第七章发酵工程技术概论

1发酵工程技术概论

FermentationEngineering

2发酵工程FermentationEngineering

又称微生物工程，是利用微生物制造工业原料与工业产品并提供服务的技术，是生物技术的基础工程。Fermentationengineering3一、发酵的定义1、传统发酵2、生化和生理学意义的发酵3、工业上的发酵Fermentationengineering41、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。Fermentationengineering52、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。Fermentationengineering63、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Fermentationengineering7二、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。Fermentationengineering8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Fermentationengineering9发酵工业简介发酵食品有机酸氨基酸核酸类物质酶制剂医药工业（抗生素…）饲料工业（单细胞蛋白环境工程（废物处理）其它（冶金工业…）

FermentationIndustry

FermentedFoodsOrganicAcidsAminoAcidsNucleotidesEnzymesPharmaceutical(Antibiotics…)Feedstuff(eg.SCP)EnvironmentalApplication(WasteTreatment)Others(eg.Metallurgicalindustry)Fermentationengineering10三、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。Fermentationengineering11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的产物。Fermentationengineering12FERMENTATIONProcessControlFermentationengineering上游工程UPSTREAMPROCESSES下游工程DOWNSTREAMPROCESSES四、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13五、发酵的方式根据对氧的需要区分：厌氧和有氧发酵根据培养基物理性状区分：液体和固体发酵根据从微生物生长特性区分：分批发酵和连续发酵Fermentationengineering14六、发酵的基本过程菌种种子制备发酵发酵液预处理提取精制Fermentationengineering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BiotechnologicalPharmaceuticsFermentationengineering16空气的组成：氧气、二氧化碳、氮气的混合物，其中还有水汽及悬浮的尘埃，包括各种微粒、灰尘及微生物。空气过滤除菌

空气严格除菌，达到无菌状态，才能使用。工业中制备大量空气的方法有加热灭菌、静电除菌。在发酵工业中，大多采用过滤介质（filtermedium）除菌方法制备无菌空气。Fermentationengineering17发酵空气的标准

连续一定流量的压缩无菌空气。空气流量：VVM：单位时间（min）单位发酵液体积（m3）内通入的标准状态下的空气体积（m3），一般在0.1-2.0。压强：压力表显示0.2-0.4MPa，克服下游阻力。空气质量：相对湿度小于70％；温度比培养温度高10－30℃；洁净度100级。Fermentationengineering18培养基（medium）是供微生物生长繁殖和合成各种代谢产物所需要的按一定比例配制的多种营养物质的混合物。培养基的组成和比例是否恰当，直接影响微生物的生长、生产和工艺选择、产品质量和产量等。Fermentationengineering19菌种：已有的优良生产菌种和选育的新菌种

自然选育

诱变育种

杂交育种

Fermentationengineering20中国典型培养物保藏中心：ChinaCenterforTypeCultureCollection(CCTCC)，(武汉大学保藏中心)。

中国普通微生物菌种保藏管理中心：ChinaGeneralMicrobiologicalCultureCollectionCenter(CGMCC)

中国工业微生物菌种保藏管理中心：ChinaCenterofIndustrialCultureCollection（CICC）

抗生素菌种保藏管理中心（CACC）：

中国医学微生物菌种保藏中心：NationalCenterforMedicalCultureCollection(Bacteria)，CMCC国外主要保藏机构

WFCC：Worldfederationforculturecollections,

ATCC:AmericanTypeCultureCollection,

IFO:InstituteforFermentation,Osaka,JapanFermentationengineering21生产种子制备

（1）摇瓶种子制备：

（2）种子罐种子制备方法：一般都是由保存于冷冻管及砂土管或冰箱中的斜面菌种开始，在正式使用前要先转接到新鲜斜面培养基上活化后，再用于种子扩大培养。Fermentationengineering22摇瓶种子制备：孢子发芽和菌丝发芽速度慢的菌种要将孢子经摇瓶培养成菌丝后转入种子罐。Fermentationengineering23种子罐种子制备：一般可分为一级种子、二级种子、三级种子。级数决定于菌种的性质和菌体生长速度及发酵设备的合理利用，目的是形成一定数量和质量的菌丝。Fermentationengineering24按操作方式和工艺流程:分批式操作Batchoperation流加式操作Fed-batchoperation连续式操作ContinuousoperationFermentationengineering25分批式操作（Batchoperation）又称间歇式操作(intermittentoperation)或不连续操作（discontinuousoperation），是指把菌体和培养液一次性装入发酵罐，在最佳条件下进行发酵培养。经过一段时间，完成菌体的生长和产物的合成与积累后，将全部培养物取出，结束发酵培养。然后清洗发酵罐，装料、灭菌后再进行下一轮分批操作。Fermentationengineering26流加式操作又称补料－分批式操作（Fed-batchoperation），是指在分批式操作的基础上，连续不断补充新培养基，但不取出培养液。由于不断补充新培养基，整个发酵体积与分批式操作相比是在不断增加。控制流加操作的形式有二种，即反馈控制和无反馈控制。无反馈控制包括定流量和定时间流加，而反馈控制根据反应系中限制性物质的浓度来调节流加速率。最常见的流加物质是葡萄糖等能源和碳源物质及氨水等控制发酵液的pH值。Fermentationengineering27连续式操作（continuousoperation）是指菌体与培养液一起装入发酵罐，在菌体培养过程中，不断补充新培养基,同时取出包括培养液和菌体在内的发酵液，发酵体积和菌体浓度等不变，使菌体处于恒定状态的发酵条件，促进了菌体的生长和产物的积累。连续操作的主要特征是，培养基连续稳定地加入到发酵罐内，同时产物也连续稳定地离开发酵罐，并保持反应体积不变。

Fermentationengineering28吸附法沉淀法溶剂萃取法离子交换法吸附法沉淀法溶剂萃取法离子交换法重结晶法层析凝胶法提取精制获得的产物都要按照有关部门制定的国家标准进行质量检验和性能测定，符合要求后才为合格产品Fermentationengineering29发酵产物：微生物细胞，酶，药物活性物质，特殊化学物质和食品添加剂Fermentationengineering30七、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Fermentationengineering31人类最先学会酿造的酒:果酒和乳酒。我国最早的麦芽酿成的酒精饮料：醴。

最早的药酒生产工艺记载：西汉马王堆出土的帛书<<养生方>>。葡萄酒的最早记载：司马迁的<<史记·大宛列传>>。

麦芽制造方法的记载：北魏贾思勰的<<齐民要术>>。现存最古老的酒：1980年在河南商代后期(距今约三千年)

古墓出土的酒，现