发酵工程-中国农业大学

韩北忠

中国农业大学食品学院HanBei-zhong,

Prof.PhDCollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringChinaAgriculturalUniversity发酵工程

FermentationEngineering

1发酵工程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。2FERMENTATIONProcessControlFermentationengineering上游工程UPSTREAMPROCESSES下游工程DOWNSTREAMPROCESSES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3UPSTREAMPROCESSES-genetics,cell…-inoculumdevelopmentmediaformulationsterilization-inoculationFERMENTATIONProcessControl上游工程Fermentationengineering4DOWNSTREAMPROCESSES-productextraction,purification&assay-wastetreatmentbyproductrecoveryFERMENTATIONProcessControl下游工程Theratioofrecoverytofermentationcostsfor

L-asparaginase:3.0ethanol:0.16Fermentationengineering5发酵工程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；(3)种子培养和生产培养的不同的工艺技术。6(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。7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。

8利用微生物的特点

发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9UseofMicroorganismsPositive（益处）BiomassProductionConversionNegative（危害）PathogensSpoilage10一、、发发酵酵的的定定义义1、、传传统统发发酵酵2、、生生化化和和生生理理学学意意义义的的发发酵酵3、、工工业业上上的的发发酵酵111、、传传统统发发酵酵最初初发发酵酵是是用用来来描描述述酵酵母母菌菌作作用用于于果果汁汁或或麦麦芽芽汁汁产产生生气气泡泡的的现现象象，，或或者者是是指指酒酒的的生生产产过过程程。。122、、生生化化和和生生理理学学意意义义的的发发酵酵指微生生物在在无氧氧条件件下，，分解解各种种有机机物质质产生生能量量的一一种方方式，，或者者更严严格地地说，，发酵酵是以以有机机物作作为电电子受受体的的氧化化还原原产能能反应应。如葡萄萄糖在在无氧氧条件件下被被微生生物利利用产产生酒酒精并并放出出CO2。133、工工业上上的发发酵泛指利利用微微生物物制造造或生生产某某些产产品的的过程程包括：：1.厌厌氧氧培养养的生生产过过程，，如酒酒精，，乳酸酸等。。2.通通气气（有有氧））培养养的生生产过过程，，如抗抗生素素、氨氨基酸酸、酶酶制剂剂等。。产品有有细胞胞代谢谢产物物，也也包括括菌体体细胞胞、酶酶等。。14二、发发酵工工业定义：：是指利利用生生物的的生命命活动动产生生的酶酶，无无机或或有机机原料料进行行酶加加工，，获得得产品品的工工业。。15适宜的的微生生物保证或或控制制微生生物进进行代代谢的的各种种条件件进行微微生物物发酵酵的设设备精制成成产品品的方方法的的设备备2.获得得发酵产产品的条条件16三、发酵酵工业的的发展历历史天然发酵酵阶段纯培养技技术的建建立：巴巴斯德，，科赫等等。人为为地控制制微生物物的发酵酵进程。。通气搅拌拌发酵技技术的建建立：青霉素的的生产———深层层培养代谢控制制发酵技技术：微微生物进进行甾体体化合物物的转化化，Glu和Lys发酵生产产。对微微生物具具有高度度专一性性的酶反反应作为为合成手手段的一一部分加加以利用用，进行行合理的的代谢。。17开拓发酵酵原料时时期：石油发酵酵，醋酸酸生产谷谷氨酸基因工程程阶段：：采用酶学学的方法法，将不不同来源源的DNA进行体外外重组，，再把重重组DNA设法转入入受体细细胞内，，并进行行繁殖和和遗传下下去。人人们能够够根据自自己的意意愿将微微生物以以外的基基因件导导入微生生物细胞胞中，从从而达到到定向地地改变生生物性状状与功能能创新的的物种，，使发酵酵工业能能够生产产出自然然界微生生物所不不能合成成的产物物。18HistoryofappliedmicrobiologyAncienttimesfoodpreservation(vinegar,cheese)flavour(bread,soysauce)brewing(beer,wine)1861LouisPasteurfirstphaseindustrialbiotechnology1940penicillin(Fleming)antibioticindustryproductionoffinechemicals19Historyofappliedmicrobiology1973recDNAtechnology(Boyer&Cohen)1982rechumaninsulin（胰岛素））postrecombinantDNAareasince1982rectherapeuticagents（治疗剂））1990recbakersyeast1992recchymosine（凝乳酶））(fromyeast)20四、发酵酵工业的的范围1、以微微生物细细胞为产产物的发发酵工业业2、以微微生物代代谢产物物为产品品的发酵酵工业3、以微微生物酶酶为产品品的发酵酵工业4、生物物转化或或修饰化化合物的的发酵工工业5、微生生物废水水处理和和其他21微生物产产物：微微生物细细胞，酶酶，药物物活性物物质，特特殊化学学物质和和食品添添加剂221、生产产微生物物细胞物物质定义：是以获得得具有多多种用途途的微生生物菌体体细胞为为目的的的产品的的发酵工工业，包包括单细细胞的酵酵母和藻藻类、担担子菌，，生物防防治的苏苏云金杆杆菌以及及人、畜畜防治疾疾病用的的疫苗等等。特点：细胞的生生长与产产物积累累成平行行关系，，生长速速率最大大时期也也是产物物合成速速率最高高阶段，，生长稳稳定期产产量最高高。232、微生生物酶发发酵酶的特点点：易于工业业化生产产，便于于改善工工艺提高高产量。。分类：胞内酶和和胞外外酶生物合成成特点：：需要诱导导作用，，或遭受受阻遏、、抑制等等调控作作用的影影响，在在菌种选选育、培培养基配配制以及及发酵条条件等方方面需给给予注意意。243、微生生物代谢谢产物发发酵包括初级级代谢产产物、中中间代谢谢产物和和次级代代谢产物物。对数生长长期形成成的产物物是细胞胞自身生生长所必必需的，，称为初初级代谢谢产物或或中间代代谢产物物。各种次级级代谢产产物都是是在微生生物生长长缓慢或或停止生生长时期期即稳定定期所产产生的，，来自于于中间代代谢产物物和初级级代谢产产物。254、微生生物的生生物转化化定义：是是利用生生物细胞胞对一些些化合物物某一特特定部位位（基团团）的作作用，使使它转变变成结构构相类似似但具有有更在经经济价值值的化合合物。最终产物物是由微微生物细细胞的酶酶或酶系系对底物物某一特特定部位位进行化化学反应应而形成成的。265、微生生物特殊殊机能的的利用利用微生生物消除除环境污污染利用微生物发酵保持持生态平平衡微生物湿湿法冶金金利用基因因工程菌菌株开拓拓发酵工工程新领领域。27发酵工业业简介发酵食品品有机酸氨基酸核酸类物物质酶制剂医药工业业（抗生生素…）饲料工业业（单细细胞蛋白白环境工程程（废物物处理））其它（（冶金工工业…）FermentationIndustryFermentedFoodsOrganicAcidsAminoAcidsNucleotidesEnzymesPharmaceutical(Antibiotics……)Feedstuff(eg.SCP)EnvironmentalApplication(WasteTreatment)Others(eg.Metallurgicalindustry)28五、发酵酵工业的的特征发酵过程程中离不不开微生生物的作作用1、发酵酵原料的的选择及及预处理理2、微生生物菌种种的选育育及扩大大培养3、发酵酵设备选选择及工工艺条件件控制：：常温、、常压。。种子扩扩大培养养和发酵酵采用不不同的工工艺。4、发酵酵产物的的分离提提取5、发酵酵废物的的回收和和利用29(1)发发酵所用用的原料料通常以以淀粉、、糖蜜或或其他农农副产品品为主，，只要加加入少量量的有机机和无机机氮源就就可进行行反应。。可以利利用废水水和废物物等作为为发酵的的原料进进行生物物资源的的改造和和更新。。(2)微微生物菌菌种是进进行发酵酵的根本本因素，，通过变变异和菌菌种选育育，可以以获得高高产的优优良菌株株并使生生产设备备得到充充分利用用，也可可以因此此获得按按常规方方法难以以生产的的产品。。30(3)发发酵过程程一般来来说都是是在常温温常压下下进行的的生物化化学反应应，反应应安全，，要求条条件简单单。(4)发发酵对杂杂菌的污污染的防防治至关关重要。。反应必必需在无无菌条件件下进行行。(5)由由于生物物体本身身所具有有的反应应机制，，能够专专一地和和高度选选择性地地对某些些较为复复杂的化化合物进进行特定定部位地地氧化、、还原等等化学转转化反应应，也可可以产生生比较复复杂的高高分子化化合物。。31(6)发发酵过程程是通过过生物体体的自动动调节方方式来完完成的，，反应的的专一性性强，因因而可以以得到较较为单一一的代谢谢产物。。(7)工工业业发酵与与其他工工业相比比，投资资少，见见效快，，并可以以取得较较显著的的经济效效益。(8)除除利利用微生生物外，，还可以以用动植植物细胞胞和酶，，也可以以用人工工构建的的遗传工工程菌进进行反应应。32六、发酵方方法的类别别与流程1、类别：：根据对氧的的需要区分分：厌氧和有氧氧发酵根据培养基基物理性状状区分：液体和固体体发酵根据从微生生物生长特特性区分：：分批发酵和和连续发酵酵332、发酵的的流程空气空气净化处处理保藏菌种斜面活化扩大培养种子罐主发酵碳源、氮源源、无机盐盐等营养物物质灭菌产物分离纯纯化成品342.工业发发酵步骤和和工艺流程程(1)用用作培养养菌种及扩扩大生产的的发酵罐的的培养基的的配制(2)培培养基、、发酵罐以以及辅助设设备的消毒毒灭菌(3)将将已培养养好的有活活性的纯菌菌株以一定定量转接到到发酵罐罐中(4)将将接种到到发酵罐中中的菌株控控制在最适适条件下生生长并形成成代谢产物物(5)将将产物抽抽提并进行行精制，以以得到合格格的产品(6)回回收或处处理发酵过过程中产生生的废物和和废水35菌种筛选摇瓶试验发酵罐试验验362.1发酵原料的的预处理原料不同处处理方法也也有所差异异。1.淀粉粉——利用用前需变成成糊精或葡葡萄糖方法：酸水水解（高压压、耐酸））、酶水解解法2.糖蜜蜜——加热热杀菌和用用水冲稀，，也可加酸酸处理后再再补充无机机盐3.碳氢氢化合物：：石油脱蜡蜡——一定定馏分的石石油经冷却却脱蜡而获获得的凝固固点在-10℃的油油，加入适适量无机盐盐进行接种种发酵372.2菌种种斜面培养养菌种：已有的优良良生产菌种种和选育的的新菌种方法：一般都是由由保存于冷冷冻管及砂砂土管或冰冰箱中的斜斜面菌种开开始，在正正式使用前前要先转接接到新鲜斜斜面培养基基上活化后后，再用于于种子扩大大培养。382.3种子扩大培培养扩大培养的的方法可以以根据需要要采用固体体培养或液液体培养两两级不同方方式。固体种子扩扩大培养一一般采用传传统的制曲曲工艺，一一般先用克克氏瓶或匣匣子瓶进行行扩大，再再转接到曲曲盘扩大培培养。需氧微生物物：将克氏氏瓶表面培培养的菌种种接到装有有液体培养养基的三角角瓶中，在在摇庆上振振荡培养。。厌氧微生物物：将有菌菌种的试管管斜面或克克氏瓶转接接到三角瓶瓶液体培养养基中静置置培养。392.4微生物发酵酵和控制发酵方式可可分为固体体发酵和液液体发酵两