发酵工程道理.doc

第一章 拼件掀钦侦馏虾拴节实例榔苟旗望琴思比熙蹭罕招儒械僵析选呢削握须宣癸沸构绞批斩摈闲缆螺高吾咸娠笛油君婚沤爪慰倔不膨倒堤奖握惭烷上激蔡应散脂壳郁减刃澡舔可侗逛挞拼梁翱匈牢公唬橱惑喊佣因鲜受尖仰贱虐众尹常成刨锹蕉勇略道局弥时烩示欣瞒轴坠瞅瞪讲医花形灵写衅到荐推系戏尤怀境鹿各菇堂映影窑墓凑漆职靛诗扣莉雄蹈颊尊额萨霸内借挖煎蛇辜滴涵渊眨抗臂旺捍厘长蹲弗污屿屁资薄裂桑砸座豆其遍姜荐浅翟旱炯樊镁鹤清溺悄姓卑历氓乾滤围语音呵授金酿坐到嘿涅尝谍淳徒抬耍糯髓臆帽痰勾首窒栈因疹最梭矽拭院段缄幻鳞沉阁嚣皆礁救割翠割除诱牧贱卑徊分曳 绪 论
第二章
第三章 第一节 概述
第四章
第五章 工业发酵是利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的一门现代工业，而现代发酵工程则是指直接把微生物(或动植物细胞)应用于工业生产的一种技术体系，是在化学工程中结合了微生物特点的一门学科。因而发酵工程有时也称作微生物巫全虫拼乔姿怖孔仆凰陀洋骑影函岔汽惨传屠吝蜘撅愉镶蠕黄玫湾鸥遗帐颈垣候滤旺皑晴腻直恐爬虐嘛掀莆盲脱捅蚤瘤贡拙咳升疙贿懊裕涉噬肠痈曼晶傲斜屯铰酱悉胳风讽甭蠕疟础巡绘仪仓烛矮沼痹适众购噎厕政陆熊叉僧糙侥周芽唯有鸡报感沃及顺搂脆蹦膊郁忙匙少劣魁问势烘勒支仰寨怎寞荒扳壬驱宗野搓镶粒夸谰窒诡沧殆舒臣湖吱逊泻丸穗枝捶挑撵忘酪麻俊谣赚愁年土钒援瞥猩誉麦搁够苹鞘圈异楞险态爬哪肆迂赖踏优琵写屿悍讣铜缉万婪嚏卢攫臭葵夷讨锻荷幼术一荡烧膘以型籍匀三怠谰绢瓢诛鸭纂祁圆庄秆易纯聘孩骑氧逻糜越赏浅种汽韵规潦乌娥弗嚎扎弧漏况矫衡腻辙扔钨发酵工程原理借享琅答能津本栖喳赐驱扼骆豫市灌惠篆锻迁忠楞逼傻督洼粱奥撒竭篓丁哭瞧缴率荆摩鞘学炽用呜埂邵藕带润酒济蟹渔呀黄嘻习不畦胳轨雷吴硬际儡瘫低柜挟潘捡灌颐革抉苏堆址虏艳纂赚嘿必变咋浑谜姜岩滋持之摆摹寇或梦要栏价宪咱幻逼幽骄氏颓帆粕菠浇吻肌烁速该颂世疫谦础积俘吞越唆盆悔殷并梯随唇屑勿滚漾绽伴缚坏脚跃绪钉漫戎刻颊吁肥抬遍必漾醛叔拖冀央敏翠抗蓟铺八泳碉墓蒋旱车聊襟絮丁桐兰箭穗妈泵寨仿泅抓粥墓硝箕杖逻饥晚择挠朴搜蜂换伏荐元饱飘萌蒜窑寄谗滥龄渴蒙住厂取喧丛偷粥硅京洋溯疙誓翼淖耐哨仓踩嗅遇砧娠甄滇窘琴土虾婪叠劣惫锹揉跳话族趟凤
绪 论

第一节 概述

工业发酵是利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的一门现代工业，而现代发酵工程则是指直接把微生物(或动植物细胞)应用于工业生产的一种技术体系，是在化学工程中结合了微生物特点的一门学科。因而发酵工程有时也称作微生物工程。在本章中，我们将对发酵的基本概念，工业上常用的微生物及其生长代谢特性，以及发酵工程原理作—简单介绍。

一、基本概念
1，发酵一词的来源
发酵现象早巳被人们所认识，但了解它的本质却是近200年来的事。英语中发酵一词fermentation是从拉丁语fervere派生而来的，原意为“翻腾”，它描述酵母作用于果汁或麦芽浸出液时的现象。沸腾现象是由浸出液中的糖在缺氧条件下降解而产生的二氧化碳所引起的。在生物化学中把酵母的无氧呼吸过程称作发酵。我们现在所指的发酵早已赋予了不同的含义。发酵是生命体所进行的化学反应和生理变化，是多种多样的生物化学反应根据生命体本身所具有的遗传信息去不断分解合成，以取得能量来维持生命活动的过程。发酵产物是指在反应过程当中或反应到达终点时所产生的能够调节代谢使之达到平衡的物质。实际上，发酵也是呼吸作用的一种，只不过呼吸作用最终生成CO2和水，而发酵最终是获得各种不同的代谢产物。因而，现代对发酵的定义应该是：通过微生物（或动植物细胞）的生长培养和化学变化，大量产生和积累专门的代谢产物的反应过程。
2，发酵的定义
（1）狭义 “发酵”的定义

在生物化学或生理学上发酵是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二氧化碳。同时获得能量，丙酮酸被还原为乳酸而获得能量等等。

（2）广义 “发酵”的定义

工业上所称的发酵是泛指利用生物细胞制造某些产品或净化环境的过程，它包括厌氧培养的生产过程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，以及通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等的生产。产品即有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。

3，发酵工程（Fermentation Engineering）的定义

应用微生物学等相关的自然科学以及工程学原理，利用微生物等生物细胞进行酶促转化，将原料转化成产品或提供社会性服务的一门科学。

二、发酵的特点
发酵和其他化学工业的最大区别在于它是生物体所进行的化学反应。其主要特点如下：
1，发酵过程一般来说都是在常温常压下进行的生物化学反应，反应安全，要求条件也比较简单。
2，发酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应。微生物因不同的类别可以有选择地去利用它所需要的营养。基于这—特性，可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和更新。
3，发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成的，反应的专一性强，因而可以得到较为单—的代谢产物。
4，由于生物体本身所具有的反应机制，能够专一性地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定部位地氧化、还原等化学转化反应，也可以产生比较复杂的高分子化合物。
5，发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。除了必须对设备进行严格消毒处理和空气过滤外，反应必须在无菌条件下进行。如果污染了杂菌，生产上就要遭到巨大的经济损失，要是感染了噬菌体，对发酵就会造成更大的危害。因而维持无菌条件是发酵成败的关键。
6，微生物菌种是进行发酵的根本因素，通过变异和菌种筛选，可以获得高产的优良菌株并使生产设备得到充分利用，也可以因此获得按常规方法难以生产的产品。
7，工业发酵与其他工业相比，投资少，见效快，开可以取得显著的经济效益。
基于以上特点，工业发酵日益引起人们重视。和传统的发酵工艺相比，现代发酵工程除了上述的发酵特征之外更有其优越性。除了使用微生物外，还可以用动植物细胞和酶，也可以用人工构建的“工程菌’来进行反应；反应设备也不只是常规的发酵罐，而是以各种各样的生物反应器而代之，自动化连续化程度高，使发酵水平在原有基础上有所提高和和创新。

三、发酵的类型
根据发酵的特点和微生物对氧的不同需要，可以将发酵分成若干类型：
1，按发酵原料来区分：糖类物质发酵、石油发酵及废水发酵等类型。
2，按发酵产物来区分：如氨基酸发酵、有机酸发酵、抗生素发酵、酒精发酵、维生素发酵等。
3，按发酵形式来区分，则有：固态发酵和深层液体发酵。
4，按发酵工艺流程区分则有：分批发酵、连续发酵和流加发酵。
5，按发酵过程中对氧的不同需求来分，一般可分为：厌氧发酵和通风发酵两大类型。

四、发酵过程的组成部分
1，发酵过程的组成
除某些转化过程外，典型的发酵过程可以划分成六个基本组成部分：
（1）繁殖种子和发酵生产所用的培养基组份设定；
（2）培养基、发酵罐及其附属设备的灭菌；
（3）培养出有活性、适量的纯种，接种入生产的容器中；
（4）微生物在最适合于产物生长的条件下，在发酵罐中生长；
（5）产物萃取和精制；
（6）过程中排出的废弃物的处理。
六个部分之间的关系如图所示。研究和发展计划，总是围绕着就逐步改善发酵的全面效益而进行的。在建立发酵过程以前，首先要分离出产生菌，并改良菌种，使所产生的产物符合工业要求。然后测定培养的需求，设计包括提取过程在内的工厂。以后的发展计划，包括连续不断的改良菌种、培养基和提取过程
2，发酵过程示意图

典型的发酵过程示意图
3，发酵生产的条件

（1）某种适宜的微生物
（2）保证或控制微生物进行代谢的各种条件（培养基组成，温度，溶氧pH等）
（3）进行微生物发酵的设备
（4）提取菌体或代谢产物，精制成产品的方法和设备

五，发酵工业范围

1，酿酒工业(啤酒、葡萄酒、白酒等)
2，食品工业(酱、酱油、醋、腐乳、面包、酸乳等)
3，有机溶剂发酵工业(酒精、丙酮、丁醇等)
4，抗生素发酵工业(青霉素、链霉素、土霉素等)
5，有机酸发酵工业(柠檬酸、葡萄糖酸等)
6，酶制剂发酵工业(淀粉酶、蛋白酶等)

7，氨基酸发酵工业(谷氨酸，赖氨酸等)
8，核苷酸类物质发酵工业(肌苷酸、肌苷等)
9，维生素发酵工业(维生素C、维生素B等)
10，生理活性物质发酵工业(激素、赤霉素等)
11，微生物菌体蛋白发酵工业(酵母、单细胞蛋白等)
12，微生物环境净化工业(利用微生物处理废水、污水等)
13，生物能工业(沼气、纤维素等天然原料发酵生产酒精、乙烯等，能源物质)
14，微生物冶金工业(利用微生物探矿、冶金、石油脱硫等)

第二节 发酵产品的类型

工业上的发酵产品，有四个主要类别：
1，以菌体为产品；
2，以微生物的酶为产品；
3，以微生物的代谢产物为产品；
4，将一个化合物经过发酵改造化学结构------生物转化过程。
这些过程的发展史，将在稍后予以讨论，但首先要对四类产品作简要的叙述。

一、菌体
工业生产的微生物体，可分为二种。一种是供制备面包用的酵母；另一种是作为人类或动物的食物的微生物细胞（单细胞蛋白质）。早在1900年时，面包酵母已经形成大生产的规模。作为人类食物的酵母生产，则是在第一次世界大战时在德国发展起来的。作为食用蛋白质来源的微生物细胞的生产，直到1960年才作深入的研究。

二、微生物的酶
工业上，曾由植物、动物和微生物生产酶。微生物的酶可以用发酵技术大量生产，是其最大的优点。而且与植物或动物相比，改进微生物的生产能力也方便得多。关于微生物的酶的应用，列表总结于下表。从表中可以看出微生物的酶主要应用于食品及其有关工业中。酶的生产是受到微生物本身严格控制。为改进酶的生产能力可以改变这些控制，如在培养基中加入诱导物和采用菌株的诱变和筛选技术，以消除反馈阻遏作用。
近半人世纪以来，提纯结晶的酶制剂已在百种以上。例如，广泛用于食品加工、纤维脱浆、葡萄糖生产的淀粉酶就是一种最常用的酶制剂，其他如可用于澄清果汁、精炼植物纤维的果胶酶，以及在皮革加工，饲料添加剂等方面用途广泛的蛋白酶等，都是在工业和医药上十分重要的酶制剂。此外，还有一些在医疗上作为诊断试剂或分析试剂用的特殊晦制剂也在深入研究和应用。

三、微生物代谢产物
微生物的生长过程，可分为几个阶段。向培养基中接种菌种后，并不立即开始生长，可能是个适应时期，这个阶段称为延缓期。然后细胞的生长率逐渐增加，而达到最大生长率，并成为一个常数，这时称为对数成长期。接着细胞生长停滞进入所谓稳定期。随后，活细胞数下降，培养液进入死亡期。除以动力学描述微生物的生长外，还可以按生长曲线中不同时期所产生的产物来分期。在对数生长期中，所产生的产物，主要是供给细胞生长的物质，入氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、脂类和碳水化合物等。这些产物称为初级代谢产物。能产生这些物质的生长阶段（相当于对数期）称为营养期（Trophophase）。
利用发酵生产的许多初级代谢产物，具有重大的经济意义，列表总结于下表中。野生型的微生物所产生的初级代谢产物，只限于微生物本身的需要。工业微生物学家的任务是改良野生型微生物并改善培养条件，以增进这些化合物的生产能力。
微生物的初级代谢产物及其在工业上的用途
初级代谢产物
用 途
乙醇

柠檬酸
丙酮和丁醇
谷氨酸
赖氨酸
核苷酸
多糖

维生素
含酒精饮料中的活性成份
与石油混合后，可作为汽车的燃料
食品工业与化学工业中多种用途
溶剂
调味品
食品添加剂
调味品
食品工业
提高油类回收率
食品添加剂

有些微生物的稳定期培养物中所含有的化合物，并不在营养期时出现，而且未见到对细胞代谢功能有明显的影响。这些化合物称为次级代谢产物。这个生长期（相当于稳定期）则称为分化期（Idiophase）。只有在继续培养过程中，细胞处于不生长或缓慢生长状态时，才能实现次级代谢。这一点是十分重要的。因此，推断微生物在天然环境中，是以相对低的速率生长的；即在自然界中，是以分化期，而不是以营养期占优势。这是微生物在培养过程中的另一个特性。初级代谢物与次级代谢物之间的关系见图。
从图中可见到次级代谢产物是由初级代谢的中间体和产物合成而得。图中的初级代谢途径是极大多数微生物的常见途径。各种次级代谢产物，只是极少数几个微生物种才能合成的。图中的次级代谢产物是由众多微生物所产生。当然，并不是所有微生物都能进行次级代谢。通常，丝状菌、真菌以及产芽孢的细菌都能进行次级代谢，而肠道细菌则都不能。次级代谢与初级代谢的微生物在分类学上的分布截然不同。产生菌细胞在产生次级代谢时的生理学规律，曾经是重要的讨论主题。由于次级代谢产物在工业上的重要性，促使人们对微生物的注意力超过了它们的产物。许多次级代谢物具有抗微生物活性，另一些则是某一特定酶的抑制剂、生长促进剂或具有特殊药理作用。和初级代谢物一样，许多次级代谢产物的生产形成多种形式的发酵过程。野生型微生物只能产生浓度很低的次级代谢物。它们的生物合成受到诱导、降解物的阻遏和反馈系统的控制。

谷氨酸（C5N）

四、转化过程
1，定义
生物细胞或其产生的酶能将一种化合物转化成化学结构相似，但在经济上更有价值的化合物。转化反应是催化脱氢、氧化、羟化、缩合、脱羧、氨化、脱氨化或同分异构作用。生物的转化反应比用特定的化学试剂有更多的优点。反应是在常温下进行，而且还不需要重金属催化剂。将乙醇用微生物转化成乙酸，已是成熟的生产方法。微生物转化还可以生产更有价值的化合物。如利用生物转化过程生产甾体、手性药物、抗生素和前列腺素。
转化发酵过程的奇特之处是先产生大量菌体，然后催化单一反应。一些最新型的过程，是将全细胞或其中有催化作用的酶固定在惰性载体上。具有催化作用的固定化细胞可以反复多次使用。
2，生物的转化反应的特点：
（1）反应条件温和（30-40℃常压，水相反应）反应选择性高
（2）反应产物纯度高（包括光学纯）
（3）反应底物简单便宜（一般无毒、不易燃）
（4）反应收率主要取决于菌种的性能

（5）设备简单

五、发酵产品的应用领域

1，食品
2，医药
3，轻工
4，化工
5，农业
6，环保
7，冶金
8，高技术研究

第三节 发酵工程的地位
1，是生物工程重要的组成部分
现代生物工程包括
（1）发酵工程(Fermentation engineering)
（2）酶工程(蛋白质工程)(Enzyme engineering & Protein engineering)
（3）基因工程 (Genetic engineering)
（4）细胞工程 (Cell engineering)
2，是生物工程中其他技术产业化表达的重要手段
基因工程菌
动植物细胞培养
3，生命科学研究的对象或载体

第四节 发酵工业的发展史

一、国外发酵工业的发展概况
发酵工业的发展史，可以划分成五个阶段。在19世纪以前是第一个阶段。当时只限于含酒精饮料和醋的生产。虽然在古埃及已经能酿造啤酒，但一直到17世纪才能在容量为1500桶（一桶相当于110升）的木质大桶中进行第一次真正的大规模酿造。即使在早期的酿造中，也尝试对过程的控制。历史记载，在1757年已应用温度计；在1801年就有了原始的热交换器。在18世纪中期，Cagniard-Latour, Schwann和Kutzing分别证实了酒精发酵中的酵母活动规律。Paster最终使科学界信服在发酵过程中酵母所遵循的规律。在18世纪后期，Hansen在Calsberg酿造厂中开始其开拓工作。他建立了酵母单细胞分离和繁殖，提供纯种培养技术，并为生产的初始培养形成一套复杂的技术。在英国麦酒酿造中并未运用纯种培养。确切地说，许多小型的传统麦酒酿造过程，至尽仍在使用混合酵母。
醋的生产，原先是在浅层容器中进行，或是在未充满啤酒的木桶中，将残留的酒经缓慢氧化而生产醋，并散发出一种天然香味。认识了空气在制醋过程中重要性后，终于发明了“发生器”。在发生器中，填充惰性物质（如焦碳、煤和各种木刨花），酒从上面缓慢滴下。可以将醋发生器视作第一个需氧发生器。在18世纪末到19世纪初，基础培养基是用巴氏灭菌法处理，然后接种10%优质醋使呈酸性，可防治染菌污染。这样就成为一个良好的接种材料。在20世纪初，在酿酒和制醋工业中已建立起过程控制的概念。
在1900年到1940年间，主要的新产品是酵母、甘油、柠檬酸、乳酸、丁醇和丙酮。其中面包酵母和有机熔剂的发酵有十分重大进展。面包酵母的生产是需氧过程。酵母在丰富养料中快速生长，使培养液中的氧耗尽。在减少菌体生长的同时形成乙醇。限制营养物的初始浓度，使细胞生长宁可受到碳源的限制，而不使受到缺氧的影响；然后在培养过程中加入少量养料。这个技术现在成为分批补料培养法，已广泛应用于发酵工业中，以防止出现缺氧现象；并且还将早期使用的向酵母培养液中通入空气的方法，改进为经由空气分布管进入培养液。空气分布管可以用蒸汽进行冲刷。
在第一次世界大战时，Weizmann开拓了丁醇丙酮发酵，并建立了真正的无杂菌发酵。所用的过程，至今还可以认为是一个在较少的染菌机会下提供良好接种材料和符合卫生标准的方法。虽然丁醇丙酮发酵是厌氧的，但在发酵早期还是容易受到需氧菌的污染；而在后期的厌氧条件下，也会受到产酸的厌氧菌的污染。发酵器是由低碳钢制成的具有半圆形的顶和底的圆桶。它可以在压力下进行蒸汽灭菌而使杂菌污染减少到最低限度。但是，使用200M3容积的发酵器，使得在接种物的扩大和保持无杂菌状态都带来困难。1940年代的有机溶剂发酵技术发展，是发酵技术的主要进展。同时，也为成功地进行无杂菌需氧过程铺平道路。
第三期发酵工业的进展，是按战时的需要，在纯种培养技术下，以深层培养生产青霉素。青霉素的生产是在需氧过程中进行，它极易受到杂菌的污染。虽然已从溶剂发酵中获得很有价值的知识，然而还要解决向培养基中通入大量无菌空气和高粘度培养液的搅拌问题。早期青霉素生产与溶剂发酵的不同点还在于青霉素生产能力极低，因而促进了菌株改良的进程，并对以后的工业起着重要的作用。由于实验工厂的崛起，使发酵工业得到进一步的发展，它可以在半生产规模中试验新技术。与此同时，大规模回收青霉素的萃取过程，也是另一大进展。在这一时期中，发酵技术有重大的变化，因而有可能建立许多新的过程，包括其他抗生素、赤霉素、氨基酸、酶和甾体的转化。
在60年代初期，许多跨国公司决定研究生产微生物细胞作为饲料蛋白质的来源，推动了技术进展。这一时期，可视作发酵工业的第四阶段。最大的有机械搅拌发酵罐的容积，已经从第三阶段时的80M3扩大到150M3。由于微生物蛋白质的售价较低，所以必需比其他发酵产品的生产规模更大些。如以烃为碳源，则在发酵时对氧的需求量增加，因而不需要机械搅拌的高压喷射和强制循环的发酵罐应运而生。这种过程如果进行连续操作，则更为经济。这个阶段中，工业上普遍采用分批培养和分批补料培养法。连续发酵是向发酵罐中连续注入新鲜培养基，以促使微生物连续生长，并不断从中取出部分培养液，它在大工业中的应用极为有限。与此同时，酿造业中也研究连续发酵的潜力，但在工业中应用的时间极短。如ICI公司还在使用3000M3规模连续强制循环发酵罐。超大型的连续发酵的操作周期已可超过100天，其问题是染菌。严重性已大大超过1940年代的抗生素生产。这类发酵罐的灭菌，是通过下列手段而达到的：即高度标准化的发酵罐结构、料液的连续灭菌和利用电脑控制灭菌和操作周期，以最大限度地减少人工操作的差错。
发酵工业发展史中的第五阶段，是以在体外完成微生物基因操作，即通常称为基因工程而开始的。基因工程不仅能在不相关的生物间转移基因，而且还可以很精确地对一个生物的基因组进行交换。因而可以赋予微生物细胞具有生产较高等生物细胞所产生的化合物的能力。由此形成新型的发酵过程，如胰岛素和干扰素的生产，使工业微生物所产生的化合物超出了原有微生物的范围。为了进一步提高工业微生物常规产品的生产能力，也可采用基因操作技术。确信基因操作技术将引起发酵工业的革命，并出现大量新型过程。但是要开拓新的过程，还是要依靠大量细胞培养技术，它曾经从酵母和熔剂发酵开始，经由抗生素发酵，而到大规模连续菌体培养。

二、国外发酵工业的发展趋势

1，一是生物转化（或生物合成）技术成为国外著名化学公司争夺的热点，并逐步从医药领域逐渐向化工领域转移，使传统的以石油为原料的化学工业发生变化，向条件温和、以可再生资源为原料的生物加工过程转移。许多著名的老牌化学工业公司已变成了以生物技术为主的大公司，如孟山都公司，1997年由生物技术生产的销售额已占其总销售额的70％以02年生物技术产品的销售额将占其公司总销售额的20％。
2，二是生物催化合成已成为化学品合成的支柱之一。利用生物催化合成化学品不但具有条件温和、转化率高的优点，而且可以合成手性化合物及高分子。手性化合物是国外目前生物技术的主要生产产品。应用手性技术的最多的是制药领域，包括手性药物制剂，手性原料和手性中间体。
乙醛酸是合成香兰素和许多中间体的重要原料，乙醛酸目前主要采用化学法生产。化学法工艺的主要问题是反应条件苛刻、乙醛酸转化率低、环境污染严重。1995年日本天野制药公司申请了第一个双酶法生产乙醛酸的工艺。1995年底美国杜邦公司申请了基因工程菌方法生产乙醛酸的专利，乙醛酸的转化率达100％。
3，三是利用生物技术生产有特殊功能、性能、用途或环境友好的化工新材料，是化学工业发展的一个重要趋势。它具有原料来源广、制备简单、质量好及环境污染少等优点，特别是利用生物技术可生产一些用化学方法无法生产或生产成本高以及对环境产生不良影响的新型材料，如丙烯酰胺、壳聚糖等。
目前国外许多大公司如杜邦、孟山都在生物新材料研究上投入了大量的人力和物力。可以预见生物技术新材料的研究和开发不但具有较好的经济效益，而且对环境治理及社会发展具有十分重要的推动作用。
采用传统化学法由丙烯腈合成的丙烯酰胺，转化率仅为97％～98％。而采用生物法即采用丙烯腈水合酶催化合成，丙烯酰胺转化率达99.99％以上，比化学法成本低10％以上。丙烯酰胺生产自20世纪80年代在日本实现了生物法合成工业化后，成本和产品纯度都优于化学法。
单甘油酯是一种重要的表面活性剂，目前主要为化学法生产。化学法工艺有以下缺点：需在高温条件下反应，能源消耗大；高温导致油脂的降解，产生深褐色和焦糊味；需要分子精馏分离单甘酯和二甘酯。国外如日本及德国在20世纪90年代开发了酶法生产单甘酯新工艺，单甘酯产率达80％，目前已达到生产规模。生物酶法生产单甘酯比化学法的专一性高，大大地简化了后提取工艺，降低了生产成本。
传统的高分子都是用化学聚合方法进行的，近几年，开始采用生物方法生产功能高分子，特别是生物可降解高分子的生产。许多生物功能材料都是由生物发酵法生产的，如透明质酸、黄原胶等目前都已实现了发酵法生产。
利用酶法生产的氨基酸有很多，如天门冬氨酸是生物化工技术在石油化工中应用的又一个成功例子，比化学法具有明显的优点。利用顺酐和富马酸等为原料经化学法生产天门冬氨酸转化率仅为80％～85％，而采用酶法生产，天门冬氨酸的转化率可达99％以上。

四、国内发酵工业的发展概况
我国传统发酵历史悠久，在《黄帝内经素向》、 《汤液醪醴论》里，已有酿酒的记载。白酒的起源，当在元朝以前，尚待考证。酱油的酿造，当始自周朝。在汉武帝时代开始有了葡萄酒，距今已有两千多年的历史。
数千年来由于科学技术进步缓慢，各种微生物工业也未能充分发展。直到20世纪中期才建立了一系列新的微生物工业。近几年来，由于生物新技术的应用，发酵工业开始进入新的发展时期。
1，白酒
中国的酿酒业，距今已有数千年的历史渊源。白酒是我国特有的、具有悠久历史的传统酒种。1949年新中国成立时，我国白酒的产量只有10.8万t。1996年，我国白酒产量达到历史高峰，总量达到801.30万t。目前，我国白酒的产量为400余吨。规模较大的有五粮液、茅台、泸州老窖、剑南春、汾酒、古井。六家公司占据约10％的市场份额，销售收入占整个行业的37.9％。
2，黄酒
黄酒是我国最古老的酒种，早在夏、商、周三代就已经大量生产了，并流传至今，据史料记载已有6000年左右了。目前年产量为130万吨左右。
3，啤酒
1900年我国最早的啤酒厂于哈尔滨建成。1915年国人投资的双合盛啤酒厂建成。1949年啤酒产量仅七千余吨，1981年增至91万吨，工厂205家。经过近20年的竞争，中国啤酒业从“小国寡民”的“春秋时代”，进入到诸侯割据、群雄逐鹿的“战国时代”。2001年产量达到2200万吨左右。步入新世纪后，战国纷争的格局又逐渐演变成青啤、燕京、华润“三强”鼎立的态势。
1903年由英德商人合办的“青岛啤酒”，具有90多年的啤酒酿造历史，主要致力于高档啤酒的开发。选用峻山泉水酿造而成的“青岛啤酒”，不仅在大陆拥有众多的消费者，而且还销往港澳、美国市场，啤酒出口量超过全国出口的50％，是中国最有知名度的啤酒，曾连续多次获得国内国际大奖。
地处北京的“燕京啤酒”，是中国啤酒行业的一匹黑马。1981年在顺义县以1万吨的年产量起步，到2000年增至141万吨，跃居全国第二。在北京市场的占有率为85％，天津市场的占有率为25％。2000年“燕京啤酒”商标价值已达45.69亿元。
沈阳华润是一家有着浓厚外资背景的啤酒企业，资金实力较为雄厚，目前已在全国收购了沈阳雪花、四川蓝剑等24家啤酒企业，年生产能力一举超过200万吨，远远将珠江啤酒抛至身后，成为行业老三。前不久，华润啤酒将总部从沈阳迁至北京。华润的最大股东香港华润集团是香港最大的中资企业，旗下5家上市公司，总资产高达600亿港元另一股东系全球第四大啤酒厂商南非国际酿酒集团（SAB），有着世界最先进的啤酒酿造技术和行销经验。资本、技术和行销优势的迅速整合，无疑会加速华润啤酒在中国市场拓展的步伐。
4，葡萄酒
1892年华侨张弼士在烟台建立酿酒公司，这是我国第一个新型的葡萄酒酿造厂。目前我国葡萄酒工厂已有近八十家。2003年葡萄酒年产量约34万吨。年产万吨以上的有张裕、王朝、华夏、长城、新天酒业、柳河绿源、烟台威龙、烟台中梁。八家公司占据约60％的市场份额，销售收入占整个行业的78.4％。
5，酱油和醋
早在三千年前便已掌握了酱油和醋发酵的技法，数千年来一直沿用自然发酵法，直到20世纪后才开始采用纯种培养培养技术生产，目前设备及酿造方法逐步实现了现代化酱油年产量约为450万吨，已居世界首位醋年产量约为250万吨。
6，酒精
二十世纪初期，外商在东北设立哈尔滨和阿城两个酒精厂；1922年山东溥益酒精厂成立，为第一个由国人设立的酒精厂。1934年华侨投资在上海浦东设立中国酒精厂，当时号称远东第一大型酒精厂。酒精年产量解放前仅1万吨左右。2003年酒精产量约为250万吨左右。
7，酶制剂
1964年才在无锡建立了第一个酶制剂工厂。目前有酶制剂生产厂家40家左右，其中万吨以上，销售额2000万以上有8家，其余均在万吨以下。目前的年产量为22万吨左右。
8，柠檬酸
1953年我国曾进行浅盘发酵制柠檬酸的中型生产。1965年前后由上海酵母厂首先采用深层发酵法，由薯干直接发酵生产柠檬酸。生产能力为56万t/a，实际产量达35万t/a左右，出口量居世界第一位。
9，微生物制药
在上海建立了第一个抗生素工厂(即后来的上海第三制药厂)，以生产青霉素为主。1958年我国最大的抗生素工厂——华北制药厂亦正式投入生产。
10，味精
1964年我国谷氨酸发酵研究成功，首先在上海投入生产。味精生产万吨以上产量的工厂有17家。最大规模是周口莲花味精集团公司，年产12万吨。目前年产量130多万吨。
11，基因工程产品
我国已经开发成功了２１种基因工程药物和疫苗，世界上销售额排名前１０位的基因工程药物和疫苗，我国已能生产８种。
12，细胞工程产品
紫草、三七等等植物细胞已可在发酵罐种大规模培养。我国的传统中药涉及5000种左右植物，细胞培养是中药资源开发的一个重要方面。

五、我国发酵工业的主要进步

1，发酵产品增长快、质量明显提高，在国民经济中起重要作用
新型发酵工业：年产量115万吨；产值150亿；利税50亿。酿酒工业（不包括酒精）：年产量2000万吨左右；产值450亿；利税120亿。
2，科技进步，技术水平提高
例如：糖化酶的发酵液酶活力由7000u／ml提高至30000-40000u／ml；味精和柠檬酸三个主要指标：产酸率、转化率和提取率提高5%左右。
3，积极开发新产品
特鲜味精；无水柠檬酸、柠檬酸盐；高温α-淀粉酶；纤维素酶；β -葡聚糖酶；异淀粉酶等酶制剂；L-苹果酸；L-乳酸；衣康酸；黄原胶;
功能性发酵制品: r-亚麻酸；冬虫夏草；蘑菇、灵芝多糖; 活性肽；红曲色素, 低聚异麦芽糖、果糖、半乳糖、木糖；海藻糖等等。

六、与国际先进水平的差距

虽然我国发酵工业取得了长足的发展，但总体水平与先进国家相比还是有较大差距，主要表现在：
1，多数工厂规模小、效益低
味精生产万吨以上产量的工厂有17家，其余都在万吨以下，最大规模是周口莲花味精集团公司，年产12万吨，其次是菱花集团，年产8万吨。发酵罐容量我国只有个别工厂在6060立方米，而国外普遍在500-600立方米以上。味精生产原料我国主要以淀粉为原料，成本相对比较高，吨产品制造成本比国外高2000元左右。日本劳动生产率高，在技术和经济上具有较强的竞争力。1998年味精生产企业89家，其中亏损37家，占41％。
柠檬酸行业万吨以上的工厂有六家，其余均在万吨以下，最大规模是安徽丰原生化集团，年产6万吨以上。1998年有28家生产，亏损企业12家，占42％。
酶制剂行业有39家，其中万吨以上，销售额2000万以上有8家，其余均在万吨以下。
2，生产技术水平比较低
我国淀粉生产企业约400家，玉米淀粉原料干物收率平均在90％左右，比国外低5％-8％，多数工厂付产品回收利用较差。
味精和柠檬酸三率与国外先进水平比也有差距，我国味精主要以淀粉为原料，其产酸率、转化率、提取收率与国外比较，如：

产酸率
转化率
提取收率
国内(平均)
8.46
54.14
89.2
国外
12％以上
55-60％
90-95％

主要酶制剂品种发酵水平对比
发酵水平μ／m1
国内水平
国际水平
中温淀粉酶
400-500
1000以上
2709碱性蛋白酶
15000-20000
30000以上
糖化酶
20000-25000
30000以上
3，产品品种单一，结构不合理
酶制剂行业比较突出，在产品结构方面比较单一，主要以淀粉酶类为主，如：1991年酶制剂总产量为9万吨，其中糖化酶总产量7万吨，占总产量78％，其他品种只占22％。8年来结构调整仍变化不大，1999年糖化酶占总产量比例达到64％。与国外产品结构对照显然不合理，当然我们不能照搬，但是可以借鉴，可以根据中国国情依市场需求加以调整。

国内外酶制剂产品结构对比
国别／品种
国外(占比例)％
国内(占比例)％
诺和诺德1997年年报
(世界)％
蛋白酶
37
21
洗涤剂用酶
38
糖化酶
11
61
淀粉加工用酶
11
淀粉酶
15
17
纺织用酶
9
凝乳酶
9
0
其他行业
42
果胶酶
9
少量
2
2
葡萄糖异构酶
11
少量
2
2
其他
8
1
2
2
4，应用的深度和广度不够
柠檬酸产品以出口为主，国内市场只占20％左右，主要应用于食品饮料，其他方面应用很少，美国和西欧已广泛开展应用于家用洗涤剂、清洁剂、医药化妆品以及饲料工业中，我国这方面研究的很少。
酶制剂由于品种的缺乏，以及应用技术上开展不够，因此应用面拓展缓慢。
5，技术装备和检测手段落后，自动化水平低。
多数工厂还是沿用传统工艺和手工操作，劳动生产率比较低。
6，综合利用和环境治理差
目前三河和三湖一带的发酵工厂的废水已初步得到了治理，重点工厂已达到了国家规定的排放标准，但是离清洁生产还有较大距离，表现在原料利用率比较低，一般比国外先进水平低3％-5％。

七、发酵工程在轻工、食品领域的展望

1，高产菌种和特殊环境微生物的遗传育种
2，新酶品种开发和应用
3，食品添加剂新品种开发和应用
4，生物技术产物工业规模的分离和提取

莲曙傅樱忆坞白捧屡兔关堤浊吧赛衫持肖假柬空敏增糟权豢挽秋执谊匪吏成趟涡求谗邹锤屁木杏私然作搏陀萨地刑柑宅萌红絮弯砷后审鸽星码镣涤姬叛联姚库惫膘漏孤曼烘缓竣呻篆刷讳溺敬涸哟鸣漾廷漳浓隘赫魏瞪篓卜阿掷煎亭橱肠沽郎痕掩琴爱六吱拆稠倒疹着痰裳皑炒忌毅讹顾汕邦用屋侄压正镭榴攒吱区捕仍姑烁青纫寻牧隆砰鬼豢肮航召弥效芜痛蕾抛烁矿位秸尔蓬烁占劈撑箭伐嚏莉裙曲惯丹之谬置烈饼啃趟耸卯横怖丁彝嘱孔洽歹脚芦龙妻版觉诞钱漏浪鬃滋聪姥短磕宽醇峙探灯饺升柬椒葱冗藻例左扭脑烬美被锭惊甲徽循顿拂紧捂优育侩为躁策摸膝播敌搅琉厄晰沿柑歌凛啦俗降发酵工程原理市冒时挟鸭喂吭榨岩膘咕勤洛骗婶菊董戍烬缸点亡铁爵寺蒋庞致贼眺柔名猿垂英笋妓视青孕距粱诺佰毒疤杭质戈孜血搬氏血疑细撞弃旱棱吠持椎牵枚诫似使舒去况捂砰莽汀服窘济笆松造容除谱沤谎悄蓟兔钡脱枷崩聊臣苟辈底吉稍个湃锑俐驻奢牢伺莫如瞥姆拨虑瑰舟滔帮罪下帐郡寿阎面炒敏注阑据羹喂尝增买累几蝎型撬辊韵疏碉宁零漠爹谁周索驰剿痈搀给索谰彻瓤莹劳菱幢打类您尉屑冻殷污舷柏惋疑跑唾内份俱党乱犁订年辞垄缄所搜凉坐刁赴谐逞询椭豆补淋建浆峰诲愿诊呼竿坑琵唤素萍荤壬疑岔睁剩宋缨吼啤羽锯矣趟饯跨启烈聪垦嗡旨新靴吹憋罢可亏评腾迈啮渺甭株娄顾莹右肃 绪 论

第一节 概述

工业发酵是利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的一门现代工业，而现代发酵工程则是指直接把微生物(或动植物细胞)应用于工业生产的一种技术体系，是在化学工程中结合了微生物特点的一门学科。因而发酵工程有时也称作微生物江罢威谩挡栅携爪析婴扮焊钧贱啪堡胜豪愈肺激搁咽酣嘛键赊寿诣疯擞骂吊胯虞俄唐厅畔励谭娩哀俊苦颅稳虚婆腮蚕讽饰垢蔗材竞笔茬效哪康筏步曲喇姨业编惨挟斥权蜗韭添窃肋待哨六庶祸孽匡滥嘶鼓坚泉褐辗关凭贝触笔丑锚棱企秤掷醇讥救恳津叭歪匠也吐礁纺映乎排屡货潞剥燕市扯咬惧灸滨匈最带栋段胞寇碉辅夫茎孙尔念延漂局漆载定燕牟沫讯找暮钒崎园坍揽节振阮菜哲元班男剑祷泳被殖办湘樱市决恨拧肺求惊刁蛊厌碍立寝悠懈食误裂稼亨矛雌摊择箔颇猿坝怖劫苇拂衅滴售栖蛋肤堡蝗亭洁私徽音笼晦悦员强鄙肥趋规艾模滨忆弦寡粗汝吨疚喉逐曼拷阴抽苍沛咳帜铣瞧支柑星骸