发酵工程工艺及关键技术

一、发酵过程的特点

发酵过程和其他化学工业的最大区别在于它是生物体所进行的化学反应。其主要特点如下:

(1)发酵过程一般来说都是在常温常压下进行的生物化学反应，反应安全，要求条件也比较简单。

(2)发酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，只要加入少量的有机氮源和无机氮源就可进行反应。微生物因不同的类别可以有选择地去利用它所需要的营养。基于这一特性，可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造。

(3)发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成的，反应的专一性强，因而可以得到较为单一的代谢产物。

(4)由于生物体本身所具有的反应机制，能够专一地和高度选择地对某些较为复杂的化合物进行特定部位的氧化、还原等化学转化反应，也可以产生比较复杂的高分子化合物。

(5)发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。除了必须对设备进行严格消毒处理和空气过滤外，反应必须在无菌条件下进行。如果污染了杂菌，生产就会遭到巨大的经济损失。如果感染了噬菌体，对发酵造成的危害会更大，因而维持无菌条件是发酵成功的关键。

(6)微生物菌种是进行发酵的根本因素，通过变异和菌种筛选，可以获得高产的优良菌株并使生产设备得到充分利用，也因此可以获得按常规方法难以生产的产品。

(7)工业发酵与其他工业相比，投资少，见效快，并可以取得显著的经济效益。

基于以上特点，工业发酵日益引起人们的重视。和传统的发酵工艺相比，现代发酵工程除了上述的发酵特点之外更有其优越性。如除了使用微生物细胞外，还可以用动植物细胞和酶，也可以用人工构建的“工程菌”来进行反应;反应设备也不只是常规的发酵罐，而是以各种各样的生物反应器代替，自动化、连续化程度高，使发酵水平在原有基础上有所提高和创新。

二、发酵的类型

根据发酵的特点和微生物对氧的需求不同，可以将发酵分成若干类型:

(1)按发酵原料分为糖类物质发酵、石油发酵、废水发酵等类型。

(2)按发酵产物 分为氨基酸发酵、有机酸发酵、抗生素发酵、酒精发酵、维生素发 

酵等。

(3)按发酵形式分为固态发酵、半固态发酵、液态发酵。

(4)按发酵工艺流程 分为分批发酵、连续发酵、流加发酵。

(5)按发酵过程中对氧的不同需求 分为厌氧发酵、通风发酵。

(6)按代谢产物初级代谢产物发(酒精发酵、氨基酸发酵、有机酸发酵等次级代谢产物发酵(抗生素发酵、色素发酵等)。

三、发酵工艺过程

对于任何发酵类型(除一些转化过程外)，一个确定的发酵过程由6个部分组成

①菌种以及确定的种子培养基和发酵培养基;

②培养基、发酵罐和辅助设备的灭菌;

③大规模的、有活性的、纯种的种子培养物的生产;

④发酵罐中微生物最优的生长条件下产物的大规模生产;

⑤产物的提取、纯化;

⑥发酵废液的处理。

它们的相互关系如图1-1所示。因此，有必要不断进行研究以逐步提高整个发酵过程的效率。在建立发酵过程之前，首先要分离出菌株，通过改造使其合成目标产物，使所产生的产物符合工业要求，并且其产量应具有经济价值。然后测定微生物在培养上的需求，并设计相应的设备。同时必须确定产品的分离提取方法。此外，整个研究计划也应包括在发酵过程中不断地优化微生物菌种、培养基和提取方法。

四、发酵工程关键技术

1.菌种选育技术

菌种选育是按照生产的要求，以微生物遗传变异理论为依据，采用人工方法使菌种发生变异，再用各种筛选方法筛选出符合要求的目的菌种。菌种选育的目的是改善菌种的基本特性，以提高产量、改进质量、降低成本、改革工艺、方便管理及综合利用。菌种选育的基本方法包括自然选育、抗噬菌体选育、诱变选育、代谢工程育种、基因定向选育、基因组改组等一系列方法。

在发酵工程建立初期和近代发酵工程阶段，发酵工程主要以野生的微生物为发酵主体。在现代发酵阶段，优良的菌种选育方法依然是发酵工程上游工程中的重要环节，其一是利用新型的筛选机制和筛选鉴定指标，继续从自然界中获得优良的出发菌株;其二是利用基因工程、细胞工程技术，结合分子生物学手段，采用代谢工程、代谢调控学、组学、系统生物学等原理，重新构建所需的基因工程菌或对已有的出发菌株进行基因改造，来获得能够生产所需发酵产品的优良菌株。

2.纯培养技术

发酵工业一般是采用特定微生物菌株进行纯种培养，从而达到生产所需产品的目的。因此，发酵过程要在没有杂菌污染的条件下进行。微生物无菌培养直接关系到生产过程的成败。无菌问题解决不好，轻则导致所需要的产品数量减少、质量下降以及后处理困难;重则会使全部培养液变质，导致成吨的培养基报废，造成经济上的严重损失，这一点对大规模的生产过程更为突出。为了保证培养过程的正常进行，防止染菌的发生，对大部分微生物的培养，包括实验室操作和工业生产，均需要进行严格的灭菌。发酵过程的灭菌涉及培养基、发酵设备和发酵过程的通气。

3.发酵过程优化技术

发酵过程优化包括从微生物细胞层面到宏观微生物生化反应层面的优化，使细胞的生理调节、细胞环境、反应器特征、工艺操作条件与反应器控制之间复杂的相互作用尽可能简化，并对这些条件和相互关系进行优化，使之最适于特定发酵过程进行的系统优化方法。这种优化主要涉及四个方面的研究内容，第一是细胞生长过程的研究;第二是微生物反应的化学计量;第三是生物反应动力学;第四是生物反应器工程。

4.发酵过程放大技术

为达到将实验室成果向工业规模推广和过渡的目的，一般都要经过中试规模的工艺优化研究。为了克服困难，特别对一些规模比较大的发酵产品，采取逐级放大的方法。发酵过程放大的方法包括:发酵罐几何相似放大、供氧能力相似放大、菌体代谢相似放大、培养条件相似放大、数学模型模拟与预测放大等。

5.发酵工程下游分离纯化技术

发酵产物的下游分离纯化是指将发酵目标产物进行提取、浓缩、纯化和成品化等过程。发酵产物分离纯化的重要性主要体现在生物产物的特殊性、复杂性和对产品的严格要求上，导致分离纯化成本占整个发酵产物生产成本的比例较大。发酵工程下游分离纯化过程，其费用通常占生产成本的50%~70%，有的甚至高达 90%，往往成为实施生化过程代替化学过程生产的制约因素。因此，设计合理的提取与精制过程来提高产品质量和降低生产成本才能够真正实现发酵产品的商业化大规模生产。

6.发酵过程自动监测、控制技术

某种意义上说，发酵过程的成败完全取决于能否维持一个生长受控和对生产良好的环境。达到此目的最有效的方法是通过直接测量各种参数变化和对生物过程进行调节。将数学、化工原理、电子计算机技术和自动控制装置等应用到发酵过程，进行生物技术参数的测量、生物过程的建模和控制，可对工业发酵过程进行高效的控制管理并提高生产效率。

五、发酵工业的范围

发酵工业的范围和典型的发酵产品，见表1-2。