发酵工艺学第一章绪论

发酵工艺学主讲：王同阳[e-mail]第一篇发酵原理第一章绪论主要讲述内容第一节概述第二节发酵产品的类型第三节发酵工程的地位第四节发酵工业的发展史第一节概述一、基本概念1.发酵（Fermentation）传统发酵：“发酵”（Fermentation）一词是拉丁语“沸腾”（fervere）的派生词，它描述酵母作用于果汁或麦芽浸出液时产生气泡的现象。或者指酒的生产过程。生物化学或生理学上的发酵（狭义）：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。如葡萄糖酒精＋能量;丙酮酸乳酸＋能量。工业上所称的发酵（广义）：借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体本身，或其直接代谢产物或次级代谢产物的过程。包括：厌氧培养的生产过程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，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。产品既有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。2.发酵工程（FermentationEngineering）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。利用生物细胞的某种特性，通过现代化工程技术手段进行工业规模化生产的技术。（公认）3.发酵工业（FermentationIndustry）是指利用生物的生命活动产生的酶，将无机或有机原料进行酶加工(生物化学反应过程），获得产品的工业。经纯种培养和提炼精制获得的成分单纯、无风味要求的产品的生产过程。如酒精、抗生素、柠檬酸、氨基酸、酶、维生素、某些色素等。经自然培养、不需提炼精制、产品由复杂成分构成并对风味有特殊要求的食品或调味品的生产过程。如黄酒、白酒、清酒、葡萄酒、酱油、醋、腐乳、豆豉、面酱等。酿造(brewing)：我国人们对一些特定产品发酵生产的特殊称法，是未知的混合微生物区系参与的一种自然发酵。发酵工业：酿造工业：发酵生产的条件某种适宜的微生物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）进行微生物发酵的设备提取菌体或代谢产物，精制成产品的方法和设备二、发酵工程的特点（与化学工程相比）1.安全简单：发酵过程通常是在常温常压下进行，反应安全，要求条件简单、温和。2.原料广泛：发酵所用的原料简单粗放。通常以淀粉质、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。另外，可以利用矿产资源、石油、废水和废物等作为发酵的原料。3.反应专一：发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成的，因此多个反应就象一个反应一样，因而可以得到较为单一的代谢产物，可在单一设备（发酵罐）中进行。4.易受污染：由于发酵培养基营养丰富，各种来源的微生物都很容易生长，发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。5.代谢多样：由于各种各样生物体代谢方式、代谢过程的多样化，以及生物体化学反应的高度选择性，能够专一性地和高度选择性地对复杂的化合物进行特定部位的氧化、还原等反应；也能容易地产生比较复杂的高分子化合物（如酶等）。6.菌种选育：菌种是进行发酵的根本因素，高产的优良菌株即可使生产设备得到充分利用，也是创造显著经济效益的关键，还可以获得按常规方法难以生产的产品。因此，自始至终都要进行菌种的选育和优化工作。7.投资少，见效快，效益高：可以取得显著的经济效益。三、发酵的类型1.按发酵原料来区分糖类物质发酵石油发酵废水发酵2.按发酵形式来区分固态发酵液体发酵根据物料堆放的厚薄分为:薄层发酵：木盘或苇帘，1～2cm厚层发酵：深槽或池，30cm以上，接种后通气根据培养液的深浅分表面培养法深层培养法3.按发酵产物区分氨基酸发酵有机酸发酵抗生素发酵酒精发酵维生素发酵酶制剂发酵4.按发酵工艺流程区分分批发酵连续发酵流加发酵5.按发酵过程中对氧的不同需求来分厌氧发酵•通风发酵◆需不断通入无菌空气◆如：利用黑曲霉发酵生产柠檬酸利用棒杆菌发酵生产谷氨酸利用黄单胞菌生产黄原胶抗生素发酵生产◆不需供氧◆如：乳酸杆菌的乳酸发酵梭状芽孢杆菌的丙酮丁醇发酵四、发酵工程的组成部分四部分组成1.菌种选育及扩大培养2.原料预处理及培养基的制备3.发酵设备及反应条件的选择4.产品的分离与纯化（提取和精制）Fermentationengineering上游工程UPSTREAMPROCESSESFERMENTATIONProcessControl下游工程DOWNSTREAMPROCESSES发酵工程组成从广义上讲，由三部分组成：上游工程、发酵过程、下游工程上游工程UPSTREAMPROCESSES-genetics,cell…-inoculumdevelopment-mediaformulation-sterilization-inoculationFERMENTATIONProcessControlFERMENTATIONProcessControl下游工程DOWNSTREAMPROCESSES-productextraction,purification&assay-wastetreatment-byproductrecovery五.发酵工业范围（研究对象）按部门分：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.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)按产品类型分1、以微生物细胞为产品的发酵工业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六、发酵工业特征发酵过程中离不开微生物的作用1、发酵原料的选择及预处理原料不同处理方法也有所差异。淀粉——利用前需变成糊精或葡萄糖。方法：酸水解（高压、耐酸）、酶水解法。糖蜜——加热杀菌和用水冲稀，也可加酸处理后再补充无机盐。碳氢化合物：石油脱蜡——一定馏分的石油经冷却脱蜡而获得的凝固点在-10℃的油，加入适量无机盐进行接种发酵。2、微生物菌种的选育及扩大培养菌种：已有的优良生产菌种和选育的新菌种扩大培养：“量”3、发酵设备选择及工艺条件控制：常温、常压。4、发酵产物的分离、提取5、发酵废物的回收和利用第二节发酵产品的类型一、菌体工业生产的微生物体，可分为二种：1.供制备面包等用的酵母；2.作为人类或动物的食物的微生物细胞（SCP）。以获得微生物菌体细胞为目的产品，包括单细胞的酵母和藻类、担子菌（冬虫夏草、茯苓），生物防治的苏云金杆菌以及人、畜防治疾病用的疫苗等。特点：细胞的生长与产物积累成平行关系，生长速率最大时期也是产物合成速率最高阶段，生长稳定期产量最高。二、微生物的酶工业上，可由植物、动物和微生物生产酶。与植物或动物相比，微生物的酶可以用发酵技术大量生产，而且改进微生物的生产能力也方便得多。各种酶制剂糖化酶、蛋白酶、脂肪酶、氨基酰化酶等三、微生物代谢产物1.代谢产物的类别通过微生物的代谢活动产生、细胞自身生长和繁殖所必需的物质，称为初级代谢产物或中间代谢产物。氨基酸、核苷酸、蛋白质、维生素、脂类和碳水化合物等。在微生物生长缓慢或停止生长时期即稳定期所产生的，来自于中间代谢产物和初级代谢产物。如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子、色素等。初级代谢产物：次级代谢产物：初级代谢产物和次级代谢产物的异同四、生物转化定义：利用微生物细胞的一种或多种酶，作用于一些化合物（外源化合物）的特定部位（或基团），使它转化成化学结构相似，并具有更大经济价值的化合物的生化反应。最终产物并不是微生物细胞利用营养物质经细胞代谢产生，而是微生物细胞的酶或酶系作用于底物的某一部位，进行特定部位的化学反应而形成。转化反应：催化脱氢、氧化、羟化、缩合、脱羧、氨化、脱氨化或同分异构作用。反应最显著的特点是特异性强，包括反应特异性、结构位置特异性、立体特异性。甾体化合物（类固醇）：含环戊烷多氢菲核的化合物。甾族激素：分肾上腺皮质激素和性激素；重要的生理调节作用，在临床上广泛用于治疗过敏性皮炎、类风湿性关节炎、红斑狼疮、支气管哮喘等。化学转化：步骤繁多、得率低、价格昂贵（Savett,576kg脱氧胆酸，30多步反应，两年→938mg醋酸可的松）生物转化：高效、收率高（1952年，Munrry等，黑根霉，仅1步就将孕酮11位上导入一个羟基，使从孕酮合成皮质酮只需3步，这样才使可的松问世）发酵工业中最重要的生物转化是：甾体转化（即把甾体化合物转化为甾族激素）利用微生物消除环境污染利用微生物发酵保持生态平衡，如生物固氮肥料，生物杀虫剂等。微生物湿法冶金，如细菌浸矿，即利用细菌对矿物或矿石中有用的金属浸出回收的过程。细菌浸出的金属有Cu、U、Co、Ni、Mn、Zn、Pb等10余种，但大规模生产的只有铜和铀。利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域。五、微生物特殊机能的利用微生物分解生物体的排泄物及尸体嫌气发酵法：指在嫌气情况下利用分解碳水化合物、蛋白质和脂肪的微生物，将有机废弃物分解为可溶性物质，进而通过产酸菌和甲烷细菌的作用再分解为甲烷和CO2。好气发酵（活性污泥）法：指在曝气情况下，用某些能降解有机物质的细菌和某些原虫的混合物(活性污泥)对工业或生活污水进行处理。在化学工业和环境保护等方面，发酵工程能发挥独持的作用如：利用微生物来处理工业废水或含毒废液，乃至构建超级细菌，处理大面积的海面石油污染等。喷洒工程菌清除石油污染微生物与环保微生物处理腈纶废水的塔式滤池第三节发酵工程的地位1.生物工程重要的组成部分（中心）发酵工程(Fermentationengineering)酶工程(蛋白质工程)(Enzymeengineering&Proteinengineering)基因工程(Geneticengineering)细胞工程(Cellengineering)2.生物工程中其他技术产业化表达的重要手段基因工程菌动植物细胞培养3.生命科学研究的对象或载体相互渗透自成体系地位基因工程细胞工程酶工程发酵工程生物工程（广义）：运用生物科学知识和工程学原理，开发利用生物材料为人类提供产品和社会服务的工程技术。（狭义）：以基因工程为核心的现代生物技术的总称。任务：研发最合适的工艺路线和设备，实现工业化生产。生物技术（广义）：应用自然科学和工程学原理，依靠生物催化剂的作用将物料进行加工以提供产品或为社会服务的技术。（国际经济合作与发展组织，1982）（狭义）：DNA新技术、分子生物和繁殖技术应用。涉及各种不同技术，如动植物基因操作和转基因、DNA分类和克隆。（WFO,2000年关于生物技术的声明）特点：多学科综合性科学技术生物催化剂参与最终目的：生物反应过程，包括工业生产过程和社会服务。基因工程：又叫遗传工程、基因克隆，利用基因体外重组技术，构建出新的菌株，培育出新的动植物品种或使其具有优良性状。如工程菌生产胰岛素。细胞工程：在细胞水平上改造细胞遗传结构，从而培养具有新性状的生物个体或细胞群体。包括细胞融合技术、细胞重构技术、组织培养技术。酶工程：研究酶分离、提纯及利用酶进行化学转化，合成各种产物或达到人类所需社会目标的工程科学。包括酶的开发、生产、提纯、修饰、固定化、应用、酶反应器开发。生化工程：指生化反应器、生物传感器，产品分离、提取纯化等。生物分离工程：又叫下游技术或下游工程，即产品分离纯化及产品后处理（加工成型）。第四节发酵工业的发展史一、国外