发酵工艺学讲稿2016
发酵、酿造工艺实验讲义
第六部分发酵、酿造工艺实验第一篇发酵工程设备发酵工程设备实验项目及其各专业必修、选修表第二篇酿造工艺学实验酿造工艺学实验项目及其各专业必修、选修表第一篇发酵工程设备实验一小型生物反应器的安装与拆卸机械搅拌式生物反应器，又称发酵罐，是生物工程设备的重要组成部分，在微生物工程、酶工程、细胞工程（细胞培养）、基因工程（基因工程菌）等科学研究领域，生物反应器均为生物技术转化为产品必要的设备。
由于小型生物反应器进料、出料、清洗、电极校正等过程都不同于大型发酵罐，需要拆卸之后进行，因此熟悉生物反应器结构及安装与拆卸操作是正确使用反应器的前提。
一、实验目的掌握生物反应器安装和拆卸的操作规程，认识和了解生物反应器的结构与功能。
二、基本原理生物反应器装置分两大部分：1.罐体及内部的各传感器、检测电极；2.罐外检测控制装置，蒸汽及无菌空气系统。
反应器罐体具有可卸上盖，与罐体是通过橡皮垫圈和螺栓密封。
盖上设有接种口、空气进口、尾气出口、各种检测仪表的插孔、温度传感器及溶氧电极和pH电极插口、消泡剂和酸碱液注入口、取样口、备用口、压力表、安全阀等；罐底部设有夹套层，用以热交换，罐内有搅拌桨叶、档板、空气分布器；罐外：连接各种传感器及电极相应的控制器，可以自动地调控试验所需的培养条件；连接无菌空气系统，并配备一台自动调控装置；连接蒸汽发生器，供灭菌使用。
三、实验装置3 L园柱形机械搅拌式生物反应器图1 机械通风式搅拌生物反应器四、实验步骤1. 首先断开所有电源。
2. 卸下可移动的所有检测电极和探头。
3. 拧下螺栓，打开上盖，检查培养罐内部是否清洗干净。
4. 插入校正完毕的pH电极和氧电极于罐侧面相关位置，并与放大器连接。
5. 加入配置好的培养液，加盖（由于盖上的零件较多，必须对准位置后再盖上去），并对称拧紧螺母，直至上盖被密封固定。
6. 将事先清洗干净并开启的尾气过滤器装于盖上，安装安全阀、泡沫传感器、观察灯、压力计、取样管，以及灭过菌的无菌空气过滤器进气管等，剩余的孔洞须用硅胶塞和瞎塞拧紧备用。
发酵工艺学课件
按产品类型分
1、以微生物细胞为产品的发酵工业 2、以微生物代谢产物为产品的发酵工业 3、以微生物酶为产品的发酵工业 4、生物转化或修饰化合物的发酵工业 5、微生物废水处理和其他
六、发酵工业特征
发酵过程中离不开微生物的作用 1、发酵原料的选择及预处理
4.易受污染：由于发酵培养基营养丰富，各种来源的微生物 都很容易生长，发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。
5.代谢多样：由于各种各样生物体代谢方式、代谢过程的多样 化，以及生物体化学反应的高度选择性，能够专一性地和 高度选择性地对复杂的化合物进行特定部位的氧化、还原 等反应；也能容易地产生比较复杂的高分子化合物（如酶 等）。
➢ 利用微生物消除环境污染 ➢ 利用微生物发酵保持生态平衡，如生物固氮肥料，生物杀
虫剂等。 ➢ 微生物湿法冶金，如细菌浸矿，即利用细菌对矿物或矿石
中有用的金属浸出回收的过程。细菌浸出的金属有Cu、U 、Co、Ni、Mn、Zn、Pb等10余种，但大规模生产的只有 铜和铀。 ➢ 利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域。
Protein engineering) 基因工程 ( Genetic engineering) 细胞工程 ( Cell engineering ) 2. 生物工程中其他技术产业化表达的重要手段 基因工程菌 动植物细胞培养 3. 生命科学研究的对象或载体
自相 成互 体渗 系透
➢ 基因工程 ➢ 细胞工程 ➢ 酶工程 ➢ 发酵工程
在化学工业和环境保护等方面，发酵工程能发挥独持的作用
如：利用微生物来处理工业废水或含毒废液，乃至构建超级细菌，处理大 面积的海面石油污染等。
喷洒工程菌清除石油污染
发酵工程专题知识讲座
式中dN/dL单位滤层所除去旳微粒数（个/cm）； L—滤床厚度（m）；K—过滤常数或除菌常数（m－1）。
20.2.1 对数穿透定理
将上式整顿并积分得：
或
第20章 空气除菌设备
在发酵产品旳生产中，好氧微生物旳培养占绝大多 数。一般以空气作为氧源，自然空气中具有灰尘颗粒、 水蒸气上附着有多种杂菌。空气旳除菌是好氧发酵成败 旳一种主要环节。
除菌旳措施诸多，如过滤除菌、热灭菌、化学灭菌 和辐射灭菌等。实上应用旳除菌措施往往是几种措施旳 结合。
过滤除菌是发酵工业中经济实用旳空气除菌措施， 此措施是采用定时灭菌旳介质来阻截空气中旳微生物， 以取得无菌空气。常用旳过滤介质有棉花、活性炭、玻 璃纤维、有机和无机烧结材料（烧结金属、烧结陶瓷、 烧结塑料）等。
1.压缩空气旳温升 空气旳压缩过程能够近似地看作绝热压缩过程，压
缩后旳空气温度与被压缩旳程度有关：
式中：T1，T2－压缩前、后空气旳热力学温度（K）； p1，p2—压缩前、后空气旳绝对压强（Pa）；k－绝热 指数，空气为1.4。
若压缩为多变过程，则可用多变指数m（对于空气可 取1.2～1.3)替代式(20-26）中旳绝热指数k。
在介质过滤中，这些带电荷旳微生物可被具有相反 电荷旳纤维介质所吸引，另外也可能是纤维介质被流动 旳带电荷旳粒子所感应，产生相反旳电荷而将粒子吸引。
其他辅助作用
20.1.3布朗扩散作用 直径不不小于1μm旳微粒在很慢旳气流中能产生一种
不规则旳直线运动，称之为布朗扩散。其效果往往使较 小旳微粒凝集为较大旳微粒，大大增长了微粒与纤维旳 接触滞留机会。随之或发生重力沉降或被介质所拦截。
发酵工艺学
发酵工艺学
1 发酵工艺
发酵工艺是生物酶催化分解促进有机物质代谢转化，进而获得生
物产物的过程，它作为生物化工的一种重要的科学技术，能够深入研
究和利用有机物的获取、开发新技术新产品。
发酵技术应用于食品、
医药和农业等多个行业，是一种快速且有效的工艺方法。
2 发酵工艺的历史沿革
早在两千多年前，发酵工艺已经被开发了出来，例如中国发明发
酵制酒，发酵工艺在民间就普及了出来，发酵工艺就是以微生物或酶
为工具，将有机物质经分解反应后获得新的有机物质；而在现代，发
酵工艺的发展也是越来越快，已得到了广泛的应用。
3 发酵工艺的重要性
发酵工艺在各个行业中的应用不一而足，如在食品行业，发酵工
艺可以获得糖，酒精和酱料等；在医药行业，可以获得药物，如抗生素、抗菌药；在农业行业，可以获得肥料和植物保护液；在行业等中，可以获得生物酶和酸性抗性等等，可以看出发酵工艺的重要性。
4 发酵工艺学
发酵工艺学是研究发酵技术的科学，其研究的内容包括发酵生物
的研究、发酵技术的基本原理、发酵过程及其实验技术、发酵设备的
设计制造和实际操作等。
发酵的原理和发酵工艺的制备技术是发酵工
艺学的核心，它关注的是发酵培养液的物理化学性质，发酵循环条件的优化等。
从上面可以看出，发酵工艺和发酵工艺学把食品、医药、农业等多个行业联系到了一起，使得发酵技术成为了社会更大发展的重要保障，而发酵工艺学也变得日益重要。
发酵工艺基本原理课件
发酵过程的控制
温度控制
温度是影响微生物生长和代谢的重要 因素，通过调节温度可以控制发酵过 程。
pH控制
pH对微生物的生长和产物合成有重 要影响，通过添加酸或碱来调节pH 。
溶氧控制
某些微生物在发酵过程中需要充足的 溶氧，通过控制通气速率和搅拌速率 来满足。
泡沫控制
通过添加消泡剂或调节搅拌速率来控 制发酵过程中的泡沫。
03
02
医药工业
用于生产抗生素、维生素等药品。
环境治理
用于处理废水、废气等污染物，实 现环保和资源化利用。
04
02
发酵微生物
发酵微生物的种类
01
02
03
细菌
如乳酸菌、醋酸菌等，是 发酵工业中应用最早、最 广泛的微生物。
霉菌
如曲霉、根霉等，能够产 生丰富赤酵母等 ，主要用于酒精发酵和面 包制作。
发酵产物的提取和精制
提取
根据发酵产物的性质和溶解度，采用 不同的提取方法，如溶剂萃取、沉淀 法、吸附法等。
精制
通过物理或化学的方法，去除杂质， 提高发酵产物的纯度和质量。常见的 精制方法有结晶、离子交换、色谱分 离等。
发酵产物的应用
食品工业
如酒精饮料、面包、酸奶 等食品的制造。
农业
如植物生长调节剂、生物 农药等的生产。
厌氧发酵罐
专为厌氧发酵设计，具有严格密封和搅拌装 置，以维持厌氧环境。
发酵设备的选择
根据发酵工艺要求
不同的发酵工艺需要不同类型的设备，选择 时应考虑工艺的特殊要求。
设备材质与耐腐蚀性
选择耐腐蚀、耐高温、耐压的材质，以确保 设备的长期稳定运行。
设备容量与生产规模相适应
确保设备容量与生产规模相匹配，避免浪费 或不足。
发酵工程 讲稿
发酵工程讲稿今天本组所讲的内容是发酵工程，接下来我将从以下四个方面来向大家介绍发酵工程的相关内容。
首先让我们一起来了解一下什么叫发酵工程。
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，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。
微生物是发酵工程的灵魂，所以发酵工程又叫微生物发酵工程，近年来，对于发酵工程的生物学属性的认识愈益明朗化，发酵工程正在走近科学，发酵工程最基本的原理是发酵工程的生物学原理。
接下来是发酵工程的基本步骤，发酵工程的基本步骤主要由以下五个方面组成，菌种的选育，培养基的配制，接种和扩大培养，生产活性的诱导，还有产品的分离与提纯。
这是发酵工程的基本流程概念图。
在操作发酵的基本步骤时有以下四方面是值得我们注意和思考的，一、菌体的选育有两种方式，一种是自然选育，一种是诱变育种，其中诱变育种以其操作简便、速度快和收效大的优点，成为沿用至今的一种重要的、广泛应用的微生物育种方法。
二、在配置培养基时所用的原料有碳源，氮源，生长因子，无机盐和水。
要遵循的原则是目的要明确，营养要协调，PH要适宜。
三、发酵过程中不能有杂菌污染，不仅要对培养基进行灭菌，还要对发酵装置进行灭菌，通入的空气也要进行灭菌。
灭菌不仅要杀死杂菌细胞，还要杀死芽孢和孢子。
四、发酵过程是发酵的中心阶段，其关键是控制发酵的条件，如温度，pH，溶氧，通气量与转速等。
另外，发酵工程的基本步骤还有这样一种分配方式，他们分别被称为上游工程，中游工程，和下游工程。
下面我们就一起来了解一下其主要内容。
上游工程包括优良种株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶氧和营养组成）的确定，营养物的准备等。
中游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。
这里要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；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；还有种子培养和生产培养的不同的工艺技术。
第一章发酵工艺学概述
发酵工艺技术教材
发酵工艺技术教材发酵工艺技术教材第一章引言1.1 发酵的定义和概述发酵是一种利用微生物（如细菌、真菌、酵母等）进行有机物质转化的过程。
本章将介绍发酵的定义、发酵的基本原理以及发酵在食品、药品和化工等领域的应用。
1.2 发酵工艺的基本要素发酵工艺包括基质选择、微生物菌种的选取和培养、发酵条件的控制等要素。
本节将介绍影响发酵工艺的基本要素，并讨论如何合理选择和优化这些要素。
第二章发酵基质的选择2.1 发酵基质的定义和作用发酵基质是指提供微生物生长和代谢所需的能量、碳源和营养物质的物质。
本章将介绍发酵基质的定义和作用，以及选择合适的发酵基质的方法和注意事项。
2.2 常用发酵基质的分类和特点常用的发酵基质包括碳水化合物、蛋白质和脂类等。
本节将介绍这些基质的分类、特点和适用范围，以及影响基质选择的因素。
第三章微生物菌种的选取和培养3.1 微生物菌种的分类和选择微生物菌种的选择是发酵工艺成功实施的关键。
本章将介绍微生物菌种的分类和选择原则，以及常用菌种的特点和应用。
3.2 菌种的培养和保存本节将介绍如何进行微生物菌种的培养和保存，包括菌种的培养基选择、菌液的传代和菌株的保存方法等。
第四章发酵条件的控制4.1 温度的控制温度是影响发酵过程的重要因素之一。
本章将介绍发酵过程中温度的选择和控制方法，以及温度对微生物生长和产物生成的影响。
4.2 pH值的控制pH值是另一个重要的发酵条件。
本节将介绍pH值的测定和调节方法，以及不同pH值对发酵过程的影响。
4.3 氧气的供应和控制氧气供应是某些发酵过程所必需的，而对于其他发酵过程则需进行氧气的控制。
本节将介绍氧气的供应方式和控制方法，以及氧气对发酵的影响。
第五章发酵过程的监测和分析5.1 发酵过程的监测方法本章将介绍发酵过程中常用的监测方法，包括菌体生长曲线的测定、产物浓度的测定以及副产物和废物的测定等。
5.2 发酵产物的分析方法发酵产物的分析可以帮助评估发酵过程的效果和优化工艺条件。
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倪孟祥 张艳锋
生命科学与技术学院 微生物制药教研室 Email:nimx_2000@ wechat：xiangm2013 2016.2
一、教材： 夏焕章 主编 《发酵工 艺学》
二、参考书以及文献： 生物工艺学：储炬主编。 生物工程学报 食品与发酵工业 中国抗生素杂志 微生物学学报 应用微生物学杂志 Bioengineering and Biotechnology
（3）两个代谢途径中所涉及的酶不完全相同 （4）都受到菌体代谢的调节，相互交错。
2.遗传代谢 （1）都受到核内遗传物质DNA 的调节控制
（2）次级代谢产物还受到与初级代谢产物合 成无关的遗传物质的控制。
第一节 微生物初级代谢产物的 生物合成与调控
一、 微生物生物合成的初级代谢产物
发酵工程的重大转折点
二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青霉素的发现，迅速形成 工业大规摸生产。
Байду номын сангаас
1928年由 Fleming发现青霉素
1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究
表面培养：1升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦麸培养基 ─── 40u/ml 1943年沉浸培养： 5m3 ─── 200u/ml
两类代谢产物： 初级代谢产物 次级代谢产物
初级代谢和次级代谢的关系： 1.生化代谢 （1）具有一个共同的中间体
（2）次级代谢产物很多是以初级代谢产物为 母体衍生来的
葡萄糖碳架掺入途径：链霉素、卡那 霉素 莽草酸途 径： 氯霉素、新生霉素 与核苷有关的途 径： 杀结核菌素 聚酮体和聚丙酸途径：四环素、制霉 菌素、灰黄霉素 由氨基酸衍生的途径：青霉素、头孢 菌素 甲羟戊酸途 径：赤霉素 其他复合途 径：博雷霉素、大环内酯类
弗莱明的发现，至少需有下述三方面的条件作保障。
1、来源不明的青霉菌孢子落入葡萄球菌培养基中。 2、弗莱明未将培养基放在37摄氏度的温箱中，也未清洗， 而是放置在室温下。
3、天气的配合。当年的气温记录显示，恰好在7月28至8月 10，伦敦有一段十分难得的凉爽天气，极其适合青霉菌先 行生长成熟，并产生了青霉素。而8月10号以后，气温则明 显升高有利于葡萄球菌快速生长，以至于发生了溶菌现象。
什么状态？能起何种作用？又面临那些课题？
这是人们所关注的问题！
小结
1.发酵的定义，发酵工业的范畴 2.生物工程和生物技术的特点 3.生物反应过程的 一般特点 4.发酵工程的 发展简史 5.发酵过程的一般方法
本课程的学习内容
通过《发酵工艺学》的学习，将技术基础课和专业课与
发酵工业的操作原理结合起来，了解发酵工业控制的特性 及共性，并且熟悉发酵工业的工艺流程及常用术语，为今
当今：100m3─200m3 ─── 5-10万u/ml
链霉素、金霉素、新霉索、红霉素
主要的技术进展：
通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。
抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养 基灭菌、无污 染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。
意义：
抗生素工业的发展
建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法
推动了整个发酵工业的深入发展 为现代发酵工程奠定了基础
大型发酵罐 搅拌装置
180M3发酵罐车间
大型空气压缩机
发酵车间的空气过滤器
动物细胞反应器
20世纪70年代
细胞融合技术、基因操作技术等生物技术发展， 打破了生物种间障碍，能定向地制造出新的有用 的微生物：
增加微生物体内控制代谢产物产量的基因拷贝数，可以大 幅度地提高目标产物的产量 将动、植物或某些微生物特有产物的控制基因植入细胞中， 快速经济地大量生产这些产物 将具有不同性能的多种质粒植入，使新菌株在清除污染或 以非粮食物质为原料进行发酵生产或环境保护
（1）分解代谢物调节：葡萄糖效应 （2）反馈阻遏： 单一终产物阻遏、多价阻 遏、累加阻遏
3.酶合成诱导及阻遏的调节机制： 操纵子学说 4.分解代谢产物阻遏机制
（二）酶活性的调节 1.酶活性的激活
2.酶活性的抑制 包括：竞争性抑制和反馈抑制。
反馈抑制：
（1）协同反馈抑制 （2）累积反馈抑制 （3）增效反馈抑制 （4）顺序反馈抑制 （5）同功酶调节
三、生物技术的发展简史
1 传统（古老）的生物技术 2 第一代（初期）生物技术产品的出现：19世纪 末--------20世纪30年代 3 第二代（近代）生物技术产品的发展：20世纪 40年代 4 第三代（现代）生物技术产品的出现
简历 亚历山大· 弗莱明（Alexander Fleming，1881.8.6 - 1955.3.11），英国微生物学家。 1881年8月6日出生于苏格兰基马尔诺克附近的洛克菲尔德。 13岁时随其兄（开业医师）去伦敦做工，由于意外地得到姑父的一笔遗产，进 入伦敦大学圣玛丽医学院学习，1906年毕业后留在母校的研究室，帮助其师赖 特博士进行免疫学研究。 1918年弗莱明返回圣玛丽医学院，加紧进行细菌的研究工作。1922年他发现了 一种叫“溶菌酶”的物质，发表了《皮肤组织和分泌物中所发现的奇特细菌》 的报告。 1929年弗莱明在《不列颠实验病理学杂志》上，发表了《关于霉菌培养的杀菌 作用》的研究论文，但未被人们引起注意。弗莱明指出，青霉素将会有重要的 用途，但他自己无法发明一种提纯青霉素的技术，致使此药十几年一直未得以 使用。 1939年，在英国的澳大利亚人瓦尔特· 弗洛里（1898—1968）和德国出生的鲍利 斯· 钱恩（1906—1979），重复了弗莱明的工作，证实了他的结果，然后提纯了 青霉素，1941年给病人使用成功。在英美政府的鼓励下，很快找到大规模生产 青霉素的方法，1944年英美公开在医疗中使用，1945年以后，青霉素遍及全世 界。1945年，弗莱明、弗洛里和钱恩共获诺贝尔生理学及医学奖。 签名 签名 1943年弗莱明成为英国皇家学会院士，1944年被赐于爵士。1915年弗莱明结婚， 儿子是个普通的医生，夫人于1949年去世。1953年再次结婚。1955年3月11日与 世长逝，安葬在圣保罗大教堂。匈牙利1981年发行了弗莱明诞生100周年的纪念 邮票。
现代生物技术： 以基因工程为主导，发酵工程为中心，
加上酶工程、细胞工程、蛋白质工程 等的一个综合体系。
主要包括：重组DNA
技术、原生质体 技术、突变生物合成、组合生物合成、 单克隆抗体、组织培养技术。
具体： 开发新产品、 改造现有生产菌种、 代谢途径工程、 生物转化、 诊断药物的研制及治疗药物的研制、 基因治疗、 转基因动物和转基因植物等。
3 生物化学工程（biochemical engineering） 运用化学工程的原理和方法，对实 验室所取得的生物技术成果加以开 发，使之成为生物反应过程的一门 学科。
生物技术工程
基因工程
细胞工程
酶工程
发酵工程
产物 产品
产品
发 酵 工 程 ──
利用微生物进行产品生产
传统生物技术
抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、 有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、 生物农药、生物肥料等
现代生物技术 基因工程菌发酵
基因工程药物、疫苗及抗体产品
医药、轻工、食品、农业、环保、能源等行业
化学工程
生物化工
生物加工行业
二、生物反应过程的特点 生物反应过程：（1）原材料的预处理 （2）生物催化剂的制备 (3 ) 生物反应器及反应条件 的选择 （4） 产物的分离纯化 特点 （1）常温、常压 （2）原料来源丰富、价廉 （3) 生产设备简单 (4) 酶反应过程和发酵过程各具特 点。
四、发酵以及发酵工业的范畴
1.发酵（fermentation） 原始定义
现代含义： 是指利用培养微生物来制得产物的需氧 或厌氧的任何过程。
2.发酵工业的范畴 （1）微生物菌体发酵 （2）微生物酶的生产 （3）微生物代谢产物发酵：初级代谢产物 和次级代谢产物 （4）微生物转化发酵 （5）工程菌发酵 （6）动植物细胞发酵
特点：
（1）多学科、综合性的科学技术
（2）有生物催化剂的参与
目的：是建立工业生产过程或进行社会服务。
生物技术的多学科性 生物学、化学、工程学、医学、药学、农 学等。
生物学
生化 生物工程
化 学
生物技术
化 学 工 程
工程学
2 生物工程（bioengineering）
一般是指医学工程、环境工程、卫生 工程、农业工程、仿生工程、人体功 能工程等的总称。 物理过程与生物学的结合。
细胞大规模培养技术
细胞大规模培养 ── 微生物、动植物细 胞、藻类细胞等 细胞代谢产物、生物转化、酶、基因表达 产物和基因质粒等
占生物技术产品的40%以上，达1OOO亿美元。
发酵工程产业化发展
目前，全球发酵产品的年销售额在400亿美元左右，并以每 年约7％～8％的速率增长。 我国发酵行业生产企业有5000多家，主要发酵产品的年产 值高达1300亿元。 发酵工程技术给人类社会生产力的发展带来了巨大的潜力
涉及到解决人类所面临的食品与营养、健康与环境、 资源与能源等重大问题
21世纪是生物技术世纪
未来学家说：21世纪是生物技术世纪； 科学家预言： 21世纪世界即将在生物技术上取得 重大突破，新世纪之初，科学方面的主要将在生物 学、遗传学和医学、新型生物材料、能源、环境保 护上有所突破；