发酵工程 主讲:孙波.

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1 发酵工程 主讲:孙波

2 第　一　章 绪　论

3 第一节 发酵工程发展历史 一.发酵的定义： 发酵定义： 生物化学指无氧条件下产能代谢过程.
第一节 发酵工程发展历史 一.发酵的定义： 发酵定义： 生物化学指无氧条件下产能代谢过程. 发酵工程指有氧条件下利用微生物新陈代谢，将氧化基质转化为中间产物，从而大规模获得某种产品过程。

4 历史上“发酵”有两个涵义： 最早是从会不断冒泡并产生有益产品一些自然现象开始。 现代指任何利用好氧、厌氧性微生物来产生代谢产物的一类生产方式。

5 二.发酵工程历史 二.发酵工程历史 1．微生物特点 （1）体积小，面积大 （2）吸收快，转化快 （3）生长快，繁殖快 （4）易变异，适应性强
（5）种类多，分布广

6 二.发酵工程历史 2．微生物学发展三个时期： （1）微生物启蒙时期：形态学时期 （2）微生物奠基时期：生理学时期
（3）微生物分子时代：分子生物学时期

7 二.发酵工程历史 3． 发酵工程不同发展阶段 第一阶段：自然发酵为主要特征（巴斯德时代）
3． 发酵工程不同发展阶段 第一阶段：自然发酵为主要特征（巴斯德时代） 第二阶段：纯培养技术为主要特征（发酵工程引入通气，搅拌技术） 第三阶段：1956年谷氨酸发酵成功后，氨基酸，核苷酸，发酵工业应运而生，Monod——Jacob模型即乳糖操纵子学说的代谢调控发酵技术 第四阶段：选择不同发酵原料（廉价，适宜） 第五阶段：引入遗传工程，固定化技术为主要特征。 第六阶段：生物工程兴起（它覆盖发酵工程，酶工程，细胞工程，基因工程四个领域）将发酵工程综合于生物工程范围为主要特征。

8 三发酵工程理论的发展 发酵生产已有数千年历史，但人类对发酵本质认识和发酵工业的建立只有几百年。
最初发酵定义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。严格地讲，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能的一种方式。 后来人类发现微生物发酵时，由于有机物质不能彻底氧化成二氧化碳和水，可积累各种中间代谢产物并生产人类所需要的物质，发酵含义有了延伸和变化。

9 现发酵工程定义是泛指大规模利用微生物制造或生产某些产品的过程。
它包括： 厌气培养：酒精、丙酮、乳酸 通气培养：抗生素、氨基酸、酶制剂

10 四发酵工业的范围 范围广泛：包括医药、食品、化工、工业原料。
产品和行业：酿酒、有机溶剂、发酵食品、抗生素、有机酸、酶制剂、氨基酸、维生素、核苷酸、激素、甾体类、单细胞蛋白 微生物性质：分为五个方面 1是以微生物细胞为产物的发酵工业 2是以微生物代谢产物为产品的发酵工业，主要包括微生物初级代谢产物、中间代谢产物和次生代谢产物。 3是以微生物产生的酶为产品的发酵工业 4是以微生物的生物转化为主的发酵工业 5是以微生物废水处理及其它

11 五 发酵工程发展趋势 随着发酵理论建立与发展，了解各种类型发酵本质，发酵工业从传统经验式生产走向新的、主动控制的工业化生产。
近年生物科学技术和分子生物学的发展，发酵工业已进入崭新发展阶段。 发酵生产从菌种、发酵调控到管理等都与当前技术进步密切相连。 发酵数学模型的研究也将进一步促使发酵工业朝着模拟化、自动化、最优化发展。

12 第二节 发酵工业的现状与发展前景 一． 生产菌种选育方法 1．经典常规育种 2．根据代谢调节机理诱变育种 3．原生质体融合育种
第二节 发酵工业的现状与发展前景 一． 生产菌种选育方法 1．经典常规育种 2．根据代谢调节机理诱变育种 3．原生质体融合育种 4．基因工程育种

13 第二节 发酵工业的现状与发展前景 二． 现有发酵产品主要类型 1． 微生物菌体 2． 微生物代谢产物 3． 微生物酶

14 第二节 发酵工程的现状与发展前景 三．发酵产品广泛用于医药、食品、农牧、 轻工、化工等领域。 四．随着遗传学、微生物学、分子生物学、
第二节 发酵工程的现状与发展前景 三．发酵产品广泛用于医药、食品、农牧、 轻工、化工等领域。 四．随着遗传学、微生物学、分子生物学、 生化工程学等学科和技术的发展，发酵 工业可为人类创造更大的经济效益。

15 第三节 发酵方法的类别与流程 一．表面发酵 利用生长在液体培养基表面的微生物之代谢作用，将可发酵性原料转化为代谢产品。 特点：
第三节 发酵方法的类别与流程 一．表面发酵 利用生长在液体培养基表面的微生物之代谢作用，将可发酵性原料转化为代谢产品。 特点： 1．设备简单，投资少，投产快 2．操作技术简单，能耗低 3．原料粗放，对于糖蜜等粗原料也能适应，且适于高浓度发酵，产酸浓度也高 缺点： 1.地面积大 2.工人劳动强度大 3.发酵时间长 4.菌体生成量多影响发酵

16 第三节 发酵方法的类别与流程 二． 固态发酵 是将发酵原料及菌体吸附在疏松的固体支持物上，经
第三节 发酵方法的类别与流程 二． 固态发酵 是将发酵原料及菌体吸附在疏松的固体支持物上，经 微生物代谢活动，将原料中可发酵成分转化为代谢产品。 优点： 1．设备简单，投资少，可因陋就简。 2．操作简单，能耗低，适应性强。 3．原料粗放，可利用粮食加工下脚料或废料。 4．发酵时间短 缺点： 1.设备占地面积大 2.工人劳动强度大 3.易污染杂菌 4.传质、传热困难 5.产率和回收率较低，副产物多

17 第三节 发酵方法的类别与流程 三．液态深层发酵 将微生物菌体细胞均匀分散在液相培养基中，利用溶解氧发酵产生代谢产品的工艺。 优点：
第三节 发酵方法的类别与流程 三．液态深层发酵 将微生物菌体细胞均匀分散在液相培养基中，利用溶解氧发酵产生代谢产品的工艺。 优点： 1．发酵体系是均一液体，传热、传质良好，不存在死区 2．设备占地面积小，生产规模大 3．发酵速率高 4．代谢产品产量高 5．发酵设备密闭，杂菌污染可能性小，管理方便 6．完全机械化操作，可实现自动控制，劳动强度低，劳动产生率高 7．发酵副产物少，有利于产品提取，所得产品质量好 缺点： 投资大

18 当前发酵工程面临的问题 发酵工程所应用的微生物，主要是细胞微生物，其中包括“工程微生物”。
我们通过发酵工程获得的所需产品，有的是它们的生物量（biomass），即菌体，有的是它们在代谢过程中产生的形形色色的中间代谢产物或终产物。其中许多产物须经过人工加工后制作成各类产品。通常把这一产业称之发酵工程。 发酵工程的产品被应用于工业、农业、医药卫生、环保、能源、轻工、食品、生物材料等诸多行业。

19 例如人们日常生活所用的味精、维生素、单细胞蛋白等产品，农业生产中越来越广泛应用的微生物杀虫剂、微生物饲料、微生物肥料等，都在市场上具有较强的竞争力，产生了很好的经济效益和社会效益，在国民经济中的地位日显重要。 所以，有的国家专门设立国家微生物工业部，专门管理这个行业的科研、生产、商业运作等。 无论在国内或者在国外，发酵工程的核心是实行规模化的微生物发酵，它的发展并取得具创新性成果，都必须处理好下面三大问题：这就是优良的菌种、适当的反应器和发酵所用基质。

20 一.菌种问题 高效的发酵工程需要优质高效的菌种，这可以通过自然选育、物理化学因子诱变育种、基因工程构建新菌种等途径来实现。
对菌种的要求：不是任何菌种都能用于工业化生产，要达到工业化生产的要求，菌种（株）都得经过多次选育，再通过实验室和中试的反复试验筛选出稳定有效的菌种（株），以适合工业化生产的要求。 生产菌种的来源：基本上有自己筛选和向有关持有单位转让两条途径。

21 二.合适的反应器 反应器就是发酵容器，合适的反应器有几个基本要求： ① 生产规模化； ② 原料利用量大，并且有一定选择性；
③ 尽可能节省能源； ④ 结构多样化，操作自动化； ⑤ 节省劳力。

22 固态反应器：是我国和亚洲一些国家在传统发酵中经常使用的设备，其优点是比较节省能源，三废排放较少；缺点是不容易防止污染。
液态反应器：即通常所谓的发酵罐，可分为用于好氧发酵和用于厌氧发酵两大类型。前者的容积，国外在大型生产中一般为200～500 m3，个别达4000 m3，如英国生产甲醇蛋白的发酵罐等；国内发酵罐的容积一般在50～150 m3，个别超过600 m3，发酵罐的容积有不断扩大的趋势。 国内外用某些真菌发酵生产一些产品是好氧型发酵的典型代表，例如青霉素发酵。至于厌氧发酵罐容积，国外有的达到1000 m3，例如南非、东欧等国家仍在继续利用丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum）厌氧发酵生产丙酮、丁醇，而用酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）厌氧发酵生产酒精等产品更是众所周知的。

23 三.基质的选择 微生物发酵所利用的基质，即生产产品所需要的原料。微生物对它们有较强的选择性，需求量则受产品的产量左右。
从发酵工程生产的角度考虑，基质应是廉价、来源充足、易被微生物菌种所利用的。农副产品常常是良好的基质，但根据生产的目的和要求，基质的种类有很大变化。 例如生产生物能源（沼气、氢气、乙醇等）可以利用多种有机废弃物作为基质，并形成“废弃物处理产业”，这样不仅可以从废物获取有益产物如菌体蛋白、化工产品、生物能等，还保护了生态环境。

24 四.发酵工程产品的分类 通过微生物发酵或利用微生物将某些基质进行转化所获得的产品，可分为三大类： ① 源于传统的微生物发酵产品
以各种酿造食品，如酒类、醋、酱油、乳酪等为代表的传统发酵产品，至今仍然是重要的商品，是人民日常生活的必需品。

25 ② 源于近代的微生物发酵产品 20世纪40～60年代出现的微生物发酵产品，是以抗生素、氨基酸、有机酸、微生物肥料等为代表的近代发酵产品，这些产品不论国内国外都能通过不同的微生物发酵途径进行生产，其产品也是市场上的常备商品。 ③ 源于现代的微生物发酵产品 自1973年基因工程构建第一个“基因工程菌”以来已经过了30余年，无数的工程菌已经问世。用这些人工构建的“工程微生物”生产的产品已广泛应用于工业、农业、医药、食品、环保和能源等领域，取得巨大的成就。利用它们生产新产品的报告与日俱增，其中有些开始进入工业化生产，有些处于“中试”阶段。无疑，这些研究成果将进一步推动新型发酵工程的发展。

26 上述三个方面源于不同时代的不同微生物产品，种类繁多，列表如下：