发酵技能开展简史 发酵现象早巳被人们所知道，但了解它的实质却是近 200 年来的事。英语中发酵一词 fermentation 是从拉丁语 fervere 派生而来的，原意为“翻腾”，它描绘酵母效果于果汁或 麦芽浸出液时的现象。 欢腾现象是由浸出液中的糖在缺氧条件下降解而发生的二氧化碳所引 起的。 在生物化学中把酵母的无氧呼吸进程称作发酵。 咱们现在所指的发酵早已赋予了不同 的意义。 发酵是生命体所进行的化学反响和生理改动， 是多种多样的生物化学反响依据生命 体自身所具有的遗传信息去不断分化组成， 以取得能量来保持生命活动的进程。 发酵产品是 指在反响进程傍边或反响抵达结尾时所发生的可以调理代谢使之到达平衡的物质。实际上， 发酵也是呼吸效果的一种，只不过呼吸效果终究生成 CO2 和水，而发酵终究是取得各种不 同的代谢产品。因此，现代对发酵的界说应该是：经过微生物（或动植物细胞）的成长培育 和化学改动， 很多发生和堆集专门的代谢产品的反响进程。 近百年来， 跟着科学技能的前进， 发酵技能发生了划时代的革新， 现已从使用天然界华夏有的微生物进行发酵出产的阶段进入 到，依照人的志愿改构成具有特别功能的微生物以出产人类所需求的发酵产品的新阶段。 从广义上讲，发酵工程由三部分组成：是上游工程，中游工程和下流工程。其间上游工 程包含优良种株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶氧和养分组成）的确认，养分物的 预备等。 中游工程首要指在最适发酵条件下， 发酵罐中很多培育细胞和出产代谢产品的工艺 技能。下流工程指从发酵液中别离和纯化产品的技能：包含固液别离技能（离心别离，过滤 别离，沉积别离等工艺） ，细胞破壁技能（超声、高压剪切、浸透压、表面活性剂和溶壁酶 等） 蛋白质纯化技能 ， （沉积法、 色谱别离法和超滤法等） 最终还有产品的包装处理技能 ， （真 空枯燥和冰冻干事燥等） 。 现代意义上的发酵工程是一个由多学科穿插、交融而构成的技能性和使用性较强的敞开 性的学科。发酵工程阅历了“农产手艺加工——近代发酵工程——现代发酵工程”三个开展 阶段。 传统（陈旧） 一、传统（陈旧）发酵技能的追溯 早在几千年前，人们就开端从事酿酒、酱、醋、奶酪等的发酵出产，并堆集了许多有关 发酵的阅历，但其时人们只知其然而不知其所以然。据考古开掘证明我国在龙山文化（距今 4000~4200 年）已有酒器呈现。先秦的《周礼天宫》一书中记载有主管王室、官用造酒事 的“酒正”、“酒人”等官职阐明酿酒已成为专门的工作。3000 年前，我国已有用长霉的 豆腐医治皮肤病的记载，咱们今日知道，这可能是因为抗生素的原因。国外酿酒的传说则可 推溯到更早，相传埃及和中亚两河流域在公元前 40~30 世纪就已开端酿酒，烘制面包。发 酵业尽管历史悠久，但在科学技能遍及受压抑的时代里长时刻停留在“实践－实践－实践”的 基础上，只能处于低水平的使用阶段，并且人们遍及认为各种发酵产品是天然发生的。 二、纯培育技能的树立 到了 17 世纪，西方近代资本主义制度的树立，出产力得到了史无前例的开展，人们的 常识水平得到了大幅度的前进给发酵业的开展带来了关键。自 1676 年荷兰人列文．虎克用 克己的显微镜发现微生物开端，各国科技工作者纷繁对“天然发生说”提出质疑，并将发酵 产品与微生物联络在一起。1857 年，巴斯德经过闻名的曲颈瓶实验，彻底否定了生命的自 然发生说。在此基础上，他提出了加热灭菌法，后来被人们称为巴氏消毒法，成功地处理了 其时困扰人们的牛奶、酒类蜕变问题。巴斯德还研讨了酒精发酵、乳酸发酵、醋酸发酵等， 并发现这些发酵进程都是由不同的发酵菌引起的，然后奠定了开端的发酵理论。在此期间， 巴斯德的三个女儿相继患病死去， 不幸的遭受促进他转而研讨疾病的来源， 并发现特别的微 生物是发病的病源。 由此开端了 19 世纪寻觅病原菌的黄金时期。 巴斯德还创造晰减毒菌苗， 用以防备鸡霍乱病和牛羊炭疽病，创造并使用了狂犬病疫苗，为人类看病、防病做出了巨大 奉献。巴斯德在微生物学各方面的研讨成果，促进了医学、发酵工业和农业的开展。 1897 年德国的毕希纳进一步发现磨碎了的酵母仍能使糖发酵而构成酒精，并将此具有 发酵才能的物质称为酶，揭开了发酵现象的实质。1905 年德国的罗伯特·柯赫等首要使用 固体培育基别离培育出炭疽芽孢杆菌、结核芽孢杆菌、霍乱芽孢杆菌等病原细菌，树立了一 套研讨微生物纯培育的技能办法。尔后，跟着纯种微生物的别离及培育技能的树立，以及密 闭式发酵罐的规划成功，使人们可以使用某种类型的微生物，在人工操控的环境条件下，进 行大规模的出产，逐渐构成了发酵工程。 发酵工程发源于家庭或作坊式的发酵制作（农产手艺加工），后来借鉴于化学工程完成 了工业化出产（近代发酵工程），最终返璞归真以微生物生命活动为中心研讨、规划和辅导 工业发酵出产（现代发酵工程），跨入生物工程的队伍。始的手艺作坊式的发酵制作凭仗祖 先传下来的技巧和阅历出产发酵产品，体力劳动深重，出产规模受到限制，难以完成工业化 的出产。所以，发酵界的前人首要求教于化学和化学工程，向农业化学和化学工程学习，对 发酵出产工艺进行了标准， 用泵和管道等运送方法代替了肩挑手提的人力转移， 以机器出产 代替了手艺操作， 把作坊式的发酵出产成功地推上了工业化出产的水平。 发酵出产与化学和 化学工程的结合促成了发酵出产的第一次腾跃。 第一次世界大战中，德国需求很多的甘油用于制作炸药，然后使甘油发酵工业化。英国 需求很多优质的丙酮，制作无烟火药的硝化纤维，促进了丙酮-丁醇的发酵的创造。从那时 起，发酵工程又阅历了几回严重的转机，不断地开展和完善。人们成功地把握了微生物纯种 培育技能。为此，人们规划了便于灭除其他杂菌的密闭式发酵罐以及其他灭菌设备，开端了 乙醇、甘油、丙酮、丁醇、乳酸、柠檬酸、淀粉酶和蛋白酶等的微生物纯种发酵出产，与巴 斯德时代曾经的天然发酵是两个截然不同的概念。 此阶段称为发酵工程的第一个里程碑—— 以微生物的纯种培育技能为首要特征。可是，此刻的发酵技能自身并无很大的前进，仍选用 设备要求低的固体、浅盘液体发酵以及厌氧发酵，这是——些出产规模小、工艺简略、操作 粗豪的发酵方法，只能说是今世发酵工程的雏形。 三、深层培育技能的树立 今世发酵工程可以说是从 20 世纪 40 时代开端的， 在今后半个多世纪里， 它阅历了渚多 严重转机。1929 年弗莱明发现青霉素，直到 1940 年才开端少数出产。因为第二次世界大战 对青霉素的很多需求， 迫使人们对发酵技能进行深入研讨， 逐渐选用液体深层发酵代替原先 的固体或液体浅盘发酵进行出产。 为了到达深层发酵的各项技能要求， 开发厂空气无菌过滤 体系和可通入无菌空气的、机械拌和式的密闭式发酵罐。选用液体深层发酵技能，再配以离 心、溶剂萃取和冷冻枯燥等技能，使青霉素的出产水平有了很大的前进，其间发酵水平从液 体浅盘发酵的 40U/mL。效价前进到 200U/mL。一起，大大减少了发酵出产的占地面积、劳 动强度以及动力和质料耗费等。随后，链霉素、金霉素等抗生素相继问世，抗生素工业敏捷 鼓起。 此刻期称为发酵工程的第二个里程碑——以微生物液体深层发酵技能为首要特征。 它 大大促进了发酵工业的开展，使有机酸、微生素、激素等都可以用发酵法大规模出产。 四、代谢操控技能的树立 经过发酵工业化出产的几十年实践， 人们逐渐知道到发酵工业进程是一个跟着时刻改动 的（时变的）、非线性的、多变量输入和输出的动态的生物学进程，依照化学工程的形式来 处理发酵工业出产（特别是大规模出产）的问题，往往难以收到预期的效果。从化学工程的 视点来看， 发酵罐也便是出产质料发酵的反响器， 发酵罐中培育的微生物细胞只是一种催化 剂，按化学工程的正统思想，微生物当然难以发挥其生命特有的出产潜力。所以，追溯到作 坊式的发酵出产技能的生物学内核 （微生物） 返璞归真而对发酵工程的特点有了新的知道。 ， 发酵工程的生物学特点的确定， 使发酵工程的开展有了清晰的方向， 发酵工程进入了生物工 程的领域。 1957 年，日本用微生物出产谷氨酸成功，现在 20 种氨基酸都可以用发酵法出产。氨基 酸发酵工业的开展， 是树立在代谢操控发酵新技能的基础上的。 科学家在深入研讨微生物代 谢途径的基础上，经过对微生物进行人工诱变，先得到适合于出产某种产品的骤变类型，再 在人工操控的条件下培育，就很多发生人们所需求的物质。现在，代谢操控发酵技能现已与 核苷酸、有机酸和部分抗生素等的出产中。1957 年日本首要完成了 L-谷氨酸发酵的工业化 出产， 其成功的关键是弄清楚了牛物素对细胞膜通透性的影响。 在培育基中定量供给生物素 影响了膜磷脂的组成，然后使细胞膜的通透性添加，谷氨酸得以排出细胞外并很多堆集。谷 氨酸工业化发酵出产的成功促进了代谢操控理论的研讨， 选用养分缺点型及类似物抗性骤变 株完成了赖氨酸、 苏氨酸等的工业化出产。 此阶段称为发酵工程的第三个里程碑——以微生 物代谢调控发酵技能为首要特征。随后氨基酸工业、有机酸丁业、酶制剂及其使用工业、核 苷酸及其相关产品工业、多糖工业等相继开展起来，构成了一个较完好的、使用微生物发酵 的工业化出产体系。 五、发酵质料的改动 从 20 世纪 60 时代到 70 时代晚期，发酵工业得到了敏捷的开展，这一时期微生物发酵 特别是单细胞蛋白发酵工业的鼓起， 使发酵质料由曩昔单一性碳水化合物 质料发生了改变， 向非碳水化合物过渡。从曩昔只是依托农产品的情况，过渡到从工厂、矿业资源中。20 世 纪 70 时代今后，基因工程、细胞工程等生物工程技能的开发，使发酵工程进入了定向育种 的新阶段，新产品层出不穷。 六、基因工程等多种技能引进发酵 20 世纪 80 时代以来，跟着学科之间的不断穿插和浸透，微生物学家开端用数学、动力 学、 化工工程原理、 计算机技能对发酵进程进行归纳研讨， 使得对发酵进程的操控更为合理， 发酵工程进入了现代发酵工程阶段， 并且现已可以人为操控和改造微生物， 使这些微生物为 人类出产产品的。跟着上世纪四十时代青霉素的工业化出产，深层通气发酵法广泛运用，为 习惯此工艺的开展，工程师结合了空气动力学、流体动力学等规划了具有出料补料口、接种 口、传热通风设备的大型发酵罐——机械拌和式发酵器。随后又开发了通风拌和式。跟着工 业自动化水平不断晋级， 微机也在发酵体系中发挥了越来越大的效果。 现在现已可以完成自 动记载和自动操控发酵进程的悉数参数， 明显前进出产功率， 完成了发酵工程的高度自动化。 20 世纪 90 时代基因工程技能快速开展，很多引进到发酵工业中，使发酵工业发生革新 性的改动。体外 DNA 重组技能使用与微生物育种，就可以依照预订的蓝图选育菌种来出产 所需求的产品，前进产品的产值和质量，降低成本。 现代发酵工程作为现代生物技能的一个重要组成部分， 具有宽广的使用远景。 发酵工程 现已从曩昔简略的出产酒精类饮料、 出产醋酸和发酵面包开展到今日成为生物工程的一个极 其重要的分支，成为一个包含了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计 算机软硬件工程的一个多学科工程。现代发酵工程不光出产酒精类饮料、醋酸和面包，并且 出产胰岛素、干扰素、成长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，出产天然杀虫剂、细 菌肥料和微生物除草剂等农用出产资料， 在化学工业上出产氨基酸、 香料、 生物高分子、 酶、 维生素和单细胞蛋白等。 微生物发酵工程是一门陈旧的学科， 在各种技能的不断进入下相貌 面目一新，与人们日子休戚相关。信任在不久的将来其必定成为国民经济新的增长点。