食品生物技术-发酵工程_精品文档PPT资料.ppt

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,发酵：

酒精发酵（酵母的第型发酵）Alcoholicferment,发酵工业,定义：

是指利用生物的生命活动产生的酶，无机或有机原料进行酶加工，获得产品的工业。

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的设备,获得发酵产品的条件,发酵工程的发展历史天然发酵阶段：

1000多年（甚至4000多年）以前酒类的酿造；

19世纪利用酵母进行大规模发酵生产。

大规模生产的发酵产品有乳酸、酒精、面包酵母、柠檬酸和蛋白酶等初级代谢产物。

纯培养技术的建立：

19世纪中叶，发明巴斯德灭菌法，找到了乳酸杆菌的生物体。

人为地控制微生物的发酵进程。

20世纪初，发现某些梭菌能够引起丙酮丁醇的发酵。

它是第一个进行大规模工业生产的发酵过程，也是工业生产中首次采用的大量纯培养技术。

1929年Flemming爵士发现了青霉素，但无法提取精制。

1942年终于正式实现了青霉素的工业化生产，这是生物工程第一次划时代的飞跃，生物技术核心的发酵技术已从昔日的以厌氧发酵为主的工艺跃入深层通风发酵为主的工艺。

通气搅拌发酵技术的建立：

青霉素的生产深层培养,20世纪40年代，以获取细菌的次生代谢产物抗生素为主要特征的抗生素工业成为生物发酵工业技术的支柱产业。

20世纪50年代，氨基酸发酵工业又成为生物技术产业的又一个成员。

实现了对微生物的的代谢进行人工调节，这又使生物技术进了一步。

20世纪60年代，生物技术产业又增加了酶制剂工业这一成员。

70年代，为了解决由于人口迅速增长而带来的粮食短缺问题，进行了非碳水化合物代替碳水化合物的发酵，如利用石油化工原料进行发酵生产，培养单细胞蛋白，进行污水处理，能源开发等。

开拓发酵原料时期：

石油发酵，醋酸生产谷氨酸。

80年代以来，随着重组DNA技术的发展，可以按人类社会的需要，定向培养出有用的菌株，这为发酵工程技术引入了遗传工程的技术，使生物技术进入了一个新的阶段。

基因工程阶段。

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。

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。

发酵工程的特点在研究用微生物（生物催化剂）进行某种物质生产时，大体上有两种研究方式：

一种是各种酶水平上研究微生物细胞内（外）的生物化学反应，如大量摇瓶在实验室里观察限制反应速率的因素和最适的培养方法，这可以认为是一种小规模的研究形式；

另一种是大规模的研究形式，即过程放大。

利用小型和中型反应器（培养罐）进行培养试验，并进一步在工业规模上研究生产物的分离和精制方法，以确定在细胞水平上的综合的最适培养条件。

发酵工程的一个基本特点：

发酵技术的放大方面，则需要由小试放大到中试逐步进行探讨。

实验室进行的小规模发酵所获得的最适条件的各种参数，能否在工业规模生产中也同样保证其最适条件，那就是不是轻而易举的事了。

总结：

因此如何保证大规模发酵在最适条件下进行，仍是一个值得研究的课题，它不仅涉及到发酵设备的工程问题，也与各类生物细胞的生理生化特性相关。

一般生物反应过程由四个部分组成：

（1）材料的预处理培养基的制备过程，包括其配制和灭菌等；

（2）生物催化剂的制备固定化技术来制备；

（3）生物反应器及反应条件的选择与监控生物反应器是进行生物反应的核心设备；

（4）产品的分离纯化将含量较低的产物从反应液中提取出来（指胞外产物）或从细胞中（指胞内产物）提取出来，并加以精制以达到规定的质量要求。

生物反应过程主要有这样一些特点：

采用可再生资源作为主要原料，因而原料来源丰实，价格低廉，过程中废物的危害性较小，但由于原料的成分复杂，往往难以控制会给产品质量带来一定的影响；

由于采用的是生物催化剂，反映过程一般在常温常压下进行。

但生物催化剂易受环境的影响和杂菌的污染，因而很易失活，难以长期使用；

与一般化工产品相比，其生产设备比较简单，能耗较低。

但某些生物反应由于其特殊性质而使反应基质浓度和产物浓度均不能太高，这是因为微生物细胞或生物酶受底物浓度或产物浓度的抑制或不能耐高渗透压所致，不仅使反应器体积增大，而且也加大了提取的困难，因而反应器生产效率较低；

尽管生物反应过程成本低，应用广，但反应极为复杂，较难检测与控制。

反应液中杂质多，给分离提纯带来了困难。

生物反应过程的分类1、酶催化反应过程采用游离酶或固定化酶为催化剂时的反应过程。

生物体中所进行的反应几乎都是在酶的催化下进行的。

工业生产中所用的酶，或是经提取分离得到的游离酶，或是固定在多种载体上的固定化酶。

2、微生物反应过程采用活细胞为催化剂时的反应过程。

这既包括一般的微生物发酵反应过程，也包括固定化细胞反应过程和动植物细胞的培养过程。

3、废水的生物处理过程它是利用微生物本身的分解能力和净化能力，除去废水中污染物质的过程。

Fermentationengineering,上游工程UPSTREAMPROCESSES,下游工程DOWNSTREAMPROCESSES,发酵工程组成从广义上讲，由三部分组成：

上游工程、发酵工程、下游工程,UPSTREAMPROCESSES-genetics,cell-inoculumdevelopment（接种研究）mediaformulation（培养基组成）sterilization（灭菌）-Inoculation（接种）,上游工程,Fermentationengineering,DOWNSTREAMPROCESSES-productextraction,purification&

assay-wastetreatmentbyproductrecovery,下游工程,TheratioofrecoverytofermentationcostsforL-Asparaginase:

3.0Ethanol:

0.16,Fermentationengineering,生物化学工程的基本内容生化工程由三部分组成：

上游工程，发酵过程和下游工程。

上游工程：

包括优良种株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶氧和营养组成）的确定，营养物的准备等；

发酵过程（发酵工艺）：

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；

下游工程：

指从发酵液中分离和纯化产品的技术：

包括固液分离技术（离心分离，过滤分离，沉淀分离等工艺），细胞破壁技术（超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂和溶壁酶等），蛋白质纯化技术（沉淀法、色谱分离法和超滤法等），最后还有产品的包装处理技术（真空干燥和冰冻干事燥等）。

上游加工技术：

在生物化学反应过程的上游加工中最重要的是生物催化剂（包括菌株、酶及其固定化）的制备，因此必须掌握生物催化剂的生理生化特性和培养特性，解决大规模种子培养或固定化生物催化剂的制备以及如何将其在无菌状态下接入生物反应器中等问题。

上游加工中还包括原材料的物理和化学处理、培养基的配制和灭菌等问题，这里包括有物料破碎、混合和输送等多种化工单元操作以及热量传递、灭菌动力学和设备等有关工程问题。

发酵工艺技术：

1、发酵要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、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。

发酵工艺的批量发酵：

1、一次投料发酵；

2、流加批量发酵：

即在一次投料发酵的基础上，流加一定量的营养，使细胞进一步的生长，或得到更多的代谢产物；

3、连续发酵：

不断地流加营养，并不断地取出发酵液。

总结发酵工艺过程：

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。

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。

下游加工技术：

生物反应过程的下游是对目的产物的提取与精制。

这一过程是比较困难的。

这是因为一方面生物反应液中的目的产物的浓度是很低微的；

另一方面因为反应液杂质常与目的产物有相似的结构，加上一些具有生物活性的产品对温度、酸碱度都十分敏感，一些作为药物或食品的产品对纯度、有害物质都有严格的要求。

总之，下游加工过程步骤多，要求严，其生产费用往往占生产成本的一半以上。

总结：

生物技术研究的主要目标是最大限度地提高上游处理、发酵与转化、下游处理这三个步骤的整体效率，同时寻找一些可以用来制备食品、食品添加剂和药物的微生物。

从20世纪6070年代起，生物技术的研究主要集中在上游处理过程、生物反应器的设计和下游的纯化过程方面，这些研究使发酵过程的检测、生物反应体系的检测技术和有效的大量培养微生物的技术及相关仪器方面都有了很大的发展。

在利用微生物生产商品的整个过程中，生物转化这个环节往往是最难优化的。

通常用于大规模生产的培养条件往往不是自然条件下微生物的最佳生长条件。

因此，人们一般通过化学突变、化学诱变或者紫外线照射来产生突变体，从而改良菌种、提高产量，传统的诱导突变和选择的方法在发酵生产中获得了较大的成功。

但是通过传统的方法提高产量的幅度是非常有限的，传