发酵工艺学 第一章(绪论)

发酵原理与技术

陈

晓

红

南京农业大学 食品学院 Chen Xiaohong College of Food Science & Technology Nanjing Agricultural University

第一章 绪发酵工程的组成 发酵工业常用的术语 工业发酵的技术经济指标 发酵工业的意义与展望

论

发酵过程的特点及其描述方法

一、发酵工程的组成发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、 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、 包括了微生物学、 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、 、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。 科工程。 现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包， 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、 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、 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、 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。 香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。3

Fermentation engineering

发酵工程组成上游工程 UPSTREAM PROCESSES 从广义上讲，由三部分组成： 从广义上讲，由三部分组成： 上游工程、发酵工程、下游工程

下游工程FERMENTATION Process Control

DOWNSTREAM PROCESSES4

Fermentation engineering上游工程UPSTREAM PROCESSES - genetics, cell … - inoculum development - media formulation - sterilization - inoculationFERMENTATION Process Control5

Fermentation engineering下游工程DOWNSTREAM PROCESSES - product extraction, purification & assay - waste treatment -by product recovery

FERMENTATION Process Control

发酵工程基本环节主要指在最适发酵条件下， 主要指在最适发酵条件下，于发酵罐中大量培 在最适发酵条件下 养细胞和生产代谢产物的工艺技术 严格的无菌生长环境： (1) 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 灭菌的技术； 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 空气过滤技术； 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 计算机控制技术； 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。 种子培养和生产培养的不同的工艺技术 (3)种子培养和

生产培养的不同的工艺技术。7

(4)在进行任何大规模工业发酵前， (4)在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验 在进行任何大规模工业发酵前 室规模的小发酵罐进行大量的实验， 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， 形成的动力学模型，并根据这个模型设计中试 的发酵要求， 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。 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， (5)由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试， 由于生物反应的复杂性 从中试到大规模生产过程中会出现许多问题， 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。 这就是发酵工程工艺放大问题。8

二、发酵过程的主要特征 微生物是该反应过程的主体：是生物催 化剂，又是一微小的反应容器。 微生物反应的本质是复杂的酶催化反应 体系。酶能够进行再生产。

发酵过程特点多相：气相、 多相：气相、液相和固相 多组分：培养基中多种营养成分， 多组分：培养基中多种营养成分，多 种代谢产物， 种代谢产物，细胞内也具有不同生理 功能的大、 功能的大、中、小分子化合物 非线性： 非线性：细胞代谢过程用非线性方程 描述。 描述。 复杂群体的生命活动进行的复杂反应10

反应过程的复杂性(1)反应体系中有细胞的生长，基质 )反应体系中有细胞的生长， 消耗和产物的生成， 消耗和产物的生成，有各自的最佳反应条 件。 (2)微生物反应有多种代谢途径。 )微生物反应有多种代谢途径。 (3)微生物反应过程中，细胞形态、 )微生物反应过程中，细胞形态、 组成要经历生长、繁殖、维持、 组成要经历生长、繁殖、维持、死亡等若 干阶段，不同菌龄，有不同的活性。 干阶段，不同菌龄，有不同的活性。11

发酵过程的描述方法细胞生长动力学 反应基质消耗动力学 代谢产物生成动力学 发酵过程：包括细胞内的生化反应， 发酵过程：包括细胞内的生化反应， 胞内与胞外的物质交换， 胞内与胞外的物质交换，胞外物质传 递及反应。 递及反应。12

反应动力学描述的简化动力学是对细胞群体的动力学行为的描述 不考虑细胞之间的差别，而是取性质上的平均值， 不考虑细胞之间的差别，而是取性质上的平均值，在 此基础上建立的模型称为确定论模型， 此基础上建立的模型称为确定论模型，如果考虑每个 细胞间的差别，则建立的模型为概率论模型。 细胞间的差别，则建立的模型为概率论模型。 如果在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，

如果在考虑细胞组成变化的基础上建立的模型，称为 结构模型，一般选取RNA DNA、 RNA、 结构模型，一般选取RNA、DNA、糖类及蛋白含量做为 过程变量。菌体视为单组分的模型为非结构模型， 过程变量。菌体视为单组分的模型为非结构模型，通 过物料平衡建立超经验或半经验的关联模型。 过物料平衡建立超经验或半经验的关联模型。13

如果细胞内的各种成分均以相同的比例增加，称 如果细胞内的各种成分均以相同的比例增加， 为均衡生长。 为均衡生长。 如果由于各组分的合成速率不同而使各组分增加 比例不同，称为非均衡生长。 比例不同，称为非均衡生长。 生模型的简化考虑一般采用均衡生长的非结构模 型。 将细胞作为与培养液分离的生物相处理所建立的 模型为分离化模型。在细胞浓度很高时采用。 模型为分离化模型。在细胞浓度很高时采用。 如果把细胞和培养液视为一相， 如果把细胞和培养液视为一相，建立的模型为均 一化模型。 一化模型。14

非结构模型最理想情况 均衡 生长

结构模型细胞之间无差异， 是均一的，细胞内 有多个组分存在。

确定论模型 不考虑细胞内部结构各种细胞均一 细胞群体做为一种溶质 A 不考虑细胞内部结构

B 均衡 生长 实际情况： 细胞内多组分； 细胞之间不均一 D

概率论模型 各种细胞不均一C 对细胞群体的描述模型

三、发酵工业中常用的几个术语得率 (或产率，转化率，Y):包括生长得率(Yx/s)和产物得率(Yp/s)。 得率： 得率：是指被消耗的物质和所合成产物之间 的量的关系。 生长得率： 生长得率 ： 是指每消耗1g(或mo1)基质(一般 指碳源)所产生的菌体重(g),即Yx/s= X/ 一 S。16