发酵工程(李艳)第三篇发酵工程产物的提取-第一次课概要
发酵产物的提取与精制
❖ 2、絮凝作用 ❖ 絮凝是指使用絮凝剂（通常是天然或合成的大分子
量聚电解质），在悬浮粒子之间产生架桥作用而使 胶粒形成粗大的絮凝团的过程。
❖ 常用的絮凝剂 ❖ 聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、聚胺衍生物、氯化钙、
磷酸氢二钠
❖ 絮凝技术预处理发酵液的优点不仅在于过滤 速度的提高，还在于能有效地去除杂蛋白质 和固体杂质，如菌体、细胞和细胞碎片等， 提高了滤液质量
（一）凝聚和絮凝技术
❖ 凝聚和絮凝能有效改变细胞、菌体和蛋白质 等胶体粒子的分散状态，破坏其稳定性，使 它们聚集成可分离的絮凝体，再进行分离。
❖ 常用于细小菌体或细胞（分泌胞外产物）、 细胞的（分泌胞内产物）碎片以及蛋白质等 胶体粒子的去除。
❖ 但是应当注意，凝聚和絮凝是两种方法，两 个概念，其具体处理过程也是有差别的。
菌种对过滤速度影响
❖ 真菌的菌丝比较粗大，如青霉菌的菌丝直径可 达10μm，发酵液容易过滤，不需特殊处理。 其滤渣呈紧密饼状物，很容易从滤布上刮下来， 故可采用鼓式真空过滤机过滤。
❖ 放线菌发酵液菌丝细而分枝，交织成网络状。 如链霉素发酵液菌丝仅0.5~1.0μm左右，还含 有很多多糖类物质，粘性强，过滤较困难，一 般需经预处理，以凝固蛋白质等胶体。
✓该法不适于大规模操作，因为放大后，要输入
很高的能量来提供必要的冷却，这是困难的。
• 撞击破碎法
✓一种改进的高压方法是将浓缩的菌体悬
浮液冷却至-25˚C至-30 ˚C形成冰晶体， 利用500 MPa以上的高压冲击，冷冻细 胞从高压阀小孔中挤出。细胞破碎是由 于冰晶体的磨损，包埋在冰中的微生物 的变形所引起的。
一般工艺过程
❖ 一般说来，下游加工过程可分为4个 阶段：培养液(发酵液)的预处理和固 液分离；初步纯化(提取)；高度纯化 (精制)；成品加工。
发酵工程 第一章绪论
生物酶是生化工程的灵魂
Maintain NAD+ / NADH ratio ( redox balance ) . 糖酵解途径积累生成的NADH不能积存，必须重新氧化为NAD+后，
才能继续反应。同时,细胞的氧化还原状态，特别是NAD+/NADH的水 平直接影响着细胞的节律、衰老、癌变和死亡等重大生命过程。
如酒精发酵：
Concepts》 ，3rd Edition， Prentice Hall，2017。 Pauline M. Doran主编。《Bioprocess engineering principles》 ， 2nd Edition ，Academic Press，
2012。
绪论
第一节 发酵及发酵工程概念 第二节 发酵过程组成（课程体系） 第三节 发酵产品类型 第四节 发酵工程发展简史及发展趋势
Products of microbes under aerobic conditions
有机酸
氨基酸
核苷酸 抗生素
韩国希杰集团
中国英轩集团
荷兰皇家帝斯曼集团
维生素 酶制剂
日本味之素公司
丹麦诺维信公司
美国辉瑞公司
二、什么是发酵工程？
现代意义上的发酵工程：利用微生物的特定性状和机能，通过现代 化工程技术，生产有用物质或直接应用于工业化生产的一种技术体 系；是将传统的发酵技术与现代的基因工程、蛋白质工程、细胞工 程、代谢工程、化学工程、生物信息工程和计算机控制等新技术结 合并迅速发展的现代发酵技术。
发酵工程讲义
发酵工程讲义长江大学生科院生物技术系《发酵工程》讲义第一章绪论教学目的：了解发酵工程的意义及组成，我国发酵工程的发展现状；掌握微生物发酵的纯培养技术和深层培养技术的相关内容及发酵工程发展历史上的五个转折点；掌握发酵工程的产业化及其发展前景。
教学重点、难点：微生物发酵的纯培养技术和深层培养技术；发酵工程的产业化及其发展前景。
发酵工程的意义及组成传统生物技术：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、疫苗及抗体生产。
发酵工业范围：了解发酵工程与现代生物技术的关系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环节。
它是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性服务的一门科学。
于它以培养微生物为主，故又称为微生物工程。
发酵工程的组成：从广义上讲，三部分组成，上游工程、发酵工程、下游工程上游工程：- genetics, cell ? - inoculum development -media formulation -sterilization - inoculation 下游工程：- product extraction, purification & assay - waste treatment - by product recovery 发酵的定义： 1.传统发酵发酵最初是来自于拉丁语“发泡”这个词，是指酵母作用于果汁或发芽的谷物时产生二氧化碳的现象。
2.生化和生理学意义的发酵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，如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出CO2。
3.工业上的发酵泛指利用生物细胞制造某些产品或净化环境的过程。
发酵过程的组成部分：典型的发酵过程可划分成六个基本组成部分：繁殖种子和发酵生产所用的培养基组份设定；培养基、发酵罐及其附属设备的灭菌；培养出有活性、适量的纯种，接种入生产容器中；微生物在最适合于产物生长的条件下，在发酵罐中生长；产物分离和精制；过程中排出的废弃物的处理。
第一章 总论
1.发酵原料
一、原料的定义及选择原则 1 原料的定义： 从工艺角度来看，凡是能被生物细胞利用并 转化成所需的代谢产物或菌体的物料，都可 作为发酵工业生产的原料。
原料选择的原则 • 原料价格低廉； • 因地制宜，就地取材； • 原料资源要丰富，容易收集； • 原料要容易贮藏； • 对人体无害，影响发酵过程的杂质含量因应 当极少，或者几乎不含； • 适合微生物的需要和吸收利用。 • 对生产中除发酵以外的其他方面，如通气、 搅拌、精制、废弃物的处理等所带来的困难最少。
制备、原理及处理、无菌空气）
第二篇发酵工程机理与过程控制
第三篇 发酵工程产物处理
第四篇 与发酵工程相关的生物技术 第五篇 发酵工程废物处理和清洁生产技术
3 参考书目
《发酵工程原理与技术》李艳 高等教育出版社
《发酵工程原理与技术应用》余龙江 化学工业出版社 《现代发酵工艺原理与技术》田洪涛 化学工业出版社 《生物发酵技术与设备操作》黄儒强 化学工业出版社 《发酵产品工艺学》陶兴 无化学工业出版社 《现代工业发酵调控学》储炬 化学工业出版社
发酵工程原理与 技术
主讲：鲍成满
E-mail:baochengman@
1 课程目的与任务
目的：掌握发酵的过程及相关知识。 任务：掌握发酵微生物、无菌空气制备、 掌握常见产物发酵机理、发酵过程控制 ，掌握发酵工程产物的获取。
2 课程结构 总论 第一篇 工业微生物和发酵工业原理（菌种
2.发酵培养基的配制与灭菌
培养基设计的基本原则 培养基的组成必需满足细胞的生长和代谢产物所 需的元素，并能提供生物合成和细胞维持活力所 需要的能量。 目的要明确； 培养基的营养要协调； 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。
发酵工程笔记
第一章发酵工程1．发酵工程定义定义1：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，或直接把微生物细胞作为产品的工业生产过程。
定义2 ：发酵工程是指在最适发酵条件下，在发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的技术。
2．发酵工程的发展历史大致可分为三个阶段：○1传统（古老）发酵技术阶段（纯培养技术建立之前）○2近代发酵技术阶段（20世纪20年代—70年代）○3现代发酵技术阶段（20世纪70年代以后）3．为什么能利用微生物进行发酵生产：微生物繁殖速度快，代谢能力强，易培养，容易改造代谢产物多样，能利用廉价的有机物、无机物。
4．发酵工程的特点（与化学工业相比）1 原料广泛2 生产安全、设备简单3 反应专一性强、副产物少4 代谢多样、应用广泛5 易受污染、无菌要求严格6 菌种的优劣影响较大。
第二章工业用微生物菌种1．工业用菌种的特点及要求：1具有稳定的遗传学特性2能利用低价的原材料3长条件易于满足4于细菌，具有抗Phage的能力5酵周期短，降低生产成本6谢产物无毒无害2．发酵工业常用微生物从菌种的遗传学特征上可以把菌种分为：野生型和改良型从微生物分类学的角度分为：1细菌类2酵母菌3霉菌4放线菌3．菌种选育的目的：防止菌种退化，提高生产能力，简化生产工艺，开发新产品4．菌种选育方法：○1基因突变—自然选育，诱变育种○2基因重组—杂交育种（原生质体融合），基因工程5．自然选育：利用微生物自然突变进行菌种选育的过程，一般习惯称为菌种的分离纯化。
6．自然选育的目的：纯化菌种、复壮菌种、稳定生产、提高产量。
自然选育方法步骤：○1通过表观形态来淘汰不良菌株（初筛）○2通过目的代谢物产量考察（副筛）○3菌种纯度试验（纯度验证）○4传代稳定性试验（传代试验）。
7．各种生产菌适宜的保藏方法——酵母菌：定期移植斜面低温保藏法，石蜡油保藏法曲霉菌：砂土保藏法真菌（只长菌丝不长孢子的菌）：采用液氮超低温冻结保藏，石蜡油保藏法细菌：斜面低温保藏法，冷冻干燥保藏法放线菌：砂土或冷冻保藏法8．菌种的退化：生产菌株遗传标记的丢失，导致生产能力下降，即负突变,称为菌种的退化9．菌种退化的原因：内因—基因突变，分离现象，质粒脱落；外因：保藏方法不当，营养条件不适，传代次数过多10．防治菌种退化的措施：从菌种选育方面考虑：控制传代次数,合理传代，采用不易衰退细胞传代，采用有效的保藏方法11．菌种衰退时应采取的提纯复壮措施：分离纯化，通过寄主体进行复壮，淘汰衰退的个体12．种子扩大培养:指将保存的处休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后，再经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养,最终获得一定数量和质量纯种的过程。
《发酵工程》课程教学大纲
《发酵工程》课程教学大纲课程名称：发酵工程课程类别：专业选修课适用专业：食品科学与工程考核方式：考察总学时、学分： 32 学时、2 学分一、课程教学目的发酵工程是整个生物技术的核心，是工业微生物实现试验室与工厂化生产的具体操作，是生物技术在生产实践中应用的原理及方法的一局部，是基因工程及酶工程等生物技术工业化的过程与方法。
因此，通过对《发酵工程》的学习，不仅把握发酵工程原理及发酵优化把握过程，而且对系统了解生物技术及其工业化应用都具有深远的意义。
另外，通过《发酵工程》试验及发酵工程各论的了解，不仅能够把握发酵工艺操作从小试到放大的具体过程及反响过程把握方法，而且进一步了解了目前发酵行业的具体产品生产工艺，从理论到方法学会发酵工程这一门技术，对发酵生产能够进展指导与分析。
二、课程教学要求通过本课程的教学，应使学生把握发酵工程学的根本学问和根本技能，了解现代生物工程技术的进展与应用状况，具备确定的微生物生产工程技能。
通过本课程的学习，使学生深刻理解发酵工程的微生物学原理，结实把握发酵工业菌种的筛选、驯化、培育与保藏，好氧、厌氧发酵工艺的调控与治理，了解发酵产品提取与精制的原理、流程及常见发酵产品的生产过程。
三、先修课程食品微生物学、生物化学。
四、课程教学重、难点重点：发酵工程的概念、特点；工业微生物菌种的退化、复壮与保藏；工业上常用作碳源、氮源的原料；淀粉水解糖的制备方法；微生物对培育基中的碳源代谢；酒精发酵机制；好氧发酵罐构造和功能；温度、 pH 和泡沫对发酵过程的影响；不同时间及染菌程度对发酵的影响；种子、空气、培育基和设备染菌及防治；细胞裂开方法及裂开率的测定；盐析法分别发酵产物。
难点：影响种子培育的因素和种子质量的把握；发酵生产的前体物质和促进剂、抑制剂有机酸发酵机制；染菌的检查推断及缘由分析；离子交换法原理和离子交换树指的构造与分类，膜和膜分别的根本理论。
五、课程教学方法与教学手段多媒体教学,课堂讲授与实践相结合。
发酵工程第一次课
一、细菌
1、细菌的结构
一、细菌
2、细菌的繁殖：
细菌主要是以二分裂的方式进行繁殖
几 种 菌 落
二、放线菌
1、放线菌的形态
二、放线菌
2、放线菌的结构
气 生 菌 丝
孢 子 丝 孢子
培养基
基内菌丝
二、分离思路
• 新菌种的分离是要从混杂的各类微生物中依照 生产的要求、菌种的特性，采用各种筛选方法， 快速、准确地把所需要的菌种挑选出来。 • 实验室或生产用菌种若不慎污染了杂菌，也必 须重新进行分离纯化。 • 有了优良的菌种，还要有合适的工艺条件和合 理先进的设备与之配合。
3、工业上的发酵
• 泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程 包括： 1. 厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。 2. 通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基 酸、酶制剂等。 • 产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。
Engineering
• 抽象的方法除表现为数学的使用外，更重 要的是掌握“工程思维”（engineering sense)方法。 • 工程本质上是具有价值取向的主体作用于 客体、主观思维物化为客观实体的一种目 标导向的活动和过程。
Engineering sense method
• • • • • • Adaptability 生物适应性(或可行性） Continuity 可持续性 Fixed quantity of process 过程的量化 Economy 经济性 Efficiency 效率 ……
如何从生物现象中抽象出共性的内容
下游工程
FERMENTATION Process Control
DOWNSTREAM PROCESSES
Fermentation engineering
第一章发酵工程知识点汇总解析
第一章发酵工程知识点汇总第一节传统发酵技术的应用(一)发酵与传统发酵技术1．发酵(1)概念：是指人们利用微生物，在适宜的条件下，将原料通过微生物的代谢转化为人类所需要的产物的过程。
(2)应用：不同的微生物具有产生不同代谢物的能力，利用它们就可生产出人们所需要的多种产物。
2．传统发酵技术(1)概念：直接利用原材料中天然存在的微生物，或利用前一次发酵保存下来的发酵物中的微生物进行发酵、制作食品的技术。
(2) 传统发酵技术方式：以混合菌种的固体发酵及半固体发酵为主，通常是家庭式或作坊式（3）传统发酵技术菌种的来源; 原材料中天然存在的微生物，或利用前一次发酵保存下来的发酵物中的微生物（4）传统发酵技术的优缺点：缺点：生产条件不易控制，容易收杂菌的污染，生产效率低，品质不一等。
优点：操作简单便于家庭式或作坊式生产,成本低。
（4）实例：腐乳的制作①参与发酵的微生物;酵母、曲霉和毛霉等，其中起主要作用的是毛霉。
②原理：（写化学反应式）【思考】：1.每年进行同样的操作，每年制作的腐乳口感是否完全相同？不完全相同，发酵的生产条件不易被控制，自然界中微生物的种类多样。
2. 腐儒的制作过程中，为什么卤汤中酒的含量在12%左右？酒含量过高会延长腐乳成熟的时间，过低不足以抑制微生物生长，可能导致豆腐腐败。
(二)尝试制作传统发酵食品1.传统发酵菌种的比较2．实例泡菜的制作(1)菌种：乳酸菌。
(2)发酵原理：在无氧条件下，将葡萄糖分解成乳酸。
反应式：C6H12O6――→酶2C3H6O3＋能量。
(3)腌制条件：控制腌制的时间、温度和食盐的用量，防止杂菌污染，严格密封。
(4)制作过程配制盐水：用清水和食盐配制质量百分比为5%20%的盐水（目的：过高：乳酸发酵受抑制，泡菜风味差；过低：杂菌易繁殖，导致泡菜变质）→盐水煮沸（目的：杀菌除氧）→冷却待用（目的：避免杀死乳酸菌菌种）原料处理、 蔬菜装坛：新鲜蔬菜洗净→切条块、混匀→晾干；装至半坛→加调味料→继续加菜至八成满注意：装八成满的主要目的：防止因装太满使盐水未完全淹没菜料而导致菜料变质腐烂加盐水：将冷却好的盐水缓缓倒入坛中，盐水没过全部菜料→盖好坛盖封坛发酵：向坛盖边缘的水槽中注满水→发酵过程中经常向水槽中补充水根据室内温度控制发酵时间【思考】（1）.泡菜制作中，哪些操作制造的“无氧环境”？a.选择的泡菜坛要有很好的气密性；b.盐水煮沸后冷却 待用；c.加入蔬菜后要注入盐水并没过全部菜料；d.盖上 坛盖，并用水密封泡菜坛（2）.泡菜发酵初期，泡菜坛的水槽内会有间歇性的气泡冒出，试分析产生气泡的原因。
09116发酵工程教学大纲
09116发酵工程教学大纲《发酵工程》课程（09116）教学大纲一、课程基本信息课程中文名称：发酵工程课程代码：09116学分与学时：4学分，76学时（理论课2.5学分，52学时；实验课1.5学分，24学时）课程性质：专业必修授课对象：生物工程二、课程教学目标与任务《发酵工程》是生物工程专业的一门专业必修课，发酵工程是生物技术的基础和重要组成部分，是生物技术产业化的重要环节，是工业生物技术的核心。
发酵工程是利用微生物的特定性状和技能，通过现代化工程技术，生产有用物质或直接应用于工业化生产的一种技术体系。
通过本课程的学习，使学时掌握微生物产品生产的基本理论，能进行发酵的工艺设计和解决产品生产过程中出现的主要问题，并为从事生物新产品和工艺的研究与开发打好应用的理论基础。
三、学时分配课程内容与学时分配表四、课程教学内容与基本要求发酵过程一般包括培养基制备、无菌空气供应、菌种及种子扩大培养、发酵过程及控制、发酵产品下游加工过程和发酵过程废弃物处理等几大部分。
基于《生物工程设备》、《发酵工程》、《生物分离工程》三个组成部分集体分工和侧重点不同，《发酵工程》部分着重阐明、并要求学生熟练掌握培养基制备、无菌空气工艺、菌种及种子扩大培养、发酵过程及控制、染菌和防治等几个单元操作的基本原理和方法，对于其它部分将在后续的课程中深入讲解。
发酵过程是一门综合性很强的课程，涉及到化工原理、生物化学、微生物学、物理化学等多个学科，基础理论性和实践性均很强，要求基础理论和生产实践密切结合。
因此，该课程需啊哟在理论教学的同时，配合生产见习和实验的实践环节，要求学生建立实际生产的概念，在参观实习和实验实践中巩固本课程的教学效果，培养分析问题和解决问题的能力。
学生通过该课程的学习将会缩短理论与生产实践的距离，建立用理论知识分析和解决生产实际问题的概念和能力，动手能力也将有所提高。
第一章发酵工程概论教学目的：从总体上让学生对发酵工程有个整体的认识。
发酵工程实验讲义
发酵工程实验（适合发酵工程原理与技术）张建国用前沿发酵工程（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。
生物技术产品具有多样性，各个学校的教学资源和课时不同，所进行的实验种类不同。
本实验内容根据本校的具体条件进行安排。
安排的思路是以最简洁有效的方式针对发酵过程的重要要素进行实验，便于学生对教学内容有个较好的认识，理顺学习思路，为进行社会科学实践打下良好基础。
第一篇野生型菌株的筛选经典的发酵产物来自微生物，土壤是微生物的大本营。
生产菌株的选育源头都来自于自然界。
如何从自然界中筛选目的微生物，可以根据目的微生物和产物的特性作为筛选条件，进行筛选提高筛选效率，从而有效的解决菌株从无到有的问题。
实验一产淀粉酶菌株的筛选（4学时）一．实验目的筛选一株能够合成分解淀粉的微生物。
二．原理自然界微生物种类繁多，有些微生物能够以淀粉作为碳源进行生长繁殖是因为它们能够合成分泌淀粉酶，因此我们能够从自然界中定向分离出合成淀粉酶的微生物。
当能合成淀粉酶的微生物在固体培养基中生长时，会将淀粉酶分泌到菌体周围，将菌落周围的淀粉水解成为小分量的糊精、聚糖和单糖。
这些水解物不能包裹单质碘从而在菌体周围形成透明圈。
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。
发酵工程01第一章 发酵工程概论
19
3、工业上的发酵
• 泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程 包括： 1.厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。 2.通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基 酸、酶制剂等。 • 产品有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。
20
• 提问：发酵工程的应用领域
21
发酵工程应用范围
食品工 程 酶 工 业 氨基酸工业 有机酸工业 饲料工 业 新材料开发 生物化 工 环境保 护
14
• 提问：什么是发酵
15
微生物发酵技术
•
1857年法国化学家、微生物家巴斯德提出了
著名的发酵理论：“一切发酵过程都是微生物 作用的结果。” • 巴斯德认为，酿酒是发酵，是微生物在起 作用；酒变质也是发酵，是另一类微生物在作 祟；随着科学技术的发展，可以用加热处理等 方法来杀死有害的微生物，防止酒发生质变。 同时，也可以把发酵的微生物分离出来，通过 人工培养，根据不同的要求去诱发各种类型的 发酵，获得所需的发酵产品。
2
需要注意的问题
认识发酵工程的重要性 如何学习这门课 如何去看书 重视科技文献 尤其要重视实验课 有关考试
3
教材及主要参考书
教材： 教材： 《生物工艺学》 俞俊棠主编 生物工艺学》 华东理工大学出版社， 华东理工大学出版社，1991. 参考书： 参考书： 1.曹军卫, 马辉文. 微生物工程. 科学出版社， 1.曹军卫, 马辉文. 微生物工程. 科学出版社，2002. 曹军卫 2.P.F.斯坦伯里 A 惠特克 发酵工艺学原理 中国医药科 斯坦伯里, 斯坦伯里 惠特克. 发酵工艺学原理. 技出版社. 技出版社 1992. 3.贺小贤 生物工艺原理 化学工业出版社 2003. 贺小贤. 贺小贤 生物工艺原理. 化学工业出版社. 4.尹光琳 战立克 赵根楠 发酵工业全书 中国医药科技 尹光琳,战立克 尹光琳 战立克, 赵根楠. 发酵工业全书.中国医药科技 出版社. 出版社 1992.
发酵工程李艳第三篇发酵工程产物的提取-第一次课
第三篇发酵工程产物的提取第十一章发酵工程下游技术发展及发酵液的预处理第一节：发酵工程下游技术发展一、下游技术领域及发酵产物分类（5-8min）1.引入概念在前11周，我们学习了菌种选育、种子培养、发酵过程控制等内容，以上为发酵的上游部分，区分上游和下游的关键是判断“发酵结束”，标准为产品质量和经济效益。
2.定义：下游技术（工程）（downstream processing）：对于由生物界自然产生的或由微生物菌体发酵的、动植物细胞组织培养的、酶反应等各种生物工业生产过程获得的生物原料，经提取分离、加工并精制目的成分，最终使其成为产品的技术。
（重点）3.从工业发酵范畴来看，从发酵液中获得的发酵产物大致可分为三类：菌体、酶、代谢产物。
发酵液中的杂质：菌体、蛋白、有机酸4.举例：酶的分离纯化；葡萄酒的纯化5、下游加工过程在生物技术中的地位（3min）1.组成：下游加工过程是生物技术的重要组成部分，发酵液或反应液需要经过下游加工过程才能成为成品；2.费用：传统发酵工业中下游部分的费用占整个工厂投资费用的6 0%,而对重组DNA生产蛋白质等基因工程产品，下游加工的费用可占整个生产费用的80%—90%；3.关注程度：英国政府工业部于1 9 8 3年发起生物分离计划（BIOSEP）,专门研究下游加工过程；1 9 8 7年英国化学工业会召开了专门讨论下游加工过程的国际会议；我国也于19 8 9年在济南召开了一次专门会议；近十年来国内外有关生物分离或蛋白质纯化的专著陆续出版。
三、下游加工技术的特点（3min）1.目的产物在初始原料中的含量较低；2.含目的产物的初始物料组成复杂，除了目的产物外，还有大量的细胞、代谢、残留培养基、无机等，特别是产物类似物对目的产物的分离纯化影响很大；3.目的产物的稳定性差，具有生物活性的物质对pH、温度、金属离子、有机溶剂、剪切力、表面张力等十分敏感，容易是其失活、变性；4.种类繁多，包括大、中、小分子、结构简单或复杂的有机化合物，以及结构复杂又性质各异的生物活性物质；5.应用面广，对其质量、纯度要求高，甚至要求无菌、无热源。
发酵工程知识点(3)
第一部分：微生物工程原理1、概论1.1发酵工程的概念和特点1.2发酵工业的发展简史1.3发酵工程的应用2、生产菌种来源3、微生物代谢调节和代谢工程4、优良菌种选育5、菌种保藏6、培养基7、发酵工艺控制8、参数检测第二部分：微生物工程下游加工工程第三部分：微生物工程生产设备第四部分：微生物工程生产工艺和产品举例第一章概论掌握本章知识点：1、发酵及发酵工程的定义；2、发酵工程研究的内容；3、发酵技术的发展阶段及其技术特点；4、发酵产物类型。
1、发酵、发酵工程的概念和特点1）传统发酵：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：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。
巴斯德：发酵是酵母菌在无氧状态下的呼吸过程，即无氧呼吸，是“生物获得能量的一种方式”。
3）工业上：泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程。
包括：厌氧培养的生产过程，如酒精，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。
4）发酵工程：利用微生物的生长代谢活动来生产各种有用生物化学产品的技术过程。
5）发酵工程研究的内容①一条主线：菌种，培养基，种子扩大培养，发酵过程控制，后处理；②两个重点：发酵过程优化，发酵过程放大；③三个层次：反应器水平，细胞水平，分子水平；④四个目标：高转化，高产量，高效率，低成本；6）利用发酵工程进行生产的优点：安全生产，可持续发展。
7）发酵过程存在的问题和缺陷：发酵过程会产生副产物；菌种易发生变异和退化；发酵过程的控制相当复杂；原料主要是农副产品，质量和价格波动较大；与化工过程相比，反应器的效率低；发酵废水量大，并含较高的COD和BOD；；生产过程易受杂菌污染的影响。
8）上游工程：菌种培养发酵工程：发酵罐下游工程：产物提纯2、发酵工业的发展简史1）古老的发酵工业-1900年前（白酒酿造；面包发酵、奶酪制造；酱油、泡菜）特点：多菌混合天然发酵2）早期的发酵工业1900-1940（酒精，乳酸）1680荷兰列文虎克观察到微生物。
发酵工程(李艳)第三篇 发酵工程产物的提取-第一次课
第三篇发酵工程产物的提取第十一章发酵工程下游技术发展及发酵液的预处理第一节：发酵工程下游技术发展一、下游技术领域及发酵产物分类(5-8min)1.引入概念在前11周，我们学习了菌种选育、种子培养、发酵过程控制等内容，以上为发酵的上游部分，区分上游和下游的关键是判断“发酵结束”，标准为产品质量和经济效益。
2.定义：下游技术（工程）（downstream processing）：对于由生物界自然产生的或由微生物菌体发酵的、动植物细胞组织培养的、酶反应等各种生物工业生产过程获得的生物原料，经提取分离、加工并精制目的成分，最终使其成为产品的技术。
（重点）3.从工业发酵范畴来看，从发酵液中获得的发酵产物大致可分为三类：菌体、酶、代谢产物。
发酵液中的杂质：菌体、蛋白、有机酸4.举例：酶的分离纯化；葡萄酒的纯化二、下游加工过程在生物技术中的地位（3min）1.组成：下游加工过程是生物技术的重要组成部分，发酵液或反应液需要经过下游加工过程才能成为成品；2.费用：传统发酵工业中下游部分的费用占整个工厂投资费用的６０％，而对重组ＤＮＡ生产蛋白质等基因工程产品，下游加工的费用可占整个生产费用的８０％－９０％；3.关注程度：英国政府工业部于１９８３年发起生物分离计划（ＢＩＯＳＥＰ），专门研究下游加工过程；１９８７年英国化学工业会召开了专门讨论下游加工过程的国际会议；我国也于１９８９年在济南召开了一次专门会议；近十年来国内外有关生物分离或蛋白质纯化的专著陆续出版。
三、下游加工技术的特点（3min）1.目的产物在初始原料中的含量较低;2.含目的产物的初始物料组成复杂,除了目的产物外，还有大量的细胞、代谢、残留培养基、无机等，特别是产物类似物对目的产物的分离纯化影响很大；3.目的产物的稳定性差，具有生物活性的物质对 pH、温度、金属离子、有机溶剂、剪切力、表面张力等十分敏感，容易是其失活、变性；4.种类繁多，包括大、中、小分子、结构简单或复杂的有机化合物，以及结构复杂又性质各异的生物活性物质；5.应用面广，对其质量、纯度要求高，甚至要求无菌、无热源。
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第三篇发酵工程产物的提取第十一章发酵工程下游技术发展及发酵液的预处理第一节：发酵工程下游技术发展一、下游技术领域及发酵产物分类(5-8min)1.引入概念在前11周，我们学习了菌种选育、种子培养、发酵过程控制等内容，以上为发酵的上游部分，区分上游和下游的关键是判断“发酵结束”，标准为产品质量和经济效益。
2.定义：下游技术（工程）（downstream processing）：对于由生物界自然产生的或由微生物菌体发酵的、动植物细胞组织培养的、酶反应等各种生物工业生产过程获得的生物原料，经提取分离、加工并精制目的成分，最终使其成为产品的技术。
（重点）3.从工业发酵范畴来看，从发酵液中获得的发酵产物大致可分为三类：菌体、酶、代谢产物。
发酵液中的杂质：菌体、蛋白、有机酸4.举例：酶的分离纯化；葡萄酒的纯化二、下游加工过程在生物技术中的地位（3min）1.组成：下游加工过程是生物技术的重要组成部分，发酵液或反应液需要经过下游加工过程才能成为成品；2.费用：传统发酵工业中下游部分的费用占整个工厂投资费用的６０％，而对重组ＤＮＡ生产蛋白质等基因工程产品，下游加工的费用可占整个生产费用的８０％－９０％；3.关注程度：英国政府工业部于１９８３年发起生物分离计划（ＢＩＯＳＥＰ），专门研究下游加工过程；１９８７年英国化学工业会召开了专门讨论下游加工过程的国际会议；我国也于１９８９年在济南召开了一次专门会议；近十年来国内外有关生物分离或蛋白质纯化的专著陆续出版。
三、下游加工技术的特点（3min）1.目的产物在初始原料中的含量较低;2.含目的产物的初始物料组成复杂,除了目的产物外，还有大量的细胞、代谢、残留培养基、无机等，特别是产物类似物对目的产物的分离纯化影响很大；3.目的产物的稳定性差，具有生物活性的物质对 pH、温度、金属离子、有机溶剂、剪切力、表面张力等十分敏感，容易是其失活、变性；4.种类繁多，包括大、中、小分子、结构简单或复杂的有机化合物，以及结构复杂又性质各异的生物活性物质；5.应用面广，对其质量、纯度要求高，甚至要求无菌、无热源。
四、生物工业下游技术的发展历程（3min）1.古代酿造业古代酿造业包括酿酒、制酱（油）、醋、酸奶和干酪等。
技术原始、家庭式作坊、产物基本不经过后处理而直接使用，无下游技术。
2. 第一代生物技术主要指19世纪60年代---20世纪40年代青霉素等抗生素出现之前的生物技术产业。
发现了发酵的本质是微生物的作用，掌握了纯种培养技术，生物技术进入近代酿造产业的发展阶段。
到20世纪上半叶，逐渐开发形成了发酵法生产酒精、丙酮、丁醇等微生物发酵工业（厌氧发酵），其产品相对简单，基本上是无活性的小分子。
此时开始引入过滤、蒸馏、精馏等近代分离技术。
3. 第二代生物技术以20世纪40年代出现的青霉素产品为代表。
无菌空气制备技术、大型好氧发酵装置开发，一大批通风发酵技术产品相继投入了工业生产，如抗生素（链霉素）、氨基酸（谷氨酸）、有机酸（核酸、柠檬酸）、酶制剂（淀粉酶）、微生物多糖和单细胞蛋白等。
产品多样性决定了分离方法的多样性。
借鉴和引进吸收了大量的近代化学工业的分离技术，如沉淀、离子交换、萃取、结晶等。
4.近期的生物技术20世纪80年代以来，生物工业下游技术进步很快，出现了很多新概念、新技术、新产品和新装备。
大致可分为以下几大类（1）固液分离技术近20年来，将在污水处理、化学工程和选矿工程上广泛使用的絮凝技术引入到发酵液的预处理上，研究开发了菌体及悬浮物絮凝技术，改善了发酵液的分离性能，加之纤维素助滤剂的开发，大大提高了发酵液的固液分离效率。
在固液分离机械方面，也出现了一些性能优良的新型机械，如带式过滤机、连续半连续板框过滤机、螺旋沉降式离心机等。
微滤膜可高效分离细微的悬浮粒子。
（2）细胞破碎技术已开发出珠磨破碎、压力释放破碎、冷冻加压释放破碎和化学破碎等技术。
该技术的成熟使得胞内生物物质的大规模工业化生产成为可能。
（3）初步分离纯化技术主要开发了沉淀、离子交换、萃取、超滤等技术。
较早出现的是酶及蛋白质的盐析法；有机溶剂沉淀法；双水相萃取技术比较适合于胞内活性物质和细胞碎片的分离，为进一步纯化精制创造了前提；超滤技术解决了生物大分子对pH、热、有机溶剂、金属离子敏感等难题，在生物大分子的分级、浓缩、脱盐等操作中得到了广泛的使用。
（4）高度分离纯化技术小分子物质一般可通过离子交换、脱色和结晶、重结晶等方法获得纯度很高的产品。
生物大分子的纯化一直是个难题。
20世纪70年代以来，逐渐开发出各种色谱（层析）技术，如亲和色谱、疏水色谱、聚焦色谱、离子交换色谱和凝胶色谱等，后两种技术已开始用于批量生产。
（5）其他新型分离技术超临界CO2萃取技术在获得天然生物物质方面有着独特的优势。
20世纪80年代以来，已经在许多领域中迅速实现了工业化。
如啤酒花中有效成分和咖啡豆中咖啡因的萃取分离。
介于反渗透和超滤之间的纳米滤技术，由于其能使水和大部分无机盐通过而截留分子量300-1000的小分子有机物，且操作压力低，在生物工业和水处理中具有广阔的应用前景。
渗透蒸发技术、液膜技术及反胶团技术的研究和应用开发等也相继取得了很大的进展。
第二节发酵工业下游技术的一般工艺过程（5min）成熟的化工单元：蒸馏、萃取、结晶、吸附、蒸发和干燥等属传统的单元操作；新近发展起来的单元操作：如细胞破碎、膜过程和色谱分离等，缺乏完整的理论；介于两者之间的有离子交换过程等。
1、一般工艺过程一般说来，下游加工过程可分为4个阶段：培养液(发酵液)的预处理和固液分离；初步纯化(提取)；高度纯化(精制)；产品的最后加工。
预处理和固液分离：目的是除去发酵液中的菌体细胞和不溶性固体杂质（离心和过滤）。
初步分离：目的是除去与产物性质差异较大的杂质，为后道精制工序创造有利条件（萃取、吸附、沉淀、蒸发）高度纯化：去除与产物的物理化学性质比较接近的杂质（层析、膜分离、离子交换、沉淀、电泳）。
产品的最后加工：成品形式由产品的最终用途决定（结晶、干燥、蒸馏）。
2.如何着手对一种未知的发酵产品进行提取（1）分离过程的控制参数（2）设计中应考虑下列问题What is the value of the product? （产品价值）What is an acceptable product quality? (产品质量）Where is the product in each process stream?（产物在生产过程中出现的位置）Where are the impurities in each process stream?（杂质在生产过程中出现的位置）What are the unusual physicochemical properties of the product and the principal impurities?（主要杂质独特的物化性质是什么？）What are the economics of various alternative separations?（不同分离方法的技术经济比较）第三节发酵液预处理引言：从微生物发酵液或细胞培养液中提取生化物质的第一个重要步骤，就是预处理和固液分离。
其目的不仅在于分离细胞、菌体和其他悬浮颗粒，还希望除去部分可溶性杂质和改变滤液的性质，以利于后续的各步操作。
一、发酵液预处理工艺各种发酵产品，由于菌种不同和发酵液特性不同，其预处理方法的选择也有所不同。
大多数发酵产物存在于发酵液中，但也有少数产物存在于菌体中，或发酵液和菌体中都含有，但无论产物是在胞内，还是在胞外或者是菌体本身，首先都要对发酵液进行过滤和预处理，将固、液分开，然后才能从澄清的滤液中采用物理、化学的方法提取代谢产物，或从细胞出发进行细胞破碎、碎片的分离和提取胞内产物。
预处理的方法完全取决于可分离物质的性质，如对PH和热的稳定性、是蛋白质还是非蛋白质、分子的质量和大小等等。
具体方法主要有以下几种：1、加热法加热法是最简单和价廉的预处理方法，即把悬浮液加热到所需温度并保温适当时间。
加热可降低液体的黏度，根据流体力学的原理，滤液通过滤饼的速率与液体的黏度成反比，可见降低液体黏度可有效提高过滤速率；同时，在适当温度和受热时间下可使蛋白质凝聚，形成较大颗粒的凝聚物，进一步改善了发酵液的过滤特性。
例如，链霉素发酵液，调酸至PH3.0后，加热至70℃，维持半小时，其黏度下降至原来的1/6，过滤速率可增大10～100倍。
使用加热法时必须严格控制加热温度和时间。
首先，加热的温度必须控制在不影响目的产物活性的范围内；其次，温度过高或时间过长，会使细胞溶解，胞内物质外溢，增加发酵液的复杂性，影响产物后续的分离与纯化。
因此，加热法的关键取决于产品的热稳定性。
2、调节悬浮液的PH值PH值直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质，因此适当调节发酵液的PH值可改善其过滤特性。
此法是发酵工业中发酵液预处理较常用的方法之一。
对于Aa、Pro等两性物质，在等电点时，其溶解度最小，这就是等电沉淀法。
例如，在味精生产中，利用等电点（PH3.22）沉淀法提取谷氨酸；在膜过滤中，发酵液中的大分子物质容易与膜发生吸附，通过调整PH值改变易吸附分子的电荷性质，即可减少堵塞和污染。
3、凝聚和絮凝凝聚和絮凝都是悬浮液预处理的重要方法，其处理过程就是将化学药剂预先加入到悬浮液中，改变细胞、细胞碎片、菌体和Pro等胶体粒子的分散状态，破坏其稳定性，使其凝结成较大的颗粒，便于提高过滤速率，而且能有效地除去杂蛋白和固体杂质，提高滤液质量。
但凝聚和絮凝是两种不同方法，其具体处理过程还是有差别的，应该明确区分开来，不可混淆。
（1）凝聚凝聚是指向胶体悬浮液中加入某种电解质，在电解质异电离子作用下，胶体粒子的双电层电位降低，从而使胶体失去稳定性并使粒子相互凝聚成1mm左右大小的块状凝聚体的过程。
发酵液中的细胞、菌体或Pro等胶体粒子的表面，一般都带有电荷，由于静电引力的作用，使溶液中带相反电荷的离子被吸附在其周围，这样在界面上就形成双电层。
这种双电层的结构使胶体粒子之间不易凝聚而保持稳定的分散状态，其电位越高，电排斥作用越强，胶体粒子的分散程度也就越大，发酵液过滤就越困难。
电解质的凝聚能力可用凝聚值来表示，使胶体粒子发生凝聚作用的最小电解质浓度（mmol / L）称为凝聚值。
根据Schuze－Hardy法则，反离子的价数越高，其凝聚值就越小，即凝聚能力越强。
所以，阳离子对带负电荷的发酵液胶体粒子的凝聚能力依次为：Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+。
常用的凝聚剂有Al2(SO4)3·18H2O、 AlCl3·6H2O、 ZnSO4 、FeCl3 、FeSO4·7H2O、H2SO4、HCl、 NaOH 、Na2CO3、 Al(OH)3等。