发酵工程第一章 绪论

发酵工程,主讲人：王君 TelE-mail：995448767,fermention engineering,教材韦革宏 杨祥，发酵工程.科学出版社.2007 普通高等教育“十一五”规划教材参考书籍余龙江主编. 发酵工程原理与技术应用.化学工业出版社，2006-2008Peter F. Stanbury, Allan Whitaker, Stephen J. Hall. Principles of Fermentation Technology. (2nd Edition),考 核 方 式,闭卷考试占70平时课堂提问、作业、笔记、课堂论文与考勤占30,CONTENTS,一、发酵工程的概念二、发酵工程的发展简史三、发酵工程的基本内容四、发酵过程的主要发酵类型五、发酵工程的后处理,第一章 发酵工程概述,第一节 发酵工程的概念,微生物的发酵现象,请看下面现象,酵母作用于果汁或发芽谷物产生CO2,ferver：发泡、沸腾 fermentation,一.对发酵现象的不同理解 两种角度（能量、产物）,生物化学家,侧重能量代谢：1、能够在氧分子参与下进行有氧呼吸产生能量的生物可以进行： 有氧呼吸、糖酵解、厌氧呼吸（兼性微生物）（1）有氧呼吸（氧供应充分、有机物氧化彻底、产生大量能量）（2）糖酵解（暂时缺氧、有机物氧化不彻底、产生少量能量）2、无氧呼吸：特指那些不需要氧的微生物所进行的能量代谢。 指有机物经彻底或不彻底氧化，所脱下来的电子最后传给外源的无机氧化物(个别是有机氧化物)并释放较少能量。 根据最终电子受体不同，无氧呼吸分为：硝酸盐呼吸、硫酸盐呼吸、硫呼吸、碳酸盐呼吸及延胡索酸呼吸等。,发酵是微生物在无氧条件下分解代谢有机物释放能量的过程。,发酵是微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制 备微生物菌体或其代谢产物的过程。现代,生物化学家,生物化学家看待微生物发酵过程：,二.发酵工程概念？ 微生物细胞加工技术过程优化与放大,1.现代发酵工程：利用微生物特定性状和功能，将DNA重组及细胞融合技术、分子修饰和改造等新技术与传统发酵工程融合，大大提高传统发酵技术水平，拓展传统发酵应用领域和产品范围的一种现代工业生物技术体系。主要包括,完整发酵工程：投入原料获得最终产品 发酵和提取主要研究 解决工艺和设备问题 实验室和中试成果迅速扩大到工业生产中,2. 发酵工业的基本生产过程,1. 用作种子扩大培养及发酵生产的各种培 养基的配制；2. 培养基、发酵罐及其附属设备的消毒灭菌；3. 扩大培养出有活性的适量纯种，以一定比 例接种入发酵罐中；4. 控制最适发酵条件使微生物生长并形成大量的代谢产物；5. 将产物提取并精制，以得到合格的产品；6. 回收或处理发酵过程中所产生的三废物质。,微生物工业发酵基本过程,发酵工业的典型过程 深层发酵过程,3. 发酵工程技术特点,主体微生物的特点,发酵过程技术特点,传统发酵工业：酿造及食品业、抗生素、氨基酸、核苷酸、有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、生物农药、生物肥料等,现代发酵工业：基因工程药物、细胞工程药物、疫苗；替代石油工业的大宗量的生物基化学品等，以及传统发酵工业升级。,三.发酵过程的产品类型,现代发酵工业的中央控制,发酵工业的其他产品,微生物菌体 酶制剂 代谢产物 生物转化微生物特殊机能的利用 利用微生物消除环境污染 利用微生物发酵保持生态平衡 微生物湿法冶金 利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域,微生物菌体,传统菌体发酵工业现代菌体发酵工业,酵母发酵,菌体蛋白（单细胞蛋白）发酵,杀虫剂：苏云金杆菌，蜡样芽孢杆菌，侧孢芽孢杆菌；白僵菌、绿僵菌,疫苗,新的菌体发酵产品: 药用功能菌体 茯苓菌茯苓 担子真菌灵芝、香菇类 虫草头孢菌 密环菌,微生物菌体,面包酵母,藻类,芽孢杆菌和伴孢晶体,虫草头孢菌发酵生产虫草,酶制剂,广泛用于医药工业、食品和轻工业、石油化工酶试剂盒：医用诊断试剂盒、工业分析试剂盒等药用酶制剂：胆固醇氧化酶，葡萄糖氧化酶等食品工业用酶制剂：果胶酶，淀粉酶等基因重组技术用酶制剂：核酸酶（nuclease），包括DNA、RNA的内切酶、外切酶，DNA限制性内切酶、DNA连接酶等。饲料酶制剂：木聚糖酶、-葡聚糖酶、纤维素酶等,从初生代谢到次生代谢,微生物转化,在用维生素C一步和二步发酵法生产中,起主要氧化作用的葡糖酸杆菌对作用底物(D-山梨醇或L-山梨糖)的分子结构进行特异性改变。,四. 发酵工程在生物技术中的地位,生物技术：应用自然科学和工程学的原理，依靠生物及其细胞的催化作用，将物料进行加工以提供产品或为社会服务的技术。,发酵工程是生物技术的应用基 础，是生物技术产业的核心。,广义发酵工程对生物学和工程学的要求,上中下游相互关联！,生物技术体系,第二节、发酵工程发展简史,1900以前 传统发酵阶段（自然）19001940 纯培养技术的建立19401950 通气搅拌纯培养发酵技术的建立19501960 诱变技术与代谢控制发酵技术的建立19601970 开拓发酵原料时期（石油发酵时期）1970年以后 进入基因工程菌发酵时期，以及细胞 大规模培养技术的全面发展。 近年来，以现代生物技术和过程工程技术为基础的现代发酵工业突飞猛进。,1.传统发酵阶段,主要是酿造工业主要产品：酒、酒精、醋、 啤酒、干酪、酸乳等17世纪，能在容量为1500桶（一桶约136升）的 木质大桶中进行第一次真正的大规模酿造 1757年应用温度计；1801 使用原始热交换器 主要特点：嫌气发酵，非纯种培养 ，产品质量不稳定,2.纯培养技术的建立（近代发酵时期）,Koch首先发明固体培养基，建立细菌 的纯粹培养Petri创造一种培养皿(petri dish)用于 微生物平板分离Winograsky和 Beijerink发明富集培 养法，分离特定的微生物主要产品：酵母、甘油、乳酸、丙酮丁醇等,第一次世界大战， Weizmann 发明了丙酮丁醇发酵，建立了真正的无杂菌发酵。在面包酵母的生产中首先采用了分批补料培养技术 主要特点：纯培养为主、嫌氧发酵，产品产量 质量控制水平大大提高。,纯培养技术的建立,通气搅拌发酵技术的建立,标志：纯种培养深层发酵生产青霉素 主要技术进展：通气搅拌解决了液体深层培养的供氧问题。无菌空气、培养基灭菌、无污染接种、大 型发酵罐的密封与抗污染设计解决了耗氧 发酵中的杂菌污染问题。,主要特点：耗氧发酵实现规模化纯培养发 酵，一系列过程工程技术创新意义：推动抗生素工业乃至整个发酵工业快速发展建立了完整的好氧发酵放大技术及装备奠定了现代发酵工业的理论和实践基础,通气搅拌发酵技术的建立,代谢控制发酵技术的建立,基于代谢途径及其调控实现微生物菌种选育和控制发酵。 代谢控制发酵技术：应用生物化学的代谢知识和遗传学理论，选育微生物突变株，从而调控微生物代谢，大量积累目标发酵产物。主要应用：氨基酸及核苷酸等基于初生代谢产物 的发酵生产，以及有机酸 、抗生素等。,开拓新的发酵原料时期,目的：以烃类为碳源生产微生物细胞作为饲 料蛋白质的来源 技术进步：发展了高压喷射式、强制循环式等多种发 酵罐及其发酵技术 计算机和自动控制技术的运用：灭菌和发 酵过程自动控制，促进发酵工业朝连续化、 自动化方向发展,特点：解决发酵原料及人畜争粮问题；规模和自动化程度显著提高，能耗过大。,开拓新的发酵原料时期,3.基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）,主要标志 基因工程产品生产以及基因工程技术应用世界上已批准上市的基因工程药物有几十种，如：胰岛素、人生长激素等。,主要特点基因工程技术、细胞工程技术、酶工程技术以及发酵过程优化及放大技术的全面进步 高产微生物代谢产物及非微生物代谢产物的基因工程菌构建及产品的发酵生产主导碳氧经济发展，碳氢经济的替代及生物炼制技术的兴起,基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）,人胰岛素人生长激素(GH)表皮生长因子(EGF)肿瘤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,第三节、发酵工程基本内容,（一）发酵工程的一般特征1、发酵工业一般是在常温常压下进行的生物化学反应，反应条件比较温和。2、可用较廉价的原料生产较高价值的产品。3、发酵过程是通过生物体自适应调节来完成的，反应的专一性强，因而可以得到单一性的代谢产物。4、易产生复杂高分子化合物。5、高度选择性的进行复杂化合物在特定部位的氧化、还原、官能团导入。6、生产发酵产物的生物物质菌体本身也是发酵产物。7、发酵生产需要注意防止染菌。8、发酵生产不受地理、气候、季节等自然条件的限制，可改良菌种。,存在问题1、底物不可能完全转化为产物，副产物的产生不可避免；2、产物的获得除受环境因素影响外，也受细胞内因素的影响，菌体易变异；3、原料是农副产品，虽廉价，但质量价格波动大准备工作量大，花费高，反应器效率低；4、过高的底物产物或产物浓度常导致酶的抑制或细胞不能耐受过高的渗透压而失活；5、COD、BOD在发酵过程中常需要调控。,（二）发酵工程菌的特点1、在廉价培养基上生长迅速 2、易于控制选育抗噬菌体能力强的菌株 4、菌种纯粹，不易变异5、菌种不是病原体，不产生任何有害的生物活性物质,1、发酵罐类型,（三）工业发酵的类型,机械搅拌通气发酵罐（发酵工厂最常用）是利用机械搅拌器的作用使通入无菌空气和发酵液充分混合，促使养在发酵液中溶解，满足微生物生长繁殖和发酵所需的氧气，同时强化热量的传递。主要部件：罐体、搅拌器、挡板、封轴、空气分布器、传动装置、冷却装置、消泡器、视镜等。特点：呈圆筒状，罐高/罐径多为1.0-3.0m，通入的空气经分布管进入罐内。搅拌多分为平浆式和涡轮式，一般分为上段和下段两层。管内上部装有消泡浆。罐内装有冷却管，罐外装有冷却套。,存在不足：不同种类的培养物在培养过程中产生剧烈的泡沫占据了罐内有效容积，要增加消泡剂用量；搅拌需要较大动力，罐体越大，消耗动力也越大；内部结构复杂，罐体不易清洗，增加了杂菌污染机会；搅拌的剪切作用容易损伤放线菌、霉菌的菌体，有可能降低产率。,2、发酵罐的基本特征发酵罐具有适宜径高比发酵罐应能承受一定压力发酵罐搅拌通风装置能使气液混合，实现传质传热作用，保证微生物溶氧发酵罐内应减少死角，避免藏污积垢，保证彻底灭菌，防止染菌发酵罐应有足够冷却时间搅拌器的轴封要严密，以减少泄漏,3、发酵罐的设计原则发酵罐应在无菌条件下工作数天，在长时间运转过程中保持稳定尽可能低的功率消耗充分搅拌和通风保证微生物溶氧发酵罐应配有温度和PH监测系统发酵罐内表面光滑，尽可能采用焊接发酵罐应有较好的适应性，满足不同厂家需要中试规模发酵罐与用于实际生产发酵罐应有相同几何形状,（四）发酵过程的优化,发酵过程优化的定义：最佳控制发酵过程的方案或发酵过程中主要控制的项目和方法。发酵过程优化的目的：使细胞调节、细胞环境、反应器特性、工艺条件等之间的关系简化。发酵过程优化的研究内容：微生物细胞生长过程、微生物反应化学计量、微生物反应动力学、为生物反应器工程,（五）发酵工业的逐级扩大,逐级扩大定义：实验室小型设备到实验工厂小规模设备的实验发酵，再转为大规模设备的工业发酵生产。逐级扩大阶段： 小试、中试、大试见 第一章 种子扩大培养,1、发酵类型,第四节、发酵工程常见主要发酵类型,按菌的种类,单菌种发酵,多菌种混合发酵（混合菌发酵）,2、发酵方式可分为固体发酵和液体发酵两种。固体发酵：适合于传统发酵工艺及乡镇企业用来生产比较简单的产品。方式有试管斜面、培养皿平板、茄子瓶等。液体发酵：适合于大规模工业化生产。方式有试管发酵、浅层液体发酵（早期青霉素）、摇瓶发酵、台式发酵。 影响发酵的因素很多，如温度、pH、通风、搅拌、罐压力等等，必须适当地控制影响发酵的各种条件，掌握发酵的动态，并进行杂菌的检查和产物测定，使整个发酵过程顺利进行。,3. 厌氧发酵也称静止培养，是利用一些厌氧微生物进行的发酵，如丙酮、丁醇、乳酸、乙醇的生产。好氧发酵是利用需氧的微生物进行的发酵。特点：是在发酵过程中需要不断的供给微生物氧气（或空气），以满足微生物呼吸代谢。,4. 分批发酵又称为分批培养，所谓分批发酵是指将所有的物料（除空气、消沫剂、调节PH的酸碱物外）一次加入发酵罐，然后灭菌、接种、培养，最后将整个罐的内容放出，进行产物回收。清罐结束后，重新开始新的装料发酵的发酵方式。补料分批发酵是指在分批发酵过程中，由于到了中后期，养料快要消耗完毕，菌体逐渐走向衰老自溶，代谢产物不能再继续分泌。,连续发酵是指以一定的速度向培养系统内添加新鲜的培养液，同时以相同的速度流出培养液，从而使培养系统内培养液的量维持恒定，使微生物细胞在近似恒定状态下生长的微生物发酵培养方式。特点：主要优势是简化了菌种的扩大培养、发酵罐的多次灭菌、清洗、出料，缩短了发酵周期，提高了设备利用率，降低了人力、物力的消耗，增加了生产效率，使产品更具有商业性竞争力。类型：菌体再循环或不循环的单罐（级）连续发酵应用：现已被用来大规模生产酒精、丙酮、丁醇、乳酸、黄原胶、食用酵母，饲料酵母、单细胞蛋白、浮游生物的生物量和石油脱蜡及污水处理等发酵工程。,5、混合发酵,应用：传统酿造和食品发酵工业：白酒，酱油、醋、豆豉有机废弃物（工业、城市和农业）的发酵处理与转化： 生物能源：生物制氢、生物制沼气 生物饲料 生物肥料,混合发酵：混合培养物发酵。多种微生物混合在一起共用一