食品生物技術(shù)--發(fā)酵工程.ppt

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1、第五章發(fā)酵工程與食品工程第一節(jié)發(fā)酵工程概述第二節(jié)發(fā)酵設(shè)備與基本工藝過程第三節(jié)發(fā)酵過程控制第四節(jié)發(fā)酵工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用第一節(jié)發(fā)酵工程概述發(fā)酵已經(jīng)從過去簡單的生產(chǎn)酒精類飲料、生產(chǎn)醋酸和發(fā)酵面包發(fā)展到今天成為生物工程的一個極其重要的分支，成為一個包括了微生物學(xué)、化學(xué)工程、基因工程、細(xì)胞工程、機械工程和計算機軟硬件工程的一個多學(xué)科工程?，F(xiàn)代發(fā)酵工程不但生產(chǎn)酒精類飲料、醋酸和面包，而且生產(chǎn)胰島素、干擾素、生長激素、抗生素和疫苗等多種醫(yī)療保健藥物，生產(chǎn)天然殺蟲劑、細(xì)菌肥料和微生物除草劑等農(nóng)用生產(chǎn)資料，在化學(xué)工業(yè)上生產(chǎn)氨基酸、香料、生物高分子、酶

2、、維生素和單細(xì)胞蛋白等。一、發(fā)酵工程主要內(nèi)容發(fā)酵工程是指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細(xì)胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的技術(shù)。發(fā)酵工程由于涉及到生物催化劑，因而與化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。由于生物技術(shù)的最終目標(biāo)是建立工業(yè)生產(chǎn)過程為社會服務(wù)，因而該生產(chǎn)過程可稱為生物反應(yīng)過程（亦稱為生化反應(yīng)過程）。在發(fā)酵技術(shù)中一般包括微生物細(xì)胞或動植物細(xì)胞的懸浮培養(yǎng)，或利用固定化酶、固定化細(xì)胞所做的反應(yīng)器加工底物（即有生化催化劑參加），以及培養(yǎng)加工后產(chǎn)物大規(guī)模的分離提取等工藝。主要是在生物反應(yīng)過程中提供各種所需的最適環(huán)境條件，如酸堿度、濕度、底物濃度、通氣量以及保證無菌狀態(tài)等研

3、究內(nèi)容。二、發(fā)酵工程的發(fā)展歷史1000多年（甚至4000多年）以前酒類的釀造；19世紀(jì)利用酵母進(jìn)行大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)。大規(guī)模生產(chǎn)的發(fā)酵產(chǎn)品有乳酸、酒精、面包酵母、檸檬酸和蛋白酶等初級代謝產(chǎn)物；19世紀(jì)中葉，發(fā)明巴斯德滅菌法，找到了乳酸桿菌的生物體；20世紀(jì)初，發(fā)現(xiàn)某些梭菌能夠引起丙酮丁醇的發(fā)酵。它是第一個進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)酵過程，也是工業(yè)生產(chǎn)中首次采用大量純培養(yǎng)技術(shù)的；1929年Flemming爵士發(fā)現(xiàn)了青霉素，但無法提取精制；1942年終于正式實現(xiàn)了青霉素的工業(yè)化生產(chǎn)，這是生物工程第一次劃時代的飛躍，生物技術(shù)核心的發(fā)酵技術(shù)已從昔日的以

4、厭氧發(fā)酵為主的工藝躍入深層通風(fēng)發(fā)酵為主的工藝；20世紀(jì)40年代，以獲取細(xì)菌的次生代謝產(chǎn)物—抗生素為主要特征的抗生素工業(yè)成為生物發(fā)酵工業(yè)技術(shù)的支柱產(chǎn)業(yè)；20世紀(jì)50年代，氨基酸發(fā)酵工業(yè)又成為生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的又一個成員。實現(xiàn)了對微生物的的代謝進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，這又使生物技術(shù)進(jìn)了一步；20世紀(jì)60年代，生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)又增加了酶制劑工業(yè)這一成員；70年代，為了解決由于人口迅速增長而帶來的糧食短缺問題，進(jìn)行了非碳水化合物代替碳水化合物的發(fā)酵，如利用石油化工原料進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)，培養(yǎng)單細(xì)胞蛋白，進(jìn)行污水處理，能源開發(fā)等；80年代以來，隨著重組DNA技術(shù)的發(fā)展，

5、可以按人類社會的需要，定向培養(yǎng)出有用的菌株，這為發(fā)酵工程技術(shù)引入了遺傳工程的技術(shù)，使生物技術(shù)進(jìn)入了一個新的階段。三、發(fā)酵工程的特點在研究用微生物（生物催化劑）進(jìn)行某種物質(zhì)生產(chǎn)時，大體上有兩種研究方式：一種是各種酶水平上研究微生物細(xì)胞內(nèi)（外）的生物化學(xué)反應(yīng)，如大量搖瓶在實驗室里觀察限制反應(yīng)速率的因素和最適的培養(yǎng)方法，這可以認(rèn)為是一種小規(guī)模的研究形式；另一種是大規(guī)模的研究形式，即過程放大。利用小型和中型反應(yīng)器（培養(yǎng)罐）進(jìn)行培養(yǎng)試驗，并進(jìn)一步在工業(yè)規(guī)模上研究生產(chǎn)物的分離和精制方法，以確定在細(xì)胞水平上的綜合的最適培養(yǎng)條件。發(fā)酵工程的一個基本特點

6、：發(fā)酵技術(shù)的放大方面，則需要由小試放大到中試逐步進(jìn)行探討。實驗室進(jìn)行的小規(guī)模發(fā)酵所獲得的最適條件的各種參數(shù)，能否在工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)中也同樣保證其最適條件，那就是不是輕而易舉的事了。總結(jié)：因此如何保證大規(guī)模發(fā)酵在最適條件下進(jìn)行，仍是一個值得研究的課題，它不僅涉及到發(fā)酵設(shè)備的工程問題，也與各類生物細(xì)胞的生理生化特性相關(guān)。一般生物反應(yīng)過程由四個部分組成：（1）材料的預(yù)處理培養(yǎng)基的制備過程，包括其配制和滅菌等；（2）生物催化劑的制備固定化技術(shù)來制備；（3）生物反應(yīng)器及反應(yīng)條件的選擇與監(jiān)控生物反應(yīng)器是進(jìn)行生物反應(yīng)的核心設(shè)備；（4）產(chǎn)品的分離純化將含量

7、較低的產(chǎn)物從反應(yīng)液中提取出來（指胞外產(chǎn)物）或從細(xì)胞中（指胞內(nèi)產(chǎn)物）提取出來，并加以精制以達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量要求。生物反應(yīng)過程主要有這樣一些特點：采用可再生資源作為主要原料，因而原料來源豐實，價格低廉，過程中廢物的危害性較小，但由于原料的成分復(fù)雜，往往難以控制會給產(chǎn)品質(zhì)量帶來一定的影響；由于采用的是生物催化劑，反映過程一般在常溫常壓下進(jìn)行。但生物催化劑易受環(huán)境的影響和雜菌的污染，因而很易失活，難以長期使用；與一般化工產(chǎn)品相比，其生產(chǎn)設(shè)備比較簡單，能耗較低。但某些生物反應(yīng)由于其特殊性質(zhì)而使反應(yīng)基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度均不能太高，這是因為微生物細(xì)胞或生

8、物酶受底物濃度或產(chǎn)物濃度的抑制或不能耐高滲透壓所致，不僅使反應(yīng)器體積增大，而且也加大了提取的困難，因而反應(yīng)器生產(chǎn)效率較低；盡管生物反應(yīng)過程成本低，應(yīng)用廣，但反應(yīng)極為復(fù)雜，較難檢測與控制。反應(yīng)液中雜質(zhì)多，給分