食品生物技术发酵工程
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总结：因此如何保证大规模发酵在最适条件下进行，仍是一个值得研
究的课题，它不仅涉及到发酵设备的工程问题，也与各类生物细胞的生 理生化特性相关。
一般生物反应过程由四个部分组成： （1）材料的预处理
培养基的制备过程，包括其配制和灭菌等；
（2）生物催化剂的制备
固定化技术来制备；
（3）生物反应器及反应条件的选择与监控
➢ 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；
2、微生物反应过程 采用活细胞为催化剂时的反应过程。这既包括一般的微生物发酵反应 过程，也包括固定化细胞反应过程和动植物细胞的培养过程。
3、废水的生物处理过程 它是利用微生物本身的分解能力和净化能力，除去废水中污染物质的过 程。
五、生物化学工程的基本内容
生化工程由三部分组成：上游工程，发酵过程和下游工 程。
第五章 发酵工程与食品工程
第一节 发酵工程概述 第二节 发酵设备与基本工艺过程 第三节 发酵过程控制 第四节 发酵工程在食品工业中的应用
第一节 发酵工程概述
发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包 发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支，成为一个包括了 微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软 硬件工程的一个多学科工程。现代发酵工程不但生产酒精类饮料、 醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗 等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂 等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、 酶、维生素和单细胞蛋白等。
生物反应器是进行生物反应的核心设备；
（4）产品的分离纯化
将含量较低的产物从反应液中提取出来（指胞外产物）或从细 胞中（指胞内产物）提取出来，并加以精制以达到规定的质量要 求。
生物反应过程主要有这样一些特点：
– 采用可再生资源作为主要原料，因而原料来源丰实，价格低廉，过 程中废物的危害性较小，但由于原料的成分复杂，往往难以控制会 给产品质量带来一定的影响；
一、发酵工程主要内容
发酵工程是指在最适Fra Baidu bibliotek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。
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 精制方法，以确定在细胞水平上的综合的最适培养条件。
发酵工程的一个基本特点：发酵技术的放大方面，则需要由小试放大到 中试逐步进行探讨。实验室进行的小规模发酵所获得的最适条件的各种 参数，能否在工业规模生产中也同样保证其最适条件，那就是不是轻而 易举的事了。
二、发酵工程的发展历史
➢ 1000多年（甚至4000多年）以前酒类的酿造； ➢ 19世纪利用酵母进行大规模发酵生产。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，发明巴斯德灭菌法，找到了乳酸杆菌的生物体 ； ➢ 20世纪初，发现某些梭菌能够引起丙酮丁醇的发酵。它是第一个进行大
– 由于采用的是生物催化剂，反映过程一般在常温常压下进行。但生 物催化剂易受环境的影响和杂菌的污染，因而很易失活，难以长期 使用；
– 与一般化工产品相比，其生产设备比较简单，能耗较低。但某些生 物反应由于其特殊性质而使反应基质浓度和产物浓度均不能太高， 这是因为微生物细胞或生物酶受底物浓度或产物浓度的抑制或不能 耐高渗透压所致，不仅使反应器体积增大，而且也加大了提取的困 难，因而反应器生产效率较低；
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；
➢ 1929年Flemming爵士发现了青霉素，但无法提取精制 ； ➢ 1942年终于正式实现了青霉素的工业化生产，这是生物工程第一次划
时代的飞跃，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 ；
➢ 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；
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。
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；
– 尽管生物反应过程成本低，应用广，但反应极为复杂，较难检测与 控制。反应液中杂质多，给分离提纯带来了困难。
四. 生物反应过程的分类 1、酶催化反应过程
采用游离酶或固定化酶为催化剂时的反应过程。生物体中所进行的反 应几乎都是在酶的催化下进行的。工业生产中所用的酶，或是经提取 分离得到的游离酶，或是固定在多种载体上的固定化酶 。
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；
发酵过程（发酵工艺）：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；
下游工程：指从发酵液中分离和纯化产品的技术：包括固 液分离技术（离心分离，过滤分离，沉淀分离等工艺）， 细胞破壁技术（超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂 和溶壁酶等），蛋白质纯化技术（沉淀法、色谱分离法 和超滤法等），最后还有产品的包装处理技术（真空干 燥和冰冻干事燥等）。
究的课题，它不仅涉及到发酵设备的工程问题，也与各类生物细胞的生 理生化特性相关。
一般生物反应过程由四个部分组成： （1）材料的预处理
培养基的制备过程，包括其配制和灭菌等；
（2）生物催化剂的制备
固定化技术来制备；
（3）生物反应器及反应条件的选择与监控
➢ 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；
2、微生物反应过程 采用活细胞为催化剂时的反应过程。这既包括一般的微生物发酵反应 过程，也包括固定化细胞反应过程和动植物细胞的培养过程。
3、废水的生物处理过程 它是利用微生物本身的分解能力和净化能力，除去废水中污染物质的过 程。
五、生物化学工程的基本内容
生化工程由三部分组成：上游工程，发酵过程和下游工 程。
第五章 发酵工程与食品工程
第一节 发酵工程概述 第二节 发酵设备与基本工艺过程 第三节 发酵过程控制 第四节 发酵工程在食品工业中的应用
第一节 发酵工程概述
发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包 发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支，成为一个包括了 微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软 硬件工程的一个多学科工程。现代发酵工程不但生产酒精类饮料、 醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗 等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂 等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、 酶、维生素和单细胞蛋白等。
生物反应器是进行生物反应的核心设备；
（4）产品的分离纯化
将含量较低的产物从反应液中提取出来（指胞外产物）或从细 胞中（指胞内产物）提取出来，并加以精制以达到规定的质量要 求。
生物反应过程主要有这样一些特点：
– 采用可再生资源作为主要原料，因而原料来源丰实，价格低廉，过 程中废物的危害性较小，但由于原料的成分复杂，往往难以控制会 给产品质量带来一定的影响；
一、发酵工程主要内容
发酵工程是指在最适Fra Baidu bibliotek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。
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 精制方法，以确定在细胞水平上的综合的最适培养条件。
发酵工程的一个基本特点：发酵技术的放大方面，则需要由小试放大到 中试逐步进行探讨。实验室进行的小规模发酵所获得的最适条件的各种 参数，能否在工业规模生产中也同样保证其最适条件，那就是不是轻而 易举的事了。
二、发酵工程的发展历史
➢ 1000多年（甚至4000多年）以前酒类的酿造； ➢ 19世纪利用酵母进行大规模发酵生产。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，发明巴斯德灭菌法，找到了乳酸杆菌的生物体 ； ➢ 20世纪初，发现某些梭菌能够引起丙酮丁醇的发酵。它是第一个进行大
– 由于采用的是生物催化剂，反映过程一般在常温常压下进行。但生 物催化剂易受环境的影响和杂菌的污染，因而很易失活，难以长期 使用；
– 与一般化工产品相比，其生产设备比较简单，能耗较低。但某些生 物反应由于其特殊性质而使反应基质浓度和产物浓度均不能太高， 这是因为微生物细胞或生物酶受底物浓度或产物浓度的抑制或不能 耐高渗透压所致，不仅使反应器体积增大，而且也加大了提取的困 难，因而反应器生产效率较低；
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；
➢ 1929年Flemming爵士发现了青霉素，但无法提取精制 ； ➢ 1942年终于正式实现了青霉素的工业化生产，这是生物工程第一次划
时代的飞跃，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 ；
➢ 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；
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。
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；
– 尽管生物反应过程成本低，应用广，但反应极为复杂，较难检测与 控制。反应液中杂质多，给分离提纯带来了困难。
四. 生物反应过程的分类 1、酶催化反应过程
采用游离酶或固定化酶为催化剂时的反应过程。生物体中所进行的反 应几乎都是在酶的催化下进行的。工业生产中所用的酶，或是经提取 分离得到的游离酶，或是固定在多种载体上的固定化酶 。
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；
发酵过程（发酵工艺）：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；
下游工程：指从发酵液中分离和纯化产品的技术：包括固 液分离技术（离心分离，过滤分离，沉淀分离等工艺）， 细胞破壁技术（超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂 和溶壁酶等），蛋白质纯化技术（沉淀法、色谱分离法 和超滤法等），最后还有产品的包装处理技术（真空干 燥和冰冻干事燥等）。