发酵工艺学第一章绪论

1、孙 美 玲 生物工程教研室联系方式：yueer发 酵 工 艺 学Fermentation Technology 1第一章 绪 论一、发酵及发酵工程定义二、 发酵工程与其他学科关系三、 发酵工程的发展史四、发酵工业特点五、工业发酵的类型及工艺流程六、发酵工程的应用及前景七、 本课程的学习内容及学习方法2一、发酵及发酵工程定义 发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。 现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且生

2、产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。 3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。 4 发酵工程所利用的微生物主要是

3、细菌、放线菌，酵母菌和霉菌。 利用微生物的以下特点： (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 5Use of MicroorganismsPositive（益处）BiomassProductionConversionNegative（危害）PathogensSpoilage6（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71、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。82、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

4、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。93、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，如抗生素、氨基酸、酶制剂等。3.产品有细胞代谢产物，包括菌体细胞、酶等。10（二）发酵工程定义 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

5、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；(3)种子培养和生产培养的不同的工艺技术。11(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。 12二、 发酵工程与其他学科关系基因工程细胞工程酶工程产品发酵工程产物产品13FERMENTATIONProcess ControlFermentation engineering上游工程UPSTREA

6、M PROCESSES下游工程DOWNSTREAM PROCESSES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14UPSTREAM PROCESSES- genetics, cell - inoculum development media formulation sterilization- inoculationFERMENTATIONProcess Control上游工程Fermentation engineering15DOWNSTREAM PROCESSES- product extraction, purification & assay- waste

7、treatmentby product recoveryFERMENTATIONProcess Control下游工程 The ratio of recovery to fermentation costs for L-asparaginase: 3.0 ethanol: 0.16Fermentation engineering16三、 发酵工程的发展史 1、天然发酵阶段 2、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。 3、通气搅拌发酵技术的建立： 青霉素的生产深层培养 4、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

8、作为合成手段的一部分加以利用，进行合理的代谢。 5、开拓发酵原料时期： 石油发酵，醋酸生产谷氨酸17 6、基因工程阶段： 采用酶学的方法，将不同来源的DNA进行体外重组，再把重组DNA设法转入受体细胞内，并进行繁殖和遗传下去。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。18 发酵现象酿造食品工业非食品工业青霉素抗菌素发酵工业氨基酸,核酸发酵（代谢控制发酵）基因工程菌动物细胞大规模培养植物细胞大规模培养藻类细胞大规模培养转基因动物第一个转折点：非食品工业第二个转折点：青霉素抗菌素发酵工业

9、第三个转折点：切断支路代谢:酶的活力调控,酶的合成调控(反馈控制和反馈阻遏),解除菌体自身的反馈调节, 突变株的应用,前体、终产物、副产物等。近代转折点：基因、动物、海洋19History of applied microbiologyAncient timesfood preservation (vinegar, cheese)flavour (bread, soy sauce)brewing (beer, wine) 1861 Louis Pasteurfirst phase industrial biotechnology1940 penicillin (Fleming)antibiot

10、ic industryproduction of fine chemicals20History of applied microbiology1973 rec DNA technology (Boyer & Cohen)1982 rec human insulin（胰岛素）post recombinant DNA areasince 1982 rec therapeutic agents（治疗剂）1990 rec bakers yeast1992 rec chymosine （凝乳酶）(from yeast)21发酵现象的早期认识1680年制成显微镜 微生物的存在1857年巴斯德证明了酒精是

11、由活的酵母发酵引起的1897年毕希纳发现磨碎的酵母仍使糖发酵形成酒精 酶22 人们对发酵技术的认识起始于19世纪末，主要来自于厌氧发酵，如利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和各种发酵食品。 20世纪初期，1916年英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁醇，德国采用亚硫酸盐法生产甘油，由食品工业向非食品工业发展。 好氧发酵技术：速酿法乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖酵母，用米曲霉的麸曲代替麦芽糖作糖化剂生产酒精，用微小毛霉生产干酪。 1933年，发明了摇瓶培养法代替传统的静置培养法。生长均匀，增殖时间短。发酵工程的早期阶段23二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素的发现，迅速形成工业大规摸生产。192

12、8年由 Fleming发现青霉素 1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究 表面培养：1升锥形瓶，内装200mL麦麸培养基 40u/ml1943年沉浸培养：5m3 200u/ml当今：100m3200m3 5-7万u/ml 链霉素、金霉素、新霉索、红霉素24主要的技术进展：通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养 基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。意义：抗生素工业的发展建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法推动了整个发酵工业的深入发展为现代发酵工程奠定了基础25大型发酵罐搅拌装置26180M3发酵罐车间大型空气压缩机

13、27发酵车间的空气过滤器28现代生物技术分子生物学与发酵工程 氨基酸发酵工业谷氨酸、赖氨酸 核酸发酵工业肌苷酸、乌苷酸 微生物变异株通过代谢调节代谢控制发酵技术 切断支路代谢转折点: 酶的活力调控, 酶的合成调控(反馈控制和反馈阻遏) 解除菌体自身的反馈调节,特殊调节控制的利用,突变株的应用,前体、终产物、副产物等29 20世纪70年代 细胞融合技术、基因操作技术等生物技术发展，打破了生物种间障碍，能定向地制造出新的有用的微生物； 增加微生物体内控制代谢产物产量的基因拷贝数，可以大幅度地提高目标产物的产量； 将动、植物或某些微生物特有产物的控制基因植入细胞中，快速经济地大量生产这些产物； 将具

14、有不同性能的多种质粒植入，使新菌株在清除污染或以非粮食物质为原料进行发酵生产或环境保护。30动物细胞反应器31细胞大规模培养技术细胞大规模培养 微生物、动植物细胞、藻类细胞等细胞代谢产物、生物转化、酶、基因表达产物和基因质粒等占生物技术产品的40%以上，达1OOO亿美元32发酵工程产业化发展 目前，全球发酵产品的年销售额在400亿美元左右，并以每年约78的速率增长。 我国发酵行业生产企业有5000多家，主要发酵产品的年产值高达1300亿元。发酵工程技术给人类社会生产力的发展带来了巨大的潜力涉及到解决人类所面临的食品与营养、健康与环境、资源与能源等重大问题 。33人类社会经济发展的危机 随着人类

15、社会经济发展，当前的能源结构、资源结构、环境状态已不能支撑现有的发展模式。特别重要的是随着煤、石油等能源的耗竭以及环境保护的急需，如果没有基于科技进步的大力开发，能源和资源将难以支撑人类社会进一步发展的目标。传统的粗放型经济增长方式必定走到尽头，必需走资源节约型、环境友好型的道路。34基于碳氢化合物的经济转变为基于碳水化合物的经济-将工业革命世纪转变到生物技术世纪 只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再生资源碳水化合物转变为现代社会所需要的化工原料和能源。这种能源结构和资源结构的转变直接关系到我国经济的可持续发展，社会的稳定、和国家安全。35 21世纪是生物技术世纪未来学家在上世纪末说：21世

16、纪是生物技术世纪；科学家预言： 21世纪世界即将在生物技术上取得重大突破，新世纪之初，科学方面的主要将在生物学、遗传学和医学、新型生物材料、能源、环境保护上有所突破；经济学家则认为：21世纪20年代，生物经济将由目前的形成阶段进入成长阶段，即工业生产与商业开发阶段。36四、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。37发酵工业简介发酵食品有机酸氨基酸核酸类物质酶制剂医药工业（抗生素）饲料工业（单细胞蛋白环境工程（废物处理）其它 （冶金工业） Fermentation Industry Fermented FoodsOrganic AcidsA

17、mino AcidsNucleotidesEnzymes Pharmaceutical (Antibiotics)Feedstuff (eg. SCP)Environmental Application (Waste Treatment)Others (eg. Metallurgical industry)38（二）获得发酵产品的条件适宜的微生物保证或控制微生物进行代谢的各种条件进行微生物发酵的设备精制成产品的设备39（三）发酵工业的范围以微生物细胞为产物的发酵工业以微生物代谢产物为产品的发酵工业以微生物酶为产品的发酵工业生物转化或修饰化合物的发酵工业微生物废水处理和其他40微生物产物：微生物

18、细胞，酶，药物活性物质，特殊化学物质和食品添加剂411、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，生物防治的苏云金芽孢杆菌以及人、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。422、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。433、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。

19、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。444、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。45（四）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

20、物的回收和利用46(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用，也可以因此获得按常规方法难以生产的产品。47(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

21、以产生比较复杂的高分子化合物。48(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工程菌进行反应。49五、工业发酵的类型及工艺流程 （一）工业发酵的类型： 据对氧的需求量可分为：需氧发酵、厌氧发酵、兼性厌氧发酵； 据培养基物理性质可分为：液体发酵、固体发酵； 据工艺流程可分为：分批发酵、连续发酵、补料分批发酵。50（二）发酵工艺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

22、养物质灭菌产物分离纯化成品51发酵步骤：(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，以得到合格的产品(6)回收或处理发酵过程中产生的废物和废水52菌种筛选摇瓶试验发酵罐试验531、发酵原料的预处理：原料不同处理方法也有所差异。淀粉利用前需变成糊精或葡萄糖方法：酸水解（高压、耐酸）、酶水解法糖蜜加热杀菌和用水冲稀，也可加酸处理后再补充无机盐碳氢化合物：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

23、油，加入适量无机盐进行接种发酵542、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。553、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，一般先用克氏瓶或匣子瓶进行扩大，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。564、微生物发酵和控制发酵方式可分为固体发酵和

24、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。575、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。58六、发酵工程的应用及前景抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、有机酸、饲料添加剂、微