第一章绪论

第一章 绪论

发酵工程：发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品的一种新技术。

发酵工程是生物技术的重要组成部分，是生物技术产业化的重要技术基础。

应用遍及轻工、食品、化工、能源、环保、农业、医药等国民经济诸多领域

发酵工程组成
从广义上讲，由三部分组成： 上游工程、发酵工程、下游工程

一、何为发酵？

来源 拉丁语“Fervere”“Fermentation”
用于描述果汁或麦芽浸出液中的糖在缺氧条件下降解而产生二氧化碳所引起的“沸腾”现象。

狭义定义 生物化学或生理学上

发酵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。

广义定义 工业上

发酵泛指利用生物细胞制造某些产品或净化环境的过程。 厌氧培养 有氧培养

发酵定义

 是利用微生物或其他生物细胞（动、植物细胞）的培养，产生和积累人们所需产品的过程。

二、发酵工业的发展史

1.天然发酵阶段（19世纪以前）

 特点

▪ 1.手工作坊或家庭式生产

▪ 2.非纯种培养

▪ 3.产品质量不稳定

▪ 4.凭经验传授技术

▪ 5.一般为嫌气发酵

▪ 17世纪后叶，列文虎克发明显微镜，首次观察到大量的微生物

▪ 19世纪中叶，巴斯德（微生物学之父 提出了著名的发酵理论：“一切发酵过程都是微生物作用的结果。”），发酵是微生物作用的结果，认识了发酵的生理学意义

▪ 19世纪后期，柯赫（细菌学之父），建立了单种微生物分离和纯培养技术，利用控制特定微生物发酵生产特定产品

2.纯培养技术的建立（1905-1940年）

 在一次大战时，魏兹曼开拓了丁醇丙酮发酵，并建立了真正的无杂菌发酵。

 特点

▪ 表面培养

▪ 生产过程简单，对设备要求不高

▪ 生产规模不大

▪ 嫌气或好气发酵

3.深层发酵阶段（1940年以后）

 1943年，在发酵罐中采用通气搅拌的深层培养法生产青霉素。

 青霉素发酵技术

▪ 成功地建立起深层通气培养法和一套培养技术（包括通无菌空气，搅拌，培养基灭菌和无菌接种等）

▪ 使微生物在培养过程中的温度、pH、通气量、营养物的供给都受到了严格的控制，

▪ 厌氧—→好氧，导致一大批新产品的开发

 这些都为以后的发酵工业提供了新的概念和模型，成为当代发酵工业兴旺发达的开端

4.开拓发酵原料（1960年以后）

60年代，为了解决由于人迅速增长而带来的粮食短缺问题，进行了非碳水化合物代替碳水化合物的发酵 主要产品为微生物蛋白质（单细胞蛋白SCP）

 特点

▪ 机械搅拌发酵罐的容积已经从第三阶段时的80M3 扩大到150M3。

▪ 以烃为碳源生产微生物细胞作为饲料蛋白质的来源 。

5.基因工程阶段（1979年以后）

 这个阶段以基因工程产品的生产为标志。

 基本方法 定向的改变生物性状和功能，生产原来微生物不能生产的产物。

特点

 发酵产品增多，应用范围广泛。

▪ 哺乳动物的活性蛋白基因在微生物细胞中得到克隆和表达

▪ 发酵工业已经扩展到动物和植物细胞培养领域，使过去只能在动植物中提取的一些产品， 现在也能成为发酵产品

▪ 目前，世界上已经批准上市的基因工程药物就有几十种，如：胰岛素、人生长激素、, -干扰素、乙型肝炎疫苗等等。

 生产效率高

▪ 10L工程菌=50万只羊脑—→5mg激素释放抑制因子

▪ 2000L基因工程菌=720kg猪胰—→100g胰岛素

 自动控制技术应用更普遍

三、发酵工业的特点及其研究范畴

（一）发酵工业的特点

1.原料简单粗放，来源广泛，价格低廉

2.反应条件温和，生产过程安全

3.效率高

4.效益高

（二）发酵工业的研究范畴

1.微生物菌体细胞发酵

 是以获得具有多种用途的微生物菌体细胞为目的产品的发酵工业

 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。

2.微生物代谢产物发酵

 包括初级代谢产物和次级代谢产物。

 初级代谢产物是指微生物通过代谢活动所产生的、自身生长和繁殖所必需的物质。

▪ 氨基酸、核苷酸、蛋白、多糖

 次级代谢产物是指微生物生长到一定阶段才产生的化学结构十分复杂、对该生物无明显生理功能，或并非是微生物生长和繁殖所必需的物质。

▪ 抗生素、毒素、色素

3. 酶制剂

 酶普遍存在于动物、植物和微生物中。

 微生物发酵法制备酶的优点：产量大、种类多、生产条件易改进。

▪ 门冬酰胺酶、胆固醇氧化酶、葡萄糖氧化酶等

 特点：

▪ 酶生产受微生物严格调节控制，解除调节控制，提高产量。

4.微生物的转化发酵

 定义：是利用生物细胞对一些化合物的某一特定部位（基团）修饰作用，使它转变成结构相关但更有经济价值的化合物的过程。

▪ 醋酸发酵

▪ 脱氢、氧化、脱水、脱羧、缩合等

 特点：特异性强、反应条件温和、无污染。

5.微生物特殊机能的利用

 利用微生物消除环境污染

 基因工程菌株发酵。

四.发酵工业的类型及其工艺流程

发酵工业的类型

 根据对氧的需要区分： 厌氧和有氧发酵

 根据培养基物理性状区分： 液体和固体发酵

 根据发酵工艺流程区分： 分批发酵和连续发酵

五、发酵工业的应用及发展前景

（一）发酵工业的应用

 现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。

 1.医药工业

 抗生素发酵工业(青霉素、链霉素、土霉素等)

 有机酸发酵工业(柠檬酸、葡萄糖酸等)

 酶制剂发酵工业(淀粉酶、蛋白酶等)

 氨基酸发酵工业(谷氨酸，赖氨酸等)

 核苷酸类物质发酵工业(肌苷酸、肌苷等)

 维生素发酵工业(维生素C、维生素B等)

 2.食品工业(酒、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.农牧业

 微生物菌体蛋白发酵工业(酵母、单细胞蛋白等)

 生物农药（苏云金杆菌的伴胞晶体）

 细菌肥料（固氮菌）

 5.微生物环境净化工业(利用微生物处理废水、污水等)

 6.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)

（二）发酵工业的发展前景

1.利用基因工程技术，人工选育和改良菌种

 通过基因工程技术可产生带有目的基因的受体细胞，具有我们所希望的新的遗传性能和生产性能，这是常规育种方法无法做到的。

 许多传统的发酵工程产品如柠檬酸、青霉素等都已开始采用基因工程手段进行菌种改造，大大地提高了产量。在以基因工程为主导的现代生物技术产品中，医药生物技术产品占75％左右

2.结合细胞工程技术，用发酵技术进行动植物细胞培养

 细胞原生质体融合技术使动植物细胞的人工培养技术进入了一个新的阶段。

 动植物细胞有产生很多微生物细胞所不具备的特有的代谢产物，进行动植物细胞的培养，就能生产这些特有物质。

 紫草、三七等等植物细胞已可在发酵罐种大规模培养。我国的传统中药涉及5000种左右植物，细胞培养是中药资源开发的一个重要方面。

3.应用酶工程技术，将固定化酶或细胞广泛应用于发酵与酿造工业

 可大大简化提取纯化工艺；

 固定后稳定性得以提高；

 作为生物催化剂使用。

4.改进发酵设备

 生化反应器

 生物传感器

5.发酵法生产单细胞蛋白

 由于微生物的代谢方式各种各样，各种资源都可以利用，而且微生物繁殖速度惊人，比动物要快上百倍。

 因此，发展单细胞蛋白不失为一种解决废水废料、保护环境、节约粮食资源的好方法。

6.加强代谢研究，进一步搞好代谢控制，开发更多代谢产品

 由于生物代谢的多样性，至今研究透彻的仅为代谢途径中的一小部分，搞清更多的代谢途径，搞清其代谢调节的机制，将会开发出更多有价值的生物代谢产品。

思考题

 发酵

▪ 是利用微生物或其他生物细胞（动物、植物）的培养，产生和积累人们所需产品的过程。

 微生物转化发酵

▪ 是利用生物细胞对一些化合物的某一特定部位（基团）修饰作用，使它转变成结构相关但更有经济价值的化合物的过程。

 深层通气培养法

▪ 指在纯种条件下，强制通入无菌空气到密闭发酵罐中进行培养的方式。

 初级代谢产物

▪ 指微生物通过代谢活动所产生的、自身生长和繁殖所必需的物质。

 次级代谢产物

▪ 指微生物生长到一定阶段才产生的化学结构十分复杂、对该生物无明显生理功能，或并非是微生物生长和繁殖所必需的物质。

 分批发酵

▪ 指在发酵过程中，除了不断进行通气（好氧发酵）和为调节发酵液的 pH 而加入酸碱溶液外，与外界没有其它物料交换的一种发酵方式。培养基的量一次性加入，产品一次性收获的一种发酵方式。

 连续发酵

▪ 是指以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同速度流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定的发酵过程。

▪ 1.发酵工业经历了哪几个阶段，每个阶段的主要特点是什么

 1.天然发酵阶段

 2.纯培养阶段

 3.深层发酵阶段

 4.开拓发酵原料阶段

 5.基因工程阶段

2. 发酵工业的研究范畴包括哪几方面

 1.微生物菌体细胞

 2.微生物代谢产物

 3.酶制剂

 4.微生物转化发酵

 5.微生物废水处理

3. 请绘出发酵工业的工艺流程示意图

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/0c64b26daf1ffc4ffe47ac66.html