第1章 概论
内容提要：发酵工程是传统发酵技术与现代生物工程相结合而发展起来的现代生物技术，是基因工程、酶工程、细胞工程等生物技术实现产业化的桥梁和关键技术。从传统的发酵技术到现代生物技术，其发展的时间和空间跨度越来越短。它记载着古代文明的足迹，又反映出近代生物技术发展的轨迹。它与人类生活密切相关，其应用范围遍及医药卫生、农林牧渔、轻工食品、化工能源、环境保护和冶金采矿等各个领域，为解决人类当今所面临的食物、健康、环境和能源等诸多重大问题提供了科学的手段并开辟了新的途径。
所谓发酵工程，即通过改造发酵所用的菌及应用技术手段控制发酵过程来大规模工业化生产发酵产品。工业生物技术的发展*早始于发酵生产。
发酵生产有着悠久的历史，春秋时代的孔子已经借酒助兴。《十国春秋》载：“文王饮酒千钟，孔子百觚。”《诗经》三百篇，言酒者五十有余。有人说，翻开《诗经》就有浓烈的酒香散出，读多了还会醉在其中。
发酵（fermentation）这个术语在1600年就开始使用，它*初来源于拉丁语“发泡”（fervere），意思是指那些一般伴有气体放出的食物分解过程。例如，酒精发酵，盖 吕萨克1815年提出酒精发酵的化学式，糖→酒精+二氧化碳。
然而对发酵本质的认识和发酵工业的建立却只是近百年的事。发酵对不同的对象具有不同的意义：对生物化学或生理学家来说，发酵是指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质从而产能的一种方式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。例如，葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出二氧化碳，同时获得能量；丙酮酸被还原为乳酸而获得能量等。
但对工业微生物学家来说，它的意义就广泛得多。工业上是泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程，它包括厌氧培养的生产过程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，以及好氧培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等的生产。产品既有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。
随着科学技术的发展，在应用微生物工业中，“发酵”一词的范围现在又扩展到泛指所有通过培养生物细胞（含动、植物细胞和微生物）来制得产物的过程，包括天然的发酵过程和人工控制的发酵过程。
1.1 发酵工程的发展简史
发酵技术是人类*早通过实践所掌握的生产技术之一，产品也很多，以传统的食品和饮料来说，在西方有啤酒、葡萄酒、面包、干酪；在东方有酱、酱油、醋、米酒；在中东和近东有乳酸等发酵产品。这些产品都是数千年来，凭借人类的智慧和经验，在没有亲眼见到微生物的情况下，巧妙地利用微生物所获得的产品。3000年前，中国已有用长霉的豆腐治疗皮肤病的记载，这很可能就是因为豆腐上长的霉菌中有些种类能产生青霉素之类抗生素的缘故。但是作为发酵工业却是近百年才发展起来的。它的发展大致经历如下几个阶段。
1.1.1 传统生物技术的追溯（即天然发酵阶段，1863年之前）
始自家庭工业即食品酿造工业。从史前至19世纪末，人类利用自然接种方法进行发酵制品的生产。主要产品有酒、酱油、醋、干酪、酸乳等传统产品。但由于人们对微生物的本质缺乏认识，进展缓慢，当时实际上还谈不上发酵工业，而仅仅是家庭式或作坊式的手工业生产。生产技术只凭经验口传心授，且产品质量不稳定，多数产品为厌氧发酵，非纯种培养。
这个时期的一些生活或生产实践基本上是知其然而不知其所以然的实践，是一种经验发酵技术时期，因此在其后的相当长的时期中没有大的突破，但这些实践是很可贵的，它为以后发酵理论的建立创造了基础。
这个时期的产品：酒、醋、酱和酱油、泡菜、奶酪等。
这个时期的特点：地方性（因而形成了各种风味特色等）、经验性、偶然性、“知其然，不知其所以然”。
1.1.2 发酵技术发展的**转折时期——纯培养技术的建立（即巴斯德时期，1863～1941年）
1872年，布雷菲尔德创建了霉菌的分离与纯培养技术。
1878年，汉逊等创建了酵母菌的分离与纯培养技术。
1881年，柯赫等创建了细菌的分离与纯培养技术。
从此，人类可以控制某种微生物的生命活动，把单一的微生物菌种用于各种发酵工业，从而使发酵的生产技术得到巨大的改良，由于采用纯种培养与无菌操作技术，包括灭菌和使用密闭式发酵罐，发酵过程避免了杂菌污染，生产规模扩大了，产品质量提高了，产品稳定性也提高了，这对发酵工业起到了巨大的推动作用。特别是在**次世界大战（1914～1918年）中，由于战争的需要（即社会的需要），丙酮、丁醇和甘油等工业飞快发展，不仅建立了真正的发酵工业，并使其逐渐成为化学工业的一部分，发酵工业开始了由食品工业向非食品工业的发展。因此可以认为纯培养技术的建立是发酵技术发展的**个转折时期。从此，人类开始了人为地控制微生物的时代。
另一方面，布赫纳（Buchner）又阐明了微生物产生化学反应的本质。他用磨碎的酵母细胞制成酵母汁，加入大量蔗糖后，发现有CO2和乙醇的形成。这时人们才知道，任何生物都含有产生发酵的物质（酶）。这就证明了酒精的发酵过程是由酶催化的一系列化学反应。后来对微生物的酶又进行了详细的研究。到了20世纪初，人们认识到，生物化学领域中研究过的肌糖酵解作用，与微生物引起的乳酸发酵和乙醇发酵，在本质上是相似的。这样就沟通了生物化学与微生物这两门学科。
这个时期的产品：乳酸、酒精、面包酵母、丙酮丁醇、柠檬酸、淀粉酶、蛋白酶（采用表面培养法生产）。
这个时期的特点：产品分子结构简单（比起原料来更为简单）、初级代谢产物、厌氧发酵、表面培养（产品的生产过程也较为简单，对生产设备的要求不高，规模一般不大）。
延伸阅读——纯培养技术建立前的技术准备期
1675年，发现了细菌（在荷兰人列文虎克发明了显微镜以后）。
1857年，发现了发酵与微生物有关。
1860～1861年，*颈瓶试验。
1863年，巴斯德消毒法。
1.1.3 发酵技术发展的第二转折时期——通气搅拌发酵技术的建立（即抗生素时期，1941～1956年）
在1900～1940年的几十年时间里，发酵技术取得了一系列的进展，如面包酵母发酵过程中所采用的逐步补加培养基成分的技术就是现今所称的补料分批培养法，通入空气的设施也改用喷射管，用低碳钢制造的圆柱形发酵罐，采用加压蒸汽灭菌和无菌接种技术，纯种培养新技术的建立等，这些都是当时为改进发酵工艺所取得的进展。
但是，这些进展只有在第二次世界大战（1939～1945年）期间，才得到了集中的应用和体现，当时由于战争的需要（即社会的需要），迫切需要大规模生产青霉素，但青霉素生产又是需氧发酵，很易受到杂菌污染，因此就借鉴了丙酮丁醇的纯种厌氧发酵技术，成功地建立起深层通气培养法和一整套培养技术，包括向发酵罐中通入大量无菌空气、通过搅拌使空气均匀分布、培养基的灭菌和无菌接种等，使微生物在培养过程中的温度、pH、通气量、营养物的供给都受到严格的控制。这些技术都为以后的微生物工业提供了新的概念和模式，成为当代微生物工业兴旺发达的开端。当时青霉素的生产菌种的产量很低，为了提高菌种生产能力，又发展了改良菌种的技术。青霉素的中间试验和提取工艺的新技术也取得了比较迅速的进展。上述的深层培养法和操作技术，除用于其他抗生素发酵外，以后的微生物酶制剂、柠檬酸、维生素、氨基酸和甾类转化等产品的发酵生产，都采用这种方法。
延伸阅读——青霉素的问世
青霉素的问世开始于英国科学家弗莱明（Fleming）在1922年的一个伟大发现。
1922年，弗莱明发现“溶菌酶”。1922年，英国伦敦圣玛丽学院细菌学讲师弗莱明从人体鼻腔分泌物中观察到一种酶，即“溶菌酶”，具有抵抗微生物的能力。一种微生物能够抑制另一种微生物生长的现象，在微生物学中就叫做“抗生现象”。
1928年，弗莱明发现青霉素。1928年弗莱明又发现一种抗生现象，那就是青霉素的抗生作用。
1929年，弗莱明发表了题为《论青霉菌培养物的抗菌作用》的论文，这一年被视为“抗生素元年”。这个重要的发现限于当时的社会条件，没有得到重视，如提纯技术的限制、处于全盛时期的磺胺的压抑。
1940年，由弗洛里（Florey）和钱恩（Chain）提取并经临床证实青霉素具有卓越疗效并且低毒。
1941年，英美合作开发青霉素；一方面在美国的4个工厂采用表面培养法生产青霉素；另一方面着手进行沉浸培养法的研究开发。
1943年，开发青霉素生产工艺成功。采用带有机械搅拌并通入无菌空气的密闭式发酵罐，对沉浸培养的青霉素进行培养并用离心萃取机和冷冻干燥机把青霉素从发酵液中提取和精制，使得青霉素的产量和质量均大幅提高。此后不久，链霉素、金霉素、新霉素等相继问世。
青霉素的成功轰动了全世界，很快，它被投入第二次世界大战的战地救护，拯救了许多濒临死亡的盟军将士的生命，就连患了肺炎的英国*相丘吉尔，也是靠它才得以恢复健康。人们把它同原子弹、雷达并列为二次大战中的三大发明。不同的是，原子弹和雷达是用于战争，而青霉素则是用于挽救生命。1945年，弗莱明、弗洛里和钱恩，因发明青霉素而共同分获了诺贝尔生理学或医学奖。
青霉素的问世，给人类医疗保健事业作出了巨大贡献，使千百万生命免除了死亡的威胁，同时在发酵工业发展史上也开创了崭新的一页。由抗生素发酵开始发展起来的通气搅拌液体发酵技术是现代发酵工业*主要的生产方式，它使需氧菌发酵生产从此走上了大规模的工业化生产途径，并且逐渐形成和建立起生化工程学科。与此同时也有力地促进了甾体转化、微生物酶与氨基酸发酵工业的迅速发展，因而认为通气搅拌发酵技术的建立是发酵技术发展的第二个转折时期，是现代发酵工业的开端。
这个时期的产品：抗生素等。
这个时期的特点：产品分子结构复杂、次代谢产物、纯种深层培养。
1.1.4 发酵技术发展的第三转折时期——代谢控制发酵技术（即后抗生素时期，1956～1973年）
代谢控制发酵技术包括利用调控代谢的手段进行微生物的菌种选育和发酵条件的控制。该技术在20世纪50年代末谷氨酸发酵取得成功后，发酵工业进入第三转折期——代谢控制发酵时期，并在其后的年代里得到飞跃的发展和广泛应用，取得了引人注目的成就。1956年日本*先成功地利用野生型菌株中的生物素缺陷型菌株进行谷氨酸发酵生产。此后，赖氨酸、苏氨酸等一系列氨基酸都采用该发酵法生产。显然，利用微生物生产氨基酸是以代谢调控为基础的新的发酵技术。
代谢控制发酵大体过程如下。以生物化学和遗传学为基础，研究代谢产物的生物合成途径和代谢调节机制，选择巧妙的技术路线，通过遗传育种技术获得解除或绕过微生物正常代谢途径的突变株，如营养缺陷菌株或抗代谢类似物菌株，从而人为地使有用产物选择性地大量合成和累积。代谢控制发酵的关键，取决于微生物代谢调控机制是否能够解除，能否打破微生物正常的代谢调节这一天然屏障，人为地控制微生物的代谢。代谢控制育种和发酵过程的代谢控制培养是实现这一目标的两个手段，而代谢控制育种则为主要支柱技术。由氨基酸发酵而开始的代谢控制发酵，使发酵工业进入了一个新的阶段。随后，核苷酸、抗生素及有机酸等也利用代谢调控技术进行发酵生产。
代谢控制发酵的出现与发展，与以下几个方面是密不可分的：生物化学的发展，确立了代谢图谱，同时发现了代谢过程中的各种调节机制；分子生物学和分子遗传学的发展，可以人为地在DNA分子水平上改变微生物的代谢，多方面利用微生物的代谢活性，使微生物的菌学特性按人为的目标变化；合理控制环境，采用过程控制方法，完善受控参数，对发酵过程进行*优化控制，使目的产物大量积累。
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