| 单词 | 发酵工程 |
| 释义 | 【发酵工程】 拼译：fermentation technology 微生物发酵工程，是利用微生物的特定性状，通过现代化工程技术生产有用物质或直接应用于工业化生产的一种技术体系，是将传统的发酵与现代的DNA重组、细胞融合等新技术结合发展起来的现代发酵技术。其内容大体包括具有工业生产价值的菌种选育、最佳培养条件的选择、发酵反应器的设计操作和产物的提取精制。 人类对于有益微生物的利用已有悠久的历史。但是发酵工业的概念通常被认为是从20世纪40年代中期随抗生素工业的兴起而形成的。随后，柠檬酸、氨基酸、甾体激素、酶制剂、核苷酸、多糖、单细胞蛋白、部分维生素以及生物农药等发酵产品相继发展为独立的体系。利用某些微生物群进行工业规模的沼气发酵、含毒工业废水处理以及细菌浸矿等工作也显示出巨大的经济效益。利用微生物提高原油采收率、进行石油加工也取得了成效。发酵工程发展到现在，已经广泛地影响着医药、食品、轻工、化工、卫生、农业和石油开采等行业，成为国民经济的重要组成部分。由于发酵工程在工业上具有投资少、见效快和污染小的特点，特别是20世纪70年代以来微生物代谢、遗传学、分子生物学等基础学科的发展和基因工程、细胞融合技术的突破以及生化工程、分析检测技术的进步，使微生物发酵工程发生了重大的变化。同时，由于微生物发酵工程又常是基因工程、酶工程的基础和必要条件，生物技术中的各大领域的研究成果一定要通过微生物发酵工程才能转化为生产力，获得经济效益或社会效益，可见发酵工程是整个生物技术最重要的组成部分，因而引起企业界和经济界的极大重视。80年代，日本发酵工业的年产值占其工农业总产值的5%，税收占其税收总额的8%～9%，成为日本国民经济的主要支柱之一。在美国，发酵工业年产值已达数十亿美元。在分子生物学最新进展的推动下，国外的发酵工业已向应用微生物化学方向蓬勃发展，其情况和趋势主要反映如下：(1)微生物发酵工程自成新的工业体系。已知微生物可以生产200多种具有商品价值的产品，并不断地涌现出新产品，同类产品的更新换代也十分频繁。(2)微生物发酵工业的原料，已从过去的糖质(粮食、淀粉)系统扩展到石油、矿石、有机废弃物等，从而进一步扩大了发酵生产范围，使发酵原料系统发生了变化。(3)以传统发酵为核心，迅速发展起来的微生物发酵工程采用了新技术，使老的工艺技术提高到计算机化、自动化水平，从而使发酵工业保持高生产率。(4)产品的生产方式发展尤为迅速，如正在探索更加新型的连续生产方式，在发酵过程中连续或间歇添加底物，不断扩大应有范围，比传统的分批生产过程(分批发酵)具有更高产量的潜力，能减少催化剂(微生物)的损失；又如混合发酵、固体发酵、透析发酵、固定化细胞的应用等，使微生物发酵工业的生产工艺发生了变革由于研究工作缺乏长远规划和经济实力较差等原因，致使中国的发酵工业水平落后于世界先进国家。现就微生物发酵工程几个主要领域概述如下：抗生素 目前世界各国可用发酵方法生产的抗生素约有400余种，其中广泛应用的大约120种，除了作为临床药品外，还用于兽药、饲料、植保和食品保鲜等方面。1980年，世界总产量约25000t，其中青霉素、四环素、红霉素和头孢菌素4类抗生素的产值达42亿美元，最大的发酵罐为400m3。中国从20世纪50年代初才开始研究和生产抗生素，现已建成一个完整的工业体系，抗生素的产量占世界第1位，1982年年产10000t，其中发酵生产的9000t，产值逾10亿元。目前国外所有的商品抗生素，中国几乎都能生产，现在投产的约80多种，有些品种的技术经济指标和产品质量达到世界先进水平，但仍有很多不足。氨基酸 发酵法生产氨基酸是20世纪50年代末兴起的新兴工业，是微生物工程的一大类产品。在已知的20多种氨基酸中，国外用发酵法和酶法生产的达18种，总产量达40多万t，总产值16亿美元。日本技术水平和产量都居领先地位，年产20多万t。80年代以来，国外采用基因工程和细胞融合技术改造苏氨酸、精氨酸、色氨酸、组氨酸、赖氨酸和异亮氨酸的产生菌，其中苏氨酸和色氨酸已用工程菌正式投产，产量大大提高。中国从1958年开始研究谷氨酸发酵，1965年用国产菌种投产。1960年开始其它氨基酸的发酵研究，以谷氨酸产生菌为出发菌株，经诱变选育和代谢调控，现已得到赖氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、色氨酸、苏氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸、精氨酸、瓜氨酸、鸟氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、和谷氨酰胺等14种氨基酸的产生菌。其中赖氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、丙氨酸等已初步形成生产能力，其它还处于研究发酵阶段。在菌种选育和代谢调控方面积累了一些经验，但从整体上看，与日本相比较还有很大差距。维生素 目前用发酵法生产的有维生素C、B2、B12等。以Vc产量最大，1982年世界产量约60000t，以美国销售量最大，平均每人每年用70g。Vc传统工艺是德国人Reichstein于1933年发明的。中国于70年代初发明了二步法发酵新工艺，1975年后相继推广应用，居世界先进水平。1981年，中国产量为3000t，1982年为4000t。核苷酸 核苷酸是组成生物体遗传的物质基础——核酸的成分，在食品(增鲜剂)、医药(医疗病毒病及某些代谢功能失调病症等)和农业(生长素)等方面具有应用前景。其生产方法有从菌体中提取核酸，再经酶法或化学法水解，也可以直接发酵生产。日本核苷酸产量居世界第一，1976年仅肌苷酸和鸟苷酸的产量就有5500t，主要用于强力味精。德国核苷酸产品约190种。中国从60年代开始研究，目前已有20多个品种，产量20多t，大都是用味精、啤酒和抗生素等发酵工业的废菌体为原料制得，做到资源、环保双收益。80年代又采用诱变育种技术培育成高产核酸酵母，其核酸含量为13．9%，以糖蜜为原料，核酸酵母的生产能力为6kg／m3·h以上，较原有生产菌种提高两倍。多糖 美国发酵生产的黄杆胶(Xanthan)1979年产量为18000t，主要用于油井压裂液和钻井泥浆添加剂。短梗霉多糖(普鲁兰)在日本已工业投产。作为血浆代用品的右旋糖酐已有50多年的生产历史。中国除右旋多糖酐有少量生产外，尚无正式发酵工业产品。单细胞蛋白(SCP) 微生物菌体中蛋白质含量占其干物质的45%～55%。20世纪80年代初，SCP产量最大的国家是前苏联．年产量120t．所用原料主要有石油烃、木材水解液、造纸废液、作物秸秆、废糖蜜和水解泥炭。占巴和一些东欧国家也都有年产吨级以上的工厂。英国帝国化学工业公司从20世纪60年代起就一直以甲醇为原料生产SCP，并已用DNA重组技术获得高产菌株，年产量几十t。中国年产量为10000t，但拥有丰富的可供利用的资源，如农作物秸秆、林业副产品、废糖蜜、泥炭等，具有广阔的开发前景。酒精及饮料酒类 世界上许多国家都将开发纤维素资源生产代替石油的新能源(主要是酒精)列为开发新能源的重点项目。1981年美国建立了15个纤维素生产酒精的工厂，年产9．46×106m3。巴西1981年酒精产量为340t，在汽油中已掺入20%的酒精。同年中国的产量为53t，绝大部分是用淀粉质原科及废糖蜜生产，技术水平接近国外一般技术水平。1980年世界啤酒产量为9400t，其中美国约占四分之一。饮料酒工业在中国国民经济中一直占有重要地位，1981年总产量为400多t，产值53亿元，80年代以来发展迅速，但工艺落后，周期过长，原料利用率低，用生物技术对现有产品生产的技术改造具有很大的潜力。细菌浸矿 细菌浸矿主要用于贫矿、尾矿及精矿，涉及的金属有Cu、U、Co、Ni、Mn、Zn、Pb、As等10余种，但大规模生产的只有铜和铀。美国铜的10%以上产量为细菌浸出，加拿大铀(U3O8)年产230t(1976)。据世界20个矿山的统计数字，每年用细菌浸出的铜达20万t，相当于中国1982年铜产量的80%。中国从1965年开始细菌浸矿的研究，1971年开始在铜铀工业上应用。其它方面 (1)沼气发酵：中国农村办沼气已走在世界前列；(2)微生物农药；(3)中国传统的酿造食品，如酱油、醋、豆制品等；(4)工业废水的处理已引起普遍重视；(5)微生物发酵生产生物可降解聚合物材料，如聚β－羟基丁酸。英国ICI公司1983年首先实现工业化，目前年产量以万吨计，日本、美国也在积极开发，中国尚处在研究阶段。中国微生物发酵工程今后发展的重点：(1)提高和完善现有产业，如抗生素、氨基酸、维生素、酒精和饮料酒类等工业。(2)建立一批新产业。如用于石油开采的微生物多糖、细菌浸矿、微生物菌体蛋白饲料、微生物农药、食用菌等工业体系。(3)选育出一系列优良的菌种，适应微生物发酵工程发展的需要。(4)发酵反应器的设计和操作。(5)从基础研究着手，创建几种有重要经济价值的微生物新品种。【参考文献】：1 Forage A J．Righelato R C．，Progress in Industrial Microbiology，V14，Amsterdam：Elsevier Sci Pub Co．，1978．59～942 Chen T S．J Chem Technol Biotechnol．1982．32(7)：669～6733 合叶修一．化学工学，1982，46(1)：26～324 刘芝兰，张世炜，卓仁禧．生物科学动态，1989，6：11～175 Wiseman A．Endeavour，1992，16(4)：190～136 Larroche C，Theodore M，Gros J B．Appl Microbiol．Biotechnol．1992，38(2)：182～187(武汉大学刘芝兰博士、张世炜教授撰) |
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