食品生物技术--发酵工程

第五章发酵工程与食品工程第一节发酵工程概述第二节发酵设备与基本工艺过程第三节发酵过程控制第四节发酵工程在食品工业中的应用跟孙嗽低氟呜本荆诵傣瘪潍箔妒依顽撬跑忌废浮褐泞惶焊筷顽锹坟卧库锐食品生物技术--发酵工程食品生物技术--发酵工程第一节发酵工程概述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、维生素和单细胞蛋白等。僵冻秘莽湿洞族仙忘靡烤惹瘸饯聂闪猛瞒在擎吮杂翘犁蚜辕嚎耍苗腔荷脐食品生物技术--发酵工程食品生物技术--发酵工程一、发酵工程主要内容发酵工程是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技术。发酵工程由于涉及到生物催化剂，因而与化学反应有关。由于生物技术的最终目标是建立工业生产过程为社会服务，因而该生产过程可称为生物反应过程（亦称为生化反应过程）。在发酵技术中一般包括微生物细胞或动植物细胞的悬浮培养，或利用固定化酶、固定化细胞所做的反应器加工底物（即有生化催化剂参加），以及培养加工后产物大规模的分离提取等工艺。主要是在生物反应过程中提供各种所需的最适环境条件，如酸碱度、湿度、底物浓度、通气量以及保证无菌状态等研究内容。嘿裙祝礼捣酱套思小缸巷俺僵背坟耐枢后幽流鞭宁藏函宜笔笛既乔怎壮嗽食品生物技术--发酵工程食品生物技术--发酵工程二、发酵工程的发展历史1000多年（甚至4000多年）以前酒类的酿造；19世纪利用酵母进行大规模发酵生产。大规模生产的发酵产品有乳酸、酒精、面包酵母、柠檬酸和蛋白酶等初级代谢产物；19世纪中叶，发明巴斯德灭菌法，找到了乳酸杆菌的生物体；20世纪初，发现某些梭菌能够引起丙酮丁醇的发酵。它是第一个进行大规模工业生产的发酵过程，也是工业生产中首次采用大量纯培养技术的；1929年Flemming爵士发现了青霉素，但无法提取精制；1942年终于正式实现了青霉素的工业化生产，这是生物工程第一次划时代的飞跃，生物技术核心的发酵技术已从昔日的以厌氧发酵为主的工艺跃入深层通风发酵为主的工艺；恬扭检郎平努肌寸恤藉浓蒋撅惶掠诊作坏倍薛臂翌殖醋话畅愈拜呐讼涅证食品生物技术--发酵工程食品生物技术--发酵工程20世纪40年代，以获取细菌的次生代谢产物—抗生素为主要特征的抗生素工业成为生物发酵工业技术的支柱产业；20世纪50年代，氨基酸发酵工业又成为生物技术产业的又一个成员。实现了对微生物的的代谢进行人工调节，这又使生物技术进了一步；20世纪60年代，生物技术产业又增加了酶制剂工业这一成员；70年代，为了解决由于人口迅速增长而带来的粮食短缺问题，进行了非碳水化合物代替碳水化合物的发酵，如利用石油化工原料进行发酵生产，培养单细胞蛋白，进行污水处理，能源开发等；80年代以来，随着重组DNA技术的发展，可以按人类社会的需要，定向培养出有用的菌株，这为发酵工程技术引入了遗传工程的技术，使生物技术进入了一个新的阶段。俱盗王特埠锁敢矾啼都吗郑周踢屏弄深鹿茶雅孪辟酣笼敢戊吾且潍开筏便食品生物技术--发酵工程食品生物技术--发酵工程三、发酵工程的特点在研究用微生物（生物催化剂）进行某种物质生产时，大体上有两种研究方式：一种是各种酶水平上研究微生物细胞内（外）的生物化学反应，如大量摇瓶在实验室里观察限制反应速率的因素和最适的培养方法，这可以认为是一种小规模的研究形式；另一种是大规模的研究形式，即过程放大。利用小型和中型反应器（培养罐）进行培养试验，并进一步在工业规模上研究生产物的分离和精制方法，以确定在细胞水平上的综合的最适培养条件。发酵工程的一个基本特点：发酵技术的放大方面，则需要由小试放大到中试逐步进行探讨。实验室进行的小规模发酵所获得的最适条件的各种参数，能否在工业规模生产中也同样保证其最适条件，那就是不是轻而易举的事了。总结：因此如何保证大规模发酵在最适条件下进行，仍是一个值得研究的课题，它不仅涉及到发酵设备的工程问题，也与各类生物细胞的生理生化特性相关。拓荒馋代谊漾辛昔镐拢晴禁锅涅跨啡驴舆夕约理正臆糖较游恰谍嚎诞蜡偏食品生物技术--发酵工程食品生物技术--发酵工程一般生物反应过程由四个部分组成：（1）材料的预处理培养基的制备过程，包括其配制和灭菌等；（2）生物催化剂的制备固定化技术来制备；（3）生物反应器及反应条件的选择与监控生物反应器是进行生物反应的核心设备；（4）产品的分离纯化将含量较低的产物从反应液中提取出来（指胞外产物）或从细胞中（指胞内产物）提取出来，并加以精制以达到规定的质量要求。厢悄埂照匿靳列酒殊登睦玲孟厉逃歪辛酪莆整萍誊枚弓扦溪羔惶滚渔洽腰食品生物技术--发酵工程食品生物技术--发酵工程生物反应过程主要有这样一些特点：–采用可再生资源作为主要原料，因而原料来源丰实，价格低廉，过程中废物的危害性较小，但由于原料的成分复杂，往往难以控制会给产品质量带来一定的影响；–由于采用的是生物催化剂，反映过程一般在常温常压下进行。但生物催化剂易受环境的影响和杂菌的污染，因而很易失活，难以长期使用；–与一般化工产品相比，其生产设备比较简单，能耗较低。但某些生物反应由于其特殊性质而使反应基质浓度和产物浓度均不能太高，这是因为微生物细胞或生物酶受底物浓度或产物浓度的抑制或不能耐高渗透压所致，不仅使反应器体积增大，而且也加大了提取的困难，因而反应器生产效率较低；–尽管生物反应过程成本低，应用广，但反应极为复杂，较难检测与控制。反应液中杂质多，给分离提纯带来了困难。洲旦愁寻伪掖身犯杭结无颅产晦谴坑骆署串遍汾渐穴焉洼录睡妇服碑挪窃食品生物技术--发酵工程食品生物技术--发酵工程四.生物反应过程的分类1、酶催化反应过程采用游离酶或固定化酶为催化剂时的反应过程。生物体中所进行的反应几乎都是在酶的催化下进行的。工业生产中所用的酶，或是经提取分离得到的游离酶，或是固定在多种载体上的固定化酶。2、微生物反应过程采用活细胞为催化剂时的反应过程。这既包括一般的微生物发酵反应过程，也包括固定化细胞反应过程和动植物细胞的培养过程。3、废水的生物处理过程它是利用微生物本身的分解能力和净化能力，除去废水中污染物质的过程。锌汪道惮赫铆既箭打怔桐丫牧诗呆埂膘剐靳慌昧杯狮伴甩班痕秀蒙倦胜澳食品生物技术--发酵工程食品生物技术--发酵工程五、生物化学工程的基本内容生化工程由三部分组成：上游工程，发酵过程和下游工程。上游工程：包括优良种株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶氧和营养组成）的确定，营养物的准备等；发酵过程（发酵工艺）：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；下游工程：指从发酵液中分离和纯化产品的技术：包括固液分离技术（离心分离，过滤分离，沉淀分离等工艺），细胞破壁技术（超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂和溶壁酶等），蛋白质纯化技术（沉淀法、色谱分离法和超滤法等），最后还有产品的包装处理技术（真空干燥和冰冻干事燥等）。乔孟陋钞携辱辛蹿釜囚毅烟肤劳蚤雍鬼渴档崭犁松磕恩敢越漆呼疲甲粟梗食品生物技术--发酵工程食品生物技术--发酵工程上游加工技术：在生物化学反应过程的上游加工中最重要的是生物催化剂（包括菌株、酶及其固定化）的制备，因此必须掌握生物催化剂的生理生化特性和培养特性，解决大规模种子培养或固定化生物催化剂的制备以及如何将其在无菌状态下接入生物反应器中等问题。上游加工中还包括原材料的物理和化学处理、培养基的配制和灭菌等问题，这里包括有物料破碎、混合和输送等多种化工单元操作以及热量传递、灭菌动力学和设备等有关工程问题。酵承峨什怯屡蹭墒紧昆艺腿仔滨莆烫睫谐孜酋里冲渡砷哮玛赛拈袜能舞泉食品生物技术--发酵工程食品生物技术--发酵工程发酵工艺技术：1、发酵要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、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。发酵工艺的批量发酵：1、一次投料发酵；2、流加批量发酵：即在一次投料发酵的基础上，流加一定量的营养，使细胞进一步的生长，或得到更多的代谢产物；3、连续发酵：不断地流加营养，并不断地取出发酵液。马绦惑沫跨汛咖挟呜钒姿嘲问涟奔酶拳碴亡聋验窝梦扇帐倪骨淆驮婉亮穿食品生物技术--发酵工程食品生物技术--发酵工程总结发酵工艺过程：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。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。魁衔揣忿篱杜洛班顽英岗昂裕班贮嚼席搪祟嚷溪大厢寥素捣侯撮仔屁残松食品生物技术--发酵工程食品生物技术--发酵工程下游加工技术：生物反应过程的下游是对目的产物的提取与精制。这一过程是比较困难的。这是因为一方面生物反应液中的目的产物的浓度是很低微的；另一方面因为反应液杂质常与目的产物有相似的结构，加上一些具有生物活性的产品对温度、酸碱度都十分敏感，一些作为药物或食品的产品对纯度、有害物质都有严格的要求。总之，下游加工过程步骤多，要求严，其生产费用往往占生产成本的一半以上。玄睬运嘛谎桑垄拐庸摧谤崖担戮做缔哈员糠依萝锚酵笺聋脱甥丑垛后篆牙食品生物技术--发酵工程食品生物技术--发酵工程总结：生物技术研究的主要目标是最大限度地提高上游处理、发酵与转化、下游处理这三个步骤的整体效率，同时寻找一些可以用来制备食品、食品添加剂和药物的微生物。从20世纪60~70年代起，生物技术的研究主要集中在上游处理过程、生物反应器的设计和下游的纯化过程方面，这些研究使发酵过程的检测、生物反应体系的检测技术和有效的大量培养微生物的技术及相关仪器方面都有了很大的发展。在利用微生物生产商品的整个过程中，生物转化这个环节往往是最难优化的。通常用于大规模生产的培养条件往往不是自然条件下微生物的最佳生长条件。因此，人们一般通过化学突变、化学诱变或者紫外线照射来产生突变体，从而改良菌种、提高产量，传统的诱导突变和选择的方法在发酵生产中获得了较大的成功。但是通过传统的方法提高产量的幅度是非常有限的，传统的改良菌种的生物技术还仅仅局限在化学工程和微生物工程的领域内。随着DNA重组技术的出现和发展，这种情况发生了根本性的改变。毫宁者隆读毛逼岔涛号邑陶菩耀月齐霓鼎野衷馋荡腐冶窒业撅多生潦厦踌食品生物技术--发酵工程食品生物技术--发酵工程第二节发酵设备与基本工艺过程琉冉稗遵堆公默枚荣茁勋阐冰井貉蓟类六超溃欠崇恰候绷盟慕染陷骇火受食品生物技术--发酵工程食品生物技术--发酵工程一个优良的培养装置应具有：严密的结构良好的液体混合性能高的传质和传热速率灵敏的检测和控制仪表一、生物反应器福白五坦稼踏浅匹砚汾助帮页龄瘦囱壳拘般逃努颅闭牺颁提摹庸鞍讨箕青食品生物技术--发酵工程食品生物技术--发酵工程根据反应是否需要氧气为基准微生物反应器可分为:需氧微生物反应器（通气发酵罐）厌氧微生物反应器（嫌气发酵罐）貌杀学杯宗愁抿辖了贴帐茁末民赚褂烹绅载耳俗梭乍袭救碉晦庭饭淑票凋食品生物技术--发酵工程食品生物技术--发酵工程1、厌气发酵设备1.1酒精发酵罐酵母将糖转化为酒精高转化率条件(1)满足酵母生长和代谢的必要工艺条件(2)一定的生化反应时间(3)及时移走在生化反应过程中将释放的生物热吭坚跟筐荤郝维率剂弥着贵操兽郧啃另门惟匀苯旁磕户械恋苏育既邵诲贼食品生物技术--发酵工程食品生物技术--发酵工程酒精发酵罐的结构要求满足工艺要求，有利于发酵；从结构上有利于发酵液的排出；有利于设备清洗、维修