本科《发酵工程》课件01第一章 发酵工程概论

1、 发 酵 工 程Fermentation Engineering 1主讲人简介刘萍：发酵工程专业博士，研究方向为生物制药，主讲课程发酵工程、生物制药概论、生物工艺学，参讲课程细胞工程、生物学基础、生物工程概论、发酵工程专题等发酵工程被评为校级精品课程和北京市精品课程建设课程联系方式：7671 、7697(6273)2需要注意的问题 认识发酵工程的重要性 如何学习这门课 如何去看书 重视科技文献 尤其要重视实验课 有关考试3教材及主要参考书教材： 生物工艺学 俞俊棠主编 华东理工大学出版社，1991.参考书：1.曹军卫, 马辉文. 微生物工程. 科学出版社，2002.2.P.F.斯坦伯里, A

2、惠特克. 发酵工艺学原理. 中国医药科技出版社. 1992.3.贺小贤. 生物工艺原理. 化学工业出版社. 2003.4.尹光琳,战立克, 赵根楠. 发酵工业全书.中国医药科技出版社. 1992.4主要介绍内容第一章 绪论 （2学时）本章要点：掌握发酵工程的基本知识；了解发酵工程的一般工艺过程和工艺发展趋势。5第二章 工业微生物菌种的选育与保藏（4学时）1、工业菌种筛选2、培养分离3、工业菌种的育种方针4、工业微生物菌种保藏技术 6第三章 发酵工艺条件的优化 （4学时）1、培养基2、菌种生长条件3、种子扩大培养7第四章 发酵机制 （4学时）第一节 微生物代谢机理 第二节 微生物的代谢调节调控与

3、发酵生产 8第五章 发酵工程动力学 （4学时）第一节 微生物反应过程概论第二节 微生物发酵动力学分类第三节 工业微生物培养方法9第六章 发酵工艺控制 （4学时）第一节 灭菌及空气除菌第二节 氧的供给第三节 发酵单元操作10第七章 发酵生产的设备 （6学时）第一节 介绍常用发酵罐的组成、工作原理及操作、控制第二节 发酵反应器的设计和自动控制11第九章 发酵工程各论 12学时第一节 氨基酸生产工艺学 2第二节 抗生素生产工艺学 2第三节 微生物酶制剂生产工艺 2第四节 污水生化处理技术 2第五节 甾体激素的微生物转化工艺 2第六节 活性物质生产技术 212发酵工程实验 16学时1、特定产物工业生产

4、菌种的筛选 4学时2、摇床培养确定菌体培养和营养条件 4学时3、小型发酵罐中进行产品的分批发酵 4学时4、流加发酵动力学研究 4学时13第一章 绪论第一节 发酵的定义及应用范围第二节 发酵工程组成及研究内容第三节 发酵工业第四节 发酵方法的类别与流程第五节 我国发酵工业的科技进步14提问：什么是发酵15微生物发酵技术 1857年法国化学家、微生物家巴斯德提出了著名的发酵理论：“一切发酵过程都是微生物作用的结果。” 巴斯德认为，酿酒是发酵，是微生物在起作用；酒变质也是发酵，是另一类微生物在作祟；随着科学技术的发展，可以用加热处理等方法来杀死有害的微生物，防止酒发生质变。 同时，也可以把发酵的微生

5、物分离出来，通过人工培养，根据不同的要求去诱发各种类型的发酵，获得所需的发酵产品。 16一、发酵的定义1、传统发酵2、生化和生理学意义的发酵3、工业上的发酵171、传统发酵最初发酵是用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气泡的现象，或者是指酒的生产过程。182、生化和生理学意义的发酵指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量的一种方式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出CO2。193、工业上的发酵泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程 包括：1.厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。2.通气（有氧）培养的生产过程，如抗生

6、素、氨基酸、酶制剂等。产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。20提问：发酵工程的应用领域21发酵工程应用范围食 品 工 程酶 工 业 氨基酸工业 有机酸工业 饲 料 工 业新材料开发 生 物 化 工 环 境 保 护22在食品工业中的应用这是生物技术最早开发应用的领域， 含醇饮料：以果汁、米、麦、高梁、玉米、土豆等为主要原料酿造或经加工的有葡萄酒、果酒、黄酒、白酒、啤酒、白兰地、威士忌、伏特加、金酒、香槟酒、朗姆酒等 传统调味品及发酵食品：以豆类、米、麦等生产的酱、酱油、醋、豆豉、豆腐乳、泡菜等。 发酵乳制品：奶酒、干酪、酸奶等 23饮料酒类产量大、产值高、影响面广，许多国家利用生物工程的技

7、术改革旧工艺已取得明显效果，收到显著的经济效益。 24用近代发酵或酶反应技术生产的食品原料：葡萄糖、麦芽糖、果葡糖浆、甘露糖醇、脂肪等 食品添加剂：面包酵母、味精(谷氨酸单纳)、赖氨酸、柠檬酸、红曲(色素)、甜味肽、肌苷酸和鸟苷酸(均为增鲜剂)、右旋糖酐葡聚糖和茁霉多糖 (均为增稠剂)、葡萄糖氧化酶和异维生素C(均为食品保鲜剂)、乳链菌肽(食用防腐刘)。新型发酵饮料 活性乳酸饮料。25微生物与饮食、调味品 青 红 方酱，酱油，豆食 用 醋发酵饮料味 精发酵面食食用药用菌食用色素食品添加剂淹渍蔬菜Cncnc-micro26发酵食品市场主要原料：橄榄、卷心菜和腌黄瓜。1999年韩国国内泡菜市场产值

8、约为16.7亿美元。1998年日本泡菜生产量达18万吨，市场为13亿美元，在国际市场上日韩两国占据了95%以上的份额。 2000年，中国泡菜工业的市场销售额约为10亿元，中国泡菜的代表之一-四川泡菜企业出口总额约500万美元，仅占国际泡菜市场总量的3%。27A 各种抗生素：抗细菌，抗真菌，抗原虫，抗肿瘤 天然、合成、半合成B、各种氨基酸：在医药中主要用于生产氨基酸输液 可用发酵获得或用酶法获得C、维生素：D、甾体激素3.2 生物技术在医药工业中的应用28E、生物制品：生于预防、诊断或治疗传染病F、单克隆抗体、抗体与抗原具有高度亲和性，用于制备诊断盒、治疗疾病或作为生物导弹药物的运载工具。纯化抗

9、原类物质，菌种鉴别。G、其它：治疗用酶、酶抑制剂、核苷酸制品、制药工业用酶、工业发酵药物3.2 生物技术在医药工业中的应用29抗生素：目前世界各国可用发酵法生产的抗生素约400种，其中广泛应用的大约120种。l980年世界总产量约为25000吨。仅青、四、红和头孢四类抗生素的产值就达42亿美元，最大的发酵罐为400立方米。 进入90年代后，全球生产与销售的各类抗生素原料药平均每年约在3万吨以上，总价值约为250一300亿美元，1992一1993年度实际增长率为4%。美国抗感染药物市场销售额1992年达60.71美元。生物技术生产医药市场30维生素发酵生产的维生素，1982年世界产量为6万吨左右

10、，六种维生累的总销额为6.7亿美元。在19691980年间，每年销售量递增10，19811991年间仍以7一8的速率递增。目前，全球范围内使用最为普遍的是VA、VC 和VE，三都每年市场销售额近20亿美元，其中VE超过10亿美元，其余为VB族，每个品种都有0.5-1.5亿美元的市值。在各种用途中，维生素作为动物饲料的市场正以每年2-3速度增长，在药用和食品领域都以4-5的速度增长 。31甾体激素目前世界市场的年销售额为67亿元，今后仍将以610的速率递增。最近正在兴起用固定化细胞进行甾体转化，将是一个有发展前途的新工艺，目前国际上正在研究中的除干扰素以外、还有口蹄疫疫苗，狂犬病疫苗等十余种。今

11、后几年内，在重组DNA的工作逐步深入当中，定会对人类和牲畜健康引起实质性的改善。32糖酶：a-淀粉酶、-淀粉酶、糖化酶、支链淀粉酶、转化酶、异构酶、半乳糖酶、纤维素酶。蛋白酶：碱性、酸性、中性蛋白酶果胶酶脂肪酶凝乳酶过氧化氢酶。3、生物技术应用于轻工、食品用酶的生产334、生物技术应用于化工能源产品的生产利用发酵、生物转化或酶法生产：烷烃、醇及溶剂、有机酸、多糖等据预测，2000年酒精发酵原料主要是纤维素、木质质等，并大量用于燃料消耗。美国计划在90年代能源结构中，煤和石油将从目前的95下降到50，酒精将在新能源中占重要地位。34酵母生产燃料乙醇35沼气 在利用工农业生产中的有机物废料，将它们

12、发酵制取燃料(沼气)气体方面，美国计划解决全国能源需要量的10，工业有机废水(渣)的利用在西欧转向甲烷发酵，英、美、德、日、俄都已建成了许多大型沼气发酵厂，如伦敦，每年可回收沼气8800万立方米。氢能生物柴油365、饲料工业方面随着世界人口的不断增加，人民生活的逐步提高可耕地的日益减少，动、植物蛋白的来源受到了限制，高质量蛋白质的不足已经成为一个十分突出的问题。微生物菌体中，蛋白质含量占4555(干物质)、所以用发酵工业生产单细胞蛋白是食品和饲料蛋白质的重要来源。37另外，藻类蛋白饲料也不可忽视，如前西德培养的珊列藻，每年每公顷所得蛋白比小麦多20一35倍。Cncnc-micro38 一个 2

13、0 米直径的水池年产 4 吨藻类，加工后可得相当于3000 升柴油的燃料。 一英亩三角大戟可生产相当于 50 吨石油的燃料。图为生长在淡水和海水中的一种硅藻396、冶金工业方面细菌浸矿，即利用细菌的直接和间接作用对矿物或矿石中有用的金属浸出回收的过程。细菌浸出的金属也涉及到Cu、U、Co、Ni、Mn、Zn、Pb等10余种，但大规模生产的只有铜和铀(批量)。目前，美、英、日、俄、澳、加加拿大等许多国家都在积极开展此项研究和生产。美国用这种办法得到的铜占铜产量的10以上，加拿大用细菌浸出的铀(U308)年产量达230吨。据世界20个矿山资料表明，每年用细菌浸出约铜达20万吨。 40抗病、杀虫抗生素

14、单细胞蛋白食用和药用真菌生物农药生物肥料7、生物技术在农业生产中的应用41什么是有机食品 42微生物在对生物物质的排泄物及尸体的分解起着重要的作用。嫌气发酵法：指在嫌气情况下利用分解碳水化合物、蛋白质和脂肪的微生物，将有机废弃物分解为可溶性物质，进而通过产酸菌和甲烷细菌的作用再分解为甲烷和CO2。好气发酵（活性污泥）法：指在曝气情况下，用某些能降解有机物质的产菌胶的细菌和某些原虫的混合物(活性污泥)对工业或生活污水进行处理。 8、生物技术在环境保护中的应用43在化学工业和环境保护等方面，微生物工程也同样能发挥独持的作用，如：与化学法相结合，选育相应的优良菌种，以乙烯和丙烯腈为原料，分别生产环氧

15、乙烷、乙二醇等，利用微生物来处理工业废水或含毒废液，乃至构建超级细菌，处理大面积的海面石油污染等。 44喷洒工程菌清除石油污染45微生物与环保微生物处理腈纶废水的塔式滤池46479、生物技术应用于高技术研究开发基因工程中酶、DNA探针等医药中诊断用酶48第二节 发酵工程组成及研究内容49发酵工程定义 发酵工程是渗透有工程学的微生物学。是利用微生物的特定性状，通过现代化工程技术产生有用物质或直接应用于工业化生产、以把粮食、能源、化学制品、环境控制等全球性课题联系起来的一种技术体系。是将传统发酵技术与DNA重组、细胞融合、分子修饰和改造等新技术结合并发展起来的现代发酵技术。50利用微生物的特点 发

16、酵工程所利用的微生物主要是细菌、放线菌，酵母菌和霉菌。 利用微生物的特点： (1)对周围环境的温度、压强、渗透压、酸碱度等条件有极大的适应能力。 (2)有极强的消化能力。 (3)有极强的繁殖能力。 51发酵工程组成 从广义上讲，由三部分组成： 上游工程、发酵工程、下游工程52FERMENTATIONProcess ControlFermentation engineering上游工程UPSTREAM PROCESSES下游工程DOWNSTREAM PROCESSES53发酵工程原始材料：包括菌种，培养基的糖类，氮源及某些微量元素；上游过程： (1)对菌种加以改造，提高生产能力或者导入外源基因等

17、以获得工程菌； (2)发酵或生物转化，是通过优化发酵条件如温度、营养、供气量等。利用工程菌的生物合成，加工和修饰等以获得目的产物；下游过程：是运用生物化学、物理学方法分离、纯化产品，最终将产品推向市场并获得社会或经济效益。 54发酵工程Continuous centrifuges55发酵工程研究内容主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术(1) 有严格的无菌生长环境： 包括发酵开始前采用高温高压对发酵原料和发酵罐以及各种连接管道进行灭菌的技术； 在发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空气的空气过滤技术；(2)在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速 度的计算机控制技术

18、；(3)种子培养和生产培养的不同的工艺技术。56(4)在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验 室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物形成的动力学模型，并根据这个模型设计中试的发酵要求，最后从中试数据再设计更大规模生产的动力学模型。(5)由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试，从中试到大规模生产过程中会出现许多问题，这就是发酵工程工艺放大问题。 57第三节 发酵工业一、定义 是指利用生物的生命活动产生的酶，无机或有机原料进行酶加工，获得产品的工业。58二、发酵工程的创立天然发酵阶段纯培养技术的建立：巴斯德，科赫等。人为地控制微生物的发酵进程。微生物的发酵开始于人类见到微生物前的一段漫长的历史时

19、期，大约在距今8000年前至公元1676年。最常见的例子就是发面、天然果酒的酿制、牛乳和乳制品的发酵以及利用霉菌来治疗一些疾病等。其中应用水平最高的是中国人在制曲、酿酒方面的伟大创造。 59通气搅拌发酵技术的建立： 青霉素的生产深层培养代谢控制发酵技术：微生物进行甾体化合物的转化，Glu和Lys发酵生产。对微生物具有高度专一性的酶反应作为合成手段的一部分加以利用，进行合理的代谢。60开拓发酵原料时期： 石油发酵，醋酸生产谷氨酸基因工程阶段： 人们能够根据自己的意愿将微生物以外的基因件导入微生物细胞中，从而达到定向地改变生物性状与功能创新的物种，使发酵工业能够生产出自然界微生物所不能合成的产物。

20、61四、发酵工业的范围1、以微生物细胞为产物的发酵工业2、以微生物代谢产物为产品的发酵工业3、以微生物酶为产品的发酵工业4、生物转化或修饰化合物的发酵工业5、微生物废水处理和其他62微生物产物：微生物细胞，酶，药物活性物质，特殊化学物质和食品添加剂631、生产微生物细胞物质定义：是以获得具有多种用途的微生物菌体细胞为目的的产品的发酵工业，包括单细胞的酵母和藻类、担子菌，生物防治的苏云金杆菌以及人、畜防治疾病用的疫苗等。特点：细胞的生长与产物积累成平行关系，生长速率最大时期也是产物合成速率最高阶段，生长稳定期产量最高。642、微生物酶发酵酶的特点：易于工业化生产，便于改善工艺提高产量。分类：胞内

21、酶 和胞外酶生物合成特点：需要诱导作用，或遭受阻遏、抑制等调控作用的影响，在菌种选育、培养基配制以及发酵条件等方面需给予注意。653、微生物代谢产物发酵包括初级代谢产物、中间代谢产物和次级代谢产物。对数生长期形成的产物是细胞自身生长所必需的，称为初级代谢产物或中间代谢产物。各种次级代谢产物都是在微生物生长缓慢或停止生长时期即稳定期所产生的，来自于中间代谢产物和初级代谢产物。664、微生物的生物转化定义：是利用生物细胞对一些化合物某一特定部位（基团）的作用，使它转变成结构相类似但具有更在经济价值的化合物。最终产物是由微生物细胞的酶或酶系对底物某一特定部位进行化学反应而形成的。675、微生物特殊机

22、能的利用利用微生物消除环境污染利用微生物发酵保持生态平衡微生物湿法冶金利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域。68五、发酵工业的特征发酵过程中离不开微生物的作用1、发酵原料的选择及预处理2、微生物菌种的选育及扩大培养3、发酵设备选择及工艺条件控制：常温、常压。种子扩大培养和发酵采用不同的工艺。4、发酵产物的分离提取5、发酵废物的回收和利用69(1)发酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应。可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和更新。(2)微生物菌种是进行发酵的根本因素，通过变异和菌种选育，可以获得高产的优良菌株并使生产设备得到充分利

23、用，也可以因此获得按常规方法难以生产的产品。70(3)发酵过程一般来说都是在常温常压下进行的生物化学反应，反应安全，要求条件简单。(4)发酵对杂菌的污染的防治至关重要。反应必需在无菌条件下进行。(5)由于生物体本身所具有的反应机制，能够专一地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定部位地氧化、还原等化学转化反应，也可以产生比较复杂的高分子化合物。71(6)发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成的，反应的专一性强，因而可以得到较为单一的代谢产物。(7) 工业发酵与其他工业相比，投资少，见效快，并可以取得较显著的经济效益。(8) 除利用微生物外，还可以用动植物细胞和酶，也可以用人工构建的遗传

24、工程菌进行反应。72第四节 发酵方法的类别与流程1、类别： 根据对氧的需要区分： 厌氧和有氧发酵 根据培养基物理性状区分： 液体和固体发酵 根据从微生物生长特性区分： 分批发酵和连续发酵732、发酵的流程空气空气净化处理保藏菌种斜面活化扩大培养种子罐主发酵碳源、氮源、无机盐等营养物质灭菌产物分离纯化成品742. 工业发酵步骤和工艺流程(1) 用作培养菌种及扩大生产的发酵罐的培养基的配制。(2) 培养基、发酵罐以及辅助设备的消毒灭菌。(3) 将已培养好的有活性的纯菌株以一定量转接到发酵罐中。(4) 将接种到发酵罐中的菌株控制在最适条件下生长并形成代谢产物。(5) 将产物抽提并进行精制，以得到合格

25、的产品。(6) 回收或处理发酵过程中产生的废物和废水。75菌种筛选摇瓶试验发酵罐试验纯种培养762.1发酵原料的预处理原料不同处理方法也有所差异。1. 淀粉利用前需变成糊精或葡萄糖。方法：酸水解（高压、耐酸）、酶水解法2. 糖蜜加热杀菌和用水冲稀，也可加酸处理后再补充无机盐。3. 碳氢化合物：石油脱蜡一定馏分的石油经冷却脱蜡而获得的凝固点在-10的油，加入适量无机盐进行接种发酵。772.2菌种斜面培养菌种：已有的优良生产菌种和选育的新菌种。方法：一般都是由保存于冷冻管及砂土管或冰箱中的斜面菌种开始，在正式使用前要先转接到新鲜斜面培养基上活化后，再用于种子扩大培养。保存的菌种菌种活化种子扩大培养

26、782.3 种子扩大培养扩大培养的方法可以根据需要采用固体培养或液体培养两级不同方式。固体种子扩大培养一般采用传统的制曲工艺，一般先用克氏瓶或茄子瓶进行扩大，再转接到曲盘扩大培养。 需氧微生物：将克氏瓶表面培养的菌种接到装有液体培养基的三角瓶中，在摇床上振荡培养。厌氧微生物：将有菌种的试管斜面或克氏瓶转接到三角瓶液体培养基中静置培养。克氏瓶和茄子瓶79克氏瓶和茄子瓶摇床培养802.4 微生物发酵和控制发酵方式可分为固体发酵和液体发酵两种。固体发酵：适合于传统发酵工艺及乡镇企业用来生产比较简单的产品。液体深层发酵：适合于大规模工业化生产。 影响发酵的因素很多，如温度、pH、通风、搅拌、罐压力等等，必须适当地控制影响发酵的各种条件，掌握发酵的动态，并进行杂菌的检查和产物测定，使整个发酵过程顺利进行。812.5 发酵产物的分离提取利用菌体：离心沉淀或板框压滤法使菌体与醪液分开，也可以用喷雾干燥法直接做成粉剂。酒精发酵醪蒸馏塔蒸馏；抗菌素及有机酸根据产物的不同特性，采用离子交换树脂吸附处理、脱色过滤、减压浓缩等方法提取精制。获得的产物都要按照有关部门制定的国家标准进行质量检验和性能测定，符合要求后才为合格产品。82第五节 我国发酵工业的科技进步在2