发酵工程原理与技术
发酵工程原理与技术
第一节
发酵工业微生物菌种的选育
一、工业微生物的特点 工业微生物是指在发酵工业上已经应用的或
具有潜在应用价值的微生物，其范围随科学
技术的发展而不断扩展。
工业微生物的特点：个体小、种类多、繁殖
快、分布广、代谢能力强、易变异改造。
二、发酵工业常用微生物菌种及要求
（一）发酵工业对菌种的要求
1、能在廉价原料制备的培养基上迅速生长并生 成所需的代谢产物，且产量高； 2、培养条件易于控制；
原理二：
生物体中都存在两个以上的DNA修复基因，如果一 个DNA修复基因损伤或变异，通常仍能存活，但对能引 起DNA损伤的化合物十分敏感，易发生死亡，所以可以
利用DNA修复能力突变株筛选抗肿瘤药物。
实践中常使用大肠杆菌或枯草芽孢杆菌的重组缺
失DNA修复基因突变株和亲株作为测试菌来筛选抗肿瘤
三、发酵工业微生物菌种的分离和选育
（一）微生物菌种的分离
1、施加选择压力分离法 施加选择压力分离法是利用不同种类的微生物的
生长繁殖对环境和营养（如温度、pH、渗透压、氧气、
碳源、氮源等）的要求不同，人为控制这些条件，使
之利于某类或某种微生物生长，而不利于其它种类微
生物的生存，以达到使目的菌种占优势，而得以快速 分离纯化的目的。
放线菌是介于细菌与丝状真菌之间而又 接近于细菌的一类丝状单细胞原核生物。 因菌落呈放射状而得名
抗生素有60％以上是放线菌产生的 工业生产常用的放线菌主要来自以下 几个属：链霉菌属、小单孢菌属、诺卡菌属
3、酵母菌（Yeast） 酵母菌是单细胞真核生物，
常以出芽方式进行无性繁殖。 根据产生孢子的能力，可将酵母分成三类： a 、形成子囊孢子的株系属于子囊菌门
发酵原料的预处理
发酵工程原理与技术13
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Flocculated cell reactors
anaerobic waste treatment
Cells form flocs which gently fall and rise with
gases they produce
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第五节 固定化细胞的应用
• 抗生素的生产 • 有机酸的生产 • 氨基酸的生产 • 废水处理
• 吸附法：条件温和、方法简便、载体可再生。但操 作稳定性差。
• 共价法：操作稳定性高。但由于试剂的毒性，易引 起细胞的破坏。
• 交联法：可得到高细胞浓度，但机械强度低，无法 再生，不适于实际应用。
• 包埋法：细胞和载体间没有束缚，固定化后，细胞 仍保持较高活力。但这类方法只适用于小分子底物 。
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第三节 固定化细胞的形状及性质
一、形状 • 固定化细胞由于其用途和制备方法不同，可
以是颗粒状、块状、条状、薄膜状或不规则 状等。但目前大多数制备成颗粒状珠体。
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二、性质
• 最适pH：细胞经固定化后，其最适pH因固 定化方法不同而有一些调整。
• 如，用聚丙烯酰胺包埋的大肠杆菌中的天门 冬氨酸酶和产氨短杆菌中的延胡索酸酶的最 适pH向酸性范围偏移。但用同一方法包埋的 大肠杆菌中的青霉素酰胺酶的最适pH则没有 变动。
性； • 可能有副反应。
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四、固定化细胞的分类
1，按细胞类型分为三类： • 微生物 • 动物 • 植物
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2，按生理状态分为两大类 • 死细胞：
完整细胞、细胞碎片、细胞器。 适用于一种酶催化的反应。 • 活细胞： 增殖细胞、静止细胞、饥饿细胞。 适用于多酶反应，特别是需要辅酶的反 应。
发酵工程原理与技术_江南大学-陈坚-第十六章固态发酵
混合发酵
限于传统发酵食品的生产
扩大了固态发酵的应用范围 操作能耗低，设备投资小，劳动强度
增加了操作能耗，设备投资大 大
需要无菌处理发酵原料
可直接利用粮食和纤维素原料，价格 低廉
适宜于分离纯化高附加值产品 一般产品后处理简单，可直接烘干
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第二节 固态发酵的分类
• 按微生物的情况和形成的产品条件不同分类 – 自然富集固态发酵 – 强化微生物混合固态发酵 – 限定微生物混合固态发酵 – 单菌固态纯种发酵。
质过程； – 搅拌过程中剪切效果。
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1，气体与固体培养基颗粒间的传质
• 在固态发酵中，最重要的颗粒间传质是氧从 基质空隙向微生物的转移。空隙部分在基质 内大小由基质本身的性质(如多孔性)、颗粒 大小和含水量所决定。有时为了增加基质的 空隙率，可以专门添加诸如谷壳之类的疏松 材料以利于通气。基质的含水量也与氧向空 隙的转移紧密相关，因为过多游离水妨碍空 气的流动。对一定的空隙率来说，氧在颗粒 间转移可由搅拌相通气来实现，定时翻醅、 间歇或连续通风都是经常使用的方法。
bread
don’t worry, in another year it will be gone
Hein de Kort 1
本章的主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
概述 固态发酵的分类 固态发酵反应器 影响固态发酵过程的主要参数与控制 固态发酵的应用
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第一节 概述 固态发酵(SSF)
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2，颗粒内氧的扩散
• 在物料性质一定的情况下，颗粒内部的 溶氧水平与颗粒半径的大小有关，并存 在一个临界半径，在该半径以内的部分 ，溶氧水平接近为零，好氧微生物在此 半径以内不能正常生长。颗粒内部菌丝 顶端的供氧问题，是固态发酵中比较关 键的传递过程，目前仍没有切实可行的 解决方法，氧在这样复杂的真菌-基质 颗粒内的扩散动力学还远没有被认识。
《发酵工程原理与技术》习题集
《发酵工程原理与技术》习题集问答题1、发酵工业有何特点？简述发酵生产过程的主要环节。
2、工业用微生物的要求在哪些？试举例说明微生物要工业中的应用。
3、工业生产中使用的微生物为什么会发生衰退？菌种衰退表现在哪些方面？防止菌种衰退的措施有哪些？4、在菌种扩大培养中，就注意哪些事项？5、影响种子质量的因素有哪些？如何控制种子的质量？6、配制发酵培养基时应注意哪些问题？本着什么原则进行配制？7、发酵培养基的碳氮比对菌体的生长和产物的生成有何影响？8、请列出适用于发酵培养基灭菌的方法，并比较其各自的优缺点。
9、某制药厂现有一发酵罐，内装80t发酵培养基，在121℃温度下进行实罐灭菌。
如果每毫升培养基中含有耐热的芽孢数为2*107个，121℃时灭菌速度常数为0.0287S-1.请部灭菌失败概率为0.001时所需的灭菌时间是多少？10、请列出空气除菌的方法，并比较各种方法的优缺点。
11、影响空气过滤除菌效率的因素有哪些？12、比较两级冷却除菌流程、冷热空气直接混合除菌流程、高效前置过滤除菌流程的优缺点和适用场合，并分析原因。
13、解释氧在发酵液中的传质阻力和气体溶解过程的双膜理论。
14、说明影响氧传递速率的主要因素和效果。
15、比较酵母菌的酒精发酵和细菌的酒精发酵之异同。
16、说明初级代谢和次级代谢的关系及次级代谢产物的特征。
17、抗生素产生菌的主要代谢调节有哪几种方式？说明各种抗生素的生物合成机制。
18、阐述菌体生长速率、基质消耗速率、产物生成速率及意义。
19、发酵动力学如何分类？20、试比较不同发酵方法的优缺点。
叙述生物反应器（发酵设备）的功能和分类。
21、设计反应器时要本着哪些原则？反应器必须具备什么条件？22、机械搅拌发酵罐有哪些主要组成部分，它们各有怎样的功能或作用？23、发酵过程中温度升高对微生物生长和产物的形成有什么影响？什么原因造成温度升高？24、生产中为什么要控制pH？怎样调节和控制pH？25、发酵过程中哪些因素引起的pH上升和下降？26、泡沫的实质和形成原因是什么？它对发酵生产有什么影响？27、发酵生产中消除泡沫的方法有哪些种？各有什么优缺点？28、基质浓度对发酵有什么影响？说明补料分批发酵的优点和作用。
发酵工程原理与技术题库河北
发酵工程原理与技术题库河北
摘要：
一、发酵工程概述
二、发酵工程的原理
三、发酵工程的技术应用
四、发酵工程在河北的发展
正文：
一、发酵工程概述
发酵工程是一门以微生物为基本单元，研究发酵过程的科学和工程技术。
发酵工程主要包括微生物的筛选、培养、调控和发酵过程的设计、控制和优化等。
在我国，发酵工程已经成为生物技术、食品工业、医药产业和环保领域等不可或缺的重要技术。
二、发酵工程的原理
发酵工程的原理主要基于微生物的代谢和生长规律。
微生物在特定的培养条件下，通过代谢将营养物质转化为有用的产品，并释放能量。
发酵过程中，需要对微生物的生长、代谢和产物生成进行严格的控制和调节，以保证发酵效率和产品质量。
三、发酵工程的技术应用
发酵工程在多个领域都有广泛的应用，主要包括：
1.生物制药：通过发酵工程生产抗生素、维生素、激素等药物，以及用于生物制药的酶制剂和中间体等。
2.食品工业：发酵工程在食品工业中的应用包括酿造、酸奶、酱油、醋等传统发酵食品的生产，以及利用发酵工程生产新型生物食品和食品添加剂等。
3.环保领域：发酵工程可用于废水处理、废气净化和生物质资源利用等环保领域。
4.生物能源：发酵工程可用于生产生物柴油、生物乙醇等生物能源。
四、发酵工程在河北的发展
河北省是我国发酵工程的重要发展地区之一，具有较好的产业基础和优势。
在生物制药、食品工业、环保领域和生物能源等方面，河北的发酵工程产业都取得了长足的发展。
发酵工程原理与技术题库河北
发酵工程原理与技术题库河北摘要：一、发酵工程概述二、发酵工程的原理与应用三、发酵工程技术的发展四、发酵工程在河北的应用与发展正文：发酵工程是一门利用微生物的代谢能力，通过控制发酵过程生产有价值的产品或实现特定目标的科学技术。
发酵工程在食品、饮料、医药、农业、环保等领域具有广泛的应用。
本文将简要介绍发酵工程的原理与应用，以及发酵工程技术在河北的发展状况。
一、发酵工程概述发酵工程是一门跨学科的综合性技术，涉及微生物学、生物化学、化学工程、控制工程等多个领域。
通过发酵技术，可以实现对微生物的生长、代谢和产物的调控，从而达到提高产量、优化品质、降低成本等目的。
二、发酵工程的原理与应用发酵工程的原理主要包括微生物生理学、代谢工程、生物反应器设计、发酵过程控制等。
发酵工程的应用领域十分广泛，包括食品发酵（如酿造、发酵食品等）、饮料发酵（如啤酒、葡萄酒等）、医药发酵（如抗生素、酶制剂等）、农业发酵（如生物农药、生物肥料等）以及环保发酵（如废水处理、废气净化等）。
三、发酵工程技术的发展随着科学技术的进步，发酵工程技术也在不断发展和创新。
现代发酵工程涉及基因工程、细胞工程、生物信息学等多个领域，通过基因重组、代谢工程等手段，可以实现对微生物的高效利用和优化发酵过程。
此外，发酵过程的自动化控制和优化也是发酵工程技术发展的重要方向。
四、发酵工程在河北的应用与发展河北省作为我国重要的农业大省，发酵工程在食品、医药、农业等领域具有广泛的应用。
近年来，河北省加大了对发酵工程的投入和支持，推动了一批具有核心竞争力的企业发展。
同时，河北省还充分发挥高校和科研院所的优势，积极开展产学研合作，促进了发酵工程技术的创新与转化。
总之，发酵工程是一门具有广泛应用和巨大发展潜力的技术。
发酵工程原理与技术应用
发酵工程原理与技术应用1、发酵：通过微生物的生长繁殖和代谢活动，产生和积累人们所需产品的生物反应过程。
2、发酵工程：利用微生物的生长繁殖和代谢活动来大量生产人们所需产品过程的理论和工程技术体系，它是生物工程和生物技术学科的重要组成部分，又叫微生物工程3、发酵工程技术的发展史：①1900年以前——自然发酵阶段②1900—1940——纯培养技术的建立（第一个转折点）③1940—1950——通气搅拌纯培养发酵技术的建立（第二个转折点）④1950—1960——代谢控制发酵技术的建立（第三个转折点）⑤1960—1970——开发发酵原料时期（石油发酵时期）⑥1970年以后——进入基因工程菌发酵时期以及细胞大规模培养技术的全面发展4、工业发酵的类型：①按微生物对氧的不同需求：厌氧发酵、需氧发酵、兼性厌氧发酵②按培养基的物理性状：固体发酵、液体发酵③按发酵工艺流程：分批发酵、补料发酵、连续发酵5、发酵生产的流程：（重要）①用作种子扩大培养及发酵生产的各种培养基的制备②培养基、发酵罐及其附属设备的灭菌③扩大培养有活性的适量纯种，以一定比例将菌种接入发酵罐中④控制最适的发酵条件使微生物生长并形成大料的代谢产物⑤将产物提取并精制，以得到合格的产品⑥回收或处理发酵过程中所产生的三废物质6、常用的工业微生物：①细菌：枯草芽孢杆菌、醋酸杆菌、棒状杆菌、短杆菌等②放线菌：链霉菌属、小单胞菌属和诺卡均属③酵母菌：啤酒酵母、假丝酵母、类酵母7、未培养微生物：指迄今所采用的微生物纯培养分离及培养方法还未获得纯培养的微生物8、rRNA序列分析：通过比较各类原核生物的16S和真核生物的18S的基因序列，从序列差异计算它们之间的进化距离，从而绘制进化树。
选用16S和18S的原因是：它们为原核和真核所特有，其功能同源且较为古老，既含有保守序列又含有可变序列，分子大小适合操作，它的序列变化与进化距离相适应。
9、菌种选育改良的具体目标：①提高目标产物的产量②提高目标产物的纯度③改良菌种性状，改善发酵过程④改变生物合成途径，以获得高产的新产品10、发酵工业菌种改良方法：①常规育种：诱变和筛选，最常用。
高中发酵工程的知识点总结
高中发酵工程的知识点总结一、发酵工程的基本概念1. 发酵工程的定义发酵工程是以微生物或酶等生物催化剂为基础，通过控制合适的环境条件，利用微生物或酶的代谢作用，进行有选择地生产物质或提取有用产品的工程技术。
2. 发酵工程的原理发酵工程利用生物催化剂在适宜的温度、pH、氧气供应等条件下对原料进行代谢作用，使其产生有用的化学产物。
发酵过程分为有氧发酵和无氧发酵，有氧发酵是指微生物在充分供氧的情况下进行代谢作用，而无氧发酵则是微生物在缺氧条件下进行代谢作用。
3. 发酵工程的应用发酵工程在食品、医药、酒类、饲料、化工等领域都有重要的应用，可以生产出酒精、乳酸、维生素、抗生素、酶等多种产品。
二、微生物学基础1. 微生物的分类微生物是一类极小的生物体，包括细菌、真菌、酵母菌、病毒等。
其中，细菌可分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌，酵母菌主要是酵母菌科的酵母菌，真菌包括霉菌和酵母菌。
2. 微生物的生长特性微生物的生长需要适宜的温度、pH值、氧气供应等条件，不同微生物的生长特性有所不同。
典型的微生物生长曲线包括潜伏期、对数生长期和平稳期。
3. 微生物的代谢特点微生物的代谢分为呼吸代谢和发酵代谢两种形式。
呼吸代谢需要有氧气，产生CO2和H2O，而发酵代谢不需要氧气，产生乳酸、酒精、醋酸等产物。
4. 微生物的培养方法微生物的培养方法包括液体培养和固体培养两种形式，培养基的选择对微生物的生长有重要影响。
三、发酵工程的工艺流程1. 发酵工程的基本流程发酵工程的基本流程包括发酵菌种的培养和保存、发酵罐的设计和运行、发酵过程的控制和调节、产品的分离和提取等步骤。
2. 发酵工程的发酵罐发酵罐是进行微生物发酵的设备，按照不同的设计要求可分为批式发酵罐和连续式发酵罐。
3. 发酵工程的发酵菌种发酵菌种是进行发酵的微生物，可以是细菌、酵母菌、真菌等。
合适的发酵菌种是发酵工程成功的关键。
4. 发酵工程的发酵过程控制发酵过程的控制包括温度、pH值、氧气供应、营养物质的添加等方面，需要根据不同的菌种和发酵产品进行调节。
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菌种筛选
发酵罐试验
摇瓶试验
三、发酵工业生产流程
发酵过程的操作方式
三种模式：间歇发酵、连续发酵和流加发酵 间歇发酵又称分批发酵，在发酵过程中，除气体进出外，与外
界没有其它的物料交换。分批发酵是一种操作简单并且广泛使 用的发酵方式。
连续发酵是指以一定的速度向培养系统内添加新鲜的培养基， 同时以相同的速度流出培养液，从而使培养系统内培养液的体 积维持恒定，使微生物细胞处于近似恒定状态下生长的微生物 发酵方式。
现代发酵工程加工的对象生物，除天然生物菌种和变异微生物 菌株外，还有基因工程菌、细胞融合菌以及动植物细胞株。
发酵工程的无菌概念已由原来的将杂菌排除再发酵系统外的单 向概念转变为同时要求发酵系统内的生物体不能逸出系统外的 双向概念。
发酵的培养技术已不是简单的通气搅拌培养技术，而是要根据 生物的类型、目的产物的特征不同而采用更复杂的培养技术， 并引入了生化工程放大概念。
20世纪初期，1916年英国采用梭状芽孢杆菌生产 丙酮丁醇，德国采用亚硫酸盐法生产甘油（第一次世 界大战）──由食品工业向非食品工业发展。 3、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。抗生素工业 的发展，建立了一套完整的好氧发酵技术，推动了整 个发酵工业的深入发展，现代发酵工程奠定了基础。
无菌空气制备
一般采用无菌空气作为氧气来源，高空采风，经空 气压缩机加压后采用加热灭菌或过滤除菌。
微生物种子的制备
一般都是由保存于冷冻管及砂土管或冰箱中的斜面 菌种开始，在正式使用前要先转接到新鲜斜面培养 基上活化后，再用于种子扩大培养。
扩大培养的方法可以根据需要采用固体培养或液体 培养两级不同方式。
二、发酵过程的特点和分类
获得发酵产品的条件：适宜的微生物、保证或控制微生物进 行代谢的各种条件、进行微生物发酵的设备、精制成产品的 方法的设备。
发酵过程的特点： 1）发酵过程一般都在常温常压下进行的生化反应，反应条件
比较温和。
2）可采用廉价原材料，甚至可以利用废物为发酵原材料生产 高附加值的产品。
通常，发酵工程分为两大部分：
发酵部分：主要是通过一系列的环节，提供条件， 使菌体生长繁殖，并产生发酵所要的目的产物（代 谢产物）。
提纯部分：这部分是通过一些物理的、化学的手段、 方法，将代谢产物从发酵醪中提纯出来，获得最终 产品。
一、发酵工程的概念
现代发酵工程是以天然生物体和人工修饰的生物体为加工对象， 集现代化高新技术为一体，生产产品或服务于人类社会的一种 工程技术。
流加发酵是介于分批发酵和连续发酵之间的发酵形式。
发酵产品及分离提纯工艺
固液分离技术、细胞破碎技术、浓缩分离技术、精制技术、结 晶技术等
四、发酵工程的发展历史
发酵现象→酿造食品工业→非食品工业→青霉素→抗 菌素发酵工业→氨基酸,核酸发酵（代谢控制发酵） →基因工程菌→动物细胞大规模培养→植物细胞大规 模培养→藻类细胞大规模培养→转基因动物灭菌 主发酵来自产物分离纯化成品
三、发酵工业生产流程 发酵原料的预处理 原料不同处理方法也有所差异。 1.淀粉——利用前需变成糊精或葡萄糖。 方法：酸水解（高压、耐酸）、酶水解法 2.糖蜜——加热杀菌和用水冲稀，也可加酸处
理后再补充无机盐。 3.碳氢化合物：石油脱蜡——一定馏分的石油
经冷却脱蜡而获得的凝固点在-10℃的油，加 入适量无机盐进行接种发酵。
3）发酵过程是通过生物体的自适应调节来完成的，反应的专 一性强，因而，可以得到单一的代谢产物。
4）发酵工业相对投资较少，见效较快，具有经济和效能的统 一性。
二、发酵过程的特点和分类
发酵过程分类： 根据发酵对氧的需要：厌氧和有氧发酵 根据发酵原料:糖质原料和烃类原料发酵 根据发酵状态：液体和固体发酵 根据发酵工艺类型：分批发酵和连续发酵 根据产物类型：食品发酵、有机酸发酵、氨基酸
发酵工程原理 与技术
第一章 总论
一、发酵工程的概念
发酵的定义：利用生物细胞（含动物、植物 和微生物细胞），在合适的条件下，经特定 的代谢途径转变为所需产物或菌体的过程。
发酵工程：是发酵原理与工程学的结合，是 研究由生物细胞参与的工艺过程的原理和科 学，是研究利用生物材料生产有用物质，服 务于人类的一门综合性科学技术。
发酵、维生素发酵、抗生素发酵等
三、发酵工业生产流程 发酵工业生产过程主要包括： 原料预处理 培养基配制 无菌空气的制备 微生物菌种制备和扩大培养 发酵 发酵产品的分离和纯化
发酵的流程
空气 空气净化处理
保藏菌种 斜面活化
碳源、氮源、 无机盐等营养 物质
扩大培养
种子罐
三、发酵工业生产流程 发酵培养基的配制与灭菌 （1）目的要明确； （2）培养基的营养要协调； （3）pH要适宜。 灭菌:主要采用高压水蒸汽直接对培养基进行
加热灭菌，多采用121℃保温20-30min，然后 冷却，这样称之为实罐灭菌；也可采用连续 灭菌。
三、发酵工业生产流程
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
一、发酵工程的概念
一般的，发酵工程又可称为微生物工程，但严格来 说，发酵（微生物培养）只是发酵工程的一部分， 而不是全部，但是其核心内容。
1、发酵现象的早期认识 1680年制成显微镜 ─── 微生物的存在 1857年巴斯德证明了酒精是由活的酵母发酵引起的 1897年毕希纳发现磨碎的酵母仍使糖发酵形成酒精 ─── 酶
四、发酵工程的发展历史
2、发酵工程的早期阶段 人们的对发酵技术的认识起始于19世纪末，主要
来自于厌氧发酵，如利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、 乳酸和各种发酵食品。