发酵工程

**章 绪论 **节 工业发酵的类别 一、发酵工程及生物工程定义 1. 发酵工程的定义与特点 (1) 发酵工程的定义 在中国古代，“酵”的本义是酿酒用的酒曲或酒母；发酵，是指酒醅在酒曲或酒母中微生物的无氧呼吸作用下，降解糖产生二氧化碳，气泡上涌的现象。 生物化学领域的发酵是指生物的一种产能代谢类型，这一代谢过程包括以有机化合物为电子给体和电子受体的一系列氧化还原反应，同时发生各种物质的转化。发酵可理解为“微生物细胞为获取生长和生存所需能量而进行的氧化还原反应”。 千百年来，发酵的应用领域不断扩大，发酵产品种类日益增多，发酵的含义不断延伸，日趋丰富。微生物发酵是指微生物在一定的条件下，经特定的代谢途径，将物质转化为代谢产物及菌体的过程。广义上，发酵这一概念及技术也应用到植物细胞和动物细胞的培养及代谢产物的生产过程。 发酵工程(fermentation engineering)，又称微生物工程，是通过大规模工业化生产的方法，人为控制各项条件，利用微生物的生长和代谢活动来获取人们所需的物质，或者为人类提供服务的技术过程。因此，发酵工程是生物学和化学工程相互交叉的学科。 发酵工程，本应包括利用微生物发酵生产产品的全过程，包括“上游”、“中游”、“下游”3个阶段。“上游”工程是指微生物菌种的筛选、鉴定、保藏和育种；“中游”工程涵盖从生产原料到发酵结束这一阶段，包括生产原料的预处理（含无菌空气的制备和水的预处理），菌种的扩大培养和大规模培养，发酵方法及发酵过程控制等；“下游”工程是指发酵产品的分离纯化，得到*终成品，还包括发酵副产品的综合利用。为避免与本系列丛书其他教材内容重复，本书的内容定在发酵“中游”工程这一范围内。 (2) 发酵法的特点 以谷物类等为原料，经微生物发酵法生产各种高附加值的产品，从本质上说，属于化学反应，具有以下特点。 与一般的化工生产相比，微生物发酵法在比较温和的条件下进行。微生物发酵温度较低，压力不高，pH在中性左右。故无需耐高温和高压设备，设备投资较小。 发酵反应是在微生物自行调控下由酶催化的生物代谢反应，许多发酵产物正是代谢途径中的中间产物；有些结构复杂的产物通过化学合成法无法轻易得到，但可通过微生物发酵生物合成得到；发酵法的缺点是有些产物的生物合成路径长，副产物多，反应时间长。 发酵法可利用廉价的可再生资源生产高附加值的产品，但缺点是目前发酵法占用宝贵的粮食资源，与民争食。因此，利用可再生的非粮食原料作为发酵原料值得大力开发。 发酵产物浓度一般不高，生产过程中出现大量的副产物（废水、废渣和废气），故需要复杂的提炼设备并消耗大量的能源。副产物有可能成为环境污染源，回收发酵副产物，需要加大投资并消耗能源。 2. 发酵工程与生物工程的相互关系 生物工程是现代学科分类中的一级学科，在该学科下，分为基因工程、蛋白质工程、酶工程、细胞工程、发酵工程。但在历史上，发酵工程这一名称更为悠久，其内涵非常丰富，是发酵工程孕育了生物工程。发酵工程经历了从传统发酵工程（以发酵食品为主）到近代、现代发酵工程（发酵食品、化工产品、医药产品和农用产品），再到生物工程的过渡。 发酵工程是生物工程(bioengineering，或者称为生物技术，biotechnology)的重要组成部分。生物工程的组成如图1-l所示，它们之间的相互关系如图1-2所示。 图1-2 生物工程的组成及相互关系 发酵工程是连接生物体和生物工程产品的桥梁，是生物工程技术产业化的重要环节。 “生物化工”这一概念，在内涵上与“发酵工程”有一定的重叠，但也有一定的区别。本质上来说，发酵过程中所涉及的生物化学反应都属于化学反应。化学反应需要催化剂以加快反应速率，通过酶或通过化学催化剂均可达到加快反应速度的目的。有些采用化学催化剂才能得到的化合物，现在也可通过生物催化合成；有些化工产品的传统工艺，也可以通过生物反应而改变。近、现代发酵工程大量采用了化学工程原理、设备和单元操作技术，从而实现了发酵产品的工业化生产。从这些角度看，发酵工程和生物化工是相同的。生物化工也可认为是化学工业的一个分支。在廉价石油时代，人们曾试图用石油和天然气等石化原料生产各种发酵产品（当时研究*多的是用石油为原料生产菌体蛋白质等）。在不可再生的石化资源日益枯竭的当代，人们希望发酵工程生产更多的产品或提供更多的服务来满足社会需要。故当代生物化工的一个研究重点是利用可再生资源来大规模生产原先以石油为原料并通过化学工艺才能得到的各种大宗化工原料。 生物技术，按其应用领域可分为医药生物技术、农业生物技术、工业生物技术、能源生物技术。这些领域大部分产品的生产，都直接或间接地要通过发酵工程来实现。因此发酵工程是生物科学技术与应用之间的桥梁，是生物技术产业化的重要工程技术。 二、发酵方法分类 发酵方法可根据所采用的微生物好氧与否、发酵物料的状态、发酵操作方式和通风搅拌方式等进行分类，详见表1-1。 表1-1 发酵方法的分类 1. 好氧发酵 好氧发酵是指好氧微生物在与空气（氧气）接触的条件下生长、繁殖，氧化有机物或无机物的产能代谢过程。专性好氧微生物把氧作为*终电子受体，通过有氧睜吸获取能量。为向微生物提供充足的氧气，在发酵过程中需提供大量新鲜空气并搅拌。 2. 厌氧发酵 厌氧发酵(又称嫌气发酵，anaerobic fermentation)是指在隔绝空气的条件下，兼性微生和专性厌氧微生物生长并进行生物化学作用，对物质进行生化降解的过程。例如，梭状芽孢杆菌引起的丙酮、工醇发酵，沼气发酵等。对于专性厌氧微生物，氧对其有毒性作用。 3. 兼性厌氧发酵 兼性厌氧发酵(facultative fermentation)是利用兼性厌氧微生物进行的发酵。兼性厌氧微生物是指既可在有氧环境，又可在无氧环境中生活的微生物。有的兼性厌氧微生物能耐受环境中的氧，但它们的生长并不需要氧。酵母菌、乳酸菌等属于兼性厌氧微生物。例如，酵母菌在有氧条件下可利用氧快速生长、繁殖，而当环境中缺氧时，可利用葡萄糖厌氧发酵成乙醇。 4. 液态发酵 液态发酵(liquid fermentation)是*常见的发酵方式，又分为深层发酵(submerged fermentation)、表面发酵(facial fermentation)和附着培养(adhesion fermentation)。深层发酵是在大型发酵罐中进行通风和搅拌，微生物悬浮于液体培养基中，故微生物、培养基营养成分、代谢产物的分布较均匀，过程控制容易，并易实现纯种培养；表面发酵是微生物菌体在培养基表面聚集，并形成菌膜，往往是液态静止培养时（无搅拌、无通风情况下）容易产生这种现象；附着培养是微生物附着在反应器的固体表面生长并进行代谢活动。后两种情况都是好氧微生物所进行的发酵。 5. 固态发酵 固态发酵(solid-state fermentation)过程可定义为微生物在几乎没有游离可流动水的培养基质上的生长过程及生物反应过程。 6. 分批发酵 在分批发酵(batch fermentation)过程中，培养基一次加入反应器，灭菌、接种，细胞经历滞后期、对数生长期、稳定生长期（一般不进入衰亡期）后，一次出料（放罐）。这是*简便、基本的发酵方法，其特点是：整个过程是一个时变过程，细胞浓度、基质浓度、产物浓度都随时间变化，微生物所处环境不断地变化，是不稳定的过程。 7. 补料分批发酵 补料分批发酵(fed-batch fermentation)是指在发酵初期，发酵罐内并不完全加满培养基，当菌体生长到对数生长期后即开始补料。补料的方式各种各样.根据反应器中发酵液体积的变化，分为变体积和恒体积。变体积是流加培养后，发酵液的体积逐步增加，但达到*大体积后，便不再流加；要保持恒体积发酵，则必须在流加培养的同时，排放出等体积的发酵液。 补料方式分为连续流加、不连续流加和多周期流加。每次流加方式又可分为快速流加、恒速流加、指数速率流加、变速流加。在补料分批中又有循环分批补料、循环间歇补料和循环连续补料等操作。在补料分批发酵中，根据反应器数目分类，有单级和多级之分。根据补加的培养基成分来区分，分为单一成分补料和多组分补料。 8. 连续发酵 连续发酵(continuous fermentation)过程分为两个阶段：分批培养阶段，与分批培养操作相同；连续发酵阶段，待细胞达到*适生长条件或*佳产物形成条件时，不断加入新鲜培养基，并排出等量的培养液，这是一种不问断补料的操作方式。当稀释率（通人培养基的流量与反应器操作体积之比）与细胞的比生长速率（单位质量的细胞在单位时间内细胞质量的增长量）相同时，过程即达稳定状态。此时，反应器内和出口培养液中的细胞和残余基质浓度均不再随时间变化。 9. 其他类型的发酵 在实践中还有其他类型的发酵或培养，现简要介绍几种类型。 培养与分离的耦合是在发酵装置中偶联一套分离装置，在发酵过程中不断去除对发酵有害的代谢产物，解除有害代谢产物对发酵的抑制作用；或者将细胞截留并返回到反应器内，使反应器内的细胞浓度不断提高。 混合发酵(mixed fermentation)适用在需要多种微生物的协同作用或微生物本身共栖现象时的发酵。例如，固态发酵白酒的酿造，往往是多种微生物共存、协同作用，使原料中的淀粉和蛋白质降解并生成乙醇等代谢产物；在污水处理过程中，也是多种微生物共同作用，使大分子有机物质逐步分解成乙烷和二氧化碳等物质。在混合发酵中，应注意使培养基和培养条件同时满足多种生物体的需要。 双边发酵(synchronous mashing and fermentation)是在白酒传统工艺中，含淀粉质原料在糖化发酵剂（酒曲中的霉菌及酶和酵母）作用下形成乙醇（酒精）的过程，其糖化和发酵作用同时在一起，而由不同的微生物菌株交叉进行。 在通常的分批培养中，细胞的分裂往往不能做到同步而使细胞处于不同生长阶段。若上述情况对*后产物的质量或形成有影响时，*好采用同步培养(synchronous cultivation)。芽孢杆菌可通过加温杀死其营养菌体而保留其芽孢，然后使其同步萌芽。对一般细胞而言，可采用阶段性降温培养使其不分裂但缓慢进行生长，当恢复正常温度时，大多细胞即可同时进行分裂。 灌注培养(perfusion cultivation)是指在分批培养过程的中后期不断注入新鲜培养基，并以同样的流量排出废培养基，但将细胞截留在反应器中。它与连续培养不同之处在于后者排出的培养液中包含着细胞而前者仅是废培养基。细胞的截留可借出口处的过滤或重力沉降装置来实现。由于这种培养法可以不断灌注新鲜培养基，并可排出可能存在的有害代谢产物，可以大大延长培养周期。这种培养法特别适用于细胞倍增时间长的动、植物细胞。 三、通风类液态发酵和固态发酵的比较 从发酵培养基含水量来看，液态发酵和固态发酵有明显的差别。机械搅拌通风液态发酵是目前*常见的发酵方式。发酵培养基中水分含量一般在90%左右，而固态发酵培养基中水分含量一般在50%以下。但进行更本质的分析可发现，液态发酵状态可视为物料和微生物（固相）与气泡（气相）处于一个液相为连续相的环境中，即发酵体系中气、固、液三相并存，但以液相为主；微生物的生长、生物反应、物质和热量的传递主要发生在液相体系中。固态发酵过程可定义为微生物在几乎没有游离可流动水的培养基上的生长过程及生物反应过程。从表面上看，培养基物料的状态是固态，但从微观上看，物料层(fermenting bed)同时存在固、液、气3种物质状态。其一是