生物技术概论发酵工程

1、 微生物冶金发酵工程冶金11-A2 董宝帅一、发酵工程的概念一、发酵工程的概念1 1、定义：、定义：发酵工程是指采用现代工程技术发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。应用于工业生产过程的一种新技术。2 2、内容：、内容：发酵工程的内容包括发酵工程的内容包括 菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。提纯等方面。 3 3、理解：、理解：

2、 （1 1）“发酵发酵”有有“微生物生理学微生物生理学严格定义的发严格定义的发酵酵”和和“工业发酵工业发酵”，词条，词条“发酵工程发酵工程”中的中的“发发酵酵”应该是应该是“工业发酵工业发酵”。 （2 2）工业生产上通过）工业生产上通过“工业发酵工业发酵”来加工或制来加工或制作产品，其对应的加工或制作工艺被称为作产品，其对应的加工或制作工艺被称为“发酵工发酵工艺艺”。为实现工业化生产，就必须解决实现这些工。为实现工业化生产，就必须解决实现这些工艺（发酵工艺）的工业生产环境、设备和过程控制艺（发酵工艺）的工业生产环境、设备和过程控制的的工程学工程学的问题，因此，就有了的问题，因此，就有了“发酵工

3、程发酵工程”。 （3 3）发酵工程是用来解决按发酵工艺进行工业）发酵工程是用来解决按发酵工艺进行工业化生产的工程学问题的学科。发酵工程从工程学的化生产的工程学问题的学科。发酵工程从工程学的角度把实现发酵工艺的发酵工业过程分为角度把实现发酵工艺的发酵工业过程分为菌种、发菌种、发酵和提炼酵和提炼（包括废水处理）等三个阶段，这三个阶（包括废水处理）等三个阶段，这三个阶段都有各自的工程学问题，一般分别把它们称为发段都有各自的工程学问题，一般分别把它们称为发酵工程的酵工程的上游、中游和下游工程上游、中游和下游工程。 （4 4）微生物是发酵工程的灵魂。近年来，对）微生物是发酵工程的灵魂。近年来，对于发酵工

4、程的生物学属性的认识愈益明朗化，发于发酵工程的生物学属性的认识愈益明朗化，发酵工程正在走近科学。酵工程正在走近科学。 （5 5）发酵工程最基本的原理是发酵工程的生）发酵工程最基本的原理是发酵工程的生物学原理。物学原理。 （6 6）发酵工程有三个发展阶段。）发酵工程有三个发展阶段。 现代意义上的发酵工程是一个由多学科交叉、现代意义上的发酵工程是一个由多学科交叉、融合而形成的技术性和应用性较强的开放性的学融合而形成的技术性和应用性较强的开放性的学科。发酵工程经历了科。发酵工程经历了“农产手工加工农产手工加工近代发近代发酵工程酵工程现代发酵工程现代发酵工程”三个发展阶段。三个发展阶段。4 4、发酵工

5、程的特点、发酵工程的特点发酵过程以生命体的自动调节方式进行，数十发酵过程以生命体的自动调节方式进行，数十个反应过程能够在发酵设备中一次完成。个反应过程能够在发酵设备中一次完成。反应通常在反应通常在常温常压常温常压下进行，条件温和，能耗下进行，条件温和，能耗少，设备较简单。少，设备较简单。原料通常以原料通常以糖蜜、淀粉糖蜜、淀粉等碳水化合物为主，可等碳水化合物为主，可以是农副产品、工业废水或可再生资源（如植以是农副产品、工业废水或可再生资源（如植物秸秆、木屑等），微生物本身能有选择地摄物秸秆、木屑等），微生物本身能有选择地摄取所需物质。取所需物质。容易生产复杂的高分子化合物，能高度选择地容易生产

6、复杂的高分子化合物，能高度选择地在复杂化合物的特定部位进行氧化、还原、官在复杂化合物的特定部位进行氧化、还原、官能团引入或去除等反应。能团引入或去除等反应。发酵过程中需要发酵过程中需要防止杂菌污染防止杂菌污染，大多情况下设，大多情况下设备需要进行严格的冲洗、灭菌，空气需要过滤备需要进行严格的冲洗、灭菌，空气需要过滤等。等。 5 5、发酵工程的种类、发酵工程的种类微生物菌体发酵微生物菌体发酵 微生物酶发酵微生物酶发酵 微生物代谢产物发酵微生物代谢产物发酵微生物的转化发酵微生物的转化发酵 生物工程细胞的发酵生物工程细胞的发酵二、发酵工程的发展二、发酵工程的发展 发酵工程经历了发酵工程经历了“农产手

7、工加工农产手工加工近代近代发酵工程发酵工程现代发酵工程现代发酵工程”三个发展阶段。三个发展阶段。 发酵工程发源于家庭或作坊式的发酵制发酵工程发源于家庭或作坊式的发酵制作（农产手工加工），后来借鉴于化学工程实作（农产手工加工），后来借鉴于化学工程实现了工业化生产（近代发酵工程），最后返璞现了工业化生产（近代发酵工程），最后返璞归真以微生物生命活动为中心研究、设计和指归真以微生物生命活动为中心研究、设计和指导工业发酵生产（现代发酵工程），跨入生物导工业发酵生产（现代发酵工程），跨入生物工程的行列。工程的行列。农产手工加工农产手工加工 原始的手工作坊式的发酵制作凭借祖先传下来原始的手工作坊式的发酵制

8、作凭借祖先传下来的技巧和经验生产发酵产品，体力劳动繁重，生产的技巧和经验生产发酵产品，体力劳动繁重，生产规模受到限制，难以实现工业化的生产。于是，发规模受到限制，难以实现工业化的生产。于是，发酵界的前人首先求教于化学和化学工程，向农业化酵界的前人首先求教于化学和化学工程，向农业化学和化学工程学习，对发酵生产工艺进行了规范，学和化学工程学习，对发酵生产工艺进行了规范，用泵和管道等输送方式替代了肩挑手提的人力搬运，用泵和管道等输送方式替代了肩挑手提的人力搬运，以机器生产代替了手工操作，把作坊式的发酵生产以机器生产代替了手工操作，把作坊式的发酵生产成功地推上了工业化生产的水平。成功地推上了工业化生产

9、的水平。 发酵生产与化学和化学工程的结合促成了发酵发酵生产与化学和化学工程的结合促成了发酵生产的第一次飞跃。生产的第一次飞跃。 近代发酵工程近代发酵工程 通过发酵工业化生产的几十年实践，人们逐通过发酵工业化生产的几十年实践，人们逐步认识到发酵工业过程是一个随着时间变化的步认识到发酵工业过程是一个随着时间变化的（时变的）、非线性的、多变量输入和输出的动（时变的）、非线性的、多变量输入和输出的动态的生物学过程，按照化学工程的模式来处理发态的生物学过程，按照化学工程的模式来处理发酵工业生产（特别是大规模生产）的问题，往往酵工业生产（特别是大规模生产）的问题，往往难以收到预期的效果。从化学工程的角度来

10、看，难以收到预期的效果。从化学工程的角度来看，发酵罐也就是生产原料发酵的反应器，发酵罐中发酵罐也就是生产原料发酵的反应器，发酵罐中培养的微生物细胞只是一种催化剂，按化学工程培养的微生物细胞只是一种催化剂，按化学工程的正统思维，微生物当然难以发挥其生命特有的的正统思维，微生物当然难以发挥其生命特有的生产潜力。于是，追溯到作坊式的发酵生产技术生产潜力。于是，追溯到作坊式的发酵生产技术的生物学内核（微生物），返璞归真而对发酵工的生物学内核（微生物），返璞归真而对发酵工程的属性有了新的认识。程的属性有了新的认识。 发酵工程的生物学属性的认定，使发酵工程发酵工程的生物学属性的认定，使发酵工程的发展有了明

11、确的方向，发酵工程进入了生物工的发展有了明确的方向，发酵工程进入了生物工程的范畴。程的范畴。现代发酵工程现代发酵工程 发酵工程是指采用工程技术手段，利用生物（主发酵工程是指采用工程技术手段，利用生物（主要是微生物）和有活性的离体酶的某些功能，为人类要是微生物）和有活性的离体酶的某些功能，为人类生产有用的生物产品，或直接用微生物参与控制某些生产有用的生物产品，或直接用微生物参与控制某些工业生产过程的一种技术。工业生产过程的一种技术。人们熟知的利用人们熟知的利用酵母菌酵母菌发酵发酵制造啤酒、果酒、工业酒精，乳酸菌发酵制造奶酪和酸牛奶，制造啤酒、果酒、工业酒精，乳酸菌发酵制造奶酪和酸牛奶，利用真菌大

12、规模生产青霉素等都是这方面的例子。利用真菌大规模生产青霉素等都是这方面的例子。 随着科学技术的进步，发酵技术也有了很大的发展，并随着科学技术的进步，发酵技术也有了很大的发展，并且已经进入能够人为控制和改造微生物，使这些微生物为人且已经进入能够人为控制和改造微生物，使这些微生物为人类生产产品的现代发酵工程阶段。现代发酵工程作为现代生类生产产品的现代发酵工程阶段。现代发酵工程作为现代生物技术的一个重要组成部分，具有广阔的应用前景。物技术的一个重要组成部分，具有广阔的应用前景。 例如，用例如，用基因工程基因工程的方法有目的地改造原有的菌种并且的方法有目的地改造原有的菌种并且提高其产量；利用微生物发酵

13、生产药品，如人的胰岛素、干提高其产量；利用微生物发酵生产药品，如人的胰岛素、干扰素和生长激素等。扰素和生长激素等。三、三、发酵技术的应用发酵技术的应用 抗生素、维生素、激素抗生素、维生素、激素 疫苗和菌苗等疫苗和菌苗等食品工业食品工业 微生物蛋白、氨基酸、新糖源、饮微生物蛋白、氨基酸、新糖源、饮料、酒类料、酒类 食品添加剂（柠檬酸、乳酸、天然食品添加剂（柠檬酸、乳酸、天然色素等）色素等） 能源工业能源工业 酒精酒精 沼气沼气 氢能氢能化学工业化学工业 可降解的生物塑料可降解的生物塑料 化工原料（乙醇、丙酮、丁醇、癸二化工原料（乙醇、丙酮、丁醇、癸二酸等）酸等） 生物表面活性剂及生物凝集剂生物表面活性剂及生物凝集剂 冶金工业冶金工业 黄金开采和铜、铀等金属的浸提黄金开采和铜、铀等金属的浸提 农业农业 生物固氮生物固氮 生物杀虫剂生物杀虫剂 微生物饲料微生物饲料 环境保护环境保护 使用生物肥料，生物杀虫