02 发酵技术的演变

公元前 7000 年：发现酿造啤酒

人们普遍认为，发酵的历史可以追溯到古代文明。大约9,000年前，苏美尔人偶然发现了酿造啤酒的过程，这一意外发现将影响人类文化和社会数百年。该过程最早的形式涉及谷物（主要是大麦）的自然发酵，这有助于创造我们今天所熟知的啤酒这种酒精饮料。

然而也有证据表明，一种由蜂蜜、大米和水果制成的发酵酒精饮料可以追溯到新石器时代的中国，大约在公元前7000年至6600年之间。

公元前 300 年：蒸馏法的发明

蒸馏工艺是古希腊人在大约公元前300年发明的，这一发现彻底改变了烈酒的生产方式。蒸馏使酒精分离和浓缩成为可能，从而生产出更烈性的饮料和精油，标志着发酵技术的重大进步。此外，它还扩大了可生产的发酵产品范围，并拓宽了应用范围。

19世纪：工业化推动大规模生产和标准化

19世纪见证了发酵技术的两次重大发展。首先，人们对微生物在发酵过程中的作用有了重大认识，特别是在酿酒和酿酒中。路易斯·巴斯德对酵母发酵技术的研究为现代微生物学和发酵科学奠定了基础。其次，工业革命使得啤酒、葡萄酒等发酵饮料的大规模生产成为可能，从而导致了这些产品的商业化和标准化。

20世纪：基因工程和生物反应器

20世纪，随着新微生物菌株的发现和基因工程技术的应用，发酵技术取得了长足进步，科学家能够改造微生物，通过发酵过程生产特定的化合物，如酶和药物。此外，生物反应器（用于控制发酵的容器）的发展使得人们能够更精确地监测和优化发酵条件，从而显著提高生产力和产量。

21世纪：生物技术与可持续发展的交融

在过去二十年中，发酵技术经历了复兴，这得益于生物技术的进步和对可持续性的关注。基因组学、蛋白质组学和代谢组学等组学技术彻底改变了微生物及其代谢途径的研究，使针对不同应用的发酵工艺得以量身定制。过程监控和自动化进一步提高了发酵的效率和一致性。废物回收、生物燃料生产和可生物降解材料合成等可持续实践也日益受到重视，凸显了发酵技术应对环境挑战的潜力。

03 发酵的类型

图：液态发酵（SmF)和固态发酵（SSF）

液态发酵（SmF）

液态发酵在富含营养的液体培养基中培养微生物。这种发酵主要用于工业应用。该过程涉及在密闭容器中培养微生物，容器中含有营养丰富且氧气含量高的培养基。生产培养基是深层发酵的重要组成部分，可根据微生物和目标分子进行优化。

SmF有三种模式：分批模式、补料分批模式和连续模式。

分批模式

这是一种简单的发酵方式，其中所有过程的先决条件都放在一个容器中，中间除了空气外不添加任何东西。先决条件包括发酵罐和生产培养基的灭菌以及接种物的添加。发酵罐以封闭方式运行，当营养物质耗尽或目标分子达到其最大浓度时，该过程终止。批处理模式的优点包括：使用简单，污染的机会较少，即使相对缺乏经验的操作员也可以处理它。

补料分批模式

顾名思义，补料分批模式是一种发酵方式，其中系统不以封闭方式运行。在这种模式下，根据需要将底物、营养物或诱导剂添加到系统中。这种产品的添加增加了微生物的生产阶段。补料分批发酵的优点包括：实现了高细胞密度，会导致代谢物的产生增加，可以控制生物的生长速度及其氧气需求。

连续模式

在这种模式下，生物体被注入新鲜的营养物质，同时去除废培养基和细胞，从而以恒定的速率维持体积、底物浓度、产物和生物量。连续模式的优点包括：可以延长生产力，实现了高细胞密度，可以用这种模式来研究文化生理学。

固态发酵（SSF）

固态发酵是微生物在潮湿的固体基质上生长，颗粒间无水或水分极少。固体培养基的水分含量在12-80%之间。这种发酵类型主要用于农产品和食品，例如由曲霉和根霉发酵大豆。

SSF的应用包括：

• 酶生产，如果胶酶、纤维素酶、蛋白酶、淀粉酶和植酸酶。
• 生产没食子酸、乳酸等有机酸。
• 产生各种次生代谢产物，例如赤霉酸和抗生素。
• 不饱和脂肪酸和生物防治剂的生产。

固态发酵的优点包括产品滴度高、用水量少、浪费水少、无需起泡、费用低、能耗低。当然，它也存在一些缺点，例如难以控制固体基质的水分、氧气供应不足、发酵过程中没有控制pH的方法，以及可用于SSF的物种有限等。

04 发酵技术的应用

微生物工程和合成生物学

一般来说，发酵依赖于酵母和细菌等天然微生物进行所需的生化转化。然而，随着微生物工程和合成生物学的发展，科学家现在可以设计和改造微生物，以改进发酵过程，用于特定应用。这种方法可以创造出具有改进的代谢途径、更高的生产率和更强的环境条件抵抗力的新型菌株。例如，人们正在开发工程酵母菌株，以便从玉米、甘蔗和木质纤维素生物质等可再生资源中更高效地生产生物乙醇。同样，工程细菌也被用于生产产量和纯度更高的有价值的化学品、药物和生物燃料。

食品和饮料工业中的发酵

在食品和饮料行业，发酵仍然是生产过程的基础，有助于改善各种产品的风味、质地和营养品质。然而，发酵技术的进步有助于制造商扩大产品供应并满足日益增长的消费者需求。例如，植物替代品的日益普及带来了发酵衍生蛋白的创新，如真菌蛋白（来自真菌）和豌豆蛋白，它们可以作为肉类和奶制品等动物源蛋白的可持续替代品。此外，发酵技术正被用于开发具有健康益处的功能性成分，如益生菌、益生元和酶，它们可以促进肠道健康和消化。

制药和生物技术中的发酵

在制药和生物技术领域，发酵在治疗性蛋白质、抗生素、疫苗和其他生物制剂的生产中起着至关重要的作用。发酵技术的最新进展提高了这些生物制药生产的可扩展性、效率和成本效益。例如，重组DNA技术的使用可以在大肠杆菌和酵母等微生物宿主中表达复杂蛋白质，从而实现高纯度和高效力的大规模生产。此外，正在实施连续发酵系统和在线监控技术，以改善过程控制、缩短生产时间并最大限度地减少资源消耗，从而提高生物制药生产的可持续性。

发酵用于可持续能源和环境

除了常规应用外，发酵还被用于可持续能源生产和环境修复。厌氧消化和微生物燃料电池等生物能源技术利用发酵过程将有机废物转化为沼气和电力等可再生能源。这些技术不仅可以减少温室气体排放、减少对化石燃料的依赖，而且还提供了一种利用废物和回收资源的方法。此外，微生物发酵正被用于环境修复目的，例如通过专门的微生物群落降解污染物，对受污染的土壤和水进行生物修复。

05 发酵技术领域的最新进展

近年来，工业发酵取得了长足的进步和突破。代谢工程和合成生物学、连续发酵工艺、先进分析技术、生物传感器和下游处理等方面的发展使得发酵启动菌的合理设计成为可能。这些发展，再加上生物反应器设计和工程方面的重大进步，对我们的工业生产系统产生了深远的影响。

代谢工程与合成生物学

代谢工程在工业发酵中的应用主要集中在改善细胞代谢以提高生产率和产品产量。此外，通过合成生物学，可以开发混合或新的代谢途径，生产新产品，扩展底物范围或提高处理特性。代谢工程的一个现实应用是像Medicago这样的制药公司的工作，他们利用代谢工程来创造疫苗和治疗药物。他们使用一种称为VLP（病毒样颗粒）的技术，涉及利用植物代谢途径来产生模拟病毒结构的病毒样颗粒。这些颗粒可用于刺激免疫系统并保护免受疾病侵害。

图. 代谢工程和合成生物学在农杆菌遗传转化中应用的示意图，用于转化烟草植物产生 VLP

连续发酵工艺

连续发酵的主要好处之一是能够更好地控制发酵过程，并优化产品生产条件。通过细胞循环和固定化，这一过程降低了资本成本，提高了生产率和产量。细菌的连续培养比批次培养具有更高的生产率。连续发酵被广泛采用。例如，诺维信公司采用连续发酵工艺来帮助生产各种工业应用的酶。连续发酵的使用还使公司可以以更小的占地面积和更低的环境影响运营，通过回收和重复利用营养物质、水和其他资源，有助于降低成本和减少环境影响。

图：带有细胞循环的连续发酵过程示意图；

图源Drioli E, Giorno L (1999) 生物催化膜反应器：在生物技术和制药工业中的应用

先进分析

工业发酵中的另一个关键发展是越来越多地使用生物过程模拟和建模。这些工具使研究人员能够预测和分析微生物在不同条件下的行为，从而优化诸如底物和启动菌浓度、氧气摄取、温度、pH、搅拌速度等因素，以实现最大效率和生产率。此外，人工智能（AI）和机器学习（ML）的应用越来越普遍，研究人员正在开发算法来预测和控制微生物生长，并优化整个发酵过程。

例如，BioLamina公司使用模拟和建模来设计和优化通过工业发酵生产重组蛋白的定制生物。他们使用计算工具和数学模型来模拟发酵过程中微生物的行为，并预测条件变化将如何影响蛋白质生产。

生物传感器

开发用于控制微生物生长的新技术。创造基因生物传感器和其他检测方法可以加速优化微生物细胞工厂的过程。首先，设计、构建和优化了生物体系结构和基因调控元件（例如启动子、转录调控因子等），以调节和平衡生物合成途径，从而提高天然产物的产量。此外，生物传感器启用的高通量菌株评估导致了大量数据集的快速生成，提供了有关不同基因组编辑策略如何影响产物形成并改进设计的预测性学习。

德国公司Dynamic Biosensors就是一个很好的例子，该公司开发用于监测工业发酵过程的生物传感器。他们的生物传感器可以实时测量 pH、温度、溶解氧和葡萄糖水平等参数，从而优化发酵过程并提高发酵产量。

图：遗传生物传感器与高通量荧光激活细胞分选 (FACS) 和下一代测序 (NGS) 相结合用于天然产物的生物合成。

下游处理

最后，下游处理（DSP）的进步对工业发酵的进步贡献巨大。作为整个制造过程的一个组成部分，DSP受到多种因素的影响，包括所使用的原材料和生物过程本身。新的DSP方法改变了工业发酵的游戏规则。应用新的膜技术、结晶、色谱和甚至纳米生物催化剂，使得最终产品的分离和纯化更加高效和经济。

结 论

工业发酵取得的重大进展，为生产各种产品开辟了新的可能性。通过代谢工程和合成生物学设计新的代谢途径，微生物产生特定产品的能力得到了提高，连续发酵工艺的发展导致了更加一致和高效的生产。生物过程模拟和建模的应用，以及人工智能和机器学习的整合，为研究人员提供了优化发酵条件以实现最大效率和生产率的新工具。生物传感器和改进的下游处理技术也为工业发酵的进步做出了贡献。总的来说，这些进步正在推动着工业向前发展，并为未来的新发展铺平道路。