发酵工艺学第一章绪论.ppt

发酵工艺学 主讲 王同ty6696 第一篇发酵原理 第一章绪论 主要讲述内容 第一节概述第二节发酵产品的类型第三节发酵工程的地位第四节发酵工业的发展史 第一节概述 一 基本概念1 发酵 Fermentation 传统发酵 发酵 Fermentation 一词是拉丁语 沸腾 fervere 的派生词 它描述酵母作用于果汁或麦芽浸出液时产生气泡的现象 或者指酒的生产过程 生物化学或生理学上的发酵 狭义 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 如葡萄糖酒精 能量 丙酮酸乳酸 能量 工业上所称的发酵 广义 借助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本身 或其直接代谢产物或次级代谢产物的过程 包括 厌氧培养的生产过程 如酒精 丙酮丁醇 乳酸等 通气 有氧 培养的生产过程 如抗生素 氨基酸 酶制剂等的生产 产品既有细胞代谢产物 也包括菌体细胞 酶等 2 发酵工程 FermentationEngineering 应用微生物学等相关的自然科学以及工程学原理 利用微生物等生物细胞进行酶促转化 将原料转化成产品或提供社会性服务的一门科学 利用生物细胞的某种特性 通过现代化工程技术手段进行工业规模化生产的技术 公认 3 发酵工业 FermentationIndustry 是指利用生物的生命活动产生的酶 将无机或有机原料进行酶加工 生物化学反应过程 获得产品的工业 经纯种培养和提炼精制获得的成分单纯 无风味要求的产品的生产过程 如酒精 抗生素 柠檬酸 氨基酸 酶 维生素 某些色素等 经自然培养 不需提炼精制 产品由复杂成分构成并对风味有特殊要求的食品或调味品的生产过程 如黄酒 白酒 清酒 葡萄酒 酱油 醋 腐乳 豆豉 面酱等 酿造 brewing 我国人们对一些特定产品发酵生产的特殊称法 是未知的混合微生物区系参与的一种自然发酵 发酵生产的条件 某种适宜的微生物保证或控制微生物进行代谢的各种条件 培养基组成 温度 溶氧 pH等 进行微生物发酵的设备提取菌体或代谢产物 精制成产品的方法和设备 二 发酵工程的特点 与化学工程相比 1 安全简单 发酵过程通常是在常温常压下进行 反应安全 要求条件简单 温和 2 原料广泛 发酵所用的原料简单粗放 通常以淀粉质 糖蜜或其他农副产品为主 只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应 另外 可以利用矿产资源 石油 废水和废物等作为发酵的原料 3 反应专一 发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成的 因此多个反应就象一个反应一样 因而可以得到较为单一的代谢产物 可在单一设备 发酵罐 中进行 4 易受污染 由于发酵培养基营养丰富 各种来源的微生物都很容易生长 发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要 5 代谢多样 由于各种各样生物体代谢方式 代谢过程的多样化 以及生物体化学反应的高度选择性 能够专一性地和高度选择性地对复杂的化合物进行特定部位的氧化 还原等反应 也能容易地产生比较复杂的高分子化合物 如酶等 6 菌种选育 菌种是进行发酵的根本因素 高产的优良菌株即可使生产设备得到充分利用 也是创造显著经济效益的关键 还可以获得按常规方法难以生产的产品 因此 自始至终都要进行菌种的选育和优化工作 7 投资少 见效快 效益高 可以取得显著的经济效益 三 发酵的类型 1 按发酵原料来区分糖类物质发酵石油发酵废水发酵 2 按发酵形式来区分 固态发酵液体发酵 根据物料堆放的厚薄分为 薄层发酵 木盘或苇帘 1 2cm厚层发酵 深槽或池 30cm以上 接种后通气 根据培养液的深浅分表面培养法深层培养法 3 按发酵产物区分 氨基酸发酵有机酸发酵抗生素发酵酒精发酵维生素发酵酶制剂发酵 4 按发酵工艺流程区分 分批发酵连续发酵流加发酵 5 按发酵过程中对氧的不同需求来分 需不断通入无菌空气 如 利用黑曲霉发酵生产柠檬酸利用棒杆菌发酵生产谷氨酸利用黄单胞菌生产黄原胶抗生素发酵生产 不需供氧 如 乳酸杆菌的乳酸发酵梭状芽孢杆菌的丙酮丁醇发酵 四 发酵工程的组成部分 四部分组成1 菌种选育及扩大培养2 原料预处理及培养基的制备3 发酵设备及反应条件的选择4 产品的分离与纯化 提取和精制 Fermentationengineering 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 发酵过程 下游工程 上游工程 UPSTREAMPROCESSES genetics cell inoculumdevelopmentmediaformulationsterilization inoculation 下游工程 DOWNSTREAMPROCESSES productextraction purification assay wastetreatmentbyproductrecovery 五 发酵工业范围 研究对象 按部门分 1 酿酒工业 啤酒 葡萄酒 白酒等 2 食品工业 酱 酱油 醋 腐乳 面包 酸乳等 3 有机溶剂发酵工业 酒精 丙酮 丁醇等 4 抗生素发酵工业 青霉素 链霉素 土霉素等 5 有机酸发酵工业 柠檬酸 葡萄糖酸等 6 酶制剂发酵工业 淀粉酶 蛋白酶等 7 氨基酸发酵工业 谷氨酸 赖氨酸等 8 核苷酸类物质发酵工业 肌苷酸 肌苷等 9 维生素发酵工业 维生素C 维生素B等 10 生理活性物质发酵工业 激素 赤霉素等 11 微生物菌体蛋白发酵工业 酵母 单细胞蛋白等 12 微生物环境净化工业 利用微生物处理废水 污水等 13 生物能工业 沼气 纤维素等天然原料发酵生产酒精 乙烯等 能源物质 14 微生物冶金工业 利用微生物探矿 冶金 石油脱硫等 按产品类型分 1 以微生物细胞为产品的发酵工业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 微生物废水处理和其他 六 发酵工业特征 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理原料不同处理方法也有所差异 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 糖蜜 加热杀菌和用水冲稀 也可加酸处理后再补充无机盐 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 加入适量无机盐进行接种发酵 2 微生物菌种的选育及扩大培养菌种 已有的优良生产菌种和选育的新菌种扩大培养 量 3 发酵设备选择及工艺条件控制 常温 常压 4 发酵产物的分离 提取5 发酵废物的回收和利用 第二节发酵产品的类型 一 菌体 工业生产的微生物体 可分为二种 1 供制备面包等用的酵母 2 作为人类或动物的食物的微生物细胞 SCP 以获得微生物菌体细胞为目的产品 包括单细胞的酵母和藻类 担子菌 冬虫夏草 茯苓 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 二 微生物的酶 工业上 可由植物 动物和微生物生产酶 与植物或动物相比 微生物的酶可以用发酵技术大量生产 而且改进微生物的生产能力也方便得多 各种酶制剂糖化酶 蛋白酶 脂肪酶 氨基酰化酶等 三 微生物代谢产物 1 代谢产物的类别通过微生物的代谢活动产生 细胞自身生长和繁殖所必需的物质 称为初级代谢产物或中间代谢产物 氨基酸 核苷酸 蛋白质 维生素 脂类和碳水化合物等 在微生物生长缓慢或停止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 如抗生素 生物碱 细菌毒素 植物生长因子 色素等 初级代谢产物和次级代谢产物的异同 四 生物转化 定义 利用微生物细胞的一种或多种酶 作用于一些化合物 外源化合物 的特定部位 或基团 使它转化成化学结构相似 并具有更大经济价值的化合物的生化反应 最终产物并不是微生物细胞利用营养物质经细胞代谢产生 而是微生物细胞的酶或酶系作用于底物的某一部位 进行特定部位的化学反应而形成 转化反应 催化脱氢 氧化 羟化 缩合 脱羧 氨化 脱氨化或同分异构作用 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 甾体化合物 类固醇 含环戊烷多氢菲核的化合物 甾族激素 分肾上腺皮质激素和性激素 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 红斑狼疮 支气管哮喘等 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 生物转化 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 发酵工业中最重要的生物转化是 甾体转化 即把甾体化合物转化为甾族激素 利用微生物消除环境污染利用微生物发酵保持生态平衡 如生物固氮肥料 生物杀虫剂等 微生物湿法冶金 如细菌浸矿 即利用细菌对矿物或矿石中有用的金属浸出回收的过程 细菌浸出的金属有Cu U Co Ni Mn Zn Pb等10余种 但大规模生产的只有铜和铀 利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域 五 微生物特殊机能的利用 微生物分解生物体的排泄物及尸体嫌气发酵法 指在嫌气情况下利用分解碳水化合物 蛋白质和脂肪的微生物 将有机废弃物分解为可溶性物质 进而通过产酸菌和甲烷细菌的作用再分解为甲烷和CO2 好气发酵 活性污泥 法 指在曝气情况下 用某些能降解有机物质的细菌和某些原虫的混合物 活性污泥 对工业或生活污水进行处理 在化学工业和环境保护等方面 发酵工程能发挥独持的作用如 利用微生物来处理工业废水或含毒废液 乃至构建超级细菌 处理大面积的海面石油污染等 喷洒工程菌清除石油污染 微生物与环保 微生物处理腈纶废水的塔式滤池 第三节发酵工程的地位 1 生物工程重要的组成部分 中心 发酵工程 Fermentationengineering 酶工程 蛋白质工程 Enzymeengineering Proteinengineering 基因工程 Geneticengineering 细胞工程 Cellengineering 2 生物工程中其他技术产业化表达的重要手段基因工程菌动植物细胞培养3 生命科学研究的对象或载体 相互渗透自成体系 地位 基因工程细胞工程酶工程发酵工程 生物工程 广义 运用生物科学知识和工程学原理 开发利用生物材料为人类提供产品和社会服务的工程技术 狭义 以基因工程为核心的现代生物技术的总称 任务 研发最合适的工艺路线和设备 实现工业化生产 生物技术 广义 应用自然科学和工程学原理 依靠生物催化剂的作用将物料进行加工以提供产品或为社会服务的技术 国际经济合作与发展组织 1982 狭义 DNA新技术 分子生物和繁殖技术应用 涉及各种不同技术 如动植物基因操作和转基因 DNA分类和克隆 WFO 2000年关于生物技术的声明 特点 多学科综合性科学技术生物催化剂参与最终目的 生物反应过程 包括工业生产过程和社会服务 基因工程 又叫遗传工程 基因克隆 利用基因体外重组技术 构建出新的菌株 培育出新的动植物品种或使其具有优良性状 如工程菌生产胰岛素 细胞工程 在细胞水平上改造细胞遗传结构 从而培养具有新性状的生物个体或细胞群体 包括细胞融合技术 细胞重构技术 组织培养技术 酶工程 研究酶分离 提纯及利用酶进行化学转化 合成各种产物或达到人类所需社会目标的工程科学 包括酶的开发 生产 提纯 修饰 固定化 应用 酶反应器开发 生化工程 指生化反应器 生物传感器 产品分离 提取纯化等 生物分离工程 又叫下游技术或下游工程 即产品分离纯化及产品后处理 加工成型 第四节发酵工业的发展史 一 国外发酵工业的发展概况1 发酵工业发展的阶段 天然发酵阶段 古代 1900年 纯培养技术的建立 1905年 通气搅拌发酵技术的建立 1940年 代谢控制发酵技术 1957年 开拓发酵原料时期 1960年 基因工程阶段 1979 1 第一个阶段 1900年以前 产品只限于含酒精饮料 醋 干酪4000 3000BC wine ricewine beer Cheese古埃及已经能酿造啤酒4000BC Beer 古埃及苏美尔人 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在1757年已应用温度计 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第一次大战时 Weizmann开拓了丁醇丙酮发酵 并建立了真正的无杂菌发酵 1676年列文虎克 Leewenhoch 1856 1857年Pasteur1880年科赫 RobertKoch 1905年获诺贝尔奖1897年 Buchner 布赫纳 1928年 Fleming1940年 Florery和Chain1945年 抗生素工业 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 巴斯德的功绩 彻底否定了自然发生说 证实发酵由微生物引起 免疫学 预防接种 发明巴氏消毒法 巴斯德的雁颈瓶实验 科赫的功绩 发明固体培养基及单种微生物分离和纯培养技术的创立 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 病原微生物存在于病体而非健康体 可纯培养 纯培养物接种后染病 可重新分离再培养 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 导致了当代生物化学诞生 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 意外发现发酵现象这是无生物细胞体系发酵的最初例子 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 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 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 功绩 抗生素工业兴起 建立了深层培养法 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 4 第四个阶段 1957年后 控制微生物的代谢途径 使之进行最合理的代谢 积累大量有用的发酵产物 如Glu和Lys发酵生产 柠檬酸合成酶 顺乌头酸酶 异柠檬酸脱氢酶 酮戊二酸脱氢酶 谷氨酸脱氢酶 异柠檬酸裂解酶 NH4 抑制 通过细胞膜 谷氨酸 5 第五个阶段 1960年以后 以烃 氢气 甲醇 醋酸等为碳源生产微生物细胞作为饲料蛋白质的来源出现了不需要机械搅拌的高压喷射和强制循环的发酵罐工业上普遍采用分批培养和分批补料培养法 6 第六个阶段 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 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 时间发酵阶段主要产品主要技术 1900天然发酵酒醋干酪天然分批1905 纯培养酒精丙酮丁醇密闭纯培养1940 通气搅拌抗生素有机酸通气搅拌酶维生素分批或连续1957 代谢控制氨基酸核苷酸选育缺陷菌株1960 开拓原料单细胞蛋白连续发酵1979 基因工程菌胰岛素干扰素DNA重组 纯培养 第一个转折点通气搅拌 第二个转折点代谢控制 第三个转折点基因工程菌 第四个转折点 2 发酵罐等生物反应器规模 谷氨酸100 200m3最大660m3啤酒600m3 露天 柠檬酸220m3酶制剂90m3酵母培养罐170m3黄酒200m3酒精1500m3 反应器是发酵工业的核心 3 国外发酵工业的发展趋势 1 生物转化 或生物合成 技术成为国外著名化学公司争夺的热点 并逐步从医药领域逐渐向化工领域转移 2 生物催化合成已成为化学品合成的支柱之一 3 利用生物技术生产有特殊功能 性能 用途或环境友好的化工新材料 是化学工业发展的一个重要趋势 4 传统的发酵工业已由基因重组菌种取代或改良 许多传统的发酵工程产品如柠檬酸 青霉素等都已开始采用基因工程手段进行改造 大大地提高了产量 在以基因工程为主导的现代生物技术产品中 医药生物技术产品占75 左右 二 国内发酵工业的发展概况 我国传统发酵历史悠久 在 黄帝内经素向 汤液醪醴论 里 已有酿酒的记载 酱油的酿造 当始自周朝 在汉武帝时代开始有了葡萄酒 距今已有两千多年的历史 数千年来由于科学技术进步缓慢 各种微生物工业也未能充分发展 直到20世纪中期才建立了一系列新的微生物工业 近几年来 由于生物新技术的应用 发酵工业开始进入新的发展时期 1 白酒 产量从801万吨下降到2006年的约397万吨 2007年493万吨 2008年569万吨 2009年706万吨 2011年1025余万吨产值2009年1960 21亿元 同比增长27 5 2010年超过2000亿元的销售规模 规模较大的有五粮液 泸州老窖 茅台 剑南春 汾酒 古井六家公司占据约10 的市场份额 销售收入占整个行业的37 9 全国白酒产量 单位 万吨 1996 2007年7月白酒行业白酒产量 万吨 历史最低 2 黄酒 黄酒是我国最古老的酒种 早在夏 商 周三代就已经大量生产了 并流传至今 据史料记载已有6000年左右了 目前年产量为230万吨左右 3 啤酒 1900年我国最早的啤酒厂于哈尔滨建成1915年国人投资的双合盛啤酒厂建成1949年啤酒产量仅七千余吨1981年啤酒产量增至91万吨2005年产量达到3000万吨左右2011年4898万吨 4 葡萄酒 1892年华侨张弼士在烟台建立酿酒公司 这是我国第一个新型的葡萄酒酿造厂 目前我国葡萄酒工厂已有近八十家 2003年葡萄酒年产量约90万吨 年产万吨以上的有张裕 王朝 华夏 长城 新天酒业 柳河绿源 烟台威龙 烟台中梁 八家公司占据约60 的市场份额 销售收入占整个行业的78 4 产量 5 酱油和醋 早在三千年前便已掌握了酱油和醋发酵的技法 数千年来一直沿用自然发酵法 直到20世纪后才开始采用纯种培养技术生产 目前设备及酿造方法逐步实现了现代化 酱油年产量约为500万吨 居世界首位 醋年产量约为260万吨 6 酒精 二十世纪初期 外商在东北设立哈尔滨和阿城两个酒精厂 1922年山东溥益酒精厂成立 为第一个由国人设立的酒精厂 1934年华侨投资在上海浦东设立中国酒精厂 当时号称远东第一大型酒精厂 酒精年产量解放前仅1万吨左右 2003年酒精产量约为250万吨左右 7 酶制剂 1964年才在无锡建立了第一个酶制剂工厂 目前有酶制剂生产厂家40家左右 其中万吨以上 销售额2000万以上有8家 其余均在万吨以下 目前的年产量为22万吨左右 8 柠檬酸 1953年我国曾进行浅盘发酵制柠檬酸的中型生产 1965年前后由上海工业微生物研究所首先采用深层发酵法 由薯干直接发酵生产柠檬酸 生产能力为56万t a 实际产量达35万t a左右 出口量居世界第一位 9 微生物制药 1953年在上海建立了第一个抗生素工厂 即后来的上海第三制药厂 以生产青霉素为主 中国抗生素摇篮 1958年我国最大的抗生素工厂 华北制药厂亦正式投入生产 10 味精