发酵工程与设备 第一章绪论

1、第一章 绪论,发酵的英文Fermentation是从拉丁语ferver即“翻腾”、“沸涌”、“发泡”而来，描述酵母作用于果汁或麦芽汁浸出液的现象。 实质：由于浸出液中糖在缺氧条件下降解而产生CO2所引起的。,第一节 发酵工程概述,发酵一词的来源,一、发酵工程的概念,在生化和生理学意义的发酵指通过有机物间作为电子受体和电子供体而产生能量的过程。 如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出CO2。,狭义“发酵”的定义,工业上所称的发酵:泛指将大量培养微生物获得产 物的过程。 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。 产品

2、既有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。,广义 “发酵”的定义,发酵工程是生物技术的重要组成部分，是生物技术产业化的重要环节。它是应用生物学、化学和工程技术学的原理，大规模（工厂化）培养动植物和微生物细胞，生产生物量或产物的科学。 发酵工程可分为上游工程、中游工程和下游工程。,发酵工程定义,二、发酵工业的特点,优点 1.产物结构复杂性和特异性： 手性或光学活性 2. 过程安全性：水相、常温、常压、中性、不燃不爆 3.主要原料可再生性：阳光和土地 4.原料可替换性 5.反应自控性 6.设备通用性 7.副产物可综合利用性 8.生产能力可提高性：突变与基因扩赠 9.产物类型可塑性：突变与转基因,缺点

3、 1.副产物多，分离精制困难 2.反应速度慢 3.原料转化率低 4.反应浓度低 5.生产稳定性差 6.设备庞大，辅助设备多，投资大 7.废水、废渣排放量大，处理费用高 8.生产过程容易受到其他微生物的污染 9.通气、搅拌、冷却等能耗大,三、发酵的分类,1.按获取能量的方式分好氧发酵，厌氧发酵 2.按产物类型分初级代谢物发酵，次级代谢物发 酵；食品发酵，有机酸发酵，氨基酸发酵，维生素发 酵，抗生素发酵 3.按操作类型分自然发酵，纯种发酵，混种发酵； 分批发酵，补料分批发酵，连续发酵；固态发酵，液态 发酵 4. 按发酵生物类型分细菌发酵，真菌发酵，基因工 程菌发酵，动植物细胞发酵,固态发酵,SOL

4、ID-STATE FERMENTATION PRODUCTION,四、发酵工程的应用,食品加工：单细胞蛋白（酵母、真菌等） 含醇饮料：葡萄酒、黄酒、白酒、啤酒、白兰地、威士忌 发酵乳制品：奶酪、酸奶 调味品：味精、肌苷酸、酱油、醋等 食品添加剂：柠檬酸、乳酸、天然色素等,食品工业,灰树花,螺旋藻,乌龙茶,红茶,黄茶,黑茶,普洱茶,面包,医药工业, 抗生素：12 000余种 青霉素、金霉素、四环素、链霉素、庆大霉素、卡那霉素、新霉素、螺旋霉素、头孢霉素等。,氨基酸：可发酵生产的有谷、赖、丙、组、异亮、亮、苯丙、脯、苏、色、酪、缬、瓜、鸟氨酸（国内40亿元，占发酵业产值12%）, 维生素：VB2

5、、VB12、VC、VA、VD等, 生物制品：亚单位疫苗、重组疫苗、DNA疫苗等。, 酶抑制剂： -淀粉酶的抑制剂可治疗糖尿病 胆固醇抑制剂可治疗高血压高血脂,青霉素,干扰素,溶菌酶,氨基酸,生物农药： 杀虫剂（Bt、白僵菌、病毒、微孢子虫） 防治植物病害（假单孢菌、木霉、弱病毒、庆丰霉素）,生物除草剂：利用杂草的病原微生物 生物增产剂：根瘤菌、蓝细菌、钾细菌、磷细菌等,农业,能源工业,酒精 沼气 氢能,欧盟发展生物能源 试图摆脱对传统能源依赖,化学工业,可降解的生物塑料 化工原料（乙醇、丙酮、丁醇、癸二酸等） 生物表面活性剂及生物凝集剂,冶金工业,黄金开采和铜、铀等金属的浸提,环境保护,使用生

6、物肥料，生物杀虫剂 降解有毒物质 净化废水废气，处理石油污染,2002.11.19巴哈马籍油轮“威望号”在西班牙发生断裂沉没导致燃料油泄漏。这艘船共装有7.7万吨燃料油。,污水处理,北京高碑店污水处理厂,活性污泥法,滨洲污水处理厂 8万方/日,氧化塘法,WTO带来的机遇和挑战,发酵工业的产业特点： 1、技术中等复杂而又相对成熟（不属于高端技术） 2、劳动中等密集、资源消耗较大，污染大。 所以从国际产业分工格局的趋势看，理应由发达国家转移到优秀的发展中国家来。 而中国是发展最快的发展中国家，有很好的产业基础和人力资源，进入WTO之后，中国可以更直接地参与国际产业分工，所以应当成为世界发酵第一大国

7、和第一强国。,WTO带来的机遇和挑战,发酵产业在我省区域经济中是最具特色的，石家庄是全国发酵工业的中心，是医药原料抗生素、维生素的生产基地。 “药都”的提出意味着石家庄市可能成为中国发酵产业的第一大市和第一强市。 天时和地利都已齐备。,生产微生物细胞 生产微生物酶 生物微生物代谢产物 生产基因重组产物 将一个化合物经过发酵改造其化学结构生物转化,第一节 发酵过程的范围,发酵类别,微生物生物量,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。 生产制作面包的酵母菌; 生产作为人类或动物食物的微生物细胞（即单细胞蛋白质）。,面包酵母,新的菌体发酵可用来生产一些药用真菌，如香菇类、

8、依赖虫蛹而生存的冬虫夏草菌、与天麻共生的密环菌以及从多孔菌科的茯苓菌获得的名贵中药茯苓和担子真菌的灵芝等药用菌。这些药用真菌可以通过发酵培养的手段来生产出与天然产品具有同等疗效的产物。,冬虫夏草,茯苓,有的微生物菌体还可用做生物防治剂，如苏云金杆菌、蜡样芽孢杆菌和侧孢芽孢杆菌，其细胞中的伴孢晶体可毒杀鳞翅目、双翅目的害虫。丝状真菌的白僵菌、绿僵菌可防治松毛虫等。所以，某些微生物的剂型产品，可制成新型的微生物杀虫剂，应用于农业生产中。因此，菌体发酵工业还包括微生物杀虫剂的发酵。,酶普遍存在于动物、植物和微生物中。最初，人们都是从动物、植物的组织中提取酶，但现在，工业应用的酶大多来自微生物发酵。,

9、微生物酶,微生物酶制剂有广泛的用途 食品和轻工业： 如微生物生产的淀粉酶和糖化酶用于生产葡萄糖，氨基酰化酶拆分氨基酸等。,酶也用于医药生产和医疗检测： 6-氨基青霉烷酸是青霉素酰化酶用来生产半合成青霉素所用的中间体。 胆固醇氧化酶用于检查血清中胆固醇的含量。 葡萄糖氧化酶用于检查血中葡萄糖的含量等。 角蛋白酶有助于伤口去痂和上皮再生，还用于配制润肤露、浴皂、洗发水和脱毛膏等美容品。因此角蛋白酶是外科手术后刀口缝合不留痂、烧伤病人上皮再生的特效药，也是美容美发的主要生化原材料等。,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

10、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。,微生物代谢产物,在菌体对数生长期所产生的产物，如氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、糖类等，是菌体生长繁殖所必需的，这些产物叫做初级代谢产物。,抗生素,生物碱、激素,在菌体生长稳定期，某些菌体能合成一些具有特定功能的产物，如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子等。这些产物与菌体生长繁殖无明显关系，叫做次级代谢产物。,微生物代谢产物类型,基因重组产物的发酵是指利用生物工程技术所获得的细胞，如DNA重组的工程菌、细胞融合所得的杂交细胞等进行培养的新型发酵，其产物多种多样。如用基因工程菌生产胰岛素、干扰素、青霉素酰化酶等，用杂交瘤

11、细胞生产用于治疗和诊断的各种单克隆抗体等。,基因重组产物,DNA,人体细胞,DNA,质粒,细菌细胞,控制产生胰岛素的基因片段,限制酶,限制酶,胰岛素,利用生物工程获得胰岛素,1,2,单克隆抗体制备,定义：是利用生物细胞或产生的酶对一些化合物某一特定部位（基团）的作用如加入羟基、还原双键、脱氧或切断支链等，使它转变成结构相类似但具有更大经济价值的化合物。 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。 反应最显著的特点是特异性强，包括反应特异性、结构位置特异性、立体特异性。,微生物的生物转化,B化合物,微生物细胞,固定化技术可加速应用, 甾体激素：分肾上腺皮质激素和性激

12、素；重要的生理调节作用，在临床上广泛用于治疗过敏性皮炎、类风湿性关节炎、红班狼疮、支气管哮喘等 甾体药物的工业生产主要是通过改造天然的甾体产物而获得的；可的松类抗炎激素之所以有卓越的抗炎活力，主因在甾体母核11位上导入一氧原子，最大的困难也正在此。 化学转化：步骤繁多、得率低、价格昂贵（Savett, 576kg脱氧胆酸，30多步反应，两年938mg醋酸可的松） 生物法：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）,如： 甾体转化,（1）第一个阶段（1900年以前）,产品只限于含酒精饮料和醋 古埃及已经

13、能酿造啤酒 17世纪能在容量为1500桶（一桶相当于110升）的木质大桶中进行第一次真正的大规模酿造,第二节 发酵工业的发展史,1801年就有了原始的热交换器 18世纪中期，证实了酒精发酵中的酵母活动规律 Paster最终使科学界信服在发酵过程中酵母所遵循的规律,荷兰业余科学家，1676年，用自磨镜片创造了一架能放大 266倍的原始显微镜，一生制作了419台显微镜； 发表论文400余篇，375篇寄往英国皇家学会发表。,7,列文虎克与他的显微镜,列文虎克 1684年寄给皇家协会信的部分内容,9,彻底否定了自然发生说,证实发酵由微生物引起,巴斯德的功绩,免疫学预防接种,发明巴氏消毒法,13,巴 斯

14、 德 的 雁颈瓶实验,巴斯德发现免疫现象动物实验人体实验,18世纪后期，Hansen在Calsberg酿造厂建立了酵母纯种培养技术 在18世纪末到19世纪初，基础培养基是用巴氏灭菌法处理，然后接种10%优质醋使呈酸性，可防治染菌污染。这样就成为一个良好的接种材料。 在20世纪初，在酿酒和制醋工业中已建立起过程控制的概念。,科赫的功绩,证实炭疽病因 炭疽杆菌 发现结核病原菌结核杆菌,科赫法则,发明培养基并用其纯化微生物等一系列研究方法的创立,划线法获得单菌落,单菌落,(Joseph Lister,18271912)首创用石炭酸喷洒手术室和煮沸手术用具以防术后感染，为防腐、消毒，以及无菌操作奠定了

15、基础。,21,1878年，李斯特分离乳酸链球 菌时用注射器和酒杯培养装置,22,1897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应。 实验：酵母菌细胞用石英砂磨碎制成酵母汁 （应用于医学）+ 白砂糖（防腐） 意外发现发酵 这是无生物细胞体系发酵的最初例子。,（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 在面包酵母的生产中首先采用了分批补料培养技术 在一次大战时，Weizmann开拓了丁醇、丙酮发酵，并建立了真正的无杂菌发酵,（3）第三个阶段（1940年以后）,这一阶段的标志是，在纯种培养技术下，以深层培养生产

16、青霉素 解决向培养基中通入大量无菌空气和高粘度培养液的搅拌问题,1928年，Fleming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。,1928年，Fleming将其命名为：青霉素,24,霉菌菌落周围出现抑制萄葡球菌生长的抑制现象,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： 碘黄青霉中得到了纯品青霉素，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。 1945年，抗生素工业（发酵工业正式兴起）,（5）第五个阶段（1979年以后）,这个阶段以基因工程产品的生产为标志。 目前，世界

17、上已经批准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。,基因工程的雏形,1972年，美国斯坦福大学的Paul Berg领导的研究小组，在世界上第一次成功地实现了DNA体外重组。,1973年，斯坦福大学的SCohen和H.boyer等人，也成功地进行了另一个体外重组实验，并实现了细菌间性状的转移。,基因工程的诞生,（1）用于菌种扩大培养和发酵生产用的培养基配方； （2）培养基、发酵罐及其附属设备的灭菌； （3）足量的高活性、纯培养的接种物； （4）在适宜条件的发酵罐中培养菌体生产产物； （5）产物提取和纯化； （6）生产过程产生的废物的处理。,第三节 发酵过程的组成部分,菌种筛选,摇瓶试验,发酵罐中试验,由实验室研究到产业化的过程,发酵生产,