1、生 物 与 环 境 工 程 系,发 酵 工 程 与 设 备 Fermentation Engineering and Equipment,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。,第一章 绪 论
2、,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。,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罐和发酵原料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
3、养的不同的工艺技术。,(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。,Fermentation engineering,上游工程UPSTREAM PROCESSES,下游工程DOWNSTREAM PROCESSES,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,UPSTREAM PROCESSES - genetics
4、, cell - inoculum developmentmedia formulationsterilization - inoculation,上游工程,Fermentation engineering,DOWNSTREAM PROCESSES - product extraction, purification & assay - waste treatment by product recovery,下游工程,The ratio of recovery to fermentation costs for L-asparaginase: 3.0 ethanol: 0.16,Ferment
5、ation engineering,菌种筛选,摇瓶试验,发酵罐试验,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。,发酵工程的发展历史,1929年Flemming爵士发现了青霉素，从此生产技术产品中增加一大类新的产品抗生素 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
6、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程的技术，使生物技术进入了一个新的阶段,History of applied microbiolo
7、gy,Ancient times food preservation (vinegar, cheese) flavour (bread, soy sauce) brewing (beer, wine) 1861 Louis Pasteur first phase industrial biotechnology 1940 penicillin (Fleming) antibiotic industry production of fine chemicals,History of applied microbiology,1973 rec DNA technology (Boyer & Coh
8、en) 1982 rec human insulin（胰岛素） post recombinant DNA area since 1982 rec therapeutic agents（治疗剂） 1990 rec bakers yeast 1992 rec chymosine （凝乳酶）(from yeast),发 酵 工 程 的 特 点,酶水平上研究微生物细胞内（外）的生物化学反应 ，即小规模的研究形式 过程放大，即大规模的研究形式,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,利用微生物的特点,发酵工程所
9、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,生物反应过程的组成部分,（1） 原材料的预处理（2） 生物催化剂的制备 （3）生物反应器及反应条件的选择与监控（4） 产品的分离纯化,生物反应过程的特点,a 采用可再生资源作为主要原料，因而来源丰富，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。 b. 由于采用的是生物催化剂，反应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
10、使用。,c. 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。 d.尽管生物反应过程成本低，应用广。但反应极力复杂，较难检测与控制。反应液中杂质多，给分离提纯带来了困难。,生物反应过程分类,酶催化反应过程 微生物反应过程 废水的生物处理过程,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
11、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。,废水的生物处理过程特点,由细菌等菌类、原生动物、微小原生动物等各种微生物构成的混合培养系统 几乎全部采用连续操作系统 微生物所处的环境条件波动大 反应的目的是消除有害物质而不是代谢产物和微生物本身,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
12、）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。,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。,发酵工业产品种类发酵食品 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）,Fermentation Industry Fermented Foods Organic Acids Amino Acids Nucleotides Enzymes Pharmaceutical (Antibiotics) Feedstuff (eg. SCP)
13、 Environmental Application (Waste Treatment) Others (eg. Metallurgical industry),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,获得发酵产品的条件,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。,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,发酵工业的意义与展望,利用遗传工程等先进技术，人工选育和改良菌种 采用发酵技术进行高等动动植物细胞培养 固定化技术广泛应用 开发和采用大型节能高效的发酵装置，自动控制将成为发酵生产控制的主要手段 应用代谢控制技术，发酵生产氨基酸 将生物技术广泛地用于环境工程,
