發(fā)酵工藝與設(shè)備

發(fā)酵工藝與設(shè)備食品與生物工程學(xué)院教師：黃達(dá)明張志才Email:damingh@163.com(黃)

zhangzhicai2001@(張)Tel黃張）前言學(xué)時(shí)：45+15（其中：講課學(xué)時(shí)：45實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：15）先修課程：生物化學(xué)、微生物學(xué)、化工原理、生物工藝學(xué)等適用專業(yè)：微生物與生化藥學(xué)、生物制藥、生物工程、生物技術(shù)等教材：發(fā)酵工程設(shè)備，粱世中，中國輕工業(yè)出版社，2002年第一版本課程的內(nèi)容和任務(wù)：《生物工程設(shè)備》是生物制藥、生物技術(shù)等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程是在學(xué)習(xí)完《生物化學(xué)》、《微生物學(xué)》、《化工原理》等課程后開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。通過《生物工程設(shè)備》的學(xué)習(xí)，將技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)課與發(fā)酵工藝與設(shè)備的操作原理結(jié)合起來，了解發(fā)酵工藝及設(shè)備要求的共性及特性，并且熟悉發(fā)酵的工藝流程及常用設(shè)備，為今后從事生物制藥等相關(guān)科研和生產(chǎn)打下良好的基礎(chǔ)。此外，生物工程設(shè)備的最基本問題是發(fā)酵工藝的學(xué)習(xí)和對發(fā)酵常用設(shè)備的認(rèn)知，通過本課程的學(xué)習(xí)，對上述過程工程問題與生物學(xué)基礎(chǔ)有較深入的認(rèn)識，對有關(guān)交叉學(xué)科的前沿技術(shù)在發(fā)酵工程中的應(yīng)用有一定的了解。教學(xué)安排參考教材高孔榮主編，《發(fā)酵設(shè)備》，中國輕工業(yè)出版社，1991年10月第一版王樹青、元英進(jìn)編著，《生化過程自動化技術(shù)》，化學(xué)工業(yè)出版社，1999年第一版。黎潤鐘主編，《發(fā)酵工廠設(shè)備》，中國輕工業(yè)出版社，1991年9月第一版第一章緒論第一節(jié)發(fā)酵工業(yè)歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展方向第二節(jié)發(fā)酵工業(yè)的基本概念第三節(jié)發(fā)酵過程的組成部分及設(shè)備第四節(jié)發(fā)酵工業(yè)的應(yīng)用第一章緒論第一節(jié)發(fā)酵工業(yè)的歷史和現(xiàn)狀一、自然發(fā)酵階段（人類出現(xiàn)到19世紀(jì)中期）二、發(fā)酵工程早期階段（19世紀(jì)50年代到20世紀(jì)40年代）三、液態(tài)發(fā)酵階段——通氣攪拌發(fā)酵設(shè)備（20世紀(jì)40年代末到70年代末）四、菌種選育、發(fā)酵過程的中間控制五、生物技術(shù)建立及對生物工程的影響第一章緒論一、自然發(fā)酵1、酒精飲料遠(yuǎn)古時(shí)的原始人類靠捅殺獸類為生。在他們發(fā)現(xiàn)了吃剩并經(jīng)過貯存后的獸肉比鮮肉的口味更好，以及發(fā)現(xiàn)了過熟的或開始有些腐爛的果子發(fā)出醉人的香味后，就逐漸掌握了制作“風(fēng)肉”以及“果灑”、‘‘酸奶”等食物和飲料的技術(shù)。古埃及人民在公九前40世紀(jì)已用經(jīng)發(fā)酵的面團(tuán)制作面包，公元前20世紀(jì)時(shí)亦已掌握了用裸麥制作“啤酒”的技巧。公元前25世紀(jì)古巴爾干人開始制作酸奶中國在4000年以前開始用黏高粱造酒。第一章緒論一、自然發(fā)酵2、醋的生產(chǎn)原先是在淺層容器中進(jìn)行，或是在未充滿啤酒的木桶中，將殘留的酒經(jīng)緩慢氧化而生產(chǎn)醋，并散發(fā)出一種天然香味3、醬、醬油、泡菜、奶酒、干酪等的制作以及面團(tuán)發(fā)酵，糞便和秸稈的漚制用大豆制造醬也約有4000午的歷史；約在3000多年前的商代后期．人們發(fā)現(xiàn)發(fā)了霉的豆腐可以治外傷；在約3500年前的商代，就開始了用人畜的糞便和以桔梗、雜草漚制堆肥；二、發(fā)酵工程早期階段1667年荷蘭人列文霍克（AntonyVanleowenhoek）首先發(fā)明了顯微鏡，認(rèn)識到微生物的存在；1850～1880年，巴斯德（LouisPasteur）通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了發(fā)酵原理，認(rèn)識到酒精發(fā)酵是由活的酵母引起的，發(fā)酵是由微生物的活動引起的；1897年，德國的畢希納進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)磨碎了的酵母仍然能使糖變成酒精，并將此具有發(fā)酵能力的物質(zhì)成為酶（酵素）——揭示了發(fā)酵的本質(zhì)，1907年獲得諾貝爾化學(xué)獎第一章緒論二、發(fā)酵工程早期階段19世紀(jì)末，德國和法國開始用微生物處理污水。1913年德國的MichaelisL.提出了酶反應(yīng)動力學(xué)方程。這一時(shí)期主要產(chǎn)品特點(diǎn)為初級代謝產(chǎn)物（primarymetabolites）:主要是與生長有關(guān)的如核酸、蛋白質(zhì)、氨基酸、蛋白質(zhì)，以及與能量代謝有關(guān)的副產(chǎn)物，諸如乙醇、丙酮、丁醇等。二、發(fā)酵工程早期階段有機(jī)溶劑：乙醇、丙醇、丁酮有機(jī)酸：葡萄糖酸、乳酸、檸檬酸、乙酸多元醇：甘油（丙三醇）酶制品：淀粉酶、糖化酶、蛋白酶、果膠酶、凝乳酶和纖維素酶疫苗：

液態(tài)發(fā)酵階段——通氣攪拌發(fā)酵設(shè)備1928年由Fleming發(fā)現(xiàn)青霉素，1945年獲得諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎1941年美國和英國合作對青霉素進(jìn)行生產(chǎn)研究40u/ml（表面培養(yǎng)：1升扁瓶或錐形瓶）200u/ml（深層發(fā)酵培養(yǎng)：5m3，1943）①、由于實(shí)驗(yàn)工廠的崛起，使發(fā)酵工業(yè)得到進(jìn)一步的發(fā)展，它可以在半生產(chǎn)規(guī)模中試驗(yàn)新技術(shù)。

②、大規(guī)?；厥涨嗝顾氐妮腿∵^程，也是另一大進(jìn)展。

5-7萬u/ml（100m3─200m3，當(dāng)今）

第一章緒論通氣攪拌發(fā)酵設(shè)備的意義通氣攪拌解決了液體深層培養(yǎng)時(shí)的供氧問題；抗雜菌污染的純種培養(yǎng)技術(shù)；無菌空氣、培養(yǎng)基滅菌、無污染接種、大型發(fā)酵罐的密封與抗污染設(shè)計(jì)制造。第一章緒論通氣攪拌發(fā)酵設(shè)備的意義促進(jìn)了抗生素工業(yè)的發(fā)展建立了一套完整的好氧發(fā)酵技術(shù)，大型攪拌發(fā)酵罐培養(yǎng)方法推動了整個(gè)發(fā)酵工業(yè)的深入發(fā)展為現(xiàn)代發(fā)酵工程奠定了基礎(chǔ)第一章緒論抗生素生產(chǎn)大型發(fā)酵罐攪拌裝置外觀結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)造第一章緒論主要產(chǎn)品抗生素：鏈霉素、兩性霉素、氯霉素、金霉素等等用于農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的活性物質(zhì)：乳酸鏈球菌素（Nisin）、放線菌酮、殺稻瘟菌素。氨基酸：谷氨酸、鳥氨酸、賴氨酸、異亮氨酸、高絲氨酸。核苷酸：肌苷酸、鳥苷酸維生素：VB2、Vc第一章緒論主要產(chǎn)品多糖：主要用作食品和其他藥品的增粘劑：葡聚糖、黃原膠、微生物海藻酸和幾丁質(zhì)新的有機(jī)酸、酶制劑醫(yī)療診斷用的酶制劑試劑盒單細(xì)胞蛋白：用某些無毒但富含蛋白的菌體工業(yè)化生產(chǎn)的飼料。酶反應(yīng)過程和生物轉(zhuǎn)化過程固定化酶或固定化細(xì)胞技術(shù)：優(yōu)點(diǎn)：細(xì)胞固定化后可多次使用，不需將其從細(xì)胞中分離出來而直接采用細(xì)胞作催劑當(dāng)然在經(jīng)濟(jì)上和方便性帶來不可比擬的優(yōu)越性而得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。生物轉(zhuǎn)化(bioconversion)或稱微生物轉(zhuǎn)化(microbialtransformation)技術(shù)直接用產(chǎn)生柏關(guān)酶的微生物納腦來作為催化劑，即把底物直接投入細(xì)胞培養(yǎng)液中或?qū)⒌孜锶芤和ㄟ^裝有固定化細(xì)胞的柱中進(jìn)行酶促反應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)：可以省去復(fù)雜的從微生物細(xì)胞(指胞內(nèi)購)或培養(yǎng)物的濾液(指跑外兩)中提取酶的過程，并十分適合于多酶反應(yīng)或需要捕酶、輔助因子參與的催化過程。

四、菌種選育、發(fā)酵過程的中間控制代謝控制發(fā)酵工程技術(shù)：以動態(tài)生物化學(xué)和微生物遺傳學(xué)為基礎(chǔ)，將微生物進(jìn)行人工誘變，得到適合于生產(chǎn)某種產(chǎn)品的突變株，再在人工控制的條件下，選擇性的大量生產(chǎn)所需要的物質(zhì)。菌種選育：誘變育種、原生質(zhì)體制備技術(shù)、細(xì)胞融合、基因工程技術(shù)第一章緒論五、生物技術(shù)建立及對生物工程的影響現(xiàn)代生物技術(shù)時(shí)期是以分于生物學(xué)的理論為先導(dǎo)，基因工程的技術(shù)開始能作為生物技術(shù)新產(chǎn)品的一種開發(fā)手段或關(guān)鍵技術(shù)后算起的。第一章緒論五、生物技術(shù)建立及對生物工程的影響細(xì)胞融合技術(shù)、基因工程技術(shù)等生物技術(shù)發(fā)展，打破了生物種間障礙，能定向地制造出新的有用的微生物；將動、植物或某些微生物特有產(chǎn)物的控制基因植入細(xì)胞中，快速經(jīng)濟(jì)地大量生產(chǎn)這些產(chǎn)物；將具有不同性能的多種質(zhì)粒植入，使新菌株在清除污染或以非糧食物質(zhì)為原料進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)或環(huán)境保護(hù)；抗生素工業(yè)的生產(chǎn)帶動了生化工程建立生物轉(zhuǎn)化的興起微生物發(fā)酵生產(chǎn)氨基酸固定化技術(shù)蛋白酶抑制劑以及其他酶抑制劑基因工程技術(shù)第一章緒論第一章緒論第一章緒論發(fā)展方向１．從工業(yè)領(lǐng)域看（1）通過生物工程解決能源問題（2）取代部分化工工業(yè)（3）農(nóng)業(yè)：生物農(nóng)業(yè)、農(nóng)產(chǎn)品加工等方面（4）醫(yī)藥發(fā)展方向2.從產(chǎn)品角度看，應(yīng)圍繞下列領(lǐng)域：（1）酶制劑工業(yè)：即是生產(chǎn)工具，又是科學(xué)研究的工具和基礎(chǔ)（2）新型抗菌素工業(yè)和維生素行業(yè)（3）氨基酸及多肽發(fā)酵（4）生物免疫物質(zhì)：白介素-2、干擾素、抗腫瘤物質(zhì)等（5）細(xì)胞工程及疫苗發(fā)展方向從科學(xué)技術(shù)角度看底物基質(zhì)的轉(zhuǎn)變開發(fā)新產(chǎn)品微生物發(fā)酵向著大型化、自動化、連續(xù)化的方向發(fā)展。環(huán)境保護(hù)工業(yè)廢水廢渣處理、城市固體廢棄物處理返回第二節(jié)發(fā)酵工業(yè)的基本概念一、基本概念二、發(fā)酵分類三、發(fā)酵的特點(diǎn)一、基本概念“發(fā)酵”一詞的來源英語中發(fā)酵一詞fermentation是從拉丁語fervere派生而來的，原意為“翻騰”，它描述酵母作用于果汁或麥芽浸出液時(shí)的現(xiàn)象。沸騰現(xiàn)象是由浸出液中的糖在缺氧條件下降解而產(chǎn)生的二氧化碳所引起的。一、基本概念狹義“發(fā)酵”的定義：發(fā)酵是以有機(jī)物作為電子受體的氧化還原產(chǎn)能反應(yīng)廣義“發(fā)酵”的定義：工業(yè)上所稱的發(fā)酵是泛指利用生物細(xì)胞制造某些產(chǎn)品或凈化環(huán)境的過程，它包括厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，以及通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等的生產(chǎn)。產(chǎn)品即有細(xì)胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細(xì)胞、酶等。一、基本概念現(xiàn)代發(fā)酵的定義：通過微生物（或動植物細(xì)胞）的生長培養(yǎng)和化學(xué)變化，大量產(chǎn)生和積累專門的目的產(chǎn)物的反應(yīng)過程。發(fā)酵工程（FermentationEngineering）的定義：應(yīng)用微生物學(xué)等相關(guān)的自然科學(xué)以及工程學(xué)原理，利用微生物等生物細(xì)胞進(jìn)行酶促轉(zhuǎn)化，將原料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品或提供社會性服務(wù)的一門科學(xué)。發(fā)酵工業(yè)：利用生物的生命活動產(chǎn)生的酶，對無機(jī)或有機(jī)原料進(jìn)行酶加工（生物化學(xué)反應(yīng)過程）從而獲得產(chǎn)品的工業(yè)。一、基本概念二、發(fā)酵分類1，按發(fā)酵原料來區(qū)分：糖類物質(zhì)發(fā)酵、石油發(fā)酵及廢水發(fā)酵等類型。2，按發(fā)酵產(chǎn)物來區(qū)分：如氨基酸發(fā)酵、有機(jī)酸發(fā)酵、抗生素發(fā)酵、酒精發(fā)酵、維生素發(fā)酵、當(dāng)細(xì)胞蛋白等。二、發(fā)酵分類按發(fā)酵形式來區(qū)分，則有：固態(tài)發(fā)酵和深層液體發(fā)酵。按發(fā)酵工藝流程區(qū)分則有：分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和流加發(fā)酵。按發(fā)酵過程中對氧的不同需求來分，一般可分為：厭氧發(fā)酵和通風(fēng)發(fā)酵兩大類型三、發(fā)酵的特點(diǎn)發(fā)酵過程一般來說都是在常溫常壓下進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)安全，要求條件也比較簡單。原料來源廣泛。發(fā)酵過程是通過生物體的自動調(diào)節(jié)方式來完成的，反應(yīng)的專一性強(qiáng)，因而可以得到較為單—的代謝產(chǎn)物。三、發(fā)酵的特點(diǎn)由于生物體本身所具有的反應(yīng)機(jī)制，能夠?qū)Ｒ恍缘睾透叨冗x擇性地對某些較為復(fù)雜的化合物進(jìn)行特定部位地氧化、還原等化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)，也可以產(chǎn)生比較復(fù)雜的高分子化合物。發(fā)酵過程中對雜菌污染的防治至關(guān)重要。維持無菌條件是發(fā)酵成敗的關(guān)鍵。微生物菌種是進(jìn)行發(fā)酵的根本因素，通過變異和菌種篩選，可以獲得高產(chǎn)的優(yōu)良菌株并使生產(chǎn)設(shè)備得到充分利用，也可以因此獲得按常規(guī)方法難以生產(chǎn)的產(chǎn)品。工業(yè)發(fā)酵與其他工業(yè)相比，投資少，見效快，開可以取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。返回第三節(jié)發(fā)酵過程的組成部分及設(shè)備從廣義上講，由三部分組成：

上游工程、發(fā)酵工程、下游工程上游工程UpstreamProcess發(fā)酵過程控制下游工程DownstreamProcessUPSTREAMPROCESSES基因工程、細(xì)胞工程