第3节 发酵工程及其应用
一、发酵工程的基本环节
发酵工程一般包括菌种的选育，扩大培养，培养基的配制、灭菌，接种，发酵，产品分离、提纯等方面。
1．选育菌种：性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。
2．扩大培养：工业发酵罐的体积很大，接入的菌种总体积也较大，因此在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养。
3．配制培养基：在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。培养基的配方要经过反复试验才能确定。
4．灭菌：发酵工程中所用的菌种大多是单一菌种。一旦有杂菌污染，可能导致产量大大下降。因此，培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
5．接种：扩大培养的菌种和灭菌后的培养基加入发酵罐中。大型发酵罐有计算机控制系统，能对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制。
6．发酵罐内发酵：在发酵过程中，要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。
7．分离、提纯产物：如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥得到产品。如果产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。
二、发酵工程的应用
1．在食品工业上的应用
(1)生产传统的发酵产品，如酱油、各种酒类。
(2)生产各种各样的食品添加剂，如通过黑曲霉发酵制得的柠檬酸，由谷氨酸棒状杆菌发酵生产味精。
(3)生产酶制剂，如α淀粉酶、β淀粉酶、脂肪酶等。
2．在医药工业上的应用
基因工程、蛋白质工程等的广泛应用给发酵工程制药领域的发展注入了强劲动力。 3．在农牧业上的应用
(1)生产微生物肥料。微生物肥料利用了微生物在代谢过程中产生的有机酸、生物活性物质等来增进土壤肥力，改良土壤结构，促进植株生长，常见的有根瘤菌肥、固氮菌肥等。
(2)生产微生物农药。微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的。微生物农药作为生物防治的重要手段，将在农业的可持续发展方面发挥越来越重要的作用。
1 第六章 发酵工程与食品产业
1、发酵工程概述
1.1 发酵的定义
传统发酵用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气泡的现象，或者是指酒的生产过程。
生理学上的发酵指微生物的有氧呼吸和无氧呼吸以外的一种生物氧化作用，通过底物水平磷酸化来获得代谢能ATP，同时将内源的有机化合物还原成发酵产物。
工业上的发酵泛指利用微生物生产有用代谢产物的一种生产方式。
1.2发酵工程的应用范围
1.3发酵工业的发展历史
天然发酵时代
发酵工业第一个转折期：纯培养技术
发酵工业第二个转折期：通风搅拌技术
发酵工业第三个转折期：代谢控制发酵技术
发酵工业第四个转折期：发酵原料的转变
发酵工业第五个转折期：遗传工程技术
1.4 发酵过程的组成部分
2、发酵设备与基本工艺过程
2.1 生物反应器
发酵罐是供微生物在灭菌后的培养基中进行生命活动和代谢的设备。
要求：能够提供微生物生命活动和代谢所要求的条件，并便于操作和控制，保证工艺条件的实现，从而获得高产。
2.1.1厌氧发酵设备
对这类发酵罐的要求：能封闭；能承受一定压力；罐内应尽量减少死角；有冷却设备
2.1.2好氧发酵设备
2.1.2.1机械搅拌式发酵罐
原理：利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。
典型类型：通用式发酵罐和自吸式发酵罐。
1）通用式发酵罐
通用式发酵罐是指既具有机械搅拌，又有压缩空气分布装置的发酵罐。
它是利用机械搅拌器的作用使通入的无菌空气和发酵液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，满足微生物生长繁殖和发酵所需要的氧气，同时强化热量的传递。
通用式发酵罐的基本要求：发酵罐罐体各部分的尺寸应具有适宜的比例；发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧；发酵罐应具足够冷却面积；搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。
发酵罐的结构：
（1）罐体的尺寸比例
（2）搅拌器
发酵工程及其应用
发酵工程及其应用是一门研究利用微生物、植物及其产物对物质处理的工程技术，它是一个复杂的系统，通过发酵过程，将原料中含有的有机物质转化成另一种物质，从而实现物质转化和加工。发酵工程及其应用不仅涉及到生物学、化学、微生物学、食品工程、制药等众多学科，而且是一个具有重要意义的工程技术。
发酵技术是一门广泛的技术，在日常生活中处处可见。它的应用可以追溯到几千年前的古代中国，当时就已经有人发明了“发酵”这一技术，用以酿造酒类饮料。随着科学技术的发展，发酵技术也在不断更新和改进，目前已经成为经济发展中不可或缺的一部分，应用遍及各个领域，如食品、饮料、制药、农业、环境保护等方面。
从发酵技术发展的角度来看，发酵工程及其应用主要包括三个方面：发酵过程的基础研究、发酵工程的设计和发酵产品的应用。
1. 基础研究
这个阶段的研究主要围绕发酵过程本身，比如发酵过程中所采用的发酵剂（发酵菌、酵母、酶）的选择和性能特点，发酵的运行条件（温度、PH值、氧含量等）、控制发酵过程的技术手段以及发酵产物的检测方法等。 2. 工程设计
在发酵工程设计阶段，必须根据发酵产品的性质及其生产或使用的需求，选择和定义合适的发酵过程，经过数据分析和模型建立，把发酵过程从理论上转化为工程实践，设计并确定发酵装置的结构形式、发酵过程的运行参数等，以便满足发酵生产的要求。
3. 产品应用
发酵产品的应用主要有两个方面：一是利用发酵技术开发出符合市场需求的新产品；二是调整发酵工艺，改变发酵产品的特性，以满足特定的用途要求。
发酵技术不仅在食品、饮料、医药等行业得到广泛应用，而且在农业、环境保护、能源生产等领域也有着广泛的应用。
（1）在农业中，发酵技术主要用于研发农药、农肥、饲料等，以提高农作物的产量；
（2）在环境保护中，发酵技术可以用于处理废水和废气，以减少对环境的污染；
（3）在能源生产中，发酵技术可以用于生产生物柴油、生物气和其他可再生能源；
1 第六章 发酵工程与食品产业
1、发酵工程概述
1.1 发酵的定义
传统发酵用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气泡的现象，或者是指酒的生产过程。
生理学上的发酵指微生物的有氧呼吸和无氧呼吸以外的一种生物氧化作用，通过底物水平磷酸化来获得代谢能ATP，同时将内源的有机化合物还原成发酵产物。
工业上的发酵泛指利用微生物生产有用代谢产物的一种生产方式。
1.2发酵工程的应用范围
1.3发酵工业的发展历史
天然发酵时代
发酵工业第一个转折期：纯培养技术
发酵工业第二个转折期：通风搅拌技术
发酵工业第三个转折期：代谢控制发酵技术
发酵工业第四个转折期：发酵原料的转变
发酵工业第五个转折期：遗传工程技术
1.4 发酵过程的组成部分
2、发酵设备与基本工艺过程
2.1 生物反应器
发酵罐是供微生物在灭菌后的培养基中进行生命活动和代谢的设备。
要求：能够提供微生物生命活动和代谢所要求的条件，并便于操作和控制，保证工艺条件的实现，从而获得高产。
2.1.1厌氧发酵设备
对这类发酵罐的要求：能封闭；能承受一定压力；罐内应尽量减少死角；有冷却设备
2.1.2好氧发酵设备
2.1.2.1机械搅拌式发酵罐
原理：利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。
典型类型：通用式发酵罐和自吸式发酵罐。
1）通用式发酵罐
通用式发酵罐是指既具有机械搅拌，又有压缩空气分布装置的发酵罐。
它是利用机械搅拌器的作用使通入的无菌空气和发酵液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，满足微生物生长繁殖和发酵所需要的氧气，同时强化热量的传递。
通用式发酵罐的基本要求：发酵罐罐体各部分的尺寸应具有适宜的比例；发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧；发酵罐应具足够冷却面积；搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。
发酵罐的结构：
（1）罐体的尺寸比例
（2）搅拌器
