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第35章 发酵工程,造福人类

第一篇第三十三章发酵工程,造福人类

所谓发酵工程,是采用一定的技术手段,利用微生物生产人所需要的物质。由于发酵工程中

唱主角的是微生物,所以发酵工程也称为微生物工程。

古代人就会酿酒、酿醋、制酱,这些生产可以说是最古老的发酵工程。那时的人并不知道微

生物在发酵过程中的作用,人们是凭经验从事生产。有时生产中出了问题,他们不知道是什

么原因,于是把它归结为神的作用。酿酒作坊里都供奉着酒神,制曲要选黄道吉日。

17世纪时,荷兰人列文?虎克发明了显微镜。他用显微镜发现了微生物,也看到了酿酒的酵

母中有微生物,即酵母菌。但是,酵母菌究竟是发酵的“因”还是发酵的“果”,直到19世

纪才由巴斯德搞清楚。他以确凿的实验证明,没有活的酵母菌就不能引起发酵,酒变质则是

由于微生物在起作用。人们此时才知道了微生物在发酵过程中的作用,也有了防止酒变

质的方法——巴斯德灭菌法。

1928弗莱明发现了青霉素,40年代开始在医药上大量使用。它也是由微生物的作用产生

,与传统的发酵本质一样。由于对青霉素的需求量大,而传统的发酵方式生产效率低,不能

满足需要,因而迫切需要研究大规模工业化生产发酵产品的技术,现代的发酵工程就这样诞

生了。

巴斯德本来定义发酵为微生物在缺氧条件下的生理过程,在这种条件下糖类物质不能彻底

氧化为二氧化碳和水,而是生成了酒精或乳酸等物质。现在发酵这一术语则泛指一切利

用微生物生产产品的过程,包括厌氧发酵和好氧发酵。

20世纪80年代初生物工程的发展,为解决人类所面临的环境、资源、人口、能源、粮食等压

力和危机,提供了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,因为基因工程、细胞工程、酶工程等高科技成果往往要通过微生物才能转

化为生产力。与传统化学工业相比,发酵工程有以下几个优点:

(1)以微生物为对象,利用微生物繁殖快、适应性强的特性,可以不受原料的限制,且

不完全依赖地球上的有限资源,而着眼于再生资源的利用。

(2)生物反应比化学合成反应所需的温度要低得多,同时可以简化生产步骤,实现生产

过程的连续性,大大节约能源,缩短生产周期,降低成本,减少对环境的污染。

(3)开辟一条安全有效地生产价格低廉、纯净的生物制品的新途径。如目前,医用抗生

素、农用抗生素等已有近200个品种,绝大部分都是发酵工程的产品。

(4)能解决传统技术或常规方法所不能解决的许多重大难题。如遗传疾病的诊治、利用

微生物采矿、生产生物塑料和具有解毒功能的微生物,为肿瘤、能源、环境保护提供了新的

解决办法。

(5)可定向创造新品种、新物种,适应多方面的需要,造福于人类。如通过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。

发酵工程技术起源于传统的食品发酵,并首先在食品加工中得到广泛的应用。在第一次

世界大战期间,德国科学家为了解决当时食物短缺问题,提出大量培养微生物,用来为人

和动物的饲料增加蛋白质。后来,他们研究成功了大规模培养酵母细胞生产蛋白质的方法

,为德国人的菜汤里增添了人造肉。20世纪60~70年代,科学家曾研究成功以石油为原料生

产石油蛋白的方法,但由于人们担心所生产的蛋白质中会有原油中的致癌物质,而未被

批准生产。70年代,科学家转向了利用甲醇的细菌来生产出甲醇蛋白,但生产成本较高。此

后,科学家又不断开发出很多可用来合成蛋白质的微生物,其中主要有酵母菌、单细胞藻类

和一些细菌。由于这些微生物都是单细胞生物,所以,它们生产出来的蛋白质被称为单细胞

蛋白。利用微生物生产单细胞蛋白,不但效率高,不受自然条件影响,而且原料来源丰富,

成本极低,具有十分诱人的发展前景,因此成为各国研究部门的研究热点。

能源问题是当今世界普遍关注的问题,自从20世纪70年代发生能源危机以来,世界面临着能

源选择

的战略问题。各国政府纷纷利用生物技术对生物再生能源进行研究。人们充分认识到需要亿

万年才能生成的石油资源是有限的。据估计,按目前的开采速度,21世纪中期石油资源就会

枯竭,因此,开辟新能源成为当务之急。

地球上的绿色植物吸收太阳能一年积累的生物量约有2 000亿吨。1980年美国在以纤维

素为原料制造酒精上取得重大进展,用微生物发酵生产酒精每年可达15亿加仑。另外也可

用甘蔗、木薯粉、玉米作原料通过微生物发酵的方法来生产酒精,所以酒精作为新能源有“

绿色石油”之称,可用来发动汽车、照明等。巴西是仅次于美国、俄罗斯的第三大酒精生产

国,该国在全国范围内利用发酵工程,用甘蔗和木薯发酵生

产酒精,1981年生产酒精340万吨,是国内消耗的石油量的20%左右。巴西官方估计,只要

将巴西国内03%的土地种植上能发酵生产酒精的原料作物,即可满足国内对石油的全部需

求。

氢,也是人们盼望得到的一种新能源,这种新能源不仅热量高而且无毒,被人们认为是

最清洁的新能源。但是利用物理、化学方法制造氢需要消耗大量的能量,成本高,不合算。

学家们发现一种叫做光合细菌的微生物利用葡萄糖可以产氢。另外厌氧细菌通过发酵也可以

产生氢和氧。我们相信,不久的将来,利用发酵工程产生的氢气作为新能源来驾驶汽车、发

电等将会成为现实。

我们经常听到“沼气”这个词,那么“沼气”是什么呢?

在沼泽地带,我们有时可见到一些小气泡冒出,那就是自然产生的沼气。它是沼泽地带埋藏

在污泥中的废弃物、植物体发酵腐烂生成的气体。因为这种气体产生在沼泽里所以取名叫“

沼气”。这沼气是什么物质呢?沼气是由一种叫做甲烷菌的微生物产生的。沼气中含有60%

~70%甲烷,30%~40%二氧化碳。沼气在完全燃烧时火焰是浅蓝色,燃烧后不污染环境。

沼气还是一种取之不尽、用之不竭的新能源。在广大农村利用农作物的茎秆、柴草、树叶、

人畜粪便,通过微生物发酵便产生沼气,可用它作照明、烧饭、做菜的燃料。发酵后产生的

沉渣还可以用作肥料和养鱼的饲料。

大家都知道在城市里,垃圾的处理是一个大难题。利用甲烷菌发酵处理这些垃圾不仅能

得到新能源,还能减少环境污染。另一方面利用甲烷菌发酵也能处理工业废水。例如,无锡

第二制药厂每天处理柠檬酸生产过程中的废水400吨,产生沼气600立方米,可供6千余户居

民使用。

就这样,发酵工程变废为宝,得到了取之不尽、用之不竭的新能源。

除食品工业和能源开发外,化工、医药、冶金、污水处理、防腐、防霉等方面的开发,也给

发酵工程带来新的发展前景。如生产胰岛素、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、酶和维生素等。

现代发酵工程不仅使用微生物细胞,也可以使用动植物的细胞来发酵,以生产出对人类有用

的各类产品,例如利用培养罐大量培养杂交瘤细胞,生产出单克隆抗体等昂贵的生物工程药

品,用于疾病诊断和治疗。

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