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發(fā)酵工程的六個發(fā)展時期

為了更好地了解微生物工程的現(xiàn)狀與未來，有必要從微生物工程的發(fā)展史，以及與微生物學(xué)、生物化學(xué)、化學(xué)工程、發(fā)酵工程和微生物工業(yè)的關(guān)系來認識其發(fā)展的各個階段

一、自然發(fā)酵時期

早在數(shù)千年前，我國勞動人民就懂得釀酒、制醬油、釀醋等。釀酒工業(yè)是歷最古老的微生物工業(yè)，但當時人們并不知道它與微生物的關(guān)系，也不清楚發(fā)酵的原因，只是靠口傳身授，在實踐中應(yīng)用微生物。例如，嫌氣性發(fā)酵用于酒類釀造，好氧性發(fā)酵用于釀醋、制曲這是古典發(fā)酵的特點，這一時期稱為自然發(fā)酵時期。

二、純培養(yǎng)技術(shù)時期

1667年，荷蘭人列文霍克發(fā)明了顯微鏡，揭開了微生物世界的秘密。隨著微生物的發(fā)現(xiàn)，1850~1880年法國巴斯德通過實驗發(fā)現(xiàn)了發(fā)酵原理，認識到發(fā)酵是由微生物的活動引起的。隨著微生物純培養(yǎng)技術(shù)的逐步完善，開創(chuàng)了人為控制微生物的新時代。采用殺菌操作，發(fā)明了簡便的密閉式發(fā)酵罐等技術(shù)設(shè)備，使發(fā)酵失敗現(xiàn)象（如）大大減少，即人工控制環(huán)境條件使發(fā)酵效率迅速提高。嫌氣性發(fā)酵由此逐步發(fā)展起來，產(chǎn)品包括酒精、丙酮、丁醇等。在范圍內(nèi)開始利用微生物分解代謝進行規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)歷了100多年的歷史因此，微生物純培養(yǎng)技術(shù)的創(chuàng)立是微生物工程發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的個轉(zhuǎn)折時期。

三、通氣攪拌的好氧性發(fā)酵工程技術(shù)時期

1929年，英國細菌學(xué)家傅萊明發(fā)現(xiàn)了。隨著大規(guī)模生產(chǎn)的成功，實驗室采用搖瓶通風培養(yǎng)以及空氣纖維過濾的高效除菌方法，在20世紀40年代創(chuàng)立了好氧性發(fā)酵通氣攪拌工程技術(shù)。抗生素工業(yè)的興起不僅使微生物技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)藥工業(yè)，而且大大促進了好氧性發(fā)酵工程和微生物工業(yè)的發(fā)展。微生物工程已經(jīng)從分解代謝轉(zhuǎn)為生物合成代謝，可以利用微生物合成積累大量有用的代謝產(chǎn)物，如各種有機酸、酶制劑、維生素、激素等，這已超越微生物正常代謝的范圍。因此，通氣攪拌的好氧性發(fā)酵工程技術(shù)的創(chuàng)立是微生物工程發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的第二個轉(zhuǎn)折時期

四、人工誘變育種與代謝控制發(fā)酵工程技術(shù)時期

微生物遺傳學(xué)、生物化學(xué)和分子生物學(xué)的發(fā)展，促進了20世紀60年代氨基酸、核苷酸微生物工業(yè)的建立，這是遺傳水平上控制微生物代謝的結(jié)果。日本于1956年用發(fā)酵法生產(chǎn)谷氦酸獲得成功，至今可用發(fā)酵法生產(chǎn)2沖種氨基酸，其中18種是直接發(fā)酵，4種是酶法轉(zhuǎn)化。氨基酸發(fā)酵工業(yè)采用了人工誘變育種與代謝控制發(fā)酵的新技術(shù)，即首先將微生物進行人工誘變，得到適合生產(chǎn)某種產(chǎn)物的突變株，然后通過人工控制培養(yǎng)，選擇性地大量生產(chǎn)人們所需要的物質(zhì)。此項工程技術(shù)已用于核苷酸類物質(zhì)、有機酸和部分抗生素的發(fā)酵生產(chǎn)。因此，人工誘變育種與代謝控制發(fā)酵工程技術(shù)的創(chuàng)立是微生物工程發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的第三個轉(zhuǎn)折時期。

五、發(fā)酵動力學(xué)和連續(xù)化、自動化發(fā)酵工程技術(shù)時期

隨著微生物工業(yè)向大型發(fā)酵罐的連續(xù)化、自動化方向發(fā)展，以數(shù)學(xué)、動力學(xué)、化工原理等為基礎(chǔ)，通過計算機實現(xiàn)發(fā)酵過程自動化控制的研究，使發(fā)酵過程的工藝控制更為合理，相應(yīng)的新工藝、新設(shè)備也層出不窮。例如，日本的塔式連續(xù)發(fā)酵設(shè)備適用于各種連續(xù)通風發(fā)酵。法國LM型單級連續(xù)發(fā)酵槽用于酵母菌連續(xù)培養(yǎng)，其結(jié)構(gòu)簡單而效率卻相當高。新設(shè)計的實驗型發(fā)酵罐適于任何發(fā)酵生產(chǎn)，可同時記錄24個物理、化學(xué)和生物化學(xué)數(shù)據(jù)。目前，發(fā)酵過程的基本參數(shù)，包括溫度、pH值、罐壓、溶解氧、氧化還原電位、通氣流量、CO2含量等，均可自動記錄和控制。可見，發(fā)酵動力學(xué)和連續(xù)化、自動化工程技術(shù)的創(chuàng)立是微生物工程發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的第四個轉(zhuǎn)折時期

六、微生物酶反應(yīng)合成與化學(xué)合成相結(jié)合的工程技術(shù)時期

隨著微生物合成工程技術(shù)與化學(xué)合成工程技術(shù)的不斷應(yīng)用，礦產(chǎn)物的開發(fā)和石油化工的發(fā)展為化學(xué)合成法提供了豐富的原料，用于生些低分子的有機化合物，如乙醇、丙酮及丁醇等。美國工業(yè)應(yīng)用化學(xué)合成法可以生產(chǎn)100多種發(fā)酵產(chǎn)品，如大部分的酒精、丙酮、醇等，部分的葡萄糖酸、、乳酸等。對于那些用化學(xué)合成法不能生產(chǎn)的一些復(fù)雜化合物，采用微生物發(fā)酵合成法可以在常溫、常壓下一步完成，特別是可以直接生產(chǎn)一些具有立體特異性的化合物，且生產(chǎn)設(shè)備投資較少。但發(fā)酵法也存在目的代謝產(chǎn)物濃度較低、分離較困難、生產(chǎn)周期較長等不利因素。而微生物酶反應(yīng)生物合成與化學(xué)合成的結(jié)合，可生產(chǎn)許多過去不能生產(chǎn)的有用物質(zhì)

例如，抗生素的化學(xué)結(jié)構(gòu)改造是獲得新的高效抗生素的重要來源，而是成功的例子，即先利用微生物將山梨糖醇發(fā)酵轉(zhuǎn)變?yōu)樯嚼嫣牵偻ㄟ^化學(xué)合成法生產(chǎn)。或者先用化學(xué)合成法生產(chǎn)廉價的前體，再用發(fā)酵法生產(chǎn)出貴重產(chǎn)品。目前，采用此項新技術(shù)可大規(guī)模生產(chǎn)多種物質(zhì)，如激素、核苷酸、新抗生素（如半合成、、等）、某些氨基酸（如L-、L-、L-賴氨酸等）等，隨著研究的深入，可以生產(chǎn)更多有用的物質(zhì)。

因此，微生物酶反應(yīng)合成與化學(xué)合成相結(jié)合的工程技術(shù)的創(chuàng)立是微生物工程發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的第五個轉(zhuǎn)折時期