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1韩北忠中国农业大学食品学院HanBei-zhong,Prof.PhDCollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringChinaAgriculturalUniversity发酵工程FermentationEngineering2发酵工程•发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支，成为一个包括了微生物学、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的一个多学科工程。•现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。3FERMENTATIONProcessControlFermentationengineering上游工程UPSTREAMPROCESSES下游工程DOWNSTREAMPROCESSES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4UPSTREAMPROCESSES-genetics,cell…-inoculumdevelopment-mediaformulation-sterilization-inoculationFERMENTATIONProcessControl上游工程Fermentationengineering5DOWNSTREAMPROCESSES-productextraction,purification&assay-wastetreatment-byproductrecoveryFERMENTATIONProcessControl下游工程TheratioofrecoverytofermentationcostsforL-asparaginase:3.0ethanol:0.16Fermentationengineering6发酵工程主要指在最适发酵条件下，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；(3)种子培养和生产培养的不同的工艺技术。7(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，这就是发酵工程工艺放大问题。8微生物发酵技术•1857年法国化学家、微生物家巴斯德提出了著名的发酵理论：“一切发酵过程都是微生物作用的结果。”•巴斯德认为，酿酒是发酵，是微生物在起作用；酒变质也是发酵，是另一类微生物在作祟；随着科学技术的发展，可以用加热处理等方法来杀死有害的微生物，防止酒发生质变。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利用微生物的特点•发酵工程所利用的微生物主要是细菌、放线菌，酵母菌和霉菌利用微生物的特点：(1)对周围环境的温度、压强、渗透压、酸碱度等条件有极大的适应能力(2)有极强的消化能力(3)有极强的繁殖能力10UseofMicroorganisms•Positive（益处）–Biomass–Production–Conversion•Negative（危害）–Pathogens–Spoilage11一、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121、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。132、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。143、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。15二、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。16•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2.获得发酵产品的条件17三、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。18•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。19Historyofappliedmicrobiology•Ancienttimes–foodpreservation(vinegar,cheese)–flavour(bread,soysauce)–brewing(beer,wine)•1861LouisPasteur–firstphaseindustrialbiotechnology•1940penicillin(Fleming)–antibioticindustry–productionoffinechemicals20Historyofappliedmicrobiology•1973recDNAtechnology(Boyer&Cohen)•1982rechumaninsulin（胰岛素）–postrecombinantDNAarea•since1982rectherapeuticagents（治疗剂）•1990recbakersyeast•1992recchymosine（凝乳酶）(fromyeast)21四、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微生物产物：微生物细胞，酶，药物活性物质，特殊化学物质和食品添加剂1、生产微生物细胞物质•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，包括单细胞的酵母和藻类、担子菌，生物防治的苏云金杆菌以及人、畜防治疾病用的疫苗等。•特点：细胞的生长与产物积累成平行关系，生长速率最大时期也是产物合成速率最高阶段，生长稳定期产量最高。2、微生物酶发酵•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。3、微生物代谢产物发酵•包括初级代谢产物、中间代谢产物和次级代谢产物。•对数生长期形成的产物是细胞自身生长所必需的，称为初级代谢产物或中间代谢产物。•各种次级代谢产物都是在微生物生长缓慢或停止生长时期即稳定期所产生的，来自于中间代谢产物和初级代谢产物。4、微生物的生物转化•定义：是利用生物细胞对一些化合物某一特定部位（基团）的作用，使它转变成结构相类似但具有更在经济价值的化合物。•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。5、微生物特殊机能的利用•利用微生物消除环境污染•利用微生物发酵保持生态平衡•微生物湿法冶金•利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域。28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•FermentedFoods•OrganicAcids•AminoAcids•Nucleotides•Enzymes•Pharmaceutical(Antibiotics…)•Feedstuff(eg.SCP)•EnvironmentalApplication(WasteTreatment)•Others(eg.Metallurgicalindustry)五、发酵工业的特征•发酵过程中离不开微生物的作用1、发酵原料的选择及预处理2、微生物菌种的选育及扩大培养3、发酵设备选择及工艺条件控制：常温、常压。种子扩大培养和发酵采用不同的工艺。4、发酵产物的分离提取5、发酵废物的回收和利用(1)发酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应。可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和更新。(2)微生物菌种是进行发酵的根本因素，通过变异和菌种选育，可以获得高产的优良菌株并使生产设备得到充分利用，也可以因此获得按常规方法难以生产的产品。(3)发酵过程一般来说都是在常温常压下进行的生物化学反应，反应安全，要求条件简单。(4)发酵对杂菌的污染的防治至关重要。反应必需在无菌条件下进行。(5)由于生物体本身所具有的反应机制，能够专一地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定部位地氧化、还原等化学转化反应，也可以产生比较复杂的高分子化合物。(6)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。(7)工业发酵与其他工业相比，投资少，见效快，并可以取得较显著的经济效益。(8)除利用微生物外，还可以用动植物细胞和酶，也可以用人工构建的遗传工程菌进行反应。六、发酵方法的类别与流程•1、类别：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2、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2.工业发酵步骤和工艺流程(1)用作培养菌种及扩大生产的发酵罐的培养基的配制(2)培养基、发酵罐以及辅助设备的消毒灭菌(3)将已培养好的有活性的纯菌株以一定量转接到发酵罐中(4)将接种到发酵罐中的菌株控制在最适条件下生长并形成代谢产物(5)将产物抽提并进行精制，以得到合格的产品(6)回收或处理发酵过程中产生的废物和废水菌种筛选摇瓶试验发酵罐试验2.1发酵原料的预处理原料不同处理方法也有所差异。1.淀粉——利用前需变成糊精或葡萄糖方法：酸水解（高压、耐酸）、酶水解法2.糖蜜——加热杀菌和用水冲稀，也可加酸处理后再补充无机盐3.碳氢化合物：石油脱蜡——一定馏分的石油经冷却脱蜡而获得的凝固点在-10℃的油，加入适量无机盐进行接种发酵2.2菌种斜面培养•菌种：已有的优良生产菌种和选育的新菌种•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。2.3种子扩大培养•扩大培养的方法可以根据需要采用固体培养或液体培养两级不同方式。•固体种子扩大培养一般采用传统的制曲工艺，一般先用克氏瓶或匣子瓶进行扩大，再转接到曲盘扩大培养。需氧微生物：将克氏瓶表面培养的菌种接到装有液体培养基的三角瓶中，在摇庆上振荡培养。厌氧微生物：将有菌种的试管斜面或克氏瓶转接到三角瓶液体培养基中静置培养。2.4微生物发酵和控制•发酵方式可分为固体发酵和液体发酵两种。•固体发酵：适合于传统发酵工艺及乡镇企业用来生产比较简单的产品。•液体深层发酵：适合于大规模工业化生产。影响发酵的因素很多，如温度、pH、通风、搅拌、罐压力等等，必