发酵工程与设备 第一章绪论 生物技术作为21世纪高新技术的核心,对人类面临的食品、资源、健康、 环境等重大问题发挥越来越大的作用。大力发展生物技术及其产业已成为世界各 国经济发展的战略重点。 发酵工程的主要内容 发酵工程( Fermentation engineering)属于生物技术的范畴,生物技术又称 生物工艺学,最初是由一位匈牙利工程师 Karl Ereky于1917年提出的。当时他 提出的生物技术这一名词的涵义是指甜菜作为饲料进行大规模养猪,即利用生物 将原料转化为产品。现在的生物技术的定义为:生物技术是应用自然科学及工程 学原理依靠生物催化剂的作用将物料进行加工以提供产品或社会服务的技术。因 此,生物技术是一门综合性多学科技术,他涉及的基础学科有生物学、化学和工 程学。下图为生物技术与基础学科关系的示意图。它逐渐成为与生物学、生物化 学、化学工程等多学科密切相关的综合性边缘学科。 现代生物技术作为一门新兴的高科技术产业,它的生命力在于他对社会经济 和发展的各个方面都带来了极大冲击和影响。 发酵工程是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 技术。 发酵工程由于涉及到生物催化剂,因而与化学反应有关。由于生物技术的最 终目标是建立工业生产过程为社会服务,因而该生产过程可称为生物反应过程 (亦称为生化反应过程)。 在发酵技术中一般包括微生物细胞或动植物细胞的悬浮培养,或利用固定化 酶,固定化细胞所做的反应器加工底物(即有生化催化剂参加),以及培养加工 后产物大规模的分离提取等工艺。主要是在生物反应过程中提供各种所需的最适 环境条件。如酸碱度、湿度、底物浓度、通气量以及保证无菌状态等硏究内容 二、发酵工程的发展历史 生物技术的发展和利用可以追溯到1000多年(甚至4000多年)以前如酒类 的酿造。而人类有意识地利用酵母进行大规模发酵生产是在19世纪。当时进行 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
1 发 酵 工 程 与 设 备 第一章 绪 论 生物技术作为 21 世纪高新技术的核心，对人类面临的食品、资源、健康、 环境等重大问题发挥越来越大的作用。大力发展生物技术及其产业已成为世界各 国经济发展的战略重点。 一． 发酵工程的主要内容 发酵工程（Fermentation Engineering）属于生物技术的范畴，生物技术又称 生物工艺学，最初是由一位匈牙利工程师 Karl.Ereky 于 1917 年提出的。当时他 提出的生物技术这一名词的涵义是指甜菜作为饲料进行大规模养猪，即利用生物 将原料转化为产品。现在的生物技术的定义为：生物技术是应用自然科学及工程 学原理依靠生物催化剂的作用将物料进行加工以提供产品或社会服务的技术。因 此，生物技术是一门综合性多学科技术，他涉及的基础学科有生物学、化学和工 程学。下图为生物技术与基础学科关系的示意图。它逐渐成为与生物学、生物化 学、化学工程等多学科密切相关的综合性边缘学科。 现代生物技术作为一门新兴的高科技术产业，它的生命力在于他对社会经济 和发展的各个方面都带来了极大冲击和影响。 发酵工程是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 技术。 发酵工程由于涉及到生物催化剂，因而与化学反应有关。由于生物技术的最 终目标是建立工业生产过程为社会服务，因而该生产过程可称为生物反应过程 （亦称为生化反应过程）。 在发酵技术中一般包括微生物细胞或动植物细胞的悬浮培养，或利用固定化 酶，固定化细胞所做的反应器加工底物（即有生化催化剂参加），以及培养加工 后产物大规模的分离提取等工艺。主要是在生物反应过程中提供各种所需的最适 环境条件。如酸碱度、湿度、底物浓度、通气量以及保证无菌状态等研究内容。 二、发酵工程的发展历史 生物技术的发展和利用可以追溯到 1000 多年（甚至 4000 多年）以前如酒类 的酿造。而人类有意识地利用酵母进行大规模发酵生产是在 19 世纪。当时进行 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。19世纪中叶,法国葡萄酒的酿造者在酿酒的过程中遇到了麻烦,他们酿造 的美酒总是变酸,于是,纷纷祈求于正在对发酵作用机制进行研究的巴斯德。巴 斯德不负重望,经过分析发现,这种变化是由乳酸杆菌使糖部分转化为乳酸引起 的。同时,找到了后来被称为乳酸杆菌的生物体。巴斯德提出,只要对糖液进行 灭菌,就可以解决这个问题,这种灭菌方法就是流传至今的巴斯德灭菌法。 巴斯德关于发酵作用的研究,从1857年到1876年前后持续了20年。否定 了当时盛行的所谓“自然发生说”。他认为“一切发酵过程都是微生物作用的结 果。发酵是没有空气的生命过程。微生物是引起化学变化的作用者”。巴斯德的 发现不仅对以前的发酵食品加工过程给以科学的解释,也为以后新的发酵过程的 发现提供了理论基础,促进了生物学和工程学的结合。因此,巴斯德被称为生物 工程之父。 到了20世纪初,人们发现某些梭菌能够引起丙酮丁醇的发酵,丙酮是制造 炸药的原料,随着第一次世界大战的爆发刺激了丙酮丁醇工业的极大发展。虽然 现在竟争力更强的新方法已逐步取代了昔日的发酵法。但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大量纯培养技术的。这一工艺获 得成功的重要因素是排除了培养体系中其他有害的微生物。这在19世纪末,20 世纪初,是相当先进的生物技术。因此,可以说,巴斯德是生物工程初始阶段的 开拓者 1929年 Flemming爵士发现了青霉素,从此生产技术产品中增加一大类新的 产品一抗生素。1929年,英国科学家弗来明在污染了霉菌的细菌培养平板上观 察到了霉菌菌落的周围有一个细菌抑制圈,由于这种霉菌是青霉菌,所以弗来明 把这种抑制细菌生长的霉菌分泌物叫青霉素。可是他的提取精制,在当时无法做 到,弗来明只好忍痛割爱,放弃硏究。 10年以后,第二次世界大战的战火越烧越旺,大量伤员急需抢救,英国的 一些科学家恢复了弗来明的工作,竟戏剧性的获得了成功。当时,英国本土已经 战火弥漫无法试制,美国承担了青霉素的试制任务。要生产这种药物,必须要有 种严格的、将不需要的微生物排除在生产体系之外的无菌操作技术,必须要从 外界通入大量的空气而又不污染杂菌的培养技术,还要想方设法从大量培养液中 提取这种当时产量极低的较纯的青霉素。美国的科学家和工程师齐心协力,攻克
2 物。19 世纪中叶，法国葡萄酒的酿造者在酿酒的过程中遇到了麻烦，他们酿造 的美酒总是变酸，于是，纷纷祈求于正在对发酵作用机制进行研究的巴斯德。巴 斯德不负重望，经过分析发现，这种变化是由乳酸杆菌使糖部分转化为乳酸引起 的。同时，找到了后来被称为乳酸杆菌的生物体。巴斯德提出，只要对糖液进行 灭菌，就可以解决这个问题，这种灭菌方法就是流传至今的巴斯德灭菌法。 巴斯德关于发酵作用的研究，从 1857 年到 1876 年前后持续了 20 年。否定 了当时盛行的所谓“自然发生说”。他认为“一切发酵过程都是微生物作用的结 果。发酵是没有空气的生命过程。微生物是引起化学变化的作用者”。巴斯德的 发现不仅对以前的发酵食品加工过程给以科学的解释，也为以后新的发酵过程的 发现提供了理论基础，促进了生物学和工程学的结合。因此，巴斯德被称为生物 工程之父。 到了 20 世纪初，人们发现某些梭菌能够引起丙酮丁醇的发酵，丙酮是制造 炸药的原料，随着第一次世界大战的爆发刺激了丙酮丁醇工业的极大发展。虽然 现在竟争力更强的新方法已逐步取代了昔日的发酵法。但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大量纯培养技术的。这一工艺获 得成功的重要因素是排除了培养体系中其他有害的微生物。这在 19 世纪末，20 世纪初，是相当先进的生物技术。因此，可以说，巴斯德是生物工程初始阶段的 开拓者。 1929 年 Flemming 爵士发现了青霉素，从此生产技术产品中增加一大类新的 产品—抗生素。1929 年，英国科学家弗来明在污染了霉菌的细菌培养平板上观 察到了霉菌菌落的周围有一个细菌抑制圈，由于这种霉菌是青霉菌，所以弗来明 把这种抑制细菌生长的霉菌分泌物叫青霉素。可是他的提取精制，在当时无法做 到，弗来明只好忍痛割爱，放弃研究。 10 年以后，第二次世界大战的战火越烧越旺，大量伤员急需抢救，英国的 一些科学家恢复了弗来明的工作，竟戏剧性的获得了成功。当时，英国本土已经 战火弥漫无法试制，美国承担了青霉素的试制任务。要生产这种药物，必须要有 一种严格的、将不需要的微生物排除在生产体系之外的无菌操作技术，必须要从 外界通入大量的空气而又不污染杂菌的培养技术，还要想方设法从大量培养液中 提取这种当时产量极低的较纯的青霉素。美国的科学家和工程师齐心协力，攻克
许多难关,到1942年终于正式实现了青霉素的工业化生产。这一伟大成就拯救 了千千万万挣扎在战争死亡线上的人们。这是生物工程第一次划时代的飞跃。在 这一飞跃中,作为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。这种工艺不只是通通气,而与此相适应的有一整套 工程技术,如1、大量无菌空气的制备技术,2、中间无菌取样技术,3、设备的 设计技术等等。因此,我们说这是生物工程技术的一次划时代飞跃。尽管后来 开发了许多新产品,如数以千计的抗生素、多类氨基酸、不同用途的酶制剂等, 就根本来说,青霉素投产后的半个多世纪中,深层培养技术没有出现质的改变 20世纪40年代,以获取细菌的次生代谢产物一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 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 个新的阶段 纵观生物技术的发展历史,我们可以知道,生物技术在经历了漫长的以传统 工艺技术为主体的时期以后,正向系统的理论和实际应用相结合的方向发展,即 奠定了可靠的理论和实践基础,也为今天和今后相当长时期生物技术的产业化准 备了条件 三、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
3 许多难关，到 1942 年终于正式实现了青霉素的工业化生产。这一伟大成就拯救 了千千万万挣扎在战争死亡线上的人们。这是生物工程第一次划时代的飞跃。在 这一飞跃中，作为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。这种工艺不只是通通气，而与此相适应的有一整套 工程技术，如 1、大量无菌空气的制备技术，2、中间无菌取样技术，3、设备的 设计技术等等。 因此，我们说这是生物工程技术的一次划时代飞跃。尽管后来 开发了许多新产品，如数以千计的抗生素、多类氨基酸、不同用途的酶制剂等， 就根本来说，青霉素投产后的半个多世纪中，深层培养技术没有出现质的改变。 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。 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。 纵观生物技术的发展历史，我们可以知道，生物技术在经历了漫长的以传统 工艺技术为主体的时期以后，正向系统的理论和实际应用相结合的方向发展，即 奠定了可靠的理论和实践基础，也为今天和今后相当长时期生物技术的产业化准 备了条件。 三、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, 一般化学工业的放大,可以说仅需对其放大原理给予充分的研究就足够了 而在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使用的一百多 立方到数百立方,也同样保证其最适条件,那就是不是轻而易举的事了。这是发 酵工程的一个基本特点。例如,从摇瓶试验到各种规模的反应器试验,即使培养 液的成分、温度、pH值等参数各种条件完全相同,并且微生物的活性及其培养 过程与各个装置之间有着必要的相互关联,但一般情况下,反应结果可能完全不 致。尽管目前已有生物传感器,可以迅速准确地就位监测罐内、塔内或反应器 中的反应过程,也有微机处理帮助大大提高了自动化调控的能力,而这些先进装 置确实是保证在最适条件下进行发酵的有利武器,但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 包括原材料的选择,必要的物理和化学方法加工,此过程是为提供微生物细 胞可以生长和产物形成的基本原料,即培养基的制备过程,包括其配制和灭菌等 (2)生物催化剂的制备 生物反应的催化剂一酶基本上是由微生物产生的。因此,要选择高产、稳定、 髙效、容易培养的菌株,并以此菌株再经过多次逐级扩大培养后达到足够的数量 并具有理想质量的微生物培养液作为“种子”接到反应器中。也可以利用固定化 酶或固定化细胞,这就要通过一定的固定化技术来制备 (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,生物反应主要是在生物反应器中进 行的,它为微生物细胞或酶提供合适的反应条件以达到细胞增殖或产品形成的目 的。反应器的结构、操作方式和操作条件对反应原料的转化率、产品质量和产品 成本有着密切关系。根据发酵周期长短、培养条件等,可采取间歇式操作、多级 反应器串联的连续操作等。同时反应参数的检测与控制对生物反应过程的顺利进 行也是十分重要的
4 法，以确定在细胞水平上的综合的最适培养条件。 一般化学工业的放大，可以说仅需对其放大原理给予充分的研究就足够了。 而在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使用的一百多 立方到数百立方，也同样保证其最适条件，那就是不是轻而易举的事了。这是发 酵工程的一个基本特点。例如，从摇瓶试验到各种规模的反应器试验，即使培养 液的成分、温度、pH 值等参数各种条件完全相同，并且微生物的活性及其培养 过程与各个装置之间有着必要的相互关联，但一般情况下，反应结果可能完全不 一致。尽管目前已有生物传感器，可以迅速准确地就位监测罐内、塔内或反应器 中的反应过程，也有微机处理帮助大大提高了自动化调控的能力，而这些先进装 置确实是保证在最适条件下进行发酵的有利武器，但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 包括原材料的选择，必要的物理和化学方法加工，此过程是为提供微生物细 胞可以生长和产物形成的基本原料，即培养基的制备过程，包括其配制和灭菌等。 （2） 生物催化剂的制备 生物反应的催化剂—酶基本上是由微生物产生的。因此，要选择高产、稳定、 高效、容易培养的菌株，并以此菌株再经过多次逐级扩大培养后达到足够的数量 并具有理想质量的微生物培养液作为“种子”接到反应器中。也可以利用固定化 酶或固定化细胞，这就要通过一定的固定化技术来制备。 （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，生物反应主要是在生物反应器中进 行的，它为微生物细胞或酶提供合适的反应条件以达到细胞增殖或产品形成的目 的。反应器的结构、操作方式和操作条件对反应原料的转化率、产品质量和产品 成本有着密切关系。根据发酵周期长短、培养条件等，可采取间歇式操作、多级 反应器串联的连续操作等。同时反应参数的检测与控制对生物反应过程的顺利进 行也是十分重要的
(4)产品的分离纯化 这一工序也叫下游加工程序,其目的是用适当的方法和手段将含量较低的产 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。包括物理方法、化学方法、生物方法等。生物 反应过程主要有这样一些特点 a.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。 b.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。 c.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。 d.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 四.生物反应过程的分类 随着生物技术的发展,生物反应过程的种类和规模都在不断的扩大。目 前已进行工业生产的主要有酶催化反应过程,微生物反应过程和废水的生物 处理过程 1.藤催化反应过程 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
5 （4） 产品的分离纯化 这一工序也叫下游加工程序，其目的是用适当的方法和手段将含量较低的产 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。包括物理方法、化学方法、生物方法等。生物 反应过程主要有这样一些特点： a．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。 b． 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。 c．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。 d．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。 四. 生物反应过程的分类 随着生物技术的发展，生物反应过程的种类和规模都在不断的扩大。目 前已进行工业生产的主要有酶催化反应过程，微生物反应过程和废水的生物 处理过程。 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