微生物工程的特征

    微生物工程是应用微生物为工业大规模生产服务的一门工程技术，它直接建立在微生物工业基础上，随着微生物工业的发展而迅速发展，并与化学工业的新发展相结合。而微生物工程与化学工程最明显的区别在于，发酵过程是极其复杂的生物化学反应，且与微生物活细胞息息相关，代谢控制发酵技术使微生物工程更具特色。

    由于发酵醪包括固相、液相、气相，还含有活细胞或菌丝体，所以，它的流体力学性质不服从牛顿力学规律，属于非牛顿流体。其流体运动规律的研究属于流变学的范畴，这也是化学工程原理研究的新问题，故对发酵醪特性的研究显得更为迫切。例如，发酵醪的粘度参数在发酵、提纯、生产、科研设计等方面的影响广泛，涉及质量传递、热量传递、动量传递等问题，对于发酵醪中氧的溶解、传递，营养成分的扩散，代谢产物的回收、精制，培养基的灭菌以及发酵醪的冷却、输送，连续生产流程的建立等无不发生直接或间接的关系。因此，微生物工程研究的内容包括从投入原料到获得最终产品的整个过程，并分析和解决相应的工艺设备问题，将实验室和中试成果转化到工业生产中。

    微生物工程可分为发酵和提纯两部分。发酵部分（称为发酵工程）包括菌种的选育、培养基的优化与灭菌、发酵醪的特性、发酵机理、发酵动力学、空气过滤除菌与气体传递、发酵过程控制与自动化等主要内容。提纯部分（称为后处理）包括细胞分离与破碎、发酵醪的前处理、产品提取与精制（如萃取、层析、离子交换、结晶等单元操作）。

    微生物工程与化学工程有相同之处，但微生物工程培养和处理的是活的有机体，因而具有其特殊性。例如，空气除菌、培养基灭菌等都是微生物工程所特有的。微生物工业生产以发酵为主，发酵的好坏是整个生产的关键，而后处理也同样重要，往往有这样的情况，发酵产率很高，但由于后处理不当而大大降低了产物总得率。所以，后处理要采取一些特殊的工艺措施和选用合适的设备来适应菌体与发酵产物的特点。例如，最终发酵醪中的菌体、残糖、蛋白质等物质使发酵醪过滤分离困难，这时就要采取调节pH 值、适当加热使杂质凝聚、加助滤剂等特殊工艺措施。再如，对热敏性物质（如酶类），当加热到一定温度后，短时间内就会发生钝化或失活，所以在进行蒸发、干燥等加热操作时要避免过热或添加保护剂。总之，微生物工程是既有应用化学工程有关理论又有单元操作并具有独特特点的一门学科。

    发酵和产品提纯过程的比拟放大，是微生物工程亟待解决的问题。不少实验室对研究结果进行扩大试验时，不能取得类似数据，甚至相差很大，其原因是忽视了模型放大的理论。从实验室小型试验到中型试验、再到大规模生产的过程仍是目前新产品投入生产的必经之路。由于放大方法不是简单地按几何比例放大，而是在一定理论基础上进行的，所以加强比拟放大的模型理论研究，不仅在扩大实验中能够取得预期的效果，而且还能简化扩大实验过程。

    采用发酵工艺过程控制技术不但可以节省劳动力、提高原料利用率与产物得率、改善管理，而且随着自动控制技术的发展，能够用自动仪表跟踪并记录发酵全过程，这对于了解发酵机制有极大的帮助。其中，温度、pH 值、溶解氧、压力、流量、消泡等基本参数的测量与控制已先后获得解决，目前正在研究细胞对氧的摄取、二氧化碳的溶解以及基质浓度变化等测控仪器。这些测控仪器的应用使发酵工艺过程控制更加精确、可靠。

微生物工程是在生产实践和科学实验的基础上，不断积累经验，然后总结归纳而上升为理论的，再用这些理论进一步指导生产，从而不断地推动发酵工业的发展。近年来的大量生产实践和科学实验总结所得出的发酵机制、发酵动力学、连续发酵等理论，解决了微生物工业生产中的许多实际问题。但目前的一些经验还不足以总结归纳成理论，因而生产中出现的某些实际问题尚无完善的理论指导去很好地解决。例如，丝状菌（霉菌、放线菌）的发酵由于没有相应理论指导，在实践中还没有令人满意的设计和放大方法。又如，连续发酵的理论虽然研究得很多，但实际生产中存在的许多问题目前仍未解决，如菌种的突变、试验工艺条件的局限等问题，除酵母、酒精、丙酮、丁醇、葡萄糖酸的发酵生产和活性污泥的处理采用连续发酵外，大规模生产应用还比较少。
    总之，微生物工程领域还有很多理论问题和实际生产问题尚未解决，有待今后的深入研究和探索。

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