食品工业中的工业发酵工程过程

工业发酵科学是工业生物学的重要组成部分，是推动重要生物产品由实验室制备走向工厂规模化生产的关键学科。工业发酵科学致力于在分子、细胞、系统等不同水平上解析工业环境中微生物行为的基本规律，提高生物制造与生物加工的效率，实现高产量、高转化率、高生产强度的相对统一。

一、食品工业中工业发酵过程的特点

食品工业中的工业发酵过程与其他化学工业最大的区别在于它是生物体进行的化学反应，其主要特点有：

（1）食品工业中的工业发酵过程一般是在常温常压下进行的生化反应，安全性较高，所需条件也比较简单。

（2）食品工业工业发酵所用的原料通常是淀粉、糖蜜或其他农副产品，只要加入少量的有机和无机氮源，即可进行反应。微生物因种类不同，可以有选择地利用其所需的营养物质。利用这一特性，可以利用废水、废弃物作为发酵原料，转化生物资源。

（3）工业发酵过程是通过生物体的自动调控完成的，反应的特异性强，从而获得相对单一的代谢产物。

（4）由于生物体固有的反应机理，可以选择性地、专一地在特定的位点进行某些复杂化合物的氧化、还原等化学转变反应，也可以生成复杂的高分子化合物。

（5）工业发酵过程中，防治细菌污染至关重要。除对设备进行严格的消毒和空气过滤外，反应必须在无菌条件下进行。如果被杂菌污染，生产将遭受巨大的经济损失。如果感染噬菌体，对工业发酵造成的危害会更大，因此维持无菌条件是工业发酵成功的关键。

（6）微生物菌种是工业发酵的根本因素，通过诱变、菌种筛选，可以获得高产优良菌种，并能充分利用生产设备，从而得到常规方法难以生产的产品。

(7)工业发酵与其他工业相比，投资少，见效快，能取得显著的经济效益。基于以上特点，工业发酵日益受到人们的重视。与传统发酵工艺相比，现代工业发酵工程除了具有上述发酵特点外，还有其自身的优势。除利用微生物细胞外，还可利用动植物细胞和酶，以及利用人工构建的“工程菌”进行反应；反应设备也并非只是常规的发酵罐，而是被各种自动化、连续性较高的生物反应器所取代，在原有基础上提高和革新了发酵水平。

二、工业发酵的种类根据发酵的特点和微生物对氧的需求不同，可分为以下几种类型：

（1）按发酵原料分为糖发酵、石油发酵、废水发酵等类型。

（2）按发酵产物分为氨基酸发酵、有机酸发酵、抗生素发酵、酒精发酵、维生素发酵等。

（3）按发酵形式分为固态发酵、半固态发酵、液态发酵。

（4）按发酵工艺分为间歇发酵、连续发酵、流加发酵。

（5）根据发酵过程中对氧的需求不同，可分为厌氧发酵和通风发酵。

（6）按初级代谢产物发酵分，如酒精发酵、氨基酸发酵、有机酸发酵，和其他次级代谢产物发酵，如抗生素发酵、色素发酵等。

3、对于任何类型的发酵（除了某些转化过程），一个确定的发酵过程均由六个部分组成：

①菌种及确定的种子培养基、发酵培养基；②培养基、发酵罐、辅助设备的灭菌；③大规模、活性、纯种种子培养物的生产；④在发酵罐中微生物最适生长条件下规模化生产产品；⑤产品的提取、纯化；⑥发酵废液的处理。

在建立工业发酵工艺之前，首先要对菌种进行分离改造，使其合成目标产物，使所得产物在产量上满足工业要求且具有经济价值。然后确定微生物的培养要求，设计相应的设备。同时还要确定产物的分离提取方法。此外，整个研究计划还应包括工业发酵过程中微生物菌种、培养基、提取方法的不断优化。

四、工业发酵工程关键技术

(1)菌种选育技术菌种选育是根据微生物遗传变异的理论，根据生产要求，采用人工方法诱发菌株变异，再利用各种筛选方法，选出符合要求的目标菌株。

菌种选育的目的是改良菌种的基本特性，以达到增加产量、改善品质、降低成本、改革工艺、便于管理、综合利用的目的。菌种选育的基本方法有自然育种、噬菌体抗性育种、诱变育种、代谢工程育种、基因打靶育种、基因组改组等一系列方法。在工业发酵工程和现代发酵工程的早期阶段，发酵工程主要依靠野生微生物作为主要发酵剂。

在现代发酵阶段，优良菌株筛选方法仍是工业发酵工程上游的重要环节。一是利用新的筛选机制和筛选鉴定指标，继续从自然界中获取优良的出发菌株；二是利用基因工程、细胞工程技术，结合分子生物学的方法，运用代谢工程、代谢调控、基因组学、系统生物学等原理，重建所需的基因工程菌或对现有的出发菌株进行遗传改造，获得能产所需发酵产物的优良菌株。

（2）纯种培养技术：工业发酵一般采用特定的微生物菌株进行纯种培养，以达到生产所需产品的目的。因此，发酵过程应在无细菌污染的条件下进行。微生物无菌培养直接关系到生产过程的成败。

无菌问题若解决不好，会导致所需产品数量的减少，质量的下降，以及后处理困难等；严重的甚至会造成整个培养基的破坏，导致数吨培养基的报废，造成严重的经济损失，这在大规模生产过程中尤为突出。

为了保证培养过程的正常进行，防止细菌污染，大多数微生物的培养，包括实验室操作和工业发酵生产，都需要进行严格的灭菌。发酵过程的灭菌涉及培养基、发酵设备、发酵过程的通风等。

(3)工业发酵过程优化技术发酵过程优化包括从微生物细胞水平到宏观微生物生化反应水平的优化，尽可能简化细胞生理调控、细胞环境、反应器特性、工艺操作条件、反应器控制等之间复杂的相互作用，并优化这些条件和关系，使它们最适合于特定的发酵过程，是一种系统的优化方法。

这次优化主要涉及四方面的研究内容，其中第一是细胞生长过程的研究；第二是微生物反应的化学计量学；第三是生物反应动力学；第四是生物反应器工程。

（4）为实现实验室成果向工业规模推广和转化的目标，工业发酵工艺放大技术一般需要进行中试规模的工艺优化研究。为攻克困难，特别是对一些大规模工业发酵产品，采用逐步放大的方法。工业发酵工艺放大的方法包括：发酵罐几何相似放大、供氧能力相似放大、菌体代谢相似放大、培养条件相似放大、数学模型模拟和预测放大等。

（5）工业发酵工程中的下游分离纯化技术是指对发酵目标产物进行提取、浓缩、纯化、精制等过程。工业发酵产品分离纯化的重要性主要体现在生物产品的特殊性、复杂性、要求的严格性，导致分离纯化费用在发酵产品整体生产成本中占有很大的比重。

工业发酵工程下游的分离纯化工序通常占到生产成本的50%至70%，有的甚至高达90%，这往往成为生产中实施生物化学工序替代化学工序的限制因素。因此，设计合理的提取精制工艺，提高产品质量，降低生产成本，是真正实现发酵产品商业化大规模生产的必要条件。

从某种意义上说，工业发酵过程的成败完全取决于维持一个可控的、有利于生产的环境。而实现这一目标最有效的方法是直接测量各种参数变化，调控生物过程。将数学、化工原理、电子计算机技术、自动控制装置应用于发酵过程，测量生物技术参数，建模和控制生物过程，可以有效地控制和管理工业发酵过程，提高生产效率。