1 韩 北 忠 中国农业大学 食品学院 Han Bei-zhong, Prof. PhD College of Food Science & Nutritional Engineering China Agricultural University 发 酵 工 程 Fermentation Engineering
1 韩 北 忠 中国农业大学 食品学院 Han Bei-zhong, Prof. PhD College of Food Science & Nutritional Engineering China Agricultural University 发 酵 工 程 Fermentation Engineering
2 发 酵 工 程 • 发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸 和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要 的分支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因 工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一 个多学科工程。 • 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
2 发 酵 工 程 • 发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸 和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要 的分支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因 工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一 个多学科工程。 • 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
3 FERMENTATION Process Control Fermentation engineering 上游工程 UPSTREAM PROCESSES 下游工程 DOWNSTREAM PROCESSES 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
3 FERMENTATION Process Control Fermentation engineering 上游工程 UPSTREAM PROCESSES 下游工程 DOWNSTREAM PROCESSES 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
4 UPSTREAM PROCESSES - genetics, cell . - inoculum development - media formulation - sterilization - inoculation FERMENTATION Process Control 上游工程 Fermentation engineering
4 UPSTREAM PROCESSES - genetics, cell . - inoculum development - media formulation - sterilization - inoculation FERMENTATION Process Control 上游工程 Fermentation engineering
5 DOWNSTREAM PROCESSES - product extraction, purification & assay - waste treatment -by product recovery FERMENTATION Process Control 下游工程 The ratio of recovery to fermentation costs for L-asparaginase: 3.0 ethanol: 0.16 Fermentation engineering
5 DOWNSTREAM PROCESSES - product extraction, purification & assay - waste treatment -by product recovery FERMENTATION Process Control 下游工程 The ratio of recovery to fermentation costs for L-asparaginase: 3.0 ethanol: 0.16 Fermentation engineering
6 发酵工程 主要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工艺技术 (1) 有严格的无菌生长环境： 包括发酵开始前采用高温高压对发酵原料和发 酵罐以及各种连接管道进行灭菌的技术； 在发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空 气的空气过滤技术； (2)在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速 度的计算机控制技术； (3)种子培养和生产培养的不同的工艺技术
6 发酵工程 主要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工艺技术 (1) 有严格的无菌生长环境： 包括发酵开始前采用高温高压对发酵原料和发 酵罐以及各种连接管道进行灭菌的技术； 在发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空 气的空气过滤技术； (2)在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速 度的计算机控制技术； (3)种子培养和生产培养的不同的工艺技术
7 (4)在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验 室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物 形成的动力学模型，并根据这个模型设计中试 的发酵要求，最后从中试数据再设计更大规模 生产的动力学模型。 (5)由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试， 从中试到大规模生产过程中会出现许多问题， 这就是发酵工程工艺放大问题
7 (4)在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验 室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物 形成的动力学模型，并根据这个模型设计中试 的发酵要求，最后从中试数据再设计更大规模 生产的动力学模型。 (5)由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试， 从中试到大规模生产过程中会出现许多问题， 这就是发酵工程工艺放大问题
8 微生物发酵技术 • 1857年法国化学家、微生物家巴斯德提出 了著名的发酵理论：“一切发酵过程都是微生 物作用的结果。” • 巴斯德认为，酿酒是发酵，是微生物在起 作用；酒变质也是发酵，是另一类微生物在作 祟；随着科学技术的发展，可以用加热处理等 方法来杀死有害的微生物，防止酒发生质变。 同时，也可以把发酵的微生物分离出来，通过 人工培养，根据不同的要求去诱发各种类型的 发酵，获得所需的发酵产品
8 微生物发酵技术 • 1857年法国化学家、微生物家巴斯德提出 了著名的发酵理论：“一切发酵过程都是微生 物作用的结果。” • 巴斯德认为，酿酒是发酵，是微生物在起 作用；酒变质也是发酵，是另一类微生物在作 祟；随着科学技术的发展，可以用加热处理等 方法来杀死有害的微生物，防止酒发生质变。 同时，也可以把发酵的微生物分离出来，通过 人工培养，根据不同的要求去诱发各种类型的 发酵，获得所需的发酵产品
9 利用微生物的特点 • 发酵工程所利用的微生物主要是细菌、放 线菌，酵母菌和霉菌 利用微生物的特点： (1)对周围环境的温度、压强、渗透压、 酸碱度等条件有极大的适应能力 (2)有极强的消化能力 (3)有极强的繁殖能力
9 利用微生物的特点 • 发酵工程所利用的微生物主要是细菌、放 线菌，酵母菌和霉菌 利用微生物的特点： (1)对周围环境的温度、压强、渗透压、 酸碱度等条件有极大的适应能力 (2)有极强的消化能力 (3)有极强的繁殖能力
10 Use of Microorganisms • Positive（益处） – Biomass – Production – Conversion • Negative（危害） – Pathogens – Spoilage
10 Use of Microorganisms • Positive（益处） – Biomass – Production – Conversion • Negative（危害） – Pathogens – Spoilage