淺談對發(fā)酵工程專業(yè)的認識.docx

淺談對發(fā)酵工程專業(yè)的認識當(dāng)今世界是一個快速發(fā)展的時代，眾所周知，科學(xué)技術(shù)的進步是經(jīng)濟發(fā)展的重要指標。而生物科技是其中的一個重要組成部分。通過微生物的發(fā)酵工程構(gòu)成了生物科技的核心。所謂發(fā)酵工程，是以微生物通過上游（分子改造，代謝工程等）、中游（發(fā)酵優(yōu)化，智能控制等）、下游（分離純化，清潔生產(chǎn)等）各種生物學(xué)操作，以得到人們所需要的一系列產(chǎn)品（細胞，代謝產(chǎn)物）的綜合性科學(xué)。從生物發(fā)酵工程角度來說，這一專業(yè)的發(fā)展與經(jīng)濟全球化存在著相輔相成的關(guān)系。即經(jīng)濟的快速發(fā)展，推動了發(fā)酵工程專業(yè)的交流和創(chuàng)新，提供了發(fā)酵工程進一步前進的良好平臺。發(fā)酵工程的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、藥物學(xué)、能源、環(huán)保、冶金、化工原料、動植物、凈化等。它必將對人類社會的政治、經(jīng)濟、軍事和生活等方面產(chǎn)生巨大的影響，為世界面臨的資源、環(huán)境和人類健康等問題的解決提供美好的前景。1. 發(fā)酵工程簡介發(fā)酵工程，是指采用現(xiàn)代工程技術(shù)手段，利用微生物的某些特定功能，為人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品，或直接把微生物應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程的一種新技術(shù)。發(fā)酵工程的內(nèi)容包括菌種的選育、培養(yǎng)基的配制、滅菌、擴大培養(yǎng)和接種、發(fā)酵過程和產(chǎn)品的分離提純等方面。發(fā)酵不僅僅體現(xiàn)在食品領(lǐng)域，還存在于醫(yī)藥品、化妝品、能源、環(huán)境等領(lǐng)域。因此，發(fā)酵對于我們生活的方方面面都有著重要的影響，有光明的應(yīng)用前景。對于發(fā)酵工程而言，是指利用微生物的生長繁殖和代謝活動來大量生產(chǎn)人們所需要的產(chǎn)品過程的理論和工程技術(shù)體系，是生物工程與生物技術(shù)科學(xué)的重要組成部分。發(fā)酵工程也稱微生物工程，該技術(shù)體系主要包括菌種選育和保藏、菌種的擴大生產(chǎn)、微生物代謝產(chǎn)物的發(fā)酵生產(chǎn)和分離純化制備。進一步可以分為上游、中游和下游?，F(xiàn)代發(fā)酵工程的發(fā)展，是生物科學(xué)與數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等科學(xué)之間相互交叉、滲透和相互促進的結(jié)果。發(fā)酵工程與有關(guān)科學(xué)的高度的雙向滲透和綜合，也已經(jīng)成為當(dāng)代生物科學(xué)的一個顯著特點和發(fā)展趨勢。2. 上游領(lǐng)域(分子改造，代謝工程等)發(fā)酵工程的上游領(lǐng)域是整個發(fā)酵過程的基礎(chǔ)，隨著近年來分子生物學(xué)的蓬勃發(fā)展，系統(tǒng)代謝工程定向改造目的產(chǎn)品生產(chǎn)菌株已經(jīng)成為發(fā)酵領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。因此，上游領(lǐng)域主要集中在分子改造和代謝工程等相關(guān)方面。通過分子改造和代謝工程的相關(guān)操作而高效率得到目的產(chǎn)品生產(chǎn)工程菌。另外，合成生物學(xué)也漸漸的成為發(fā)酵工程的一個重要分支。合成生物學(xué)一方面對于研究生命起源和進化，有重大的意義。另一方面，利用合成生物學(xué)的方法和理論，對生命過程或生物體進行有目標的設(shè)計、改造乃至重新合成，可能帶來新一輪工程技術(shù)革命的浪潮，對于解決與國計民生相關(guān)的重大生物技術(shù)問題有著長遠的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實的策略意義。它有可能從根本上改變經(jīng)濟發(fā)展模式，在帶來巨大社會財富的同時，促進社會的穩(wěn)定、和諧發(fā)展。與我國的發(fā)酵上游領(lǐng)域的發(fā)展成果而言，發(fā)達國家的分子生物學(xué)領(lǐng)域更為突出和顯著。通過經(jīng)濟全球化趨勢的促進，可以使得發(fā)達國家與發(fā)展中國家的相關(guān)領(lǐng)域得到較為明顯的進步?？梢酝ㄟ^學(xué)術(shù)人才交流、專業(yè)論壇、高等院校的合作等方式提高我國的上游技術(shù)水平。2. 中游領(lǐng)域(發(fā)酵優(yōu)化、智能控制等)當(dāng)上游構(gòu)建的重組菌進行中游的發(fā)酵操作時，會出現(xiàn)一系列的問題，如發(fā)酵條件的優(yōu)化和智能控制。對于現(xiàn)有的發(fā)酵過程工藝而言，我們知道需要提高控制水平和條件優(yōu)化以得到較多產(chǎn)品的目的。由于大多數(shù)的發(fā)酵過程屬于好氧發(fā)酵，對于氧氣的需求是表征整個發(fā)酵體系的一個重要指標，但是目前的自動攪拌式發(fā)酵罐是通用型的罐體結(jié)構(gòu)，不能專一的針對某一種菌種進行相關(guān)的設(shè)計。由此同時，自動化領(lǐng)域也漸漸的與發(fā)酵領(lǐng)域相結(jié)合，經(jīng)濟全球化過程中國外的一些自動化先進技術(shù)也得到了廣泛的學(xué)習(xí)。將發(fā)酵工程的中游控制問題與自動化專業(yè)相結(jié)合而形成的交叉學(xué)科是未來控制問題的新方向。3. 下游領(lǐng)域(分離純化、清潔生產(chǎn)等)經(jīng)過上游的分子生物學(xué)技術(shù)講菌體構(gòu)建成能夠高效表達的宿主，后利用各種優(yōu)化技術(shù)和控制手段而得到較高效價的發(fā)酵液，下一步就是如何將發(fā)酵液中的產(chǎn)品提取出來，這就引入了下游領(lǐng)域的技術(shù)手段。下游領(lǐng)域是獲取目的產(chǎn)物的一個重要環(huán)節(jié)，也是最后一個關(guān)鍵步驟。沒有一個高效準確的分離純化手段很難得到高附加值的產(chǎn)品。隨著經(jīng)濟全球化趨勢的日益增強，發(fā)達國家的高效檢測手段和分離手段已經(jīng)逐步應(yīng)用于國內(nèi)的科研和工業(yè)領(lǐng)域。也這是全球化對于發(fā)展中國家的好處。如何準確合理的利用這些高新技術(shù)推動了我國科研的進步。值得關(guān)注的是：我國也已經(jīng)在發(fā)酵的下游領(lǐng)域獲得了極大的成果。一些儀器的性能也基本與國外的性能持平。然而，現(xiàn)代微生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)的技術(shù)體系存在一個先天性的，共同的技術(shù)結(jié)構(gòu)性缺陷，即大量廢水產(chǎn)生的環(huán)境污染問題。國際范圍內(nèi)還沒有出現(xiàn)一個科學(xué)的，系統(tǒng)性的解決辦法，這一污染困局既危害當(dāng)前，也是制約21世紀生物工程產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個大的“技術(shù)瓶頸”。通過各種清潔生產(chǎn)工藝，可以實現(xiàn)污水的循環(huán)利用。一方面減輕了環(huán)境的壓力，使發(fā)酵產(chǎn)生的污染降到最低；另一方面，符合當(dāng)今世界的可持續(xù)發(fā)展思想，緩解了資源不足的全球性問題，促進了和諧社會的建立。4. 發(fā)酵工程技術(shù)創(chuàng)新的影響隨著發(fā)酵工程技術(shù)給社會發(fā)展帶來的巨大影響，它對經(jīng)濟的影響也愈加深遠。例如：（1）發(fā)達國家的生物技術(shù)公司舊趨增多。生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造的經(jīng)濟價值將對世界經(jīng)濟社會的發(fā)展起重要作用，尤其在世界面臨人口增長過快、能源、資源、糧食短缺以及環(huán)境污染、生態(tài)破壞嚴重的情況下，它將發(fā)揮特有的長處。（2）生物技術(shù)商品化的國際竟爭異常激烈。發(fā)達國家極力實現(xiàn)生物技術(shù)商品化，但是許多國家的眾多公司同時進行研究與開發(fā)熱門產(chǎn)品，如世界上進行千擾素研究和生產(chǎn)的公司就有64家，開展單克隆抗體各種制品的研究達到178家。密切了解各國發(fā)展生物技術(shù)的動向，收集各國新的生物技術(shù)，購買技術(shù)專利，引進人才等。不難預(yù)見，在國際貿(mào)易經(jīng)濟戰(zhàn)中，發(fā)酵工程技術(shù)產(chǎn)品將是一個重要焦點。（3）各國加大對發(fā)酵工程技術(shù)的投資以求更高經(jīng)濟回報。例如1986年以來，日本便欲想從美國手中奪走領(lǐng)先的地位，精心組織各大學(xué)、政府和工業(yè)部門的科技隊伍，進行為時10年的聯(lián)合攻關(guān)計劃；生物技術(shù)研究經(jīng)費每年以20%的速度遞增。日本已具備和美國并駕齊驅(qū)的技術(shù)水平，并在這個領(lǐng)域所取得的專利和論文數(shù)量超過美國。（4）生物技術(shù)對發(fā)展中國家的經(jīng)濟社會發(fā)展的影響尤其重大。由于人口的不斷增加，糧食需求量愈來愈大，糧食問題一直是發(fā)展中國家前途的隱憂。農(nóng)業(yè)必須盡快取得突破性的進展，這要依靠各科學(xué)技術(shù)的力量，而生物技術(shù)將扮演緊緊追趕，從各國的國情出發(fā)，大力研究與開發(fā)生物技術(shù)。5. 發(fā)酵工程專業(yè)前景展望從以上發(fā)酵工程的三個方面的分析和闡述，可以大致得到發(fā)酵工程專業(yè)的前進方向。因此，為了適應(yīng)經(jīng)濟全球化的發(fā)展，今后發(fā)酵工程應(yīng)從下列幾方面努力：(1) 提高現(xiàn)有微生物發(fā)酵工業(yè)水平提高現(xiàn)有發(fā)酵水平就必須加強基礎(chǔ)研究，最重要的舉措就是要采用基因工程技術(shù)，改進發(fā)酵工藝。要提高現(xiàn)有發(fā)酵水平就必須加強基礎(chǔ)研究，不斷開發(fā)和采用大型節(jié)能高效的發(fā)酵裝置，計算機自動控制將成為發(fā)酵生產(chǎn)控制得主要手段。(2) 利用分子生物學(xué)技術(shù)，人工選育和改良菌種重組DNA技術(shù)已成為生物技術(shù)領(lǐng)域的通用技術(shù)，利用重組DNA技術(shù)就可以根據(jù)人們的意愿來創(chuàng)造新的物種，這樣就可以使微生物獲得本來只有動植物細胞才具有的生產(chǎn)特性。(3) 采用發(fā)酵技術(shù)進行高等動植物細胞培養(yǎng)細胞原生質(zhì)體融合技術(shù)使動植物細胞的人工培養(yǎng)技術(shù)進入了一個新的更高的發(fā)展階段。借助于微生物細胞培養(yǎng)的先進技術(shù)，大量培養(yǎng)動植物細胞技術(shù)日趨完善，并接近或達到工業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模。植物細胞培養(yǎng)能生產(chǎn)微生物所不能合成的特有代謝產(chǎn)物，如生物堿類；細胞培養(yǎng)用于種苗生產(chǎn)，比如將豆科植物的共生固氮基因轉(zhuǎn)移到非豆科植物中去，從而不再需要氮肥生產(chǎn)。(4) 高通量技術(shù)促進生物產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展隨著人們生活水平的提高，人們對生物產(chǎn)品的需求不斷提升，這就促進了生物產(chǎn)業(yè)的不斷高速發(fā)展，生物技術(shù)的不斷進步。近些年，隨著基因工程，蛋白質(zhì)工程在生物領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，產(chǎn)品開發(fā)速度的加快對快速篩選技術(shù)的需求也隨之而來。由此為產(chǎn)生的高通量技術(shù)也得到發(fā)展。高通量技術(shù)簡而言之就是能夠同時對多個樣品進行平行操作，達到快速高效分析、篩選、檢測等目的的新興技術(shù)。目前該技術(shù)主要應(yīng)用于菌種的篩選，突變文庫的篩選，以及最近流行的外源表達元件的篩選。然而在高通量的應(yīng)用過程中需要對氧傳遞能力進一步提高和避免交叉污染對高通量