发酵工程基础

发酵工程是现代生物技术产业中的核心与基础环节，被誉为生命科学与工程科学交叉融合的重要代表。它综合运用了微生物学、生物化学、细胞生物学与化学工程、机械工程等多学科知识，通过系统地控制和优化微生物或动植物细胞在特定环境下的大规模培养，实现高效、稳定地生产各种具有经济和社会价值的生物产物。常见的产品包括食品（比如酱油、醋、啤酒、酸奶）、药品（如抗生素、疫苗、维生素）、酶制剂、氨基酸、有机酸、溶剂、激素甚至生物燃料等。

在日常生活中，我们几乎每天都会接触到发酵工程的成果。从一顿美味的早餐所需的豆浆、面包，到丰富多样的传统调味品、饮料，再到保障健康的医药制品，发酵工艺悄然融入了现代社会的方方面面。事实上，中国是世界上最早掌握和应用发酵技术的国家之一。考古发掘和文献记载表明，早在三千多年前，我们的祖先就利用自然界的微生物资源发明了黄酒的酿造技术，还逐步发展出了豆酱、腐乳、泡菜、酱油等一系列经典食品，并通过迭代创新推动了区域经济和民生发展。与之相呼应，西方国家自19世纪以来，随着微生物学的兴起和工业革命的推进，也逐步确立了现代发酵工业的科学规范和工程体系。

随着分子生物学、遗传工程和自动化控制技术的进步，现代发酵工程已突破了以往仅限于传统食品和饮品的范畴，成为生物医药、环境保护、新材料和新能源等高新技术领域的核心支撑。例如，精准改造微生物菌种可以显著提升目标产物的收率和质量；高参数自动化发酵车间实现了对温度、pH值、溶氧等关键过程变量的实时监测和调控，保证了大规模连续生产的安全与稳定；细胞工厂和绿色制造理念正在引领发酵工程朝着智能化、低碳化方向迈进。

今天，我们将以科学严谨的视角，系统梳理发酵工程的基本原理、主要工艺流程与典型应用案例，帮助大家全面理解这一学科在现代社会中的价值与前景，并为将来的深度学习和创新研究打下坚实基础。

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发酵的概念与发酵类型

发酵的定义与历史演变

发酵一词的含义随着科学认识的深入而不断演变。传统意义上的发酵，是指利用微生物在适宜条件下进行新陈代谢，产生人类所需产物的过程。这一定义源于人类对酿酒、制醋等传统工艺的观察。巴斯德通过一系列精巧的实验，证明了发酵是由微生物引起的生命活动，而非单纯的化学反应，这一发现开创了微生物学和发酵工业的新纪元。

从生物化学角度来看，发酵是指微生物在无氧或缺氧条件下，通过分解有机物质获取能量的代谢过程。这种代谢方式不需要完整的呼吸链，产生的能量虽然较少，但足以维持微生物的生长繁殖。现代发酵工程对发酵的定义更为广泛，它包括了所有利用微生物或动植物细胞进行大规模培养以生产目标产物的工业过程，无论是否需要氧气参与。

发酵类型的分类

根据微生物对氧气的需求程度，我们可以将发酵过程分为不同类型。这种分类不仅反映了微生物的代谢特性，也直接影响着发酵设备的设计和工艺条件的控制。

从代谢产物的角度，发酵又可以分为多种类型。酒精发酵是最为人们熟知的一种，酵母菌在无氧条件下将葡萄糖转化为乙醇和二氧化碳，这是酿酒工业的核心反应。乳酸发酵则是乳酸菌在厌氧条件下将糖类转化为乳酸的过程，我国传统的泡菜、酸菜以及现代的酸奶生产都依赖于这一过程。醋酸发酵需要两步反应，首先酵母菌进行酒精发酵产生乙醇，随后醋酸菌在有氧条件下将乙醇氧化为醋酸，这就是传统制醋工艺的生化基础。

从工业生产的角度，发酵可以根据操作方式分为批次发酵、分批补料发酵和连续发酵三种主要模式。批次发酵是最传统的方式，将所有原料一次性加入发酵罐，微生物在密闭环境中完成整个生长和产物积累过程。这种方式操作简单，风险易控，是目前应用最广泛的发酵模式。山东一家传统酱油生产企业，采用批次发酵方式，每批发酵周期为6个月，虽然时间较长，但产品风味醇厚，深受市场欢迎。

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发酵工艺的基本流程与控制

发酵工艺的完整流程

一个完整的工业发酵过程包含多个紧密衔接的环节，每个环节都对最终产品的质量和产量有着重要影响。整个流程可以概括为菌种准备、培养基配制、灭菌、接种、发酵培养、产物分离提取和废弃物处理七个主要步骤。

菌种准备是发酵成功的前提。工业生产使用的菌种必须具有良好的遗传稳定性、高产性和抗逆性。生产菌种通常储存在液氮中或冷冻干燥保存，使用时需要经过活化、扩大培养等步骤，逐级放大培养体积，最终获得足够数量的种子液用于生产发酵罐的接种。江苏某抗生素生产企业，从一支冻干菌种开始，经过摇瓶、种子罐、发酵罐三级扩大培养，最终在50吨发酵罐中实现稳定高产。

培养基配制需要根据微生物的营养需求和产物合成的代谢途径，合理选择和配比各种营养成分。碳源、氮源、无机盐和生长因子是培养基的基本组成。碳源通常选择淀粉水解糖、糖蜜或植物油等廉价原料，氮源可以是豆饼粉、玉米浆、尿素等有机或无机氮源。培养基的配方设计既要满足微生物生长和产物合成的需要，又要考虑成本控制和后续分离纯化的便利性。

发酵过程的在线监测与控制

现代发酵工程依赖精确的过程控制来实现高效稳定的生产。发酵过程中的关键参数包括温度、pH值、溶解氧、搅拌速度、压力和泡沫等，这些参数相互关联，共同影响着微生物的生长状态和产物的合成速率。

温度控制是发酵过程中最基本也是最重要的控制参数之一。微生物在最适温度下代谢活动最旺盛，生长速度最快。偏离最适温度会导致酶活性下降，代谢速率减慢，产量降低。工业发酵罐通常配备夹套或盘管，通过通入冷却水或加热蒸汽来维持温度恒定。由于微生物代谢会释放大量热量，大多数发酵过程需要持续冷却。某啤酒厂的发酵罐采用智能温控系统，将发酵温度精确控制在10±0.5℃，确保了啤酒品质的稳定性。

pH值对微生物生长和酶活性有着显著影响。大多数微生物有其特定的最适pH范围，偏离这一范围会抑制生长或改变代谢途径。发酵过程中，微生物代谢会产生各种有机酸或碱性物质，导致pH值波动。现代发酵罐配备pH电极和自动加酸加碱装置，通过计算机程序实现pH值的精确控制。

溶解氧浓度对需氧发酵至关重要。氧气在水中的溶解度很低，而微生物对氧的需求却很大，这就需要通过搅拌和通气来不断补充氧气。溶解氧浓度通过溶氧电极实时监测，控制系统根据溶氧值自动调节搅拌速度和通气量。在青霉素发酵过程中，当菌体进入对数生长期时，氧耗速率急剧上升，此时需要大幅提高通气量和搅拌强度，否则会因缺氧导致产量大幅下降。

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发酵设备与发酵条件优化

发酵罐的结构与功能

发酵罐是发酵工程的核心设备，其设计直接影响发酵效率和产品质量。现代工业发酵罐通常采用不锈钢材质，具有良好的耐腐蚀性和机械强度。一个典型的机械搅拌式发酵罐包括罐体、搅拌系统、通气系统、温度控制系统、检测控制系统等多个部分。

罐体设计需要考虑容积、高径比、接口配置等因素。工业发酵罐的容积从数百升到数百吨不等，高径比通常为2:1到3:1，这样的比例既有利于传热传质，又能保证结构强度。罐体上开设有多个接口，用于安装进料管、出料管、取样口、检测电极、视镜等附件。罐体外部通常配有夹套或盘管，用于温度控制。

搅拌系统由电机、传动装置、搅拌轴和搅拌桨组成。常用的搅拌桨型有圆盘涡轮桨、六叶圆盘涡轮桨、推进式桨等。不同的桨型产生不同的流体流动模式，适用于不同的发酵过程。对于需氧发酵，通常采用径向流桨型，能够有效地将空气分散成小气泡。对于高粘度发酵液，则需要采用大直径、低转速的锚式或框式搅拌桨。

通气系统负责向发酵罐内提供无菌空气。空气首先通过过滤器除去杂菌和杂质，然后经过管道和分布器进入发酵罐。分布器的设计对气泡分散效果有重要影响，常用的有单孔管、多孔管、环形分布器等。较小的气泡具有更大的比表面积，有利于氧的传递，但同时也增加了能量消耗和泡沫产生。

发酵条件的优化策略

发酵条件优化是提高产量、降低成本的重要途径。优化的目标是在现有设备和菌种条件下，通过调整可控参数，使目标产物的产量或生产强度达到最大。这是一个多因素、多目标的复杂优化问题。

单因素优化是最基本的优化方法。在其他条件保持不变的情况下，改变某一因素的水平，观察其对发酵结果的影响，找出该因素的最适值。这种方法简单直观，但无法反映各因素之间的交互作用。某味精厂通过单因素实验，发现将发酵温度从30℃提高到33℃，可使谷氨酸产量提高15%，这一简单的改进为企业带来了显著的经济效益。

正交实验设计是一种高效的多因素优化方法。它根据正交表选择代表性的实验组合，通过少量实验就能找出主要影响因素和较优的参数组合。这种方法特别适合于生产实践中的快速优化。响应面分析法则更进一步，它不仅能找出最优条件，还能建立各因素与响应值之间的数学模型，深入揭示各因素的作用规律和交互效应。

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发酵动力学与代谢调控

微生物生长动力学

微生物在发酵罐中的生长遵循特定的规律，这种规律可以用生长曲线来描述。典型的批次培养生长曲线包括延滞期、对数生长期、稳定期和衰亡期四个阶段，每个阶段都有其独特的生理特征和工程意义。

延滞期是微生物接种后的适应阶段。这一时期，细胞数量基本不增加，但细胞内部正在进行着剧烈的变化。微生物需要合成新的酶系统以适应新的培养基环境，调整代谢途径，积累能量和中间代谢产物。延滞期的长短取决于接种物的生理状态、培养基的组成以及环境条件的差异。使用处于对数期的种子液接种，并保持培养条件的一致性，可以有效缩短延滞期。

对数生长期是微生物生长最旺盛的阶段。在这一时期，营养充足，环境适宜，细胞以恒定的最大速率进行分裂，细胞数量呈指数增长。这是进行种子扩大培养和基因工程菌表达重组蛋白的最佳时期。对数期的生长速率用比生长速率μ来表示，它反映了单位时间内单位菌体的增殖速率，是微生物生长能力的重要指标。

稳定期开始于某种营养物质耗尽、代谢产物积累到抑制浓度或环境条件恶化时。在这一阶段，微生物的生长速率与死亡速率相等，细胞总数保持相对稳定。许多次级代谢产物如抗生素、色素等主要在稳定期合成，这是因为次级代谢通常需要特定的生理条件和信号物质的诱导。青霉素的产生主要发生在葡萄糖消耗殆尽、微生物进入稳定期之后，这时细胞内的代谢流向被重新分配，更多的碳源用于青霉素的合成。

代谢流分析与调控

代谢流是指代谢网络中某一路径在单位时间内转化底物或生成产物的速率。代谢流分析可以揭示细胞内物质和能量的流动方向和速率，找出限制产物合成的关键步骤，为代谢工程改造提供理论依据。

在工业发酵中，往往只有很小比例的碳源被转化为目标产物，大部分用于维持细胞生长和其他代谢活动。提高产物得率的关键在于调控代谢流的分配，使更多的碳源流向目标产物的合成途径。这可以通过多种策略实现。

营养调控是最直接的代谢调控手段。通过改变培养基中某些关键营养成分的浓度或供给方式，可以引导代谢流向期望的方向。在谷氨酸发酵中，限制生物素的浓度可以改变细胞膜的通透性，促使胞内积累的谷氨酸释放到胞外，大幅提高产量。在抗生素发酵中，采用分批补料方式控制葡萄糖浓度，既保证了菌体的正常生长，又避免了高糖浓度对抗生素合成的阻遏效应。

前体物质的添加可以直接推动产物合成。许多发酵产物的生物合成需要特定的前体化合物，补充这些前体可以提高合成速率。在青霉素发酵中添加苯乙酸或苯氧乙酸，可以使青霉素G的产量大幅提高。在维生素C二步发酵法中，向古龙酸发酵液中补充山梨醇，可以显著提高转化率。

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工业发酵的放大技术

发酵过程放大的原理

发酵过程的放大是指将实验室小规模研究的成果转移到工业规模生产的过程。这个过程远非简单的按比例放大，而是一个涉及流体力学、传热传质、生物反应工程等多学科知识的复杂工程问题。随着发酵罐容积的增大，传质、传热、混合等物理过程会发生显著变化，这些变化直接影响微生物的生长和产物的合成。

放大过程中面临的主要挑战包括氧传递效率下降、混合时间延长、温度梯度增大、剪切力分布不均等。在小型发酵罐中，由于体积小，搅拌和通气能够很快使培养液达到均匀状态，氧气供应充足。但当发酵罐容积增大到数十吨甚至上百吨时，搅拌桨的作用范围相对减小，培养液的混合需要更长时间，远离搅拌桨的区域可能出现氧气不足的情况。这些局部环境的差异会导致微生物生长状态不一致，影响整体发酵效果。

放大的基本策略是保持某些关键参数在不同规模下的恒定。常用的放大准则包括恒定溶氧传递系数、恒定搅拌功率、恒定剪切力、恒定混合时间等。选择哪种准则取决于具体的发酵过程特点。对于需氧发酵，通常以维持恒定的溶氧传递系数为主要准则，确保大罐中的微生物能够获得与小罐中相同的氧气供应。对于剪切力敏感的动物细胞培养，则需要保持恒定的剪切应力，避免过高的搅拌强度损伤细胞。

放大过程中的关键参数控制

溶氧传递系数是需氧发酵放大的核心参数。氧气的传递过程包括气相到液相的传递、液相中的扩散以及从液相到细胞表面的传递三个步骤。在工业发酵中，气液传递通常是限速步骤。溶氧传递系数受搅拌转速、通气量、培养液性质等多种因素影响。放大时，需要通过调整这些参数来维持溶氧传递系数基本恒定。

混合时间是衡量培养液均匀性的重要指标。它指示剂从加入点分布到整个发酵罐达到均匀所需的时间。随着罐容积增大，混合时间会显著延长。过长的混合时间意味着营养物质和氧气分布不均，微生物处于不同的微环境中，影响发酵的一致性。某生物制药企业在将赖氨酸发酵从5吨罐放大到50吨罐时，发现产量下降了20%。经过分析发现，大罐的混合时间从40秒延长到了6分钟，导致补加的营养液不能及时分散，局部浓度过高抑制了微生物生长。通过优化搅拌桨的配置，将混合时间缩短到2分钟，产量得到了恢复。

功率消耗与经济性之间需要平衡。提高搅拌转速和通气量可以改善传质效果，但同时会大幅增加能耗。在工业生产中，能耗是成本的重要组成部分。因此，放大设计需要在保证发酵性能的前提下，尽可能降低单位产品的能耗。现代发酵工程采用计算流体力学模拟技术，在设计阶段就对流场分布、传质效率进行预测和优化，减少了试验次数，提高了放大成功率。

中国发酵工业的放大实践

中国发酵工业经过几十年的发展，已经建立了完整的放大技术体系。在氨基酸发酵领域，中国的谷氨酸、赖氨酸产量居世界首位，发酵罐容积达到500立方米以上。这些超大型发酵罐的成功运行，依赖于先进的设备设计和精确的过程控制技术。

河北某生物技术公司在进行苏氨酸发酵放大时，采用了多级放大策略。从500毫升摇瓶开始，逐步放大到5升、50升、500升、5吨，最终到50吨工业生产罐。每一级放大都要进行详细的参数测定和优化。在50吨罐的试生产中，通过在线监测溶氧、pH、温度、泡沫等参数，建立了完整的工艺数据库。经过三个批次的调试，最终实现了与5吨罐相当的产量水平，产品质量完全符合标准。这一成功案例为后续的百吨级发酵罐建设积累了宝贵经验。

江苏某制药企业在头孢菌素发酵放大中，面对放大后产量下降的问题，组织了跨学科攻关团队。通过对大小罐的流场进行计算流体力学模拟，发现大罐中存在明显的死区，这些区域的溶氧浓度很低。针对这一问题，他们重新设计了搅拌桨的位置和形式，采用多层桨组合，并优化了通气系统，使死区面积大幅减小。改造后，大罐的产量提高了25%，达到了预期目标。

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小结

发酵工程是微生物学理论与工程技术相结合的综合性学科。本章系统介绍了发酵的概念演变与分类、发酵工艺流程、过程控制、设备设计、动力学分析以及放大技术。这些知识构成了现代发酵工业的理论基础和实践指南。

从传统的酒醋酿造到现代的抗生素、氨基酸、酶制剂生产，发酵技术的应用范围不断拓展。中国拥有悠久的发酵技术传统和丰富的微生物资源，在全球发酵工业中占有重要地位。随着合成生物学、代谢工程、人工智能等新技术的应用，发酵工程正在向更高效、更精准、更智能的方向发展。掌握发酵工程的基本原理和技术方法，对于从事生物技术、食品工程、制药工程等领域的工作具有重要意义。

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本节练习

1. 在批次发酵过程中，微生物的对数生长期具有的特征是：（多选）

A. 细胞数量呈指数增长

B. 比生长速率恒定且最大

C. 次级代谢产物大量积累

D. 营养物质消耗速率最快

2. 某制药厂进行青霉素发酵，使用30吨发酵罐。发酵过程中pH从初始的6.8逐渐下降到5.2，产量明显低于预期。最可能的原因及解决方案是：

A. pH下降抑制了菌体生长和青霉素合成，应安装自动pH控制系统

B. pH下降是正常现象，无需调整

C. pH下降是因为通气量不足，应增加通气

D. pH下降是因为温度过高，应降低温度

3. 在发酵罐放大过程中，从5升实验室发酵罐放大到50吨工业发酵罐，为了保持相似的发酵性能，应优先考虑维持恒定的参数是：

A. 搅拌转速

B. 通气量

C. 溶氧传递系数

D. 发酵罐的高径比

4. 某企业进行乳酸发酵生产，采用分批补料方式，每隔6小时补加一次葡萄糖溶液。这种操作方式的主要目的是：

A. 节约葡萄糖成本

B. 避免高浓度葡萄糖的底物抑制效应

C. 增加发酵液的体积

D. 提高发酵罐的利用率

5. 在谷氨酸发酵中，限制培养基中生物素的浓度可以显著提高谷氨酸的产量。这一现象的生理学机制是：

A. 生物素限制促进了谷氨酸合成酶的表达

B. 生物素限制改变了细胞膜的通透性，促进谷氨酸排出

C. 生物素限制提高了菌体的生长速率

D. 生物素限制增强了菌体对氮源的利用能力

6. 请结合具体案例，论述发酵过程中pH值控制的重要性，并说明工业上如何实现精确的pH控制。

7. 分析传统发酵工艺与现代发酵工程的主要区别，并讨论如何在保留传统特色的同时实现现代化改造。