進行調節。將數學、化工原理、電子計算機技術和自動控制裝置等應用到發酵過程，進行生物技術參數的測量、生物過程的建模和控制，可對工業發酵過程進行高效的控制管理并提高生產效率。

五、發酵工業的范圍

發酵工業的范圍和典型的發酵產品，見表1-2。