第一章 发酵工程 生物技术与发酵工程 上游工程下游工程1.1 发酵工程概况一、发展简史l发酵技术的发展是一个从自然发生的由微生物起主 导作用的生物化学反应演变到能够人为控制的生物 化学反应工程l与现代发酵工程相比，区别主要体现为是否纯种发 酵，是否具有过程控制，是否运用现代化的生物反 应器等 发酵工程的发展的5个阶段1． 天然发酵时代(自然发酵阶段1900年以前)l发酵技术：古老的酿造食品工业，如：啤酒、葡萄酒 、黄酒、酱油、醋、腐乳以及干酪等的制造 l特点：不清楚微生物与发酵的关系，单凭经验产业 2．纯培养技术的建立（纯培养发酵阶段1900-1940年） l17世纪荷兰吕文霍克用显微镜观察到微生物，1860年 ，法国的巴斯德，在酵母人工培养过程，发现发酵是 由微生物造成的 到第1次世界大战，Weizmann建立 起来的丙酮－丁醇发酵技术是第一个纯种发酵l特点：生产过程简单，规模小，产品简单多为初级代 谢产物3. 液体深层通风搅拌发酵技术的建立（液体深层通风发 酵阶段1940-1957年）l1929年，A.Fleming发现青霉菌能产生杀死细菌的物 质，青霉素（Penicillin）。
第二次世界大战青霉 素疗伤杀菌的需求量急剧增加英国与美国科学家 1941年共同开发了通风搅拌深层培养法，实现了青 霉素大规模工业生产通风搅拌技术成为第二个转 折期l特点：由分解代谢转为合成代谢，机械搅拌液体深层发酵罐 诞生，微生物学、生物化学、生化工程三大学科形成完整体 系 FERMENTATION Process Control4． 代谢控制发酵技术（代谢控制发酵阶段1957-1960）发酵工业第三个转折期l1956年日本首先成功利用自然界存在的野生生物 素缺陷型菌株进行谷氨酸发酵生产，此后，精氨 酸、苏氨酸等一系列氨基酸都采用发酵法生产l利用诱变育种和代谢控制技术发酵生产氨基酸、 核苷酸等多种产品l特点：发酵罐达500-2000m3由初级代谢产物到次 级代谢产物，发展了气升式发酵罐（降能提高供 氧），多种膜分离介质问世5．发酵原料的转变（全面发展阶段1960-1979）l由传统的粮食、农副产品等糖质原料，到石油化工副产物 石蜡、醋酸、甲醇以及甲烷等碳氢化合物为发酵原料，开 始了石油发酵时期l用醋酸生产谷氨酸，用甲烷、乙醇以及石蜡生产单细胞蛋 白、柠檬酸等已达到工业化水平l另外，国内外对纤维废料作为发酵工业原料的研究取得一 定进展，如用纤维废料生产酒精和乙烯等能源物质已取得 成功。
l特点：采用新原料、新设备（发展了循环式发射式发酵罐 ）、新技术（生物合成与化学合成相结合）生产维生素和 新型抗生素，发酵向大型化、多样化、连续化、自动化的 方向发展6 遗传工程的应用（基因工程阶段1979--）l利用DNA重组技术构建生物细胞发酵生产通常由 高等生物细胞才能生产的有关化合物.l由于基因工程在发酵技术中的应用，一些极为珍 贵的精细化工产品如生理活性肽物质(如人生长激 素、胰岛素、干扰素等)，都可通过发酵法来生产l特点：按照人们的意志改造物质，发酵生产人们 希望的产品，生物反应器由传统的钢铁设备转为 昆虫躯体，动物的乳腺、植物的根茎叶果实等 基因工程技术使发酵工程发生了革命性的变化二、发酵工程的内容及生产流程发酵工程又称为微生物工程，是指传统的发酵技 术与DNA重组、细胞融合、分子修饰和改造等技术 结合并发展起来的现代发酵技术l包括培育优良菌种、发酵生产某些代谢产物、生产 微生物菌体、改造某些天然物质等l在工业生产中，发酵工程可以认为是直接利用微生 物的机能将物料加工以提供产品或为社会服务（环 境保护）的过程，又称微生物工程 发酵过程由6个部分组成的：l⑴确定的种子培养基和发酵培养基的组成；l⑵培养基、发酵罐和辅助设备的灭菌；l⑶大规模的有活性、纯种的种子培养物的生产；l⑷发酵罐中微生物的生长条件下产物的大规模生产；l⑸产物的提取、纯化；l⑹发酵废液的处理。
典型的发酵过程l图1－1 典型的发酵过程示意图 扩大培养菌种保藏摇 瓶种子罐发酵罐菌 体培养液细胞分离培养基的配 制培养基原 料培养基灭菌产物提取无细胞的上清 液成品包装发酵废液处 理纯化三、我国发酵工业的现状和未来l我国自20世纪50年代以来，使酱油、醋、酒等传统 发酵工业得到了改革和更新建立起了抗生素、氨 基酸、柠檬酸、维生素、微生物多糖等一系列发酵 工程，并形成了完整的工业体系 l发酵工程在工业上的应用具有投资少、见效快、污 染小的优点，它是未来社会经济的支柱-生物工程的 重要组成部分发酵工程的进展方向：1 食品微生物的改良 l采用常规的诱变、杂交方法与细胞融合、基因工程 技术结合，进行菌种改良和构建“基因工程菌”， 改良食品微生物的生产性能，提高食品的营养价值 及加工性能l如将乙酰乳酸脱羧酶基因克隆到啤酒酵母中进行表 达，可降低啤酒双乙酰含量而改善啤酒风味；选育 出分解β一葡萄糖和糊精的啤酒酵母，能够明显提 高麦芽汁的分解率并改善啤酒质量；双乙酰的形成酵母代谢形成双乙酰2 生产食品添加剂和功能性成分l甜味剂中的木糖醇、甘露糖醇、阿拉伯糖醇、甜味多肽等；l氨基酸中各种必需氨基酸；l增稠剂中的黄原胶、普鲁兰、茁霉多糖、热凝性多糖等；l风味剂中的多种核苷酸、琥珀酸钠、香茅醇、双乙酰；芳香 剂中的脂肪酸酯、异丁醇等；l色素中的类胡萝卜素、红曲色素、虾青素、番茄红素等；l生物活性添加剂中的各种保健活菌、活性多肽等；l防腐剂中的乳链菌肽、杀菌肽、瓜蟾抗菌肽、防御素等。
3 可直接应用于食品生产过程的物质转化：l利用发酵技术、酶技术对农副产品进行加 工，直接生产各种发酵食品如饮料、酒、 酱、酱油、醋、乳酸、酸奶、啤酒等利 用基因工程和酶工程，构建“生物工程菌 ”来生产酶制剂4 工业化生产功能食品l利用发酵工程生产功能食品或功能性成分 ，如低聚糖、糖醇、单细胞蛋白、EPA、 DHA、γ一亚麻酸、有益菌等DHADHA5 食品包装和食品检测方面的应用主要是制造一种有利于食品保质的环境l如溶菌酶能消除有害微生物的繁殖，而让 某些有益菌得以繁殖，被广泛应用于酒、 乳制品、水产品、香肠、等食品中以延长 保鲜期6 可降解材料的开发⑴ 烷基糖苷 APG l它是用葡萄糖和脂肪酸为初始原料合成，是一种性能较全 面的新型非离子表面活性剂，兼具普通非离子和阴离子表 面活性剂的特性,具有高表面活性、良好的生态安全性和 相溶性，是国际公认的首选“绿色”功能性表面活性剂无毒无害，对人体皮肤无刺激作用，能在自然条件下完全降 解，用其生产高档洗衣粉，生产高档香波和护肤膏还能 作为农用薄膜的防雾防滴剂，对土壤和环境无任何有害残 留物，也可作为食品乳化剂、防腐剂、起泡剂等 ⑵ 氨基酸聚合物 l是采用氨基酸，碳水化合物，糖蜜等材料利用纳豆菌的天 然发酵方式进行生物聚合，再经过提纯而来的高活性大分 子物质—γ-Polyglutamic acid (γ-聚谷氨酸γ-PGA) (国际专利）此聚合物具有强力清洁、强力活化、保湿及高安全 性等多重特性； 。
l氨基酸表面活性剂不仅安全，对皮肤、头发刺激性小，起 泡性好，去污力强，而且有一定抗菌抗氧化性，可增强人 体对矿物质和维生素的吸收，用于医药、功能食品和饮料 l其主要的独特功能如下： 1. 提高肥料活性功能，增加肥力30% 2. 对磷肥、钙肥等较难吸收营养元素，具有活化、吸附、传输的效果 3. 具有清洁包埋及强保湿性、提供肥分更好的供应吸收环境 4. 能直接触动表面细胞（叶片或根毛）代谢酶的活性，大幅度增强细胞的吸收活力 5. 可增强因土壤传播的植物病原的抗性 6. 对酸、碱具有绝佳缓冲能力，可缓解、改善土壤板结化、盐积化1.2 微生物及其发酵过程一、发酵工业常用微生物l工业生产上常用的微生物主要是细菌、放线 菌、酵母菌和霉菌，藻类、病毒等也正在逐 步地变为工业生产用的微生物，其它微生物 有担子菌、藻类l在食品行业被广泛使用的微生物，包括细菌 ，酵母和霉菌二、微生物营养与培养基依据培养基的用途，可将培养基分成孢子培 养基、种子培养基和发酵培养基l（1）孢子培养基 是供菌体繁殖微生物孢子用的 主要是霉菌作为微生物发酵的生产菌种 l（2）种子培养基 是供孢子发芽和菌体生长繁殖用 的也是微生物发酵过程中扩大培养的一个步骤。
3）发酵培养基 是供菌体大规模生长繁殖和合成大量代谢产物用 的营养物质和原料其组成要求适当地丰富和完 全，能保证微生物迅速形成足够量而又健壮的菌 丝体l培养基的营养成分：碳源、氮源、无机盐类（包 括微量元素）、生长因子、水、产物形成的诱导 物、前体和促进剂等几类三、微生物发酵的一般流程空气空气净化处理保藏菌种斜面活化扩大培养种子罐主发酵碳源、氮源、无 机盐等营养物质灭菌产物分离纯化成品发酵工业的生产流程 结晶槽结晶槽过过 滤滤 器器四、微生物发酵的方式根据微生物的种类不同分为：（1）好氧性发酵 在发酵过程中需要不断地通人一定量的无菌空气，如利用黑曲霉进行柠檬酸发酵2）厌氧性发酵 发酵时不需要供给空气，如乳酸杆菌引起的乳酸发酵、梭状芽抱杆菌引起的丙酮、丁醇发酵等3）兼性发酵 酵母菌是兼性厌氧微生物，它在缺氧条件下进行厌气性发酵积累酒精，而在有氧条件下则进行好氧性发 酵，大量繁殖菌体细胞l按照设备来分：敞口发酵、密闭发酵、浅盘发酵、深层发酵1.3 发酵操作方式及过程控制l按照使用的培养基的物理性状分为：l固体发酵是一种使微生物在固体表面或内部生长的 发酵方法，简便易行，投资少，适合小型生产。
缺 点是发酵时间长，生产强度大，容易污染，传统设 备不适宜进行纯种发酵传统食品如酒类、饮料、 酱油、醋等均采用固体发酵l液体发酵是一种使微生物在液体培养基中生长的发 酵方法，目前我国和世界大多数国家的发酵工业多 采用深层液体发酵法一、深层发酵的操作方式深层液体发酵法是指在液体培养基内部（不仅仅在表 面）进行的微生物培养过程它具有很多优点：①液体悬浮状态是很多微生物的最适生长环境②在液体中，菌体及营养物、产物（包括热量）易于扩散，使发酵可在均质或拟均质条件下进行，便于 控制③液体输送方便，易于机械化操作④占地少，效率高，易自动化控制，产品质量稳定⑤产品易于提取、精制等根据微生物发酵的运行方式分为分批发酵， 连续发酵和补料分批发酵1．分批发酵是将营养物和是将营养物和 菌种一次加人菌种一次加人 进行培养，直进行培养，直 到结束放出，到结束放出， 中间除了空气中间除了空气 进入和尾气排进入和尾气排 出，与外部没出，与外部没 有物料交换有物料交换 过程为一个发过程为一个发 酵周期2．连续发酵又称连续培养，是指又称连续培养，是指 把新鲜的培养基连续把新鲜的培养基连续 地供给均匀混合的发地供给均匀混合的发 酵系统，同时又以相酵系统，同时又以相 同的速度把含有细胞同的速度把含有细胞 和产物的发酵液从发和产物的发酵液从发 酵系统中抽出的发酵酵系统中抽出的发酵 过程，使培养物在近过程，使培养物在近 似恒定状态下生长的似恒定状态下生长的 微生物发酵模式。
微生物发酵模式 微生物在稳定状态下微生物在稳定状态下 生长，稳定状态可以生长，稳定状态可以 有效地延长分批培养有效地延长分批培养 中的对数期中的对数期连续发酵有什么优点和缺点？l优点：①使产率和产品质量也相应保持稳定；②更 有效地实现机械化和自动化；③提高设备利用率， 节省劳动力和工时；④由于灭菌次数减少，使测量 仪器探头的寿命得以延长；⑤容易对过程进行优化 ，有效地提高发酵产率l缺点： ①由于是开放系统，加上发酵周期长，容易 造成杂菌污染；②微生物容易发生变异；③技术要 求较高；④粘性丝状菌菌体容易附着在器壁上生长 和在发酵液内结团，给连续发酵操作带来困难分批培养与连续培养比较 3. 补料分批发酵l 补料分批发酵又称半连续发酵，是介于分批发酵和连续发酵之间的一种发酵技术 ，是指在微生物分批发酵中。