第四节　发酵工程技术发展趋势

一、发酵工程技术产业化的关键因素

发酵工程技术只有实现产业化才能造福人类，而能否实现规模化生产主要取决于所用的菌种的生产能力、发酵的工艺条件和发酵罐的操作性能，只有这三个方面条件均具备，发酵生产才能顺利进行。对于给定的菌株，通过建立适当的发酵工艺，给微生物提供良好的环境，充分发挥所用菌株的生产能力，提高发酵的水平。发酵过程的工艺控制，则依赖于发酵罐的操作性能和过程控制。发酵产品能否占领市场取决于影响发酵产品的价格因素，发酵产品的分离与纯化过程费用通常占生产成本的50%～70%，有的甚至高达90%，甚至更高。分离步骤多、耗时长，往往成为实施生化过程生产替代化学过程生产的制约因素。因此，发酵工业的发展始终都是围绕发酵工程技术产业化来展开的。

二、发酵工业发展趋势

1.发酵原料的开发和利用

粮食和能源紧张是当下和今后世界各国都将面临的难题。发酵产业对能源和粮食的消耗巨大，同时地球上的石油、煤炭、天然气等化石燃料终将枯竭。因此，发酵工业在发酵原料的开发和利用方面，未来的发展要求应该是：①实现原料到产品的高转化率。②开发和利用非粮食农业生物质发酵原料，如纤维素、非粮淀粉、非粮脂肪酸等。③加强发酵产业向能源、化工以及材料等领域延伸，实现部分代替石油，生产大宗材料、能源、化工产品等，逐渐减少对石油的依赖。例如通过微生物利用秸秆、玉米芯等木质纤维素农林业残渣作为原料发酵生产乙醇等燃料能源，已经引起越来越多的国家在发展战略上的重视。尽管目前纤维素乙醇的生产成本已下降至5000～6000元/t，但限制乙醇作为燃料使用的主要障碍还是成本问题，因而构建能够利用可再生物质生产乙醇的工程菌仍是主要的努力方向。④随着工业的发展、人口增长和国民生活的改善，废弃物也日益增多，同时也造成环境污染。因此，通过发酵技术对各类废弃物的治理和转化，变废为宝，实现无害化、资源化和产业化。

2.提高菌种效率是关键

我国的发酵产业在硬件方面已经达到很高的水平。因此，今后节能减排的工作重点应该放在菌种的改良上。

①充分利用包括基因工程在内的现代分子生物学技术研究成果，按照人们的意愿来改良菌种及将外源基因导入微生物细胞，对传统发酵工业菌种进行改造，提高发酵效率。

②构建复合功能微生物是菌种改良的重要方向。目标是获得一个能快速生长、能进行多种基因整合、抗染菌、允许不同多个个体的染色体在细胞中共存，从而获得多种性能、能生产多种产品的菌株。

近期和中期菌种改造研究的重要应用领域包括：改造控制生长速度的微生物基因组，使微生物细胞更快地生长，利用快速生长的微生物菌株生产大宗化工产品，提高生物过程相对于化工过程的竞争性。限制细胞群体效应，使发酵能达到更高的密度，提高生物产品单位时间和单位体积的生产效率。实现跨种属染色体在一个细胞共存，使细胞具有多种功能（特别是利用纤维素快速生长获得目标产物）。总之，提高菌种的效率是提高发酵产业的关键。

3.开拓先进发酵工艺技术

发酵工业具有高耗能、高耗水、不连续、易染菌的缺点，导致发酵产业成本的增加，降低了其竞争性。未来发酵产业应该向着无高温灭菌、低耗水和连续发酵方向发展，以最终达到节能减排的目的。最近，我国在嗜盐菌发酵生产生物塑料聚羟基脂肪酸酯（PHA）方面已经实现了至少两周的开放发酵，使PHA成为有竞争性产业的步伐又向前迈进了一步。未来，可以利用海水为介质发掘嗜盐菌在高pH值、高温和高盐浓度条件下生长繁殖的特点，建立一个能进行无高温灭菌、低耗水（利用海水）和连续发酵、有竞争性的发酵产业。

4.新型发酵设备的研制

新型发酵设备的研制为发酵工程提供了先进工具。例如，固定化反应器是利用细胞或酶的固定化技术来生产发酵产品，提高产率。英国科学家设计了一种“光生物反应器”培养水藻，通过光合作用将太阳能转化为生物燃料，其转化率比一般农作物和树木要高得多，可使光合作用达到最佳程度，并可以从释放的气体中回收氢能。

5.大型化、连续化、自动化控制技术的应用

现代生物技术的成功与发展，取决于高效率、低能耗的生物反应过程，而它的高效率又取决于它的自动化。发酵设备正逐步向容积大型化、结构多样化、操作控制自动化的高效生物反应器方向发展，其目的在于节省能源、原材料和劳动力，降低发酵产品的生产成本。生物反应器大型化为世界各发达国家所重视。微生物发酵过程是一个非线性、时变性、大滞后、阶段性、多变量输入输出、强耦合的生化反应工程。发酵过程很简单，常规控制已不能满足其快速发展的需求。发酵过程的全方位自动化就是通过建立预报模型、监控与故障诊断模型，用于在线监视与优化控制，及时发现并消除异常状况，实现过程的高效、安全、稳定运行，最终达到提高产品质量一致性和企业经济效益的目的。

6.生态型发酵工业的兴起开拓了发酵的新领域

随着近代发酵工业的发展，越来越多的过去靠化学合成的产品，现在已全部或部分借助发酵方法来完成。也就是说，发酵法正在逐渐代替化学工业的某些方法。有机化学合成方法与发酵生物合成方法关系更加密切，生物半合成或化学半合成方法已应用到许多产品的工业生产中。微生物酶催化生物合成和化学合成相结合，使发酵产物通过化学修饰及化学结构改造进一步为生产更多精细化工产品开拓了一个崭新的领域。

7.发酵产品高效分离技术的开发

在发酵工业中为达到既高产又丰收的目的，必须具备高水平的发酵产物后处理技术和设备。寻求经济适用的分离纯化技术，已成为发酵工程领域的热点。分离纯化技术的研发有两个方向：一是结合其他学科的发展开发新的分离纯化技术；二是对现有的分离纯化技术进行重新研发，从其他角度对现有的分离纯化技术进行利用。目前国外在发酵工程后提取工艺上已大规模应用的新型分离纯化技术，如双水相萃取、新型电泳分离、大规模制备色谱、膜分离（微滤、超滤等）、连续结晶技术等。这些新型技术的开发与应用，减少了后提取工艺的操作费用，提高了后提取工艺的产品收率，大大降低了生产成本。如何将这些新型分离纯化技术有效地应用于发酵工业生产过程，如何提高现有产品的收率、降低产品的生产成本是今后研究的重要课题。另外，将发酵过程与产物的分离相偶联，解除发酵产物对菌体生长和代谢的抑制，既能提高发酵水平，又有利于产物的分离。

总之，现在菌种的选育不仅能利用现代化科技进行高效的常规选育，而且已经应用基因工程等最新生物技术将外来基因引入微生物细胞内，使微生物细胞按照人类的需要合成某些产品；发酵条件控制也在积极探索，按照微生物生理和代谢特性及产物的合成途径进行调控；在工程方面，不仅设计了多种类型的发酵设备，以满足各类微生物和各种产品的生产，同时随着电子计算机的应用，各种敏感的测试元件的出现，发酵工程工业已经广泛应用微机控制进行发酵生产；对发酵数学模型的研究，也将进一步促使发酵工程工业朝着模拟化、自动化、最优化方向发展。因此，发酵工程工业已经发展成为规模庞大的现代化工业，现在的发酵工程工业与过去相比，具有范围更广、技术更复杂、要求更高等特点。