1、发酵工艺与设备,食品与生物工程学院教师：黄达明 张志才Email: (黄) (张)Tel：13906102829（黄）13615274460（张）,前言,学 时： 45 + 15 （其中：讲课学时：45 实验学时：15） 先修课程：生物化学、微生物学、化工原理、生物工艺学等 适用专业：微生物与生化药学、生物制药、生物工程、 生物技术等 教 材：发酵工程设备，粱世中，中国轻工业出版社，2002年第一版,本课程的内容和任务：,生物工程设备是生物制药、生物技术等专业的专业基础课。该课程是在学习完生物化学、微生物学、化工原理等课程后开设的一门专业基础课。通过生物工程设备的学习，将技术基础课和专业课与
2、发酵工艺与设备的操作原理结合起来，了解发酵工艺及设备要求的共性及特性，并且熟悉发酵的工艺流程及常用设备，为今后从事生物制药等相关科研和生产打下良好的基础。此外，生物工程设备的最基本问题是发酵工艺的学习和对发酵常用设备的认知，通过本课程的学习，对上述过程工程问题与生物学基础有较深入的认识，对有关交叉学科的前沿技术在发酵工程中的应用有一定的了解。,教学安排,参考教材,高孔荣主编，发酵设备，中国轻工业出版社，1991年10月第一版 王树青、元英进编著，生化过程自动化技术，化学工业出版社，1999年第一版。 黎润钟主编，发酵工厂设备，中国轻工业出版社，1991年9月第一版,第一章 绪 论,第一节 发酵
3、工业历史、现状及发展方向 第二节 发酵工业的基本概念 第三节 发酵过程的组成部分及设备 第四节 发酵工业的应用,第一章 绪论,第一节 发酵工业的历史和现状,一、自然发酵阶段（人类出现到19世纪中期） 二、发酵工程早期阶段（19世纪50年代到20世纪40年代） 三、液态发酵阶段通气搅拌发酵设备（20世纪40年代末到70年代末） 四、菌种选育、发酵过程的中间控制 五、生物技术建立及对生物工程的影响,第一章 绪论,一、自然发酵,1、酒精饮料远古时的原始人类靠捅杀兽类为生。在他们发现了吃剩并经过贮存后的兽肉比鲜肉的口味更好，以及发现了过熟的或开始有些腐烂的果子发出醉人的香味后，就逐渐掌握了制作“风肉”
4、以及“果洒”、酸奶”等食物和饮料的技术。 古埃及人民在公九前40世纪已用经发酵的面团制作面包，公元前20世纪时亦已掌握了用裸麦制作“啤酒”的技巧。 公元前25世纪古巴尔干人开始制作酸奶 中国在4000年以前开始用黏高粱造酒。,第一章 绪论,一、自然发酵,2、醋的生产原先是在浅层容器中进行，或是在未充满啤酒的木桶中，将残留的酒经缓慢氧化而生产醋，并散发出一种天然香味 3、酱、酱油 、泡菜、奶酒、干酪等的制作以及面团发酵，粪便和秸秆的沤制 用大豆制造酱也约有4000午的历史； 约在3000多年前的商代后期人们发现发了霉的豆腐可以治外伤； 在约3500年前的商代，就开始了用人畜的粪便和以桔梗、杂草沤
5、制堆肥；,二、发酵工程早期阶段,1667年荷兰人列文霍克（Antony Van leowen hoek）首先发明了显微镜，认识到微生物的存在；18501880年，巴斯德（Louis Pasteur）通过试验发现了发酵原理，认识到酒精发酵是由活的酵母引起的，发酵是由微生物的活动引起的；1897年，德国的毕希纳进一步发现磨碎了的酵母仍然能使糖变成酒精，并将此具有发酵能力的物质成为酶（酵素）揭示了发酵的本质，1907年获得诺贝尔化学奖,第一章 绪论,二、发酵工程早期阶段,19世纪末，德国和法国开始用微生物处理污水。 1913年德国的Michaelis L.提出了酶反应动力学方程。 这一时期主要产品特
6、点为初级代谢产物（primary metabolites）:主要是与生长有关的如核酸、蛋白质、氨基酸、蛋白质，以及与能量代谢有关的副产物，诸如乙醇、丙酮、丁醇等。,二、发酵工程早期阶段,有机溶剂：乙醇、丙醇、丁酮 有机酸：葡萄糖酸、乳酸、柠檬酸、乙 酸 多元醇：甘油（丙三醇） 酶制品：淀粉酶、糖化酶、蛋白酶、果胶酶、凝乳酶和纤维素酶 疫苗：,液态发酵阶段通气搅拌发酵设备,1928年由 Fleming发现青霉素，1945年获得诺贝尔生理医学奖 1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究 40u/ml（表面培养：1升扁瓶或锥形瓶） 200u/ml （深层发酵培养：5m3 ，1943） 、由于实验
7、工厂的崛起，使发酵工业得到进一步的发展，它可以在半生产规模中试验新技术。 、大规模回收青霉素的萃取过程，也是另一大进展。 5-7万u/ml（100m3200m3，当今）,第一章 绪论,通气搅拌发酵设备的意义,通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题；抗杂菌污染的纯种培养技术；无菌空气、培养 基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。,第一章 绪论,通气搅拌发酵设备的意义,促进了抗生素工业的发展 建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法 推动了整个发酵工业的深入发展 为现代发酵工程奠定了基础,第一章 绪论,抗生素生产大型发酵罐搅拌装置,外观结构,内部构造,第一章 绪论,主要
8、产品,抗生素：链霉素、两性霉素、氯霉素、金霉素等等 用于农业和畜牧业的活性物质：乳酸链球菌素（Nisin）、放线菌酮、杀稻瘟菌素。 氨基酸：谷氨酸、鸟氨酸、赖氨酸、异亮氨酸、高丝氨酸。 核苷酸：肌苷酸、鸟苷酸 维生素：VB2、Vc,第一章 绪论,主要产品,多糖：主要用作食品和其他药品的增粘剂：葡聚糖、黄原胶、微生物海藻酸和几丁质 新的有机酸、酶制剂 医疗诊断用的酶制剂试剂盒 单细胞蛋白：用某些无毒但富含蛋白的菌体工业化生产的饲料。,酶反应过程和生物转化过程,固定化酶或固定化细胞技术： 优点：细胞固定化后可多次使用，不需将其从细胞中分离出来而直接采用细胞作催剂当然在经济上和方便性带来不可比拟的优
9、越性而得到相当广泛的应用。 生物转化(bioconversion)或称微生物转化(microbial transformation)技术 直接用产生柏关酶的微生物纳脑来作为催化剂，即把底物直接投入细胞培养液中或将底物溶液通过装有固定化细胞的柱中进行酶促反应。 优点：可以省去复杂的从微生物细胞(指胞内购)或培养物的滤液(指跑外两)中提取酶的过程，并十分适合于多酶反应或需要捕酶、辅助因子参与的催化过程。,四、菌种选育、发酵过程的中间控制,代谢控制发酵工程技术：以动态生物化学和微生物遗传学为基础，将微生物进行人工诱变，得到适合于生产某种产品的突变株，再在人工控制的条件下，选择性的大量生产所需要的物质
10、。 菌种选育：诱变育种、原生质体制备技术、细胞融合、基因工程技术,第一章 绪论,五、生物技术建立及对生物工程的影响,现代生物技术时期是以分于生物学的理论为先导，基因工程的技术开始能作为生物技术新产品的一种开发手段或关键技术后算起的。,第一章 绪论,五、生物技术建立及对生物工程的影响,细胞融合技术、基因工程技术等生物技术发展，打破了生物种间障碍，能定向地制造出新的有用的微生物； 将动、植物或某些微生物特有产物的控制基因植入细胞中，快速经济地大量生产这些产物； 将具有不同性能的多种质粒植入，使新菌株在清除污染或以非粮食物质为原料进行发酵生产或环境保护；,抗生素工业的生产带动了生化工程建立 生物转化
11、的兴起 微生物发酵生产氨基酸 固定化技术 蛋白酶抑制剂以及其他酶抑制剂 基因工程技术,第一章 绪论,第一章 绪论,第一章 绪论,发展方向,从工业领域看（1）通过生物工程解决能源问题（2）取代部分化工工业（3）农业：生物农业、农产品加工等方面 （4）医药,发展方向,2. 从产品角度看，应围绕下列领域： （1）酶制剂工业：即是生产工具，又是科学研究的工具和基础 （2）新型抗菌素工业和维生素行业 （3）氨基酸及多肽发酵 （4）生物免疫物质：白介素-2、干扰素、抗肿瘤物质等 （5）细胞工程及疫苗,发展方向,从科学技术角度看 底物基质的转变 开发新产品 微生物发酵向着大型化、自动化、连续化的方向发展。
12、环境保护工业废水废渣处理、城市固体废弃物处理,返回,第二节 发酵工业的基本概念,一、基本概念二、发酵分类三、发酵的特点,一、基本概念,“发酵”一词的来源 英语中发酵一词fermentation是从拉丁语fervere派生而来的，原意为“翻腾”，它描述酵母作用于果汁或麦芽浸出液时的现象。沸腾现象是由浸出液中的糖在缺氧条件下降解而产生的二氧化碳所引起的。,一、基本概念,狭义 “发酵”的定义：发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应 广义 “发酵”的定义：工业上所称的发酵是泛指利用生物细胞制造某些产品或净化环境的过程，它包括厌氧培养的生产过程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，以及通气（有氧）培养的生产
13、过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等的生产。产品即有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。,一、基本概念,现代发酵的定义：通过微生物（或动植物细胞）的生长培养和化学变化，大量产生和积累专门的目的产物的反应过程。 发酵工程（Fermentation Engineering）的定义：应用微生物学等相关的自然科学以及工程学原理，利用微生物等生物细胞进行酶促转化，将原料转化成产品或提供社会性服务的一门科学。 发酵工业：利用生物的生命活动产生的酶，对无机或有机原料进行酶加工（生物化学反应过程）从而获得产品的工业。,一、基本概念,二、发酵分类,1，按发酵原料来区分：糖类物质发酵、石油发酵及废水发酵等类型。2，按
14、发酵产物来区分：如氨基酸发酵、有机酸发酵、抗生素发酵、酒精发酵、维生素发酵、当细胞蛋白等。,二、发酵分类,按发酵形式来区分，则有：固态发酵和深层液体发酵。 按发酵工艺流程区分则有：分批发酵、连续发酵和流加发酵。 按发酵过程中对氧的不同需求来分，一般可分为：厌氧发酵和通风发酵两大类型,三、发酵的特点,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，要求条件也比较简单。 原料来源广泛。 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的代谢产物。,三、发酵的特点,由于生物体本身所具有的反应机制，能够专一性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
15、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。 发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。维持无菌条件是发酵成败的关键。 微生物菌种是进行发酵的根本因素，通过变异和菌种筛选，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。 工业发酵与其他工业相比，投资少，见效快，开可以取得显著的经济效益。,返回,第三节 发酵过程的组成部分及设备,从广义上讲，由三部分组成： 上游工程、发酵工程、下游工程,上游工程 Upstream Process,下游工程 Downstream Process,UPSTREAM PROCESSES 基因工程、细胞工程 接种技术培
16、养基组成优化灭菌技术,DOWNSTREAM PROCESSES 产品指标测定 产品提取分离及纯化 - 废弃液处理 副产物综合利用,第三节 发酵过程的组成部分及设备,典型的发酵过程可以划分成六个基本组成部分： （1）空气过滤系统（2）灭菌及保温系统；（3）原料预处理及种子的扩大培养系统；,第三节 发酵过程的组成部分及设备,（4）微生物在发酵罐中合成目的产物；（5）产物分离、提取和精制；（6）上述过程中排出的三废的处理。,发酵过程示意图,第三节 发酵过程的组成部分及设备,3发酵生产的条件 （1）某种适宜的微生物 （2）保证或控制微生物进行代谢的各种条件（培养基组成，温度，溶氧pH等） （3）进行微
17、生物发酵的设备 （4）提取菌体或代谢产物，精制成产品的方法和设备,返回,第四节 发酵工业的范围,第四节 发酵工业的范围,1、酿酒工业(啤酒、葡萄酒、白酒等) 2、食品工业(酱、酱油、醋、腐乳、面包、酸乳等) 3、有机溶剂发酵工业(酒精、丙酮、丁醇等) 4、抗生素发酵工业(青霉素、链霉素、土霉素等) 5、有机酸发酵工业(柠檬酸、乳酸、葡萄糖酸等) 6、酶制剂发酵工业(淀粉酶、蛋白酶等) 7、氨基酸发酵工业(谷氨酸，赖氨酸等),第四节 发酵工业的范围,8、核苷酸类物质发酵工业(肌苷酸、肌苷等) 9、维生素发酵工业(维生素C、维生素B等) 10、生理活性物质发酵工业(激素、赤霉素等) 11、微生物菌
18、体蛋白发酵工业(酵母、单细胞蛋白等) 12、微生物环境净化工业(利用微生物处理废水、污水等) 13、生物能源工业(沼气、纤维素等天然原料发酵生产酒精、乙烯等，能源物质) 14、微生物冶金工业(利用微生物探矿、冶金、石油脱硫等),以获得具有多种用途的微生物菌体细胞为目的产品的发酵工业，包括单细胞的酵母、藻类、真菌以及人畜防治疾病用的疫苗等。细胞物质（初级代谢物）的发酵生产特点：是细胞的生长与产物积累呈平行关系，生长速率最大时期也是产物合成速率最大阶段，生长稳定期细胞物质浓度最大，同时也是产量最高的收获时期。,一、以菌体和初级代谢物为产品：,分化期（idiophase） 次生代谢物合成时期,初级代
19、谢物合成时期（营养期 Trophophase）,冬虫夏草,灵芝,二、微生物的酶,微生物的酶可以用发酵技术大量生产，是其最大的优点，同时也是发酵行业重要的组成部分。 与植物或动物相比，微生物发酵生产酶既容易改进技术提高质量，又容易扩大规模提高产量。 微生物生产的酶品种越来越多，如：淀粉酶，糖化酶、蛋白酶等老品种，还有许多用于医疗诊断、事迹分析用的试剂酶。,三、以微生物次级代谢产物为产品,有些微生物的稳定期培养物中所含有的化合物，并不在营养期时出现，而且未见到对细胞代谢功能有明显的影响。这些化合物称为次级代谢产物。这个生长期（相当于稳定期）则称为分化（Idiophase）。只有在继续培养过程中，细
20、胞处于不生长或缓慢生长状态时，才能实现次级代谢。这一点是十分重要的。因此，推断微生物在天然环境中，是以相对低的速率生长的；即在自然界中，是以分化期，而不是以营养期占优势。这是微生物在培养过程中的另一个特性。,初级代谢物与次级代谢物关系,四、生物转化：发酵法改造前体化合物的结构,生物转化发酵：指利用微生物细胞的一种或多种酶，作用于一些化合物的特定部位（基团），使它转变成结构相类似但具有更大经济价值的化合物的生化反应。主要进行的方式：催化脱氢、氧化、羟化、缩合、脱羧、氨化、脱氨化或同分异构作用。,生物转化优点：,反应条件温和（30-40常压，水相反应）反应选择性高，不需要重金属催化剂。固定化细胞或
21、固定化酶：将全细胞或其中有催化作用的酶固定在惰性载体上。具有催化作用的固定化细胞或酶可以反复多次使用。,生物转化优点：,反应产物纯度高（包括光学纯） 反应底物简单便宜（一般无毒、不易燃） 反应收率主要取决于菌种的性能 设备简单 可以用于手性化合物,五、其他应用,(1). 利用微生物消除环境污染(2). 利用微生物发酵保持生态平衡(3). 微生物湿法冶金(4).利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域,利用微生物消除环境污染,利用微生物发酵保持生态平衡,利用生物固氮代替化学氮肥；用生物杀虫剂代替化学农药；培育和创造能够在恶劣条件下生长，并且能够抗病虫害和草害的农作物新品种；为人类提供高蛋白含量、高单位面积产量的农作物和丰富的动物蛋白质,(3). 微生物湿法冶金利用微生物对某些金属氧化物的氧化还原反应，使低品位矿种的某些金属成为可溶性的化合物而得以冶炼，比如细菌炼铜。(4). 利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域建立在利用细胞融合和DNA重组等生物技术所获得的基因工程菌株或杂交细胞，以及动植物细胞或固定化活细胞等基础上的新型发酵，其产物是多种多样的。,思考题：1.查阅与发酵工程相关的文献，并了解论文中所做的主要工作。2.发酵工业的应用范围，并分别举出一例。3.发酵工艺的组成及满足生产所需的条件？,
