发酵现象的早期认识

1680年制成显微镜 ─── 微生物的存在 1857年巴斯德证明了酒精是由活的酵毋发酵引起的 1897年毕希纳发现磨碎的酵母仍使糖发酵形成酒精 ─── 酶
( Edward Jenner, 1749~1823 )首创用 牛痘预防天花，是免 疫学的发展，开创了 预防医学的先河。
微生物发酵工业是一个有别于化工过程的工业
特征：



反应条件温和 通常由于微生物的生理特性，要求温度为30℃-40℃ pH值中性偏酸性——酵母、霉菌、放线菌等 pH值中性偏碱性——细菌的发酵 无菌发酵 整个反应过程要求无菌：培养基无菌、空气无菌、 补 料和取样要求无菌操作、某些工程菌，其尾气也要求进 行无菌处理。 非连续性生产 微生物的生理特性决定了发酵过程的非连续性 大部分的工业发酵是以间歇操作为基础进行的，目前可 以实现连续化生产的是：啤酒的连续化生产……

Negative（危害）

Pathogens(病原体)
Spoilage（腐败变质）
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
“发酵”（Fermentation）一词是拉丁语“沸腾” （Fervere）的派生词 除某些转化过程外，典型的发酵过程可划分为六 个基本组成部分： 1、培养基（Medium）的配制； 2、培养基（Media）、发酵罐（Fermentor）及其 属设备的灭菌； 3、种子的制备； 4、发酵； 5、发酵产物的后处理（即提取和精制）； 6、发酵过程中排出的废弃物的处理。
发酵工程定义


发酵工程是渗透有工程学的微生物学。
是利用微生物的特定性状，通过现代化工程 技术产生有用物质或直接应用于工业化生产、 以把粮食、能源、化学制品、环境控制等全 球性课题联系起来的一种技术体系。

是将传统发酵技术与DNA重组、细胞融合、分 子修饰和改造等新技术结合并发展起来的现 代发酵技术。
巴斯德的雁颈瓶实验

丹麦科学家汉逊(Hansen)1878年创立 了酵母纯培养技术。
B D A C

Hale Waihona Puke 伟大的微生物学家科赫(Robert Koch)— 创立细菌分离培养和染色法，并发现多 种致病菌 科赫的研究工具: 钟罩(A)用来培养微生物，照相设备(B)、 显微镜(C)、染料和其它化学试剂(D)。
第一篇 发
酵
工
程
Fermentation Engineering
第1章 第2章 第3章
发酵工程介绍 发酵工艺条件的确定 发酵过程用微生物
第1章
发酵工程介绍
发 酵

工
程

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。
↑公元前2300年左右，埃及人酿制啤酒的场面（某金字塔壁画）
丰富多彩 的酒文化
自然发酵时期——古老的艺术



7,000-10,000 BC 果酒、兽酒（猿酒） 5,000-6,000 BC 啤酒 (埃及)，奶酪 游牧社会 4,000-5000 BC 曲(中国) 农业社会 4,000 BC 面包 (埃及)、螺旋藻食物 1,000 BC 醋 (中国) 2,000前 蒸馏酒
2.获得发酵产品的条件
适宜的微生物 保证或控制微生物进行代谢的各种条 件 进行微生物发酵的设备 精制成产品的方法和设备

发酵工业的分类
厌氧发酵
酿酒业（啤酒、葡萄酒、白酒……）。 调味品（酱油、醋）。 酵母工业——自然发酵 氨基酸发酵——典型的代谢控制发酵。 抗菌素发酵——次级代谢控制发酵。 酶制剂工业——具有重要的意义，是工业发展的 基础、科学研究的基础 有机酸工业——柠檬酸、葡萄酸、乳酸、琥珀酸等。 石油发酵——降低石油熔点（石油脱腊） 有机溶剂工业——乙醇、丙醇等 维生素发酵——VC、VB2 生理活性物质——白介-2 环境工业——废水的生物处理，废弃物的生物降解
划线法获得单菌落
近代----通风发酵技术的建立

One or more growth stages on solid medium
Shaken flask culture
Seed stage
发酵工程

概 念：指采用现代工程技术手段，利用微生 物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，
或直接把微生物应用于工业生产过程的一种
新技术。

内 容：菌种的选育、培养基的配制、灭菌、 扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提 纯等。
利用微生物的特点

发酵工程所利用的微生物主要是细菌、 放线菌，酵母菌和霉菌 利用微生物的特点： (1)对周围环境的温度、压强、渗透压、 酸碱度等条件有极大的适应能力 (2)有极强的消化能力 (3)有极强的繁殖能力
Use of Microorganisms

Positive（益处）

Biomass Production Conversion
发酵工程组成

从广义上讲，由三部分组成： 上游工程、发酵过程、下游工程
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： 上游工程、发酵过程、下游工程
下游工程
FERMENTATION Process Control
发酵过程

条件控制:通过发酵罐上的各种装置进行。 温度控制:通过发酵罐上的温度自动测试、控制装置 进行检测和调整。 溶氧的控制: 通过通气量和搅拌速度加以调节。

pH的控制: 加料装置，添加酸或碱进行调节，也可 以在培养基中添加pH缓冲液。
注意问题：用工程菌等发酵生产时，对排出的气体和 废培养液、设备等都有严格要求，防止这些人工合成 的生物新种扩散，对环境及其他生物造成危害。

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、发酵工业
1.定义：是指利用生物(细胞)的生命
活动产生的酶，将无机或有机原料 进行酶加工，获得产品的工业。




(a)无菌营养液通向空气，则出 现微生物。巴斯德认为是空气中 微生物进入烧瓶，而反对者认为 是空气中生命力进入烧瓶； (b)烧瓶被加热和密封后，无生 命出现。巴斯德认为是热杀死了 微生物，而反对者认为是热破坏 了生命力，且生命的产生需空气； (c)烧瓶开口，通入的空气被加 热，无生命出现。巴斯德认为是 热杀死了空气中微生物，而反对 者认为生命力被破坏； (d)雁颈使空气自由进入烧瓶， 但微生物被截留，无生命出现。 巴斯德观点被证实。
发酵过程

这是发酵的中心阶段
要求： a.要随时取样检测培养液中的细菌数目、产物浓度等， 以了解发酵进程； b.及时添加必需的培养基组分，以满足菌种的营养需 要； c.要严格控制温度、pH、溶氧、通气量与转速等发酵 条件。 不良影响： a.响菌种的生长繁殖 b.影响菌种代谢产物的形成 例如:在谷氨酸发酵过程中，当pH呈酸性时，谷氨酸棒 状杆菌就会生成乙酰谷氨酰胺。当溶氧不足时，生 成的代谢产物就会是乳酸或琥珀酸。
Medium preparation
DOWNSTREAM
Separation Biomass Supernatant
Product Purification
发酵工程



原始材料：包括菌种，培养基的糖类，氮源及某 些微量元素； 上游过程：对菌种加以改造，提高生产能力或者 导入外源基因等以获得工程菌； 发酵过程：发酵或生物转化，是通过优化发酵条 件如温度、营养、供气量等。利用工程菌的生物 合成，加工和修饰等以获得目的产物； 下游过程：是运用生物化学、物理学方法分离、 纯化产品，最终将产品推向市场并获得社会或经 济效益。

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。
好氧发酵
三、发酵工程的发展历史



发酵—古老的艺术 初期---微生物发现 近代---深层发酵技术 现代---DNA重组及细胞融合技术
丰 富 多 彩 的 酒 文 化
远古人类发现，吃剩的米粥数日后变成 了醇香可口的饮料—人类最早发明的酒
郑州殷代（公元前10世纪）遗迹
殷 商 酒 具
我国古代的酿酒作坊 （四川新都县出土的汉代画像）
FERMENTATION Process Control
Fermentation engineering
下游工程
DOWNSTREAM PROCESSES - product extraction, purification & assay - waste treatment -byproduct recovery
发酵工程
Continuous centrifuges