合肥学院生物与环境工程系张洁

1、合合 肥肥 学学 院院 生生 物物 与与 环环 境境 工工 程程 系系张张 洁洁 发发 酵酵 工工 程程 与与 设设 备备fermentation engineering and equipment一、发酵工程 发酵工程（fermentation engineering）属于生物技术的范畴 。最初是由一位匈牙利工程师karl ereky于1917年提出的。 生物技术的定义：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。 第一章第一章 绪绪 论论 发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包发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

2、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。 现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。 发酵工程主要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工艺技术(1) 有严格的无菌生长环境： 包括发酵开始前采用高温高压对发酵罐和发酵原料以及各种连接管道进行灭菌的技术； 在发酵过程中不断向发酵罐中通入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

3、制加料速 度的计算机控制技术；(3)种子培养和生产培养的不同的工艺技术。(4)在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验 室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物形成的动力学模型，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生产的动力学模型。(5)由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试，从中试到大规模生产过程中会出现许多问题，这就是发酵工程工艺放大问题。 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（即有生化催化剂参加），以及培养加工后产物大规模的分离提取等工艺。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、湿

4、度、底物浓度、通气量以及保证无菌状态等研究内容。 发酵工程的发展历史发酵工程的发展历史 我国的传统发酵产品酱油、醋、腐乳等享我国的传统发酵产品酱油、醋、腐乳等享誉世界誉世界 我国的酿酒已经有我国的酿酒已经有4000多年的历史多年的历史 我国的酱油距今已有我国的酱油距今已有3000年的历史年的历史 1857年巴斯德证明发酵是由于微生物的作年巴斯德证明发酵是由于微生物的作用用 1857年法国化学家、微生物学的奠基人巴斯德提出了著名的发酵理论：“一切发酵过程都是微生物作用的结果。” 微生物学的奠基人微生物学的奠基人伟大的巴斯德伟大的巴斯德 巴斯德认为，酿酒是发酵，是微生物在起作用；酒变质也是发酵，是

5、另一类微生物在作祟；随着科学技术的发展，可以用加热处理等方法来杀死有害的微生物，防止酒发生质变。 同时，也可以把发酵的微生物分离出来，通过人工培养，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。 1929年flemming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抗生素 20世纪40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生物发酵工业技术的支柱产业 20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60年代，生物技术产业又增加了酶制剂工业这一成员 70年代，为了解决由于

6、人迅速增长而带来的粮食短缺问题，进行了非碳水化合物代替碳水化合物的发酵，如利用石油化工原料进行发酵生产，培养单细胞蛋白，进行污水处理，能源开发等 80年代以来，随着重组dna技术的发展，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程的技术，使生物技术进入了一个新的阶段 history of fermentation engineering ancient times food preservation (vinegar, cheese) flavour (bread, soy sauce) brewing (beer, wine) 1861 louis pasteur

7、 first phase industrial biotechnology 1940 penicillin (fleming) antibiotic industry production of fine chemicalshistory of fermentation engineering 1973 rec dna technology (boyer & cohen) 1982 rec human insulin（胰岛素）（胰岛素） post recombinant dna area since 1982 rec therapeutic agents（治疗剂）（治疗剂） 1990 rec

8、bakers yeast 1992 rec chymosine （凝乳酶）（凝乳酶）(from yeast)三、发 酵 工 程 的 特 点 酶水平上研究微生物细胞内（外）的生物化学反应 ，即小规模的研究形式。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。 过程放大，即大规模的研究形式。利用小型和中型反应器（培养罐）进行培养试验，并进一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件。 发酵的流程空气空气净化处理保藏菌种斜面活化扩大培养种子罐主发酵碳源、氮源、无机盐等营养物质灭菌产物分离纯化成品利用微生物的特点 发酵工程所利用的微生物主要是细菌、放线

9、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、渗透压、酸碱度等条件有极大的适应能力 (2)有极强的消化能力 (3)有极强的繁殖能力 生物反应过程的组成部分 （1） 原材料的预处理原材料的预处理 （2 2） 生物催化剂的制备生物催化剂的制备 （3 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 （4 4） 产品的分离纯化产品的分离纯化 （1） 原材料的预处理原材料的预处理 包括原材料的选择，采用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。 （2 2）生物催化剂的制备生物催化剂的

10、制备 生物反应的催化剂酶基本上是由微生物产生的。因此，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的微生物培养液作为“种子”接到反应器中。也可以利用固定化酶或固定化细胞，这就要通过一定的固定化技术来制备。 (3)(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，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。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。根据发酵周期长短、培养条件等，可采

11、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。 （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，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）或从细胞中（指胞内产物）提取出来，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。 生物反应过程的特点a 采用可再生资源作为主要原料，因而来源丰富，价格低廉，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。b. 由于采用的是生物催化剂，反应过程一般在常温常压下进行。但生物催化剂易受环境的影响和杂

12、菌的污染，因而很易失活，难以长期使用。c. 与一般化工产品相比，其生产设备比较简单，能耗较低。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，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，不仅使反应器体积增大，而且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，应用广。但反应极力复杂，较难检测与控制。反应液中杂质多，给分离提纯带来了困难。 四、生物反应过程分类 酶催化反应过程 微生物反应过程 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。生物体中所进行的反应几乎都是在酶的催化

13、下进行的。工业生产中所用的酶，或是经提取分离得到的游离酶，或是固定在多种载体上的固定化酶 。2. 微生物微生物反应过程反应过程 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，也包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。 废水的生物处理过程废水的生物处理过程特点 由细菌等菌类、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 几乎全部采用连续操作系统 微生物所处的环境条件波动大 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、发酵工业 发酵工业的定义

14、： 指利用生物的生命活动产生的酶，无机或有机原料进行酶加工，获得产品的工业。工业上的发酵 泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程。 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。 产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。 开拓发酵原料时期： 石油发酵，醋酸生产谷氨酸 基因工程阶段： 采用酶学的方法，将不同来源的dna进行体外重组，再把重组dna设法转入受体细胞内，并进行繁殖和遗传下去。人们能够根据自己的意愿将微生物以外的基因件导入微生物细胞中，从而达到定向地改变生物性状与功能创新的物种，使发酵工业能够生产出自然界微生物所不能合成

15、的产物。发酵工业产品种类发酵工业产品种类 发酵食品发酵食品 有机酸有机酸 氨基酸氨基酸 核酸类物质核酸类物质 酶制剂酶制剂 医药工业（抗生素医药工业（抗生素） 饲料工业（单细胞蛋饲料工业（单细胞蛋白白) 环境工程（废物处理）环境工程（废物处理） 其它其它 （冶金工业（冶金工业） fermentation industry fermented foods organic acids amino acids nucleotides enzymes pharmaceutical (antibiotics) feedstuff (eg. scp) environmental application (

16、waste treatment) others (eg. metallurgical industry) 适宜的微生物 保证或控制微生物进行代谢的各种条件 进行微生物发酵的设备 精制成产品的方法的设备获得发酵产品的条件菌种的选育菌种的选育 要想通过发酵工程获得在种类、产量和要想通过发酵工程获得在种类、产量和质量等方面符合人们要求的产品，最重质量等方面符合人们要求的产品，最重要的是要有优良的菌种。要的是要有优良的菌种。怎样才能得到怎样才能得到优良的菌种呢？优良的菌种呢？如果生产的是微生物直接如果生产的是微生物直接合成的产物合成的产物可以从自然界中先分离出相可以从自然界中先分离出相应的菌种，再用物

17、理或化学应的菌种，再用物理或化学的方法使菌种产生突变，从的方法使菌种产生突变，从突变个体中筛选出符合生产突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种。要求的优良菌种。如果生产的是一般微生物不能如果生产的是一般微生物不能合成的产品合成的产品 可用基因工程、细胞工程的方法可用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造，对菌种的遗传特性进行定向改造，以构建工程细胞或工程菌，从而以构建工程细胞或工程菌，从而达到生产相应产品的目的达到生产相应产品的目的 培养基的配制培养基的配制 要进行发酵生产，有了优良的菌种还需要有与要进行发酵生产，有了优良的菌种还需要有与菌种相适应的培养基。在配制培养基时应该注菌

18、种相适应的培养基。在配制培养基时应该注意哪些事情呢？意哪些事情呢？ （1 1）目的要明确。根据不同的菌种，应选择不）目的要明确。根据不同的菌种，应选择不同的材料配制培养基。配制的培养基应满足微同的材料配制培养基。配制的培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长因子、水、无机盐等生物在碳源、氮源、生长因子、水、无机盐等方面的营养要求。方面的营养要求。（2 2）培养基的营养要协调，以利于产物的合成。）培养基的营养要协调，以利于产物的合成。（3 3）phph要适宜。要适宜。灭菌灭菌 发酵工程所用的菌种大多是单一的纯种，发酵工程所用的菌种大多是单一的纯种，整个发酵过程中不能混入杂菌。这是为整个发酵过程中不能

19、混入杂菌。这是为什么呢？什么呢？ 在发酵过程中如混入其他微生物，将与菌种在发酵过程中如混入其他微生物，将与菌种形成竞争关系，对发酵过程造成不良影响。形成竞争关系，对发酵过程造成不良影响。 例如：如果在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，例如：如果在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，则放线菌分泌的抗生素就会使大量的谷氨酸则放线菌分泌的抗生素就会使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡。如果在青霉素生产过程中污棒状杆菌死亡。如果在青霉素生产过程中污染了杂菌，这些杂菌则会分泌青霉素酶，将染了杂菌，这些杂菌则会分泌青霉素酶，将合成的青霉素分解掉。合成的青霉素分解掉。灭菌灭菌 要在发酵前对培养基和发酵设施进行严要在发酵前对培养基和

20、发酵设施进行严格的灭菌处理。格的灭菌处理。 怎样才算灭菌彻底呢？怎样才算灭菌彻底呢？ 用高温、高压的方式，杀死所有杂菌的胞体、用高温、高压的方式，杀死所有杂菌的胞体、芽孢和孢子。芽孢和孢子。 扩大培养和接种扩大培养和接种 在大规模的发酵生产中，需要将选育出在大规模的发酵生产中，需要将选育出的优良菌种经过多次扩大培养，让他们的优良菌种经过多次扩大培养，让他们达到一定数量以后，再进行接种。达到一定数量以后，再进行接种。 接种过程防止杂菌污染。接种过程防止杂菌污染。发酵过程发酵过程 将菌体接种到装有培养液的发酵罐中，还需要将菌体接种到装有培养液的发酵罐中，还需要对发酵过程进行检测和对发酵条件进行控制

21、。对发酵过程进行检测和对发酵条件进行控制。 发酵过程中要随时取样检测培养液中细菌数目、产发酵过程中要随时取样检测培养液中细菌数目、产物浓度以了解发酵进程，及时添加必需的培养基成物浓度以了解发酵进程，及时添加必需的培养基成分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物。同时，还应对发酵条件进行严格控制。酵产物。同时，还应对发酵条件进行严格控制。 发酵过程发酵过程 哪些条件能影响菌体的发酵呢？哪些条件能影响菌体的发酵呢？ 发酵生产中温度、发酵生产中温度、phph、溶氧量、转速等对、溶氧量、转速等对发酵过程有重大影响。（哪些影响？）发酵过程有重大影响。（哪些影响？）想一想：发酵过程中温度升高的热量来 源？ 哪些因素会影响ph值？ 溶氧量的控制？分离、提纯分离、提纯 菌体本身，如酵母菌和细菌等菌体本身，如酵母菌和细菌等 采用过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中分采用过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来离出来 代谢产物代谢产物 采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取。采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取。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、微生物废水处理和其他 利用遗传工程等先进技术，人工选育和改良菌种 采用