八、生物反应器

在传统的化学工业中，许多反应都需要在高温、高压的条件下进行，这就需要消耗很多的能源，也需要建造复杂的设备。可是今天的科学发现，那许多在高温、高压下才能进行的化学反应，如果将它们放在生物反应器中进行，就不需要这么复杂的设备，也不需要消耗那么大的能量。所谓生物反应器，就是在生物体外模仿生物体的功能而设计出来用于生产或检测酶反应的装置。

举个例子来说，人的消化道就是一种天然的生物反应器。食物经过咀嚼进入胃、肠。因为在胃、肠里面有各种酶，所以经过咀嚼后的食物有胃、肠里发生一系列的变化，最终变成可供吸收的各种营养成分（淀粉变成葡萄糖、脂肪变成脂肪酸、蛋白质变成各种氨基酸）。食物在消化道里的变化是相当快的，0.5～1 干克食物在几小时内即变成了营养物质被生物体吸收，废渣被排出。人们按照消化道这个体内的生物反应器的结构和作用，可以设计，制造出一种装置，这种装置系统中放进适当的酶或生物体（如微生物），然后再加入原料（相当于食物）。加进去的原料，在装有酶或生物体的容器中，能转变成各种营养物质。这种容器就是生物反应器。最普遍使用的生物反应器是反酵罐。

所谓发酵罐，是液体发酵中，提供微生物生长、繁殖和形成产物所需的外部环境装置。

发酵工程跟化学工业、医药、食品、冶金以及农业等许多领域的关系越来越密切。DNA 重组技术的建立和生物反应器的诞生，使发酵工程进入一个新时期。从工业规模的角度分析，生物反应器的问世对于发酵工程产业的形成有很大的推动作用。

发酵过程是微生物的生长代谢过程，也就是说，那是活的生物在里面起作用，它的内在机理相当复杂。生化过程也不同于一般的化工过程。因此，光凭温度、压力、流量、液位、酸碱度等化工参数的检测，这远不能阐明生化过程的本质，而必须对其他一些特殊数据进行检测并在取得充分的数据后，再通过这些数据对生化过程影响的机理研究，才能达到优化生产。这样复杂的程序，只靠传统的手工操作，当然不够用了，要求有自动控制才好。国外在 60 年代后期开始将计算机用于发酵生产过程。1966 年，英国礼

莱药厂 Dista 分厂建立起 114 控制回路的青霉素发酵车间，进行直接数字控制。同年，日本在谷氨酸发酵生产中也使用了计算机控制。

在发酵研究和工业化生产中，电子计算机除用作直接数字控制外，还利用电子计算机进行数据的探测和综合。将测量所得到的直接参数，通过一定的数学运算，综合成新的较复杂的间接参数。如根据发酵过程中空气的流量、排气中氧和二氧化碳的含量、发酵液中溶解氧的浓度等，经运算可得到携氧率、氧吸收系数和呼吸商。

利用电子计算机通过对发酵系统中多种物质的计算，可间接对细胞浓度，生产率及培养基的消耗率进行监视。例如美国麻省理工学院，采用电子计算机对面包酵母发酵过程中的碳和氮进行综合计算，以估计酵母工和生长率，然后用上述数据和呼吸商，实现最优化控制获得成功。

我国在发酵工业中使用电子计算机还刚开始，目前仅有少数几家工厂获得成功。如在土霉素发酵中，采用 DJS—120 小型计算机系统代替常规仪表，实现直接数字控制罐温、自动消沫、自动检测溶解氧和酸碱度。又如在谷氨酸发酵中，采用 JS—100 微型机，实现罐温、酸碱度、空气流量、罐压的直

接数字控制，排放二氧化碳和溶解氧的自动检测，在假定呼吸熵常数的基础上，计算出氧率和氧吸收系数。

此外，计算机还能很好地完成灭菌、培养基配制、装罐、接种、取样、放罐和后处理等操作控制。

在微生物工程发展的过程中，像电子计算机、发酵罐等各种设备和技术得到日益广泛的应用。由于新技术和新设备与传统的发酵相互结合，发酵工程才有了新的突破。今天，不同种类的微生物已经为我们人类提供了许许多多有价值的发酵产品。来自微生物的发酵产品包括醇类（乙醇、丙醇、丁醇、甘油）、有机酸（柠檬酸、乳酸、葡萄糖酸、葡糖酸内脂、衣康酸）氨基酸

（谷氨酸、赖氨酸、色氨酵、脯氨酸）、核酸类有关物质（肌苷、肌苷酸、乌苷酸）、各种微生物酶（淀粉酶、糖化酶、天门冬酰胺酶、蛋白酶、凝乳酶、果胶酶、脂肪酶）、维生素（核黄素、维生素 B12、—胡萝卜素）、抗生素（青霉素、头孢霉素、链霉素、四环素、红霉素），疫苗、菌苗、麦角生物碱（麦角胺、麦角新碱）和单细胞蛋白（SCP）。对微生物的利用还包括微生物积极参与生物转化。如利用微生物转化来制造甾体激素。

为了跟踪和控制生物反应器中的化学反应过程，1981 年，日本产生出第一台生物传感器，这是测定液化葡萄糖形成的酶的传感器。自此以后，世界各国竞想研究，由电脑控制的各种传感器正在不断涌现。

发酵罐的诞生为微生物的工厂化生产提供了条件，对微生物的利用也就展开了广阔的前景。用微生物酿制美酒古已有之，现在微生物仍然为我们提供各种佳酿。微生物对农业的贡献也不容忽视，例如固氮微生物的固定氮素的作用，各类微生物农药（如井岗霉素、苏云金杆菌）在防治农作物病虫害方面的威力。一种叫赤霉菌的霉菌能生产促进作物大幅度增产的生长激素—

—赤霉素。有些微生物对矿山开采起着重要的作用。微生物中的“清洁工” 目前也正在为处理“三废”出大力，据最新报道，美国和前苏联的科学家已经培育出能吃掉海面漂浮着的污油的微生物，这为防治海洋污染带来新的希望。

这样众多有益的微生物所制造的产品，现在都可以通过发酵罐大量生产，运上市场，以充分满足各个方面的需要了。