發酵工程(FERMENTATION ENGINEERING)

發酵工業依靠微生物的生命活動而實現工業化生產,發酵工業是為生物工業打基礎的,是生物工業的開路先鋒。

(1)發酵工程的定義

發酵工程是利用微生物的生命活動進行物質加工的工程。

工業生產上通過微生物群體的生命活動(工業發酵)來加工或製作產品,其對應的加工或製作工藝被稱為“發酵工藝”。為實現工業化生產,就必須解決實現這些工藝(發酵工藝)的工業生產環境、設備和過程控制參數等的工程學的問題,因此,就有了“發酵工程”。因此發酵工程學科是解決按發酵工藝進行工業化生產的工程學問題的學科。

(2)發酵工藝、發酵工程、發酵原理三者的聯繫和區別

從工程學的角度把實現發酵工藝的發酵工業過程(工業發酵)分為菌種、發酵和提煉(包括廢水處理)等三個階段,這三個階段都有各自的工程學問題,一般分別把它們稱為工業發酵的上游工程、中游工程和下游工程。發酵工程的三個階段均分別有它們各自的工藝原理和設備及過程控制原理,它們一起構成發酵工程原理。

近年來,對於發酵工程的生物學屬性的認識愈益明朗化,發酵工程正在走近科學。從生物學的角度重新審視發酵工程,發現發酵工程最基本的原理是其生物學原理,而前述的發酵工程原理均必須建立在發酵工程的生物學原理的基礎上。因此,發酵工程的生物學原理是發酵工程最基本的原理,並且可以把它簡稱為發酵原理

(3)發酵工程在生物工程中的地位

發酵工程,作為一種套用性工程技術體系,採用了生物學、化學、工程學相結合的方法,依靠微生物的生命活動生產人類需要的產品,或保護人類及其生活環境。發酵工程不僅涉及單純的野生型微生物的天然發酵,而且包括微生物突變株、人工組建的“工程菌”、動植物細胞的培養過程等。包括菌種篩選與改造、微生物培養及發酵過程的最佳化、微生物細胞機能的利用等整個生物工藝過程。發酵工業依靠微生物的生命活動而實現工業化生產,發酵工業是為生物工業打基礎的,是生物工業的開路先鋒。發酵工程是生物工程中最接近工業生產前沿的組成部分,它是生物工程的其他組成部分(基因工程細胞工程、蛋白質工程和酶工程等等)的科學技術成果實現工業化生產並取得經濟效益的可靠支柱,是生物加工與生物煉製的核心技術的用武之地。

(4)發酵工程領域的拓展

發酵工程作為現代生物技術產業化的支撐技術體系,正在接受分子生物學、微生物基因組學蛋白質組學生物信息學系統生物學、生物催化和人工智慧控制學等多種前沿學科的密切介入,發酵工程的研究領域迅速拓展。二十世紀末代謝工程的異軍突起,正是因為發酵工程從工程學方面的“分析”與基因工程從基因操作方面的“綜合”,成功地實現互補。發酵工程正在成為人與微生物合作解決人類面臨的能源、資源和環境等等持續發展問題的重要研究領域。現代發酵工程強調人與微生物的合作和整體論,提倡社會的可持續發展,堅持科學發展觀。當前發酵工程的主要研究領域包括:現代工業發酵理論的建立與完善;套用微生物學的理論研究;微生物資源開發利用與工業微生物菌種選育;發酵工藝技術;生物催化和生物轉化;生物反應器設計、發酵過程工程與自動化控制;生物煉製過程工程等。

(5)人在發酵工程領域的主觀能動作用

多年來,發酵生產工藝的制訂,在相當程度上借鑑化學工程的理論框架,發酵過程最佳化的針對性不強,這主要是因為發酵工程的生物學理論(特別是工業微生物學理論)的研究尚處於初始階段,研究工作亟待深入。

在工業發酵生產中,人的意願要通過微生物的生命活動來實現,在這個意義上,人在工業發酵生產中處於被動的地位。因此,在工業發酵生產中如何發揮人的主觀能動作用,這對於工業微生物學家和發酵工程師,始終是一個挑戰性的問題。

微生物具有造福於人類和保護環境的巨大潛力,人類利用微生物可以實現更多美好的理想;然而,在發酵工業中人類只有依靠微生物才能間接地達到目的。為了在工業發酵中爭取主動,必須發揮人的主觀能動作用。人類要利用微生物為自己服務,就必須遵循微生物的生命活動規律,在可能範圍內對微生物的生命活動進行引導,而不是隨意將自己的意志強加給微生物。微生物生命活動有其自己的生存、發展的保障機制,這些機制服務於它們自身的生存競爭;而在工業生產中,人類藉助於微生物的代謝謀經濟效益。微生物的生存利益與人類的經濟利益,也就是微生物的生命活動規律和人的意志,這兩者既是對立的,又是統一的。人基於經濟利益對微生物代謝進行的導向,受到微生物的細胞的生存保障體系的制約;同時,人的經濟利益的獲得所需要的,恰恰也是微生物的細胞的生存保障體系的支持。要充分發揮人在工業發酵中的主觀能動作用,掌握好對微生物的代謝進行導向的程度,恰如其分地引導微生物在特定條件下進行新陳代謝,使微生物的生存保障的本能與人的經濟利益之間的對立,在維持微生物細胞生存這一點上得到統一。在對立和統一的矛盾鬥爭和相互轉化中,人的主觀能動作用是關鍵的;而人的主觀能動作用的發揮,在技術上則取決於其自身的發酵工程學術水平。

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