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古老的渊源和20世纪的进展

人类应用微生物的历史非常久远。远古时代,当人们采集的水果和粮食有了剩余的时候,便要储存,在储存过程中会发生变质,腐烂,有些产生了酒精而变成了‘酒’,人们在食用这些食物时发现了发酵食品的“美味”和‘酒’的“神奇”作用,便会逐渐有意无意地利用这种现象,这就是人类利用微生物的开始。经过长期的实践,慢慢地学会了发酵食品和酿酒,他们用陶罐、竹筒或皮口袋装上水果或粮食酿酒或制造酸奶,这是人类最原始的工业微生物应用工艺。在公元前2400年间,即埃及第五王朝的墓葬壁画上就有烤制面包和酿造啤酒的大幅浮雕;从考古发掘的用于盛酒、煮酒和冲酒的青铜器,以及对从这些容器中提取的残留有机物判断,我国酿酒的历史可能有9000年之久。我国的酿醋和酱油酿造技术创始于约3000年前,汉代开始有了用栽培葡萄酿造的葡萄酒,至今也已有2000多年的历史。发酵是利用微生物的生命活动使粮食水果等的成分发生较大的改变,使食品的营养成分更容易吸取,风味也更丰富,因此人类已经不能离开发酵食品了。我国民间所说的开门七件事:柴、米、油、盐、酱、醋、茶。其中就有酱醋两样是微生物的贡献。

-- 现代储酒窖 --


   然而,真正的工业微生物学是在19世纪后期,由于以巴斯德为代表的一批科学家长期艰苦的探索,才证明发酵作用是由微生物的生命活动引起的化学变化,而且不同的微生物引起不同的发酵作用,产生不同的发酵产物。从此人们才知道酒精原来是由酵母菌发酵糖类产生的。其中首先是德国人许旺(Schwann)等查明了酒精发酵是酵母菌引起,继之荷兰人汉森(Emil Christin Hansen)成功地获得了单细胞纯种培养的酵母菌。1879年巴斯德发现通气有利于酵母的生长,首次使用通气法生产酵母。1881年焦金森(Jargensen)利用汉森的方法选择优良的酵母菌株用于啤酒发酵,同年阿瓦瑞(Avery)利用乳酸菌生产乳酸。1894年日本的高峰利用米曲霉制造了高峰淀粉酶。这些先驱者的工作为科学地应用微生物造福人类奠定了基础。随后,德国医生科赫在研究致病细菌时发明了纯培养技术。从此人们才知道微生物也和动植物一样,有不同的种类。1897年,一位后来获得了诺贝尔奖的德国科学家布赫纳在研究酒精发酵时发现,酒精发酵是酵母菌细胞内发生的一系列化学变化,其中必然有称做酶的催化剂参与作用。从此,生命科学的一个新兴分支——生物化学诞生了。人们开始考虑用微生物来生产化学物质,并深入研究微生物细胞内的各种化学变化、微生物的新陈代谢途径,酶学研究从兴旺起来。正是19世纪后期微生物学的重要进展,孕育了20世纪工业微生物学的核心技术—发酵工程,而同一时期化学工程和电气化的曙光,则催生了把微生物学和工程技术结合起来的工业微生物学。    

-- 现在发酵车间 --

     
   社会的需要是科学技术发展的动力。1914-1918年第一次世界大虎生产军火的现实需要是发酵工程的催产婆。德国生物化学家能伯尔格发现,如果在进行酒精发酵的容器中添加亚硫酸氢钠,酒精发酵时的副产物甘油就能大量积累。甘油是生产火药的必需原料,而由于英国海军封锁使德国难于进口生产甘油的原料,于是能伯尔格的发现很快就被德国用于工业化生产,最多时每个月生产量曾达到1000吨。这时德国的敌人,协约国方面的英国也急需生产火药的另一种原料—丙酮。一位在俄国出生的犹太化学家魏兹曼,利用上个世纪巴斯德发现的丙酮、丁醇梭核菌生产了丙酮,并在1915年取得了专利。甘油和丙酮、丁醇的大规模生产是工业微生物学正式问世的标志。从此,微生物的发酵作用不再仅仅被 利用来制造食品,而开始成为现代化大生产中的一个产业部门。虽然甘油的发酵生产由于成本等原因,未到第一次世界大战结束就被人们放弃了,但丙酮、丁醇的生产直至今天仍然长盛不衰,1917年卡瑞(Currie)以糖为原料使用浅盘发酵法生产柠檬酸,其它发酵工业产品随之接连问世。从此利用微生物生产工业产品的工业微生物学越来越受到人们的关注,以致20世纪末,它在国民经济中的重要性,以用电子工业并驾齐驱,并成为21世纪生物技术发展的支柱产业之一。
工业微生物学的第二次飞跃发生在40年代第二次世界大战的后期。当时,由英国微生物学家佛莱明发现的产生青霉素的青霉菌,已被佛罗瑞和钱恩两位科学有在实验室里用来制成了稳定形式的青霉素。这种第一次被人类制成的抗生素对人类的多种细菌感染有很强的治疗效果,但还处于战时的英国无法进行大规模生产。在美国农业部和几家大药厂的支撑下,在1942年成功地实现了青霉素的大规模生产。青霉素对防止战丿感染有神奇的效果,这英技术曾被美国当局定为绝密,和原子弹试验的曼哈顿计划同等对等。由于青霉素的巨大应用价值,研究工作又得到如此高度的支撑,在不到3年的时间里,无论用于生产的微生物菌种,还是生产设备都得到了空前的改良。
   青霉素发酵生产技术的问世,在两个方面具有里程碑的意义。首先,产生青霉素的青霉菌的生长需要氧气,如何保证大规模培养时有足够的氧气,是发酵生产甘油或丙酮、丁醇时没有遇到的难题,因为那些生产菌不需要氧气(大家称之为厌氧发酵)。为解决这个难题,化学工程师和微生物学家一起发明了一整套深层培养技术,包括培养基的来菌、向容器通入无菌空气、搅拌、控制培养温度等。直到20世纪末,尽管发酵设备越来越先进,控制的参数越来越多和精密,容器的体积越来越大(当前最大的发酵罐在英国,其体保积为1200米3),应用的范围越来越广泛(不仅用于培养微生物,也用于培养动植物细胞),但仍然没有突破40年代的基本格局。其次是菌种的选育,从此人们知道微生物和动植物一样,也能进行人工改良。佛罗瑞和钱恩生产青霉素的初期,培养后的每升发酵液中不过5毫克青霉素,而今天已达到60克,在60年中,菌种的生产能力提高了12000倍。青霉素发酵的发展,表明按人类的意志改良菌种具有无穷的潜力。


   青霉素的发现和大规模生产,不仅为世界带来了一个年产值达数百亿美金的抗生素产业,使人类的平均寿命延长了整整10周岁,而且为人类利用微生物进行大规模生产提供了一个成功的典范。40年代后,柠檬酸、乳酸、维生素和一系列工业发酵产品相继问世,由于它们具有更优越的市场竞争力,逐渐取代了过去繁琐的化工生产。
   随着生物化学和遗传学研究的深入,生命活动和遗传变异的化学基础逐渐为人们了解,从此人们认识到,一个微生物个体就是一个高效率的精细化工厂,可以利用微生物生产出多种化学物质,这些产物有些本身就是药物。如在70年中后期,美国销售的处方药物中就有20??直接或间接由微生物发酵生产的;还有许多产品被直接或作为原料制成多种溶剂、润滑剂、塑料、炸药、汽油添加剂、农药、染料、化妆品、食品添加剂和调味品-----等等。
20世纪50年代至60年代问世的氨基酸发酵和核酸发酵,是发酵工程技术进入新阶段的标志。现在大家将它称为代谢控制发酵。利用微生物生产的产品,一般都是微生物生命活动需要的。例如氨基酸是组成蛋白质的原料,维生素是细胞内进行生和化学反应不可缺少的辅助因子。就微生物本身而言,在长期进化过程中形成了一种节约机制,即它形成某种产物的数量,只要满足它生命活动所需时即停止形成;如果形成过量,对它通常有害的,只能把过量的产物排出体外,这却为其它微生物提供了养料,从而使它在生存竞争中处于随时可能被淘汰的地位。可是,对于人类生产来说,则希翼微生物生产大家需要的产品越多越好。生物化学研究使大家对氨基酸等物质在细胞内的形成和消失的步骤(即代谢途径)已经了解得一清二楚了。这些产物形成的每个步骤基本上都是由酶催化的生物化学反应。如果使酶的作用加强或减弱,就有可能控制产物的形成或分解。酶的作用可以用改变微生物生长必需的营养物质或培养条件来控制,让酶增量或减量产生,甚至可以使它根本不产生,或者即使产生却没有作用,这就要通过遗传学手段来控制,即通过物理或化学手段改变生物的遗传特性,使它们更适合人类的需要。大家把这种人为的控制称为代谢控制。将它用于发酵工程就是代谢控制发酵。代谢控制发酵是发酵工程技术发展的又一个飞跃。这一技术的延生使本来只能在细胞中大量产生。最明显的实例是利用一种酵母菌生产核黄素时,该酵母菌可以产生超过它自身需要量的4万倍,而用假单胞菌生产维生素B12时,该细菌形成的量竞是它自身需要量的10万倍!在20世纪50年工首先在日本实现了用细菌发酵法生产味精(它是化学名称叫谷氨酸钠),细菌能在1升培养液中积累上百克谷氨酸。由于它价格便宜,到60年代便完全取代了过支用小麦面盘水解生产的方法。今天,全世界味精的产量已经达到每年接近百万吨,中国的产量已雄踞世界第一。用代谢控制发酵技术生产的核苷酸类产品,是制造高鲜度调味各抗癌药物的重要原料。
代谢控制发酵是人类采用生物化学和遗传学手段成功地驾驭向生物的重大成就,为一成就的取得,除了依靠微生物菌种的改良外,还由于材料科学和系统工程学在化学工程中的成功应用,保证了发酵过程的顺利进行。例如,在50年代以后,为了保证发酵产物的纯度和便于回收产品,采用了多种耐腐蚀的材料制造发酵容器;为了精确反映发酵过程以便进行有效控制,采用了许多先进的传感器和自动化装置;70年代后,电子计算机也逐应用在发酵工程中了。
值得物别提出的是连续化发酵工艺的出现和广泛应用,在早期,发酵过程是在容器中一个个批次进行的,称为分批发酵。连续化工艺就是连续不断地加进营养物质,补充微生物的消耗,同时又不断把形成的产物排放出来,这磁在相同的设备五笔桥件下可以生产更多的产品。连续化生产的另一个优点,是用来进行发酵的微生物或用于催化发酵反应的酶不必每次像分批发酵时那样随同产物一起丢掉,可以节约成本。当然,微生物细胞或酶可以和产物分开后再重新使用,但这不仅手续繁琐,而且容易发酵用的微生物被其他有害微生物污染。所以,60年代后期开始了固定化技术。所谓固定化技术,就是在发酵容器中加入某种不会被微生物利用的固体支撑物(例如多孔陶瓷等),通过物理或化学作用把策生物细胞或酶固定在反应容器中。后来,化学工程师又把一种反应罐的装置引进了发酵工业。最初使作的反应罐像一个上部扩大的直管子,其中充填着固定了微生物细胞或酶的固体,用泵将原料液从下部压进罐中,在流动过程中便发生化学反应,从上部流出的便是产物了。大家现在把这种扭亏为盈术叫做固定化生物反应器,已在发酵工程中广泛采用。
直到20世纪60年代末,为扒进发酵工程是步,在菌种方面所进行的努力取得了丰厚的报偿。然而,主要手段还是诱发微生物发生有利于生产的变异,尽管代谢控制发酵比早期研究青霉素时有了较大的主动性,但仍然要经过长时间的摸索和付出巨大的工作量,取得成功的代价依然很高。
用“人造的”菌种发酵
   70年代基因工程的问世,为发酵工程提供了一种全新的手段。由于借助基因 程 右以使不同遗传类型的细胞进行遗传性状的重新组合,可以产生出具有双亲物性的后代。基因工程在培育用于发酵工程的微生物优良菌种时,主要采用原生质体融合、基因扩增和重组DNA等技术。利用原生质体融合技术,已经成功地所不同生产菌种的优良特性组合在一起。例如,把生产能力强但生长缓慢的菌种,与生产能力较弱而生长迅速的菌种组合起来,获得既高产又生长局面的更优良的菌种,甚至可以培育出“人造的”菌种,用它们生产自然界本来不存在的有用人合物。应用基因扩增技术,能使起新局面定性作用的特定基因数量大幅度增加,从而显著地增加细胞内产物的产生量。
70年代初,科学家发现利用几种工具酶能把作为遗传信息载体的DNA分子进行定位切割和拼接,这就是重组DNA技术。采用这种技术 ,可以破除动物、植物和微生物的物种界限,把各种生物的遗传信息结合在一起,按人们的期待培育出理想的菌种。这项技术当前主要用于构建重组微生物,它们能产生人体特有的具有特定功能的蛋白质。这些蛋白质通常可以作为治疗某些疾病的特效药。它们在人体或动物体内含量甚微,不通过重组DNA技术获得重组微生物来生产,要想获得它们实际是不可能的。第一个成功的实例是把人的胰岛素基因和大肠杆菌。1982年美国一家制药企业第一次采有用这个重组的细菌生产出了人胰岛素商品。到80年代后期,其销售额已经突破了1亿美金大关。人此,发酵工程被放在了一个更加重要的位置,因为任何优良的菌种,要生产出足够数量的商品,都必须经过发酵工程。当21世纪即将到来时,全世界用于生产新产品的重组微生物已经娄以千计,被批准作为药品或食品的产品也有数十种。
待克服的障碍
   应用重组微生物进行发酵产物生产是发酵 工程面临的新任务,理所当然会遇到问题。首先,人们目前还无法洞察这些自然界本来不存在的生物体是否会给人类造成灾害,因此在应用时如何防止它们向大自然逃逸是个必须解决的课题。这样,发酵工程中的灭菌工艺就不驻要维持发酵容器中菌种的纯净,还要保证没有活的重组生物随发酵液或排出的空气排出。从80年代后期起,在许多国家已经高计出想当完备的设施,以确保环境中没有重组微生物的污染。其次,当前常有用的生产蛋白质的重组微生物是以大肠杆菌不能用来生产某些大的昨杂的蛋白质,但像干扰素、白细胞介素、生长因子、人血清白蛋白等人体中的重要因子,已经可以用重组后的大肠杆菌来生产。不过,这些蛋白质鑫数是不能溶解的,它们以没有生物活性的包涵体形式存在于细胞中。目前要得到有生物活性的蛋白质,只能通过复杂的过程从包涵体中得到。90年代中期科学家们已经开始获得能以可深形式积累并向细胞外分泌蛋折质的重组大肠杆菌,这将大增强人们用重组微生物发酵 生产药物的信心。第三,由于用重组大肠杆菌产生的目的产物(主要是蛋白质)多数是积累在细胞中,因此产率的高低取新局面一坳胞的密度,以及每单位细胞量在单位时间内生成的产物量。目前已发明了高细胞密度培养技术。这一技术可以缩小发酵容器,减少废水,便利分离提限和纯化。采用不断向发酵罐中补加营养物的方法已经可以在每升培养液中培养出高于50克的重组或非重组干细胞,远远超过了过去,而从理论上推算,每升发酵液中细胞浓度最高可达100-200克。
   现在许多科学家都在预言,21世经将是生命科学的世纪。在即将到来的亲拒纪中,虽然发酵工程的部分应用领域将可能被诸如转基因动物等技术取代,但发酵工程仍然是生物技术中的主要组成部队分。除了许多食品和化工原料及抗生素等的生产不可能脱离发酵工程外,为了生产来源于高等动物或高等植物的某些产物,动植物细胞培养的技术也将主要借鉴现有的发酵工程技术。借助20世纪诞生的发酵工程,人类获得了无数美味的食吕和药物,生产出了上百种重要的化工原料,提高了人类的生活质量。在新世纪到来的前夕,大家可以期待,发酵工程在解决人类面临的粮食短缺、化石能源枯竭、环境质量恶化等严重问题方面,将继续发挥更大的作用。

在丙酮、丁醇生产中,所用的细菌必须非常纯净,否则可能根本得不到任何产品。汉逊在啤酒生产中曾有迁的纯种发酵技术,从此得到了发展。并且,这英技术从此成了发酵工厂的首要措施。人们开始认识到,防止污染是发酵 工有利于的生命线。
   青霉素的发现和工业化生产为现代发酵工业的发展奠定了基础。继青霉素之后,发现了大量的抗生素,目前在临床上应用的抗生素有近百种,它们为人类的健康和人类平均寿命的大幅度增加作出了巨大贡献。抗生素工业已经成为一个重要的工业部门。在二十世纪的后半个世纪里,一个包括抗生素工业,氨基酸工业,有机酸工业,维生素工业,酶制剂工业等在内的现代发酵工业迅速崛起。
   二十世纪八十年代之后,由于生物技术,特别是基因工程技术的迅速发展,将能够产生各种药物的外源基因转移到微生物中,获得基因工程菌,利用工程菌的生长快,容易大规模培养,生产产量高的特点,进行‘借腹生子’,生产微生物不能生产的产品,如各种药物。或利用基因工程技术改造、提高微生物的生产能力,用于更低价的生产产品。随着生物技术的进步,微生物发酵工程,生物反应器及酶工程的迅速发展,二十世纪九十年代形成了以微生物为‘载体’的生物技术为核心的生物技术产业。它涉及医药,食品,轻工,化工,农业,环境等众多产业部门,成为与人们生活,健康,环境密不可分现代产业。

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