发酵工艺学绪论

1、 发酵工艺学主讲：王同阳73056696wty6696sina.第一篇 发酵原理.第一章 绪 论.主要讲述内容第一节 概述第二节 发酵产品的类型第三节 发酵工程的位置第四节 发酵工业的开展史.第一节 概述一、根本概念1.发酵Fermentation传统发酵：“发酵Fermentation一词是拉丁语“沸腾fervere的派生词，它描画酵母作用于果汁或麦芽浸出液时产生气泡的景象。或者指酒的消费过程。.生物化学或生理学上的发酵狭义： 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。 如 葡萄糖 酒精能量; 丙酮酸 乳酸能量。. 工业上所称的发酵广义： 借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活

2、动来制备微生物菌体本身，或其直接代谢产物或次级代谢产物的过程。 包括： 厌氧培育的消费过程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等， 通气有氧培育的消费过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等的消费。 产品既有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。.2.发酵工程Fermentation Engineering运用微生物学等相关的自然科学以及工程学原理，利用微生物等生物细胞进展酶促转化，将原料转化成产品或提供社会性效力的一门科学。利用生物细胞的某种特性，经过现代化工程技术手段进展工业规模化消费的技术。公认.3.发酵工业Fermentation Industry 是指利用生物的生命活动产生的酶，将无机或有机原料进展酶加工

3、(生物化学反响过程，获得产品的工业。 经纯种培育和提炼精制获得的成分单纯、无风味要求的产品的消费过程。如酒精、抗生素、柠檬酸、氨基酸、酶、维生素、某些色素等。 经自然培育、不需提炼精制、产品由复杂成分构成并对风味有特殊要求的食品或调味品的消费过程。如黄酒、白酒、清酒、葡萄酒、酱油、醋、腐乳、豆豉、面酱等。酿造(brewing)：我国人们对一些特定产品发酵消费的特殊称法，是未知的混合微生物区系参与的一种自然发酵。发酵工业：酿造工业：.发酵消费的条件某种适宜的微生物保证或控制微生物进展代谢的各种条件培育基组成、温度、溶氧、pH等 进展微生物发酵的设备提取菌体或代谢产物，精制成产品的方法和设备.二、

4、发酵工程的特点 与化学工程相比1.平安简单：发酵过程通常是在常温常压下进展，反响平安，要求条件简单、温暖 。2.原料广泛：发酵所用的原料简单粗放。通常以淀粉质、糖蜜或其他农副产品为主，只需参与少量的有机和无机氮源就可进展反响。另外，可以利用矿产资源、石油、废水和废物等作为发酵的原料。.3.反响专注：发酵过程是经过生物体的自动调理方式来完成的，因此多个反响就象一个反响一样，因此可以得到较为单一的代谢产物，可在单一设备发酵罐中进展。4.易受污染：由于发酵培育基营养丰富，各种来源的微生物都很容易生长，发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。.5.代谢多样：由于各种各样生物体代谢方式、代谢过程的多样化，以

5、及生物体化学反响的高度选择性，可以专注性地和高度选择性地对复杂的化合物进展特定部位的氧化、复原等反响；也能容易地产生比较复杂的高分子化合物如酶等。6.菌种选育：菌种是进展发酵的根本要素，高产的优良菌株即可使消费设备得到充分利用，也是发明显著经济效益的关键，还可以获得按常规方法难以消费的产品。因此，自始至终都要进展菌种的选育和优化任务。7.投资少，见效快，效益高：可以获得显著的经济效益。.三、发酵的类型 1.按发酵原料来区分 糖类物质发酵 石油发酵 废水发酵 2.按发酵方式来区分固态发酵 液体发酵 根据物料堆放的厚薄分为: 薄层发酵 ： 木盘或苇帘，12cm 厚层发酵 ： 深槽或池，30cm以上

6、，接种后通气根据培育液的深浅分 外表培育法 深层培育法.3.按发酵产物区分 氨基酸发酵有机酸发酵抗生素发酵酒精发酵维生素发酵酶制剂发酵 .4.按发酵工艺流程区分 分零售酵延续发酵流加发酵 5.按发酵过程中对氧的不同需求来分 厌氧发酵 通风发酵 需不断通入无菌空气 如：利用黑曲霉发酵消费柠檬酸 利用棒杆菌发酵消费谷氨酸 利用黄单胞菌消费黄原胶 抗生素发酵消费 不需供氧 如：乳酸杆菌的乳酸发酵 梭状芽孢杆菌的丙酮丁醇发酵.四、发酵工程的组成部分.四部分组成1.菌种选育及扩展培育2.原料预处置及培育基的制备3.发酵设备及反响条件的选择4.产品的分别与纯化提取和精制.Fermentation engi

7、neering上游工程UPSTREAM PROCESSESFERMENTATIONProcess Control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、发酵过程、下游工程.上游工程UPSTREAM PROCESSES- genetics, cell - inoculum development media formulation sterilization- inoculationFERMENTATIONProcess Control.FERMENTATIONProcess Control下游工程 DOWNSTREAM PROCESSE

8、S- product extraction, purification & assay- waste treatmentby product recovery.五.发酵工业范围研讨对象按部门分：1. 酿酒工业(啤酒、葡萄酒、白酒等)2.食品工业(酱、酱油、醋、腐乳、面包、酸乳等)3.有机溶剂发酵工业(酒精、丙酮、丁醇等)4.抗生素发酵工业(青霉素、链霉素、土霉素等)5.有机酸发酵工业(柠檬酸、葡萄糖酸等)6.酶制剂发酵工业(淀粉酶、蛋白酶等)7. 氨基酸发酵工业(谷氨酸，赖氨酸等).8. 核苷酸类物质发酵工业(肌苷酸、肌苷等)9. 维生素发酵工业(维生素C、维生素B等)10.生理活性物质发酵工

9、业(激素、赤霉素等)11.微生物菌体蛋青丝酵工业(酵母、单细胞蛋白等)12.微生物环境净化工业(利用微生物处置废水、污水等)13.生物能工业(沼气、纤维素等天然原料发酵消费酒精、乙烯等，能源物质)14.微生物冶金工业(利用微生物探矿、冶金、石油脱硫等). 按产品类型分1、以微生物细胞为产品的发酵工业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、微生物废水处置和其他.六、发酵工业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置 原料不同处置方法也有所差别。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

10、杀菌和用水冲稀，也可加酸处置后再补充无机盐。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的油，参与适量无机盐进展接种发酵。.2、微生物菌种的选育及扩展培育菌种：已有的优良消费菌种和选育的新菌种扩展培育：“量3、发酵设备选择及工艺条件控制：常温、常压。4、发酵产物的分别、提取5、发酵废物的回收和利用.第二节 发酵产品的类型.一、菌体工业消费的微生物体，可分为二种：1.供制备面包等用的酵母；2.作为人类或动物的食物的微生物细胞SCP 。以获得微生物菌体细胞为目的产品，包括单细胞的酵母和藻类、担子菌冬虫夏草、茯苓，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

11、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。.二、微生物的酶 工业上，可由植物、动物和微生物消费酶。与植物或动物相比，微生物的酶可以用发酵技术大量消费，而且改良微生物的消费才干也方便得多。各种酶制剂糖化酶、蛋白酶、脂肪酶、氨基酰化酶等.三、微生物代谢产物 1.代谢产物的类别 经过微生物的代谢活动产生、细胞本身生长和繁衍所必需的物质，称为初级代谢产物或中间代谢产物。氨基酸、核苷酸、蛋白质、维生素、脂类和碳水化合物等。 在微生物生长缓慢或停顿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。如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子、色素等。 初级

12、代谢产物： 次级代谢产物：.初级代谢产物和次级代谢产物的异同.四、生物转化定义：利用微生物细胞的一种或多种酶，作用于一些化合物 外源化合物的特定部位或基团，使它转化成化学 构造类似，并具有更大经济价值的化合物的生化反响。 最终产物并不是微生物细胞利用营养物质经细胞代谢产生，而是微生物细胞的酶或酶系作用于底物的某一部位，进展特定部位的化学反响而构成。转化反响：催化脱氢、氧化、羟化、缩合、脱羧、氨化、脱氨化或同分异构作用。反响最显著的特点是特异性强，包括反响特异性、构造位置特异性、立体特异性。.甾体化合物类固醇： 含环戊烷多氢菲核的化合物。 甾族激素：分肾上腺皮质激素和性激素；重要的生理调理作用，

13、在临床上广泛用于治疗过敏性皮炎、类风湿性关节炎、红斑狼疮、支气管哮喘等。 化学转化：步骤繁多、得率低、价钱昂贵Savett, 576kg脱氧胆酸，30多步反响，两年938mg醋酸可的松 生物转化：高效、收率高 1952年，Munrry等，黑根霉，仅1步就将孕酮11位上导入一个羟基，使从孕酮合成皮质酮只需3步，这样才使可的松问世发酵工业中最重要的生物转化是：甾体转化即把甾体化合物转化为甾族激素.利用微生物消除环境污染利用微生物发酵坚持生态平衡，如生物固氮肥料，生物杀虫剂等。微生物湿法冶金，如细菌浸矿，即利用细菌对矿物或矿石中有用的金属浸出回收的过程。细菌浸出的金属有Cu、U、Co、Ni、Mn、Z

14、n、Pb等10余种，但大规模消费的只需铜和铀。利用基因工程菌株开辟发酵工程新领域。五、微生物特殊机能的利用.微生物分解生物体的排泄物及尸体嫌气发酵法：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，进而经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细菌和某些原虫的混合物(活性污泥)对工业或生活污水进展处置。 在化学工业和环境维护等方面，发酵工程能发扬独持的作用 如：利用微生物来处置工业废水或含毒废液，乃至构建超级细菌，处置大面积的海面石油污染等。 .喷洒工程菌去除石油污染.微生物与环保微生物处置腈

15、纶废水的塔式滤池.第三节 发酵工程的位置1. 生物工程重要的组成部分中心 发酵工程( Fermentation engineering) 酶工程 (蛋白质工程) (Enzyme engineering & Protein engineering) 基因工程 ( Genetic engineering) 细胞工程 ( Cell engineering )2. 生物工程中其他技术产业化表达的重要手段 基因工程菌 动植物细胞培育3. 生命科学研讨的对象或载体相互浸透自成体系.位置基因工程细胞工程酶工程发酵工程.生物工程广义：运用生物科学知识和工程学原理，开发利用生物资料为人类提供产品和社会效力的工程

16、技术。狭义：以基因工程为中心的现代生物技术的总称。义务：研发最适宜的工艺道路和设备，实现工业化消费。生物技术广义：运用自然科学和工程学原理，依托生物催化剂的作用将物料进展加工以提供产品或为社会效力的技术。国际经济协作与开展组织，1982狭义：DNA新技术、分子生物和繁衍技术运用。涉及各种不同技术，如动植物基因操作和转基因、DNA分类和克隆。WFO,2000年关于生物技术的声明特点：多学科综合性科学技术生物催化剂参与最终目的：生物反响过程，包括工业消费过程和社会效力。基因工程：又叫遗传工程、基因克隆，利用基因体外重组技术，构建出新的菌株，培育出新的动植物种类或使其具有优良性状。如工程菌消费胰岛素

17、。细胞工程：在细胞程度上改造细胞遗传构造，从而培育具有新性状的生物个体或细胞群体。包括细胞交融技术、细胞重构技术、组织培育技术。酶工程：研讨酶分别、提纯及利用酶进展化学转化，合成各种产物或到达人类所需社会目的的工程科学。包括酶的开发、消费、提纯、修饰、固定化、运用、酶反响器开发。生化工程：指生化反响器、生物传感器，产品分别、提取纯化等。生物分别工程：又叫下游技术或下游工程，即产品分别纯化及产品后处置加工成型。.第四节 发酵工业的开展史一、国外发酵工业的开展概略1.发酵工业开展的阶段：天然发酵阶段古代1900年纯培育技术的建立1905年通气搅拌发酵技术的建立1940年代谢控制发酵技术1957年开

18、辟发酵原料时期1960年基因工程阶段1979.1第一个阶段1900年以前产品只限于含酒精饮料、醋、干酪 4000-3000BCwine、rice wine、beer、Cheese古埃及曾经能酿造啤酒 4000BCBeer，古埃及 苏美尔人啤酒17世纪能在容量为1500桶一桶相当于110升的木质大桶中进展第一次真正的大规模酿造 在1757年已运用温度计。 .2第二个阶段1900年1940年主要的新产品是酵母、甘油、柠檬酸、乳酸、丁醇和丙酮 在面包酵母的消费中首先采用了分批补料培育技术在第一次大战时，Weizmann开辟了丁醇丙酮发酵，并建立了真正的无杂菌发酵 .1676年列文虎克Leewenho

19、ch18561857年Pasteur1880年科赫Robert Koch1905年获诺贝尔奖1897年，Buchner布赫纳1928年，Fleming1940年，Florery和Chain1945年，抗生素工业.列文虎克Leewenhoch,1632-1723微生物形状学开展阶段荷兰业余科学家，1676年，用自磨镜片发明了一架能放大 266倍的原始显微镜。终身制造了419台显微镜；发表论文400余篇，375篇寄往英国皇家学会发表。.巴斯德的功绩 彻底否认了自然发生说证明发酵由微生物引起免疫学预防接种发明巴氏消毒法.无菌营养液出现微生物无菌营养液无生命出现巴 斯 德 的雁颈瓶实验.科赫的功绩发明

20、固体培育基及单种微生物分别和纯培育技术的创建证明炭疽病因 炭疽杆菌发现结核病原菌结核杆菌科赫法那么.科赫法那么图示病原微生物存在于病体而非安康体；可纯培育；纯培育物接种后染病；可重新分别再培育。.奠基人巴斯德路易斯 (1822-1895)微生物奠基人Koch,robert(1843-1910)细菌学奠基人.Buchner布赫纳 1897年，Buchner布赫纳阐明了发酵的化学本质。即发酵是由酶引起的一类化学反响。导致了当代生物化学诞生。实验：酵母菌细胞用石英砂磨碎制成酵母汁 运用于医学+ 白砂糖防腐 不测发现发酵景象 这是无生物细胞体系发酵的最初例子。.Fleming1928年，Fleming

21、发现了青霉素，开创了好气性发酵工程，建立了通风搅拌技术。弗莱明(18811995) 英国细菌学家1928年，Fleming将其命名为：青霉素. 霉菌菌落周围出现抑制萄葡球菌生长的抑制景象产黄青霉菌落细菌生长抑制区域正常细菌生长区域-抗生素的发现.1940年，Florery和Chain：得到了纯品青霉素，继而放线菌链霉素，金、土、卡那、红、新、庆大.等相继发现。1984年达9000多种。功绩：抗生素工业兴起；建立了深层培育法。Florery和Chain.3第三个阶段1940年以后这一阶段的标志是，在纯种培育技术下，以深层培育消费青霉素处理向培育基中通入大量无菌空气和高粘度培育液的搅拌问题4第四个

22、阶段1957年后控制微生物的代谢途径，使之进展最合理的代谢，积累大量有用的发酵产物。如Glu和Lys发酵消费。.柠檬酸合成酶顺乌头酸酶异柠檬酸脱氢酶-酮戊二酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶异柠檬酸裂解酶NH4抑 制经过细胞膜谷氨酸.5第五个阶段1960年以后以烃、氢气、甲醇、醋酸等为碳源消费微生物细胞作为饲料蛋白质的来源 出现了不需求机械搅拌的高压放射和强迫循环的发酵罐 工业上普遍采用分批培育和分批补料培育法 .6第六个阶段1979年以后这个阶段以基因工程产品的消费为标志。目前，世界上曾经同意上市的基因工程药物就有几十种，如：胰岛素、人生长激素等等。 .人胰岛素人生长激素(GH)表皮生长因子(EGF)肿瘤

23、坏死因子白细胞介素-2(IL-2)尿激酶原猪生长激素(PGH)牛生长激素(BGH)纤维素酶, -干扰素乙型肝炎疫苗集落刺激因子(CSF)促红细胞生成素(EPO)抗血友病因子组织溶纤原激活剂(t-PA)部分利用基因工程技术研制的产品.时间 发酵阶段 主要产品 主要技术-1900 天然发酵 酒 醋 干酪 天然分批1905- 纯培育 酒精 丙酮丁醇 密闭纯培育1940- 通气搅拌 抗生素 有机酸 通气搅拌 酶 维生素 分批或延续1957- 代谢控制 氨基酸 核苷酸 选育缺陷菌株1960- 开辟原料 单细胞蛋白 延续发酵1979- 基因工程菌 胰岛素 干扰素 DNA 重组纯培育:第一个转机点 通气搅拌

24、:第二个转机点 代谢控制：第三个转机点 基因工程菌：第四个转机点 .2、发酵罐等生物反响器规模谷氨酸 100200m3 最大660m3啤 酒 600m3露天柠檬酸 220m3酶制剂 90m3 酵母培育罐 170m3黄酒 200m3酒精 1500m3反响器是发酵工业的中心.3、国外发酵工业的开展趋势 1. 生物转化或生物合成技术成为国外著名化学公司争夺的热点，并逐渐从医药领域逐渐向化工领域转移 。2. 生物催化合成已成为化学品合成的支柱之一 。3. 利用生物技术消费有特殊功能、性能、用途或环境友好的化工新资料，是化学工业开展的一个重要趋势。 4. 传统的发酵工业已由基因重组菌种取代或改良。 许多

25、传统的发酵工程产品如柠檬酸、青霉素等都已开场采用基因工程手段进展改造，大大地提高了产量。在以基因工程为主导的现代生物技术产品中，医药生物技术产品占75左右。 .二、国内发酵工业的开展概略我国传统发酵历史悠久，在、 里，已有酿酒的记载。酱油的酿造，当始自周朝。在汉武帝时代开场有了葡萄酒，距今已有两千多年的历史。数千年来由于科学技术提高缓慢，各种微生物工业也未能充分开展。直到20世纪中期才建立了一系列新的微生物工业。近几年来，由于生物新技术的运用，发酵工业开场进入新的开展时期。 .1.白酒产量从801万吨下降到2006年的约397万吨；2007年493万吨；2021年569万吨；2021年706万

26、吨，2021年1025余万吨产值2021年1960.21亿元，同比增长27.5%，2021年超越2000亿元的销售规模。 规模较大的有五粮液、泸州老窖、茅台、剑南春、汾酒、古井六家公司占据约10的市场份额，销售收入占整个行业的37.9。 .全国白酒产量单位：万吨.1996-2007年7月白酒行业白酒产量万吨 历史最低.2.黄酒黄酒是我国最古老的酒种，早在夏、商、周三代就曾经大量消费了，并流传至今，据史料记载已有6000年左右了。目前年产量为230万吨左右。 .3.啤酒1900年我国最早的啤酒厂于哈尔滨建成 1915年国人投资的双合盛啤酒厂建成 1949年啤酒产量仅七千余吨 1981年啤酒产量增

27、至91万吨2005年产量到达3000万吨左右 2021年4898万吨 .4.葡萄酒1892年华侨张弼士在烟台建立酿酒公司，这是我国第一个新型的葡萄酒酿造厂 。目前我国葡萄酒工厂已有近八十家 。2003年葡萄酒年产量约90万吨。 年产万吨以上的有张裕、王朝、华夏、长城、新天酒业、柳河绿源、烟台威龙、烟台中梁。八家公司占据约60的市场份额，销售收入占整个行业的78.4。 .产量年份产量（万吨）同比增长（%）200020.19200125.0524.07200228.8115.01200334.3019.06200436.737.08200543.4318.24200649.7514.5520076

28、6.5033.67200869.835.012009201196.00115.6937.4813.02.5.酱油和醋 早在三千年前便已掌握了酱油和醋发酵的技法，数千年来不断沿用自然发酵法 ，直到20世纪后才开场采用纯种培育技术消费，目前设备及酿造方法逐渐实现了现代化。酱油年产量约为500万吨，居世界首位。醋年产量约为260万吨。.6.酒精二十世纪初期，外商在东北设立哈尔滨和阿城两个酒精厂。 1922年山东溥益酒精厂成立，为第一个由国人设立的酒精厂。 1934年华侨投资在上海浦东设立中国酒精厂，当时号称远东第一大型酒精厂 。酒精年产量解放前仅1万吨左右。 2003年酒精产量约为250万吨左右。.

29、7.酶制剂1964年才在无锡建立了第一个酶制剂工厂。目前有酶制剂消费厂家40家左右，其中万吨以上，销售额2000万以上有8家，其他均在万吨以下。目前的年产量为22万吨左右 。8.柠檬酸 1953年我国曾进展浅盘发酵制柠檬酸的中型消费。 1965年前后由上海工业微生物研讨所首先采用深层发酵法，由薯干直接发酵消费柠檬酸。 消费才干为56万t/a，实践产量达35万t/a左右，出口量居世界第一位。.9.微生物制药1953年在上海建立了第一个抗生素工厂(即后来的上海第三制药厂)，以消费青霉素为主。 “中国抗生素摇篮。1958年我国最大的抗生素工厂华北制药厂亦正式投入消费。 10.味精1964年我国谷氨酸发酵研讨胜利，首先在上海投入消费。味精消费万吨以上产量的工厂有17家。最大规模是周口莲花味精集团公司，年产12万吨。 目前年产量130多万吨。 .11.基因工程产品 我国曾经开发胜利了种基因工程药物和疫苗，世界上销售额排名前位的基因工程