第一章緒 論
第一節 工業發酵的類別
一、發酵工程及生物工程定義
1.發酵工程的定義與特點
（1） 發酵工程的定義 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， 降解糖產生二氧化碳， 氣泡上涌的現象。
生物化學領域的發酵是指生物的一種產能代謝類型， 這一代謝過程包括以有機化合物為
電子給體和電子受體的一系列氧化還原反應， 同時發生各種物質的轉化。發酵可理解為“微
生物細胞為獲取生長和生存所需能量而進行的氧化還原反應” 。
千百年來， 發酵的應用領域不斷擴大， 發酵產品種類日益增多， 發酵的含義不斷延伸，
日趨豐富。微生物發酵是指微生物在一定的條件下， 經特定的代謝途徑， 將物質轉化為代謝
產物及菌體的過程。廣義上， 發酵這一概念及技術也應用到植物細胞和動物細胞的培養及代
謝產物的生產過程。
發酵工程（fermentation engineering） ， 又稱微生物工程， 是通過大規模工業化生產的
方法， 人為控制各項條件， 利用微生物的生長和代謝活動來獲取人們所需的物質， 或者為人
類提供服務的技術過程。因此， 發酵工程是生物學和化學工程相互交叉的學科。
發酵工程， 本應包括利用微生物發酵生產產品的全過程， 包括“上游” 、“中游” 、“下
游” 3 個階段。“上游” 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
從生產原料到發酵結束這一階段， 包括生產原料的預處理（含無菌空氣的制備和水的預處
理） ， 菌種的擴大培養和大規模培養， 發酵方法及發酵過程控制等； “下游” 工程是指發酵產
品的分離純化， 得到最終成品， 還包括發酵副產品的綜合利用。為避免與本系列叢書其他教
材內容重復， 本書的內容定在發酵“中游” 工程這一范圍內。
（2） 發酵法的特點 以谷物類等為原料， 經微生物發酵法生產各種高附加值的產品，
從本質上說， 屬于化學反應， 具有以下特點。
與一般的化工生產相比， 微生物發酵法在比較溫和的條件下進行。微生物發酵溫度較
低， 壓力不高， pH 在中性左右。故無需耐高溫和高壓設備， 設備投資較小。
發酵反應是在微生物自行調控下由酶催化的生物代謝反應， 許多發酵產物正是代謝途徑
中的中間產物； 有些結構復雜的產物通過化學合成法無法輕易得到， 但可通過微生物發酵生
物合成得到； 發酵法的缺點是有些產物的生物合成路徑長， 副產物多， 反應時間長。
發酵法可利用廉價的可再生資源生產高附加值的產品， 但缺點是目前發酵法占用寶貴的
糧食資源， 與民爭食。因此， 利用可再生的非糧食原料作為發酵原料值得大力開發。
發酵產物濃度一般不高， 生產過程中出現大量的副產物（廢水、廢渣和廢氣） ， 故需要
復雜的提煉設備并消耗大量的能源。副產物有可能成為環境污染源， 回收發酵副產物， 需要
加大投資并消耗能源。
2.發酵工程與生物工程的相互關系
生物工程是現代學科分類中的一級學科， 在該學科下， 分為基因工程、蛋白質工程、酶
工程、細胞工程、發酵工程。但在歷史上， 發酵工程這一名稱更為悠久， 其內涵非常豐富，
是發酵工程孕育了生物工程。發酵工程經歷了從傳統發酵工程（以發酵食品為主） 到近代、
現代發酵工程（發酵食品、化工產品、醫藥產品和農用產品） ， 再到生物工程的過渡。
發酵工程是生物工程（bioengineering ， 或者稱為生物技術， biotechnology） 的重要組
成部分。生物工程的組成如圖1-1 所示， 它們之間的相互關系如圖1-2 所示。
發酵工程是連接生物體和生物工程產品的橋梁， 是生物工程技術產業化的重要環節。
“生物化工” 這一概念， 在內涵上與“發酵工程” 有一定的重疊， 但也有一定的區別。
本質上來說， 發酵過程中所涉及的生物化學反應都屬于化學反應。化學反應需要催化劑以加
快反應速率， 通過酶或通過化學催化劑均可達到加快反應速度的目的。有些采用化學催化劑
才能得到的化合物， 現在也可通過生物催化合成； 有些化工產品的傳統工藝， 也可以通過生
物反應而改變。近、現代發酵工程大量采用了化學工程原理、設備和單元操作技術， 從而實
現了發酵產品的工業化生產。從這些角度看， 發酵工程和生物化工是相同的。生物化工也可
認為是化學工業的一個分支。在廉價石油時代， 人們曾試圖用石油和天然氣等石化原料生產
各種發酵產品（當時研究最多的是用石油為原料生產菌體蛋白質等） 。在不可再生的石化資
源日益枯竭的當代， 人們希望發酵工程生產更多的產品或提供更多的服務來滿足社會需要。
故當代生物化工的一個研究重點是利用可再生資源來大規模生產原先以石油為原料并通過化
學工藝才能得到的各種大宗化工原料。
生物技術， 按其應用領域可分為醫藥生物技術、農業生物技術、工業生物技術、能源生
物技術。這些領域大部分產品的生產， 都直接或間接地要通過發酵工程來實現。因此發酵工
程是生物科學技術與應用之間的橋梁， 是生物技術產業化的重要工程技術。
二、發酵方法分類
發酵方法可根據所采用的微生物好氧與否、發酵物料的狀態、發酵操作方式和通風攪拌
方式等進行分類， 詳見表1-1 。
1.好氧發酵
好氧發酵是指好氧微生物在與空氣（氧氣） 接觸的條件下生長、繁殖， 氧化有機物或無
機物的產能代謝過程。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， 在發酵過程中需提供大量新鮮空氣并攪拌。
2.厭氧發酵
厭氧發酵（又稱嫌氣發酵， 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行生物化學作用， 對物質進行生化降解的過程。例如， 梭狀
芽孢桿菌引起的丙酮、丁醇發酵， 沼氣發酵等。對于專性厭氧微生物， 氧對其有毒性作用。
3.兼性厭氧發酵
兼性厭氧發酵（facultative fermentation） 是利用兼性厭氧微生物進行的發酵。兼性厭
氧微生物是指既可在有氧環境， 又可在無氧環境中生活的微生物。有的兼性厭氧微生物能耐
受環境中的氧， 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， 而當環境中缺氧時， 可利用葡萄糖厭氧發酵
成乙醇。
4.液態發酵
液態發酵（liquid fermentation） 是最常見的發酵方式， 又分為深層發酵（ submerged
fermentation） 、表面發酵（facial fermentation） 和附著培養（adhesionfermentation） 。深層
發酵是在大型發酵罐中進行通風和攪拌， 微生物懸浮于液體培養基中， 故微生物、培養基營
養成分、代謝產物的分布較均勻， 過程控制容易， 并易實現純種培養； 表面發酵是微生物菌
體在培養基表面聚集， 并形成菌膜， 往往是液態靜止培養時（無攪拌、無通風情況下） 容易
產生這種現象； 附著培養是微生物附著在反應器的固體表面生長并進行代謝活動。后兩種情
況都是好氧微生物所進行的發酵。
5.固態發酵
固態發酵（solid-state fermentation） 過程可定義為微生物在幾乎沒有游離可流動水的
培養基質上的生長過程及生物反應過程。
6.分批發酵
在分批發酵（batch fermentation） 過程中， 培養基一次加入反應器， 滅菌、接種， 細
胞經歷滯后期、對數生長期、穩定生長期（一般不進入衰亡期） 后， 一次出料（放罐） 。這
是最簡便、基本的發酵方法， 其特點是： 整個過程是一個時變過程， 細胞濃度、基質濃度、
產物濃度都隨時間變化， 微生物所處環境不斷地變化， 是不穩定的過程。
7.補料分批發酵
補料分批發酵（fed-batch fermentation） 是指在發酵初期， 發酵罐內并不完全加滿培養基，
當菌體生長到對數生長期后即開始補料。補料的方式各種各樣。根據反應器中發酵液體積的變
化， 分為變體積和恒體積。變體積是流加培養后， 發酵液的體積逐步增加， 但達到最大體積
后， 便不再流加； 要保持恒體積發酵， 則必須在流加培養的同時， 排放出等體積的發酵液。
補料方式分為連續流加、不連續流加和多周期流加。每次流加方式又可分為快速流加、
恒速流加、指數速率流加、變速流加。在補料分批中又有循環分批補料、循環間歇補料和循
環連續補料等操作。在補料分批發酵中， 根據反應器數目分類， 有單級和多級之分。根據補
加的培養基成分來區分， 分為單一成分補料和多組分補料。
8.連續發酵
連續發酵（continuous fermentation） 過程分為兩個階段： 分批培養階段， 與分批培養
操作相同； 連續發酵階段， 待細胞達到最適生長條件或最佳產物形成條件時， 不斷加入新鮮
培養基， 并排出等量的培養液， 這是一種不間斷補料的操作方式。當稀釋率（通入培養基的
流量與反應器操作體積之比） 與細胞的比生長速率（單位質量的細胞在單位時間內細胞質量
的增長量） 相同時， 過程即達穩定狀態。此時， 反應器內和出口培養液中的細胞和殘余基質
濃度均不再隨時間變化。
9.其他類型的發酵
在實踐中還有其他類型的發酵或培養， 現簡要介紹幾種類型。
培養與分離的耦合是在發酵裝置中偶聯一套分離裝置， 在發酵過程中不斷去除對發酵有
害的代謝產物， 解除有害代謝產物對發酵的抑制作用； 或者將細胞截留并返回到反應器內，
使反應器內的細胞濃度不斷提高。
混合發酵（mixed fermentation） 適用在需要多種微生物的協同作用或微生物本身共棲
現象時的發酵。例如， 固態發酵白酒的釀造， 往往是多種微生物共存、協同作用， 使原料中
的淀粉和蛋白質降解并生成乙醇等代謝產物； 在污水處理過程中， 也是多種微生物共同作
用， 使大分子有機物質逐步分解成乙烷和二氧化碳等物質。在混合發酵中， 應注意使培養基
和培養條件同時滿足多種生物體的需要。
雙邊發酵（synchronous mashing and fermentation） 是在白酒傳統工藝中， 含淀粉質原
料在糖化發酵劑（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
酵作用同時在一起， 而由不同的微生物菌株交叉進行。
在通常的分批培養中， 細胞的分裂往往不能做到同步而使細胞處于不同生長階段。若上
述情況對最后產物的質量或形成有影響時， 最好采用同步培養（synchronous cultivation） 。
芽孢桿菌可通過加溫殺死其營養菌體而保留其芽孢， 然后使其同步萌芽。對一般細胞而言，
可采用階段性降溫培養使其不分裂但緩慢進行生長， 當恢復正常溫度時， 大多細胞即可同時
進行分裂。
灌注培養（perfusion cultivation） 是指在分批培養過程的中后期不斷注入新鮮培養基，
并以同樣的流量排出廢培養基， 但將細胞截留在反應器中。它與連續培養不同之處在于后者
排出的培養液中包含著細胞而前者僅是廢培養基。細胞的截留可借出口處的過濾或重力沉降
裝置來實現。由于這種培養法可以不斷灌注新鮮培養基， 并可排出可能存在的有害代謝產
物， 可以大大延長培養周期。這種培養法特別適用于細胞倍增時間長的動、植物細胞。
三、通風類液態發酵和固態發酵的比較
從發酵培養基含水量來看， 液態發酵和固態發酵有明顯的差別。機械攪拌通風液態發酵
是目前最常見的發酵方式。發酵培養基中水分含量一般在90 % 左右， 而固態發酵培養基中
水分含量一般在50 % 以下。但進行更本質的分析可發現， 液態發酵狀態可視為物料和微生
物（固相） 與氣泡（氣相） 處于一個液相為連續相的環境中， 即發酵體系中氣、固、液三相
并存， 但以液相為主； 微生物的生長、生物反應、物質和熱量的傳遞主要發生在液相體系
中。固態發酵過程可定義為微生物在幾乎沒有游離可流動水的培養基上的生長過程及生物反
應過程。從表面上看， 培養基物料的狀態是固態， 但從微觀上看， 物料層（fermenting bed）
同時存在固、液、氣3 種物質狀態。其一是固態基質； 其二是與固態基質緊密結合的液態水
（結合水和少量的游離水） ； 其三是物料顆粒間隙中的氣相。在固態發酵的大多數情況下（如
強制通風的填料床式固態發酵、流化床固態發酵） ， 氣流可貫穿物料層， 發酵物料顆粒（不
連續的固相） 可視為是分布于氣相為連續相的環境中。固態發酵和液態發酵的物料狀態如圖
1-3 所示。從圖1-4 的電子顯微照片中， 更可體現出固態發酵物料中不連續的固相（菌絲體）
分布在連續的氣相中。
在液態發酵過程中， 菌體及營養物、產物（包括熱量） 易于擴散， 使發酵可在均質或擬
均質條件下進行， 便于發酵溫度的控制， 易于擴大生產規模； 液體輸送方便， 易于機械化操
作。這都是液態發酵的優點， 同時也正是固態發酵的不足之處。固態發酵和液態發酵的比較
詳見表1-2 。
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