（新编）发酵工程原理.doc

第一章 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，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 Engineering）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，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赖氨酸核苷酸多糖维生素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）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 & Prot。