发酵工艺学课件

1、 （学位课程）发酵工程与工艺课程的地位、内容和要求 发酵工艺是生物技术专业的学位课，共60学时。该课程突出有关发酵过程的化学、生物化学和微生物学的原理，全面系统的阐述从发酵原辅料处理、培养基和无菌空气的制备，到工业微生物菌种的扩大培养、各种发酵操作方式的工艺规律；下游工程的分离方法等发酵工程基本内容，发酵工业的主要设备的操作原理、性能及构造和设计方法。简要介绍一些非常规发酵过程，如固态发酵、基因工程菌发酵和动植物细胞培养等。同时还涉及发酵经济学的一些基本原理。 考核方式期中：50% 闭卷考试35%平时15% 作业、提问、纪律 不准迟到，迟到三次不准参加考试；有事请假交假条。期末考试：50% 主

2、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.发酵一词的来源 “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。产生气泡的现象是由浸出液中的糖在缺氧条件下降解而产生的二氧化碳所引起的。发酵是指有机化合物进行无氧代谢释放能量 的过程或者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。 厌氧发酵是厌氧菌借助氧化-还原反应释放能量的过程 发酵是酵母无氧呼吸产生能量的过程 需氧发酵*是好氧生物在受到分子态氧短缺限制时的不完全氧化释放能量的

3、过程 生物化学生物化学家看待微生物发酵过程：2，狭义 “发酵”的定义(从能量的角度)3，广义 “发酵”的定义（从产物的角度）工业微生物学 泛指利用生物细胞制造某些产品或净化环境的过程，它包括： 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。 产品即有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。二、发酵工程的特点 与其他化学工业的最大区别：1.生物体内进行2.在常温常压下进行，反应安全，要求条件也比较简单。3.所用的原料简单粗放。4.发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成的，反应的专一性强，因而可以得到较为单一的代谢产物。5.对杂菌污染

4、的防治至关重要。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。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 深层液体发酵 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（半连续发酵，补料分批发酵） 5，按发酵过程中对氧的不同需求来分 厌氧发酵通风发酵 繁殖种子和发酵生产所用的培养基组份确定；培养基、发酵罐及其附属设

5、备的灭菌；培养出有活性、适量的纯种，接种入生产容器中；微生物在最适合于产物生长的条件下，在发酵罐中生长；产物提取和精制；过程中排出的废弃物的处理。 2.发酵过程的组成六、发酵工业范围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

6、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)二、微生物的酶 工业上，曾由植物、动物和微生物生产酶。 微生物的酶可以用发酵技术大量生产，是其最大的优点。 与植物或动物相比，改进微生物的生产能力更方便。如在培养基中加入诱导物和采用菌株的诱变和筛选技术，以消除反馈阻遏作用。 三、微生物代谢产物 1）代谢产物的类别初级代谢产物：氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、脂类和碳水化合物等。次级代谢产物：有些微生物的稳定期培养

7、物中所含有的化合物，并不在营养期时出现，而且未见到对细胞代谢功能有明显的影响。例如，抗生素。2）初级代谢产物及其在工业上的用途举例初级代谢产物用 途乙醇含酒精饮料中的活性成分与石油混合后，可作为汽车燃料柠檬酸食品、化学工业中多种用途丙酮、丁醇溶剂氨基酸药品、调味品核苷酸调味品多糖食品添加剂、提高油类回收率维生素食品添加剂、药品四、发酵产品的应用领域1，食品2，医药3，轻工4，化工5，农业6，环保7，冶金8，高技术研究第三节、 发酵工程的地位1.生物工程重要的组成部分 发酵工程( Fermentation ) 酶工程 (蛋白质工程) (Enzyme engineering & Protein e

8、ngineering) 基因工程 ( Genetic engineering) 细胞工程 ( Cell engineering )2. 发酵工程是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. 是生命科学研究的对象或载体。生物技术体系生化工程酶工程细胞工程发酵工程 产物 产品 产品基因工程 产品强调过程优化与控制地位基因工程细胞工程酶工程发酵工程第四节、 发酵工业的发展史（一）、国内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）开拓发酵原料时期（1960年）基因工程阶段（1979）（1

9、）第一个阶段（1900年以前）产品只限于含酒精饮料和醋古埃及已经能酿造啤酒 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 1801年就有了原始的热交换器 18世纪中期，证实了酒精发酵中的酵母活动规律 Paster最终使科学界信服在发酵过程中酵母所遵循的规律 18世纪后期，Hansen在Calsberg酿造厂建立了酵母纯种培养技术 在18世纪末到19世纪初，基础培养基是用巴氏灭菌法处理，然后接种10%优质醋使呈酸性，可防治杂菌污染。这样就成为一个良好的接种材料。在20世纪初，在酿酒和制醋工业中已建立起过程控制的概念。 生产特点

10、是手工作坊或家庭式生产,非纯种培养,凭经验传授技术,产品质量 不稳定,产品为嫌气发酵产品（不知道其中的原理）。2）第二个阶段（1900年1940年）Koch首先发明固体培养基，建立细菌的纯种培养Petri创造一种培养皿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 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（3）第三个阶段（1940年以后）这一阶段的标志是，在纯种

11、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 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4）第四个阶段（1960年以后）甾体化合物的转化以烃为碳源生产微生物细胞作为饲料蛋白质的来源日本人木下祝郎发明代谢控制发酵 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。（5）第五个阶段（1979年以后）这个阶段以基因工程产品

12、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。主要特点基因工程、细胞工程、酶工程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基因工程菌构建及产品的发酵生产。 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2，重要发酵产品投入生产的年代年 代 产 品18801920 乳酸、面包酵母、乙醇、甘油、丙酮-丁

13、醇 淀粉酶*、转化酶*19201940 柠檬酸*、葡萄糖酸、蛋白酶*、核黄 素*、山梨糖19401950 青霉素*、短杆菌肽、链霉素*、金霉素、 新霉素、两性霉素、衣康酸、纤维素酶*、 果胶酶*、淀粉酶19501960 谷氨酸、赖氨酸*、土霉素*、四环素、新生霉素、红霉素*、制霉菌素、卡那霉素、环丝霉素、庆黄霉素、曲酸、柠檬酸*、葡萄糖酸、过氧化氢酶、甾体氧化产物、赤霉素、葡聚糖、单细胞蛋白*、水杨酸19601970 葡萄糖异构酶、糖化酶、氨基酰化酶、脂肪酶、乳糖酶、头孢霉素*、庆大霉素*、林可霉素*、利福霉素、万古霉素、核糖霉素、杀稻瘟菌素S、多氧霉素、泰勒霉素、缬氨酸、甾体生物转化物、5-

14、核苷酸、生物杀虫剂*、黄原胶*19701980：博莱霉素、阿霉素、杀念珠菌素、交杀霉素、西梭霉素、有效霉素、天门冬氨酸、苏氨酸、凝乳酶、右旋糖苷酶、维生素C*、木糖醇*、苹果酸*、长链二元酸、普鲁兰多糖、井岗霉素1980年以后：阿维霉素、苯丙氨酸*、环氧（丙）烷、丙烯酰胺、聚羟基丁酸酯（PHB）等3，工业化成功利用生物转化生产的有机化合物过 程 催化用酶 产 品 全球产量(吨)水解作用 淀粉葡萄糖苷酶 葡萄糖 102000万 腈水化酶 丙烯酰胺 30000 青霉素酰胺水解酶 青霉素* 1000015000拆分作用 乙内酰酶 D-对-羟基苯甘氨酸 100500(有旋光)拆分作用 脱卤酶 (s)-

15、2-氯丙酸 2000(无旋光)氧化作用 山梨醇脱氢酶 L-山梨糖 50000还原作用 -酮还原酶 L-肉碱(Carnitine) 12000过 程 催化用酶 产 品 全球产量(吨)异构作用 葡萄糖(木糖)异构酶 异构糖 800万C-C合成 丙酮酸脱羧酶 苯乙酰甲醇 300500 色氨酸苯基裂解酶 L-dopa 200非手性 富马酸酶 苹果酸 500前驱物质 天冬氨酸裂解酶 天冬氨酸 400肽合成 嗜热菌蛋白酶 Aspartame 2000 胰蛋白酶 胰岛素* 20万4，微生物酶促转化与化学合成有机结合途径：1. 微生物（酶促）转化 化学法合成例如： 山梨醇 山梨糖 维生素C 发酵法核糖 AZT

16、（叠氮胸苷或齐多夫） 半合成抗生素2.化学法生产前体 酶法(微生物)转化例如: 苯丙酮酸+富马酸 L-苯丙氨酸(转氨酶) 色氨酸发酵中添加吲哚(前体) 手性化合物的拆分（二）、发酵罐等生物反应器规模谷氨酸 100200m3 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（三）、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

17、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。 （四）、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。白酒的起源，当在元朝以前，尚待考证。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

18、进入新的发展时期。 1，白酒中国的酿酒业，距今已有数千年的历史渊源。白酒是我国特有的、具有悠久历史的传统酒种。 1949年,我国白酒的产量只有108万t 。1996年，总量达到80130万t。2009年，我国白酒的产量为706.93万余吨。 规模较大的有五粮液、茅台、泸州老窖、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）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70万吨左右。 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

19、啤酒厂建成,现为北京啤酒厂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 2009年，全国啤酒产量为4236.38万吨，同比增长7.1，基本保持在低稳增长的态势。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34万吨。 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。 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

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450万吨，已居世界首位 醋年产量约为250万吨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2006年产量为53万吨左右 7，柠檬酸 1953年我国曾进行浅盘发酵制柠檬酸的中型生产。 1965年前后由上海酵母厂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。1958年我国最大的抗生素工厂华北制药厂亦正式投入生产。 中国医药集团四川抗菌素工业研究所是我国主要的药物研究开发机构之一。10，味精1964年我国谷氨酸发酵研究成功，首先在上海投入生产。 味精生产万吨以上产量的工厂有17家。最大规模是周口莲花味精集团公司，年产12万吨。 目前年产量130多万吨。 11，基