发酵工程与设备 教材

发酵工程与设备

第一章绪论

生物技术作为21世纪高新技术的核心，对人类面临的食品、资源、健康、环境等重大问题发挥越来越大的作用。大力发展生物技术及其产业已成为世界各国经济发展的战略重点。

一．发酵工程的主要内容

发酵工程（Fermentation Engineering）属于生物技术的范畴，生物技术又称生物工艺学，最初是由一位匈牙利工程师Karl.Ereky于1917年提出的。当时他提出的生物技术这一名词的涵义是指甜菜作为饲料进行大规模养猪，即利用生物将原料转化为产品。现在的生物技术的定义为：生物技术是应用自然科学及工程学原理依靠生物催化剂的作用将物料进行加工以提供产品或社会服务的技术。因此，生物技术是一门综合性多学科技术，他涉及的基础学科有生物学、化学和工程学。下图为生物技术与基础学科关系的示意图。它逐渐成为与生物学、生物化学、化学工程等多学科密切相关的综合性边缘学科。

现代生物技术作为一门新兴的高科技术产业，它的生命力在于他对社会经济和发展的各个方面都带来了极大冲击和影响。

发酵工程是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技术。

发酵工程由于涉及到生物催化剂，因而与化学反应有关。由于生物技术的最终目标是建立工业生产过程为社会服务，因而该生产过程可称为生物反应过程（亦称为生化反应过程）。

在发酵技术中一般包括微生物细胞或动植物细胞的悬浮培养，或利用固定化酶，固定化细胞所做的反应器加工底物（即有生化催化剂参加），以及培养加工后产物大规模的分离提取等工艺。主要是在生物反应过程中提供各种所需的最适环境条件。如酸碱度、湿度、底物浓度、通气量以及保证无菌状态等研究内容。

二、发酵工程的发展历史

生物技术的发展和利用可以追溯到1000多年（甚至4000多年）以前如酒类的酿造。而人类有意识地利用酵母进行大规模发酵生产是在19世纪。当时进行大规模生产的发酵产品有乳酸、酒精、面包酵母、柠檬酸和蛋白酶等初级代谢产

物。19世纪中叶，法国葡萄酒的酿造者在酿酒的过程中遇到了麻烦，他们酿造的美酒总是变酸，于是，纷纷祈求于正在对发酵作用机制进行研究的巴斯德。巴斯德不负重望，经过分析发现，这种变化是由乳酸杆菌使糖部分转化为乳酸引起的。同时，找到了后来被称为乳酸杆菌的生物体。巴斯德提出，只要对糖液进行灭菌，就可以解决这个问题，这种灭菌方法就是流传至今的巴斯德灭菌法。

巴斯德关于发酵作用的研究，从1857年到1876年前后持续了20年。否定了当时盛行的所谓“自然发生说”。他认为“一切发酵过程都是微生物作用的结果。发酵是没有空气的生命过程。微生物是引起化学变化的作用者”。巴斯德的发现不仅对以前的发酵食品加工过程给以科学的解释，也为以后新的发酵过程的发现提供了理论基础，促进了生物学和工程学的结合。因此，巴斯德被称为生物工程之父。

到了20世纪初，人们发现某些梭菌能够引起丙酮丁醇的发酵，丙酮是制造炸药的原料，随着第一次世界大战的爆发刺激了丙酮丁醇工业的极大发展。虽然现在竟争力更强的新方法已逐步取代了昔日的发酵法。但它是第一个进行大规模工业生产的发酵过程，也是工业生产中首次采用大量纯培养技术的。这一工艺获得成功的重要因素是排除了培养体系中其他有害的微生物。这在19世纪末，20世纪初，是相当先进的生物技术。因此，可以说，巴斯德是生物工程初始阶段的开拓者。

1929年Flemming爵士发现了青霉素，从此生产技术产品中增加一大类新的产品—抗生素。1929年，英国科学家弗来明在污染了霉菌的细菌培养平板上观察到了霉菌菌落的周围有一个细菌抑制圈，由于这种霉菌是青霉菌，所以弗来明把这种抑制细菌生长的霉菌分泌物叫青霉素。可是他的提取精制，在当时无法做到，弗来明只好忍痛割爱，放弃研究。

10年以后，第二次世界大战的战火越烧越旺，大量伤员急需抢救，英国的一些科学家恢复了弗来明的工作，竟戏剧性的获得了成功。当时，英国本土已经战火弥漫无法试制，美国承担了青霉素的试制任务。要生产这种药物，必须要有一种严格的、将不需要的微生物排除在生产体系之外的无菌操作技术，必须要从外界通入大量的空气而又不污染杂菌的培养技术，还要想方设法从大量培养液中提取这种当时产量极低的较纯的青霉素。美国的科学家和工程师齐心协力，攻克

许多难关，到1942年终于正式实现了青霉素的工业化生产。这一伟大成就拯救了千千万万挣扎在战争死亡线上的人们。这是生物工程第一次划时代的飞跃。在这一飞跃中，作为生物技术核心的发酵技术已从昔日的以厌氧发酵为主的工艺跃入深层通风发酵为主的工艺。这种工艺不只是通通气，而与此相适应的有一整套工程技术，如1、大量无菌空气的制备技术，2、中间无菌取样技术，3、设备的设计技术等等。因此，我们说这是生物工程技术的一次划时代飞跃。尽管后来开发了许多新产品，如数以千计的抗生素、多类氨基酸、不同用途的酶制剂等，就根本来说，青霉素投产后的半个多世纪中，深层培养技术没有出现质的改变。

20世纪40年代，以获取细菌的次生代谢产物—抗生素为主要特征的抗生素工业成为生物发酵工业技术的支柱产业。

20世纪50年代，氨基酸发酵工业又成为生物技术产业的又一个成员。实现了对微生物的的代谢进行人工调节，这又使生物技术进了一步。

20世纪60年代，生物技术产业又增加了酶制剂工业这一成员。

70年代，为了解决由于人口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，如利用石油化工原料进行发酵生产，培养单细胞蛋白，进行污水处理，能源开发等。

80年代以来，随着重组DNA技术的发展，可以按人类社会的需要，定向培养出有用的菌株，这为发酵工程技术引入了遗传工程的技术，使生物技术进入了一个新的阶段。

纵观生物技术的发展历史，我们可以知道，生物技术在经历了漫长的以传统工艺技术为主体的时期以后，正向系统的理论和实际应用相结合的方向发展，即奠定了可靠的理论和实践基础，也为今天和今后相当长时期生物技术的产业化准备了条件。

三、发酵工程的特点

在研究用微生物（生物催化剂）进行某种物质生产时，大体上有两种研究方式：一种是各种酶水平上研究微生物细胞内（外）的生物化学反应，如大量摇瓶在实验室里观察限制反应速率的因素和最适的培养方法，这可以认为是一种小规模的研究形式；另一种是大规模的研究形式，即过程放大。利用小型和中型反应器（培养罐）进行培养试验，并进一步在工业规模上研究生产物的分离和精制方