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

FermentationEngineering1发酵工程发酵曾经从过去简单的消费酒精类饮料、消费醋酸和发酵面包开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。现代发酵工程不但消费酒精类饮料、醋酸和面包，而且消费胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，消费天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用消费资料，在化学工业上消费氨基酸、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TheratioofrecoverytofermentationcostsforL-asparaginase:3.0ethanol:0.16Fermentationengineering5发酵工程主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培育细胞和消费代谢产物的工艺技术(1)有严厉的无菌生长环境：包括发酵开场前采用高温高压对发酵原料和发酵罐以及各种衔接纳道进展灭菌的技术；在发酵过程中不断向发酵罐中通入枯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)种子培育和消费培育的不同的工艺技术。6(4)在进展任何大规模工业发酵前，必需在实验室规模的小发酵罐进展大量的实验，得到产物构成的动力学模型，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消费的动力学模型。(5)由于生物反响的复杂性，在从实验室到中试，从中试到大规模消费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实际：“一切发酵过程都是微生物作用的结果。〞巴斯德以为，酿酒是发酵，是微生物在起作用；酒蜕变也是发酵，是另一类微生物在作祟；随着科学技术的开展，可以用加热处置等方法来杀死有害的微生物，防止酒发生量变。

同时，也可以把发酵的微生物分别出来，经过人工培育，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、浸透压、酸碱度等条件有极大的顺应才干(2)有极强的消化才干(3)有极强的繁衍才干9UseofMicroorganismsPositive〔益处〕BiomassProductionConversionNegative〔危害〕PathogensSpoilage10一、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111、传统发酵

最初发酵是用来描画酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气泡的景象，或者是指酒的消费过程。122、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，或者更严厉地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化复原产能反响。如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出CO2。133、工业上的发酵

泛指利用微生物制造或消费某些产品的过程包括：1.厌氧培育的消费过程，如酒精，乳酸等。2.通气〔有氧〕培育的消费过程，如抗生素、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。14二、发酵工业定义：是指利用生物的生命活动产生的酶，无机或有机原料进展酶加工，获得产品的工业。15适宜的微生物保证或控制微生物进展代谢的各种条件进展微生物发酵的设备精制成产品的方法的设备2.获得发酵产品的条件16三、发酵工业的开展历史天然发酵阶段纯培育技术的建立：巴斯德，科赫等。人为地控制微生物的发酵进程。通气搅拌发酵技术的建立：青霉素的消费——深层培育代谢控制发酵技术：微生物进展甾体化合物的转化，Glu和Lys发酵消费。对微生物具有高度专注性的酶反响作为合成手段的一部分加以利用，进展合理的代谢。17开辟发酵原料时期：石油发酵，醋酸消费谷氨酸基因工程阶段：采用酶学的方法，将不同来源的DNA进展体外重组，再把重组DNA设法转入受体细胞内，并进展繁衍和遗传下去。人们可以根据本人的志愿将微生物以外的基因件导入微生物细胞中，从而到达定向地改动生物性状与功能创新的物种，使发酵工业可以消费出自然界微生物所不能合成的产物。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、微生物废水处置和其他21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221、消费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。232、微生物酶发酵酶的特点：易于工业化消费，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：需求诱导作用，或蒙受阻遏、抑制等调控作用的影响，在菌种选育、培育基配制以及发酵条件等方面需给予留意。243、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。对数生长期构成的产物是细胞本身生长所必需的，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。254、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，使它转变成构造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展化学反响而构成的。265、微生物特殊机能的利用利用微生物消除环境污染利用微生物发酵坚持生态平衡微生物湿法冶金利用基因工程菌株开辟发酵工程新领域。27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〔废物处置〕其它〔冶金工业…〕FermentationIndustry

FermentedFoodsOrganicAcidsAminoAcidsNucleotidesEnzymesPharmaceutical(Antibiotics…)Feedstuff(eg.SCP)EnvironmentalApplication(WasteTreatment)Others(eg.Metallurgicalindustry)28五、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置2、微生物菌种的选育及扩展培育3、发酵设备选择及工艺条件控制：常温、常压。种子扩展培育和发酵采用不同的工艺。4、发酵产物的分别提取5、发酵废物的回收和利用29(1)发酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，只需参与少量的有机和无机氮源就可进展反响。可以利用废水和废物等作为发酵的原料进展生物资源的改造和更新。(2)微生物菌种是进展发酵的根本要素，经过变异和菌种选育，可以获得高产的优良菌株并使消费设备得到充分利用，也可以因此获得按常规方法难以消费的产品。30(3)发酵过程普通来说都是在常温常压下进展的生物化学反响，反响平安，要求条件简单。(4)发酵对杂菌的污染的防治至关重要。反响必需在无菌条件下进展。(5)由于生物体本身所具有的反响机制，可以专注地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进展特定部位地氧化、复原等化学转化反响，也可以产生比较复杂的高分子化合物。31(6)发酵过程是经过生物体的自动调理方式来完成的，反响的专注性强，因此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，并可以获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展反响。32六、发酵方法的类别与流程1、类别：根据对氧的需求区分：厌氧和有氧发酵根据培育基物理性状区分：液体和固体发酵根据从微生物生长特性区分：分零售酵和延续发酵332、发酵的流程空气空气净化处置保藏菌种斜面活化扩展培育种子罐主发酵碳源、氮源、无机盐等营养物质灭菌产物分别纯化废品342.工业发酵步骤和工艺流程(1)用作培育菌种及扩展消费的发酵罐的培育基的配制(2)培育基、发酵罐以及辅助设备的消毒灭菌(3)将已培育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构成代谢产物(5)将产物抽提并进展精制，以得到合格的产品(6)回收或处置发酵过程中产生的废物和废水35菌种挑选摇瓶实验发酵罐实验362.1发酵原料的预处置原料不同处置方法也有所差别。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，也可加酸处置后再补充无机盐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，参与适量无机盐进展接种发酵372.2菌种斜面培育菌种：已有的优良消费菌种和选育的新菌种方法：普通都是由保管于冷冻管及砂土管或冰箱中的斜面菌种开场，在正式运用前要先转接到新颖斜面培育基上活化后，再用于种子扩展培育。382.3种子扩展培育扩展培育的方法可以根据需求采用固体培育或液体培育两级不同方式。固体种子扩展培育普通采用传统的制曲工艺，普通先用克氏瓶或匣子瓶进展扩展，再转接到曲盘扩展培育。需氧微生物：将克氏瓶外表培育的菌种接到装有液体培育基的三角瓶中，在摇庆上振荡培育。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育基中静置培育。392.4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：适宜于传统发酵工艺及乡镇企业用来消费比较简单的产品。液体深层发酵：适宜于大规模工业化消费。影响发酵的要素很多，如温度、pH、通风、搅拌、罐压力等等，必需适当地控制影响发酵的各种条件，掌握发酵的动态，并进展杂菌的检查和产物测定，使整个发酵过程顺利进展。402.5发酵产物