发酵工程与设备绪论

发酵工程与设备绪论第1页/共82页在生化和生理学意义的发酵指通过有机物间作为电子受体和电子供体而产生能量的过程。如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出CO2。狭义“发酵”的定义

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工业上所称的发酵:泛指将大量培养微生物获得产物的过程。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。产品既有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。广义“发酵”的定义

牛牛文库文档分享第3页/共82页发酵工程是生物技术的重要组成部分，是生物技术产业化的重要环节。它是应用生物学、化学和工程技术学的原理，大规模（工厂化）培养动植物和微生物细胞，生产生物量或产物的科学。发酵工程可分为上游工程、中游工程和下游工程。发酵工程定义

牛牛文库文档分享第4页/共82页二、发酵工业的特点优点1.产物结构复杂性和特异性：手性或光学活性2.过程安全性：水相、常温、常压、中性、不燃不爆3.主要原料可再生性：阳光和土地4.原料可替换性5.反应自控性6.设备通用性7.副产物可综合利用性8.生产能力可提高性：突变与基因扩赠9.产物类型可塑性：突变与转基因缺点1.副产物多，分离精制困难2.反应速度慢3.原料转化率低4.反应浓度低5.生产稳定性差6.设备庞大，辅助设备多，投资大7.废水、废渣排放量大，处理费用高8.生产过程容易受到其他微生物的污染9.通气、搅拌、冷却等能耗大

牛牛文库文档分享第5页/共82页三、发酵的分类

1.

按获取能量的方式分——好氧发酵，厌氧发酵2.

按产物类型分——初级代谢物发酵，次级代谢物发酵；食品发酵，有机酸发酵，氨基酸发酵，维生素发酵，抗生素发酵……3.

按操作类型分——自然发酵，纯种发酵，混种发酵；分批发酵，补料分批发酵，连续发酵；固态发酵，液态发酵4.按发酵生物类型分——细菌发酵，真菌发酵，基因工程菌发酵，动植物细胞发酵

牛牛文库文档分享第6页/共82页固态发酵SOLID-STATEFERMENTATIONPRODUCTION

牛牛文库文档分享第7页/共82页四、发酵工程的应用食品加工：单细胞蛋白（酵母、真菌等）含醇饮料：葡萄酒、黄酒、白酒、啤酒、白兰地、威士忌发酵乳制品：奶酪、酸奶调味品：味精、肌苷酸、酱油、醋等食品添加剂：柠檬酸、乳酸、天然色素等食品工业

牛牛文库文档分享第8页/共82页灰树花螺旋藻

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牛牛文库文档分享第14页/共82页乌龙茶红茶黄茶黑茶普洱茶

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面包

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牛牛文库文档分享第18页/共82页医药工业

抗生素：12000余种青霉素、金霉素、四环素、链霉素、庆大霉素、卡那霉素、新霉素、螺旋霉素、头孢霉素等。氨基酸：可发酵生产的有谷、赖、丙、组、异亮、亮、苯丙、脯、苏、色、酪、缬、瓜、鸟氨酸（国内40亿元，占发酵业产值12%）

维生素：VB2、VB12、VC、VA、VD等生物制品：亚单位疫苗、重组疫苗、DNA疫苗等。酶抑制剂：

-淀粉酶的抑制剂可治疗糖尿病胆固醇抑制剂可治疗高血压高血脂

牛牛文库文档分享第19页/共82页青霉素干扰素溶菌酶氨基酸

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牛牛文库文档分享第21页/共82页生物农药：

杀虫剂（Bt、白僵菌、病毒、微孢子虫）

防治植物病害（假单孢菌、木霉、弱病毒、庆丰霉素）生物除草剂：利用杂草的病原微生物生物增产剂：根瘤菌、蓝细菌、钾细菌、磷细菌等农业

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能源工业

酒精沼气氢能

牛牛文库文档分享第23页/共82页欧盟发展生物能源试图摆脱对传统能源依赖

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化学工业

可降解的生物塑料化工原料（乙醇、丙酮、丁醇、癸二酸等）生物表面活性剂及生物凝集剂

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冶金工业

黄金开采和铜、铀等金属的浸提

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环境保护

使用生物肥料，生物杀虫剂降解有毒物质净化废水废气，处理石油污染

牛牛文库文档分享第28页/共82页2002.11.19巴哈马籍油轮“威望号”在西班牙发生断裂沉没导致燃料油泄漏。这艘船共装有7.7万吨燃料油。

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牛牛文库文档分享第30页/共82页污水处理

牛牛文库文档分享第31页/共82页北京高碑店污水处理厂活性污泥法

牛牛文库文档分享第32页/共82页滨洲污水处理厂8万方/日氧化塘法

牛牛文库文档分享第33页/共82页WTO带来的机遇和挑战发酵工业的产业特点：1、技术中等复杂而又相对成熟（不属于高端技术）2、劳动中等密集、资源消耗较大，污染大。

所以从国际产业分工格局的趋势看，理应由发达国家转移到优秀的发展中国家来。而中国是发展最快的发展中国家，有很好的产业基础和人力资源，进入WTO之后，中国可以更直接地参与国际产业分工，所以应当成为世界发酵第一大国和第一强国。

牛牛文库文档分享第34页/共82页WTO带来的机遇和挑战发酵产业在我省区域经济中是最具特色的，石家庄是全国发酵工业的中心，是医药原料抗生素、维生素的生产基地。“药都”的提出意味着石家庄市可能成为中国发酵产业的第一大市和第一强市。天时和地利都已齐备。

牛牛文库文档分享第35页/共82页生产微生物细胞生产微生物酶生物微生物代谢产物生产基因重组产物将一个化合物经过发酵改造其化学结构—生物转化第一节发酵过程的范围发酵类别

牛牛文库文档分享第36页/共82页微生物生物量定义：是以获得具有多种用途的微生物菌体细胞为目的的产品的发酵工业。生产制作面包的酵母菌;生产作为人类或动物食物的微生物细胞（即单细胞蛋白质）。面包酵母

牛牛文库文档分享第37页/共82页新的菌体发酵可用来生产一些药用真菌，如香菇类、依赖虫蛹而生存的冬虫夏草菌、与天麻共生的密环菌以及从多孔菌科的茯苓菌获得的名贵中药茯苓和担子真菌的灵芝等药用菌。这些药用真菌可以通过发酵培养的手段来生产出与天然产品具有同等疗效的产物。冬虫夏草茯苓

牛牛文库文档分享第38页/共82页有的微生物菌体还可用做生物防治剂，如苏云金杆菌、蜡样芽孢杆菌和侧孢芽孢杆菌，其细胞中的伴孢晶体可毒杀鳞翅目、双翅目的害虫。丝状真菌的白僵菌、绿僵菌可防治松毛虫等。所以，某些微生物的剂型产品，可制成新型的微生物杀虫剂，应用于农业生产中。因此，菌体发酵工业还包括微生物杀虫剂的发酵。

牛牛文库文档分享第39页/共82页酶普遍存在于动物、植物和微生物中。最初，人们都是从动物、植物的组织中提取酶，但现在，工业应用的酶大多来自微生物发酵。微生物酶

牛牛文库文档分享第40页/共82页微生物酶制剂有广泛的用途食品和轻工业：如微生物生产的淀粉酶和糖化酶用于生产葡萄糖，氨基酰化酶拆分氨基酸等。

牛牛文库文档分享第41页/共82页酶也用于医药生产和医疗检测：6-氨基青霉烷酸是青霉素酰化酶用来生产半合成青霉素所用的中间体。胆固醇氧化酶用于检查血清中胆固醇的含量。葡萄糖氧化酶用于检查血中葡萄糖的含量等。角蛋白酶有助于伤口去痂和上皮再生，还用于配制润肤露、浴皂、洗发水和脱毛膏等美容品。因此角蛋白酶是外科手术后刀口缝合不留痂、烧伤病人上皮再生的特效药，也是美容美发的主要生化原材料等。

牛牛文库文档分享第42页/共82页酶的特点：易于工业化生产，便于改善工艺提高产量。分类：胞内酶和胞外酶生物合成特点：需要诱导作用，或遭受阻遏、抑制等调控作用的影响，在菌种选育、培养基配制以及发酵条件等方面需给予注意。

牛牛文库文档分享第43页/共82页微生物代谢产物

在菌体对数生长期所产生的产物，如氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、糖类等，是菌体生长繁殖所必需的，这些产物叫做初级代谢产物。

牛牛文库文档分享第44页/共82页抗生素生物碱、激素在菌体生长稳定期，某些菌体能合成一些具有特定功能的产物，如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子等。这些产物与菌体生长繁殖无明显关系，叫做次级代谢产物。

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牛牛文库文档分享第46页/共82页微生物代谢产物类型

产业微生物代谢产物医药抗生素，药理活性物质，维生素，抗肿瘤剂、基因工程药物、疫苗等食品氨基酸，鲜味增强剂，脂肪酸，蛋白质，糖与多糖类，发酵剂，脂类，核酸，核苷酸，核苷、维生素、饮料等农业动物生长促进剂，除草剂，植物生长促进剂，灭害剂，驱虫剂，杀虫剂等轻工酸味剂，生物碱，酶抑制剂，酶，溶媒，辅酶，表面活性剂，转化甾醇和甾体，有机酸，乳化剂，色素，抗氧化剂，石油等其他离子载体，抗代谢剂，铁运载因子等

牛牛文库文档分享第47页/共82页基因重组产物的发酵是指利用生物工程技术所获得的细胞，如DNA重组的工程菌、细胞融合所得的杂交细胞等进行培养的新型发酵，其产物多种多样。如用基因工程菌生产胰岛素、干扰素、青霉素酰化酶等，用杂交瘤细胞生产用于治疗和诊断的各种单克隆抗体等。基因重组产物

牛牛文库文档分享第48页/共82页DNA人体细胞DNA质粒细菌细胞控制产生胰岛素的基因片段限制酶限制酶胰岛素利用生物工程获得胰岛素12

牛牛文库文档分享第49页/共82页单克隆抗体制备

牛牛文库文档分享第50页/共82页定义：是利用生物细胞或产生的酶对一些化合物某一特定部位（基团）的作用如加入羟基、还原双键、脱氧或切断支链等，使它转变成结构相类似但具有更大经济价值的化合物。最终产物是由微生物细胞的酶或酶系对底物某一特定部位进行化学反应而形成的。反应最显著的特点是特异性强，包括反应特异性、结构位置特异性、立体特异性。微生物的生物转化

牛牛文库文档分享第51页/共82页B化合物微生物细胞A化合物固定化技术可加速应用催化单一反应

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甾体激素：分肾上腺皮质激素和性激素；重要的生理调节作用，在临床上广泛用于治疗过敏性皮炎、类风湿性关节炎、红班狼疮、支气管哮喘等

甾体药物的工业生产主要是通过改造天然的甾体产物而获得的；可的松类抗炎激素之所以有卓越的抗炎活力，主因在甾体母核11位上导入一氧原子，最大的困难也正在此。

化学转化：步骤繁多、得率低、价格昂贵（Savett,576kg脱氧胆酸，30多步反应，两年→938mg醋酸可的松）

生物法：高效、收率高（1952年，Munrry等，黑根霉，仅1步就将孕酮11位上导入一个羟基，使从孕酮合成皮质酮只需3步，这样才使可的松问世）如：甾体转化

牛牛文库文档分享第53页/共82页（1）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第二节发酵工业的发展史

牛牛文库文档分享第54页/共82页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

牛牛文库文档分享第55页/共82页列文虎克（Leewenhoch,1632-1723）——微生物形态学发展阶段荷兰业余科学家，1676年，用自磨镜片创造了一架能放大266倍的原始显微镜，一生制作了419台显微镜；发表论文400余篇，375篇寄往英国皇家学会发表。7

牛牛文库文档分享第56页/共82页列文虎克与他的显微镜列文虎克

1684年寄给皇家协会信的部分内容9

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彻底否定了自然发生说证实发酵由微生物引起

巴斯德的功绩免疫学—预防接种发明巴氏消毒法13

牛牛文库文档分享第58页/共82页无菌营养液出现微生物无菌营养液无生命出现加热无菌营养液无生命出现巴斯德的雁颈瓶实验

牛牛文库文档分享第59页/共82页巴斯德发现免疫现象↑动物实验↓人体实验几星期后42-43oC下培养的老龄炭疽菌获免疫力37oC下培养的新鲜炭疽菌病犬延髓（几代减毒）被疯狗严重咬伤的9岁男童

牛牛文库文档分享第60页/共82页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，可防治染菌污染。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。

牛牛文库文档分享第61页/共82页科赫的功绩证实炭疽病因—炭疽杆菌发现结核病原菌—结核杆菌科赫法则发明培养基并用其纯化微生物等一系列研究方法的创立

牛牛文库文档分享第62页/共82页划线法获得单菌落科赫定理图示单菌落

牛牛文库文档分享第63页/共82页奠基人巴斯德·路易斯(1822-1895)微生物奠基人Koch,robert(1843-1910)细菌学奠基人

牛牛文库文档分享第64页/共82页(JosephLister,1827~1912)首创用石炭酸喷洒手术室和煮沸手术用具以防术后感染，为防腐、消毒，以及无菌操作奠定了基础。21

牛牛文库文档分享第65页/共82页1878年，李斯特分离乳酸链球菌时用注射器和酒杯培养装置22

牛牛文库文档分享第66页/共82页Buchner（布赫纳）1897年，Buchner（布赫纳）阐明了发酵的化学本质。即发酵是由酶引起的一类化学反应。实验：酵母菌细胞用石英砂磨碎制成酵母汁（应用于医学）+白砂糖（防腐）意外发现发酵这是无生物细胞体系发酵的最初例子。

牛牛文库文档分享第67页/共82页（2）第二个阶段（1900年~1940年）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

牛牛文库文档分享第68页/共82页（3）第三个阶段（1940年以后）这一阶段的标志是，在纯种培养技术下，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

牛牛文库文档分享第69页/共82页Fleming1928年，Fleming发现了青霉素，开创了好气性发酵工程，建立了通风搅拌技术。弗莱明(1881～1995)

英国细菌学家1928年，Fleming将其命名为：青霉素24

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霉菌菌落周围出现抑制萄

葡球菌生长的抑制现象产黄青霉菌落细菌生长抑制区域正常细菌生长区域---抗生素的发现

牛牛文库文档分享第71页/共82页1940年，Florery和Chain：碘黄青霉中得到了纯品青霉素，继而放线菌——链霉素，金、土、卡那、红、新、庆大……..等相继发现。1984年达9000多种。1945年，抗生素工业（发酵工业正式兴起）Florery和Chain

牛牛文库文档分享第72页/共82页（5）第五个阶段（1979年以后）这个阶段以基因工程产品的生产为标志。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。

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