发酵工艺学第一章绪论详解
食品发酵与酿造工艺学
食品发酵与酿造工艺学第一章绪论1、什么是发酵和酿造，发酵与酿造有何特点？发酵是指微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备生物菌体或其代谢产物的过程；酿造是指把成分复杂、风味要求较高的辅食佐餐调味品的生产。
发酵与酿造的特点：安全简单、原料广泛、反应专一、代谢多样、易受污染和菌种选育2、发酵与酿造发展的历程（三代五个转折）第一代微生物发酵技术——纯种发酵的建立为发酵工业的第一个转折点；第二代微生物发酵技术——深层培养技术中的通气搅拌技术为发酵技术进步的第二个转折点，代谢控制发酵技术则为发酵技术发展的第三个转折点，期间还实现了微生物对化合物的转化，发酵原料的转变成了发酵技术的第四个转折期；第三代微生物发酵技术——基因工程菌的构建发展成了发酵工程的第五个转折点。
第二章菌种选育、保藏与复壮1、生产菌为什么会发生退化，如何防止？生产菌发生退化的原因有：有关基因的自发突变，育种后未经很好的分离纯化，培养条件的改变和污染杂菌的影响防止退化的措施：（1）控制传代次数，降低自发突变的几率（2）创造良好的培养条件（3）利用不易衰退的细胞传代（4）采用有效的保藏方法（5）经常进行分离纯化2、常用的菌种保藏方法、原理及其适合的对象。
菌种保藏的要求：不死、不衰、不污染，不降低生产性能菌种保藏的基本原理：根据微生物的生理、生化特点，选用优良菌株，最好是它们的休眠体，人工地创造适合于休眠的环境条件，即干燥、低温、缺乏氧气和养料等，使微生物的代谢活动处于最低的状态但又不至于死亡，从而达到保藏的目的。
常用的菌种保藏方法：斜面冰箱保藏法，此法一般可保藏3个月左右，适合于各种菌进行保藏半固体穿刺保藏法，此法可保藏半年左右，适用于细菌、酵母的菌种保藏石蜡油可封存法，可保藏三年左右，适用于各类菌种的保藏砂土管保藏法，可保藏1至数年，适用于产生孢子的微生物的保藏冷冻干燥保藏法，一般可保藏五年以上，适合于各大类微生物的保藏第四章发酵与酿造工程学基础及设备1、种子扩大培养、对数残存定律、最适稀释率、临界稀释率、CO2效应、菌体的生长比速、维持消耗、倍增时间、发酵热。
发酵工艺原理讲稿2007
发酵工艺原理讲稿2007第一章绪论第一节生物工程概述生物工程的含义bioengineering\biotechnology狭义的生物工程：泛指以基因工程技术为核心的现代生物技术的总称广义的生物工程1982年，国际经济合作与发展组织的定义：为生物技术是应用生物学知识及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加工以提供产品为社会服务的技术。
生物工程的研究内容：基因工程：基因工程是通过DNA重组技术,对生物材料进行改良,构建出新型的微生物菌株、培育出新的动植物品种, 使其具有优良的符合人们意愿的性状，或获得所需要的产物。
细胞工程：高等植物细胞具有全能性。
从高等植物的幼胚、根、茎、叶、花和果实等不同器官的组织中分离的单个细胞，经过特殊培养形成愈伤组织，并可进一步诱导生成完整的植株。
发酵工程：现代发酵工程主要指利用微生物、动植物细胞和基因工程菌在在人工生物反应器（发酵罐）中培养而获得产物的工业过程。
现代发酵工程是生物代谢、微生物生长动力学、大型发酵罐或生物反应器研制、化工原理等密切结合和应用的结果。
酶工程：对酶进行开发和应用的产业。
技术范围：自然酶的开发生产、酶的分离纯化技术、酶与细胞的固定化技术及反应器、酶分子修饰改造:利用化学手段或分子定向进化、人工设计与合成模拟酶生化工程：将生化反应与化学工程手段相结合，使生化产物得以产业化生产。
研究内容：生物产品的后处理技术、生物反应器的开发研制、生化反应动力学模型发酵工程与生物工程的关系：生物工程源于发酵工程，而广于和高于发酵工程。
由于发酵工程是迄今工业化规模最大、应用最广泛的生物工程，因而也是生物工程专业最重要的学习对象。
生物工程是以现代生物技术对传统发酵工程进行渗透和改造。
第二节发酵工程概述一、发酵的定义（fermentation）1、原始发酵含义最初发酵是用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气泡的现象，或者是指酒的生产过程。
2、生化和生理学意义的发酵n指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量的一种方式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。
第一章绪论
第一章 绪论发酵工程 ：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， 有用的产品的一种新技术。
发酵工程是生物技术的重要组成部分，是生物技术产业化的重要技术基础。
应用遍及轻工、食品、化工、能源、环保、农业、医药等国民经济诸多领域 发酵工程组成 从广义上讲，由三部分组成： 一、何为发酵？是利用微生物或其他生物细胞 （动、植物细胞） 的培养， 产生和积累人们所需产品的过程。
二、发酵工业的发展史1. 天然发酵阶段（ 19 世纪以前） 特点 1. 手工作坊或家庭式生产2. 非纯种培养3. 产品质量不稳定4. 凭经验传授技术5.一般为嫌气发酵 17 世纪后叶，列文虎克发明显微镜，首次观察到大量的微生物 19 世纪中叶，巴斯德（微生物学之父 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。
”），发酵是微生物作用的结果，认识了发酵的生理学意义19 世纪后期，柯赫（细菌学之父） ，建立了单种微生物分离和纯培养技术，利用控制特定 微生物发酵生产特定产品2.纯培养技术的建立（ 1905-1940 年 ） 在一次大战时，魏兹曼开拓了丁醇丙酮发酵，并建立了真正的无杂菌发酵。
特点表面培养 生产过程简单，对设备要求不高 生产规模不大 嫌气或好气发酵 3.深层发酵阶段（ 1940 年以后）1943 年，在发酵罐中采用通气搅拌的深层培养法生产青霉素。
青霉素发酵技术成功地建立起深层通气培养法和一套培养技术（包括通无菌空气，搅拌，培养基灭菌和无 菌接种等） 使微生物在培养过程中的温度、pH 、通气量、营养物的供给都受到了严格的控制，厌氧一-好氧，导致一大批新产品的开发这些都为以后的发酵工业提供了新的概念和模型，成为当代发酵工业兴旺发达的开端 4. 开拓发酵原料（1960年以后）60年代，为了解决由于人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 主要产品为微生物蛋白质（单细胞蛋白 SCP ）特点机械搅拌发酵罐的容积已经从第三阶段时的 80M 3扩大到150M 3 o以烃为碳源生产微生物细胞作为饲料蛋白质的来源 5. 基因工程阶段（1979年以后）这个阶段以基因工程产品的生产为标志。
第1章发酵工艺学绪论
第1章发酵工艺学绪论。
第一章绪论主讲内容：发酵工艺学的基本概念微生物工业发酵的历史及发展方向§1-1发酵工艺学的基本概念一、发酵工业的基本概念微生物学中的发酵的定义：微生物发酵工业的概念：1.发酵工业生产的基本模式讲述生物工业的基本生产模式，引出生物技术、生物工程的概念，讲述两者之间的区别与联系2.发酵工业的分类酿酒业（啤酒、葡萄酒、白酒……）。
厌氧发酵调味品（酱油、醋）。
酵母工业——自然发酵。
氨基酸发酵——典型的代谢控制发酵。
抗菌素发酵——次级代谢控制发酵。
酶制剂工业——具有重要的意义，是工业发展的基础、科学研究的基础有机酸工业—柠檬酸、葡萄酸、乳酸、琥珀酸等。
石油发酵——降低石油熔点（石油脱腊）有机溶剂工业——乙醇、丙醇等好氧发酵维生素发酵——VC、VB2生理活性物质——白介——2环境工业——废水的生物处理，废弃物的生物降解二、微生物发酵的基本特征1.微生物发酵过程是一个典型的化工过程由于微生物生理特性决定了微生物在发酵过程中需要稳定的环境、特殊的条件以及以氧作为底物的供给，这些多涉及到化工生产的一下领域：（1）质量的传递——氧的供给、代谢物的排泄等（2）热量的传递——微生物呼吸产热，微生物生长于代谢需要稳定的而严格的温度条件。
（3）动量的传递——涉及到搅拌轴功率的计算，他与溶氧、气液混合的关系（4）微生物的反应工程——涉及到微生物的生长动力学模型的建立，产物生成动力学模型的建立。
2.微生物发酵过程是一个典型的代谢控制发酵从微生物发酵的历史角度看，最早的微生物发酵是一个自然发酵过程，现代微生物工业通常是指微生物的代谢控制发酵？定义：是指利用生物的、物理的、化学的方法，人为的改变了微生物的生长代谢途径，使之合成、积累、分泌我们所需要的产品的过程。
以GA发酵为例，建树微生物代谢控制发酵的意义。
3.微生物发酵工业又是一个有别于化工过程的一个工业有以下几个特征：（1）反应条件温和通常由于微生物的生理特性，要求温度为30℃-40℃pH值中性偏酸性——酵母、霉菌、放线菌等pH值中性偏碱性——细菌的发酵（2）无菌发酵整个反应过程要求无菌：培养基无菌、空气无菌、补料和取样要求无菌操作、某些工程菌，其尾气也要求进行无菌处理。
发酵工艺学ppt课件
● 起免疫抑制作用的抗生素：环孢菌素A等
(2)、氨基酸 (3)、维生素：VB2、VB12、VC、VA的前体 (4)、甾体激素：可的松、泼尼松、肤轻松、确氨舒松等
(5)、生物制品：各种疫苗、类毒素等 (6)、治疗用酶：蛋白酶、核酸酶、尿激酶、SOD等 (7)、酶抑制剂：
(8)、其他：核酸类药物如：肌苷、辅酶A、AMP、ATP、FAD
2、纯培养技术的建立---第一个转折期 奠基人：安东尼.列文虎克、巴斯德、柯赫等
本时期产品：酵母、酒精、丙酮、有机酸、酶制剂等，主要 为厌氧发酵和表面术的建立---第二个转折期 1928年英国细菌学家弗莱明发现点青霉可产抑制葡萄球菌 的青霉素。1945年大规模生产，采用深层培养技术。 链霉 素、氯霉素、金霉素、土霉素、四环素等出现其他发酵产品 也相继出现 本时期产品：抗生素类、氨基酸类、酶制剂类
用于选择性分离放线菌的几种培养基 培养基 含胶态几丁质、矿物盐 基质减半的营养琼脂培养基 葡萄糖、天冬酰胺、 占优势的菌株 链霉菌属、微单孢菌属 嗜热放线菌 马杜拉放线菌、小双孢菌 含
2、分离不同产物的微生物采用不同的培养基 分离各种酶类、分离固氮菌 3、恒化式富集培养技术
三、菌种的分离 (一)、选择性压力分离法 选择性压力分离法：利用不同微生物生长繁殖对环境及营养 的要求不同，如：温度、pH、渗透压、氧气、碳源、氮源及 其他特殊条件，使其利于某类或某种微生物的生长而不利于 其他种类微生物的生存，以使目的菌占优势而得以分离出来 的方法。 1、分离不同微生物采用不同的培养基或培养条件
1960~1970
1970~1980 1980~
4、人工诱变育种、基因工程菌---第三个转折期
● 核苷酸、有机酸及部分抗生素用诱变育种的方法使产量大幅度
1传统发酵食品工艺学绪论
2.1 发酵食品中的细菌
醋
细菌发酵
乳制品 风干肠 腐乳 纳豆
发酵蔬菜 鱼制品
主要涉及细菌： 醋酸杆菌、乳酸菌、小球菌、芽 孢杆菌、耐盐杆菌等；
2.2 发酵食品中的霉菌
发酵豆制品 霉菌发酵 酒类
大曲酒 小曲酒 黄酒
腐乳 豆豉 酱 酱油 丹贝 日本豆酱
常用菌：毛霉、曲霉、根霉等；
2.3 发酵食品中的酵母菌
四、传统发酵食品的发展现状
我国是白酒生产和消费大国；
2014年上半年，我国白酒行业销售收入为2500亿元，同比增 长5.85%，行业实现利润总额为347.71亿元，同比下降 12.14%； 2014年上半年，我国白酒排名前5省区分别为： 四川省17.86亿升， 山东省5.37亿升， 河南省4.87亿升， 江苏省4.23亿升， 黑龙江省2.27亿升。共计占全国总产量的56.48%。
第三个转折点——人工诱变育种和代谢控制发酵工程技术的 建立； 以动态生物化学和遗传学为基础，将微生物进行人工诱变， 选育高产菌株，实现有选择地大量生产目的产物。 该技术先在氨基酸生产上获得成功，而后在核苷酸、有机酸、 抗生素等其它产品中得到应用。 第四个转折点——将化学合成与微生物发酵相结合，发酵动 力学、发酵的连续化自动化工程技术的建立 针对单纯发酵法的缺陷，利用发酵法生产前体，用化学合成 法得到终产品或反之。 发酵罐的大型化、多样化、连续化和自动化方面。发酵过程 的基本参数包括T、pH、罐压、溶O2 、Eh、空气流量、泡 沫、CO2含量等均可自动记录和控制。（在线测试探头等）
彻底否定了自然发生说 证实发酵由微生物引起 免疫学—预防接种
发明巴氏消毒灭菌法
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罗伯特 科赫（Robert Koch） (1843-1910) 细菌学奠基人
第一章 绪论02(发酵工艺学 夏焕章 第三版)
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一、发展简史
现代发酵工业阶段
20世纪70年代以后，基因工程、细胞工程等生物工程
技术的开发，使发酵工程进入了定向育种的新阶段，新产 品层出不穷。 20世纪80年代以来，随着学科之间的不断交叉和渗透， 微生物学家开始用数学、动力学、化工工程原理、计算机
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技术对发酵过程进行综合研究，使得对发酵过程的控制更
和控制。
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二、重要发酵技术的建立
发酵放大技术
20世纪60年代，发酵罐的大型化、多样化、连续化和自动化 方面有了极大发展。发酵过程的基本参数包括温度、pH、罐 压、溶 O2 、空气流量、泡沫、 CO2 含量等均可自动记录和控 制。
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二、重要发酵技术的建立
基因工程等多种技术引入发酵
绪 论
重要发酵技术
22抗生素
发酵生产的药物
酶抑制剂 免疫抑制剂 维生素 氨基酸 22
思考题
1．发酵和发酵工程的的基本含义是什么？ 2．发酵的发展过程建立了那些重要的技术？ 3．发酵生产的主要药物类型有哪些？
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1979年以后，随着基因重组技术的出现，促进了重组微生物
（工程菌）的产生，并打破了传统的生物反应器的概念。 基因工程技术，简而言之，就是采用酶学的方法，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，并进行繁殖和遗传下去。
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第三节 发酵生产过程和方式
上游 下游
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二、重要发酵技术的建立
通气搅拌发酵技术
1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究，建立了深层
通气培养技术——深层培养，解决了深层培养的供氧问题。 成功建立起深层通气培养法及整套工艺，包括向发酵罐内通 入大量无菌空气、通过搅拌使空气分布均匀、培养基的灭菌 和无菌接种、通氧量、pH、培养物供给等均已解决，刺激了
发酵食品工艺学绪论课件
针对单纯发酵法的缺陷，利用发酵法生产前体 ，用化学合成法得到终产品或反之。如 Amyno法生产酱油。
——发酵与酿造技术的第五个转折点
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DNA重组技术
❖ DNA重组技术大大推动了发酵与酿造技 术的发展
❖ 细胞融合、杂交育种、基因工程技术：基因体外重 组与克隆的工程菌株构建
❖ 生物反应器：反应罐等设备、昆虫躯体、动物 细胞乳腺、植物细胞的根茎果实。
发酵食品工艺学绪论
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第二个转折点
——通气搅拌的好氧发酵工程技术建立（深层液态发酵）
20世纪40年代，由于二战暴发，刺激了抗生素 发酵工业的兴起，成功建立起深层通气培养法及 整套工艺，包括向发酵罐内通入大量无菌空气、 通过搅拌使空气分布均匀、培养基的灭菌和无菌 接种 、通氧量、pH、培养物供给等均已解决， 刺激了有机酸、酶制剂、维生素、激素等的大规 模生产。
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1878年，李斯特分离乳酸链球 菌时用注射器和酒杯培养装置
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Buchner（布赫纳）
1897年，Buchner（布 赫纳）阐明了发酵的化学本 质。即发酵是由酶引起的一 类化学反应。
实验：酵母菌细胞用石英砂磨碎制 成酵母汁 （应用于医学）+ 白砂 糖（防腐） 意外发现发酵
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巴斯德的功绩
彻底否定了自然发生说 证实发酵由微生物引起 免疫学—预防接种 发明巴氏消毒法
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无菌营养液 出现微生物
巴斯 德的 雁颈瓶实验
加热
无菌营养液 无生命出现
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3.发酵工业（Fermentation Industry）
是指利用生物的生命活动产生的酶，将无机或有机原料进行 酶加工(生物化学反应过程），获得产品的工业。 发酵工业： 经纯种培养和提炼精制获得的成分单纯、无风味 要求的产品的生产过程。如酒精、抗生素、柠檬酸、氨基酸、 酶、维生素、某些色素等。 酿造工业：经自然培养、不需提炼精制、产品由复杂成分构成并 对风味有特殊要求的食品或调味品的生产过程。如黄酒、白 酒、清酒、葡萄酒、酱油、醋、腐乳、豆豉、面酱等。
五.发酵工业范围（研究对象）
按部门分：
1. 酿酒工业(啤酒、葡萄酒、白酒等)
2.食品工业(酱、酱油、醋、腐乳、面包、酸乳等)
3.有机溶剂发酵工业(酒精、丙酮、丁醇等) 4.抗生素发酵工业(青霉素、链霉素、土霉素等) 5.有机酸发酵工业(柠檬酸、葡萄糖酸等) 6.酶制剂发酵工业(淀粉酶、蛋白酶等)
生产。
产品既有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。
2.发酵工程（Fermentation Engineering）
利用生物细胞的某种特性，通过现代化工程技术手段进行工
业规模化生产的技术。（公认） 应用微生物学等相关的自然科学以及工程学原理，利用微生
物等生物细胞进行酶促转化，将原料转化成产品或提供社会
发酵工艺学
第一篇
发酵原理
第一章 绪
论
主要讲述内容
第一节 第二节 第三节 第四节 概述 发酵产品的类型 发酵工程的地位 发酵工业的发展史
ation）
概述
传统发酵：“发酵” （Fermentation）一词 是拉丁语“沸腾” （fervere）的派生词， 它描述酵母作用于果汁 或麦芽浸出液时产生气 泡的现象。或者指酒的 生产过程。
（与化学工程相比） 1.安全简单：发酵过程通常是在常温常压下进行，反应安全，
要求条件简单、温和 。
2.原料广泛：发酵所用的原料简单粗放。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。另外，可以利用矿产资源、石油、废水和废 物等作为发酵的原料。
3.反应专一：发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成 的，因此多个反应就象一个反应一样，因而可以得到较为 单一的代谢产物，可在单一设备（发酵罐）中进行。 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。
生物化学或生理学上的发酵（狭义）：
指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量的
一种方式。 如 葡萄糖 丙酮酸 酒精＋能量; 乳酸＋能量。
工业上所称的发酵（广义）：
借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物
菌体本身，或其直接代谢产物或次级代谢产物的过程。 包括：
厌氧培养的生产过程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等， 通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等的
4.按发酵工艺流程区分
分批发酵 连续发酵 流加发酵
5.按发酵过程中对氧的不同需求来分
厌氧发酵
◆ 不需供氧 ◆ 如：乳酸杆菌的乳酸发酵 梭状芽孢杆菌的丙酮丁醇发酵 ◆ 需不断通入无菌空气 ◆ 如：利用黑曲霉发酵生产柠檬酸 利用棒杆菌发酵生产谷氨酸 利用黄单胞菌生产黄原胶 抗生素发酵生产
• 通风发酵
下游工程
FERMENTATION Process Control
DOWNSTREAM PROCESSES
上游工程
UPSTREAM PROCESSES - genetics, cell … - inoculum development - media formulation - sterilization - inoculation
三、发酵的类型
1.按发酵原料来区分 糖类物质发酵 石油发酵 废水发酵 2.按发酵形式来区分
根据物料堆放的厚薄分为:
固态发酵
薄层发酵 ： 木盘或苇帘，1～2cm 厚层发酵 ： 深槽或池，30cm以上，接种后通气
液体发酵
根据培养液的深浅分
表面培养法
深层培养法
3.按发酵产物区分
氨基酸发酵 有机酸发酵 抗生素发酵 酒精发酵 维生素发酵 酶制剂发酵
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）。 6.菌种选育：菌种是进行发酵的根本因素，高产的优良菌株即 可使生产设备得到充分利用，也是创造显著经济效益的关 键，还可以获得按常规方法难以生产的产品。因此，自始 至终都要进行菌种的选育和优化工作。 7.投资少，见效快，效益高：可以取得显著的经济效益。
FERMENTATION Process Control
下游工程
DOWNSTREAM PROCESSES - product extraction, purification & assay - waste treatment -by product recovery
FERMENTATION Process Control
7. 氨基酸发酵工业(谷氨酸，赖氨酸等)
8. 核苷酸类物质发酵工业(肌苷酸、肌苷等) 9. 维生素发酵工业(维生素C、维生素B等) 10.生理活性物质发酵工业(激素、赤霉素等) 11.微生物菌体蛋白发酵工业(酵母、单细胞蛋白等)
四、发酵工程的组成部分
四部分组成 1.菌种选育及扩大培养 2.原料预处理及培养基的制备 3.发酵设备及反应条件的选择
4.产品的分离与纯化（提取和精制）
Fermentation engineering
上游工程 UPSTREAM PROCESSES
发酵工程组成
从广义上讲，由三部分组成： 上游工程、发酵过程、下游工程
酿造(brewing)：我国人们对一些特定产品发酵生产的特殊称 法，是未知的混合微生物区系参与的一种自然发酵。
发酵生产的条件
某种适宜的微生物 保证或控制微生物进行代谢的各种条件（培养基组成、温 度、溶氧、pH等）
进行微生物发酵的设备
提取菌体或代谢产物，精制成产品的方法和设备
二、发酵工程的特点