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我国发酵工业的科技进步
时间：2005-5-17 10:56:24 作者：不详 来源：中国发酵工业网 点击数：
       发酵工业系利用微生物的代谢活动经生物转化大规模制造产品的一门工业。在20世纪60年代以前，轻工、食品领域的发酵工业主要由酿酒和酿造的产品组成，随着现代生物技术的崛起，不仅对原有的酿酒和酿造工艺进行了技术改造，还不断开发出以现代生物技术为特征的新型发酵制品。至今，已形成了一个品种繁多，门类较齐全，具有相当规模的独立工业体系，在国民经济中占有重要地位，其产品应用覆盖医药、卫生、轻工、化工、农业、能源、环保等诸多行业，某些产品如味精、柠檬酸年总产量已跃居世界首位。据有关方面统计，至1996年，我国具有现代化生物技术特征的发酵产品其年销售额在轻工食品领域远高于其他领域。（参见表1）
　　轻化工、食品领域主要统计的产品包括：酶制剂、氨基酸、有机酸、味精、啤酒、功能食品和食品添加剂、特种发酵工业产品，精细化工产品、生物反应器、分离介质及装备。
　　但在改革开放前，发酵企业多数生产规模小，装备陈旧，机械化程度低，致使原材料消耗高，能耗高，成本居高不下，缺乏市场竞争力。改革开放促进了社会经济和科学技术的迅速发展，发酵工业这门新兴产业得到了重视，自“六·五”计划开始，在中央和地方的科技发展计划中占了一定份额，经过几个五年计划的科技攻关，产、学、研的技术力量紧密结合，获得了一批重大科研成果，不仅使原有的传统工艺得到技术改造，还发展了一批具有现代生物技术特征的新产品，使发酵工业进入了一个新的发展阶段，一些主导产品如味精、柠檬酸、酶制剂的年总产量2000年为1980年30倍左右，生产技术水平也有极大突破，其科技进步体现在以下几个主要方面：
　　一、生产菌的遗传育种
　　重组DNA技术已进入实用化阶段，采用目的基因克隆，DNA转化及在生产菌中的高效表达等基因操作已在实验室广泛开展，筛选出一批性能优良，生产能力大幅度提高的高产菌株，如苏氨酸工程菌其发酵产酸率由原来的3％提高到8％以上；还有耐高温α－乙酰乳酸脱羧酶等工程菌，其生产能力超过原菌株几倍至几十倍，效果十分惊人。但在食品领域由于受国际上对转基因食品安全性的争论的影响，企业界对工程菌的采用持十分谨慎的态度。与医药和农业部门相比，基因工程的研究和应用在轻工、食品领域相对滞缓。
　　二、发酵工艺的优化与创新使发酵水平上了新台阶
　　在上世纪80年代以来，轻工食品领域的菌种选育，除遗传工程育种外，还采用细胞融合、代谢调控、杂交、诱变等手段，选出了一大批高产菌种，但放大至工业规模，优势不明显。进入90年代后，在深入研究菌种的生长和发酵动力学基础上，结合新工艺的引入，采用双酶法淀粉糖化，发酵过程的料液流加，现代生物反应器的优化控制以及固定化酶和细胞的连续反应等新技术，使发酵工业的生产水平上了新的台阶，也引起国际上的关注，近年来向国外技术输出的菌种和技术令人兴奋。（参见表2）
　　由此可见，工艺的优化和创新是发酵工业上水平的根本，又例如中科院微生物所创建的以山梨醇为原料应用两步发酵法生产维生素C中间体α－酮基L－古龙酸新工艺，与化学法相比工艺简化、三废减少、劳动环境改善，易于产业化生产，新工艺开发成功后迅速在国内企业全面推广，并以高价实现技术输出。中国药科大学创建的二肽甜味剂APM，化学名称为L－天门冬氨酰苯丙氨酸甲酯的合成新工艺，改革了常规肽合成中双保护基路线，先对天冬氨酸的α－氨基与β羧基进行保护，然后与苯丙氨酸甲酯综合形成肽键，再去保护剂，工艺繁琐，收得率低。创建的新工艺，研制出一种天冬氨酸活化剂，可不必进行预保护，直接定向地与苯丙酸甲酯缩合生产天苯甜二肽（APM）明显降低生产成本。（参见表3）
　　另外，由北京市发酵研究所和南京化工大学分别研制成功的苹果酸一步转化工艺以及反应与分离耦联工艺，使L－苹果酸生产步骤减少了一半，充分显示了工艺创新带来的巨大效益。（参见表4）
　　三、新菌种新品种开发，形成了产品的系列化，拓宽了产品的应用领域，促进了产业的发展
　　在轻工食品领域，酶制剂和氨基酸由于品种单一，质量较差，不能适应市场发展需要，个别氨基酸和酶制剂品种，长期依赖进口。自“七·五”以来，国家科委中国生物工程中心始终把氨基酸和工业酶制剂列为重点攻关项目给予支持。先后研发成功啤酒生产用系列酶制剂，淀粉糖生产系列酶制剂，洗涤剂用酶制剂及饲料添加用酶制剂四大专用配套酶，并开发了食品级液体浓缩酶和精制酶新剂型，使我国工业酶制剂由改革前的三个品种发展至二十多个商品酶，应用领域拓宽到除食品工业外还广泛应用于纺织、造纸、洗涤剂、化工、饲料等行业，并通过酶制剂应用的二次开发，发展了酶法制功能性低聚糖的新产业。
　　在氨基酸方面，基本填补了大输液中几个品种的空白。新品种开发，新产业形成，不断壮大了发酵工业。
　　四、酶和细胞的固定化技术的工业应用
　　固定化酶是在20世纪中期开始发展起来的一项新技术。固定化酶的含义有两个方面：一是由水溶性酶与不溶性载体结合，形成不溶于水的酶的衍生物，故也称为“水不溶酶”；二是可溶性酶置于具有半渗透超滤膜的反应器中，高分子底物与酶在超滤膜一边，而被酶分解的小分子可透过膜分离出来，酶本身仍是可溶性的，只不过被固定在一个限定的空间不能自由移动。固定化细胞是将微生物细胞限制于一个特定空间区域内，保持其催化活性，并能被重复或连续使用的完整细胞，根据细胞的活力可分为死的、休眠态的和生长中的三类。固定化酶和细胞的制备方法大体相似，我国在实验室研究颇多，但大规模工业制备工业应用尚不多，由于工业生产上应用的固定化酶和细胞要具有稳定性、安全性和经济性以及反应的长持续性。在轻工食品领域首先取得突破的是固定化葡萄糖异构酶应用于生产高果糖浆，通过“七·五”科技攻关，固定化酶的生产能力达到lkg固定化酶转化成42型果葡萄浆7～8吨。此外，固定化黄色短杆菌细胞应用于L－苹果酸的生产、固定化细胞生产L－天冬氨酸以及固定化细胞催化苯丙酮酸生成L－苯丙氨酸均已在工业生产上应用。最近取得重大突破的是应用固定化睛水解酶连续催化丙烯睛为丙烯酰胺，并已成功建成三套万吨级的反应装置，这是固定化技术在轻化工生产上应用的又一重大成果。固定化酵母增殖细胞连续发酵酒精在国内以糖蜜为原料的酒精厂已普遍采用，在以淀粉质为原料发酵酒精方面也成功开发了固定化增殖酵母细胞和无载体絮凝性酵母细胞连续发酵酒精的新工艺，均已在生产上应用。与传统酒精发酵相比，发酵设备的生产强度提高5～7倍，发酵装置的投资可节省2／3，占地面积减少1／2，效果明显。固定化技术在发酵工业上应用有着广阔的发展潜力。（参见表5）
　　五、发酵产物的分离提取技术的进展
　　提取得率低一直是导致发酵工业产品生产物料和能源消耗高、成本高、市场竞争力低的“瓶颈”。上世纪80年代以来，引进了国外先进的后提取单元装置，结合国内的科技创新，在菌体分离，糖液净化，产品精制成型等工序上采用了一系列新技术新设备，例如菌体的快速絮凝、膜分离和净化、树脂连续吸交、连续色谱分离、多效真空浓缩、连续浓缩结晶等已广泛在生产企业采用，柠檬酸、赖氨酸、味精三大主导产品的生产面貌起了根本性的改变，不仅提高了产品的收得率，改进了产品质量，并为这些行业的清洁生产打下了良好基础。（参见表6）
　　六、多种类型生物反应器和传感器的国产化配之以计算机的优化控制，使我国发酵工业的整体水平得到显著提升
　　在我国以中小企业为主的发酵企业，长期以来受设备陈旧的困扰，自“七·五”国家科技攻关对生物反应器和传感器的国产化作为重点给予支持，取得了一系列可喜成绩，例如原华东理工大学通过引进消化、吸收和创新，研制成功全自动控制搅拌式标准发酵罐的系列产品，广泛推广应用在抗生素、酶制剂、氨基酸等行业；中科院化冶所的气升式环流生物反应器应用于味精、衣康酸生产，发酵罐规模达300m3；原化工部上海化工院研制的外循环机械搅拌采用INT涡轮组合搅拌器应用于黄原胶发酵；原轻工部食品发酵所研制的喷射自吸式反应器，配之全封闭气、液分离循环泵应用于饲料酵母生产以及原华南理工大学研制的溢流脉冲喷射反应器生产药用酵母等，这些新型反应器与传统的发酵罐相比，能耗降低在30％～40％、单罐产量可提高1～2倍，是实现高产低能耗的现代化的工业装置，为发酵工业的发展奠定了重要的技术和装备基础。
　　纵观发酵工业的科技进步，充分说明创新是发酵工业发展的基本立足点。我国幅员辽阔、生物资源丰富，以农副产品为原料、生物技术为手段的发酵工业有着广阔的发展空间。今后的研究重点除积极采用高新技术改造和提升现有发酵工业的生产水平和开发新产品，形成新产业外，应加强应用基础理论的研究牞例如：
　　1．要充分意识到自人类基因组图谱绘制完成后世界进入后基因组时代，它的成果不仅对相关基础学科起到巨大的推动作用，而且将对医药、农业、食品等产业产生巨大的影响，基础引发新的产业革命，因此，转基因技术在食品领域的应用是发展的必然趋势，要引起足够重视，除对基因工程的研发工作本身要加强外，应从开展转基因食品安全性的研究入手，参与国际上对转基因食品安全性的鉴定和科学评价，积极创建造福于人类的新一代发酵制品。
　　2．加强发酵基础理论研究，从对微生物的代谢调控，生长和发酵动力学剖析基础上，创建新的发酵系统，考虑到在发酵过程中若能不断解除产物对微生物代谢活动的抑制，则能大幅度提高产率，故应积极研究开发不同类型的发酵分离耦合系统，达到高产丰收的目的。
　　3．要充分认识微生物的多样性、生物技术的多学科性、应用领域的广泛性，利用先进、实用技术，加强新资源开发和已有资源的高值化。现有的发酵制品原则上仍属初级产品，商品化的品种单一，应用领域狭窄，产值低，应进一步深加工，二次开发，达到更有效地利用资源，产生更大的经济效益。
　　4．瞄准发酵工业生产中的共性技术、关键技术进行重点突破，如节能降耗、提高产品质量、无害化的环保新工艺新装备，提升现有企业的生产水平，使我国轻工、食品领域的发酵工业在新世纪实现跨越式的发展。
　　表1　我国具有现代生物技术
　　特征的产品1996年销售分布情况

领域

 销售额（亿元） 占销售额％

 

农业

 15.0

13.1

医药

 21.2

18.6

轻化工、食品

77.9

68.3

合计

 114.1

 100.00

 

 

 

　　引自周永春等1999年生物技术产业发展战略研究报告
表2　 我国发酵工业技术输出的情况

项目

 原料

技术水平

 受让国

柠檬酸

 淀粉

产酸率19～20％

 法国、美国

 

转化率90％

 

 

赖氨酸

 淀粉

产酸率10％

 法国

 

转化率40％

 

 

乳酸

 淀粉

产酸率13～14％

法国

 

转化率85％

 

 

衣康酸

 淀粉

产酸率8％

美国

 

转化率50％

 

 

甘油

 淀粉

产甘油10％

 美国

 

转化率45％

 

 

 

 

 

 

　　注：表中所述水平在受让方以实验室规模罐发酵的验证水平
表3　 天冬氨酰苯丙氨酸甲酯（APM） 甜味剂不同工艺的比较
　　

方法

化学法

酶法老工艺

酶法新工艺

反应步骤

3

5

 5

转化率（％） 60～

 85

 90

80

β－Apm（％） 20～30

 无

 无

 

产率（％）

 40～50

 65

 70

外观

 白色粉末

 白色结晶

 白色针状结晶

成本比较

 100

120％

 70％

以化学法成本为100计

　　
　　表4L－苹果酸不同工艺技术经济指标比较

 

项目

常规转化工艺

 反应与分离耦联工艺

富马酸转化率％

 70～85

 99.9

 

反应液中L－苹果酸盐浓度g／L

80～150

 3200

 

L－苹果酸收率

51～65

86

 

工艺操作步骤（step）

 22～24

 11

 

操作控制难易程度

 难

 易

 

质量控制难易程度

 难

 易

 

单位产品设备投资（万元／吨）

 1．7

1

 

富马酸消耗（吨／吨）

1．6～1．7

1.01

 

富马酸残余％

 0．2～1, ．0

 ≤0．1

 

成本（万元／吨）

2．27

1.64

 

　成果提供单位：南京化工大学


　
　　表5　　 酶制剂应用新领域－酶法生产低聚糖一览表

低聚糖品种

工业化程度

原料

 制造方法

关键酶　

功能成份

异麦芽低聚糖生产能力5万吨以上产品有IM050、IM090　　　　　　　（Mal－tooligosaccharidase）

淀粉

酶转换

麦芽低聚糖酶

异麦芽糖、异麦芽三糖、四糖、五糖及潘糖占总糖50％以上

果糖低聚糖　生产能力约5千吨以上，产品有FOS50、FOS70、FOS90（Fuc－tosyltransfe－rase）

砂糖

酶转换　

果糖基转移酶

蔗糖分子中D－果糖上以β－2，1糖苷键连接1－3果糖，　　 即GF2、GF3、GF4的混合糖

甘露低聚糖生产能力约5千吨以上，产品为KOS90　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （mannase