发酵工程

• ①原生质体融合技术、基因工程技术的发展和在微生物菌 种选育方面的应用，为发酵工程技术带来了方法上、手段 上的重大变化和革命。
• ②计算机控制发酵技术，固定化细胞技术，发酵工程优化 控制技术，先进的提取、分离、纯化技术以及现代化的发 酵与提取设备的应用，使发酵工业得到了迅速的发展，并 展现了广阔的前景。
2、发酵工程的工艺流程
• 发酵生产的设备 • 发酵罐又叫反应器，有通风和嫌气两类。前者用于好氧发
酵，后者用于厌氧发酵。也有同时适合于两种类型的发酵 罐。
• 物料处理和运输设备 如磨碎机、筛选机、输送机等，用
于将原料粉碎和传输至发酵罐。
• 空气调节和除菌设备 调节空气的湿度、温度和除去空气
中的微生物。
• 俄罗斯的科学工作者运用遗传工程培育出一种新的工程菌 ，它既能制造动物蛋白，又富含维生素。将这种新培育的 工程菌培养在固体培养基上，使其大量繁殖，最终就用这 种固体培养物（包括已被部分转化的培养基和重组基因工 程菌菌体）来加工成富含营养的食品。用此培养物加工成 香肠取得了可观的经济效益。
• 发酵罐是一种圆柱形的容器，容量从几升到几百万升不等
，上面连接有通气、搅拌、接种、加料、冷却等装置；此 外，还有对温度、pH、通气量与转速等发酵条件进行检测 和控制的装置(如图)。
• 谷氨酸棒状杆菌是好来自百度文库菌，因此，
发酵过程要不断地通入无菌空气， 并通过搅拌，使空气形成细小的气 泡，迅速溶解在培养液中(称溶氧) ；同时，也能使菌种与培养液充分 接触，提高它们对原料的利用率。
场上出现的一种真菌蛋白食品，就以其高蛋白、低脂肪的
特点受到了消费者的欢迎。单细胞蛋白用做饲料，能使家
畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。
• 2、在医药工业上的应用
• 发酵工程已广泛应用于医药工业，很多抗生素、维生素 、动物激素、药用氨基酸、核苷酸等都可通过发酵工程得 到，其中，抗生素的生产占主要地位。20世纪80年代，世 界各地的抗生素年产量达2.5×104吨，产值超过40亿美元 。目前，常用的抗生素已达一百多种，如青霉素类、头孢 菌素类、红霉素类和四环素类。
•
谷氨酸是鲜味剂味精的主要成分，以前用植物(如大豆)蛋 白质水解法生产。1957年，日本率先用微生物发酵法生 产成功。
• 常用的谷氨酸产生菌有谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌等。
培养基通常用豆饼(或马铃薯等)的水解液、玉米浆、尿素 、磷酸氢二钾、氧化钾、硫酸镁、生物素等配制而成，呈 液体状态，因此也称培养液。其中的生物素是生长因子。 培养液配制完成以后，投放到发酵罐中，通入98kPa的蒸 汽进行灭菌，冷却后，在无菌条件下加入菌种，即为接种 。
• 目前发酵工程技术的研究主要集中在如下几个方面： • （1）采用基因工程、细胞工程技术与常规微生物育种方
法相结合，辅之以激光、离子束、γ－射线等物理诱变方 法，致力于选育发酵工业所需的各种优良生产菌种。 • （2）开发研制社会需要、附加值高的新型发酵产品。 • （3）采用发酵工程技术取代部分传统化工产品的生产， 降低原材料消耗和能源消耗，减少污染物的排放。 • （4）研究开发发酵和提取新技术、新工艺、新设备，提 高产品收率、节能降耗。 • （5）大规模工业化发酵生产技术。
发酵工程
孙再桥 生技31101
• 传统发酵已有相当长的历史，春秋时代的孔子已经借酒助 兴了。传统发酵技术工业化不过是发酵使用的设备的更新 带来了规模的扩大。只有在生物工程到来之后，发酵工业 开始采用工程菌，使得通过发酵获得的产品一改过去以酒 和调味品为代表的旧貌，开始了以生物制药为代表的大飞 跃。
• 日本协和发酵工业公司运用生物工程技术，制得了苯基丙 氨酸。苯基丙氨酸是甜味物质不可缺少的氨基酸。协和发 酵工业公司使用微生物体内存在的一种被称为“构架淀粉 酶”的物质，把苯基丙酮酸成功地转化为苯基丙氨酸。
• 英国的科学工作者运用遗传工程技术，对单细胞蛋白质生 产菌——甲基养嗜甲基杆菌进行了基因工程改造。他们切 除了这种蛋白质生产菌的谷氨酸合成酶基因，把它与大肠 杆菌的谷氨酸脱氢酶基因进行重组。结果使重组后的新菌 种转化效率提高了７％，从而提高了单细胞蛋白的产量， 使英国帝国化学工业公司单细胞蛋白产量突破了７００万 ｔ，行销到３０多个国家和地区
• 6.杂菌污染 非发酵使用的微生物会随时进入发酵罐。确保菌种扩大期
间无杂菌培养是最关键的一步。发酵期间杂菌污染要及时发现和消除 。
3、发酵工程的应用
• 1、在食品工业上的应用 • （1）通过发酵工程使一些传统的发酵产品，如啤酒、
果酒、食醋等，在产量和质量上得到明显的提高。
• （2）通过发酵工程生产食品添加剂（见下表），改善
• 厌氧发酵(anaerobic fermentation)发酵过程无需氧气，不
搅拌。酵母菌酿酒，乳酸菌生产乳酸，瘤胃细菌分解纤维素 过程不需要氧气。
• 按照使用的细胞类型，发酵分为：
• 微生物发酵：
• 植物细胞发酵；
• 动物细胞发酵。 • 动植物细胞的发酵历史很短。通常所说的发酵主要是指微生
物发酵。
• 按照是否需氧，发酵分为好氧和厌氧两大类，是否需氧是由
所使用的细胞或菌株的代谢特性决定的。
• 好氧发酵 (aerobic fermentation) 发酵过程需要氧气。多
数有机酸，如醋酸、柠檬酸和各种氨基酸的发酵生产菌需要 氧气。发酵所需的氧气是以无菌空气方式供给的。不断搅拌 促进氧气进入发酵液。
• ④酶制剂类：如食品工业用酶、纺织工业用酶、饲料工业 用酶等；
• ⑤功能性蛋白质、功能性脂类、功能性糖类。
• 1.3现代发酵工程技术的发展方向展望 • 由于发酵工业生产具有反应条件温和，生产原料来源广泛
，价格低廉，以及与其它工业相比投资少、见效快，经济 与社会效益显著等诸多优点。而且，通过发酵工程技术生 产的产品种类多、应用面广。因此，发酵工程具有广阔的 发展应用前景。 • 近年来，生物技术的迅速发展有力地推动了发酵工程技术 的发展。而发酵工程技术的应用，则是直接将生物技术转 化为生产力，用于生产人类所需的各种产品，以及为社会 服务的重要手段。因此，基因工程、细胞工程、酶工程技 术的最终实施，主要是依靠发酵工程技术来完成的。所以 现代发酵工程是生物技术的重要内容之一，是生物技术实 现产业化的必由之路，是未来经济社会发展过程中富有生 机和活力的一个重要产业群体。
• (4)代谢调控发酵技术的建立：这个阶段始于20世纪60年 代，其技术特征为，以生物化学和遗传学为基础，研究代 谢产物的生物合成途径和代谢调节机制，选择巧妙的技术 路线，人为地控制目的代谢产物的大量合成，从而得到所 需产品。
• (5)现代发酵工程技术的建立：这个阶段始于20世纪70年 代，其主要技术特征表现在如下几个方面：
• 有些药物如人生长激素、胰岛素，过去主要是靠从生物 体器官、组织、细胞或尿液中提取，发酵工程使这些药物 的生产量大大提高，已可满足普通人的需要。
• 随着基因工程和发酵工程的结合应用，人们已可大批量 生产人生长激素、重组乙肝疫苗、某些种类的单克隆抗体 、白细胞介素、抗血友病因子、生长激素释放抑制因子等 重要的药物。
• 1857年，法国微生物学家巴斯德发现了发酵原理，人们才 认识到发酵是微生物活动的结果。此后，随着纯种微生物 的分离及培养技术的建立，以及密闭式发酵罐的设计成功 ，使人们能够利用某种类型的微生物，在人工控制的环境 条件下，进行大规模的生产，逐步形成了发酵工程。
• 生物工程的最终阶段是发酵。不仅是来自微生物，而且来 自动物和植物细胞合成的物质都可以通过发酵来生产。农 牧业工厂化的趋势之一是逐步转向发酵。
• 在温度为30～37℃、pH为7～
8.0的条件下，经28～32h，培养 液中就会生成大量的谷氨酸。
• 最后，将谷氨酸从培养液中分离提
取出来，通常每升培养液中能得到 谷氨酸50～100g。提取出来的谷 氨酸用适量的Na2CO3溶液中和后 ，再经过过滤、浓缩、离心分离等 步骤，便制成了味精。
（3）发酵的类型
• 过滤与分离设备 如过滤机，离心机等用于发酵成熟液的
过滤、澄清；产物的分离。
• 浓缩干燥结晶设备 用于分离后获得的初品的再处理。
发酵的工艺控制
• 发酵过程需在以下方面监控，这些指标已经实现在线自动化。 • 1. 温度 升、降温度是通过发酵罐的夹套或换热蛇管（排管）中的蒸
汽或制冷剂，与发酵液进行热交换实现的。
• １ 国际上的研究进展情况
• 传统的酿造食品，如奶类、豆类、酒类都是用微生物把自 然食品发酵成味美、易消化的可口食品。现代提倡的添加 氨基酸、维生素的强化食品都是生物工程，特别是发酵工 程带来的新成果。国际上用发酵工程法或酶法已开发并生 产出了１８种氨基酸，年产量接近百万吨。用淀粉酶、糖 化酶和异构酶生产的高果糖浆已都进入规模化生产阶段 。
们的生长繁殖速度很快。因此，许多国家利用淀粉或纤维
素的水解液、制糖工业的废液、石化产品等为原料，通过
发酵获得大量的微生物菌体，这种生物菌体就叫做单细胞
蛋白。20世纪80年代中期，全世界生产的单细胞蛋白已
达2×106吨。用酵母菌等生产的单细胞蛋白可作为食品添
加剂，甚至制成“人造肉”供人们直接食用。最近国外市
1、发酵工程的概念和内容
• （1）概念 • 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。
• 发酵工程的内容包括菌种
的选育、培养基的配制、 灭菌、扩大培养和接种、 发酵过程和产品的分离提 纯等
（2）应用发酵工程的生产实例
• 发酵生产周期短，容易调控。
• 发酵技术的发展经历了如下几个阶段： • (1)自然发酵阶段：这个阶段为从史前到19世纪末，主要
特征为人类利用自然接种的方法进行传统酿造食品的生产 。 • (2)纯培养厌氧发酵技术的建立：这个阶段始于19世纪末 ，20世纪初，主要特征为人类在显微镜的帮助下，把单一 的微生物进行纯培养，在密闭容器中进行厌氧发酵生产酒 精等工业产品。 • (3)通气搅拌发酵技术的建立：这个阶段始于20世纪40年 代，其技术特征为，成功地建立起深层通气进行微生物发 酵的一整套技术，有效地控制了微生物有氧发酵的通气量 、温度、pH和营养物质的供给，使得抗生素、柠檬酸、 酶制剂等好氧发酵产品的生产成为可能，是现代发酵工业 的开端。
• 3.在轻工业上的应用
•
轻工业是发酵工程技术应用最早和最多的领域，这个
领域的特点是大量利用农副产品（产要是淀粉类产品）进
行深加工，其生产的产品种类有：
• ①酒和溶剂类： 如啤酒、白酒、果酒、酒精、丙酮；
• ②有机酸类：如柠檬酸、乳酸、苹果酸、衣康酸等；
• ③氨基酸类：如谷氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸等；
了食品的品质及色、香、味。
常用的几类食品添加剂
添加剂 酸味剂 鲜味剂 色素 甜味剂
举例 L-苹果酸、柠檬酸、乳酸
肌苷酸、谷氨酸 β-胡萝卜素、红曲素
高果糖浆、甜菜糖
• （3）发酵工程有望为解决人类的粮食短缺问题开辟一条 新的途径。
•
微生物含有丰富的蛋白质，如细菌的蛋白质含量占细
胞干重的60%～80%，酵母菌的占45%～65%，而且它
• 2.获得菌体 • 有些微生物菌体，如人体所需的双歧乳酸菌，是以活的菌体为需要对
象。
• 3.转化为用其它方法不能或不易转化的物质 • 自然界第一位的材料是纤维素。目前纤维素的分解主要靠生物分解。
牛、羊瘤胃中细菌分解纤维素的能力是化学方法无法相比的，这样的 转化产物是乳汁且无污染，而化学方法最多的转化产物是纸以及造纸 所产生的大量有污染的废水。
（4）发酵的意义
• 1.获得用其它方法不易获得的物质 • 酒精等有机物质，生物碱、激素、酶、蛋白质、核酸、复杂的多糖等
物质至今要靠发酵来获得。化学合成的成本太高，有些物质目前还不 能化学方法合成，例如有旋光活性的氨基酸，D、L型的挑选要用酶 的立体专一性解决。用化学方法生产酶至少现在几乎不可思议。
• 2.溶氧 通风搅拌增加溶解氧 • 3.pH 调节方法为加酸、碱或稀释。 • 以上三项使用传感器监控。 • 4.泡沫 发酵过程产生过多泡沫会影响发酵正常进行，加入消泡剂可以
减少泡沫生成。
• 5.中间产物 要使微生物和动植物细胞的代谢朝着所需的方向进行，应
用细胞代谢调控知识引导，否则会出现过多的副产物。