发酵工厂工艺设计概论

1、1发酵工厂工艺设计概论山东轻工业学院Shandong Polytechnic University主讲：聂聪congnieyahoo 2第一课发酵工厂工艺设计概论课程简介3发酵的定义最初发酵是用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气泡的现象，或者是指酒的生产过程，是为原始的发酵。 在食品工业中，发酵常写作醱酵，是指運用生物體，包括微生物、植物細胞、酵母菌，使有机物分解的生物化學反應过程。相应的发酵技術用於製酒、豆類发酵食品。 在生化和生理学意义上，发酵指微生物在无氧条件下，分解各种有机物、产生能量的一种方式；者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。如葡萄糖在无氧条件下被微生物

2、利用，产生酒精并放出二氧化碳。 41、传统发酵最初发酵是用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气泡的现象，或者是指酒的生产过程。52、生化和生理学意义的发酵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，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出CO2。63、工业生产上的发酵是泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程，包括： 厌氧培养的生产过程，如酒精、乳酸等。 通风（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等。 其产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。7Louis Pasteur (1822-1895)The

3、founder of Microbiology and one of the greatest Scientists of the nineteenth century. Science knows no country, because knowledge belongs to humanity, and is a torch which illuminates the world. Louis Pasteur 8发酵的历史沿革巴斯德是首位发酵学者。早在1857年，他将酵母与发酵联系了起来。巴斯德最初讲发酵定义为“无需空气的呼吸”。他说“一切发酵过程都是微生物作用的结果”。酿酒是发酵，是微生

4、物在起作用；酒变质也是发酵，是另一类微生物在作祟；用加热处理等方法来杀死有害的微生物，防止酒变质。 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。 9发酵工程的发展历史发酵现象酿造食品工业非食品工业青霉素抗菌素发酵工业氨基酸,核酸发酵（代谢控制发酵）基因工程菌动物细胞大规模培养植物细胞大规模培养藻类细胞大规模培养转基因动物第一个转折点：非食品工业第二个转折点：青霉素抗菌素发酵工业第三个转折点：切断支路代谢:酶的活力调控,酶的合成调控(反馈控制和反馈阻遏),解除菌体自身的反馈调节, 突变株的应用,前体、终产物、副产物等近代转折点：基因、

5、动物、海洋10二、发酵工业定义：是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。11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12三、发酵工业的发展历史天然发酵阶段纯培养技术的建立：巴斯德，科赫等。人为地控制微生物的发酵进程。通气搅拌发酵技术的建立： 青霉素的生产深层培养代谢控制发酵技术：微生物进行甾体化合物的转化，Glu和Lys发酵生产。对微生物具有高度专一性的酶反应作为合成手段的一部分加以利用，进行合理的代谢。13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

6、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的产物。14History of applied microbiologyAncient timesfood preservation (vinegar醋, cheese奶酪)flavour (bread面包, soy sauce酱油)brewing (beer, wine) 1861 Louis Pasteurfirst phase industrial biotechno

7、logy1940 penicillin (Fleming)antibiotic industryproduction of fine chemicals15History of applied microbiology1973 rec DNA technology (Boyer & Cohen)1982 rec human insulin（胰岛素）post recombinant DNA areasince 1982 rec therapeutic agents（治疗剂）1990 rec bakers yeast1992 rec chymosine （凝乳酶）(from yeast)16四、发

8、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17 发 酵 工 程 利用微生物进行产品生产抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、生物农药、生物肥料等医药、轻工、食品、农业、环保、能源等行业基因工程药物、疫苗及抗体产品 化学工程 生物化工 生物加工行业传统生物技术现代生物技术基因工程菌发酵18生物工程基因工程酶工程细胞工程发酵工程产物产品产品19主要的技术进展：通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养基灭菌、

9、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。意义：抗生素工业的发展建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法推动了整个发酵工业的深入发展为现代发酵工程奠定了基础20发酵工厂利用微生物进行产品生产的工厂。发酵工业利用微生物进行产品生产的工业领域。21发酵工程发酵工程是生物工程的一个极其重要的分支，主要研究如何在最适发酵条件下，使发酵罐得以大量培养细胞和高效生产代谢产物的工艺技术。从广义上讲，发酵工程由三部分组成：上游工程、发酵工程、下游工程。发酵已经从过去纯粹经验化的自然过程，发展成为一个包含微生物学、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等在内的多学科工程，即发酵

10、工程。22FERMENTATIONProcess ControlFermentation engineering上游工程UPSTREAM PROCESSES下游工程DOWNSTREAM PROCESSES发酵工程组成从广义上讲，由三部分组成： 上游工程、发酵工程、下游工程23UPSTREAM PROCESSES- genetics, cell 遗传学、细胞学- inoculum development菌种培养 media formulation培养基配方 sterilization灭菌- Inoculation接种FERMENTATIONProcess Control上游工程Fermentat

11、ion engineering24DOWNSTREAM PROCESSES- product extraction, purification & assay产物的提取、纯化与检验- waste treatment废弃物处理by product recovery产品的复性FERMENTATIONProcess Control下游工程 The ratio of recovery to fermentation costs for L-asparaginase天冬酰胺酶: 3.0 ethanol酒精: 0.16Fermentation engineering2526发酵工程主要指在最适发酵条件下，

12、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原料和发酵罐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干燥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制加料速 度的计算机控制技术；27(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

13、发酵工程工艺放大问题。 28过程工程技术的进展29发酵过程计算机控制传感器：DO、pH、排气成份分析系统 计算机控制系统：单片智能、工控机、pLC 、现场总线、 DCS 执行器件：杯式补料系统参数自动控制回路温度自动控制；通气流量自动控制；罐压自动控制pH调节（手控或自控）；DO与转速、通气流量程序串级调节 303132杯式补料系统生产车间计算机控制室33现代控制理论的应用 数学模型静态和动态优化系统识别自适应控制专家系统、模糊控制、神经元网络各种混沌现象的研究34过程放大技术的应用几何相似流体运动学相似流体动力学相似因次分析法经验法则法数学模拟法时间常数法35计算流体力学36复杂系统多尺度理

14、论的应用37装备制造与设计技术的进展38发酵工业的意义与展望利用遗传工程等先进技术，人工选育和改良菌种采用发酵技术进行高等动动植物细胞培养固定化技术广泛应用开发和采用大型节能高效的发酵装置，自动控制将成为发酵生产控制的主要手段应用代谢控制技术，发酵生产氨基酸将生物技术理广泛地用于环境工程39发酵工程产业化发展目前，全球发酵产品的年销售额在400亿美元左右，并以每年约78的速率增长。 我国发酵行业生产企业有5000多家，主要发酵产品的年产值高达1300亿元。 发酵工程技术给人类社会生产力的发展带来了巨大的潜力涉及到解决人类所面临的食品与营养、健康与环境、资源与能源等重大问题 40人类社会经济发展

15、的危机 随着人类社会经济发展，当前的能源结构、资源结构、环境状态已不能支撑现有的发展模式。特别重要的是随着煤、石油等能源的耗竭以及环境保护的急需，如果没有基于科技进步的大力开发，能源和资源将难以支撑人类社会进一步发展的目标。 传统的粗放型经济增长方式必定走到尽头，必需走资源节约型、环境友好型的道路41基于碳氢化合物的经济转变为基于碳水化合物的经济将工业革命世纪转变到生物技术世纪 只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再生资源碳水化合物转变为现代社会所需要的化工原料和能源。这种能源结构和资源结构的转变直接关系到我国经济的可持续发展，社会的稳定、和国家安全。 42Figure1.Idealized

16、biorefinery concept.(Image courtesy of Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN, USA.)4321世纪是生物技术世纪未来学家说：21世纪是生物技术世纪；科学家预言： 21世纪世界即将在生物技术上取得重大突破，新世纪之初，科学方面的主要将在生物学、遗传学和医学、新型生物材料、能源、环境保护上有所突破；经济学家则认为：21世纪20年代，生物经济将由目前的形成阶段进入成长阶段，即工业生产与商业开发阶段。 44发酵工业涉及的领域食品工业：酒类，乳类，饮料，面包，糕点调味品工业：酱油，食醋，面酱，味精，腌制品医药工

17、业： 抗菌素（青霉素，链霉素， V.c ）等 酒精工业： 工业；食用；医用；燃料酒精氨基酸工业：用于医药，食品，科研，发酵工业45发酵工业在国民经济中的地位食品工业是朝阳工业仅食品工业在全部轻工业的工业总产值中占1/3中国-啤酒产量4,万KL，为世界第一啤酒生产大国。 46仅以啤酒为例：中国啤酒产量4,000万吨 销售收入：1.2元1,544瓶=1,852元/T增值税：(1852元852元)10%=100元/T消费税220元/T税金：100+220=330元/T酒总税金=330元4,000万吨=132亿元 47工厂设计的特点 是集政治、经济、技术 于一体、综合性很强的学科。1政治因素的影响2.

18、 经济因素的影响3技术因素的影响48政治因素的影响国际政治的影响：如一伊拉克战争-油价提高，给工业带来的影响；国家产业政策：如煤价上涨对工业的影响。产业鼓励政策：饲料工业免税； 农产品加工免税；节能降耗产品优惠政策。环境保护：汽车尾气的排放标准；造纸厂、味精厂、酒精厂的污水问题；49环境形势严峻About 90% of rivers passing through cities are seriously polluted.A third of the countrys land area suffers from acid rain and the situation is getting

19、worse.The area of soil erosion in the country is 3.56 million squar kilometers, or 37 % of the total land area,and it is increasing by 15,000 squar kilometers a year.Meanwhile,1.74 million square kilometers, or 18 % of the total land area is desert.50Last year,Chinas GDP accounted for 4 % of the wor

20、lds total,but the countrys consumption of coal,steel and cement was 28%,27% and 45% of the worlds total.Chinas production capacity per unit of resources is only a tenth of that of the United States and a sixth of Germanys. GDP-gross domestic product.51温总理在政府工作报告中指出： 要关、停、并、转 高耗能，高耗水，污染环境的企业！ 支持环境、资源

21、优化型企业的发展！ 52经济因素的影响 股票市场 外汇汇率（进、出口设备业务） 国民经济的发展 国家政策对产业和经济的影响53技术因素的影响 主要体现在-工艺技术，设备技术， 检测技术，管理技术。 优质 高产 低耗 节能 安全 环护￥54工艺设计人员所需的基本技能： 具有: 计算，绘图，创新， 获取信息，表达能力。 掌握: 工作程序，设计范围，设计方法， 步骤，内容，设计规范, 设计标准，市场知识， 工厂经济，环保知识， 相关的法律法规。55设计工作的任务和内容： 体现国家的方针政策和法规，明确工作程序、内容、设计范围和分工；了解工艺设计在总体设计中的地位和作用，掌握生产工艺设计的范围、内容、

22、基本方法和步骤、工艺设计的深度；了解工艺设计与公用工程设计的关系，熟悉公用工程设计的有关知识；熟悉工厂设计的有关规范标准、技术经济、概算内容；熟悉发酵工厂设计说明书和工艺设计图的内容，特点，表示方法，规范和标准。56设计工作分为两类： 1总体设计：（设计范围涉及整个工业企业的为总体设计） 总平面、工艺、供排水、供电、供汽、土建等，厂址选择，生产检测与控制仪表、环境保护、生产组织、劳动定员、技术经济与概算内容。2局部设计：（只设计其中一部分） 设计一个部分或一个设备，常见的是车间改造和设备改造，以及新技术改造。57工艺设计与总体设计的关系发酵工厂总体设计：范围包括所有单项工程的完整设计，单项工程

23、如下：总平面布置，生产车间，动力车间（锅炉房，变电站，给排水工种等），厂内运输，自控仪表，采暖通风，土木建筑，环境保护工程，福利设施，办公楼，技术经济与概算。生产工艺设计：是总体设计的一部分，但却是主体设计。生产工艺设计专业是主体专业。它的作用是：贯串设计工作全过程；组织协调各专业的设计工作；为其它专业提出条件和要求；进行相应的设计。发酵工厂工艺设计的范围：工艺流程，各个车间的设计，向其它专业提出设计依据和设计要求。58生产工艺设计的重要性 工艺设计是工厂设计的核心工艺流程是工厂设计的主线，突出工艺设计的先进性、合理性工艺流程合理性和先进性；选择设备的经济性和先进性；工艺控制的合理性和先进性；生产技术经济指标的先进性（节能，低耗）；环境保护方面的先进性。59对于工艺设计人员的要求精通工艺;熟悉有