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。废水生物处理过程与微生物反应过程虽然都是利用微生物的反应过程 但与后者相比废水的生物处理具有以下特点: a)是由细菌等菌类、原生动物、微小原生动物等各种微生物构成的混合培养 系统 b)几乎全部采用连续操作系统。 c)微生物所处的环境条件波动大 d)反应的目的是消除有害物质而不是代谢产物和微生物本身。 五、生物化学工程的基本内容 生化工程是运用化学工程的原理和方法将生物技术的实验室成果进行工业 开发的一门学科。其原理与方法是指用以解决生产过程中有关化学反应、原料处 理和产物的分离、能量的传递、设备的设计与放大、过程的控制和优化等一系列 工程技术问题。 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。 生物反应器是整个生物反应过程的关键设备。它是为特定的细胞或酶提供适 宜的生长环境或进行特定的生化反应的设备,它的结构、操作方式和操作条件与 产品的质量、产量和能耗有着密切的关系。生物反应器存在着物料的混合与流动、 传质与传热等化学工程问题;存在着氧和基质的供需和传递、发酵动力学、酶催 化反应动力学、发酵液的流变学以及生物反应器的设计与放大等一系列带有共性 的工程技术问题;同时还包括生物反应过程的参数检测和控制。有关这一中游加 工过程的工程问题已发展成为生化工程的重要学科分支一生物反应工程。 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。例如,浓度最高的 6
6 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。废水生物处理过程与微生物反应过程虽然都是利用微生物的反应过程， 但与后者相比废水的生物处理具有以下特点： a) 是由细菌等菌类、原生动物、微小原生动物等各种微生物构成的混合培养 系统。 b) 几乎全部采用连续操作系统。 c) 微生物所处的环境条件波动大。 d) 反应的目的是消除有害物质而不是代谢产物和微生物本身。 五、生物化学工程的基本内容 生化工程是运用化学工程的原理和方法将生物技术的实验室成果进行工业 开发的一门学科。其原理与方法是指用以解决生产过程中有关化学反应、原料处 理和产物的分离、能量的传递、设备的设计与放大、过程的控制和优化等一系列 工程技术问题。 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。 生物反应器是整个生物反应过程的关键设备。它是为特定的细胞或酶提供适 宜的生长环境或进行特定的生化反应的设备，它的结构、操作方式和操作条件与 产品的质量、产量和能耗有着密切的关系。生物反应器存在着物料的混合与流动、 传质与传热等化学工程问题；存在着氧和基质的供需和传递、发酵动力学、酶催 化反应动力学、发酵液的流变学以及生物反应器的设计与放大等一系列带有共性 的工程技术问题；同时还包括生物反应过程的参数检测和控制。有关这一中游加 工过程的工程问题已发展成为生化工程的重要学科分支—生物反应工程。 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。例如，浓度最高的
乙醇仅为10%左右,氨基酸不超过8%,抗生素不超过5%,酶制剂不超过1%, 胰岛素不超过001%,单克隆抗体不超过00001%;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 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60~70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。目前,这些仪器已经可以用于生产各种不同的产品。 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。多种抗生素的大量生产过程就是这种方法的成功例证 但是通过传统的方法提高产量的幅度是非常有限的,如果一个突变了的菌株 某一组分合成太多,那么其他一些代谢物的合成就会受到影响,因此这反过来又 会影响微生物在大规模发酵过程中的生长。传统的诱变和选择的方法过程繁琐 耗时过长、费用极髙,需要筛选和检测大量的克隆。另外,用传统的方法能提髙 微生物一种已有的遗传性质,并不能赋予这种微生物以其他遗传特性。总的来说 传统的改良菌种的生物技术还仅仅局限在化学工程和微生物工程的领域内。随着 DNA重组技术的出现和发展,这种情况发生了根本性的改变 现代生物技术的发展主要体现在下列几方面 1、基因操作技术日新月异,不断完善。新技术、新方法一经产生就迅速的通过 商业渠道出售此项技术并在市场上加以应用。 2、基因工程药物和疫苗研究与开发突飞猛进。新的生物治疗制剂的产业化前景 十分光明,21世纪整个医药工业将面临全面的更新和改造 3、转基因动物和植物取得重大突破。现代生物技术在农业上的广泛应用作为生
7 乙醇仅为 10%左右，氨基酸不超过 8%，抗生素不超过 5%，酶制剂不超过 1%， 胰岛素不超过 0.01%，单克隆抗体不超过 0.0001%；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。 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 60~70 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。目前，这些仪器已经可以用于生产各种不同的产品。 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。多种抗生素的大量生产过程就是这种方法的成功例证。 但是通过传统的方法提高产量的幅度是非常有限的，如果一个突变了的菌株 某一组分合成太多，那么其他一些代谢物的合成就会受到影响，因此这反过来又 会影响微生物在大规模发酵过程中的生长。传统的诱变和选择的方法过程繁琐、 耗时过长、费用极高，需要筛选和检测大量的克隆。另外，用传统的方法能提高 微生物一种已有的遗传性质，并不能赋予这种微生物以其他遗传特性。总的来说 传统的改良菌种的生物技术还仅仅局限在化学工程和微生物工程的领域内。随着 DNA 重组技术的出现和发展，这种情况发生了根本性的改变。 现代生物技术的发展主要体现在下列几方面： 1、基因操作技术日新月异，不断完善。新技术、新方法一经产生就迅速的通过 商业渠道出售此项技术并在市场上加以应用。 2、基因工程药物和疫苗研究与开发突飞猛进。新的生物治疗制剂的产业化前景 十分光明，21 世纪整个医药工业将面临全面的更新和改造。 3、转基因动物和植物取得重大突破。现代生物技术在农业上的广泛应用作为生
物技术的“第二次浪潮”在21世纪将全面展开,给农业畜牧业生产带了新的 飞跃。生物技术对农业的总贡献率大于70%,功能性食品在营养学上起着革 命性的变化。 4、阐明生物体(目前主要有人类、水稻、拟南芥等)基因组及其编码蛋白质的 结构和功能是当今生命科学的一个主流方向。目前已有多个原核生物及一个 真核生物(酵母)的基因组序列被全部测定。与人类重大疾病相关的基因和 与农作物产量、质量、抗性等有关基因的结构与功能及其应用研究是今后 个时期研究的热点和重点。 5、基因治疗取得重大进展,有可能革新整个疾病的预防和治疗领域。估计在本 世纪初,恶性肿瘤、爱滋病的防治可望有所突破。(基因治疗对象:遗传病 恶性肿瘤、艾滋病、乙肝、代谢性病、心血管病等) 6、蛋白质工程是基因工程的发展,它将分子生物学、结构生物学、计算机技术 结合起来,形成一门高度综合的学科 7、国际上信息技术的飞速发展渗透到了生命科学领域,形成了引人注目、用途 广泛的生物信息学。全球通讯网络的日益扩大和完善也大大加速了生物技术 的研究、应用和开发 现代生物技术在近20年的发展中受到了各方面人士的普遍关注,更有 许多专家将21世纪称为生命科学的世纪,将现代生物技术产业称为21世纪 的朝阳产业。一方面是由于现代生物技术发展迅速,用途广泛;另一方面是 由于现代生物技术具有其他技术所无法比拟的优越性,即可持续发展。面对 人口膨胀、资源枯竭、环境污染等一系列直接关系到整个人类生死存亡的严 重问题。,人们越来越深刻的认识到了发展具有可持续发展的新技术、新产 业的必要性和紧迫性。由于生物技术是以生物(动物、植物、微生物、培养 细胞等)为原料生产产品的,因此其原料具有再生性,同时利用生物系统生 产产品产生的污染物很少,对环境的破坏性很小或几乎没有,重组微生物甚 至还可以消除环境中的污染物。鉴于生物技术产业的以上特点,清洁、经济 的生物技术必然会在21世纪获得更大的发展。 六、如何学习《发酵工程与设备》 以微生物的生命活动为基础的发酵工业正为人类的健康和生产实践服务,生
8 物技术的“第二次浪潮”在 21 世纪将全面展开，给农业畜牧业生产带了新的 飞跃。生物技术对农业的总贡献率大于 70%，功能性食品在营养学上起着革 命性的变化。 4、阐明生物体（目前主要有人类、水稻、拟南芥等）基因组及其编码蛋白质的 结构和功能是当今生命科学的一个主流方向。目前已有多个原核生物及一个 真核生物（酵母）的基因组序列被全部测定。与人类重大疾病相关的基因和 与农作物产量、质量、抗性等有关基因的结构与功能及其应用研究是今后一 个时期研究的热点和重点。 5、基因治疗取得重大进展，有可能革新整个疾病的预防和治疗领域。估计在本 世纪初，恶性肿瘤、爱滋病的防治可望有所突破。（基因治疗对象：遗传病、 恶性肿瘤、艾滋病、乙肝、代谢性病、心血管病等） 6、蛋白质工程是基因工程的发展，它将分子生物学、结构生物学、计算机技术 结合起来，形成一门高度综合的学科。 7、国际上信息技术的飞速发展渗透到了生命科学领域，形成了引人注目、用途 广泛的生物信息学。全球通讯网络的日益扩大和完善也大大加速了生物技术 的研究、应用和开发。 现代生物技术在近 20 年的发展中受到了各方面人士的普遍关注，更有 许多专家将 21 世纪称为生命科学的世纪，将现代生物技术产业称为 21 世纪 的朝阳产业。一方面是由于现代生物技术发展迅速，用途广泛；另一方面是 由于现代生物技术具有其他技术所无法比拟的优越性，即可持续发展。面对 人口膨胀、资源枯竭、环境污染等一系列直接关系到整个人类生死存亡的严 重问题。，人们越来越深刻的认识到了发展具有可持续发展的新技术、新产 业的必要性和紧迫性。由于生物技术是以生物（动物、植物、微生物、培养 细胞等）为原料生产产品的，因此其原料具有再生性，同时利用生物系统生 产产品产生的污染物很少，对环境的破坏性很小或几乎没有，重组微生物甚 至还可以消除环境中的污染物。鉴于生物技术产业的以上特点，清洁、经济 的生物技术必然会在 21 世纪获得更大的发展。 六、如何学习《发酵工程与设备》 以微生物的生命活动为基础的发酵工业正为人类的健康和生产实践服务，生
产了大量的抗生素、酶制剂、氨基酸、维生素、蛋白质以及其他有用产品。为了 在今后实际工作中对提高发酵工程的生产效率和创立新的发酵过程有所认识,我 们必须运用生物化学、微生物学等已学过的知识,详细了解和掌握发酵条件下的 微生物新成代谢的规律和整个反应过程所涉及的各个条件及作用,对微生物各种 反应做定量的动力学方面初步研究以控制微生物生命活动的途径,在此基础上, 学习和掌握微生物代谢过程中的物质传递机理;同时,认识和了解整个生物反应 过程中的设备结构和计算、形式各异的反应器的结构和特点,即在这门课程中, 对微生物发酵工业中培养基灭菌、空气除菌、反应动力学数学模型的建立、发酵 设备的结构、通气搅拌功率计算和设备放大、设备选型及设计方法进行较为全面 的分析和讲解,并在讲解中列举部分实例和有关生化工程设计数据。 另外,要结合有关工艺、技术、设备等方面的知识认真准备和操作实验,做 到理论联系实际,便于今后能够较快较好的适应工作
9 产了大量的抗生素、酶制剂、氨基酸、维生素、蛋白质以及其他有用产品。为了 在今后实际工作中对提高发酵工程的生产效率和创立新的发酵过程有所认识，我 们必须运用生物化学、微生物学等已学过的知识，详细了解和掌握发酵条件下的 微生物新成代谢的规律和整个反应过程所涉及的各个条件及作用，对微生物各种 反应做定量的动力学方面初步研究以控制微生物生命活动的途径，在此基础上， 学习和掌握微生物代谢过程中的物质传递机理；同时，认识和了解整个生物反应 过程中的设备结构和计算、形式各异的反应器的结构和特点，即在这门课程中， 对微生物发酵工业中培养基灭菌、空气除菌、反应动力学数学模型的建立、发酵 设备的结构、通气搅拌功率计算和设备放大、设备选型及设计方法进行较为全面 的分析和讲解，并在讲解中列举部分实例和有关生化工程设计数据。 另外，要结合有关工艺、技术、设备等方面的知识认真准备和操作实验，做 到理论联系实际，便于今后能够较快较好的适应工作
第二章菌种的扩大培养 菌种的扩大培养就是把保藏的菌种,即砂土管,冷冻干燥管中处于休眠状态 的生产菌种接入试管斜面活化,再经过扁瓶或药瓶和种子罐,逐级扩大培养后达 到一定的数量和质量的纯种培养过程。这些纯种的培养物称为种子。 工业规模的发酵罐体积越来越大,目前已达到几十立方米至几百立方米。若 按5~10%的接种量计算,就要接入几立方到几十立方米的种子。这单靠试管里 的种子直接接入是不可能达到必需的数量和质量的,必须从试管中的微生物菌种 逐级扩大为生产使用的种子。这是一个从实验室制备到车间生产的过程。然而, 菌种种类不同,生产产品品种不同,其生产方法和生产条件均有所差别,如营养 温度、酸碱度、氧等条件。因此,种子扩大培养应根据菌种的生理特性,选择合 适的培养条件来获得代谢旺盛和数量足够的种子。这种种子接入发酵罐后,会使 发酵生产周期缩短,设备利用率提髙,对杂菌的抵抗能力增加,对发酵生产起到 了关键性的作用。所以种子质量的好坏至关重要。 种子必须具备的条件:①菌种细胞的生长活力强,接种后在发酵罐中能迅速 生长;②生理性状稳定;③菌体总量和浓度能满足大容量发酵罐的要求:④无杂 菌污染(不带杂菌);⑤生产能力稳定。 第一节种子制备 种子制备过程可分为两大阶段(如图) 摇瓶 砂土管(冷冻「燥管)—·斜面 固体斜面 摇瓶 种子罐—·发酵罐 固体 ①实验室种子制备阶段:琼脂斜面至固体培养基扩大培养(如茄子瓶斜面培养等 或液体摇瓶培养。 ②生产车间种子制备阶段:种子罐扩大培养
10 第二章 菌种的扩大培养 菌种的扩大培养就是把保藏的菌种，即砂土管，冷冻干燥管中处于休眠状态 的生产菌种接入试管斜面活化，再经过扁瓶或药瓶和种子罐，逐级扩大培养后达 到一定的数量和质量的纯种培养过程。这些纯种的培养物称为种子。 工业规模的发酵罐体积越来越大，目前已达到几十立方米至几百立方米。若 按 5～10％的接种量计算，就要接入几立方到几十立方米的种子。这单靠试管里 的种子直接接入是不可能达到必需的数量和质量的，必须从试管中的微生物菌种 逐级扩大为生产使用的种子。这是一个从实验室制备到车间生产的过程。然而， 菌种种类不同，生产产品品种不同，其生产方法和生产条件均有所差别，如营养、 温度、酸碱度、氧等条件。因此，种子扩大培养应根据菌种的生理特性，选择合 适的培养条件来获得代谢旺盛和数量足够的种子。这种种子接入发酵罐后，会使 发酵生产周期缩短，设备利用率提高，对杂菌的抵抗能力增加，对发酵生产起到 了关键性的作用。所以种子质量的好坏至关重要。 种子必须具备的条件：①菌种细胞的生长活力强，接种后在发酵罐中能迅速 生长；②生理性状稳定；③菌体总量和浓度能满足大容量发酵罐的要求；④无杂 菌污染（不带杂菌）；⑤生产能力稳定。 第一节 种子制备 种子制备过程可分为两大阶段（如图）： a、 砂土管（冷 冻干燥管） 斜 面 摇 瓶 固 体斜 面 b、 摇 瓶 固 体 种 子 罐 发酵 罐 ①实验室种子制备阶段：琼脂斜面至固体培养基扩大培养（如茄子瓶斜面培养等 或液体摇瓶培养。 ②生产车间种子制备阶段：种子罐扩大培养