发酵工程的演变与发展历程

人类利用微生物进行发酵生产已有数千年的历史，然而人们对发酵的认识经历了一个漫长的过程。

（一）自然发酵时期

在我国，据考古证实，公元前4200—前4000年的龙山文化时期就有酒器出现，公元前3500年的商代，就开始用人畜的粪便和秸秆、杂草沤制堆肥。公元3000年前，中国已有用长霉的豆腐治疗皮肤病的记载。孙思邈在《齐民要术》里记录了我国人民能用蘖（麦芽）制造饴糖，用散曲制酱、酿醋，利用微生物制泡菜、奶酒、干酪及豆腐乳等。

在国外，公元前4000—前3000年，古埃及人已熟悉了酒、醋的酿造方法。约公元前2000年，古希腊人和古罗马人已会利用葡萄酿造葡萄酒。在巴黎卢浮宫保存的“蓝色纪念碑”上，记载着公元前3世纪古巴比伦居民利用谷物酿造某些品种的啤酒，有约20种不同啤酒，如用大麦芽酿造的含乳酸的酸啤酒。后来逐渐出现了用烘焙的“啤酒面包”酿造的黑啤酒，以及加入了红花和各种植物果实作为香料的啤酒。

从史前到19世纪末期，人们对微生物与发酵的关系了解不多，只是在实践中应用微生物，利用自然接种方法进行发酵制品的生产，一代代的传授着这种发酵工艺。这一时期被称为自然发酵时期，主要产品有各种饮料酒、酒精、酱、酱油、食醋、干酪、泡菜和酵母等。当时还谈不上发酵工业，仅仅是家庭式或作坊式的手工业生产。多数产品为厌氧发酵，非纯种培养，凭经验传授技术和产品质量不稳定是这个阶段的特点。

（二）纯培养技术的建立

1857年，巴斯德发现了发酵是由微生物引起的，为后来的微生物纯培养奠定了基础。1872年，英国的布雷菲尔德（Brefeld ）用孢子法分离到纯种霉菌，建立了霉菌的分离与纯培养方法。1875年，丹麦植物学家汉逊（Hansen ）用纯化法分离啤酒酵母，建立了酵母菌纯培养技术。1881年，德国医生柯赫（R. Koch）发明了固体培养基，第一次分离得到微生物纯种，建立了单种微生物的分离和纯培养技术，柯赫因此被称为微生物纯培养技术的先驱。纯培养技术为有效控制不同类型微生物以及获取不同代谢产物奠定了基础，开创了人为控制微生物发酵进程的时代，对发酵工业的建立起到关键的作用。因此，微生物纯培养技术的建立是发酵工程发展史的第一个转折时期，从此，发酵由食品工业向非食品工业发展。

第一次世界大战中，由于战争的需要，德国需要大量用于制造炸药的硝化甘油，从而使甘油发酵工业化。英国制造无烟炸药需要大量的优质丙酮，促使魏茨曼（Weizmann）开拓了丙酮-丁醇发酵，是第一个进行大规模工业生产的发酵过程，也是工业生产中首次大量采用纯培养技术而进行的真正意义上的单菌发酵。

这个时期生产的主要是厌氧发酵产品，包括甘油、乳酸、丙酮、丁醇等；另外，还有一些通过表面固体发酵生产少量的好氧产品，如酵母菌体、柠檬酸等。

（三）通气搅拌液体深层发酵技术的建立

1929年，英国细菌学家弗莱明（Fleming）发现了青霉素，并确认青霉素对伤口感染有很好的治疗效果。发酵工程发展的第三个时期始于青霉素的研究和发酵生产。

1941年，美英两国合作对青霉素做了进一步的研究和开发。开始进行表面培养生产青霉素，采用大量的扁瓶或锥形瓶，内装湿麦麸培养基产出的青霉素效价低，耗时耗力，因此急需新的发酵生产线来生产青霉素。随后，工程技术人员将机械搅拌技术引入到带无菌通气装置的发酵罐中，该技术使好氧菌的发酵生产走上了大规模工业化生产途径，青霉素开始进行大规模的发酵生产。目前，采用通气搅拌液体深层培养，100～200m³发酵液可以产生的青霉素效价高达5万～7万U/mL。通气搅拌深层发酵技术的建立有力推动了抗生素工业乃至整个发酵工业的快速发展，是发酵工程发展史上的第二个转折时期。

通气搅拌深层发酵技术使有机酸、酶、维生素、激素等需氧发酵产品都可以用发酵法大规模生产，也促进了甾体转化、微生物酶与氨基酸发酵工业的迅速发展。传统高分子都是用化学聚合方法进行的，近几年，开始采用深层发酵法生产功能高分子，特别是生物可降解高分子，如透明质酸、黄原胶等也已实现了发酵法生产。(www.xing528.com)

（四）代谢调控发酵技术的建立及发酵原料的转变

大多数的工业产品并不是微生物代谢的末端产物，而是微生物代谢的中间物质，要合成、积累这些物质，必须解除它们的代谢调控机制。代谢控制发酵概念的提出最早源于日本人在谷氨酸发酵上取得的成功。1956年，日本首先成功地利用自然界存在的野生生理缺陷型菌株进行谷氨酸生产，这是以代谢调控为基础的新的发酵技术。

以1956年谷氨酸发酵技术的产业化为标志，发酵工业进入第三个转折期——代谢控制发酵时期，其核心内容为代谢控制技术，之后该技术得到了飞跃的发展和广泛应用，取得了引人注目的成就。利用代谢控制发酵的基本理论，目前已成功地进行了大多数的氨基酸发酵法生产，同时也完成了诸如肌苷酸（IMP ）、干扰素等新型药物的开发生产。

目前，发酵企业广泛采用的补料分批发酵技术可以有效地减少发酵过程中培养基黏度升高引起的传质效率降低、降解物的阻遏和底物的反馈抑制现象，很好地控制代谢方向，延长产物合成期和增加代谢物的积累。所需营养物限量的补加，常用来控制营养缺陷型突变菌株，使代谢产物积累达到最大。氨基酸发酵中采用这种补料分批技术最普遍，实现了准确的代谢调控。

随着代谢控制发酵技术的广泛应用，发酵工业需要大量的粮食及农户产品作为发酵原料。20世纪60年代初期，为了解决这一问题，生物学家开始对发酵原料的多样化开发进行了研究，出现了利用烷烃、天然气、石油等进行发酵。如利用廉价的碳氢化合物为碳源不仅能够生产单细胞蛋白（Single Cell Protein，SCP）。而且还可发酵生产各种各样发酵产品。

（五）基因工程的应用

发酵工业发展史中的第五阶段始于20世纪70年代微生物的体外遗传操作技术，通常称为基因工程（或者DNA重组技术）。基因工程技术的诞生使发酵技术进入一个崭新的阶段，也使发酵工业发生了革命性变化。

采用“基因工程菌”能够生产自然界一般微生物不能合成的产物，如胰岛素、干扰素等，大大拓宽了发酵工业的范围。通过基因工程构建的新菌种可以提高代谢产物的产量或质量，例如，原来提取100g胰岛素大约需720g猪胰脏，而用基因工程菌发酵，仅用2000L培养液即可提取100g胰岛素。目前，许多国家已用计算机操作细菌生产胰岛素，产量更为可观。生长激素释放抑制因子是一种人脑激素，能够抑制生长激素的不适宜分泌，用于治疗肢端肥大症。该激素最初是从羊脑中提取，50万个羊脑才能提取5mg，远远不能满足需要，而利用整合了生长激素释放抑制因子基因的工程菌进行发酵生产，7.5L培养液就能得到5mg的生长激素释放抑制因子，而价格只有原来的几百分之一。

表1-1 基因工程菌的发酵产品应用实例

20世纪80年代以来，一些发达国家的研究人员纷纷试验将大豆球蛋白基因导入大肠杆菌中，通过发酵工程培养，生产出大豆球蛋白，使大豆球蛋白产量倍增。若种植大豆获得大豆球蛋白，至少需要一个生长季，而应用发酵工程只需要3d时间就可以生产出大量的大豆球蛋白。

基因工程的引入是发酵工程发展史上的第四个转折点。现代发酵工程以基因工程的诞生为标志，以微生物工程为核心内容，以数学、动力学、化工原理等为基础，通过计算机实现发酵过程自动化控制的研究，使发酵过程的工艺控制更为合理，相应的新工艺、新设备也层出不穷。