项目1发酵工艺技术概述 一、发酵工程概念： 它泛指利用微生物的某种特定功能，通过现代工程技术手段生产有用物质的 过程。它包括厌氧培养的生产过程，如酒精、乳酸、丙酮丁醇等，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。产品既有微生物细 胞代谢产物，也包括菌体细胞（如单细胞蛋白）、酶等。 二、发酵工业发展史 1、自然（天然）发酵时期 从史前到19世纪末，在微生物的性质尚未被人们所认识时，人类己经利用 自然接种方法进行发酵制品的生产。主要产品有酒、酒精、醋、酵母、干酪、酸 乳等。当时实际上还谈不上发酵工业，而仅仅是家庭式或作坊式的手工业生产。 多数产品为厌氧发酵，非纯种培养，凭经验传授技术和产品质量不稳定是这个阶 段的特点。 2、纯培养技术的建立 1900-1940年间，由巴斯德(Pasteur)和科赫(Koch)建立了微生物分离 纯化和纯培养技术，人类才开始了人为地控制微生物的发酵进程，从而使发酵的 生产技术得到巨大的改良，提高了产品的稳定性，这对发酵工业起了巨大的推动 作用。由于采用纯种培养于无茵操作技术，包括灭菌和使用密闭式发酵罐，使发 酵过程避免了杂菌污染，使生产规模扩大了，使产品质量提高，从而建立了真正 的发酵工业并逐渐成为化学工业的一部分。因此，可以认为，纯培养技术的建立 是发酵技术发展的第一个转折时期。 3、通气搅拌（好气性）发酵（工程）技术的建立 20世纪40年代初，随着青霉素的发现(1928年弗莱明(F1 eming))发现青霉 素，1965年获诺贝尔医学生理学奖。)，抗生素发酵工业逐渐兴起。由于青霉素 产生菌是需氧型的，微生物学家就在厌氧发酵技术的基础上，成功地引进了通气 搅拌和一整套无菌技术，建立了深层通气发酵技术。它大大促进了发酵工业的发 展，使有机酸、酶、维生素、激素等都可以用发酵法大规模生产，并且逐渐形成 和建立起生物工程学科，与此同时也有力地促进了甾体转化、微生物酶与氨基酸 发酵工业的迅速发展。通气搅拌发酵技术的建立是发酵工业发展史上的第二个转
项目 1 发酵工艺技术概述 一、发酵工程概念： 它泛指利用微生物的某种特定功能，通过现代工程技术手段生产有用物质的 过程。它包括厌氧培养的生产过程，如酒精、乳酸、丙酮丁醇等，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。产品既有微生物细 胞代谢产物，也包括菌体细胞（如单细胞蛋白）、酶等。 二、发酵工业发展史 1、自然（天然）发酵时期 从史前到 19 世纪末，在微生物的性质尚未被人们所认识时，人类已经利用 自然接种方法进行发酵制品的生产。主要产品有酒、酒精、醋、酵母、干酪、酸 乳等。当时实际上还谈不上发酵工业，而仅仅是家庭式或作坊式的手工业生产。 多数产品为厌氧发酵，非纯种培养，凭经验传授技术和产品质量不稳定是这个阶 段的特点。 2、纯培养技术的建立 1900－1940 年间，由巴斯德（Pasteur）和科赫（Koch）建立了微生物分离 纯化和纯培养技术，人类才开始了人为地控制微生物的发酵进程，从而使发酵的 生产技术得到巨大的改良，提高了产品的稳定性，这对发酵工业起了巨大的推动 作用。由于采用纯种培养于无菌操作技术，包括灭菌和使用密闭式发酵罐，使发 酵过程避免了杂菌污染，使生产规模扩大了，使产品质量提高，从而建立了真正 的发酵工业并逐渐成为化学工业的一部分。因此，可以认为，纯培养技术的建立 是发酵技术发展的第一个转折时期。 3、通气搅拌（好气性）发酵（工程）技术的建立 20 世纪 40 年代初，随着青霉素的发现（1928 年弗莱明(Fleming)发现青霉 素，1965 年获诺贝尔医学生理学奖。），抗生素发酵工业逐渐兴起。由于青霉素 产生菌是需氧型的，微生物学家就在厌氧发酵技术的基础上，成功地引进了通气 搅拌和一整套无菌技术，建立了深层通气发酵技术。它大大促进了发酵工业的发 展，使有机酸、酶、维生素、激素等都可以用发酵法大规模生产，并且逐渐形成 和建立起生物工程学科，与此同时也有力地促进了甾体转化、微生物酶与氨基酸 发酵工业的迅速发展。通气搅拌发酵技术的建立是发酵工业发展史上的第二个转
折点。 4、代谢控制发酵工程技术的建立 1957年，日本用微生物生产谷氨酸成功，如今20种氨基酸都可用发酵法生 产。氨基酸发酵工业的发展，是建立在代谢控制发酵新技术的基础上的。目前 代谢控制发酵技术己用于核苷酸、有机酸和部分抗生素等的生产中。 5、开拓新型发酵原料时期 传统的发酵原料主要是粮食、农副产品等淀粉（糖）质原料，随着作为饲料 酵母及其他单细胞蛋白的需要日益增多，急需开拓和寻找新的代粮原料。石油化 工副产物石蜡、醋酸、甲醇、乙醇以及甲烷等碳氢化合物被用来作为发酵原料， 开始了所谓石油发酵时期。目前，用醋酸生产谷氨酸，用甲烷、甲醇以及正构石 蜡生产单细胞蛋白、柠檬酸等已达到工业化水平。与此同时，大型发酵罐的研制 与应用，使生产规模大大提高(3000m):采用计算机控制进行灭菌，控制发酵 pH和应用溶氧电极等措施，使发酵生产朝自动控制前进一大步。 6、与基因操作技术相结合的现代发酵工程技术阶段 20世纪80年代以后，由于DNA体外重组技术的建立，使发酵工业进入了 进入了一个崭新的阶段，即以基因工程为中心的生物工程时代，新产品层出不穷。 基因工程是采用酶学的方法，将不同来源的DNA进行体外重组，再把重组DNA 设法转入受体细胞内表达，并进行繁殖和遗传下去。这样人们就能够根据自己的 意愿将微生物以外的基因构件导入微生物细胞内，从而达到定向地改变生物形状 和功能创造“新”的物种，使发酵工业能够生产出自然界生物所不能合成的产物， 大大地丰富了发酵工业的范围，使发酵工业发生了革命性的变化。主要产品有胰 岛素、干扰素等。 三、发酵工业的特点和范围 1、发酵工业的特点 原料广：发酵所用的原料通常以淀粉质、糖蜜或其他农副产品为主，只要加 入少量的有机和无机氨源就可进行反应。此外，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。 微生物主体：微生物菌种是进行发酵的根本因素，可以通过筛选、诱变或基 因工程手段获得高产优良的菌株。发酵对杂菌污染的防治至关重要，除了必须对
折点。 4、代谢控制发酵工程技术的建立 1957 年，日本用微生物生产谷氨酸成功，如今 20 种氨基酸都可用发酵法生 产。氨基酸发酵工业的发展，是建立在代谢控制发酵新技术的基础上的。目前， 代谢控制发酵技术已用于核苷酸、有机酸和部分抗生素等的生产中。 5、开拓新型发酵原料时期 传统的发酵原料主要是粮食、农副产品等淀粉（糖）质原料，随着作为饲料 酵母及其他单细胞蛋白的需要日益增多，急需开拓和寻找新的代粮原料。石油化 工副产物石蜡、醋酸、甲醇、乙醇以及甲烷等碳氢化合物被用来作为发酵原料， 开始了所谓石油发酵时期。目前，用醋酸生产谷氨酸，用甲烷、甲醇以及正构石 蜡生产单细胞蛋白、柠檬酸等已达到工业化水平。与此同时，大型发酵罐的研制 与应用，使生产规模大大提高（3000m3）；采用计算机控制进行灭菌，控制发酵 pH 和应用溶氧电极等措施，使发酵生产朝自动控制前进一大步。 6、与基因操作技术相结合的现代发酵工程技术阶段 20 世纪 80 年代以后，由于 DNA 体外重组技术的建立，使发酵工业进入了 进入了一个崭新的阶段，即以基因工程为中心的生物工程时代，新产品层出不穷。 基因工程是采用酶学的方法，将不同来源的 DNA 进行体外重组，再把重组 DNA 设法转入受体细胞内表达，并进行繁殖和遗传下去。这样人们就能够根据自己的 意愿将微生物以外的基因构件导入微生物细胞内，从而达到定向地改变生物形状 和功能创造“新”的物种，使发酵工业能够生产出自然界生物所不能合成的产物， 大大地丰富了发酵工业的范围，使发酵工业发生了革命性的变化。主要产品有胰 岛素、干扰素等。 三、发酵工业的特点和范围 1、发酵工业的特点 原料广：发酵所用的原料通常以淀粉质、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。此外，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。 微生物主体：微生物菌种是进行发酵的根本因素，可以通过筛选、诱变或基 因工程手段获得高产优良的菌株。发酵对杂菌污染的防治至关重要，除了必须对
设备进行严格灭菌和空气过滤外，反应必须在无菌条件下进行，维持无菌条件是 发酵成败的关键。 反应条件温和，易控制：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，要求条件简单。 产物单一，纯度高：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一的代谢产物。微生物能够专一性地和高度选择地 对某些复杂的化合物进行特定部位的转化反应，也可以产生比较复杂的高分子化 合物。 投资少，效益好：工业发酵与其他工业相比，投资少，见效快，并可以取得较显 著的经济效益。 2、发酵工业的范围 )以微生物菌体细胞为产品的发酵工业。如供制备面包用的酵母；作为人类或 动物的食物的微生物细胞（单细胞蛋白）：作为生物防治的苏云金杆菌以及 各种人、畜疾病防治用的疫苗等。细胞物质的发酵生产特点是细胞的生长与 产物的积累呈平行关系，生长速率最大时期也是产物合成速率最高阶段，生 长稳定期细胞物质浓度最大，同时也是产量最高的收获时期。 2)以微生物代谢产物为产品的发酵工业。是发酵工业中数量最多、产量最大、 也是最重要的部分，包括初级代谢产物和次级代谢产物。 3)以微生物酶为产品的发酵工业。目前工业化生产的酶主要是各种水解酶类， 如淀粉水解酶、蛋白水解酶、乳糖酶、青霉素酰化酶等，而非水解酶类除葡 萄糖异构酶、葡萄糖氧化酶等少数酶已工业化生产外，多数非水解酶类尚未 工业化生产。酶的生产受到微生物本身的严格控制，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。 4)生物转化或修饰化合物的发酵工业。生物转化是指利用生物细胞对一些化合 物某一特定部位（基团）的作用，使它转变成结构相类似但具有更大经济价 值的化合物。生物转化的最终产物并不是由于营养物质经微生物细胞的代谢 后产生的，而是由微生物细胞的酶或酶系对底物某一特定部位进行化学反应 而形成的。生物转化可以理解为，将一个化合物经过发酵改造其化学结构
设备进行严格灭菌和空气过滤外，反应必须在无菌条件下进行，维持无菌条件是 发酵成败的关键。 反应条件温和，易控制：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，要求条件简单。 产物单一，纯度高：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一的代谢产物。微生物能够专一性地和高度选择地 对某些复杂的化合物进行特定部位的转化反应，也可以产生比较复杂的高分子化 合物。 投资少，效益好：工业发酵与其他工业相比，投资少，见效快，并可以取得较显 著的经济效益。 2、发酵工业的范围 1) 以微生物菌体细胞为产品的发酵工业。如供制备面包用的酵母；作为人类或 动物的食物的微生物细胞（单细胞蛋白）；作为生物防治的苏云金杆菌以及 各种人、畜疾病防治用的疫苗等。细胞物质的发酵生产特点是细胞的生长与 产物的积累呈平行关系，生长速率最大时期也是产物合成速率最高阶段，生 长稳定期细胞物质浓度最大，同时也是产量最高的收获时期。 2) 以微生物代谢产物为产品的发酵工业。是发酵工业中数量最多、产量最大、 也是最重要的部分，包括初级代谢产物和次级代谢产物。 3) 以微生物酶为产品的发酵工业。目前工业化生产的酶主要是各种水解酶类， 如淀粉水解酶、蛋白水解酶、乳糖酶、青霉素酰化酶等，而非水解酶类除葡 萄糖异构酶、葡萄糖氧化酶等少数酶已工业化生产外，多数非水解酶类尚未 工业化生产。酶的生产受到微生物本身的严格控制，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。 4) 生物转化或修饰化合物的发酵工业。生物转化是指利用生物细胞对一些化合 物某一特定部位（基团）的作用，使它转变成结构相类似但具有更大经济价 值的化合物。生物转化的最终产物并不是由于营养物质经微生物细胞的代谢 后产生的，而是由微生物细胞的酶或酶系对底物某一特定部位进行化学反应 而形成的。生物转化可以理解为，将一个化合物经过发酵改造其化学结构
在这里微生物细胞的作用仅仅相当于一种特殊的化学催化剂引起特定部位 的反应。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。 最简单的生物转化例子是微生物细胞将乙醇氧化形成乙酸，但是发酵工业中 最重要的生物转化是甾体的转化，如将甾体化合物的11位进行氧化转化为 可的松等。转化反应包括脱氢、氧化、羟基化、还原、脱羧、氨基化、缩合、 脱氨化、磷酸化、同分异构作用等。 发酵工程的内容 发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、 发酵过程和产品的分离提纯等方面。 四、工业发酵的步骤（内容）： 1.生产用菌种的扩大培养（微生物菌种的选育及扩培技术）： 2.用作培养菌种及扩大生产的发酵培养基的配制（发酵原料的选择及预处理）： 3.培养基、发酵罐以及辅助设备的消毒灭菌（灭菌技术）： 4.将已培养好的有活性的纯菌株以一定量转接到发酵罐中（接种技术）： 5.将接种到发酵罐中的菌株控制在最适条件下生长并形成代谢产物（最佳工艺 条件的选择和控制：生物反应器的设计和设备选型：生物传感器等)： 6.将产物提取并进行精制，以得到合格的产品（发酵产物的分离提取）： 7.回收或处理发酵过程中产生的废物和废水（三废处理、环境工程）。 五、发酵工程的发展趋势 1.利用遗传工程等先进技术，人工选育和改良菌种，使微生物细胞按照人类的 需要合成某些产品： 2.采用发酵技术进行高等动植物细胞培养： 3.按照微生物生理和代谢特性以及产物的合成途径进行发酵条件调控： 4.在工程方面，开发和采用大型节能高效的发酵装置，自动控制将成为发酵生 产控制的主要手段，从而使发酵工业朝着模拟化、自动化、最优化方向前进： 5.周定化技术广泛应用： 6.将生物技术理论广泛地用于环境工程
在这里微生物细胞的作用仅仅相当于一种特殊的化学催化剂引起特定部位 的反应。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。 最简单的生物转化例子是微生物细胞将乙醇氧化形成乙酸，但是发酵工业中 最重要的生物转化是甾体的转化，如将甾体化合物的 11 位进行氧化转化为 可的松等。转化反应包括脱氢、氧化、羟基化、还原、脱羧、氨基化、缩合、 脱氨化、磷酸化、同分异构作用等。 发酵工程的内容 发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、 发酵过程和产品的分离提纯等方面。 四、工业发酵的步骤（内容）： 1. 生产用菌种的扩大培养（微生物菌种的选育及扩培技术）； 2. 用作培养菌种及扩大生产的发酵培养基的配制（发酵原料的选择及预处理）； 3. 培养基、发酵罐以及辅助设备的消毒灭菌（灭菌技术）； 4. 将已培养好的有活性的纯菌株以一定量转接到发酵罐中（接种技术）； 5. 将接种到发酵罐中的菌株控制在最适条件下生长并形成代谢产物（最佳工艺 条件的选择和控制；生物反应器的设计和设备选型；生物传感器等）； 6. 将产物提取并进行精制，以得到合格的产品（发酵产物的分离提取）； 7. 回收或处理发酵过程中产生的废物和废水（三废处理、环境工程）。 五、发酵工程的发展趋势 1. 利用遗传工程等先进技术，人工选育和改良菌种，使微生物细胞按照人类的 需要合成某些产品； 2. 采用发酵技术进行高等动植物细胞培养； 3. 按照微生物生理和代谢特性以及产物的合成途径进行发酵条件调控； 4. 在工程方面，开发和采用大型节能高效的发酵装置，自动控制将成为发酵生 产控制的主要手段，从而使发酵工业朝着模拟化、自动化、最优化方向前进； 5. 固定化技术广泛应用； 6. 将生物技术理论广泛地用于环境工程