發(fā)酵工程中國農(nóng)業(yè)大學(xué)

韓北忠中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院HanBei-zhong,Prof.PhDCollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringChinaAgriculturalUniversity發(fā)酵工程

FermentationEngineering1發(fā)酵工程發(fā)酵曾經(jīng)從過去簡單的消費酒精類飲料、消費醋酸和發(fā)酵面包開展到今天成為生物工程的一個極其重要的分支，成為一個包括了微生物學(xué)、化學(xué)工程、基因工程、細(xì)胞工程、機(jī)械工程和計算機(jī)軟硬件工程的一個多學(xué)科工程?，F(xiàn)代發(fā)酵工程不但消費酒精類飲料、醋酸和面包，而且消費胰島素、干擾素、生長激素、抗生素和疫苗等多種醫(yī)療保健藥物，消費天然殺蟲劑、細(xì)菌肥料和微生物除草劑等農(nóng)用消費資料，在化學(xué)工業(yè)上消費氨基酸、香料、生物高分子、酶以及維生素和單細(xì)胞蛋白等。2FERMENTATIONProcessControlFermentationengineering上游工程UPSTREAMPROCESSES下游工程DOWNSTREAMPROCESSES發(fā)酵工程組成從廣義上講，由三部分組成：上游工程、發(fā)酵工程、下游工程3UPSTREAMPROCESSES-genetics,cell…-inoculumdevelopmentmediaformulationsterilization-inoculationFERMENTATIONProcessControl上游工程Fermentationengineering4DOWNSTREAMPROCESSES-productextraction,purification&assay-wastetreatmentbyproductrecoveryFERMENTATIONProcessControl下游工程TheratioofrecoverytofermentationcostsforL-asparaginase:3.0ethanol:0.16Fermentationengineering5發(fā)酵工程主要指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培育細(xì)胞和消費代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù)(1)有嚴(yán)厲的無菌生長環(huán)境：包括發(fā)酵開場前采用高溫高壓對發(fā)酵原料和發(fā)酵罐以及各種銜接納道進(jìn)展滅菌的技術(shù)；在發(fā)酵過程中不斷向發(fā)酵罐中通入枯燥無菌空氣的空氣過濾技術(shù)；(2)在發(fā)酵過程中根據(jù)細(xì)胞生長要求控制加料速度的計算機(jī)控制技術(shù)；(3)種子培育和消費培育的不同的工藝技術(shù)。6(4)在進(jìn)展任何大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵前，必需在實驗室規(guī)模的小發(fā)酵罐進(jìn)展大量的實驗，得到產(chǎn)物構(gòu)成的動力學(xué)模型，并根據(jù)這個模型設(shè)計中試的發(fā)酵要求，最后從中試數(shù)據(jù)再設(shè)計更大規(guī)模消費的動力學(xué)模型。(5)由于生物反響的復(fù)雜性，在從實驗室到中試，從中試到大規(guī)模消費過程中會出現(xiàn)許多問題，這就是發(fā)酵工程工藝放大問題。7微生物發(fā)酵技術(shù)1857年法國化學(xué)家、微生物家巴斯德提出了著名的發(fā)酵實際：“一切發(fā)酵過程都是微生物作用的結(jié)果。〞巴斯德以為，釀酒是發(fā)酵，是微生物在起作用；酒蛻變也是發(fā)酵，是另一類微生物在作祟；隨著科學(xué)技術(shù)的開展，可以用加熱處置等方法來殺死有害的微生物，防止酒發(fā)生量變。

同時，也可以把發(fā)酵的微生物分別出來，經(jīng)過人工培育，根據(jù)不同的要求去誘發(fā)各種類型的發(fā)酵，獲得所需的發(fā)酵產(chǎn)品。

8利用微生物的特點發(fā)酵工程所利用的微生物主要是細(xì)菌、放線菌，酵母菌和霉菌利用微生物的特點：

(1)對周圍環(huán)境的溫度、壓強(qiáng)、浸透壓、酸堿度等條件有極大的順應(yīng)才干(2)有極強(qiáng)的消化才干(3)有極強(qiáng)的繁衍才干9UseofMicroorganismsPositive〔益處〕BiomassProductionConversionNegative〔危害〕PathogensSpoilage10一、發(fā)酵的定義1、傳統(tǒng)發(fā)酵2、生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵3、工業(yè)上的發(fā)酵111、傳統(tǒng)發(fā)酵

最初發(fā)酵是用來描畫酵母菌作用于果汁或麥芽汁產(chǎn)生氣泡的景象，或者是指酒的消費過程。122、生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵指微生物在無氧條件下，分解各種有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式，或者更嚴(yán)厲地說，發(fā)酵是以有機(jī)物作為電子受體的氧化復(fù)原產(chǎn)能反響。如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出CO2。133、工業(yè)上的發(fā)酵

泛指利用微生物制造或消費某些產(chǎn)品的過程包括：1.厭氧培育的消費過程，如酒精，乳酸等。2.通氣〔有氧〕培育的消費過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等。產(chǎn)品有細(xì)胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細(xì)胞、酶等。14二、發(fā)酵工業(yè)定義：是指利用生物的生命活動產(chǎn)生的酶，無機(jī)或有機(jī)原料進(jìn)展酶加工，獲得產(chǎn)品的工業(yè)。15適宜的微生物保證或控制微生物進(jìn)展代謝的各種條件進(jìn)展微生物發(fā)酵的設(shè)備精制成產(chǎn)品的方法的設(shè)備2.獲得發(fā)酵產(chǎn)品的條件16三、發(fā)酵工業(yè)的開展歷史天然發(fā)酵階段純培育技術(shù)的建立：巴斯德，科赫等。人為地控制微生物的發(fā)酵進(jìn)程。通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立：青霉素的消費——深層培育代謝控制發(fā)酵技術(shù)：微生物進(jìn)展甾體化合物的轉(zhuǎn)化，Glu和Lys發(fā)酵消費。對微生物具有高度專注性的酶反響作為合成手段的一部分加以利用，進(jìn)展合理的代謝。17開辟發(fā)酵原料時期：石油發(fā)酵，醋酸消費谷氨酸基因工程階段：采用酶學(xué)的方法，將不同來源的DNA進(jìn)展體外重組，再把重組DNA設(shè)法轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞內(nèi)，并進(jìn)展繁衍和遺傳下去。人們可以根據(jù)本人的志愿將微生物以外的基因件導(dǎo)入微生物細(xì)胞中，從而到達(dá)定向地改動生物性狀與功能創(chuàng)新的物種，使發(fā)酵工業(yè)可以消費出自然界微生物所不能合成的產(chǎn)物。18HistoryofappliedmicrobiologyAncienttimesfoodpreservation(vinegar,cheese)flavour(bread,soysauce)brewing(beer,wine)1861LouisPasteurfirstphaseindustrialbiotechnology1940penicillin(Fleming)antibioticindustryproductionoffinechemicals19Historyofappliedmicrobiology1973recDNAtechnology(Boyer&Cohen)1982rechumaninsulin〔胰島素〕postrecombinantDNAareasince1982rectherapeuticagents〔治療劑〕1990recbakersyeast1992recchymosine〔凝乳酶〕(fromyeast)20四、發(fā)酵工業(yè)的范圍1、以微生物細(xì)胞為產(chǎn)物的發(fā)酵工業(yè)2、以微生物代謝產(chǎn)物為產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè)3、以微生物酶為產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè)4、生物轉(zhuǎn)化或修飾化合物的發(fā)酵工業(yè)5、微生物廢水處置和其他21微生物產(chǎn)物：微生物細(xì)胞，酶，藥物活性物質(zhì)，特殊化學(xué)物質(zhì)和食品添加劑221、消費微生物細(xì)胞物質(zhì)定義：是以獲得具有多種用途的微生物菌體細(xì)胞為目的的產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè)，包括單細(xì)胞的酵母和藻類、擔(dān)子菌，生物防治的蘇云金桿菌以及人、畜防治疾病用的疫苗等。特點：細(xì)胞的生長與產(chǎn)物積累成平行關(guān)系，生長速率最大時期也是產(chǎn)物合成速率最高階段，生長穩(wěn)定期產(chǎn)量最高。232、微生物酶發(fā)酵酶的特點：易于工業(yè)化消費，便于改善工藝提高產(chǎn)量。分類：胞內(nèi)酶和胞外酶生物合成特點：需求誘導(dǎo)作用，或蒙受阻遏、抑制等調(diào)控作用的影響，在菌種選育、培育基配制以及發(fā)酵條件等方面需給予留意。243、微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵包括初級代謝產(chǎn)物、中間代謝產(chǎn)物和次級代謝產(chǎn)物。對數(shù)生長期構(gòu)成的產(chǎn)物是細(xì)胞本身生長所必需的，稱為初級代謝產(chǎn)物或中間代謝產(chǎn)物。各種次級代謝產(chǎn)物都是在微生物生長緩慢或停頓生長時期即穩(wěn)定期所產(chǎn)生的，來自于中間代謝產(chǎn)物和初級代謝產(chǎn)物。254、微生物的生物轉(zhuǎn)化定義：是利用生物細(xì)胞對一些化合物某一特定部位〔基團(tuán)〕的作用，使它轉(zhuǎn)變成構(gòu)造相類似但具有更在經(jīng)濟(jì)價值的化合物。最終產(chǎn)物是由微生物細(xì)胞的酶或酶系對底物某一特定部位進(jìn)展化學(xué)反響而構(gòu)成的。265、微生物特殊機(jī)能的利用利用微生物消除環(huán)境污染利用微生物發(fā)酵堅持生態(tài)平衡微生物濕法冶金利用基因工程菌株開辟發(fā)酵工程新領(lǐng)域。27發(fā)酵工業(yè)簡介發(fā)酵食品有機(jī)酸氨基酸核酸類物質(zhì)酶制劑醫(yī)藥工業(yè)〔抗生素…〕飼料工業(yè)〔單細(xì)胞蛋白環(huán)境工程〔廢物處置〕其它〔冶金工業(yè)…〕FermentationIndustry

FermentedFoodsOrganicAcidsAminoAcidsNucleotidesEnzymesPharmaceutical(Antibiotics…)Feedstuff(eg.SCP)EnvironmentalApplication(WasteTreatment)Others(eg.Metallurgicalindustry)28五、發(fā)酵工業(yè)的特征發(fā)酵過程中離不開微生物的作用1、發(fā)酵原料的選擇及預(yù)處置2、微生物菌種的選育及擴(kuò)展培育3、發(fā)酵設(shè)備選擇及工藝條件控制：常溫、常壓。種子擴(kuò)展培育和發(fā)酵采用不同的工藝。4、發(fā)酵產(chǎn)物的分別提取5、發(fā)酵廢物的回收和利用29(1)發(fā)酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他農(nóng)副產(chǎn)品為主，只需參與少量的有機(jī)和無機(jī)氮源就可進(jìn)展反響?？梢岳脧U水和廢物等作為發(fā)酵的原料進(jìn)展生物資源的改造和更新。(2)微生物菌種是進(jìn)展發(fā)酵的根本要素，經(jīng)過變異和菌種選育，可以獲得高產(chǎn)的優(yōu)良菌株并使消費設(shè)備得到充分利用，也可以因此獲得按常規(guī)方法難以消費的產(chǎn)品。30(3)發(fā)酵過程普通來說都是在常溫常壓下進(jìn)展的生物化學(xué)反響，反響平安，要求條件簡單。(4)發(fā)酵對雜菌的污染的防治至關(guān)重要。反響必需在無菌條件下進(jìn)展。(5)由于生物體本身所具有的反響機(jī)制，可以專注地和高度選擇性地對某些較為復(fù)雜的化合物進(jìn)展特定部位地氧化、復(fù)原等化學(xué)轉(zhuǎn)化反響，也可以產(chǎn)生比較復(fù)雜的高分子化合物。31(6)發(fā)酵過程是經(jīng)過生物體的自動調(diào)理方式來完成的，反響的專注性強(qiáng)，因此可以得到較為單一的代謝產(chǎn)物。(7)工業(yè)發(fā)酵與其他工業(yè)相比，投資少，見效快，并可以獲得較顯著的經(jīng)濟(jì)效益。(8)除利用微生物外，還可以用動植物細(xì)胞和酶，也可以用人工構(gòu)建的遺傳工程菌進(jìn)展反響。32六、發(fā)酵方法的類別與流程1、類別：根據(jù)對氧的需求區(qū)分：厭氧和有氧發(fā)酵根據(jù)培育基物理性狀區(qū)分：液體和固體發(fā)酵根據(jù)從微生物生長特性區(qū)分：分零售酵和延續(xù)發(fā)酵332、發(fā)酵的流程空氣空氣凈化處置保藏菌種斜面活化擴(kuò)展培育種子罐主發(fā)酵碳源、氮源、無機(jī)鹽等營養(yǎng)物質(zhì)滅菌產(chǎn)物分別純化廢品342.工業(yè)發(fā)酵步驟和工藝流程(1)用作培育菌種及擴(kuò)展消費的發(fā)酵罐的培育基的配制(2)培育基、發(fā)酵罐以及輔助設(shè)備的消毒滅菌(3)將已培育好的有活性的純菌株以一定量轉(zhuǎn)接到發(fā)酵罐中(4)將接種到發(fā)酵罐中的菌株控制在最適條件下生長并構(gòu)成代謝產(chǎn)物(5)將產(chǎn)物抽提并進(jìn)展精制，以得到合格的產(chǎn)品(6)回收或處置發(fā)酵過程中產(chǎn)生的廢物和廢水35菌種挑選搖瓶實驗發(fā)酵罐實驗362.1發(fā)酵原料的預(yù)處置原料不同處置方法也有所差別。1.淀粉——利用前需變成糊精或葡萄糖方法：酸水解〔高壓、耐酸〕、酶水解法2.糖蜜——加熱殺菌和用水沖稀，也可加酸處置后再補(bǔ)充無機(jī)鹽3.碳?xì)浠衔铮菏兔撓灐欢s分的石油經(jīng)冷卻脫蠟而獲得的凝固點在-10℃的油，參與適量無機(jī)鹽進(jìn)展接種發(fā)酵372.2菌種斜面培育菌種：已有的優(yōu)良消費菌種和選育的新菌種方法：普通都是由保管于冷凍管及砂土管或冰箱中的斜面菌種開場，在正式運用前要先轉(zhuǎn)接到新穎斜面培育基上活化后，再用于種子擴(kuò)展培育。382.3種子擴(kuò)展培育擴(kuò)展培育的方法可以根據(jù)需求采用固體培育或液體培育兩級不同方式。固體種子擴(kuò)展培育普通采用傳統(tǒng)的制曲工藝，普通先用克氏瓶或匣子瓶進(jìn)展擴(kuò)展，再轉(zhuǎn)接到曲盤擴(kuò)展培育。需氧微生物：將克氏瓶外表培育的菌種接到裝有液體培育基的三角瓶中，在搖慶上振蕩培育。厭氧微生物：將有菌種的試管斜面或克氏瓶轉(zhuǎn)接到三角瓶液體培育基中靜置培育。392.4微生物發(fā)酵和控制發(fā)酵方式可分為固體發(fā)酵和液體發(fā)酵兩種。固體發(fā)酵：適宜于傳統(tǒng)發(fā)酵工藝及鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)用來消費比較簡單的產(chǎn)品。液體深層發(fā)酵：適宜于大規(guī)模工業(yè)化消費。影響發(fā)酵的要素很多，如溫度、pH、通風(fēng)、攪拌、罐壓力等等，必需適當(dāng)?shù)乜刂朴绊懓l(fā)酵的各種條件，掌握發(fā)酵的動態(tài)，并進(jìn)展雜菌的檢查和產(chǎn)物測定，使整個發(fā)酵過程順利進(jìn)展。402.5發(fā)酵產(chǎn)物