设备管理_发酵工程与设备概述

生物秀下载频道生物秀下载频道专业生物医药下载平台专业生物医药下载平台 /soft/ 生物秀论坛生物秀论坛资源共享资源共享、 、 学术交流学术交流、 、 互助社区互助社区 /bbs/ 1 发 发酵 酵工 工程 程与 与设 设备 备 第一章 第一章 绪 绪 论 论 生物技术作为生物技术作为 21 世纪高新技术的核心，世纪高新技术的核心，对人类面临的食品、对人类面临的食品、资源、资源、健康、健康、环境等重大 环境等重大 问题发挥越来越大的作用。问题发挥越来越大的作用。大力发展生物技术及其产业已成为世界各国经济发展的战略重 大力发展生物技术及其产业已成为世界各国经济发展的战略重 点。 点。 一 一 发酵工程的主要内容 发酵工程的主要内容 发酵工程发酵工程（Fermentation Engineering）属于生物技术的范畴，属于生物技术的范畴，生物技术又称生物工艺 生物技术又称生物工艺 学，学，最初是由一位匈牙利工程师最初是由一位匈牙利工程师 Karl.Ereky 于于 1917 年提出的。年提出的。当时他提出的生物技术这 当时他提出的生物技术这 一名词的涵义是指甜菜作为饲料进行大规模养猪一名词的涵义是指甜菜作为饲料进行大规模养猪，即利用生物将原料转化为产品。，即利用生物将原料转化为产品。现在的 现在的 生物技术的定义为：生物技术的定义为：生物技术是应用自然科学及工程学原理依靠生物催化剂的作用将物料 生物技术是应用自然科学及工程学原理依靠生物催化剂的作用将物料 进行加工以提供产品或社会服务的技术。因此，进行加工以提供产品或社会服务的技术。因此，生物技术是一门综合性多学科技术生物技术是一门综合性多学科技术，他涉 ，他涉 及的基础学科有生物学、化学和工程学。下图为生物技术与基础学科关系的示意图及的基础学科有生物学、化学和工程学。下图为生物技术与基础学科关系的示意图。它逐 。它逐 渐成为与生物学、渐成为与生物学、生物化学、生物化学、化学工程等多学科密切相关的综合性边缘学科化学工程等多学科密切相关的综合性边缘学科。 。 现代生物技术作为一门新兴的高科技术产业现代生物技术作为一门新兴的高科技术产业，它的生命力在于他对社会经济和发展的 ，它的生命力在于他对社会经济和发展的 各个方面都带来了极大冲击和影响。 各个方面都带来了极大冲击和影响。 发酵工程是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技术。 发酵工程是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技术。 发酵工程由于涉及到生物催化剂，因而与化学反应有关。发酵工程由于涉及到生物催化剂，因而与化学反应有关。由于生物技术的最终目标是 由于生物技术的最终目标是 建立工业生产过程为社会服务，因而该生产过程可称为生物反应过程（亦称为生化反应过 建立工业生产过程为社会服务，因而该生产过程可称为生物反应过程（亦称为生化反应过 程） 。 程） 。 在发酵技术中一般包括微生物细胞或动植物细胞的悬浮培养，或利用固定化酶，固定 在发酵技术中一般包括微生物细胞或动植物细胞的悬浮培养，或利用固定化酶，固定 化细胞所做的反应器加工底物化细胞所做的反应器加工底物（即有生化催化剂参加） ，（即有生化催化剂参加） ， 以及培养加工后产物大规模的分离 以及培养加工后产物大规模的分离 提取等工艺提取等工艺。主要是在生物反应过程中提供各种所需的最适环境条件。如酸碱度、。主要是在生物反应过程中提供各种所需的最适环境条件。如酸碱度、湿度、 湿度、 底物浓度、通气量以及保证无菌状态等研究内容。 底物浓度、通气量以及保证无菌状态等研究内容。 二、二、发酵工程的发展历史 发酵工程的发展历史 生物技术的发展和利用可以追溯到生物技术的发展和利用可以追溯到 1000 多年（甚至多年（甚至 4000 多年）以前如酒类的酿造。 多年）以前如酒类的酿造。 而人类有意识地利用酵母进行大规模发酵生产是在而人类有意识地利用酵母进行大规模发酵生产是在 19 世纪。 世纪。 当时进行大规模生产的发酵产 当时进行大规模生产的发酵产 品有乳酸、品有乳酸、酒精酒精、面包酵母、面包酵母、柠檬酸和蛋白酶等初级代谢产物柠檬酸和蛋白酶等初级代谢产物。19 世纪中叶，世纪中叶，法国葡萄酒 法国葡萄酒 的酿造者在酿酒的过程中遇到了麻烦的酿造者在酿酒的过程中遇到了麻烦，他们酿造的美酒总是变酸，他们酿造的美酒总是变酸，于是，于是，纷纷祈求于正在 纷纷祈求于正在 对发酵作用机制进行研究的巴斯德。对发酵作用机制进行研究的巴斯德。巴斯德不负重望，经过分析发现，这种变化是由乳酸 巴斯德不负重望，经过分析发现，这种变化是由乳酸 杆菌使糖部分转化为乳酸引起的。同时，找到了后来被称为乳酸杆菌的生物体。巴斯德提 杆菌使糖部分转化为乳酸引起的。同时，找到了后来被称为乳酸杆菌的生物体。巴斯德提 出出，只要对糖液进行灭菌，只要对糖液进行灭菌，就可以解决这个问题就可以解决这个问题，这种灭菌方法就是流传至今的巴斯德灭 ，这种灭菌方法就是流传至今的巴斯德灭 菌法菌法。 巴斯德关于发酵作用的研究，巴斯德关于发酵作用的研究， 从从 1857 年到年到 1876 年前后持续了年前后持续了 20 年。年。否定了当时盛行 否定了当时盛行 的所谓的所谓“自然发生说自然发生说”。 他认为他认为“一切发酵过程都是微生物作用的结果。一切发酵过程都是微生物作用的结果。 发酵是没有空气的生 发酵是没有空气的生 命过程。命过程。 微生物是引起化学变化的作用者微生物是引起化学变化的作用者”。 巴斯德的发现不仅对以前的发酵食品加工过程 巴斯德的发现不仅对以前的发酵食品加工过程 给以科学的解释，也为以后新的发酵过程的发现提供了理论基础，给以科学的解释，也为以后新的发酵过程的发现提供了理论基础，促进了生物学和工程学 促进了生物学和工程学 的结合。因此，巴斯德被称为生物工程之父。 的结合。因此，巴斯德被称为生物工程之父。 到了到了 20 世纪初， 世纪初， 人们发现某些梭菌能够引起丙酮丁醇的发酵， 人们发现某些梭菌能够引起丙酮丁醇的发酵， 丙酮是制造炸药的原料， 丙酮是制造炸药的原料， 随着第一次世界大战的爆发刺激了丙酮丁醇工业的极大发展。虽然现在竟争力更强的新方随着第一次世界大战的爆发刺激了丙酮丁醇工业的极大发展。虽然现在竟争力更强的新方 生物秀下载频道生物秀下载频道专业生物医药下载平台专业生物医药下载平台 /soft/ 生物秀论坛生物秀论坛资源共享资源共享、 、 学术交流学术交流、 、 互助社区互助社区 /bbs/ 2 法已逐步取代了昔日的发酵法。但它是第一个进行大规模工业生产的发酵过程，也是工业 法已逐步取代了昔日的发酵法。但它是第一个进行大规模工业生产的发酵过程，也是工业 生产中首次采用大量纯培养技术的。生产中首次采用大量纯培养技术的。这一工艺获得成功的重要因素是排除了培养体系中其 这一工艺获得成功的重要因素是排除了培养体系中其 他有害的微生物。他有害的微生物。这在这在 19 世纪末，世纪末，20 世纪初，是相当先进的生物技术。因此，可以说世纪初，是相当先进的生物技术。因此，可以说， ， 巴斯德是生物工程初始阶段的开拓者。巴斯德是生物工程初始阶段的开拓者。 1929 年年 Flemming 爵士发现了青霉素爵士发现了青霉素，从此生产技术产品中增加一大类新的产品，从此生产技术产品中增加一大类新的产品抗 抗 生素。生素。1929 年，年，英国科学家弗来明在污染了霉菌的细菌培养平板上观察到了霉菌菌落的周 英国科学家弗来明在污染了霉菌的细菌培养平板上观察到了霉菌菌落的周 围有一个细菌抑制圈围有一个细菌抑制圈，由于这种霉菌是青霉菌，由于这种霉菌是青霉菌，所以弗来明把这种抑制细菌生长的霉菌分 所以弗来明把这种抑制细菌生长的霉菌分 泌物叫青霉素。可是他的提取泌物叫青霉素。可是他的提取精制，在当时无法做到，弗来明只好忍痛割爱精制，在当时无法做到，弗来明只好忍痛割爱，放弃研究，放弃研究。 10 年以后，年以后，第二次世界大战的战火越烧越旺，第二次世界大战的战火越烧越旺，大量伤员急需抢救大量伤员急需抢救，英国的一些科学家 英国的一些科学家 恢复了弗来明的工作恢复了弗来明的工作，竟戏剧性的获得了成功。，竟戏剧性的获得了成功。当时，英国本土已经战火弥漫无法试制， 当时，英国本土已经战火弥漫无法试制， 美国承担了青霉素的试制任务。要生产这种药物美国承担了青霉素的试制任务。要生产这种药物，必须要有一种严格的、，必须要有一种严格的、将不需要的微生 将不需要的微生 物排除在生产体系之外的无菌操作技术，必须要从外界通入大量的空气而又不污染杂菌的 物排除在生产体系之外的无菌操作技术，必须要从外界通入大量的空气而又不污染杂菌的 培养技术，培养技术，还要想方设法从大量培养液中提取这种当时产量极低的较纯的青霉素。还要想方设法从大量培养液中提取这种当时产量极低的较纯的青霉素。美国的 美国的 科学家和工程师齐心协力， 科学家和工程师齐心协力， 攻克许多难关， 攻克许多难关， 到到 1942 年终于正式实现了青霉素的工业化生产。 年终于正式实现了青霉素的工业化生产。 这一伟大成就拯救了千千万万挣扎在战争死亡线上的人们这一伟大成就拯救了千千万万挣扎在战争死亡线上的人们。这是生物工程第一次划时代的 。这是生物工程第一次划时代的 飞跃。在这一飞跃中飞跃。在这一飞跃中，作为生物技术核心的发酵技术已从昔日的以厌氧发酵为主的工艺跃 ，作为生物技术核心的发酵技术已从昔日的以厌氧发酵为主的工艺跃 入深层通风发酵为主的工艺。入深层通风发酵为主的工艺。这种工艺不只是通通气，这种工艺不只是通通气， 而与此相适应的有一整套工程技术， 而与此相适应的有一整套工程技术， 如如 1、大量无菌空气的制备技术大量无菌空气的制备技术，2、中间无菌取样技术，中间无菌取样技术，3、设备的设计技术等等设备的设计技术等等。 。 因此， 因此， 我们说这是生物工程技术的一次划时代飞跃。尽管后来开发了许多新产品我们说这是生物工程技术的一次划时代飞跃。尽管后来开发了许多新产品，如数以千计的 ，如数以千计的 抗生素、抗生素、多类氨基酸、多类氨基酸、不同用途的酶制剂等，不同用途的酶制剂等，就根本来说，就根本来说，青霉素投产后的半个多世纪中， 青霉素投产后的半个多世纪中， 深层培养技术没有出现质的改变。深层培养技术没有出现质的改变。 20 世纪世纪 40 年代，以获取细菌的次生代谢产物年代，以获取细菌的次生代谢产物抗生素为主要特征的抗生素工业成为 抗生素为主要特征的抗生素工业成为 生物发酵工业技术的支柱产业生物发酵工业技术的支柱产业。 20 世纪世纪 50 年代，氨基酸发酵工业又成为生物技术产业的又一个成员。实现了对微生 年代，氨基酸发酵工业又成为生物技术产业的又一个成员。实现了对微生 物的的代谢进行人工调节，这又使生物技术进了一步。物的的代谢进行人工调节，这又使生物技术进了一步。 20 世纪世纪 60 年代年代，生物技术产业又增加了酶制剂工业这一成员。，生物技术产业又增加了酶制剂工业这一成员。 70 年代年代，为了解决由于人口迅速增长而带来的粮食短缺问题为了解决由于人口迅速增长而带来的粮食短缺问题，进行了非碳水化合物代 进行了非碳水化合物代 替碳水化合物的发酵替碳水化合物的发酵，如利用石油化工原料进行发酵生产，如利用石油化工原料进行发酵生产，培养单细胞蛋白，进行污水处 ，培养单细胞蛋白，进行污水处 理，理，能源开发等。能源开发等。 80 年代以来，随着重组年代以来，随着重组 DNA 技术的发技术的发展，可以按人类社会的需要，定向培养出有用 展，可以按人类社会的需要，定向培养出有用 的菌株，这为发酵工程技术引入了遗传工程的技术的菌株，这为发酵工程技术引入了遗传工程的技术，使生物技术进入了一个新的阶段。 ，使生物技术进入了一个新的阶段。 纵观生物技术的发展历史，纵观生物技术的发展历史，我们可以知道，我们可以知道，生物技术在经历了漫长的以传统工艺技术 生物技术在经历了漫长的以传统工艺技术 为主体的时期以后，为主体的时期以后，正向系统的理论和实际应用相结合的方向发展正向系统的理论和实际应用相结合的方向发展，即奠定了可靠的理论 ，即奠定了可靠的理论 和实践基础，也为今天和今后相当长时期生物技术的产业化准备了条件。 和实践基础，也为今天和今后相当长时期生物技术的产业化准备了条件。 三、三、发酵工程的特点 发酵工程的特点 在研究用微生物（生物催化剂）进行某种物质生产时，大体上有两种研究方式：一种 在研究用微生物（生物催化剂）进行某种物质生产时，大体上有两种研究方式：一种 是各种酶水平上研究微生物细胞内（是各种酶水平上研究微生物细胞内（外）的生物化学反应外）的生物化学反应，如大量摇瓶在实验室里观察限 ，如大量摇瓶在实验室里观察限 制反应速率的因素和最适的培养方法制反应速率的因素和最适的培养方法，这可以认为是一种小规模的研究形式；另一种是大 ，这可以认为是一种小规模的研究形式；另一种是大 规模的研究形式，即过程放大。利用小型和中型反应器（规模的研究形式，即过程放大。利用小型和中型反应器（培养罐）培养罐）进行培养试验，进行培养试验，并进一 并进一 步在工业规模上研究生产物的分离和精制方法，步在工业规模上研究生产物的分离和精制方法，以确定在细胞水平上的综合的最适培养条 以确定在细胞水平上的综合的最适培养条 件。 件。 一般化学工业的放大一般化学工业的放大，可以说仅需对其放大原理给予充分的研究就足够了，可以说仅需对其放大原理给予充分的研究就足够了。而在发酵 。而在发酵 技术的放大方面，则需要由小试放大到中试逐步进行探讨技术的放大方面，则需要由小试放大到中试逐步进行探讨。实验室进行的小规模发酵所获 。实验室进行的小规模发酵所获 得的最适条件的各种参数，得的最适条件的各种参数，能否在工业规模生产使用的一百多立方到数百立方，也同样保能否在工业规模生产使用的一百多立方到数百立方，也同样保 生物秀下载频道生物秀下载频道专业生物医药下载平台专业生物医药下载平台 /soft/ 生物秀论坛生物秀论坛资源共享资源共享、 、 学术交流学术交流、 、 互助社区互助社区 /bbs/ 3 证其最适条件，那就是不是轻而易举的事了。这是发酵工程的一个基本特点。例如证其最适条件，那就是不是轻而易举的事了。这是发酵工程的一个基本特点。例如，从摇 ，从摇 瓶试验到各种规模的反应器试验瓶试验到各种规模的反应器试验，即使培养液的成分、，即使培养液的成分、温度温度、pH 值等参数各种条件完全 值等参数各种条件完全 相同，并且微生物的活性及其培养过程与各个装置之间有着必要的相互关联，但一般情况 相同，并且微生物的活性及其培养过程与各个装置之间有着必要的相互关联，但一般情况 下，下，反应结果可能完全不一致。反应结果可能完全不一致。尽管目前已有生物传感器，尽管目前已有生物传感器，可以迅速准确地就位监测罐内、 可以迅速准确地就位监测罐内、 塔内或反应器中的反应过程塔内或反应器中的反应过程，也有微机处理帮助大大提高了自动化调控的能力，而这些先 ，也有微机处理帮助大大提高了自动化调控的能力，而这些先 进装置确实是保证在最适条件下进行发酵的有利武器，但如何保证大规模发酵在最适条件 进装置确实是保证在最适条件下进行发酵的有利武器，但如何保证大规模发酵在最适条件 下进行，仍是一个值得研究的课题，下进行，仍是一个值得研究的课题，它不仅涉及到发酵设备的工程问题，它不仅涉及到发酵设备的工程问题，也与各类生物细 也与各类生物细 胞的生理生化特性相关。 胞的生理生化特性相关。 一般生物反应过程由四个部分组成。 一般生物反应过程由四个部分组成。 （1） 材料的预处理 ） 材料的预处理 包括原材料的选择，包括原材料的选择，必要的物理和化学方法加工必要的物理和化学方法加工，此过程是为提供微生物细胞可以生 ，此过程是为提供微生物细胞可以生 长和产物形成的基本原料，即培养基的制备过程，长和产物形成的基本原料，即培养基的制备过程，包括其配制和灭菌等。 包括其配制和灭菌等。 （2） 生物催化剂的制备 ） 生物催化剂的制备 生物反应的催化剂生物反应的催化剂酶基本上是由微生物产生的酶基本上是由微生物产生的。因此，。因此，要选择高产、稳定、高效要选择高产、稳定、高效、 、 容易培养的菌株，并以此菌株再经过多次逐级扩大培养后达到足够的数量并具有理想质量 容易培养的菌株，并以此菌株再经过多次逐级扩大培养后达到足够的数量并具有理想质量 的微生物培养液作为的微生物培养液作为“种子种子”接到反应器中。也可以利用固定化酶或固定化细胞，这就要通 接到反应器中。也可以利用固定化酶或固定化细胞，这就要通 过一定的固定化技术来制备。 过一定的固定化技术来制备。 （3） 生物反应器及反应条件的选择与监控 ） 生物反应器及反应条件的选择与监控 生物反应器是进行生物反应的核心设备，生物反应主要是在生物反应器中进行的，生物反应器是进行生物反应的核心设备，生物反应主要是在生物反应器中进行的，它 它 为微生物细胞或酶提供合适的反应条件以达到细胞增殖或产品形成的目的为微生物细胞或酶提供合适的反应条件以达到细胞增殖或产品形成的目的。 。 反应器的结构、 反应器的结构、 操作方式和操作条件对反应原料的转化率、产品质量和产品成本有着密切关系。根据发酵 操作方式和操作条件对反应原料的转化率、产品质量和产品成本有着密切关系。根据发酵 周期长短、周期长短、培养条件等，可采取间歇式操作、多级反应器串联的连续操作等。同时反应参 培养条件等，可采取间歇式操作、多级反应器串联的连续操作等。同时反应参 数的检测与控制对生物反应过程的顺利进行也是十分重要的。 数的检测与控制对生物反应过程的顺利进行也是十分重要的。 （4） 产品的分离纯化 ） 产品的分离纯化 这一工序也叫下游加工程序这一工序也叫下游加工程序，其目的是用适当的方法和手段将含量较低的产物从反应 ，其目的是用适当的方法和手段将含量较低的产物从反应 液中提取出来（指胞外产物液中提取出来（指胞外产物）或从细胞中（指胞内产物）或从细胞中（指胞内产物）提取出来提取出来，并加以精制以达到规 ，并加以精制以达到规 定的质量要求。包括物理方法、化学方法、生物方法等。定的质量要求。包括物理方法、化学方法、生物方法等。生物反应过程主要有这样一些特 生物反应过程主要有这样一些特 点：点： a 采用可再生资源作为主要原料采用可再生资源作为主要原料，因而原料来源丰实，因而原料来源丰实，价格低廉，价格低廉，过程中废物的危害 过程中废物的危害 性较小，但由于原料的成分复杂，往往难以控制会给产品质量带来一定的影响。性较小，但由于原料的成分复杂，往往难以控制会给产品质量带来一定的影响。 b 由于采用的是生物催化剂由于采用的是生物催化剂，反映过程一般在常温常压下进行反映过程一般在常温常压下进行。但生物催化剂易受 。但生物催化剂易受 环境的影响和杂菌的污染，因而很易失活环境的影响和杂菌的污染，因而很易失活，难以长期使用。，难以长期使用。 c与一般化工产品相比，与一般化工产品相比，其生产设备比较简单，其生产设备比较简单，能耗较低。能耗较低。但某些生物反应由于其特 但某些生物反应由于其特 殊性质而使反应基质浓度和产物浓度均不能太高殊性质而使反应基质浓度和产物浓度均不能太高，这是因为微生物细胞或生物酶受 这是因为微生物细胞或生物酶受 底物浓度或产物浓度的抑制或不能耐高渗透压所致，底物浓度或产物浓度的抑制或不能耐高渗透压所致，不仅使反应器体积增大，不仅使反应器体积增大，而且 而且 也加大了提取的困难，因而反应器生产效率较低。也加大了提取的困难，因而反应器生产效率较低。 d 尽管生物反应过程成本低，尽管生物反应过程成本低，应用广，应用广，但反应极为复杂，但反应极为复杂，较难检测与控制。较难检测与控制。反应液中 反应液中 杂质多，给分离提纯带来了困难。 杂质多，给分离提纯带来了困难。 四四. 生物反应过程的分类 生物反应过程的分类 随着生物技术的发展随着生物技术的发展，生物反应过程的种类和规模都在不断的扩大，生物反应过程的种类和规模都在不断的扩大。目前已进行 。目前已进行 工业生产的主要有酶催化反应过程，微生物反应过程和废水的生物处理过程工业生产的主要有酶催化反应过程，微生物反应过程和废水的生物处理过程。 1. 酶催化反应过程 酶催化反应过程 采用游离酶或固定化酶为催化剂时的反应过程。采用游离酶或固定化酶为催化剂时的反应过程。生物体中所进行的反应几乎都是 生物体中所进行的反应几乎都是 在酶的催化下进行的。在酶的催化下进行的。工业生产中所用的酶工业生产中所用的酶，或是经提取分离得到的游离酶，或是经提取分离得到的游离酶，或是固或是固 生物秀下载频道生物秀下载频道专业生物医药下载平台专业生物医药下载平台 /soft/ 生物秀论坛生物秀论坛资源共享资源共享、 、 学术交流学术交流、 、 互助社区互助社区 /bbs/ 4 定在多种载体上的固定化酶 定在多种载体上的固定化酶 。 2. 微生物反应过程 微生物反应过程 采用活细胞为催化剂时的反应过程采用活细胞为催化剂时的反应过程。这既包括一般的微生物发酵反应过程。这既包括一般的微生物发酵反应过程，也包 ，也包 括固定化细胞反应过程和动植物细胞的培养过程。括固定化细胞反应过程和动植物细胞的培养过程。 3. 废水的生物处理过程 废水的生物处理过程 它是利用微生物本身的分解能力和净化能力，除去废水中污染物质的过程它是利用微生物本身的分解能力和净化能力，除去废水中污染物质的过程。废水 。废水 生物处理过程与微生物反应过程虽然都是利用微生物的反应过程生物处理过程与微生物反应过程虽然都是利用微生物的反应过程，但与后者相比废水 ，但与后者相比废水 的生物处理具有以下特点：的生物处理具有以下特点： a) 是由细菌等菌类、是由细菌等菌类、原生动物、原生动物、微小原生动物等各种微生物构成的混合培养系统。微小原生动物等各种微生物构成的混合培养系统。 b) 几乎全部采用连续操作系统。几乎全部采用连续操作系统。 c) 微生物所处的环境条件波动大微生物所处的环境条件波动大。 d) 反应的目的是消除有害物质而不是代谢产物和微生物本身。 反应的目的是消除有害物质而不是代谢产物和微生物本身。 五、五、生物化学工程的基本内容 生物化学工程的基本内容 生化工程是运用化学工程的原理和方法将生物技术的实验室成果进行工业开发的一门 生化工程是运用化学工程的原理和方法将生物技术的实验室成果进行工业开发的一门 学科。其原理与方法是指用以解决生产过程中有关化学反应、原料处理和产物的分离、能 学科。其原理与方法是指用以解决生产过程中有关化学反应、原料处理和产物的分离、能 量的传递、设备的设计与放大量的传递、设备的设计与放大、过程的控制和优化等一系列工程技术问题。 、过程的控制和优化等一系列工程技术问题。 在生物化学反应过程的上游加工中最重要的是生物催化剂在生物化学反应过程的上游加工中最重要的是生物催化剂 （包括菌株、（包括菌株、 酶及其固定化） 酶及其固定化） 的制备，因此必须掌握生物催化剂的生理生化特性和培养特性，解决大规模种子培养或固 的制备，因此必须掌握生物催化剂的生理生化特性和培养特性，解决大规模种子培养或固 定化生物催化剂的制备以及如何将其在无菌状态下接入生物反应器中等问题定化生物催化剂的制备以及如何将其在无菌状态下接入生物反应器中等问题。 。 上游加工中还包括原材料的物理和化学处理上游加工中还包括原材料的物理和化学处理、培养基的配制和灭菌等问题、培养基的配制和灭菌等问题，这里包括 ，这里包括 有物料破碎有物料破碎、混合和输送等多种化工单元操作以及热量传递、灭菌动力学和设备等有关工 、混合和输送等多种化工单元操作以及热量传递、灭菌动力学和设备等有关工 程问题。 程问题。 生物反应器是整个生物反应过程的关键设备生物反应器是整个生物反应过程的关键设备。它是为特定的细胞或酶提供适宜的生长 。它是为特定的细胞或酶提供适宜的生长 环境或进行特定的生化反应的设备，环境或进行特定的生化反应的设备，它的结构、它的结构、操作方式和操作条件与产品的质量操作方式和操作条件与产品的质量、产量 、产量 和能耗有着密切的关系。生物反应器存在着物料的混合与流动、传质与传热等化学工程问 和能耗有着密切的关系。生物反应器存在着物料的混合与流动、传质与传热等化学工程问 题题；存在着氧和基质的供需和传递、；存在着氧和基质的供需和传递、发酵动力学发酵动力学、酶催化反应动力学、发酵液的流变学以 、酶催化反应动力学、发酵液的流变学以 及生物反应器的设计与放大等一系列带有共性的工程技术问题；同时还包括生物反应过程 及生物反应器的设计与放大等一系列带有共性的工程技术问题；同时还包括生物反应过程 的参数检测和控制。的参数检测和控制。有关这一中游加工过程的工程问题已发展成为生化工程的重要学科分 有关这一中游加工过程的工程问题已发展成为生化工程的重要学科分 支支生物反应工程。 生物反应工程。 生物反应过程的下游是对目的产物的提取与精制生物反应过程的下游是对目的产物的提取与精制。这一过程是比较困难的。这一过程是比较困难的。这是因为 。这是因为 一方面生物反应液中的目的产物的浓度是很低微的一方面生物反应液中的目的产物的浓度是很低微的。 。 例如， 例如， 浓度最高的乙醇仅为浓度最高的乙醇仅为 10%左右， 左右， 氨基酸不超过氨基酸不超过 8%，抗生素不超过抗生素不超过 5%，酶制剂不超过酶制剂不超过 1%，胰岛素不超过胰岛素不超过 0.01%，单克隆 单克隆 抗体不超过抗体不超过 0.0001%；另一方面因为反应液杂质常与目的产物有相似的结构；另一方面因为反应液杂质常与目的产物有相似的结构，加上一些具 ，加上一些具 有生物活性的产品对温度、有生物活性的产品对温度、酸碱度都十分敏感，酸碱度都十分敏感，一些作为药物或食品的产品对纯度一些作为药物或食品的产品对纯度、有害 、有害 物质都有严格的要求物质都有严格的要求。总之。总之，下游加工过程步骤多，要求严，其生产费用往往占生产成本 ，下游加工过程步骤多，要求严，其生产费用往往占生产成本 的一半以上。 的一半以上。 生物技术研究的主要目标是最大限度地提高上游处理、发酵与转化生物技术研究的主要目标是最大限度地提高上游处理、发酵与转化、下游处理这三个 、下游处理这三个 步骤的整体效率步骤的整体效率，同时寻找一些可以用来制备食品同时寻找一些可以用来制备食品、食品添加剂和药物的微生物食品添加剂和药物的微生物。从从 20 世纪世纪 6070 年代起，生物技术的研究主要集中在上游处理过程、年代起，生物技术的研究主要集中在上游处理过程、生物反应器的设计和下游 生物反应器的设计和下游 的纯化过程方面，这些研究使发酵过程的检测、的纯化过程方面，这些研究使发酵过程的检测、生物反应体系的检测技术和有效的大量培 生物反应体系的检测技术和有效的大量培 养微生物的技术及相关仪器方面都有了很大的发展。目前养微生物的技术及相关仪器方面都有了很大的发展。目前，这些仪器已经可以用于生产各 ，这些仪器已经可以用于生产各 种不同的产品。 种不同的产品。 在利用微生物生产商品的整个过程中在利用微生物生产商品的整个过程中，生物转化这个环节往往是最难优化的。通常用 ，生物转化这个环节往往是最难优化的。通常用 于大规模生产的培养条件往往不是自然条件下微生物的最佳生长条件。因此，人们一般通于大规模生产的培养条件往往不是自然条件下微生物的最佳生长条件。因此，人们一般通 生物秀下载频道生物秀下载频道专业生物医药下载平台专业生物医药下载平台 /soft/ 生物秀论坛生物秀论坛资源共享资源共享、 、 学术交流学术交流、 、 互助社区互助社区 /bbs/ 5 过化学突变过化学突变、化学诱变或者紫外线照射来产生突变体，从而改良菌种、提高产量，、化学诱变或者紫外线照射来产生突变体，从而改良菌种、提高产量，传统的 传统的 诱导突变和选择的方法在发酵生产中获得了较大的成功。诱导突变和选择的方法在发酵生产中获得了较大的成功。多种抗生素的大量生产过程就是 多种抗生素的大量生产过程就是 这种方法的成功例证。 这种方法的成功例证。 但是通过传统的方法提高产量的幅度是非常有限的，如果一个突变了的菌株某一组分 但是通过传统的方法提高产量的幅度是非常有限的，如果一个突变了的菌株某一组分 合成太多，合成太多，那么其他一些代谢物的合成就会受到影响，因此这反过来又会影响微生物在大 那么其他一些代谢物的合成就会受到影响，因此这反过来又会影响微生物在大 规模发酵过程中的生长。传统的诱变和选择的方法过程繁琐、耗时过长、规模发酵过程中的生长。传统的诱变和选择的方法过程繁琐、耗时过长、费用极高费用极高，需要 ，需要 筛选和检测大量的克隆。另外，用传统的方法能提高微生物一种已有的遗传性质，筛选和检测大量的克隆。另外，用传统的方法能提高微生物一种已有的遗传性质，并不能 并不能 赋予这种微生物以其他遗传特性。总的来说传统的改良菌种的生物技术还仅仅局限在化学 赋予这种微生物以其他遗传特性。总的来说传统的改良菌种的生物技术还仅仅局限在化学 工程和微生物工程的领域内。工程和微生物工程的领域内。随着随着 DNA 重组技术的出现和发展重组技术的出现和发展，这种情况发生了根本性 ，这种情况发生了根本性 的改变。 的改变。 现代生物技术的发展主要体现在下列几方面：现代生物技术的发展主要体现在下列几方面： 1、 、 基因操作技术日新月异基因操作技术日新月异，不断完善。不断完善。新技术新技术、新方法一经产生就迅速的通过商业渠道 、新方法一经产生就迅速的通过商业渠道 出售此项技术并在市场上加以应用。出售此项技术并在市场上加以应用。 2、 、 基因工程药物和疫苗研究与开发突飞猛进基因工程药物和疫苗研究与开发突飞猛进。新的生物治疗制剂的产业化前景十分光明，新的生物治疗制剂的产业化前景十分光明， 21 世纪整个医药工业将面临全面的更新和改造。世纪整个医药工业将面临全面的更新和改造。 3、 、 转基因动物和植物取得重大突破转基因动物和植物取得重大突破。现代生物技术在农业上的广泛应用作为生物技术的。现代生物技术在农业上的广泛应用作为生物技术的 “第二次浪潮第二次浪潮”在在 21 世纪将全面展开世纪将全面展开，给农业畜牧业生产带了新的飞跃。生物技术对农 ，给农业畜牧业生产带了新的飞跃。生物技术对农 业的总贡献率大于业的总贡献率大于 70%，功能性食品在营养学上起着革命性的变化。，功能性食品在营养学上起着革命性的变化。 4、 、 阐明生物体阐明生物体（目前主要有人类（目前主要有人类、水稻水稻、拟南芥等、拟南芥等）基因组及其编码蛋白质的结构和功 基因组及其编码蛋白质的结构和功 能是当今生命科学的一个主流方向。能是当今生命科学的一个主流方向。目前已有多个原核生物及一个真核生物目前已有多个原核生物及一个真核生物（酵母）酵母）的 的 基因组序列被全部测定。基因组序列被全部测定。与人类重大疾病相关的基因和与农作物产量、与人类重大疾病相关的基因和与农作物产量、质量、质量、抗性等有 抗性等有 关基因的结构与功能及其应用研究是今后一个时期研究的热点和重点。关基因的结构与功能及其应用研究是今后一个时期研究的热点和重点。 5、 、 基因治疗取得重大进展基因治疗取得重大进展，有可能革新整个疾病的预防和治疗领域有可能革新整个疾病的预防和治疗领域。估计在本世纪初， 。估计在本世纪初， 恶性肿瘤、恶性肿瘤、爱滋病的防治可望有所突破。 （基因治疗对象：爱滋病的防治可望有所突破。 （基因治疗对象：遗传病、遗传病、恶性肿瘤、恶性肿瘤、艾滋病、 艾滋病、 乙肝乙肝、代谢性病、代谢性病、心血管病等心血管病等） 6、 、 蛋白质工程是基因工程的发展蛋白质工程是基因工程的发展，它将分子生物学、它将分子生物学、结构生物学结构生物学、计算机技术结合起来， 计算机技术结合起来， 形成一门高度综合的学科。形成一门高度综合的学科。 7、 、 国际上信息技术的飞速发展渗透到了生命科学领域国际上信息技术的飞速发展渗透到了生命科学领域，形成了引人注目形成了引人注目、用途广泛的生 用途广泛的生 物信息学。 物信息学。 全球通讯网络的日益扩大和完善也大大加速了生物技术的研究、 全球通讯网络的日益扩大和完善也大大加速了生物技术的研究、 应用和开发。 应用和开发。 现代生物技术在近现代生物技术在近 20 年的发展中受到了各方面人士的普遍关注年的发展中受到了各方面人士的普遍关注，更有许多专家将更有许多专家将 21 世纪称为生命科学的世纪，世纪称为生命科学的世纪， 将现代生物技术产业称为将现代生物技术产业称为 21 世纪的朝阳产业世纪的朝阳产业。 一方面是 一方面是 由于现代生物技术发展迅速，由于现代生物技术发展迅速，用途广泛；用途广泛；另一方面是由于现代生物技术具有其他技术 另一方面是由于现代生物技术具有其他技术 所无法比拟的优越性，所无法比拟的优越性，即可持续发展即可持续发展。面对人口膨胀。面对人口膨胀、资源枯竭、资源枯竭、环境污染等一系列 、环境污染等一系列 直接关系到整个人类生死存亡的严重问题。 ，直接关系到整个人类生死存亡的严重问题。 ，人们越来越深刻的认识到了发展具有可持 人们越来越深刻的认识到了发展具有可持 续发展的新技术续发展的新技术、新产业的必要性和紧迫性新产业的必要性和紧迫性。由于生物技术是以生物。由于生物技术是以生物（动物动物、植物、 植物、 微生物微生物、培养细胞等）、培养细胞等）为原料生产产品的为原料生产产品的，因此其原料具有再生性，因此其原料具有再生性，同时利用生物系 同时利用生物系 统生产产品产生的污染物很少统生产产品产生的污染物很少，对环境的破坏性很小或几乎没有对环境的破坏性很小或几乎没有，重组微生物甚至还 ，重组微生物甚至还 可以消除环境中的污染物可以消除环境中的污染物。鉴于生物技术产业的以上特点。鉴于生物技术产业的以上特点，清洁，清洁、经济的生物技术必 、经济的生物技术必 然会在然会在 21 世纪获得更大的发展世纪获得更大的发展。 。 六、六、如何学习发酵工程与设备 如何学习发酵工程与设备 以微生物的生命活动为基础的发酵工业正为人类的健康和生产实践服务，以微生物的生命活动为基础的发酵工业正为人类的健康和生产实践服务，生产了大量 生产了大量 的抗生素、的抗生素、酶制剂、酶制剂、氨基酸氨基酸、维生素、维生素、蛋白质以及其他有用产品。、蛋白质以及其他有用产品。为了在今后实际工作中 为了在今后实际工作中 对提高发酵工程的生产效率和创立新的发酵过程有所认识对提高发酵工程的生产效率和创立新的发酵过程有所认识，我们必须运用生物化学，我们必须运用生物化学、微生 、微生 物学等已学过的知识物学等已学过的知识，详细了解和掌握发酵条件下的微生物新成代谢的规律和整个反应过，详细了解和掌握发酵条件下的微生物新成代谢的规律和整个反应过 生物秀下载频道生物秀下载频道专业生物医药下载平台专业生物医药下载平台 /soft/ 生物秀论坛生物秀论坛资源共享资源共享、 、 学术交流学术交流、 、 互助社区互助社区 /bbs/ 6 程所涉及的各个条件及作用程所涉及的各个条件及作用，对微生物各种反应做定量的动力学方面初步研究以控制微生 ，对微生物各种反应做定量的动力学方面初步研究以控制微生 物生命活动的途径，物生命活动的途径，在此基础上，学习和掌握微生物代谢过程中的物质传递机理；在此基础上，学习和掌握微生物代谢过程中的物质传递机理；同时， 同时， 认识和了解整个生物反应过程中的设备结构和计算、形式各异的反应器的结构和特点，即 认识和了解整个生物反应过程中的设备结构和计算、形式各异的反应器的结构和特点，即 在这门课程中，在这门课程中，对微生物发酵工业中培养基灭菌、对微生物发酵工业中培养基灭菌、空气除菌、空气除菌、反应动力学数学模型的建立、 反应动力学数学模型的建立、 发酵设备的结构、通气搅拌功率计算和设备放大发酵设备的结构、通气搅拌功率计算和设备放大、设备选型及设计方法进行较为全面的分 、设备选型及设计方法进行较为全面的分 析和讲解，并在讲解中列举部分实例和有关生化工程设计数据。 析和讲解，并在讲解中列举部分实例和有关生化工程设计数据。 另外，要结合有关工艺、技术、设备另外，要结合有关工艺、技术、设备等方面的知识认真准备和操作实验，等方面的知识认真准备和操作实验，做到理论联 做到理论联 系实际，便于今后能够较快较好的适应工作。 系实际，便于今后能够较快较好的适应工作。 第二章 第二章 菌种的扩大培养 菌种的扩大培养 菌种的扩大培养就是把保藏的菌种，菌种的扩大培养就是把保藏的菌种，即砂土管，即砂土管，冷冻干燥管中处于休眠状态的生产菌 冷冻干燥管中处于休眠状态的生产菌 种接入试管斜面活化种接入试管斜面活化，再经过扁瓶或药瓶和种子罐，逐级扩大培养后达到一定的数量和质 ，再经过扁瓶或药瓶和种子罐，逐级扩大培养后达到一定的数量和质 量的纯种培养过程量的纯种培养过程。这些纯种的培养物称为种子。 。这些纯种的培养物称为种子。 工业规模的发酵罐体积越来越大，工业规模的发酵罐体积越来越大，目前已达到几十立方米至几百立方米。目前已达到几十立方米至几百立方米。若按若按 510 的接种量计算，就要接入几立方到几十立方米的种子。的接种量计算，就要接入几立方到几十立方米的种子。这单靠试管里的种子直接接入是 这单靠试管里的种子直接接入是 不可能达到必需的数量和质量的， 不可能达到必需的数量和质量的， 必须从试管中的微生物菌种逐级扩大为生产使用的种子。 必须从试管中的微生物菌种逐级扩大为生产使用的种子。 这是一个从实验室制备到车间生产的过程。然而这是一个从实验室制备到车间生产的过程。然而，菌种种类不同，菌种种类不同，生产产品品种不同，其 生产产品品种不同，其 生产方法和生产条件均有所差别，如营养、温度生产方法和生产条件均有所差别，如营养、温度、酸碱度、酸碱度、氧等条件。因此，种子扩大培 、氧等条件。因此，种子扩大培 养应根据菌种的生理特性，养应根据菌种的生理特性，选择合适的培养条件来获得代谢旺盛和数量足够的种子选择合适的培养条件来获得代谢旺盛和数量足够的种子。这种 。这种 种子接入发酵罐后，种子接入发酵罐后，会使发酵生产周期缩短，设备利用率提高，对杂菌的抵抗能力增加， 会使发酵生产周期缩短，设备利用率提高，对杂菌的抵抗能力增加， 对发酵生产起到了关键性的作用。所以种子质量的好坏至关重要对发酵生产起到了关键性的作用。所以种子质量的好坏至关重要。 。 种子必须具备的条件：种子必须具备的条件：菌种细胞的生长活力强菌种细胞的生长活力强，接种后在发酵罐中能迅速生长，接种后在发酵罐中能迅速生长； 生理性状稳定生理性状稳定； 菌体总量和浓度能满足大容量发酵罐的要求菌体总量和浓度能满足大容量发酵罐的要求； 无杂菌污染 无杂菌污染 （不带杂菌） ；（不带杂菌） ； 生产能力稳定。 生产能力稳定。 第一节 种子制备 第一节 种子制备 种子制备过程可分为两大阶段种子制备过程可分为两大阶段（如图） ：（如图） ： a、 砂土管（冷 冻干燥管） 斜 面 摇瓶 固 体斜 面 b、 摇瓶 固 体 种 子 罐 发酵罐 实验室种子制备阶段：琼脂斜面至固体培养基扩大培养实验室种子制备阶段：琼脂斜面至固体培养基扩大培养（如茄子瓶斜面培养等或液体摇 （如茄子瓶斜面培养等或液体摇 瓶培养。瓶培养。 生产车间种子制备阶段：种子罐扩大培养生产车间种子制备阶段：种子罐扩大培养。 。 一 一 实验室种子制备 实验室种子制备 在砂土管或冷冻干燥管内保藏的菌种以无菌的方式接至适合的斜面培养基上，培养成在砂土管或冷冻干燥管内保藏的菌种以无菌的方式接至适合的斜面培养基上，培养成 生物秀下载频道生物秀下载频道专业生物医药下载平台专业生物医药下载平台 /soft/ 生物秀论坛生物秀论坛资源共享资源共享、 、 学术交流学术交流、 、 互助社区互助社区 /bbs/ 7 熟后挑选正常的菌落再接一次试管斜面。对那些产孢能力强、孢子发芽生长繁殖快的菌种 熟后挑选正常的菌落再接一次试管斜面。对那些产孢能力强、孢子发芽生长繁殖快的菌种 可以采取在固体培养基上培养的方法可以采取在固体培养基上培养的方法，孢子可直接接入种子罐，从而简化了操作，孢子可直接接入种子罐，从而简化了操作，减少了 减少了 操作步骤，操作步骤，同时也减少了染菌的机会同时也减少了染菌的机会。例如生产青霉素的产黄青霉菌，采用大米或小米作 。例如生产青霉素的产黄青霉菌，采用大米或小米作 为固体培养基为固体培养基，取一定量装入取一定量装入 250ml 茄子瓶中进行灭菌，米粒含水量一定要控制好茄子瓶中进行灭菌，米粒含水量一定要控制好，米粒 米粒 不能粘也不能散，不能粘也不能散，灭菌冷却后接入孢子悬浮液，在灭菌冷却后接入孢子悬浮液，在 2528 培养 培养 414 天。培养期间， 天。培养期间， 还要经常翻动，还要经常翻动，保持通气均匀。保持通气均匀。培养结束后，培养结束后，或接入种子罐，或接入种子罐，或以真空抽去水分至或以真空抽去水分至 10以 以 下，于下，于 4冰箱中保存备用冰箱中保存备用。 。 对于产孢子能力不强或孢子发芽慢的菌种，对于产孢子能力不强或孢子发芽慢的菌种，如产链霉素的灰色链霉菌，产卡那霉素的 如产链霉素的灰色链霉菌，产卡那霉素的 卡那链霉菌都是以摇瓶液体培养法。卡那链霉菌都是以摇瓶液体培养法。孢子接入含液体培养基的摇瓶中，在摇床上恒温振荡 孢子接入含液体培养基的摇瓶中，在摇床上恒温振荡 培养培养，生长出的菌丝体作为种子。 ，生长出的菌丝体作为种子。 不产孢子的细菌，不产孢子的细菌，如生产谷氨酸的棒状杆菌属，短杆菌属，以如生产谷氨酸的棒状杆菌属，短杆菌属，以 32培养培养 1824 小时 小时 的斜面移入的斜面移入 250ml 茄子瓶斜面培养基上，或摇瓶培养基上，茄子瓶斜面培养基上，或摇瓶培养基上，32培养，培养，12 小时后可接入 小时后可接入 种子罐。 种子罐。 生产啤酒的酵母菌一般保存在麦芽汁琼脂培养基斜面上，生产啤酒的酵母菌一般保存在麦