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发 酵 工 程 与 设 备Fermentation engineering and equipments 双 宝 东北农业大学 生命科学学院学院 bao_shuangbao@ 课 程 介 绍 积极推进发酵工业的可持续发展 基因重组药物及其发酵工程研究进展 绪 论 发酵工程的概念 发酵工程的特点和研究内容 发酵工程的发展简史 发酵工程的现状及发展前景 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。 一、发酵的定义 1、传统发酵 2、生化和生理学意义的发酵 3、工业上的发酵 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。 如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出CO2 如人体在剧烈运动时需要大量的能量，有氧呼吸不能满足需要，因此肌肉在缺氧的条件下将丙酮酸“发酵”为乳酸，同时产生ATP 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。 二、发酵工程 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 (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； (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。 所以发酵主体除了厌氧微生物和兼性厌氧微生物外，还把好氧微生物包括在内。 发酵的产物除了一些分解代谢产物外，还包括次生代谢产物，甚至整个菌体，有时甚至搞不清真正的发酵产物（如污水处理）。 三、发酵工程学的研究内容 发酵工程学的研究内容包括 发酵（fermentation） 提纯（purification） 1．发酵部分 菌种的特性与选育， 培养基的配制、选择及其灭菌理论， 发酵醪的特性， 发酵机理， 发酵过程动力学， 空气除菌， 微生物对氧的吸收与利用， 微生物的培养方式、设备及自动化控制等。 2．提纯部分 细胞破碎，分离 醪液输送 过滤除杂 离子交换电渗析，逆渗透，超滤，凝胶过滤 沉淀分离 溶媒萃取 蒸发 结晶 蒸馏 干燥包装等 四、发酵工程与化学工程的关系 发酵工程是利用微生物来制备工业产品，它借鉴了许多化学工程的成就，特别是后处理（提纯部分）。但发酵工程与化学工程也有一些明显的区别。主要表现在以下几个方面： 1．一步生产 微生物发酵是由一系列极其复杂的生化反应组成，反应所需的各种酶均包含在微生物细胞内。因此它“吃的是草”产出的是“牛奶”。而用化学方法合成，要得到“牛奶”则需要许多步骤才能完成。 2．反应条件温和 因酶的最适反应条件是常温常压， 而化学合成则需在剧烈的反应条件，如高温、高压、强酸、强碱以及金属催化剂的参与下才能进行。 3．原料纯度要求低 常以农副产品作原料，如薯干、麸皮等。原料来源丰富，价格低廉，而化学合成法的原料纯度要求高，较昂贵。 4．设备的通用性 由于微生物发酵一般都是纯种发酵，所以必须有培养基灭菌系统和空气除菌系统，而化学工程就不需要这些设备。 对微生物发酵来说，无论好氧发酵还是厌氧发酵，它们的发酵设备都大同小异，即好氧的一般都用搅拌式发酵罐加空气过滤系统。厌氧发酵都用密封式发酵罐。 5．对环境的污染相对较小 发酵所用的原料是农副产品，废水中虽然生物需氧量（biological oxygen demand简称BO