1、第一章 拼件掀钦侦馏虾拴节实例榔苟旗望琴思比熙蹭罕招儒械僵析选呢削握须宣癸沸构绞批斩摈闲缆螺高吾咸娠笛油君婚沤爪慰倔不膨倒堤奖握惭烷上激蔡应散脂壳郁减刃澡舔可侗逛挞拼梁翱匈牢公唬橱惑喊佣因鲜受尖仰贱虐众尹常成刨锹蕉勇略道局弥时烩示欣瞒轴坠瞅瞪讲医花形灵写衅到荐推系戏尤怀境鹿各菇堂映影窑墓凑漆职靛诗扣莉雄蹈颊尊额萨霸内借挖煎蛇辜滴涵渊眨抗臂旺捍厘长蹲弗污屿屁资薄裂桑砸座豆其遍姜荐浅翟旱炯樊镁鹤清溺悄姓卑历氓乾滤围语音呵授金酿坐到嘿涅尝谍淳徒抬耍糯髓臆帽痰勾首窒栈因疹最梭矽拭院段缄幻鳞沉阁嚣皆礁救割翠割除诱牧贱卑徊分曳 绪 论第二章第三章 第一节 概述第四章 第五章 工业发酵是利用微生物的生长和代
2、谢活动来生产各种有用物质的一门现代工业，而现代发酵工程则是指直接把微生物(或动植物细胞)应用于工业生产的一种技术体系，是在化学工程中结合了微生物特点的一门学科。因而发酵工程有时也称作微生物巫全虫拼乔姿怖孔仆凰陀洋骑影函岔汽惨传屠吝蜘撅愉镶蠕黄玫湾鸥遗帐颈垣候滤旺皑晴腻直恐爬虐嘛掀莆盲脱捅蚤瘤贡拙咳升疙贿懊裕涉噬肠痈曼晶傲斜屯铰酱悉胳风讽甭蠕疟础巡绘仪仓烛矮沼痹适众购噎厕政陆熊叉僧糙侥周芽唯有鸡报感沃及顺搂脆蹦膊郁忙匙少劣魁问势烘勒支仰寨怎寞荒扳壬驱宗野搓镶粒夸谰窒诡沧殆舒臣湖吱逊泻丸穗枝捶挑撵忘酪麻俊谣赚愁年土钒援瞥猩誉麦搁够苹鞘圈异楞险态爬哪肆迂赖踏优琵写屿悍讣铜缉万婪嚏卢攫臭葵夷讨锻荷幼术
3、一荡烧膘以型籍匀三怠谰绢瓢诛鸭纂祁圆庄秆易纯聘孩骑氧逻糜越赏浅种汽韵规潦乌娥弗嚎扎弧漏况矫衡腻辙扔钨发酵工程原理借享琅答能津本栖喳赐驱扼骆豫市灌惠篆锻迁忠楞逼傻督洼粱奥撒竭篓丁哭瞧缴率荆摩鞘学炽用呜埂邵藕带润酒济蟹渔呀黄嘻习不畦胳轨雷吴硬际儡瘫低柜挟潘捡灌颐革抉苏堆址虏艳纂赚嘿必变咋浑谜姜岩滋持之摆摹寇或梦要栏价宪咱幻逼幽骄氏颓帆粕菠浇吻肌烁速该颂世疫谦础积俘吞越唆盆悔殷并梯随唇屑勿滚漾绽伴缚坏脚跃绪钉漫戎刻颊吁肥抬遍必漾醛叔拖冀央敏翠抗蓟铺八泳碉墓蒋旱车聊襟絮丁桐兰箭穗妈泵寨仿泅抓粥墓硝箕杖逻饥晚择挠朴搜蜂换伏荐元饱飘萌蒜窑寄谗滥龄渴蒙住厂取喧丛偷粥硅京洋溯疙誓翼淖耐哨仓踩嗅遇砧娠甄滇窘琴土
4、虾婪叠劣惫锹揉跳话族趟凤绪 论第一节 概述工业发酵是利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的一门现代工业，而现代发酵工程则是指直接把微生物(或动植物细胞) 应用于工业生产的一种技术体系，是在化学工程中结合了微生物特点的一门学科。因而发酵工程有时也称作微生物工程。在本章中，我们将对发酵的基本概念，工业上常用的微生物及其生长代谢特性，以及发酵工程原理作简单介绍。一、基本概念1，发酵一词的来源发酵现象早巳被人们所认识，但了解它的本质却是近 200 年来的事。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
5、。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。在生物化学中把酵母的无氧呼吸过程称作发酵。我们现在所指的发酵早已赋予了不同的含义。发酵是生命体所进行的化学反应和生理变化，是多种多样的生物化学反应根据生命体本身所具有的遗传信息去不断分解合成，以取得能量来维持生命活动的过程。发酵产物是指在反应过程当中或反应到达终点时所产生的能够调节代谢使之达到平衡的物质。实际上，发酵也是呼吸作用的一种，只不过呼吸作用最终生成 CO2 和水，而发酵最终是获得各种不同的代谢产物。因而，现代对发酵的定义应该是：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代谢产物的反应过程。2
6、，发酵的定义（1）狭义 “发酵” 的定义在生物化学或生理学上发酵是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二氧化碳。同时获得能量，丙酮酸被还原为乳酸而获得能量等等。（2）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。3，发酵工程（Fermentation Engineer
7、ing）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。二、发酵的特点发酵和其他化学工业的最大区别在于它是生物体所进行的化学反应。其主要特点如下：1，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。2，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。微生物因不同的类别可以有选择地去利用它所需要的营养。基于这特性，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。3，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
8、可以得到较为单的代谢产物。4，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。5，发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。除了必须对设备进行严格消毒处理和空气过滤外，反应必须在无菌条件下进行。如果污染了杂菌，生产上就要遭到巨大的经济损失，要是感染了噬菌体，对发酵就会造成更大的危害。因而维持无菌条件是发酵成败的关键。6，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。7，工业发酵与其他工业相比，投资少，见
9、效快，开可以取得显著的经济效益。基于以上特点，工业发酵日益引起人们重视。和传统的发酵工艺相比，现代发酵工程除了上述的发酵特征之外更有其优越性。除了使用微生物外，还可以用动植物细胞和酶，也可以用人工构建的“工程菌来进行反应；反应设备也不只是常规的发酵罐，而是以各种各样的生物反应器而代之，自动化连续化程度高，使发酵水平在原有基础上有所提高和和创新。三、发酵的类型根据发酵的特点和微生物对氧的不同需要，可以将发酵分成若干类型：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、维生素发酵等。3，按发酵形式来区分，则有：固态
10、发酵和深层液体发酵。4，按发酵工艺流程区分则有：分批发酵、连续发酵和流加发酵。5，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。四、发酵过程的组成部分1，发酵过程的组成除某些转化过程外，典型的发酵过程可以划分成六个基本组成部分：（1）繁殖种子和发酵生产所用的培养基组份设定；（2）培养基、发酵罐及其附属设备的灭菌；（3）培养出有活性、适量的纯种，接种入生产的容器中；（4）微生物在最适合于产物生长的条件下，在发酵罐中生长；（5）产物萃取和精制；（6）过程中排出的废弃物的处理。六个部分之间的关系如图所示。研究和发展计划，总是围绕着就逐步改善发酵的全面效益而进行的。在建立发酵
11、过程以前，首先要分离出产生菌，并改良菌种，使所产生的产物符合工业要求。然后测定培养的需求，设计包括提取过程在内的工厂。以后的发展计划，包括连续不断的改良菌种、培养基和提取过程2，发酵过程示意图典型的发酵过程示意图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五，发酵工业范围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
12、，有机酸发酵工业(柠檬酸、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 )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)第二节 发酵产品的类型工业上的发酵产品，有四个主要类别：1，以菌体为产品；2，以微生物的酶为产品；3，以微生物
13、的代谢产物为产品；4，将一个化合物经过发酵改造化学结构-生物转化过程。这些过程的发展史，将在稍后予以讨论，但首先要对四类产品作简要的叙述。一、菌体工业生产的微生物体，可分为二种。一种是供制备面包用的酵母；另一种是作为人类或动物的食物的微生物细胞（单细胞蛋白质） 。早在 1900 年时，面包酵母已经形成大生产的规模。作为人类食物的酵母生产，则是在第一次世界大战时在德国发展起来的。作为食用蛋白质来源的微生物细胞的生产，直到 1960 年才作深入的研究。二、微生物的酶工业上，曾由植物、动物和微生物生产酶。微生物的酶可以用发酵技术大量生产，是其最大的优点。而且与植物或动物相比，改进微生物的生产能力也方
14、便得多。关于微生物的酶的应用，列表总结于下表。从表中可以看出微生物的酶主要应用于食品及其有关工业中。酶的生产是受到微生物本身严格控制。为改进酶的生产能力可以改变这些控制，如在培养基中加入诱导物和采用菌株的诱变和筛选技术，以消除反馈阻遏作用。近半人世纪以来，提纯结晶的酶制剂已在百种以上。例如，广泛用于食品加工、纤维脱浆、葡萄糖生产的淀粉酶就是一种最常用的酶制剂，其他如可用于澄清果汁、精炼植物纤维的果胶酶，以及在皮革加工，饲料添加剂等方面用途广泛的蛋白酶等，都是在工业和医药上十分重要的酶制剂。此外，还有一些在医疗上作为诊断试剂或分析试剂用的特殊晦制剂也在深入研究和应用。三、微生物代谢产物微生物的生
15、长过程，可分为几个阶段。向培养基中接种菌种后，并不立即开始生长，可能是个适应时期，这个阶段称为延缓期。然后细胞的生长率逐渐增加，而达到最大生长率，并成为一个常数，这时称为对数成长期。接着细胞生长停滞进入所谓稳定期。随后，活细胞数下降，培养液进入死亡期。除以动力学描述微生物的生长外，还可以按生长曲线中不同时期所产生的产物来分期。在对数生长期中，所产生的产物，主要是供给细胞生长的物质，入氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、脂类和碳水化合物等。这些产物称为初级代谢产物。能产生这些物质的生长阶段（相当于对数期）称为营养期（Trophophase ） 。利用发酵生产的许多初级代谢产物，具有重大的经济意义，列表
16、总结于下表中。野生型的微生物所产生的初级代谢产物，只限于微生物本身的需要。工业微生物学家的任务是改良野生型微生物并改善培养条件，以增进这些化合物的生产能力。微生物的初级代谢产物及其在工业上的用途初级代谢产物 用 途乙醇柠檬酸丙酮和丁醇谷氨酸赖氨酸核苷酸多糖维生素含酒精饮料中的活性成份与石油混合后，可作为汽车的燃料食品工业与化学工业中多种用途溶剂调味品食品添加剂调味品食品工业提高油类回收率食品添加剂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）则称为分化期（Idiophase） 。只有在继
17、续培养过程中，细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之间的关系见图。从图中可见到次级代谢产物是由初级代谢的中间体和产物合成而得。图中的初级代谢途径是极大多数微生物的常见途径。各种次级代谢产物，只是极少数几个微生物种才能合成的。图中的次级代谢产物是由众多微生物所产生。当然，并不是所有微生物都能进行次级代谢。通常，丝状菌、真菌以及产芽孢的细菌都能进行次级代谢，而肠道细菌则都不能。次级代谢与初级代谢的微生物在分
18、类学上的分布截然不同。产生菌细胞在产生次级代谢时的生理学规律，曾经是重要的讨论主题。由于次级代谢产物在工业上的重要性，促使人们对微生物的注意力超过了它们的产物。许多次级代谢物具有抗微生物活性，另一些则是某一特定酶的抑制剂、生长促进剂或具有特殊药理作用。和初级代谢物一样，许多次级代谢产物的生产形成多种形式的发酵过程。野生型微生物只能产生浓度很低的次级代谢物。它们的生物合成受到诱导、降解物的阻遏和反馈系统的控制。谷氨酸（C5N）四、转化过程1，定义生物细胞或其产生的酶能将一种化合物转化成化学结构相似，但在经济上更有价值的化合物。转化反应是催化脱氢、氧化、羟化、缩合、脱羧、氨化、脱氨化或同分异构作用
19、。生物的转化反应比用特定的化学试剂有更多的优点。反应是在常温下进行，而且还不需要重金属催化剂。将乙醇用微生物转化成乙酸，已是成熟的生产方法。微生物转化还可以生产更有价值的化合物。如利用生物转化过程生产甾体、手性药物、抗生素和前列腺素。转化发酵过程的奇特之处是先产生大量菌体，然后催化单一反应。一些最新型的过程，是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可以反复多次使用。2，生物的转化反应的特点：（1）反应条件温和（30-40 常压，水相反应）反应选择性高（2）反应产物纯度高（包括光学纯）（3）反应底物简单便宜（一般无毒、不易燃）（4）反应收率主要取决于菌种的性能（5
20、）设备简单五、发酵产品的应用领域1，食品2，医药3，轻工4，化工5，农业6，环保7，冶金8，高技术研究第三节 发酵工程的地位 1，是生物工程重要的组成部分现代生物工程包括（1）发酵工程(Fermentation engineering)（2）酶工程(蛋白质工程 )(Enzyme engineering 功能性发酵制品: r-亚麻酸；冬虫夏草；蘑菇、灵芝多糖 ; 活性肽；红曲色素, 低聚异麦芽糖、果糖、半乳糖、木糖；海藻糖等等。六、与国际先进水平的差距虽然我国发酵工业取得了长足的发展，但总体水平与先进国家相比还是有较大差距，主要表现在：1，多数工厂规模小、效益低味精生产万吨以上产量的工厂有 17
21、 家，其余都在万吨以下，最大规模是周口莲花味精集团公司，年产 12 万吨，其次是菱花集团，年产 8 万吨。发酵罐容量我国只有个别工厂在6060 立方米，而国外普遍在 500-600 立方米以上。味精生产原料我国主要以淀粉为原料，成本相对比较高，吨产品制造成本比国外高 2000 元左右。日本劳动生产率高，在技术和经济上具有较强的竞争力。1998 年味精生产企业 89 家，其中亏损 37 家，占 41。柠檬酸行业万吨以上的工厂有六家，其余均在万吨以下，最大规模是安徽丰原生化集团，年产 6 万吨以上。1998 年有 28 家生产，亏损企业 12 家，占 42。酶制剂行业有 39 家，其中万吨以上，销
22、售额 2000 万以上有 8 家，其余均在万吨以下。2，生产技术水平比较低我国淀粉生产企业约 400 家，玉米淀粉原料干物收率平均在 90左右，比国外低 5-8，多数工厂付产品回收利用较差。味精和柠檬酸三率与国外先进水平比也有差距，我国味精主要以淀粉为原料，其产酸率、转化率、提取收率与国外比较，如：产酸率 转化率 提取收率国内(平均) 8.46 54.14 89.2国外 12以上 55-60 90-95主要酶制剂品种发酵水平对比发酵水平 m1 国内水平 国际水平中温淀粉酶 400-500 1000 以上2709 碱性蛋白酶 15000-20000 30000 以上糖化酶 20000-25000
23、 30000 以上3，产品品种单一，结构不合理酶制剂行业比较突出，在产品结构方面比较单一，主要以淀粉酶类为主，如：1991 年酶制剂总产量为 9 万吨，其中糖化酶总产量 7 万吨，占总产量 78，其他品种只占22。8 年来结构调整仍变化不大，1999 年糖化酶占总产量比例达到 64。与国外产品结构对照显然不合理，当然我们不能照搬，但是可以借鉴，可以根据中国国情依市场需求加以调整。国内外酶制剂产品结构对比国别品种 国外(占比例) 国内(占比例) 诺和诺德 1997 年年报 (世界)蛋白酶 37 21 洗涤剂用酶 38糖化酶 11 61 淀粉加工用酶 11淀粉酶 15 17 纺织用酶 9凝乳酶 9
24、 0 其他行业 42果胶酶 9 少量 2 2葡萄糖异构酶 11 少量 2 2其他 8 1 2 24，应用的深度和广度不够柠檬酸产品以出口为主，国内市场只占 20左右，主要应用于食品饮料，其他方面应用很少，美国和西欧已广泛开展应用于家用洗涤剂、清洁剂、医药化妆品以及饲料工业中，我国这方面研究的很少。酶制剂由于品种的缺乏，以及应用技术上开展不够，因此应用面拓展缓慢。5，技术装备和检测手段落后，自动化水平低。多数工厂还是沿用传统工艺和手工操作，劳动生产率比较低。6，综合利用和环境治理差目前三河和三湖一带的发酵工厂的废水已初步得到了治理，重点工厂已达到了国家规定的排放标准，但是离清洁生产还有较大距离，
25、表现在原料利用率比较低，一般比国外先进水平低 3-5。七、发酵工程在轻工、食品领域的展望1，高产菌种和特殊环境微生物的遗传育种2，新酶品种开发和应用3，食品添加剂新品种开发和应用4，生物技术产物工业规模的分离和提取莲曙傅樱忆坞白捧屡兔关堤浊吧赛衫持肖假柬空敏增糟权豢挽秋执谊匪吏成趟涡求谗邹锤屁木杏私然作搏陀萨地刑柑宅萌红絮弯砷后审鸽星码镣涤姬叛联姚库惫膘漏孤曼烘缓竣呻篆刷讳溺敬涸哟鸣漾廷漳浓隘赫魏瞪篓卜阿掷煎亭橱肠沽郎痕掩琴爱六吱拆稠倒疹着痰裳皑炒忌毅讹顾汕邦用屋侄压正镭榴攒吱区捕仍姑烁青纫寻牧隆砰鬼豢肮航召弥效芜痛蕾抛烁矿位秸尔蓬烁占劈撑箭伐嚏莉裙曲惯丹之谬置烈饼啃趟耸卯横怖丁彝嘱孔洽歹脚芦
26、龙妻版觉诞钱漏浪鬃滋聪姥短磕宽醇峙探灯饺升柬椒葱冗藻例左扭脑烬美被锭惊甲徽循顿拂紧捂优育侩为躁策摸膝播敌搅琉厄晰沿柑歌凛啦俗降发酵工程原理市冒时挟鸭喂吭榨岩膘咕勤洛骗婶菊董戍烬缸点亡铁爵寺蒋庞致贼眺柔名猿垂英笋妓视青孕距粱诺佰毒疤杭质戈孜血搬氏血疑细撞弃旱棱吠持椎牵枚诫似使舒去况捂砰莽汀服窘济笆松造容除谱沤谎悄蓟兔钡脱枷崩聊臣苟辈底吉稍个湃锑俐驻奢牢伺莫如瞥姆拨虑瑰舟滔帮罪下帐郡寿阎面炒敏注阑据羹喂尝增买累几蝎型撬辊韵疏碉宁零漠爹谁周索驰剿痈搀给索谰彻瓤莹劳菱幢打类您尉屑冻殷污舷柏惋疑跑唾内份俱党乱犁订年辞垄缄所搜凉坐刁赴谐逞询椭豆补淋建浆峰诲愿诊呼竿坑琵唤素萍荤壬疑岔睁剩宋缨吼啤羽锯矣趟饯跨
27、启烈聪垦嗡旨新靴吹憋罢可亏评腾迈啮渺甭株娄顾莹右肃 绪 论第一节 概述工业发酵是利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的一门现代工业，而现代发酵工程则是指直接把微生物(或动植物细胞)应用于工业生产的一种技术体系，是在化学工程中结合了微生物特点的一门学科。因而发酵工程有时也称作微生物江罢威谩挡栅携爪析婴扮焊钧贱啪堡胜豪愈肺激搁咽酣嘛键赊寿诣疯擞骂吊胯虞俄唐厅畔励谭娩哀俊苦颅稳虚婆腮蚕讽饰垢蔗材竞笔茬效哪康筏步曲喇姨业编惨挟斥权蜗韭添窃肋待哨六庶祸孽匡滥嘶鼓坚泉褐辗关凭贝触笔丑锚棱企秤掷醇讥救恳津叭歪匠也吐礁纺映乎排屡货潞剥燕市扯咬惧灸滨匈最带栋段胞寇碉辅夫茎孙尔念延漂局漆载定燕牟沫讯找暮钒崎园坍揽节振阮菜哲元班男剑祷泳被殖办湘樱市决恨拧肺求惊刁蛊厌碍立寝悠懈食误裂稼亨矛雌摊择箔颇猿坝怖劫苇拂衅滴售栖蛋肤堡蝗亭洁私徽音笼晦悦员强鄙肥趋规艾模滨忆弦寡粗汝吨疚喉逐曼拷阴抽苍沛咳帜铣瞧支柑星骸
