第一章緒　　論

第一節(jié)　工業(yè)發(fā)酵的類別

一、發(fā)酵工程及生物工程定義

1.發(fā)酵工程的定義與特點(diǎn)

（1） 發(fā)酵工程的定義　　在中國古代， “酵” 的本義是釀酒用的酒曲或酒母； 發(fā)酵， 是

指酒醅在酒曲或酒母中微生物的無氧呼吸作用下， 降解糖產(chǎn)生二氧化碳， 氣泡上涌的現(xiàn)象。

生物化學(xué)領(lǐng)域的發(fā)酵是指生物的一種產(chǎn)能代謝類型， 這一代謝過程包括以有機(jī)化合物為

電子給體和電子受體的一系列氧化還原反應(yīng)， 同時(shí)發(fā)生各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。發(fā)酵可理解為“微

生物細(xì)胞為獲取生長和生存所需能量而進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)” 。

千百年來， 發(fā)酵的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大， 發(fā)酵產(chǎn)品種類日益增多， 發(fā)酵的含義不斷延伸，

日趨豐富。微生物發(fā)酵是指微生物在一定的條件下， 經(jīng)特定的代謝途徑， 將物質(zhì)轉(zhuǎn)化為代謝

產(chǎn)物及菌體的過程。廣義上， 發(fā)酵這一概念及技術(shù)也應(yīng)用到植物細(xì)胞和動物細(xì)胞的培養(yǎng)及代

謝產(chǎn)物的生產(chǎn)過程。

發(fā)酵工程（fermentation engineering） ， 又稱微生物工程， 是通過大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的

方法， 人為控制各項(xiàng)條件， 利用微生物的生長和代謝活動來獲取人們所需的物質(zhì)， 或者為人

類提供服務(wù)的技術(shù)過程。因此， 發(fā)酵工程是生物學(xué)和化學(xué)工程相互交叉的學(xué)科。

發(fā)酵工程， 本應(yīng)包括利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)產(chǎn)品的全過程， 包括“上游” 、“中游” 、“下

游” 3 個階段�！吧嫌巍� 工程是指微生物菌種的篩選、鑒定、保藏和育種； “中游” 工程涵蓋

從生產(chǎn)原料到發(fā)酵結(jié)束這一階段， 包括生產(chǎn)原料的預(yù)處理（含無菌空氣的制備和水的預(yù)處

理） ， 菌種的擴(kuò)大培養(yǎng)和大規(guī)模培養(yǎng)， 發(fā)酵方法及發(fā)酵過程控制等； “下游” 工程是指發(fā)酵產(chǎn)

品的分離純化， 得到最終成品， 還包括發(fā)酵副產(chǎn)品的綜合利用。為避免與本系列叢書其他教

材內(nèi)容重復(fù)， 本書的內(nèi)容定在發(fā)酵“中游” 工程這一范圍內(nèi)。

（2） 發(fā)酵法的特點(diǎn)　　以谷物類等為原料， 經(jīng)微生物發(fā)酵法生產(chǎn)各種高附加值的產(chǎn)品，

從本質(zhì)上說， 屬于化學(xué)反應(yīng)， 具有以下特點(diǎn)。

與一般的化工生產(chǎn)相比， 微生物發(fā)酵法在比較溫和的條件下進(jìn)行。微生物發(fā)酵溫度較

低， 壓力不高， pH 在中性左右。故無需耐高溫和高壓設(shè)備， 設(shè)備投資較小。

發(fā)酵反應(yīng)是在微生物自行調(diào)控下由酶催化的生物代謝反應(yīng)， 許多發(fā)酵產(chǎn)物正是代謝途徑

中的中間產(chǎn)物； 有些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)物通過化學(xué)合成法無法輕易得到， 但可通過微生物發(fā)酵生

物合成得到； 發(fā)酵法的缺點(diǎn)是有些產(chǎn)物的生物合成路徑長， 副產(chǎn)物多， 反應(yīng)時(shí)間長。

發(fā)酵法可利用廉價(jià)的可再生資源生產(chǎn)高附加值的產(chǎn)品， 但缺點(diǎn)是目前發(fā)酵法占用寶貴的

糧食資源， 與民爭食。因此， 利用可再生的非糧食原料作為發(fā)酵原料值得大力開發(fā)。

發(fā)酵產(chǎn)物濃度一般不高， 生產(chǎn)過程中出現(xiàn)大量的副產(chǎn)物（廢水、廢渣和廢氣） ， 故需要

復(fù)雜的提煉設(shè)備并消耗大量的能源。副產(chǎn)物有可能成為環(huán)境污染源， 回收發(fā)酵副產(chǎn)物， 需要

加大投資并消耗能源。

2.發(fā)酵工程與生物工程的相互關(guān)系

生物工程是現(xiàn)代學(xué)科分類中的一級學(xué)科， 在該學(xué)科下， 分為基因工程、蛋白質(zhì)工程、酶

工程、細(xì)胞工程、發(fā)酵工程。但在歷史上， 發(fā)酵工程這一名稱更為悠久， 其內(nèi)涵非常豐富，

是發(fā)酵工程孕育了生物工程。發(fā)酵工程經(jīng)歷了從傳統(tǒng)發(fā)酵工程（以發(fā)酵食品為主） 到近代、

現(xiàn)代發(fā)酵工程（發(fā)酵食品、化工產(chǎn)品、醫(yī)藥產(chǎn)品和農(nóng)用產(chǎn)品） ， 再到生物工程的過渡。

發(fā)酵工程是生物工程（bioengineering ， 或者稱為生物技術(shù)， biotechnology） 的重要組

成部分。生物工程的組成如圖1-1 所示， 它們之間的相互關(guān)系如圖1-2 所示。

發(fā)酵工程是連接生物體和生物工程產(chǎn)品的橋梁， 是生物工程技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要環(huán)節(jié)。

“生物化工” 這一概念， 在內(nèi)涵上與“發(fā)酵工程” 有一定的重疊， 但也有一定的區(qū)別。

本質(zhì)上來說， 發(fā)酵過程中所涉及的生物化學(xué)反應(yīng)都屬于化學(xué)反應(yīng)�；瘜W(xué)反應(yīng)需要催化劑以加

快反應(yīng)速率， 通過酶或通過化學(xué)催化劑均可達(dá)到加快反應(yīng)速度的目的。有些采用化學(xué)催化劑

才能得到的化合物， 現(xiàn)在也可通過生物催化合成； 有些化工產(chǎn)品的傳統(tǒng)工藝， 也可以通過生

物反應(yīng)而改變。近、現(xiàn)代發(fā)酵工程大量采用了化學(xué)工程原理、設(shè)備和單元操作技術(shù)， 從而實(shí)

現(xiàn)了發(fā)酵產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)。從這些角度看， 發(fā)酵工程和生物化工是相同的。生物化工也可

認(rèn)為是化學(xué)工業(yè)的一個分支。在廉價(jià)石油時(shí)代， 人們曾試圖用石油和天然氣等石化原料生產(chǎn)

各種發(fā)酵產(chǎn)品（當(dāng)時(shí)研究最多的是用石油為原料生產(chǎn)菌體蛋白質(zhì)等） 。在不可再生的石化資

源日益枯竭的當(dāng)代， 人們希望發(fā)酵工程生產(chǎn)更多的產(chǎn)品或提供更多的服務(wù)來滿足社會需要。

故當(dāng)代生物化工的一個研究重點(diǎn)是利用可再生資源來大規(guī)模生產(chǎn)原先以石油為原料并通過化

學(xué)工藝才能得到的各種大宗化工原料。

生物技術(shù)， 按其應(yīng)用領(lǐng)域可分為醫(yī)藥生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)生物技術(shù)、工業(yè)生物技術(shù)、能源生

物技術(shù)。這些領(lǐng)域大部分產(chǎn)品的生產(chǎn)， 都直接或間接地要通過發(fā)酵工程來實(shí)現(xiàn)。因此發(fā)酵工

程是生物科學(xué)技術(shù)與應(yīng)用之間的橋梁， 是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要工程技術(shù)。

二、發(fā)酵方法分類

發(fā)酵方法可根據(jù)所采用的微生物好氧與否、發(fā)酵物料的狀態(tài)、發(fā)酵操作方式和通風(fēng)攪拌

方式等進(jìn)行分類， 詳見表1-1 。

1.好氧發(fā)酵

好氧發(fā)酵是指好氧微生物在與空氣（氧氣） 接觸的條件下生長、繁殖， 氧化有機(jī)物或無

機(jī)物的產(chǎn)能代謝過程。專性好氧微生物把氧作為最終電子受體， 通過有氧呼吸獲取能量。為

向微生物提供充足的氧氣， 在發(fā)酵過程中需提供大量新鮮空氣并攪拌。

2.厭氧發(fā)酵

厭氧發(fā)酵（又稱嫌氣發(fā)酵， anaerobic fermentation） 是指在隔絕空氣的條件下， 兼性微

生物和專性厭氧微生物生長并進(jìn)行生物化學(xué)作用， 對物質(zhì)進(jìn)行生化降解的過程。例如， 梭狀

芽孢桿菌引起的丙酮、丁醇發(fā)酵， 沼氣發(fā)酵等。對于專性厭氧微生物， 氧對其有毒性作用。

3.兼性厭氧發(fā)酵

兼性厭氧發(fā)酵（facultative fermentation） 是利用兼性厭氧微生物進(jìn)行的發(fā)酵。兼性厭

氧微生物是指既可在有氧環(huán)境， 又可在無氧環(huán)境中生活的微生物。有的兼性厭氧微生物能耐

受環(huán)境中的氧， 但它們的生長并不需要氧。酵母菌、乳酸菌等屬于兼性厭氧微生物。例如，

酵母菌在有氧條件下可利用氧快速生長、繁殖， 而當(dāng)環(huán)境中缺氧時(shí)， 可利用葡萄糖厭氧發(fā)酵

成乙醇。

4.液態(tài)發(fā)酵

液態(tài)發(fā)酵（liquid fermentation） 是最常見的發(fā)酵方式， 又分為深層發(fā)酵（ submerged

fermentation） 、表面發(fā)酵（facial fermentation） 和附著培養(yǎng)（adhesionfermentation） 。深層

發(fā)酵是在大型發(fā)酵罐中進(jìn)行通風(fēng)和攪拌， 微生物懸浮于液體培養(yǎng)基中， 故微生物、培養(yǎng)基營

養(yǎng)成分、代謝產(chǎn)物的分布較均勻， 過程控制容易， 并易實(shí)現(xiàn)純種培養(yǎng)； 表面發(fā)酵是微生物菌

體在培養(yǎng)基表面聚集， 并形成菌膜， 往往是液態(tài)靜止培養(yǎng)時(shí)（無攪拌、無通風(fēng)情況下） 容易

產(chǎn)生這種現(xiàn)象； 附著培養(yǎng)是微生物附著在反應(yīng)器的固體表面生長并進(jìn)行代謝活動。后兩種情

況都是好氧微生物所進(jìn)行的發(fā)酵。

5.固態(tài)發(fā)酵

固態(tài)發(fā)酵（solid-state fermentation） 過程可定義為微生物在幾乎沒有游離可流動水的

培養(yǎng)基質(zhì)上的生長過程及生物反應(yīng)過程。

6.分批發(fā)酵

在分批發(fā)酵（batch fermentation） 過程中， 培養(yǎng)基一次加入反應(yīng)器， 滅菌、接種， 細(xì)

胞經(jīng)歷滯后期、對數(shù)生長期、穩(wěn)定生長期（一般不進(jìn)入衰亡期） 后， 一次出料（放罐） 。這

是最簡便、基本的發(fā)酵方法， 其特點(diǎn)是： 整個過程是一個時(shí)變過程， 細(xì)胞濃度、基質(zhì)濃度、

產(chǎn)物濃度都隨時(shí)間變化， 微生物所處環(huán)境不斷地變化， 是不穩(wěn)定的過程。

7.補(bǔ)料分批發(fā)酵

補(bǔ)料分批發(fā)酵（fed-batch fermentation） 是指在發(fā)酵初期， 發(fā)酵罐內(nèi)并不完全加滿培養(yǎng)基，

當(dāng)菌體生長到對數(shù)生長期后即開始補(bǔ)料。補(bǔ)料的方式各種各樣。根據(jù)反應(yīng)器中發(fā)酵液體積的變

化， 分為變體積和恒體積。變體積是流加培養(yǎng)后， 發(fā)酵液的體積逐步增加， 但達(dá)到最大體積

后， 便不再流加； 要保持恒體積發(fā)酵， 則必須在流加培養(yǎng)的同時(shí)， 排放出等體積的發(fā)酵液。

補(bǔ)料方式分為連續(xù)流加、不連續(xù)流加和多周期流加。每次流加方式又可分為快速流加、

恒速流加、指數(shù)速率流加、變速流加。在補(bǔ)料分批中又有循環(huán)分批補(bǔ)料、循環(huán)間歇補(bǔ)料和循

環(huán)連續(xù)補(bǔ)料等操作。在補(bǔ)料分批發(fā)酵中， 根據(jù)反應(yīng)器數(shù)目分類， 有單級和多級之分。根據(jù)補(bǔ)

加的培養(yǎng)基成分來區(qū)分， 分為單一成分補(bǔ)料和多組分補(bǔ)料。

8.連續(xù)發(fā)酵

連續(xù)發(fā)酵（continuous fermentation） 過程分為兩個階段： 分批培養(yǎng)階段， 與分批培養(yǎng)

操作相同； 連續(xù)發(fā)酵階段， 待細(xì)胞達(dá)到最適生長條件或最佳產(chǎn)物形成條件時(shí)， 不斷加入新鮮

培養(yǎng)基， 并排出等量的培養(yǎng)液， 這是一種不間斷補(bǔ)料的操作方式。當(dāng)稀釋率（通入培養(yǎng)基的

流量與反應(yīng)器操作體積之比） 與細(xì)胞的比生長速率（單位質(zhì)量的細(xì)胞在單位時(shí)間內(nèi)細(xì)胞質(zhì)量

的增長量） 相同時(shí)， 過程即達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)， 反應(yīng)器內(nèi)和出口培養(yǎng)液中的細(xì)胞和殘余基質(zhì)

濃度均不再隨時(shí)間變化。

9.其他類型的發(fā)酵

在實(shí)踐中還有其他類型的發(fā)酵或培養(yǎng)， 現(xiàn)簡要介紹幾種類型。

培養(yǎng)與分離的耦合是在發(fā)酵裝置中偶聯(lián)一套分離裝置， 在發(fā)酵過程中不斷去除對發(fā)酵有

害的代謝產(chǎn)物， 解除有害代謝產(chǎn)物對發(fā)酵的抑制作用； 或者將細(xì)胞截留并返回到反應(yīng)器內(nèi)，

使反應(yīng)器內(nèi)的細(xì)胞濃度不斷提高。

混合發(fā)酵（mixed fermentation） 適用在需要多種微生物的協(xié)同作用或微生物本身共棲

現(xiàn)象時(shí)的發(fā)酵。例如， 固態(tài)發(fā)酵白酒的釀造， 往往是多種微生物共存、協(xié)同作用， 使原料中

的淀粉和蛋白質(zhì)降解并生成乙醇等代謝產(chǎn)物； 在污水處理過程中， 也是多種微生物共同作

用， 使大分子有機(jī)物質(zhì)逐步分解成乙烷和二氧化碳等物質(zhì)。在混合發(fā)酵中， 應(yīng)注意使培養(yǎng)基

和培養(yǎng)條件同時(shí)滿足多種生物體的需要。

雙邊發(fā)酵（synchronous mashing and fermentation） 是在白酒傳統(tǒng)工藝中， 含淀粉質(zhì)原

料在糖化發(fā)酵劑（酒曲中的霉菌及酶和酵母） 作用下形成乙醇（酒精） 的過程， 其糖化和發(fā)

酵作用同時(shí)在一起， 而由不同的微生物菌株交叉進(jìn)行。

在通常的分批培養(yǎng)中， 細(xì)胞的分裂往往不能做到同步而使細(xì)胞處于不同生長階段。若上

述情況對最后產(chǎn)物的質(zhì)量或形成有影響時(shí)， 最好采用同步培養(yǎng)（synchronous cultivation） 。

芽孢桿菌可通過加溫殺死其營養(yǎng)菌體而保留其芽孢， 然后使其同步萌芽。對一般細(xì)胞而言，

可采用階段性降溫培養(yǎng)使其不分裂但緩慢進(jìn)行生長， 當(dāng)恢復(fù)正常溫度時(shí)， 大多細(xì)胞即可同時(shí)

進(jìn)行分裂。

灌注培養(yǎng)（perfusion cultivation） 是指在分批培養(yǎng)過程的中后期不斷注入新鮮培養(yǎng)基，

并以同樣的流量排出廢培養(yǎng)基， 但將細(xì)胞截留在反應(yīng)器中。它與連續(xù)培養(yǎng)不同之處在于后者

排出的培養(yǎng)液中包含著細(xì)胞而前者僅是廢培養(yǎng)基。細(xì)胞的截留可借出口處的過濾或重力沉降

裝置來實(shí)現(xiàn)。由于這種培養(yǎng)法可以不斷灌注新鮮培養(yǎng)基， 并可排出可能存在的有害代謝產(chǎn)

物， 可以大大延長培養(yǎng)周期。這種培養(yǎng)法特別適用于細(xì)胞倍增時(shí)間長的動、植物細(xì)胞。

三、通風(fēng)類液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵的比較

從發(fā)酵培養(yǎng)基含水量來看， 液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵有明顯的差別。機(jī)械攪拌通風(fēng)液態(tài)發(fā)酵

是目前最常見的發(fā)酵方式。發(fā)酵培養(yǎng)基中水分含量一般在90 % 左右， 而固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基中

水分含量一般在50 % 以下。但進(jìn)行更本質(zhì)的分析可發(fā)現(xiàn)， 液態(tài)發(fā)酵狀態(tài)可視為物料和微生

物（固相） 與氣泡（氣相） 處于一個液相為連續(xù)相的環(huán)境中， 即發(fā)酵體系中氣、固、液三相

并存， 但以液相為主； 微生物的生長、生物反應(yīng)、物質(zhì)和熱量的傳遞主要發(fā)生在液相體系

中。固態(tài)發(fā)酵過程可定義為微生物在幾乎沒有游離可流動水的培養(yǎng)基上的生長過程及生物反

應(yīng)過程。從表面上看， 培養(yǎng)基物料的狀態(tài)是固態(tài)， 但從微觀上看， 物料層（fermenting bed）

同時(shí)存在固、液、氣3 種物質(zhì)狀態(tài)。其一是固態(tài)基質(zhì)； 其二是與固態(tài)基質(zhì)緊密結(jié)合的液態(tài)水

（結(jié)合水和少量的游離水） ； 其三是物料顆粒間隙中的氣相。在固態(tài)發(fā)酵的大多數(shù)情況下（如

強(qiáng)制通風(fēng)的填料床式固態(tài)發(fā)酵、流化床固態(tài)發(fā)酵） ， 氣流可貫穿物料層， 發(fā)酵物料顆粒（不

連續(xù)的固相） 可視為是分布于氣相為連續(xù)相的環(huán)境中。固態(tài)發(fā)酵和液態(tài)發(fā)酵的物料狀態(tài)如圖

1-3 所示。從圖1-4 的電子顯微照片中， 更可體現(xiàn)出固態(tài)發(fā)酵物料中不連續(xù)的固相（菌絲體）

分布在連續(xù)的氣相中。

在液態(tài)發(fā)酵過程中， 菌體及營養(yǎng)物、產(chǎn)物（包括熱量） 易于擴(kuò)散， 使發(fā)酵可在均質(zhì)或擬

均質(zhì)條件下進(jìn)行， 便于發(fā)酵溫度的控制， 易于擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模； 液體輸送方便， 易于機(jī)械化操

作。這都是液態(tài)發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)， 同時(shí)也正是固態(tài)發(fā)酵的不足之處。固態(tài)發(fā)酵和液態(tài)發(fā)酵的比較

詳見表1-2 。