发酵工程与设备 第一章绪论 生物技术作为21世纪高新技术的核心,对人类面临的食品、资源、健康、 环境等重大问题发挥越来越大的作用。大力发展生物技术及其产业已成为世界各 国经济发展的战略重点。 发酵工程的主要内容 发酵工程( Fermentation engineering)属于生物技术的范畴,生物技术又称 生物工艺学,最初是由一位匈牙利工程师 Karl Ereky于1917年提出的。当时他 提出的生物技术这一名词的涵义是指甜菜作为饲料进行大规模养猪,即利用生物 将原料转化为产品。现在的生物技术的定义为:生物技术是应用自然科学及工程 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社会服务的技术。因 此,生物技术是一门综合性多学科技术,他涉及的基础学科有生物学、化学和工 程学。下图为生物技术与基础学科关系的示意图。它逐渐成为与生物学、生物化 学、化学工程等多学科密切相关的综合性边缘学科。 现代生物技术作为一门新兴的高科技术产业,它的生命力在于他对社会经济 和发展的各个方面都带来了极大冲击和影响。 发酵工程是指在最适发酵条件下,发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的 技术。 发酵工程由于涉及到生物催化剂,因而与化学反应有关。由于生物技术的最 终目标是建立工业生产过程为社会服务,因而该生产过程可称为生物反应过程 (亦称为生化反应过程)。 在发酵技术中一般包括微生物细胞或动植物细胞的悬浮培养,或利用固定化 酶,固定化细胞所做的反应器加工底物(即有生化催化剂参加),以及培养加工 后产物大规模的分离提取等工艺。主要是在生物反应过程中提供各种所需的最适 环境条件。如酸碱度、湿度、底物浓度、通气量以及保证无菌状态等硏究内容 二、发酵工程的发展历史 生物技术的发展和利用可以追溯到1000多年(甚至4000多年)以前如酒类 的酿造。而人类有意识地利用酵母进行大规模发酵生产是在19世纪。当时进行 大规模生产的发酵产品有乳酸、酒精、面包酵母、柠檬酸和蛋白酶等初级代谢产
1 发 酵 工 程 与 设 备 第一章 绪 论 生物技术作为 21 世纪高新技术的核心，对人类面临的食品、资源、健康、 环境等重大问题发挥越来越大的作用。大力发展生物技术及其产业已成为世界各 国经济发展的战略重点。 一． 发酵工程的主要内容 发酵工程（Fermentation Engineering）属于生物技术的范畴，生物技术又称 生物工艺学，最初是由一位匈牙利工程师 Karl.Ereky 于 1917 年提出的。当时他 提出的生物技术这一名词的涵义是指甜菜作为饲料进行大规模养猪，即利用生物 将原料转化为产品。现在的生物技术的定义为：生物技术是应用自然科学及工程 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社会服务的技术。因 此，生物技术是一门综合性多学科技术，他涉及的基础学科有生物学、化学和工 程学。下图为生物技术与基础学科关系的示意图。它逐渐成为与生物学、生物化 学、化学工程等多学科密切相关的综合性边缘学科。 现代生物技术作为一门新兴的高科技术产业，它的生命力在于他对社会经济 和发展的各个方面都带来了极大冲击和影响。 发酵工程是指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的 技术。 发酵工程由于涉及到生物催化剂，因而与化学反应有关。由于生物技术的最 终目标是建立工业生产过程为社会服务，因而该生产过程可称为生物反应过程 （亦称为生化反应过程）。 在发酵技术中一般包括微生物细胞或动植物细胞的悬浮培养，或利用固定化 酶，固定化细胞所做的反应器加工底物（即有生化催化剂参加），以及培养加工 后产物大规模的分离提取等工艺。主要是在生物反应过程中提供各种所需的最适 环境条件。如酸碱度、湿度、底物浓度、通气量以及保证无菌状态等研究内容。 二、发酵工程的发展历史 生物技术的发展和利用可以追溯到 1000 多年（甚至 4000 多年）以前如酒类 的酿造。而人类有意识地利用酵母进行大规模发酵生产是在 19 世纪。当时进行 大规模生产的发酵产品有乳酸、酒精、面包酵母、柠檬酸和蛋白酶等初级代谢产
物。19世纪中叶,法国葡萄酒的酿造者在酿酒的过程中遇到了麻烦,他们酿造 的美酒总是变酸,于是,纷纷祈求于正在对发酵作用机制进行研究的巴斯德。巴 斯德不负重望,经过分析发现,这种变化是由乳酸杆菌使糖部分转化为乳酸引起 的。同时,找到了后来被称为乳酸杆菌的生物体。巴斯德提出,只要对糖液进行 灭菌,就可以解决这个问题,这种灭菌方法就是流传至今的巴斯德灭菌法。 巴斯德关于发酵作用的研究,从1857年到1876年前后持续了20年。否定 了当时盛行的所谓“自然发生说”。他认为“一切发酵过程都是微生物作用的结 果。发酵是没有空气的生命过程。微生物是引起化学变化的作用者”。巴斯德的 发现不仅对以前的发酵食品加工过程给以科学的解释,也为以后新的发酵过程的 发现提供了理论基础,促进了生物学和工程学的结合。因此,巴斯德被称为生物 工程之父。 到了20世纪初,人们发现某些梭菌能够引起丙酮丁醇的发酵,丙酮是制造 炸药的原料,随着第一次世界大战的爆发刺激了丙酮丁醇工业的极大发展。虽然 现在竟争力更强的新方法已逐步取代了昔日的发酵法。但它是第一个进行大规模 工业生产的发酵过程,也是工业生产中首次采用大量纯培养技术的。这一工艺获 得成功的重要因素是排除了培养体系中其他有害的微生物。这在19世纪末,20 世纪初,是相当先进的生物技术。因此,可以说,巴斯德是生物工程初始阶段的 开拓者 1929年 Flemming爵士发现了青霉素,从此生产技术产品中增加一大类新的 产品一抗生素。1929年,英国科学家弗来明在污染了霉菌的细菌培养平板上观 察到了霉菌菌落的周围有一个细菌抑制圈,由于这种霉菌是青霉菌,所以弗来明 把这种抑制细菌生长的霉菌分泌物叫青霉素。可是他的提取精制,在当时无法做 到,弗来明只好忍痛割爱,放弃硏究。 10年以后,第二次世界大战的战火越烧越旺,大量伤员急需抢救,英国的 一些科学家恢复了弗来明的工作,竟戏剧性的获得了成功。当时,英国本土已经 战火弥漫无法试制,美国承担了青霉素的试制任务。要生产这种药物,必须要有 种严格的、将不需要的微生物排除在生产体系之外的无菌操作技术,必须要从 外界通入大量的空气而又不污染杂菌的培养技术,还要想方设法从大量培养液中 提取这种当时产量极低的较纯的青霉素。美国的科学家和工程师齐心协力,攻克
2 物。19 世纪中叶，法国葡萄酒的酿造者在酿酒的过程中遇到了麻烦，他们酿造 的美酒总是变酸，于是，纷纷祈求于正在对发酵作用机制进行研究的巴斯德。巴 斯德不负重望，经过分析发现，这种变化是由乳酸杆菌使糖部分转化为乳酸引起 的。同时，找到了后来被称为乳酸杆菌的生物体。巴斯德提出，只要对糖液进行 灭菌，就可以解决这个问题，这种灭菌方法就是流传至今的巴斯德灭菌法。 巴斯德关于发酵作用的研究，从 1857 年到 1876 年前后持续了 20 年。否定 了当时盛行的所谓“自然发生说”。他认为“一切发酵过程都是微生物作用的结 果。发酵是没有空气的生命过程。微生物是引起化学变化的作用者”。巴斯德的 发现不仅对以前的发酵食品加工过程给以科学的解释，也为以后新的发酵过程的 发现提供了理论基础，促进了生物学和工程学的结合。因此，巴斯德被称为生物 工程之父。 到了 20 世纪初，人们发现某些梭菌能够引起丙酮丁醇的发酵，丙酮是制造 炸药的原料，随着第一次世界大战的爆发刺激了丙酮丁醇工业的极大发展。虽然 现在竟争力更强的新方法已逐步取代了昔日的发酵法。但它是第一个进行大规模 工业生产的发酵过程，也是工业生产中首次采用大量纯培养技术的。这一工艺获 得成功的重要因素是排除了培养体系中其他有害的微生物。这在 19 世纪末，20 世纪初，是相当先进的生物技术。因此，可以说，巴斯德是生物工程初始阶段的 开拓者。 1929 年 Flemming 爵士发现了青霉素，从此生产技术产品中增加一大类新的 产品—抗生素。1929 年，英国科学家弗来明在污染了霉菌的细菌培养平板上观 察到了霉菌菌落的周围有一个细菌抑制圈，由于这种霉菌是青霉菌，所以弗来明 把这种抑制细菌生长的霉菌分泌物叫青霉素。可是他的提取精制，在当时无法做 到，弗来明只好忍痛割爱，放弃研究。 10 年以后，第二次世界大战的战火越烧越旺，大量伤员急需抢救，英国的 一些科学家恢复了弗来明的工作，竟戏剧性的获得了成功。当时，英国本土已经 战火弥漫无法试制，美国承担了青霉素的试制任务。要生产这种药物，必须要有 一种严格的、将不需要的微生物排除在生产体系之外的无菌操作技术，必须要从 外界通入大量的空气而又不污染杂菌的培养技术，还要想方设法从大量培养液中 提取这种当时产量极低的较纯的青霉素。美国的科学家和工程师齐心协力，攻克
许多难关,到1942年终于正式实现了青霉素的工业化生产。这一伟大成就拯救 了千千万万挣扎在战争死亡线上的人们。这是生物工程第一次划时代的飞跃。在 这一飞跃中,作为生物技术核心的发酵技术已从昔日的以厌氧发酵为主的工艺跃 入深层通风发酵为主的工艺。这种工艺不只是通通气,而与此相适应的有一整套 工程技术,如1、大量无菌空气的制备技术,2、中间无菌取样技术,3、设备的 设计技术等等。因此,我们说这是生物工程技术的一次划时代飞跃。尽管后来 开发了许多新产品,如数以千计的抗生素、多类氨基酸、不同用途的酶制剂等, 就根本来说,青霉素投产后的半个多世纪中,深层培养技术没有出现质的改变 20世纪40年代,以获取细菌的次生代谢产物一抗生素为主要特征的抗生素 工业成为生物发酵工业技术的支柱产业。 20世纪50年代,氨基酸发酵工业又成为生物技术产业的又一个成员。实现 了对微生物的的代谢进行人工调节,这又使生物技术进了一步。 20世纪60年代,生物技术产业又增加了酶制剂工业这一成员 70年代,为了解决由于人口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,如利用石油化工原料进行发酵生产,培养单细 胞蛋白,进行污水处理,能源开发等 80年代以来,随着重组DNA技术的发展,可以按人类社会的需要,定向培 养出有用的菌株,这为发酵工程技术引入了遗传工程的技术,使生物技术进入了 个新的阶段 纵观生物技术的发展历史,我们可以知道,生物技术在经历了漫长的以传统 工艺技术为主体的时期以后,正向系统的理论和实际应用相结合的方向发展,即 奠定了可靠的理论和实践基础,也为今天和今后相当长时期生物技术的产业化准 备了条件 三、发酵工程的特点 在研究用微生物(生物催化剂)进行某种物质生产时,大体上有两种研究方 式:一种是各种酶水平上研究微生物细胞内(外)的生物化学反应,如大量摇瓶 在实验室里观察限制反应速率的因素和最适的培养方法,这可以认为是一种小规 模的研究形式;另一种是大规模的研究形式,即过程放大。利用小型和中型反应 器(培养罐)进行培养试验,并进一步在工业规模上研究生产物的分离和精制方
3 许多难关，到 1942 年终于正式实现了青霉素的工业化生产。这一伟大成就拯救 了千千万万挣扎在战争死亡线上的人们。这是生物工程第一次划时代的飞跃。在 这一飞跃中，作为生物技术核心的发酵技术已从昔日的以厌氧发酵为主的工艺跃 入深层通风发酵为主的工艺。这种工艺不只是通通气，而与此相适应的有一整套 工程技术，如 1、大量无菌空气的制备技术，2、中间无菌取样技术，3、设备的 设计技术等等。 因此，我们说这是生物工程技术的一次划时代飞跃。尽管后来 开发了许多新产品，如数以千计的抗生素、多类氨基酸、不同用途的酶制剂等， 就根本来说，青霉素投产后的半个多世纪中，深层培养技术没有出现质的改变。 20 世纪 40 年代，以获取细菌的次生代谢产物—抗生素为主要特征的抗生素 工业成为生物发酵工业技术的支柱产业。 20 世纪 50 年代，氨基酸发酵工业又成为生物技术产业的又一个成员。实现 了对微生物的的代谢进行人工调节，这又使生物技术进了一步。 20 世纪 60 年代，生物技术产业又增加了酶制剂工业这一成员。 70 年代，为了解决由于人口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，如利用石油化工原料进行发酵生产，培养单细 胞蛋白，进行污水处理，能源开发等。 80 年代以来，随着重组 DNA 技术的发展，可以按人类社会的需要，定向培 养出有用的菌株，这为发酵工程技术引入了遗传工程的技术，使生物技术进入了 一个新的阶段。 纵观生物技术的发展历史，我们可以知道，生物技术在经历了漫长的以传统 工艺技术为主体的时期以后，正向系统的理论和实际应用相结合的方向发展，即 奠定了可靠的理论和实践基础，也为今天和今后相当长时期生物技术的产业化准 备了条件。 三、发酵工程的特点 在研究用微生物（生物催化剂）进行某种物质生产时，大体上有两种研究方 式：一种是各种酶水平上研究微生物细胞内（外）的生物化学反应，如大量摇瓶 在实验室里观察限制反应速率的因素和最适的培养方法，这可以认为是一种小规 模的研究形式；另一种是大规模的研究形式，即过程放大。利用小型和中型反应 器（培养罐）进行培养试验，并进一步在工业规模上研究生产物的分离和精制方
法,以确定在细胞水平上的综合的最适培养条件, 一般化学工业的放大,可以说仅需对其放大原理给予充分的研究就足够了 而在发酵技术的放大方面,则需要由小试放大到中试逐步进行探讨。实验室进行 的小规模发酵所获得的最适条件的各种参数,能否在工业规模生产使用的一百多 立方到数百立方,也同样保证其最适条件,那就是不是轻而易举的事了。这是发 酵工程的一个基本特点。例如,从摇瓶试验到各种规模的反应器试验,即使培养 液的成分、温度、pH值等参数各种条件完全相同,并且微生物的活性及其培养 过程与各个装置之间有着必要的相互关联,但一般情况下,反应结果可能完全不 致。尽管目前已有生物传感器,可以迅速准确地就位监测罐内、塔内或反应器 中的反应过程,也有微机处理帮助大大提高了自动化调控的能力,而这些先进装 置确实是保证在最适条件下进行发酵的有利武器,但如何保证大规模发酵在最适 条件下进行,仍是一个值得研究的课题,它不仅涉及到发酵设备的工程问题,也 与各类生物细胞的生理生化特性相关。 一般生物反应过程由四个部分组成 (1)材料的预处理 包括原材料的选择,必要的物理和化学方法加工,此过程是为提供微生物细 胞可以生长和产物形成的基本原料,即培养基的制备过程,包括其配制和灭菌等 (2)生物催化剂的制备 生物反应的催化剂一酶基本上是由微生物产生的。因此,要选择高产、稳定、 髙效、容易培养的菌株,并以此菌株再经过多次逐级扩大培养后达到足够的数量 并具有理想质量的微生物培养液作为“种子”接到反应器中。也可以利用固定化 酶或固定化细胞,这就要通过一定的固定化技术来制备 (3)生物反应器及反应条件的选择与监控 生物反应器是进行生物反应的核心设备,生物反应主要是在生物反应器中进 行的,它为微生物细胞或酶提供合适的反应条件以达到细胞增殖或产品形成的目 的。反应器的结构、操作方式和操作条件对反应原料的转化率、产品质量和产品 成本有着密切关系。根据发酵周期长短、培养条件等,可采取间歇式操作、多级 反应器串联的连续操作等。同时反应参数的检测与控制对生物反应过程的顺利进 行也是十分重要的
4 法，以确定在细胞水平上的综合的最适培养条件。 一般化学工业的放大，可以说仅需对其放大原理给予充分的研究就足够了。 而在发酵技术的放大方面，则需要由小试放大到中试逐步进行探讨。实验室进行 的小规模发酵所获得的最适条件的各种参数，能否在工业规模生产使用的一百多 立方到数百立方，也同样保证其最适条件，那就是不是轻而易举的事了。这是发 酵工程的一个基本特点。例如，从摇瓶试验到各种规模的反应器试验，即使培养 液的成分、温度、pH 值等参数各种条件完全相同，并且微生物的活性及其培养 过程与各个装置之间有着必要的相互关联，但一般情况下，反应结果可能完全不 一致。尽管目前已有生物传感器，可以迅速准确地就位监测罐内、塔内或反应器 中的反应过程，也有微机处理帮助大大提高了自动化调控的能力，而这些先进装 置确实是保证在最适条件下进行发酵的有利武器，但如何保证大规模发酵在最适 条件下进行，仍是一个值得研究的课题，它不仅涉及到发酵设备的工程问题，也 与各类生物细胞的生理生化特性相关。 一般生物反应过程由四个部分组成。 （1） 材料的预处理 包括原材料的选择，必要的物理和化学方法加工，此过程是为提供微生物细 胞可以生长和产物形成的基本原料，即培养基的制备过程，包括其配制和灭菌等。 （2） 生物催化剂的制备 生物反应的催化剂—酶基本上是由微生物产生的。因此，要选择高产、稳定、 高效、容易培养的菌株，并以此菌株再经过多次逐级扩大培养后达到足够的数量 并具有理想质量的微生物培养液作为“种子”接到反应器中。也可以利用固定化 酶或固定化细胞，这就要通过一定的固定化技术来制备。 （3） 生物反应器及反应条件的选择与监控 生物反应器是进行生物反应的核心设备，生物反应主要是在生物反应器中进 行的，它为微生物细胞或酶提供合适的反应条件以达到细胞增殖或产品形成的目 的。反应器的结构、操作方式和操作条件对反应原料的转化率、产品质量和产品 成本有着密切关系。根据发酵周期长短、培养条件等，可采取间歇式操作、多级 反应器串联的连续操作等。同时反应参数的检测与控制对生物反应过程的顺利进 行也是十分重要的
(4)产品的分离纯化 这一工序也叫下游加工程序,其目的是用适当的方法和手段将含量较低的产 物从反应液中提取出来(指胞外产物)或从细胞中(指胞内产物)提取出来,并 加以精制以达到规定的质量要求。包括物理方法、化学方法、生物方法等。生物 反应过程主要有这样一些特点 a.采用可再生资源作为主要原料,因而原料来源丰实,价格低廉,过程中 废物的危害性较小,但由于原料的成分复杂,往往难以控制会给产品质 量带来一定的影响。 b.由于采用的是生物催化剂,反映过程一般在常温常压下进行。但生物催 化剂易受环境的影响和杂菌的污染,因而很易失活,难以长期使用。 c.与一般化工产品相比,其生产设备比较简单,能耗较低。但某些生物反 应由于其特殊性质而使反应基质浓度和产物浓度均不能太高,这是因为 微生物细胞或生物酶受底物浓度或产物浓度的抑制或不能耐高渗透压所 致,不仅使反应器体积增大,而且也加大了提取的困难,因而反应器生 产效率较低。 d.尽管生物反应过程成本低,应用广,但反应极为复杂,较难检测与控制。 反应液中杂质多,给分离提纯带来了困难 四.生物反应过程的分类 随着生物技术的发展,生物反应过程的种类和规模都在不断的扩大。目 前已进行工业生产的主要有酶催化反应过程,微生物反应过程和废水的生物 处理过程 1.藤催化反应过程 采用游离酶或固定化酶为催化剂时的反应过程。生物体中所进行的反应 几乎都是在酶的催化下进行的。工业生产中所用的酶,或是经提取分离得到 的游离酶,或是固定在多种载体上的固定化酶 2.微生物反应过程 采用活细胞为催化剂时的反应过程。这既包括一般的微生物发酵反应过 程,也包括固定化细胞反应过程和动植物细胞的培养过程 3.废水的生物处理过程
5 （4） 产品的分离纯化 这一工序也叫下游加工程序，其目的是用适当的方法和手段将含量较低的产 物从反应液中提取出来（指胞外产物）或从细胞中（指胞内产物）提取出来，并 加以精制以达到规定的质量要求。包括物理方法、化学方法、生物方法等。生物 反应过程主要有这样一些特点： a．采用可再生资源作为主要原料，因而原料来源丰实，价格低廉，过程中 废物的危害性较小，但由于原料的成分复杂，往往难以控制会给产品质 量带来一定的影响。 b． 由于采用的是生物催化剂，反映过程一般在常温常压下进行。但生物催 化剂易受环境的影响和杂菌的污染，因而很易失活，难以长期使用。 c．与一般化工产品相比，其生产设备比较简单，能耗较低。但某些生物反 应由于其特殊性质而使反应基质浓度和产物浓度均不能太高，这是因为 微生物细胞或生物酶受底物浓度或产物浓度的抑制或不能耐高渗透压所 致，不仅使反应器体积增大，而且也加大了提取的困难，因而反应器生 产效率较低。 d．尽管生物反应过程成本低，应用广，但反应极为复杂，较难检测与控制。 反应液中杂质多，给分离提纯带来了困难。 四. 生物反应过程的分类 随着生物技术的发展，生物反应过程的种类和规模都在不断的扩大。目 前已进行工业生产的主要有酶催化反应过程，微生物反应过程和废水的生物 处理过程。 1. 酶催化反应过程 采用游离酶或固定化酶为催化剂时的反应过程。生物体中所进行的反应 几乎都是在酶的催化下进行的。工业生产中所用的酶，或是经提取分离得到 的游离酶，或是固定在多种载体上的固定化酶 。 2. 微生物反应过程 采用活细胞为催化剂时的反应过程。这既包括一般的微生物发酵反应过 程，也包括固定化细胞反应过程和动植物细胞的培养过程。 3. 废水的生物处理过程
它是利用微生物本身的分解能力和净化能力,除去废水中污染物质的过 程。废水生物处理过程与微生物反应过程虽然都是利用微生物的反应过程 但与后者相比废水的生物处理具有以下特点: a)是由细菌等菌类、原生动物、微小原生动物等各种微生物构成的混合培养 系统 b)几乎全部采用连续操作系统。 c)微生物所处的环境条件波动大 d)反应的目的是消除有害物质而不是代谢产物和微生物本身。 五、生物化学工程的基本内容 生化工程是运用化学工程的原理和方法将生物技术的实验室成果进行工业 开发的一门学科。其原理与方法是指用以解决生产过程中有关化学反应、原料处 理和产物的分离、能量的传递、设备的设计与放大、过程的控制和优化等一系列 工程技术问题。 在生物化学反应过程的上游加工中最重要的是生物催化剂(包括菌株、酶及 其固定化)的制备,因此必须掌握生物催化剂的生理生化特性和培养特性,解决 大规模种子培养或固定化生物催化剂的制备以及如何将其在无菌状态下接入生 物反应器中等问题 上游加工中还包括原材料的物理和化学处理、培养基的配制和灭菌等问题 这里包括有物料破碎、混合和输送等多种化工单元操作以及热量传递、灭菌动力 学和设备等有关工程问题。 生物反应器是整个生物反应过程的关键设备。它是为特定的细胞或酶提供适 宜的生长环境或进行特定的生化反应的设备,它的结构、操作方式和操作条件与 产品的质量、产量和能耗有着密切的关系。生物反应器存在着物料的混合与流动、 传质与传热等化学工程问题;存在着氧和基质的供需和传递、发酵动力学、酶催 化反应动力学、发酵液的流变学以及生物反应器的设计与放大等一系列带有共性 的工程技术问题;同时还包括生物反应过程的参数检测和控制。有关这一中游加 工过程的工程问题已发展成为生化工程的重要学科分支一生物反应工程。 生物反应过程的下游是对目的产物的提取与精制。这一过程是比较困难的 这是因为一方面生物反应液中的目的产物的浓度是很低微的。例如,浓度最高的 6
6 它是利用微生物本身的分解能力和净化能力，除去废水中污染物质的过 程。废水生物处理过程与微生物反应过程虽然都是利用微生物的反应过程， 但与后者相比废水的生物处理具有以下特点： a) 是由细菌等菌类、原生动物、微小原生动物等各种微生物构成的混合培养 系统。 b) 几乎全部采用连续操作系统。 c) 微生物所处的环境条件波动大。 d) 反应的目的是消除有害物质而不是代谢产物和微生物本身。 五、生物化学工程的基本内容 生化工程是运用化学工程的原理和方法将生物技术的实验室成果进行工业 开发的一门学科。其原理与方法是指用以解决生产过程中有关化学反应、原料处 理和产物的分离、能量的传递、设备的设计与放大、过程的控制和优化等一系列 工程技术问题。 在生物化学反应过程的上游加工中最重要的是生物催化剂（包括菌株、酶及 其固定化）的制备，因此必须掌握生物催化剂的生理生化特性和培养特性，解决 大规模种子培养或固定化生物催化剂的制备以及如何将其在无菌状态下接入生 物反应器中等问题。 上游加工中还包括原材料的物理和化学处理、培养基的配制和灭菌等问题， 这里包括有物料破碎、混合和输送等多种化工单元操作以及热量传递、灭菌动力 学和设备等有关工程问题。 生物反应器是整个生物反应过程的关键设备。它是为特定的细胞或酶提供适 宜的生长环境或进行特定的生化反应的设备，它的结构、操作方式和操作条件与 产品的质量、产量和能耗有着密切的关系。生物反应器存在着物料的混合与流动、 传质与传热等化学工程问题；存在着氧和基质的供需和传递、发酵动力学、酶催 化反应动力学、发酵液的流变学以及生物反应器的设计与放大等一系列带有共性 的工程技术问题；同时还包括生物反应过程的参数检测和控制。有关这一中游加 工过程的工程问题已发展成为生化工程的重要学科分支—生物反应工程。 生物反应过程的下游是对目的产物的提取与精制。这一过程是比较困难的。 这是因为一方面生物反应液中的目的产物的浓度是很低微的。例如，浓度最高的
乙醇仅为10%左右,氨基酸不超过8%,抗生素不超过5%,酶制剂不超过1%, 胰岛素不超过001%,单克隆抗体不超过00001%;另一方面因为反应液杂质常 与目的产物有相似的结构,加上一些具有生物活性的产品对温度、酸碱度都十分 敏感,一些作为药物或食品的产品对纯度、有害物质都有严格的要求。总之,下 游加工过程步骤多,要求严,其生产费用往往占生产成本的一半以上 生物技术研究的主要目标是最大限度地提高上游处理、发酵与转化、下游处 理这三个步骤的整体效率,同时寻找一些可以用来制备食品、食品添加剂和药物 的微生物。从20世纪60~70年代起,生物技术的研究主要集中在上游处理过程 生物反应器的设计和下游的纯化过程方面,这些研究使发酵过程的检测、生物反 应体系的检测技术和有效的大量培养微生物的技术及相关仪器方面都有了很大 的发展。目前,这些仪器已经可以用于生产各种不同的产品。 在利用微生物生产商品的整个过程中,生物转化这个环节往往是最难优化 的。通常用于大规模生产的培养条件往往不是自然条件下微生物的最佳生长条 件。因此,人们一般通过化学突变、化学诱变或者紫外线照射来产生突变体,从 而改良菌种、提高产量,传统的诱导突变和选择的方法在发酵生产中获得了较大 的成功。多种抗生素的大量生产过程就是这种方法的成功例证 但是通过传统的方法提高产量的幅度是非常有限的,如果一个突变了的菌株 某一组分合成太多,那么其他一些代谢物的合成就会受到影响,因此这反过来又 会影响微生物在大规模发酵过程中的生长。传统的诱变和选择的方法过程繁琐 耗时过长、费用极髙,需要筛选和检测大量的克隆。另外,用传统的方法能提髙 微生物一种已有的遗传性质,并不能赋予这种微生物以其他遗传特性。总的来说 传统的改良菌种的生物技术还仅仅局限在化学工程和微生物工程的领域内。随着 DNA重组技术的出现和发展,这种情况发生了根本性的改变 现代生物技术的发展主要体现在下列几方面 1、基因操作技术日新月异,不断完善。新技术、新方法一经产生就迅速的通过 商业渠道出售此项技术并在市场上加以应用。 2、基因工程药物和疫苗研究与开发突飞猛进。新的生物治疗制剂的产业化前景 十分光明,21世纪整个医药工业将面临全面的更新和改造 3、转基因动物和植物取得重大突破。现代生物技术在农业上的广泛应用作为生
7 乙醇仅为 10%左右，氨基酸不超过 8%，抗生素不超过 5%，酶制剂不超过 1%， 胰岛素不超过 0.01%，单克隆抗体不超过 0.0001%；另一方面因为反应液杂质常 与目的产物有相似的结构，加上一些具有生物活性的产品对温度、酸碱度都十分 敏感，一些作为药物或食品的产品对纯度、有害物质都有严格的要求。总之，下 游加工过程步骤多，要求严，其生产费用往往占生产成本的一半以上。 生物技术研究的主要目标是最大限度地提高上游处理、发酵与转化、下游处 理这三个步骤的整体效率，同时寻找一些可以用来制备食品、食品添加剂和药物 的微生物。从 20 世纪 60~70 年代起，生物技术的研究主要集中在上游处理过程、 生物反应器的设计和下游的纯化过程方面，这些研究使发酵过程的检测、生物反 应体系的检测技术和有效的大量培养微生物的技术及相关仪器方面都有了很大 的发展。目前，这些仪器已经可以用于生产各种不同的产品。 在利用微生物生产商品的整个过程中，生物转化这个环节往往是最难优化 的。通常用于大规模生产的培养条件往往不是自然条件下微生物的最佳生长条 件。因此，人们一般通过化学突变、化学诱变或者紫外线照射来产生突变体，从 而改良菌种、提高产量，传统的诱导突变和选择的方法在发酵生产中获得了较大 的成功。多种抗生素的大量生产过程就是这种方法的成功例证。 但是通过传统的方法提高产量的幅度是非常有限的，如果一个突变了的菌株 某一组分合成太多，那么其他一些代谢物的合成就会受到影响，因此这反过来又 会影响微生物在大规模发酵过程中的生长。传统的诱变和选择的方法过程繁琐、 耗时过长、费用极高，需要筛选和检测大量的克隆。另外，用传统的方法能提高 微生物一种已有的遗传性质，并不能赋予这种微生物以其他遗传特性。总的来说 传统的改良菌种的生物技术还仅仅局限在化学工程和微生物工程的领域内。随着 DNA 重组技术的出现和发展，这种情况发生了根本性的改变。 现代生物技术的发展主要体现在下列几方面： 1、基因操作技术日新月异，不断完善。新技术、新方法一经产生就迅速的通过 商业渠道出售此项技术并在市场上加以应用。 2、基因工程药物和疫苗研究与开发突飞猛进。新的生物治疗制剂的产业化前景 十分光明，21 世纪整个医药工业将面临全面的更新和改造。 3、转基因动物和植物取得重大突破。现代生物技术在农业上的广泛应用作为生
物技术的“第二次浪潮”在21世纪将全面展开,给农业畜牧业生产带了新的 飞跃。生物技术对农业的总贡献率大于70%,功能性食品在营养学上起着革 命性的变化。 4、阐明生物体(目前主要有人类、水稻、拟南芥等)基因组及其编码蛋白质的 结构和功能是当今生命科学的一个主流方向。目前已有多个原核生物及一个 真核生物(酵母)的基因组序列被全部测定。与人类重大疾病相关的基因和 与农作物产量、质量、抗性等有关基因的结构与功能及其应用研究是今后 个时期研究的热点和重点。 5、基因治疗取得重大进展,有可能革新整个疾病的预防和治疗领域。估计在本 世纪初,恶性肿瘤、爱滋病的防治可望有所突破。(基因治疗对象:遗传病 恶性肿瘤、艾滋病、乙肝、代谢性病、心血管病等) 6、蛋白质工程是基因工程的发展,它将分子生物学、结构生物学、计算机技术 结合起来,形成一门高度综合的学科 7、国际上信息技术的飞速发展渗透到了生命科学领域,形成了引人注目、用途 广泛的生物信息学。全球通讯网络的日益扩大和完善也大大加速了生物技术 的研究、应用和开发 现代生物技术在近20年的发展中受到了各方面人士的普遍关注,更有 许多专家将21世纪称为生命科学的世纪,将现代生物技术产业称为21世纪 的朝阳产业。一方面是由于现代生物技术发展迅速,用途广泛;另一方面是 由于现代生物技术具有其他技术所无法比拟的优越性,即可持续发展。面对 人口膨胀、资源枯竭、环境污染等一系列直接关系到整个人类生死存亡的严 重问题。,人们越来越深刻的认识到了发展具有可持续发展的新技术、新产 业的必要性和紧迫性。由于生物技术是以生物(动物、植物、微生物、培养 细胞等)为原料生产产品的,因此其原料具有再生性,同时利用生物系统生 产产品产生的污染物很少,对环境的破坏性很小或几乎没有,重组微生物甚 至还可以消除环境中的污染物。鉴于生物技术产业的以上特点,清洁、经济 的生物技术必然会在21世纪获得更大的发展。 六、如何学习《发酵工程与设备》 以微生物的生命活动为基础的发酵工业正为人类的健康和生产实践服务,生
8 物技术的“第二次浪潮”在 21 世纪将全面展开，给农业畜牧业生产带了新的 飞跃。生物技术对农业的总贡献率大于 70%，功能性食品在营养学上起着革 命性的变化。 4、阐明生物体（目前主要有人类、水稻、拟南芥等）基因组及其编码蛋白质的 结构和功能是当今生命科学的一个主流方向。目前已有多个原核生物及一个 真核生物（酵母）的基因组序列被全部测定。与人类重大疾病相关的基因和 与农作物产量、质量、抗性等有关基因的结构与功能及其应用研究是今后一 个时期研究的热点和重点。 5、基因治疗取得重大进展，有可能革新整个疾病的预防和治疗领域。估计在本 世纪初，恶性肿瘤、爱滋病的防治可望有所突破。（基因治疗对象：遗传病、 恶性肿瘤、艾滋病、乙肝、代谢性病、心血管病等） 6、蛋白质工程是基因工程的发展，它将分子生物学、结构生物学、计算机技术 结合起来，形成一门高度综合的学科。 7、国际上信息技术的飞速发展渗透到了生命科学领域，形成了引人注目、用途 广泛的生物信息学。全球通讯网络的日益扩大和完善也大大加速了生物技术 的研究、应用和开发。 现代生物技术在近 20 年的发展中受到了各方面人士的普遍关注，更有 许多专家将 21 世纪称为生命科学的世纪，将现代生物技术产业称为 21 世纪 的朝阳产业。一方面是由于现代生物技术发展迅速，用途广泛；另一方面是 由于现代生物技术具有其他技术所无法比拟的优越性，即可持续发展。面对 人口膨胀、资源枯竭、环境污染等一系列直接关系到整个人类生死存亡的严 重问题。，人们越来越深刻的认识到了发展具有可持续发展的新技术、新产 业的必要性和紧迫性。由于生物技术是以生物（动物、植物、微生物、培养 细胞等）为原料生产产品的，因此其原料具有再生性，同时利用生物系统生 产产品产生的污染物很少，对环境的破坏性很小或几乎没有，重组微生物甚 至还可以消除环境中的污染物。鉴于生物技术产业的以上特点，清洁、经济 的生物技术必然会在 21 世纪获得更大的发展。 六、如何学习《发酵工程与设备》 以微生物的生命活动为基础的发酵工业正为人类的健康和生产实践服务，生
产了大量的抗生素、酶制剂、氨基酸、维生素、蛋白质以及其他有用产品。为了 在今后实际工作中对提高发酵工程的生产效率和创立新的发酵过程有所认识,我 们必须运用生物化学、微生物学等已学过的知识,详细了解和掌握发酵条件下的 微生物新成代谢的规律和整个反应过程所涉及的各个条件及作用,对微生物各种 反应做定量的动力学方面初步研究以控制微生物生命活动的途径,在此基础上, 学习和掌握微生物代谢过程中的物质传递机理;同时,认识和了解整个生物反应 过程中的设备结构和计算、形式各异的反应器的结构和特点,即在这门课程中, 对微生物发酵工业中培养基灭菌、空气除菌、反应动力学数学模型的建立、发酵 设备的结构、通气搅拌功率计算和设备放大、设备选型及设计方法进行较为全面 的分析和讲解,并在讲解中列举部分实例和有关生化工程设计数据。 另外,要结合有关工艺、技术、设备等方面的知识认真准备和操作实验,做 到理论联系实际,便于今后能够较快较好的适应工作
9 产了大量的抗生素、酶制剂、氨基酸、维生素、蛋白质以及其他有用产品。为了 在今后实际工作中对提高发酵工程的生产效率和创立新的发酵过程有所认识，我 们必须运用生物化学、微生物学等已学过的知识，详细了解和掌握发酵条件下的 微生物新成代谢的规律和整个反应过程所涉及的各个条件及作用，对微生物各种 反应做定量的动力学方面初步研究以控制微生物生命活动的途径，在此基础上， 学习和掌握微生物代谢过程中的物质传递机理；同时，认识和了解整个生物反应 过程中的设备结构和计算、形式各异的反应器的结构和特点，即在这门课程中， 对微生物发酵工业中培养基灭菌、空气除菌、反应动力学数学模型的建立、发酵 设备的结构、通气搅拌功率计算和设备放大、设备选型及设计方法进行较为全面 的分析和讲解，并在讲解中列举部分实例和有关生化工程设计数据。 另外，要结合有关工艺、技术、设备等方面的知识认真准备和操作实验，做 到理论联系实际，便于今后能够较快较好的适应工作
第二章菌种的扩大培养 菌种的扩大培养就是把保藏的菌种,即砂土管,冷冻干燥管中处于休眠状态 的生产菌种接入试管斜面活化,再经过扁瓶或药瓶和种子罐,逐级扩大培养后达 到一定的数量和质量的纯种培养过程。这些纯种的培养物称为种子。 工业规模的发酵罐体积越来越大,目前已达到几十立方米至几百立方米。若 按5~10%的接种量计算,就要接入几立方到几十立方米的种子。这单靠试管里 的种子直接接入是不可能达到必需的数量和质量的,必须从试管中的微生物菌种 逐级扩大为生产使用的种子。这是一个从实验室制备到车间生产的过程。然而, 菌种种类不同,生产产品品种不同,其生产方法和生产条件均有所差别,如营养 温度、酸碱度、氧等条件。因此,种子扩大培养应根据菌种的生理特性,选择合 适的培养条件来获得代谢旺盛和数量足够的种子。这种种子接入发酵罐后,会使 发酵生产周期缩短,设备利用率提髙,对杂菌的抵抗能力增加,对发酵生产起到 了关键性的作用。所以种子质量的好坏至关重要。 种子必须具备的条件:①菌种细胞的生长活力强,接种后在发酵罐中能迅速 生长;②生理性状稳定;③菌体总量和浓度能满足大容量发酵罐的要求:④无杂 菌污染(不带杂菌);⑤生产能力稳定。 第一节种子制备 种子制备过程可分为两大阶段(如图) 摇瓶 砂土管(冷冻「燥管)—·斜面 固体斜面 摇瓶 种子罐—·发酵罐 固体 ①实验室种子制备阶段:琼脂斜面至固体培养基扩大培养(如茄子瓶斜面培养等 或液体摇瓶培养。 ②生产车间种子制备阶段:种子罐扩大培养
10 第二章 菌种的扩大培养 菌种的扩大培养就是把保藏的菌种，即砂土管，冷冻干燥管中处于休眠状态 的生产菌种接入试管斜面活化，再经过扁瓶或药瓶和种子罐，逐级扩大培养后达 到一定的数量和质量的纯种培养过程。这些纯种的培养物称为种子。 工业规模的发酵罐体积越来越大，目前已达到几十立方米至几百立方米。若 按 5～10％的接种量计算，就要接入几立方到几十立方米的种子。这单靠试管里 的种子直接接入是不可能达到必需的数量和质量的，必须从试管中的微生物菌种 逐级扩大为生产使用的种子。这是一个从实验室制备到车间生产的过程。然而， 菌种种类不同，生产产品品种不同，其生产方法和生产条件均有所差别，如营养、 温度、酸碱度、氧等条件。因此，种子扩大培养应根据菌种的生理特性，选择合 适的培养条件来获得代谢旺盛和数量足够的种子。这种种子接入发酵罐后，会使 发酵生产周期缩短，设备利用率提高，对杂菌的抵抗能力增加，对发酵生产起到 了关键性的作用。所以种子质量的好坏至关重要。 种子必须具备的条件：①菌种细胞的生长活力强，接种后在发酵罐中能迅速 生长；②生理性状稳定；③菌体总量和浓度能满足大容量发酵罐的要求；④无杂 菌污染（不带杂菌）；⑤生产能力稳定。 第一节 种子制备 种子制备过程可分为两大阶段（如图）： a、 砂土管（冷 冻干燥管） 斜 面 摇 瓶 固 体斜 面 b、 摇 瓶 固 体 种 子 罐 发酵 罐 ①实验室种子制备阶段：琼脂斜面至固体培养基扩大培养（如茄子瓶斜面培养等 或液体摇瓶培养。 ②生产车间种子制备阶段：种子罐扩大培养
