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发 酵 工 程 Fermentation Engineering 制药工程专业 第一章 绪论 第一节发酵工业概述 一、基本概念 1，发酵一词的来源 “发酵”（Fermentation）一词是拉丁语“沸腾”（fervere）的派生词，它描述酵母作用于果汁或麦芽浸出液时产生气泡的现象。产生气泡的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。 2，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。 3，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。 4，发酵工程（Fermentation Engineering）的定义 二、发酵工程概述 　 发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。 现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。 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。 1，发酵工程主要研究的内容 (1) 有严格的无菌生长环境： 包括发酵开始前采用高温高压对发酵罐和发酵原料以及各种连接管道进行灭菌的技术； 在发酵过程中不断向发酵罐中通入无菌空气的空气过滤技术； (2)在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速 度的计算机控制技术； (3)种子培养和生产培养的不同的工艺技术。 (4)在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验 室规模的小发酵罐进行大量的实验，得到产物形成的动力学模型，并根据这个模型设计中试的发酵要求，最后从中试数据再设计更大规模生产的动力学模型。 (5)由于生物反应的复杂性，在从实验室到中试，从中试到大规模生产过程中会出现许多问题，这就是发酵工程工艺放大问题。 2，发酵工程的特点 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）发酵所用的原料简单粗放。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。基于这一特性，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一的代谢产物。 （4）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。 （5）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。 （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，并可以取得显著的经济效益。 3，发酵过程的组成部分 （1）发酵过程的组成 繁殖种子和发酵生产所用的培养基组份确定； 培养基、发酵罐及其附属设备的灭菌； 培养出有活性、适量的纯种，接种入生产容器中； 微生物在最适合于产物生长的条件下，在发酵罐中生长； 产物提取和精制； 过程中排出的废弃物的处理。 发酵的流程 生物反应过程的组成部分 原材料的预处理 生物催化剂的制备 生物反应器及反应条件的选择与监控 产品的分离纯化 （2）发酵生产的条件 某种适宜的微生物 保证