发酵工程概况及发展趋势课件

发酵工程的概况及发展趋势Tel：；；E-mail：2012-10-18提纲第一节发酵、发酵工程技术的定义及特点第二节现代发酵工程技术和现代生物工程技术的关系第三节现代发酵工程技术的研究内容及应用范围第四节现代发酵工程技术的历史和发展趋势

第一节发酵、发酵工程技术的定义及特点

一.发酵的定义及特点

·发酵（fermentation）一词最初来源于拉丁语“发泡、沸涌”（fervere）的派生词，即指酵母菌在无氧条件下利用果汁或麦芽汁中的糖类物质进行酒精发酵产生CO2的现象。

·发酵-狭义定义（近代生物化学家）：发酵是微生物在无氧条件下，通过分解代谢，降解有机物，同时积累简单的有机物并产生能量的生物氧化过程。

·发酵-广义定义（现代工业微生物学家）：发酵泛指微生物在无氧或有氧条件下，通过分解代谢或合成代谢或次生代谢等微生物代谢活动，大量积累人类所需的微生物体或微生物酶或微生物代谢产物的过程。二.发酵工程技术的定义及特征

1．发酵工程技术的定义

·发酵工程技术（fermentationengineering）又称微生物工程技术，系指利用微生物的某种特性，通过现代化工程技术手段进行工业规模化生产的技术。它既是生物工程技术的重要分支学科，又是支撑生物工程技术产业化的重要手段。

·发酵工程技术和化学工程技术的最大区别在于：前者是利用生物体或生物体产生的酶进行的化学反应；而后者是利用非生物体进行的化学反应。

2．发酵工程技术的特点（1）生产安全，条件简单发酵过程在常温常压下进行，各种设备不必考虑防暴问题，生产过程安全，条件相对简单。

（2）原料简单，不需精制主要原料大部分是工农业生产的废弃物和下脚料以及矿产资源和石油产品，而且原料一般不需要精制。（3）自动调节，反应专一生产过程以生物体自动调节方式进行，同一发酵罐中能够连续进行多级酶促反应，而且生物体酶促反应具有高度专一性强，可获得单一的代谢产物。

（4）代谢类型多样，容易生产复杂化合物微生物的代谢类型具有多样性，而且生物体酶促反应具有高度选择性，能够高度选择性的进行复杂化合物在特定部位的氧化、还原和官能团的导入反应，因而容易生产复杂的高分子化合物。

（5）非牛顿流体性发酵醪发酵醪有固相、液相、气相之分，还含有活性微生物体，其流体力学性质与一般典型溶液性质不同，不服从牛顿力学规律，称为非牛顿流体（属于流变学范畴）。第二节现代发酵工程技术和现代生物工程

技术的关系

一．现代生物技术与现代生物工程的关系

1．现代生物技术的定义·传统生物技术的定义——生物技术（biotechnology），又称生物工艺学，最初由匈牙利工程师KarlEreky于1917年提出。——目前被广泛接受的生物技术的定义是1982年国际合作与发展组织提出的：生物技术是应用自然科学和工程学的原理，依靠生物催化剂（biologicalcatalyst），在适宜条件下将物料进行加工，提供有价值的产品或有益于社会服务的技术。·现代生物技术的定义

——以DNA重组技术为主要手段，依靠清洁、经济的生物反应器（bioreactor），利用可再生资源加工人类所需产品的可持续发展的技术。——现代生物技术的狭义定义可理解为DNA重组技术，即基因工程技术是现代生物技术的核心。

2．生物工程与生物技术的区别

·工程是根据科学原理和相关技术，组合出高效合理的具有一定结构的技术系统；而技术泛指根据生产实践和科学原理发展而成的各种工艺操作方法和技能。

·根据学科归属，生物工程属于工科范畴；生物技术属于理科范畴。从核心技术上看，生物工程以发酵工程和酶工程为核心；生物技术以基因工程和细胞工程为核心。根据研究的侧重点，生物工程以应用研究为主，以最终转化为产品为主要目的；生物技术侧重于基础研究。

二．现代发酵工程技术和现代生物工程技术的关系

·现代生物工程技术包含基因工程技术、细胞工程技术、发酵工程技术、酶工程技术（包括蛋白质工程技术）、生化工程技术五大主要工程技术体系。

——基因工程和细胞工程属于生物工程上游技术，主要任务是构建或选育出人类及社会需要的、优良稳定的生产菌株或细胞；——发酵工程、酶工程属于生物工程中游技术；——而生化工程属于生物工程下游技术。——中、下游生物工程技术的任务是设计出经济合理、理论正确、技术可行、操作安全的一整套艺术组合的生物工艺和设备系统。五大工程主要技术体系的关系如图1-1。图1-1生物工程五大主要技术体系关系图·总结——现代发酵工程技术需要基因工程技术和细胞工程技术提供优良的生物细胞（或酶）；——基因工程技术和细胞工程技术获得的优良的生物细胞（或酶）必须经过发酵工程技术、酶工程技术、生化工程技术，才能实现生物工程技术的产业化。

（1）上游工程技术

①物料的输送和原料的预处理②发酵培养基的选择、制备和灭菌③菌种的选育、保藏、复壮和扩大培养④发酵过程的动力学⑤发酵醪的特性⑥氧的传递、溶解和吸收⑦发酵生产设备的设计、选型和计算⑧发酵过程的工艺技术控制（2）下游工程技术①发酵液的预处理及发酵醪与菌体的分离②发酵产物的分离提取③发酵产物的精制纯化④发酵产物的成品加工（3）辅助工程技术①空气净化除菌与调节系统②水处理和供水系统③加热和制冷系统在上述研究内容中，上游工程技术是发酵工程技术研究的主要内容。2.典型的微生物发酵工艺流程图（见图1-2）

二、现代发酵工程技术的应用范围1．根据产业部门划分·10大食品发酵产业部门——酿酒工业（果酒、黄酒、白酒、啤酒等）；——食品酿造工业（酱、酱油、食醋、腐乳、豆豉、面包、酸乳等）；——有机酸发酵工业（柠檬酸、苹果酸、葡萄糖酸等）；——酶制剂发酵工业（淀粉酶、蛋白酶等）；——氨基酸发酵工业（谷氨酸、赖氨酸等）；——核苷酸发酵工业（鸟苷酸、肌苷酸等）；——维生素发酵工业（VB2、VB12等）；——微生物菌体蛋白发酵工业（如酵母菌单细胞蛋白等）；——微生物性功能食品发酵工业（低聚糖、真菌多糖、活性肽、活性微量元素、功能性不饱和脂肪酸等）；——食品添加剂发酵工业（黄原胶、海藻糖、食用色素、Nisin等）。

·还包括以下发酵产业部门——有机溶剂发酵工业（酒精、丙酮、丁醇等）；——抗生素发酵工业（青霉素、链霉素、庆大霉素等）；——生理活性物质发酵工业（激素、生长素等）；——环境净化发酵工业（废水和污水的生物处理等）；——生物能发酵工业（利用沼气、纤维素发酵生产酒精、乙烯、甲烷等）；——冶金发酵工业（微生物探矿、采油和石油发酵脱硫等）。2．根据产品类型划分·微生物菌体的培养与发酵生产·微生物酶的发酵生产·微生物代谢产物的发酵生产·生物转化发酵·微生物酶的发酵生产——目前工业用酶大多来自微生物发酵产生的胞外酶或胞内酶，再经分离、提取、精制得到酶制剂（emzymepreparation）。——酶制剂的种类主要有：α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖苷酶、支链淀粉酶、蔗糖酶、乳糖酶、葡萄糖异构酶、纤维素酶、碱性蛋白酶、酸性蛋白酶、中性蛋白酶、果胶酶、脂肪酶、凝乳酶、过氧化氢酶等。——还有某些用于医药生产和医疗检测的药用酶：青霉素酰化酶、胆固醇氧化酶、葡萄糖氧化酶、氨基酰化酶等。——用于传统酿酒工业的各种酒曲的生产可看成是复合酶制剂的生产。——现在已有很多酶制剂加工成固定化酶，使发酵工业和酶制剂的应用范围发生重大变化。·微生物代谢产物的发酵生产——微生物的代谢产物有初级代谢产物、中间代谢产物、次级代谢产物。——为了提高代谢产物的产量，需要对发酵微生物进行遗传特性的改造和代谢调控的研究。——利用发酵工程技术生产的微生物代谢产物主要有：氨基酸、核苷酸、维生素、有机酸、脂类、功能性食品活性成分、食品添加剂、有机溶剂、抗生素、生物能源物质、激素、生长素等。

一．发酵工程技术的历史（一）自然发酵阶段（1900年以前）

·早在19世纪自然科学发源以前，人类最早掌握的发酵技术是酿酒和制醋，还有酱油、酱品、泡菜、干酪、面包以及沤肥等。·该阶段具有以下四个特点：——特点之一：依靠自然发酵√人们并不知道微生物与发酵的关系，只是自觉不自觉的应用微生物进行酿造和发酵。√例如，厌气性发酵技术应用于酿酒，好气性发酵技术应用于制醋。——特点之二：历史悠久√古埃及和巴比伦在6000多年前，就有酿造啤酒和食醋的记载√我国人民在8000年～4500年之前，发明了制曲酿酒工艺。在商代，就懂得沤肥技术；√在春秋战国时期，已经掌握了制酱和酿醋技术；√公元7世纪，开始栽培食用菌（西方德国1707年才开始）；√公元10世纪——宋真宗时代，发明了种痘以防天花的免疫技术，18世纪传到英国。——特点之三：工艺独特√例如，我国的制曲酿酒工艺，先后利用两种不同的微生物进行酿酒，对于现代发酵技术采用混种发酵和序列发酵具有重大意义。——特点之四：经验丰富√我国古老的发酵技术积累了丰富的经验，已在《齐民要术》（公元6世纪）和《天工开物》（1637年）等典籍中都有详细记载。（二）纯培养技术的建立（1900～1940）·1680年，荷兰人安东尼·列文虎克（AnthonyLeeuwenhoek）首先发明了能放大200倍～300倍的显微镜，发现并证实了微生物的存在，揭开了人类认识微生物世界的序幕。·微生物的发现促进了对发酵原理的认识

——19世纪之前，亚里斯多德的“自然发生学说”占据统治地位，认为：生命有机体可以从一些没有生命的东西中产生。——“发酵的生命理论”的提出：19世纪中期（1861年）法国著名生物学家巴斯德（LouisPasteur）利用著名的曲颈瓶实验（两个曲颈瓶中分别加入肉汁，一个曲颈瓶加热后不发酵，另一个曲颈瓶不加热则发酵）否定了“自然发生学说”，提出了发酵的基本原理：“生命体只能由生命体产生；发酵是通过微生物的代谢活动而进行的化学变化（即发酵的生命理论）”。——“发酵的酶学理论”的提出：19世纪后期（1897年）法国的巴克纳（EduardBuchner）为了把酵母菌提取液用于医学，利用石英砂将啤酒酵母磨碎，取出液汁，加入蔗糖防腐，意外发现酵母提取液产生发酵现象，从而提出了无细胞体系发酵的酶学理论（即发酵的酶学理论）。同时也导致了当代生物化学的诞生，使微生物学与生物化学有机结合在一起。·微生物的发现也促进了纯培养技术的建立

——19世纪后期（1881年）德国医生柯赫（RobertKoch）首次采用固体培养基分离纯培养细菌获得成功。——几乎与此同时（1878年），丹麦人汉森（Hansen）在卡尔斯伯（Carlsberg）啤酒厂建立了啤酒酵母单细胞纯分离培养法，确立了“汉森稀释法”纯培养的原理，至今采用。·微生物纯培养技术的确立，开创了人为控制微生物发酵时代——发酵工程技术得到改进，发酵效率得到提高，生产过程中的腐败现象大大减少，厌气性发酵技术得以发展。——1900年～1940年期间，出现的发酵产品有：面包酵母、甘油、酒精、乳酸、丙酮-丁醇等厌氧发酵产品和柠檬酸和淀粉酶、蛋白酶等好氧发酵产品。——培养面包酵母：通过补料工艺和利用空气分布管将无菌空气通入培养液，提高了面包酵母的生产量。——丙酮-丁醇的厌氧发酵：Weizmann等人发明简便的密闭式发酵罐（低碳钢制成的具有半圆形的顶和底的圆筒形发酵罐），采用高压蒸汽进行灭菌，建立了真正的无杂菌发酵技术。使发酵工业逐渐加入到化学工业的行列。·微生物纯培养技术的建立是发酵工程技术发展的第一个转折时期。·该阶段的特点

——生产过程简单；

——对发酵设备要求不高；——生产规模不大；——发酵产品的结构比原料简单；——属于初级代谢产物。（三）通气搅拌好气性发酵工程技术（又称深层通气培养技术）的建立（1940～1957）·1929年，苏格兰细菌学家弗莱明（Fleming）首先发现了青霉素。1943年美国和英国合作研制出青霉素液体深层通气发酵工艺，包括：5m3机械搅拌发酵罐；通入采用纤维过滤进行高效率除菌的无菌空气；通过搅拌使空气分布均匀；培养基的灭菌和无菌接种；使微生物培养和发酵过程中的温度、pH、通气量、培养物的供给严格控制；之后离心萃取，冷冻干燥。·通气搅拌好气性发酵工程技术的建立，标志着生物和化学工程相结合的生化工程的诞生，使发酵工程技术在微生物学、生物化学、生化工程三大学科基础上迅速形成了一个完整的体系。·不仅促进了抗生素发酵工业的兴起，而且使各种有机酸、酶制剂、维生素、激素等产品都可以利用液体深层通气培养技术进行大规模生产。·该时期的特点是：微生物发酵的代谢活动已经从分解代谢转变为合成代谢，已经超越了微生物正常代谢的框架。·通气搅拌好气性发酵工程技术的建立是发酵工程技术发展的第二个转折时期。（四）代谢调控发酵工程技术的建立（1957～1960）·随着20世纪50年代DNA双螺旋结构的发现和生化技术的进展，代谢调控发酵工程新技术应运而生。

·代谢调控发酵工程技术是指以动态生物化学和微生物遗传学为基础，从DNA分子水平上，控制微生物的代谢途径，使之进行最合理的代谢，在人工控制的条件下，选择性的大量积累人们所需要的代谢产物的工程技术。·1957年，日本木下祝郎利用诱变育种技术选育出能够积累谷氨酸的营养缺陷型棒杆菌株，在谷氨酸发酵生产应用获得成功。·该技术已在一系列氨基酸发酵生产中得到广泛应用（至今已有22种氨基酸采用发酵法生产，其中18种直接发酵，4种酶法转化）。·该技术在核苷酸、有机酸、抗生素等次级代谢产物的发酵生产中也得到广泛应用。·该阶段的特点——对纯种发酵和无菌操作要求严格。——规模巨大。搅拌型发酵罐已达500m3，气升式发酵罐已达2000m3。——产品种类多。从初级代谢产物到次级代谢产物。——配套技术发展迅速。对搅拌型发酵罐进行了改良，发展了气升式发酵罐（可降低能耗、提高供氧），多种膜分离介质问世。·代谢调控发酵工程技术建立是发酵工程技术发展的第三个转折时期。

（五）发酵工程技术的全面发展阶段（1960年～1979年）

20世纪60年代和70年代，发酵工程技术进入了全面发展阶段，主要表现在以下几个方面：

1．开拓发酵原料

·传统的发酵原料主要是粮食、农副产品等糖质原料，为了满足未来的粮食和饲料的需要，急需开拓和寻找新的原料。

·石油化工副产物石蜡、醋酸、甲醇以及甲烷等碳氢化合物被用来作为发酵原料，从而开始了所谓石油发酵时期。碳氢化合物发酵原料不仅能够制造单细胞蛋白，而且还可发酵生产各种各样发酵产品。·由于以碳氢化合物为原料进行发酵需氧量很大，因此发展了循环式、喷射式等多种发酵罐，并利用计算机控制培养基的灭菌和发酵过程，还采用溶氧电极监测发酵过程中发酵醪的溶氧变化。

2．微生物酶生物合成与化学合成相结合的工程技术的建立

·矿产物的开发和石油化工的迅速发展，为化学合成工程提供了丰富的原料，利用逐次化学合成法生产某些低分子有机物是有利的，如乙醇、丙酮、丁醇等。葡萄糖酸、谷氨酸、乳酸的一部分也用化学合成法制造。

·对于化学合成法不能生产的一些物质，则采用微生物发酵法，在常温、常压下一步完成。发酵法主要优点是：能够生产立体特异性强的复杂物质，生产和设备投资较少，设备泛用性较广。·将微生物生物合成工程技术与化学合成工程技术相结合，可成为有用物质生产的新方法：——最初成功应用于维生素C的生产中，即利用微生物发酵法先将山梨糖醇转化为山梨糖，再通过化学合成法生产维生素C。——采用微生物发酵法与化学合成法可生产出新的抗生素，如半合成青霉素、半合成头孢霉素、卡那霉素和氯霉素等。——目前，利用发酵合成法与化学合成法相结合可大规模生产维生素C、高效新型抗生素、甾体激素、某些氨基酸（L-天冬氨酸、L-酪氨酸、L-色氨酸、L-赖氨酸）、某些核苷酸（5’-肌苷酸和5’-鸟苷酸）等。

3.发酵动力学、发酵过程的连续化、自动化工程技术的建立·这一时期发酵工程技术主要在发酵罐的大型化、多样化、连续化、自动化方面有了极大的发展。

·发酵过程中利用数学、动力学、化工原理、计算机技术、自动控制技术对发酵过程的研究，使间歇发酵和连续发酵的工艺控制更为合理，新工艺、新技术层出不穷：——日本的塔式连续发酵设备可以适合各种连续通风发酵的工艺要求。——法国的L-M型单极连续发酵槽用于连续培养酵母，其机构设计相当简单，而效率却十分高。——实验室万能发酵罐适用于任何发酵生产，可同时记录24个不同的理化和生化数据。——日本还对塔式连续发酵设备进行了数学模拟计算，发酵过程全部技术参数，包括温度、pH、罐压、溶氧、氧化还原电位、空气流量、CO2含量等均可自动控制和记录并付诸应用。——不少发酵工厂实现了程序自动控制，发酵过程使用了程序控制的特种数字计算机，生产效率大大提高。（六）基因工程阶段（1979年～今）

20世纪70年代发展起来的DNA重组技术，又大大推动了发酵技术的发展：·先是细胞融合技术，得到许多具有特殊功能和多功能的菌株，再通过常规发酵得到很多新的有用物质。如植物细胞融合，可以得到多功能的植物细胞，通过植物细胞培养，生产保健品和药品。·近年来得到迅猛发展的基因工程技术，可以在体外重组生物细胞的基因，并克隆到微生物细胞中构建成工程菌株，利用工程菌生产原来微生物不能合成的产物，如胰岛素、干扰素等，大大拓宽了发酵工业的范围。·针对大多数基因工程菌的表达产物在胞内，超声细胞破碎、高压匀浆、高分子伴随式破碎等新技术、新工艺不断涌现。·随着转基因植物的问世，发酵设备——生物反应器也不再是传统意义上的钢铁设备，昆虫躯体、动物细胞乳腺、植物细胞的根茎果实都可以看作是一种生物反应器。

·基因工程技术使发酵工业发生了革命性变化。二．现代发酵工程技术的发展趋势（一）基因工程的发展将为现代发酵工程技术带来新的活力

·基因工程技术为发酵工程技术提供了无限的潜力，掌握了基因工程技术就可以按照人们的意志来创造新的物种。·在此基础上，对传统发酵工业进行改造或建立新型发酵产业。(二)结合细胞工程技术，采用发酵工程技术进行动植物细胞培养·细胞融合技术使动植物细胞的人工培养进入了一个新的阶段，借助微生物细胞培养与发酵的先进技术，大量培养动植物细胞，能够产生许多微生物细胞不具备的特有的代谢产物。

（三）应用酶工程技术，将固定化（酶或细胞）技术广泛应用于发酵工业

·利用固定化细胞或酶进行工业化发酵生产，可以简化分离提取和纯化工艺，固定化后的细胞或酶稳定性提高，可以反复使用，改善了生物反应的经济性。·还可以将某些产物的发酵法改为固定化复合酶多级反应，将成为发酵工程技术巨大革新。·展望未来，酶工程技术在发酵工程技术中的应用必将不断扩大，特别是在解决未来世界环境和能源问题方面将起主导作用。（四）重视生化工程技术在发酵工业中的应用

·生化工程技术是指生化反应器、生物传感器、生化产