第六章 发酵工程 Fermentation Engineering
1 第六章 发 酵 工 程 Fermentation Engineering
第一节发 酵工程 ● 发酵己经从过去简单的生产酒精类饮抖、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
2 第一节发 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
Fermentation engineering 发酵工程组成 上游工程 从广义上讲，由三部分组成： 上游工程、发酵工程、下游工程 UPSTREAM PROCESSES 下游工程 FERMENTATION DOWNSTREAM Process Control PROCESSES 3
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
Fermentation engineering 上游工程 UPSTREAM PROCESSES genetics,cell .. Inoculum development media formulation -sterilization(灭菌) -Inoculation(接种) FERMENTATION Process Control
4 UPSTREAM PROCESSES - genetics, cell … - Inoculum development - media formulation - sterilization（灭菌） - Inoculation（接种） FERMENTATION Process Control 上游工程 Fermentation engineering
Fermentation engineering 下游工程 DOWNSTREAM PROCESSES product extraction,purification assay waste treatment FERMENTATION Process Control -by product recovery The ratio of recovery to fermentation costs for L-asparaginase:3.0 ethanol:0.16 5
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
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 ()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抖和发 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科速 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
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
(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
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
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
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
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： ()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
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
Use of Microorganisms Positive(益处) Biomass(生物量) Production Conversion Negative(危害) Pathogens(病原体) - Spoilage(废物) 10
10 Use of Microorganisms • Positive（益处） – Biomass（生物量） – Production – Conversion • Negative（危害） – Pathogens（病原体） – Spoilage（废物）