生物工程技术被认为是21世纪的主导技术.doc

1、生物工程技术被认为是 21 世纪的主导技术，作为新技术革命的标志之一，已受到世界各国的普遍重视。生物工程将为解决人类所面临的环境、资源、人口、能源、粮食等危机和压力提供最有希望的解决途径，但生物工程真正能应用于工业化生产的，主要还是发酵工程。发酵工程跟化学工业、医药、食品、能源、环境保护和农牧业等许多领域关系密切，它的开发具有很大的经济效益。现代发酵工程也称微生物工程，是将传统发酵技术与现代DNA 重组、细胞融合等新技术结合起来的 现代微生物发酵技术。这种技术的主体是利用微生物，特别是用经过 DNA 重组技术改造过的微生物来生产商业产品。基因工程、细胞工程、酶工程等高科技成果，也往往通过微生物

2、才能转化为生产力。DNA 重组技术和生物反应器（装有固定化酶的容器，能进行生物化学合成），是生物工程中的两大支柱。从工业规模生产上看，生物反应器尤其重要。因为只有通过微生物发酵，才能形成新的产业。现代发酵工程正逐渐形成一股引起工业调整和社会结构改革的力量。因此，世界各国政府，纷纷把微生物发酵工程列入本国科学技术优先开发的项目。 发酵（fermentation）是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。发酵的产物名目很多，并且大都与人们的日常生活有关，酒、醋、酱、甘油、味精、氨基酸、单细胞蛋白、香料、生物高分子、酶、抗生素

3、（青霉素、红霉素等）、维生素（VB2、VC 和 VE 等）、天然乳酸、天然色素、胰岛素、干扰素、生长激素、细菌肥料、天然微生物除草剂和天然微生物杀虫剂等都是发酵的产物。现代意义上的发酵工程是一个由多学科交叉、融合而形成的技术性和应用性较强的开放性的学科。发酵工程经历了“农产手工加工近代发酵工程现代发酵工程”三个发展阶段。发酵工程发源于家庭或作坊式的发酵制作（农产手工加工），后来借鉴于化学工程实现了工业化生产（近代发酵工程），最后返璞归真以微生物生命活动为中心研究、设计和指导工业发酵生产（现代发酵工程），跨入生物工程的行列。原始的手工作坊式的发酵制作凭借祖先传下来的技巧和经验生产发酵产品，体力劳

4、动繁重，生产规模受到限制，难以实现工业化的生产。于是，发酵界的前人首先求教于化学和化学工程，向农业化学和化学工程学习，对发酵生产工艺进行了规范，用泵和管道等输送方式替代了肩挑手提的人力搬运，以机器生产代替了手工操作，把作坊式的发酵生产成功地推上了工业化生产的水平。发酵生产与化学和化学工程的结合促成了发酵生产的第一次飞跃。通过发酵工业化生产的几十年实践，人们逐步认识到发酵工业过程是一个随着时间变化的（时变的）、非线性的、多变量输入和输出的动态的生物学过程，按照化学工程的模式来处理发酵工业生产（特别是大规模生产）的问题，往往难以收到预期的效果。从化学工程的角度来看，发酵罐也就是生产原料发酵的反应器

5、，发酵罐中培养的微生物细胞只是一种催化剂，按化学工程的正统思维，微生物当然难以发挥其生命特有的生产潜力。于是，追溯到作坊式的发酵生产技术的生物学内核（微生物），返璞归真而对发酵工程的属性有了新的认识。发酵工程的生物学属性的认定，使发酵工程的发展有了明确的方向，发酵工程进入了生物工程的范畴。发酵工程是指采用工程技术手段，利用生物（主要是微生物）和有活性的离体酶的某些功能，为人类生产有用的生物产品，或直接用微生物参与控制某些工业生产过程的一种技术。人们熟知的利用酵母菌发酵制造啤酒、果酒、工业酒精，乳酸菌发酵制造奶酪和酸牛奶，利用真菌大规模生产青霉素等都是这方面的例子。随着科学技术的进步，发酵技术也

6、有了很大的发展，并且已经进入能够人为控制和改造微生物，使这些微生物为人类生产产品的现代发酵工程阶段。现代发酵工程作为现代生物技术的一个重要组成部分，具有广阔的应用前景。例如，用基因工程的方法有目的地改造原有的菌种并且提高其产量；利用微生物发酵生产药品，如人的胰岛素、干扰素和生长激素等。已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然杀虫

7、剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶、 维生素和单细胞蛋白等。从广义上讲，发酵工程由三部分组成：是上游工程，中游工程和下游工程。其中上游工程包括优良种株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶氧和营养组成）的确定，营养物的准备等。中游工程主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。这里要有严格的无菌生长环境，包括发酵开始前采用高温高压对发酵原料和发酵罐以及各种连接管道进行灭菌的技术；在发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空气的空气过滤技术；在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速度的计算机控制技术；还有种子培养和生产培养的不

8、同的工艺技术。此外，根据不同的需要，发酵工艺上还分类批量发酵：即一次投料发酵；流加批量发酵：即在一次投料发酵的基础上，流加一定量的营养，使细胞进一步的生长，或得到更多的代谢产物；连续发酵：不断地流加营养，并不断地取出发酵液。在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物形成的动力学模型，并根据这个模型设计中试的发酵要求，最后从中试数据再设计更大规模生产的动力学模型。由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试，从中试到大规模生产过程中会出现许多问题，这就是发酵工程工艺放大问题。下游工程指从发酵液中分离和纯化产品的技术：包括固液分离技术（离心分离，过滤分离，沉淀分离等工

9、艺），细胞破壁技术（超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂和溶壁酶等），蛋白质纯化技术（沉淀法、色谱分离法和超滤法等），最后还有产品的包装处理技术（真空干燥和冰冻干事燥等）。由微生物发酵、在几十吨以上规模发酵罐内生产出的，这被称为“发酵工 业” 。此外，随着基因工程技术的发展，通过发酵培养基因工程菌，能得到所需要的高附加值产品。据统计，利用细胞大规模发酵生产的产品已占生物技术产品的 40以上，可以说，发酵工程撑起了生物技术产品的半壁江山。大规模利用微生物的工业是在 20 世纪 20 年代才真正开始的。当时主要是以酒精发酵、甘油发酵和丙醇发酵等为主。20 世纪40 年代，弗莱明发现了青霉素，开始采用

10、深层发酵法大量生产。此后，链霉素等几十种重要的抗菌素相继问世，带动了抗菌素工业的诞生。发酵工业由无氧条件下的发酵发展到了有氧发酵。长期以来，几乎都是以碳水化合物作为发酵的原料，而到 60年代增加了正烷烃、醋酸、醇类和天然气等。发酵的原料从依赖于农产品的状态转为从石油等矿产资源中寻找，从而实现了发酵原料的重大转变。70 年代，基因重组技术、细胞融合等生物工程技术的飞速发展，为人类定向培育微生物开辟了新途径，微生物工程应运而生。通过 DNA 的组装或细胞工程手段，能按照人 类设计的蓝图创造出新的“工程菌 ”和超级 菌，然后通过微生物的 发酵生产出对人有益的物质产品。传统的发酵技术，与现代生物工程中的基因工程、细胞工程、蛋白质工程和酶工程等相结合，使发酵工业进入到微生物工程的阶段。微生物工程包括菌种选育、菌体生产、代谢产物的发酵以及微生物机能的利用等。现代微生物工程不仅使用微生物细胞，也可以使用动物和植物的细胞来进行发酵，以生产出对人类有用的各种生物产品。例如利用培养罐可以大量培养出杂交瘤细胞，生产出用于疾病诊断和治疗的单克隆抗体等生物工程药品。