Transcript 第一章绪论
发酵工程 Fermentation Engineering 制药工程专业 第一章 绪论 第一节发酵工业概述 一、基本概念 1，发酵一词的来源 “发酵”（Fermentation）一词是拉丁语 “沸腾”（fervere）的派生词，它描述 酵母作用于果汁或麦芽浸出液时产生气 泡的现象。产生气泡的现象是由浸出液 中的糖在缺氧条件下降解而产生的二氧 化碳所引起的。 2 2，狭义 “发酵”的定义 在生物化学或生理学上发酵是指微生物 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。如葡萄糖在无氧条件下被微 生物利用产生酒精并放出二氧化碳。同 时获得能量，丙酮酸被还原为乳酸而获 得能量等等。 3 3，广义 “发酵”的定义 工业上所称的发酵是泛指利用生物细 胞制造某些产品或净化环境的过程， 它包括厌氧培养的生产过程，如酒 精、丙酮丁醇、乳酸等，以及通气 （有氧）培养的生产过程，如抗生 素、氨基酸、酶制剂等的生产。产 品即有细胞代谢产物，也包括菌体 细胞、酶等。 4 4，发酵工程（Fermentation Engineering）的定义 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。 5 6 二、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、酶以及维生素和单细胞蛋白等。 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。 1，发酵工程主要研究的内容 (1) 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罐 和发酵原料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无菌 空气的空气过滤技术； (2)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； (3)种子培养和生产培养的不同的工艺技术。 (4)在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验 室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物 形成的动力学模型，并根据这个模型设计中试 的发酵要求，最后从中试数据再设计更大规模 生产的动力学模型。 (5)由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试， 从中试到大规模生产过程中会出现许多问题， 这就是发酵工程工艺放大问题。 2，发酵工程的特点 发酵和其他化学工业的最大区别在于它是生物 体所进行的化学反应。其主要特点如下： （1）发酵过程一般来说都是在常温常压下进行 的生物化学反应，反应安全，要求条件也比较 简单。 （2）发酵所用的原料简单粗放。通常以淀粉、 糖蜜或其他农副产品为主，只要加入少量的有 机和无机氮源就可进行反应。微生物因不同的 类别可以有选择地去利用它所需要的营养。基 于这一特性，可以利用废水和废物等作为发酵 的原料进行生物资源的改造和更新。 11 （3）发酵过程是通过生物体的自动调节 方式来完成的，反应的专一性强，因而 可以得到较为单一的代谢产物。 （4）发酵过程中对杂菌污染的防治至关 重要。除了必须对设备进行严格消毒处 理和空气过滤外，反应必须在无菌条件 下进行。如果污染了杂菌，生产上就要 遭到巨大的经济损失，要是感染了噬菌 体，对发酵就会造成更大的危害。因而 维持无菌条件是发酵成败的关键。 12 （5）由于生物体本身所具有的反应机制，能够专 一性地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物 进行特定部位地氧化、还原等化学转化反应，也 可以产生比较复杂的高分子化合物。 （6）微生物菌种是进行发酵的根本因素，通过变 异和菌种筛选，可以获得高产的优良良菌株并使 生产设备得到充分利用，也可以因此获得按常规 方法难以生产的产品。 （7）工业发酵与其他工业相比，投资少，见效快， 并可以取得显著的经济效益。 13 3，发酵过程的组成部分 （1）发酵过程的组成 繁殖种子和发酵生产所用的培养基组份 确定； 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； 产物提取和精制； 过程中排出的废弃物的处理。 14 Fermentation engineering 发酵工程组成 上游工程 从广义上讲，由三部分组成： 上游工程、发酵工程、下游工程 UPSTREAM PROCESSES 下游工程 DOWNSTREAM PROCESSES FERMENTATION Process Control Fermentation engineering 上游工程 UPSTREAM PROCESSES - genetics, cell … - inoculum development - media formulation - sterilization - inoculation FERMENTATION Process Control Fermentation engineering 下游工程 FERMENTATION Process Control DOWNSTREAM PROCESSES - product extraction, purification & assay - waste treatment -by product recovery The ratio of recovery to fermentation costs for L-asparaginase: 3.0 ethanol: 0.16 发酵罐试验 菌种筛选 摇瓶试验 典型的发酵过程示意图 19 发酵的流程 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 灭菌 产物分离纯化 成品 碳源、氮源、 无机盐等营养 物质 生物反应过程的组成部分 原材料的预处理 生物催化剂的制备 生物反应器及反应条件的选择与监控 产品的分离纯化 （2）发酵生产的条件 某种适宜的微生物 保证或控制微生物进行代谢的各种条件 （培养基组成，温度，溶氧pH等） 进行微生物发酵的设备 提取菌体或代谢产物，精制成产品的方 法和设备 22 3、发酵的类型 （1）按发酵原料来区分 • 糖类物质发酵 • 石油发酵 • 废水发酵 23 (2)按发酵形式来区分 • 固态发酵 • 深层液体发酵 24 (3)按发酵产物区分 • 氨基酸发酵 • 有机酸发酵 • 抗生素发酵 • 酒精发酵 • 维生素发酵 • 酶制剂发酵 25 (4)按发酵工艺流程区分 • 分批发酵 • 连续发酵 • 流加发酵 26 (5)按发酵过程中对氧的不同需求 来分 • 厌氧发酵 • 通风发酵 27 4、发酵工业范围 （1）酿酒工业(啤酒、葡萄酒、白酒等) （2）食品工业(酱、酱油、醋、腐乳、面包、酸乳 等) （3）有机溶剂发酵工业(酒精、丙酮、丁醇等) （4）抗生素发酵工业(青霉素、链霉素、土霉素等) （5）有机酸发酵工业(柠檬酸、葡萄糖酸等) （6）酶制剂发酵工业(淀粉酶、蛋白酶等) 28 （7） 氨基酸发酵工业(谷氨酸，赖氨酸等) （8） 核苷酸类物质发酵工业(肌苷酸、肌苷等) （9） 维生素发酵工业(维生素C、维生素B等) （10）生理活性物质发酵工业(激素、赤霉素等) （11）微生物菌体蛋白发酵工业(酵母、单细胞蛋 白等) （12）微生物环境净化工业(利用微生物处理废水、 污水等) （13）生物能工业(沼气、纤维素等天然原料发酵 生产酒精、乙烯等，能源物质) （14）微生物冶金工业(利用微生物探矿、冶金、 石油脱硫等) 29 5、发酵工程的地位 基因工程 细胞工程 酶工程 发酵工程 30 第二节 发酵工业的发展史 一、国外发酵工业的发展概况 1，发酵工业发展的阶段： 天然发酵阶段（古代~1900年） 纯培养技术的建立（1905年~） 通气搅拌发酵技术的建立（1940年~） 开拓发酵原料时期（1960年~） 基因工程阶段（1979~） 31 （1）第一个阶段（1900年以前） 产品只限于含酒精饮料和醋 古埃及已经能酿造啤酒 17世纪能在容量为1500桶（一桶 相当于110升）的木质大桶中进 行第一次真正的大规模酿造 在1757年已应用温度计 32 1801年就有了原始的热交换器 18世纪中期，证实了酒精发酵中 的酵母活动规律 Paster最终使科学界信服在发酵 过程中酵母所遵循的规律 18世纪后期，Hansen在Calsberg 酿造厂建立了酵母纯种培养技术 33 在18世纪末到19世纪初，基础培 养基是用巴氏灭菌法处理，然后 接种10%优质醋使呈酸性，可防 治染菌污染。这样就成为一个良 好的接种材料。 在20世纪初，在酿酒和制醋工业 中已建立起过程控制的概念。 34 （2）第二个阶段（1900年~1940年） 主要的新产品是酵母、甘油、柠檬 酸、乳酸、丁醇和丙酮 在面包酵母的生产中首先采用了分 批补料培养 技术 在一次大战时，Weizmann开拓了丁 醇丙酮发酵，并建立了真正的无杂 菌发酵 35 （3）第三个阶段（1940年以后） 这以阶段的标志是，在纯种培养 技术下，以深层培养生产青霉素 解决向培养基中通入大量无菌空 气和高粘度培养液的搅拌问题 36 （4）第四个阶段（1960年以后） 以烃为碳源生产微生物细胞作为 饲料蛋白质的来源 出现了不需要机械搅拌的高压喷 射和强制循环的发酵罐 工业上普遍采用分批培养和分批 补料培养法 37 （5）第五个阶 段（1979年以后） 这个阶段以基因 工程产品的生产 为标志。 目前，世界上已 经批准上市的基 因工程药物就有 几十种，如：胰 岛素、人生长激 素等等。 38 部分利用基因工程技术研制的产品 人胰岛素 纤维素酶 人生长激素(GH) , -干扰素 表皮生长因子(EGF) 乙型肝炎疫苗 肿瘤坏死因子 白细胞介素-2(IL-2) 尿激酶原 集落刺激因子(CSF) 促红细胞生成素(EPO) 猪生长激素(PGH) 抗血友病因子 牛生长激素(BGH) 组织溶纤原激活剂(t-PA) 39 2，重要发酵产品投入生产的年代 年 代 1880~1920 产 品 乳酸、面包酵母、乙醇、甘油、丙酮-丁醇 淀粉酶*、转化酶* 1920~1940 柠檬酸*、葡萄糖酸*、蛋白酶*、核黄素、 山梨糖 1940~1950 青霉素、短杆菌肽、链霉素、金霉素、新 霉素、两性霉素、衣康酸、纤维素酶*、 果胶酶*、淀粉酶 40 1950~1960 谷氨酸、赖氨酸、土霉素、四环素、 新生霉素、红霉素、制霉菌素、卡那霉素、环 丝霉素、庆黄霉素、曲酸、柠檬素、葡萄糖酸、 过氧化氢酶、甾体氧化产物、赤霉素、葡聚糖、 单细胞蛋白、水杨酸 1960~1970 葡萄糖异构酶、糖化酶、氨基酰化酶、 脂肪酶、乳糖酶、头孢霉素、庆大霉素、林可 霉素、利福霉素、万古霉素、核糖霉素、杀稻 瘟菌素S、多氧霉素、泰勒霉素、缬氨酸、甾 体生物转化物、5’-核苷酸、生物杀虫剂、黄原 胶 41 1970~1980 博莱霉素、阿霉素、杀 念珠菌素、交杀霉素、西梭霉素、 有效霉素、天门冬氨酸、苏氨酸、 凝乳酶、右旋糖苷酶、维生素C、木 糖醇、苹果酸、长链二元酸、普鲁 兰多糖、井岗霉素 1980年以后 阿维霉素、苯丙氨酸、 环氧乙（丙）烷、丙烯酰胺、聚羟 基丁酸酯（PHB）等 42 3，工业化成功利用生物转化生产的有机化合物 过 程 水解作用 催化用酶 淀粉葡萄糖苷酶 腈水化酶 青霉素酰胺水解酶 拆分作用 乙内酰酶 产 品 全球产量(吨) 葡萄糖 10~2000万 丙烯酰胺 30000 青霉素 D-对-羟基苯甘氨酸 10000~15000 100~500 (有旋光) 拆分作用 脱卤酶 (s)-2-氯丙酸 2000 L-山梨糖 50000 (无旋光) 氧化作用 山梨醇脱氢酶 还原作用 β-酮还原酶 L-肉碱(Carnitine) 12000 43 过 程 催化用酶 异构作用 葡萄糖(木糖)异构酶 C-C合成 丙酮酸脱羧酶 色氨酸苯基裂解酶 产 品 全球产量(吨) 异构糖 800万 苯乙酰甲醇 300~500 L-dopa 200 苹果酸 500 前驱物质 天冬氨酸裂解酶 天冬氨酸 400 肽合成 Aspartame 2000 非手性 富马酸酶 嗜热菌蛋白酶 胰蛋白酶 葡萄糖基 环状糊精葡聚糖 转移作用 转移酶 胰岛素 β-环状糊精 低聚糖 <1 800~1500 >20万 44 4，微生物酶促转化与化学合成有机结合 途径： 1. 微生物（酶促）转化 化学法合成 例如：山梨醇 山梨糖 维生素C 发酵法核糖 AZT 半合成抗生素 2.化学法生产前体 酶法(微生物)转化 例如: 苯丙酮酸+富马酸 L-苯丙氨酸(转氨酶) 色氨酸发酵中添加吲哚(前体) 手性化合物的拆分 45 二、发酵罐等生物反应器规模 谷氨酸 啤 酒 100~200m3 最大660m3 600m3（露天） 柠檬酸 220m3 酶制剂 90m3 酵母培养罐 170m3 黄酒 200m3 酒精 1500m3 46 三、国外发酵工业的发展趋势 1，生物转化（或生物合成）技术成为 国外著名化学公司争夺的热点，并 逐步从医药领域逐渐向化工领域转 移 2，生物催化合成已成为化学品合成的 支柱之一 3，利用生物技术生产有特殊功能、性 能、用途或环境友好的化工新材料， 是化学工业发展的一个重要趋势。 47 4，传统的发酵工业已由基因重组菌种 取代或改良。许多传统的发酵工程 产品如柠檬酸、青霉素等都已开始 采用基因工程手段进行改造，大大 地提高了产量。在以基因工程为主 导的现代生物技术产品中，医药生 物技术产品占75％左右。 48 四、国内发酵工业的发展概况 我国传统发酵历史悠久，在《黄帝内经素向》、 《汤液醪醴论》里，已有酿酒的记载。白酒的 起源，当在元朝以前，尚待考证。酱油的酿造， 当始自周朝。在汉武帝时代开始有了葡萄酒， 距今已有两千多年的历史。 数千年来由于科学技术进步缓慢，各种微生物 工业也未能充分发展。直到20世纪中期才建立 了一系列新的微生物工业。近几年来，由于生 物新技术的应用，发酵工业开始进入新的发展 时期。 49 1，白酒 中国的酿酒业，距今已有数 千年的历史渊源。白酒是我 国特有的、具有悠久历史的 传统酒种。 1949年新中国成立时，我国 白酒的产量只有10．8万t 。 1996年，我国白酒产量达到 历史高峰，总量达到801．30 万t。 目前，我国白酒的产量为400 余吨。 规模较大的有五粮液、茅台、 泸州老窖、剑南春、汾酒、 古井。六家公司占据约10％ 的市场份额，销售收入占整 个行业的37.9％。 50 20 20 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 02 00 98 96 94 92 90 88 86 84 82 80 78 49 产量 全国白酒产量（单位：万吨） 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 年份 51 2，黄酒 黄酒是我国最古老 的酒种，早在夏、 商、周三代就已经 大量生产了，并流 传至今，据史料记 载已有6000年左右 了。 目前年产量为130 万吨左右。 52 3，啤酒 1900年我国最早的啤 酒厂于哈尔滨建成 1915年国人投资的双 合盛啤酒厂建成 1949年啤酒产量仅七 千余吨 1981年啤酒产量增至 91万吨 2005年产量达到3000 万吨左右 53 4，葡萄酒 1892年华侨张弼士在烟台建 立酿酒公司，这是我国第一 个新型的葡萄酒酿造厂 目前我国葡萄酒工厂已有近 八十家 2003年葡萄酒年产量约34万 吨。 年产万吨以上的有张裕、王 朝、华夏、长城、新天酒业、 柳河绿源、烟台威龙、烟台 中梁。八家公司占据约60％ 的市场份额，销售收入占整 个行业的78.4％。 54 5， 酱油和醋 早在三千年前便已掌握了酱油和醋发酵 的技法，数千年来一直沿用自然发酵法 ， 直到20世纪后才开始采用纯种培养培养 技术生产，目前设备及酿造方法逐步实 现了现代化 酱油年产量约为450万吨，已居世界首位 醋年产量约为250万吨 55 6，酒精 二十世纪初期，外商在东北设 立哈尔滨和阿城两个酒精厂 1922年山东溥益酒精厂成立， 为第一个由国人设立的酒精厂 1934年华侨投资在上海浦东设 立中国酒精厂，当时号称远东 第一大型酒精厂 酒精年产量解放前仅1万吨左 右。 2003年酒精产量约为250万吨 左右。 56 7，酶制剂 1964年才在无锡建立了第一个酶制剂工 厂 目前有酶制剂生产厂家40家左右，其中 万吨以上，销售额2000万以上有8家，其 余均在万吨以下 目前的年产量为22万吨左右 57 7，柠檬酸 1953年我国曾进行浅盘发酵制柠檬酸的 中型生产。 1965年前后由上海酵母厂首先采用深层 发酵法，由薯干直接发酵生产柠檬酸。 生产能力为56万t/a，实际产量达35万t/a 左右，出口量居世界第一位。 58 9，微生物制药 在上海建立了第一个抗生素工厂(即后来 的上海第三制药厂)，以生产青霉素为主。 1958年我国最大的抗生素工厂——华北 制药厂亦正式投入生产。 59 10，味精 1964年我国谷氨酸发酵研究成功，首先 在上海投入生产。 味精生产万吨以上产量的工厂有17家。 最大规模是周口莲花味精集团公司，年 产12万吨。 目前年产量130多万吨。 60 11，基因工程产品 我国已经开发成功了２１种基因工程药 物和疫苗，世界上销售额排名前１０位 的基因工程药物和疫苗，我国已能生产 ８种。 61 12，细胞工程产品 紫草、三七等等植物细胞已可在发酵罐 种大规模培养。我国的传统中药涉及 5000种左右植物，细胞培养是中药资源 开发的一个重要方面。 62 五、我国发酵工业的主要进步 1.发酵产品增长快、质量明显提高，在国民经济中起重要作用 新型发酵工业：年产量115万吨；产值150亿；利税50亿。 酿酒工业（不包括酒精）：年产量2000万吨左右；产值450 亿；利税120亿。 2.科技进步，技术水平提高 例如：糖化酶的发酵液酶活力由7000 u／ml提高至3000040000 u／ml；味精和柠檬酸三个主要指标：产酸率、转化 率和提取率提高5%左右。 3.积极开发新产品 特鲜味精；无水柠檬酸、柠檬酸盐；高温α-淀粉酶；纤维素 酶；β -葡聚糖酶；异淀粉酶等酶制剂；L-苹果酸；L-乳酸； 衣康酸；黄原胶; 功能性发酵制品: r-亚麻酸；冬虫夏草；蘑菇、灵芝多糖; 活 性肽；红曲色素, 低聚异麦芽糖、果糖、半乳糖、木糖；海 藻糖等等。 63 六、与国际先进水平的差距 1，多数工厂规模小、效益低 2，生产技术水平比较低 味精生产水平的比较 产酸率 转化率 提取收率 国内(平均) 8．46 54．14 89．2 国外 12％以上 55-60％ 90-95％ 64 主要酶制剂品种发酵水平对比 发酵水平μ／m1 国内水平 国际水平 中温淀粉酶 400-500 1000以上 2709碱性蛋白酶 15000-20000 30000以上 糖化酶 30000-40000 50000以上 65 3，产品品种单一，结构不合理 国内外酶制剂产品结构对比 国别／品种 国外(占比例)％ 国内(占比例)％ 蛋白酶 37 21 糖化酶 11 61 淀粉酶 15 17 凝乳酶 9 0 果胶酶 9 少量 葡萄糖异构酶 11 少量 其他 8 1 66 4，应用的深度和广度不够 5，技术装备和检测手段落后，自动化水平 低 6，综合利用和环境治理差 67 七、发酵工程在轻工、食品领域的展望 高产菌种和特殊环境微生物的遗传 育种 新酶品种开发和应用 食品添加剂新品种开发和应用 生物技术产物工业规模的分离和提 取 68