【正文】 酵器是由低碳鋼制成的具有半圓形的頂和底的圓桶。空氣分布管可以用蒸汽進(jìn)行沖刷。酵母在豐富養(yǎng)料中快速生長，使培養(yǎng)液中的氧耗盡。在 20 世紀(jì)初，在釀酒和制醋工業(yè)中已建立起過程控制的概念。在發(fā)生器中，填充惰性物質(zhì)（如焦碳、煤和各種木刨花），酒從上面緩慢滴下。在英國麥酒釀造中并未運(yùn)用純種培養(yǎng)。在 18 世紀(jì)中期， CagniardLatour, Schwann 和 Kutzing 分別證實(shí)了酒精發(fā)酵中的酵母活動(dòng)規(guī)律。當(dāng)時(shí)只限于含酒精飲料和醋的生產(chǎn)。具有催化作用的固定化細(xì)胞可以反復(fù)多次使用。微生物轉(zhuǎn)化還可以生產(chǎn)更有價(jià)值的化合物。轉(zhuǎn)化反應(yīng)是催化脫氫、氧化、羥化、縮合、脫羧、氨化、脫氨化或同分異構(gòu)作用。和初級代謝物一樣，許多次級代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)形成多種形式的發(fā)酵過程。次級代謝與初級代謝的微生物在分類學(xué)上的分布截然不同。各種次級代謝產(chǎn)物，只是極少數(shù)幾個(gè)微生物種才能合成的。這是微生物在培養(yǎng)過程中的另一個(gè)特性。這個(gè)生長期（相當(dāng)于穩(wěn)定期）則稱為分化期（ Idiophase）。野生型的微生物所產(chǎn)生的初級代謝產(chǎn)物，只限于微生物本身的需要。在對數(shù)生長期中，所產(chǎn)生的產(chǎn)物，主要是供給細(xì)胞生長的物質(zhì)，入氨基酸、核苷酸、蛋白質(zhì)、核酸、脂類和碳水化合物等。然后細(xì)胞的生長率逐漸增加，而達(dá)到最大生長率，并成為一個(gè)常數(shù)，這時(shí)稱為對數(shù)成長期。例如，廣泛用于食品加工、纖維脫漿、葡萄糖生產(chǎn)的淀粉酶就是一種 最常用的酶制劑，其他如可用于澄清果汁、精煉植物纖維的果膠酶，以及在皮革加工，飼料添加劑等方面用途廣泛的蛋白酶等，都是在工業(yè)和醫(yī)藥上十分重要的酶制劑。從表中可以看出微生物的酶主要應(yīng)用于食品及其有關(guān)工業(yè)中。 二、微生物的酶 工業(yè)上，曾由植物、動(dòng)物和微生物生產(chǎn)酶。一種是供制備面包用的酵母；另一種是作為人類或動(dòng)物的食物的微生物細(xì)胞（單細(xì)胞蛋白質(zhì)）。然后測定培養(yǎng)的需求，設(shè)計(jì)包括提取過程在內(nèi)的工廠。 四、發(fā)酵過程的組成部分 1，發(fā)酵過程的組成 除某些轉(zhuǎn)化過程外，典型的發(fā)酵過程可以劃分成六個(gè)基本組成部分： （ 1）繁殖種子和發(fā)酵生產(chǎn)所用的培養(yǎng)基組份設(shè)定； （ 2）培養(yǎng)基、發(fā)酵罐及其附屬設(shè)備的 滅菌； （ 3）培養(yǎng)出有活性、適量的純種，接種入生產(chǎn)的容器中； （ 4）微生物在最適合于產(chǎn)物生長的條件下，在發(fā)酵罐中生長； （ 5）產(chǎn)物萃取和精制； （ 6）過程中排出的廢棄物的處理。 2，按發(fā)酵產(chǎn)物來區(qū)分：如氨基酸發(fā)酵、有機(jī)酸發(fā)酵、抗生素發(fā)酵、酒精發(fā)酵、維生素發(fā)酵等。 基于以上特點(diǎn)，工業(yè)發(fā)酵日益引起人們重視。如果污染了雜菌，生產(chǎn)上就要遭到巨大的經(jīng)濟(jì)損失，要是感染了噬菌體，對發(fā)酵就會(huì)造成更大的危害。 3，發(fā)酵過程是通過生物體的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式來完成的，反應(yīng)的專一性強(qiáng)，因而可以得到較為單 — 的代謝產(chǎn)物。其主要特點(diǎn)如下： 1，發(fā)酵過程一般來說都是在常溫常壓下進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)安全，要求條件也比較簡單。 （ 2） 廣義 “發(fā)酵 ”的定 義 工業(yè)上所稱的發(fā)酵是泛指利用生物細(xì)胞制造某些產(chǎn)品或凈化環(huán)境的過程，它包括厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，以及通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等的生產(chǎn)。因而，現(xiàn)代對發(fā)酵的定義應(yīng)該是：通過微生物（或動(dòng)植物細(xì)胞）的生長培養(yǎng)和化學(xué)變化，大量產(chǎn)生和積累專門的代謝產(chǎn)物的反應(yīng)過程。我們現(xiàn)在所指的發(fā)酵早已賦予了不同的含義。 一、基本概念 1，發(fā)酵一詞的來源 發(fā)酵現(xiàn)象早巳被人們所認(rèn)識，但了解它的本質(zhì)卻是近 200 年來的事。第一章 緒 論 第一節(jié) 概述 工業(yè)發(fā)酵是利用微生物的生長和代謝活動(dòng)來生產(chǎn)各種有用物質(zhì)的一門現(xiàn)代工業(yè)，而現(xiàn)代發(fā)酵工程則是指直接把微生物 (或動(dòng)植物細(xì)胞 )應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的一種技術(shù)體系，是在化學(xué)工程中結(jié)合了微生物特點(diǎn)的一門學(xué)科。英語中發(fā)酵一詞fermentation 是從 拉丁語 fervere 派生而來的，原意為“翻騰”，它描述酵母作用于果汁或麥芽浸出液時(shí)的現(xiàn)象。發(fā)酵是生命體所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)和生理變化，是多種多樣的生物化學(xué)反應(yīng)根據(jù)生命體本身所具有的遺傳信息去不斷分解合成，以取得能量來維持生命活動(dòng)的過程。 2，發(fā)酵的定義 （ 1） 狹義 “發(fā)酵 ”的定義 在生物化學(xué)或生理學(xué)上發(fā)酵是指微生物在無氧條件下，分解各種有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式，或者更嚴(yán)格地說，發(fā)酵是以有機(jī)物作為電子受體的氧化還原產(chǎn)能反應(yīng)。產(chǎn)品即有細(xì)胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細(xì)胞、酶等。 2，發(fā)酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他農(nóng)副產(chǎn)品為主，只要加入少量的有機(jī)和無機(jī)氮源就可進(jìn)行反應(yīng)。 4，由于生物體本身所具有的反應(yīng)機(jī)制，能夠?qū)?一性地和高度選擇性地對某些較為復(fù)雜的化合物進(jìn)行特定部位地氧化、還原等化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)，也可以產(chǎn)生比較復(fù)雜的高分子化合物。因而維持無菌條件是發(fā)酵成敗的關(guān)鍵。和傳統(tǒng)的發(fā)酵工藝相比，現(xiàn)代發(fā)酵工程除了上述的發(fā)酵特征之外更有其優(yōu)越性。 3，按發(fā)酵形式來區(qū)分，則有：固態(tài)發(fā)酵和深層液體發(fā)酵。 六個(gè)部分之間的關(guān)系如圖所示。以后的發(fā)展計(jì)劃，包括連續(xù)不斷的改良菌種、培養(yǎng)基和提取過程 2，發(fā)酵過程示意圖 典型的發(fā)酵過程示意圖 3， 發(fā)酵生產(chǎn)的條件 （ 1）某種適宜的微生物 （ 2）保證或控制微生物進(jìn)行代謝的各種條件（培養(yǎng)基組成，溫度，溶氧 pH 等） （ 3）進(jìn)行微生物發(fā)酵的設(shè)備 （ 4）提取菌體或代謝產(chǎn)物，精制成產(chǎn)品的方法和設(shè)備 五，發(fā)酵工業(yè)范圍 1，釀酒工業(yè) (啤酒、葡萄酒、白酒等 ) 2，食品工業(yè) (醬、醬油、醋、腐乳、面包、酸乳等 ) 3，有機(jī)溶劑發(fā)酵工業(yè) (酒精、丙酮、丁醇等 ) 4，抗生素發(fā)酵工業(yè) (青霉素、鏈霉素、土霉素等 ) 5，有機(jī)酸發(fā)酵工業(yè) (檸檬酸、葡萄糖酸等 ) 6，酶制劑發(fā)酵工業(yè) (淀粉 酶、蛋白酶等 ) 7，氨基酸發(fā)酵工業(yè) (谷氨酸，賴氨酸等 ) 8，核苷酸類物質(zhì)發(fā)酵工業(yè) (肌苷酸、肌苷等 ) 9，維生素發(fā)酵工業(yè) (維生素 C、維生素 B 等 ) 10，生理活性物質(zhì)發(fā)酵工業(yè) (激素、赤霉素等 ) 11，微生物菌體蛋白發(fā)酵工業(yè) (酵母、單細(xì)胞蛋白等 ) 12，微生物環(huán)境凈化工業(yè) (利用微生物處理廢水、污水等 ) 13，生物能工業(yè) (沼氣、纖維素等天然原料發(fā)酵生產(chǎn)酒精、乙烯等，能源物質(zhì) ) 14，微生物冶金工業(yè) (利用微生物探礦、冶金、石油脫硫等 ) 第二節(jié) 發(fā)酵產(chǎn)品的類型 工業(yè)上的發(fā)酵產(chǎn)品，有四個(gè)主要類別： 1，以 菌體為產(chǎn)品； 2，以微生物的酶為產(chǎn)品； 3，以微生物的代謝產(chǎn)物為產(chǎn)品； 4，將一個(gè)化合物經(jīng)過發(fā)酵改造化學(xué)結(jié)構(gòu) 生物轉(zhuǎn)化過程。早在 1900 年時(shí)，面包酵母已經(jīng)形成大生產(chǎn)的規(guī)模。微生物的酶可以用發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)，是其最大的優(yōu)點(diǎn)。酶的生產(chǎn)是受到微生物本身嚴(yán)格控制。此外，還有一些在醫(yī)療上作為診斷試劑或分析試劑用的特殊晦制劑也在深入研究和應(yīng)用。接著細(xì)胞生長停滯進(jìn)入所謂穩(wěn)定期。這些產(chǎn)物稱為初級代謝產(chǎn)物。工業(yè)微生物學(xué)家的任務(wù)是改良野生型微生物并改善培養(yǎng)條件，以增進(jìn)這些化合物的生產(chǎn)能力。只有在繼續(xù)培養(yǎng)過程中，細(xì)胞 處于不生長或緩慢生長狀態(tài)時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)次級代謝。初級代謝物與次級代謝物之間的關(guān)系見圖。圖中的次級代謝產(chǎn)物是由眾多微生物所產(chǎn)生。產(chǎn)生菌細(xì)胞在產(chǎn)生次級代謝時(shí)的生理學(xué)規(guī)律，曾經(jīng)是重要的討論主題。野生型微生物只能產(chǎn)生濃度很低的次級代謝物。生物的轉(zhuǎn)化反應(yīng)比用特定的化學(xué)試劑有更多的優(yōu)點(diǎn)。如利用生物轉(zhuǎn)化過程生產(chǎn)甾體、手性藥物、抗生素和前列腺素。 2，生物的轉(zhuǎn)化反應(yīng)的特點(diǎn)： （ 1）反應(yīng)條件溫和（ 3040℃ 常壓，水相反應(yīng)）反應(yīng)選擇性高 （ 2）反應(yīng)產(chǎn)物純度高（包括光學(xué)純） （ 3）反應(yīng)底物簡單便宜（一般無毒、不易燃） （ 4）反應(yīng)收率主要取決于菌種的性能 （ 5）設(shè)備簡單 五、發(fā)酵產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域 1，食品 2，醫(yī)藥 3，輕工 4，化工 5，農(nóng)業(yè) 6，環(huán)保 7，冶金 8，高技術(shù)研究 第三節(jié) 發(fā)酵工程的地位 1，是生物工程重要的組成部分 現(xiàn)代生物工程包括 （ 1）發(fā)酵工程 (Fermentation engineering)（ 2）酶工程 (蛋白質(zhì)工程 )(Enzyme engineering amp。雖然在古埃及已經(jīng)能釀造啤酒，但一直到 17世紀(jì)才能在容量為 1500桶（一桶相當(dāng)于 110 升）的木質(zhì)大桶中進(jìn)行第一次真正的大規(guī)模釀造。 Paster 最終使科學(xué)界信服在發(fā)酵過程中酵母所遵循的規(guī)律。確切地說，許多小型的傳統(tǒng)麥酒釀造過程，至盡仍在使用混合酵母?？梢詫⒋装l(fā)生器視作第一個(gè)需氧發(fā)生器。 在 1900 年到 1940 年間，主要的新產(chǎn)品是酵母、甘油、檸檬酸、乳酸、丁醇和丙酮。在減少菌體生長的同時(shí)形成乙醇。 在第一次世界大戰(zhàn)時(shí)， Weizmann開拓了丁醇丙酮發(fā)酵，并建立了真正的無雜菌發(fā)酵。它可以在壓力下進(jìn)行蒸汽滅菌而使雜菌污染減少到最低限 度。 第三期發(fā)酵工業(yè)的進(jìn)展，是按戰(zhàn)時(shí)的需要，在純種培養(yǎng)技術(shù)下，以深層培養(yǎng)生產(chǎn)青霉素。由于實(shí)驗(yàn)工廠的崛起，使發(fā)酵工業(yè)得到進(jìn)一步的發(fā)展，它可以在半生產(chǎn)規(guī)模中試驗(yàn)新技術(shù)。這一時(shí)期，可視作發(fā)酵工業(yè)的第四階段。這種過程如果進(jìn)行連續(xù)操作，則更為經(jīng)濟(jì)。如 ICI公司還在使用 3000M3 規(guī)模連續(xù)強(qiáng)制循環(huán)發(fā)酵罐。 發(fā)酵工業(yè)發(fā)展史中的第五階段，是以在體外完成微生物基因操作，即通常稱為基因工程而開始的。為了進(jìn)一步提高工業(yè)微生物常規(guī)產(chǎn)品的生產(chǎn)能力，也可采用基因操作技術(shù)。許多著名的老牌化學(xué)工業(yè)公司已變 成了以生物技術(shù)為主的大公司，如孟山都公司， 1997 年由生物技術(shù)生產(chǎn)的銷售額已占其總銷售額的 70％以 02 年生物技術(shù)產(chǎn)品的銷售額將占其公司總銷售額的 20％。應(yīng)用手性技術(shù)的最多的是制藥領(lǐng)域，包括手性藥物制劑，手性原料和手性中間體。 1995 年底美國杜邦公司申請了基因工程菌方法生產(chǎn)乙醛酸的專利，乙醛酸的轉(zhuǎn)化率達(dá) 100％。可以預(yù)見生物技術(shù)新材料的研究和開發(fā)不但具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，而且對環(huán)境治理及社會(huì)發(fā)展具有十分重要的推動(dòng)作用。 單甘油酯是一種重要的表面活性劑，目前主要為化學(xué)法生產(chǎn)。 傳統(tǒng)的高分子都是用化學(xué)聚合方法進(jìn)行的，近幾年，開始采用生物方法生產(chǎn)功能高分子，特別是生物可降解高分子的生產(chǎn)。 四、國內(nèi)發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展概況 我國傳統(tǒng)發(fā)酵歷史悠久，在《黃帝內(nèi)經(jīng)素向》、 《湯液醪醴論》里，已有釀酒的記載。 數(shù)千年來由于科學(xué)技術(shù)進(jìn)步緩慢，各種微生物工業(yè)也未能充分發(fā)展。白酒是我國特有的、具有悠久歷史的傳統(tǒng)酒種。規(guī)模較大的有五糧液、茅臺、瀘州老窖、劍南春、汾酒、古井。3，啤酒 1900 年我國最早的啤酒廠于哈爾濱建成。 2020 年產(chǎn)量達(dá)到 2200萬噸左右。 地處北京的 “燕京啤酒 ”，是中國啤酒行業(yè)的一匹黑馬。 沈陽華潤是一家有著濃厚外資背景的啤酒企業(yè)，資金實(shí)力較為雄厚，目前已在全國收購了沈陽雪花、四川藍(lán)劍等 24 家啤 酒企業(yè)，年生產(chǎn)能力一舉超過 200 萬噸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)將珠江啤酒拋至身后，成為行業(yè)老三。 4，葡萄酒 1892 年華僑張弼士在煙臺建立釀酒公司，這是我國第一個(gè)新型的葡萄酒釀造廠。八家公司占據(jù)約60％的市場份額，銷售收入占整個(gè)行業(yè)的 ％。酒精年產(chǎn)量解放前僅 1萬噸左右。目前的年產(chǎn)量為 22 萬噸左右。 9，微生物制藥 在上海建立了第一個(gè)抗生素工廠 (即后來的上海第三制藥廠 )，以生產(chǎn)青霉素為主。最大規(guī)模是周口蓮花味精集團(tuán)公司，年產(chǎn) 12萬噸。我國的傳統(tǒng)中藥涉及 5000種左右植物，細(xì)胞培養(yǎng)是中藥資源開發(fā)的一個(gè)重要方面。 3，積極開發(fā)新產(chǎn)品 特鮮味精；無水檸檬酸、檸檬酸鹽；高溫α 淀粉酶；纖維素酶；β 葡聚糖酶；異淀粉酶等酶制劑； L蘋果酸； L乳酸；衣康酸；黃原膠 。發(fā)酵罐容量我國只有個(gè)別工廠在6060 立方米，而國外普遍在 500600 立方米以上。 檸檬酸行業(yè)萬噸以上的工廠有六家，其余均在萬噸以下，最大規(guī)模是安徽豐原生化集團(tuán)，年產(chǎn) 6 萬噸以上。 味精和檸檬酸三率與國外先進(jìn)水平比也有差距，我國味精主要以淀粉為原料，其產(chǎn)酸率、轉(zhuǎn)化率、提取收率與國外比較，如： 產(chǎn)酸率 轉(zhuǎn)化率 提取收率 國內(nèi) (平均 ) 國外 12％以上 5560％ 9095％ 主要酶制劑品種發(fā)酵水平對比 發(fā)酵水平 μ／ m1 國內(nèi)水平 國際水平 中溫淀粉酶 400500 1000 以上 2709 堿性蛋白酶 1500020200 30000 以上 糖化酶 2020025000 30000 以上 3， 產(chǎn)品品種單一，結(jié)構(gòu)不合理 酶制劑行業(yè)比較突出，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面比較單一，主要以淀粉酶類為主，如： 1991 年酶制劑總產(chǎn)量為 9萬噸，其中糖化酶總產(chǎn)量 7萬噸，占總產(chǎn)量 78％，其他品種只占 22％。 酶制劑由于品種的缺乏，以及應(yīng)用技術(shù)上開展不夠，因此應(yīng)用面拓展緩慢。 七、發(fā)酵工程在輕工、食品領(lǐng)域的展望 1，高產(chǎn)菌種和特殊環(huán)境微生物的遺傳育種 2，新酶品種開發(fā)和應(yīng)用 3，食品添加劑新品種開發(fā)和應(yīng)用 4，生物 技術(shù)產(chǎn)物工業(yè)規(guī)模的分離和提取 第一部分 啤酒工藝綜合實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)一 還原糖的測定 3 實(shí)驗(yàn)二 α 氨基氮的測定（茚三酮法） 4 實(shí)驗(yàn)三 雙乙酰（紫外分光光度法） 5 實(shí)驗(yàn)四