發(fā)酵工廠工藝設計概論

1、1發(fā)酵工廠工藝設計概論山東輕工業(yè)學院Shandong Polytechnic University主講：聶聰congnieyahoo 2第一課發(fā)酵工廠工藝設計概論課程簡介3發(fā)酵的定義最初發(fā)酵是用來描述酵母菌作用于果汁或麥芽汁產生氣泡的現(xiàn)象，或者是指酒的生產過程，是為原始的發(fā)酵。 在食品工業(yè)中，發(fā)酵常寫作醱酵，是指運用生物體，包括微生物、植物細胞、酵母菌，使有機物分解的生物化學反應過程。相應的發(fā)酵技術用於製酒、豆類發(fā)酵食品。 在生化和生理學意義上，發(fā)酵指微生物在無氧條件下，分解各種有機物、產生能量的一種方式；者更嚴格地說，發(fā)酵是以有機物作為電子受體的氧化還原產能反應。如葡萄糖在無氧條件下被微生物

2、利用，產生酒精并放出二氧化碳。 41、傳統(tǒng)發(fā)酵最初發(fā)酵是用來描述酵母菌作用于果汁或麥芽汁產生氣泡的現(xiàn)象，或者是指酒的生產過程。52、生化和生理學意義的發(fā)酵指微生物在無氧條件下，分解各種有機物質產生能量的一種方式，或者更嚴格地說，發(fā)酵是以有機物作為電子受體的氧化還原產能反應。如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產生酒精并放出CO2。63、工業(yè)生產上的發(fā)酵是泛指利用微生物制造或生產某些產品的過程，包括： 厭氧培養(yǎng)的生產過程，如酒精、乳酸等。 通風（有氧）培養(yǎng)的生產過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等。 其產品有細胞代謝產物，也包括菌體細胞、酶等。7Louis Pasteur (1822-1895)The

3、founder of Microbiology and one of the greatest Scientists of the nineteenth century. Science knows no country, because knowledge belongs to humanity, and is a torch which illuminates the world. Louis Pasteur 8發(fā)酵的歷史沿革巴斯德是首位發(fā)酵學者。早在1857年，他將酵母與發(fā)酵聯(lián)系了起來。巴斯德最初講發(fā)酵定義為“無需空氣的呼吸”。他說“一切發(fā)酵過程都是微生物作用的結果”。釀酒是發(fā)酵，是微生

4、物在起作用；酒變質也是發(fā)酵，是另一類微生物在作祟；用加熱處理等方法來殺死有害的微生物，防止酒變質。 同時，也可以把發(fā)酵的微生物分離出來，通過人工培養(yǎng)，根據(jù)不同的要求去誘發(fā)各種類型的發(fā)酵，獲得所需的發(fā)酵產品。 9發(fā)酵工程的發(fā)展歷史發(fā)酵現(xiàn)象釀造食品工業(yè)非食品工業(yè)青霉素抗菌素發(fā)酵工業(yè)氨基酸,核酸發(fā)酵（代謝控制發(fā)酵）基因工程菌動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)植物細胞大規(guī)模培養(yǎng)藻類細胞大規(guī)模培養(yǎng)轉基因動物第一個轉折點：非食品工業(yè)第二個轉折點：青霉素抗菌素發(fā)酵工業(yè)第三個轉折點：切斷支路代謝:酶的活力調控,酶的合成調控(反饋控制和反饋阻遏),解除菌體自身的反饋調節(jié), 突變株的應用,前體、終產物、副產物等近代轉折點：基因、

5、動物、海洋10二、發(fā)酵工業(yè)定義：是指利用生物的生命活動產生的酶，無機或有機原料進行酶加工，獲得產品的工業(yè)。11適宜的微生物保證或控制微生物進行代謝的各種條件進行微生物發(fā)酵的設備精制成產品的方法的設備獲得發(fā)酵產品的條件12三、發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展歷史天然發(fā)酵階段純培養(yǎng)技術的建立：巴斯德，科赫等。人為地控制微生物的發(fā)酵進程。通氣攪拌發(fā)酵技術的建立： 青霉素的生產深層培養(yǎng)代謝控制發(fā)酵技術：微生物進行甾體化合物的轉化，Glu和Lys發(fā)酵生產。對微生物具有高度專一性的酶反應作為合成手段的一部分加以利用，進行合理的代謝。13開拓發(fā)酵原料時期： 石油發(fā)酵，醋酸生產谷氨酸基因工程階段： 采用酶學的方法，將不同來源的

6、DNA進行體外重組，再把重組DNA設法轉入受體細胞內，并進行繁殖和遺傳下去。人們能夠根據(jù)自己的意愿將微生物以外的基因件導入微生物細胞中，從而達到定向地改變生物性狀與功能創(chuàng)新的物種，使發(fā)酵工業(yè)能夠生產出自然界微生物所不能合成的產物。14History of applied microbiologyAncient timesfood preservation (vinegar醋, cheese奶酪)flavour (bread面包, soy sauce醬油)brewing (beer, wine) 1861 Louis Pasteurfirst phase industrial biotechno

7、logy1940 penicillin (Fleming)antibiotic industryproduction of fine chemicals15History of applied microbiology1973 rec DNA technology (Boyer & Cohen)1982 rec human insulin（胰島素）post recombinant DNA areasince 1982 rec therapeutic agents（治療劑）1990 rec bakers yeast1992 rec chymosine （凝乳酶）(from yeast)16四、發(fā)

8、酵工業(yè)的范圍1、以微生物細胞為產物的發(fā)酵工業(yè)2、以微生物代謝產物為產品的發(fā)酵工業(yè)3、以微生物酶為產品的發(fā)酵工業(yè)4、生物轉化或修飾化合物的發(fā)酵工業(yè)5、微生物廢水處理和其他17 發(fā) 酵 工 程 利用微生物進行產品生產抗生素、生物制藥、氨基酸、核苷酸、有機酸、飼料添加劑、微生態(tài)制劑、生物農藥、生物肥料等醫(yī)藥、輕工、食品、農業(yè)、環(huán)保、能源等行業(yè)基因工程藥物、疫苗及抗體產品 化學工程 生物化工 生物加工行業(yè)傳統(tǒng)生物技術現(xiàn)代生物技術基因工程菌發(fā)酵18生物工程基因工程酶工程細胞工程發(fā)酵工程產物產品產品19主要的技術進展：通氣攪拌解決了液體深層培養(yǎng)時的供氧問題。抗雜菌污染的純種培養(yǎng)技術：無菌空氣、培養(yǎng)基滅菌、

9、無污染接種、大型發(fā)酵罐的密封與抗污染設計制造。意義：抗生素工業(yè)的發(fā)展建立了一套完整的好氧發(fā)酵技術，大型攪拌發(fā)酵罐培養(yǎng)方法推動了整個發(fā)酵工業(yè)的深入發(fā)展為現(xiàn)代發(fā)酵工程奠定了基礎20發(fā)酵工廠利用微生物進行產品生產的工廠。發(fā)酵工業(yè)利用微生物進行產品生產的工業(yè)領域。21發(fā)酵工程發(fā)酵工程是生物工程的一個極其重要的分支，主要研究如何在最適發(fā)酵條件下，使發(fā)酵罐得以大量培養(yǎng)細胞和高效生產代謝產物的工藝技術。從廣義上講，發(fā)酵工程由三部分組成：上游工程、發(fā)酵工程、下游工程。發(fā)酵已經(jīng)從過去純粹經(jīng)驗化的自然過程，發(fā)展成為一個包含微生物學、化學工程、基因工程、細胞工程、機械工程和計算機軟硬件工程等在內的多學科工程，即發(fā)酵

10、工程。22FERMENTATIONProcess ControlFermentation engineering上游工程UPSTREAM PROCESSES下游工程DOWNSTREAM PROCESSES發(fā)酵工程組成從廣義上講，由三部分組成： 上游工程、發(fā)酵工程、下游工程23UPSTREAM PROCESSES- genetics, cell 遺傳學、細胞學- inoculum development菌種培養(yǎng) media formulation培養(yǎng)基配方 sterilization滅菌- Inoculation接種FERMENTATIONProcess Control上游工程Fermentat

11、ion engineering24DOWNSTREAM PROCESSES- product extraction, purification & assay產物的提取、純化與檢驗- waste treatment廢棄物處理by product recovery產品的復性FERMENTATIONProcess Control下游工程 The ratio of recovery to fermentation costs for L-asparaginase天冬酰胺酶: 3.0 ethanol酒精: 0.16Fermentation engineering2526發(fā)酵工程主要指在最適發(fā)酵條件下，

12、發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細胞和生產代謝產物的工藝技術(1) 有嚴格的無菌生長環(huán)境： 包括發(fā)酵開始前采用高溫高壓對發(fā)酵原料和發(fā)酵罐以及各種連接管道進行滅菌的技術； 在發(fā)酵過程中不斷向發(fā)酵罐中通入干燥無菌空氣的空氣過濾技術；(2)在發(fā)酵過程中根據(jù)細胞生長要求控制加料速 度的計算機控制技術；27(3)種子培養(yǎng)和生產培養(yǎng)的不同的工藝技術。(4)在進行任何大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵前，必須在實驗 室規(guī)模的小發(fā)酵罐進行大量的實驗，得到產物形成的動力學模型，并根據(jù)這個模型設計中試的發(fā)酵要求，最后從中試數(shù)據(jù)再設計更大規(guī)模生產的動力學模型。(5)由于生物反應的復雜性，在從實驗室到中試，從中試到大規(guī)模生產過程中會出現(xiàn)許多問題，這就是

13、發(fā)酵工程工藝放大問題。 28過程工程技術的進展29發(fā)酵過程計算機控制傳感器：DO、pH、排氣成份分析系統(tǒng) 計算機控制系統(tǒng)：單片智能、工控機、pLC 、現(xiàn)場總線、 DCS 執(zhí)行器件：杯式補料系統(tǒng)參數(shù)自動控制回路溫度自動控制；通氣流量自動控制；罐壓自動控制pH調節(jié)（手控或自控）；DO與轉速、通氣流量程序串級調節(jié) 303132杯式補料系統(tǒng)生產車間計算機控制室33現(xiàn)代控制理論的應用 數(shù)學模型靜態(tài)和動態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)識別自適應控制專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡各種混沌現(xiàn)象的研究34過程放大技術的應用幾何相似流體運動學相似流體動力學相似因次分析法經(jīng)驗法則法數(shù)學模擬法時間常數(shù)法35計算流體力學36復雜系統(tǒng)多尺度理

14、論的應用37裝備制造與設計技術的進展38發(fā)酵工業(yè)的意義與展望利用遺傳工程等先進技術，人工選育和改良菌種采用發(fā)酵技術進行高等動動植物細胞培養(yǎng)固定化技術廣泛應用開發(fā)和采用大型節(jié)能高效的發(fā)酵裝置，自動控制將成為發(fā)酵生產控制的主要手段應用代謝控制技術，發(fā)酵生產氨基酸將生物技術理廣泛地用于環(huán)境工程39發(fā)酵工程產業(yè)化發(fā)展目前，全球發(fā)酵產品的年銷售額在400億美元左右，并以每年約78的速率增長。 我國發(fā)酵行業(yè)生產企業(yè)有5000多家，主要發(fā)酵產品的年產值高達1300億元。 發(fā)酵工程技術給人類社會生產力的發(fā)展帶來了巨大的潛力涉及到解決人類所面臨的食品與營養(yǎng)、健康與環(huán)境、資源與能源等重大問題 40人類社會經(jīng)濟發(fā)展

15、的危機 隨著人類社會經(jīng)濟發(fā)展，當前的能源結構、資源結構、環(huán)境狀態(tài)已不能支撐現(xiàn)有的發(fā)展模式。特別重要的是隨著煤、石油等能源的耗竭以及環(huán)境保護的急需，如果沒有基于科技進步的大力開發(fā)，能源和資源將難以支撐人類社會進一步發(fā)展的目標。 傳統(tǒng)的粗放型經(jīng)濟增長方式必定走到盡頭，必需走資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的道路41基于碳氫化合物的經(jīng)濟轉變?yōu)榛谔妓衔锏慕?jīng)濟將工業(yè)革命世紀轉變到生物技術世紀 只有工業(yè)微生物才能將來源于太陽能的可再生資源碳水化合物轉變?yōu)楝F(xiàn)代社會所需要的化工原料和能源。這種能源結構和資源結構的轉變直接關系到我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，社會的穩(wěn)定、和國家安全。 42Figure1.Idealized

16、biorefinery concept.(Image courtesy of Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN, USA.)4321世紀是生物技術世紀未來學家說：21世紀是生物技術世紀；科學家預言： 21世紀世界即將在生物技術上取得重大突破，新世紀之初，科學方面的主要將在生物學、遺傳學和醫(yī)學、新型生物材料、能源、環(huán)境保護上有所突破；經(jīng)濟學家則認為：21世紀20年代，生物經(jīng)濟將由目前的形成階段進入成長階段，即工業(yè)生產與商業(yè)開發(fā)階段。 44發(fā)酵工業(yè)涉及的領域食品工業(yè)：酒類，乳類，飲料，面包，糕點調味品工業(yè)：醬油，食醋，面醬，味精，腌制品醫(yī)藥工

17、業(yè)： 抗菌素（青霉素，鏈霉素， V.c ）等 酒精工業(yè)： 工業(yè)；食用；醫(yī)用；燃料酒精氨基酸工業(yè)：用于醫(yī)藥，食品，科研，發(fā)酵工業(yè)45發(fā)酵工業(yè)在國民經(jīng)濟中的地位食品工業(yè)是朝陽工業(yè)僅食品工業(yè)在全部輕工業(yè)的工業(yè)總產值中占1/3中國-啤酒產量4,萬KL，為世界第一啤酒生產大國。 46僅以啤酒為例：中國啤酒產量4,000萬噸 銷售收入：1.2元1,544瓶=1,852元/T增值稅：(1852元852元)10%=100元/T消費稅220元/T稅金：100+220=330元/T酒總稅金=330元4,000萬噸=132億元 47工廠設計的特點 是集政治、經(jīng)濟、技術 于一體、綜合性很強的學科。1政治因素的影響2.

18、 經(jīng)濟因素的影響3技術因素的影響48政治因素的影響國際政治的影響：如一伊拉克戰(zhàn)爭-油價提高，給工業(yè)帶來的影響；國家產業(yè)政策：如煤價上漲對工業(yè)的影響。產業(yè)鼓勵政策：飼料工業(yè)免稅； 農產品加工免稅；節(jié)能降耗產品優(yōu)惠政策。環(huán)境保護：汽車尾氣的排放標準；造紙廠、味精廠、酒精廠的污水問題；49環(huán)境形勢嚴峻About 90% of rivers passing through cities are seriously polluted.A third of the countrys land area suffers from acid rain and the situation is getting

19、worse.The area of soil erosion in the country is 3.56 million squar kilometers, or 37 % of the total land area,and it is increasing by 15,000 squar kilometers a year.Meanwhile,1.74 million square kilometers, or 18 % of the total land area is desert.50Last year,Chinas GDP accounted for 4 % of the wor

20、lds total,but the countrys consumption of coal,steel and cement was 28%,27% and 45% of the worlds total.Chinas production capacity per unit of resources is only a tenth of that of the United States and a sixth of Germanys. GDP-gross domestic product.51溫總理在政府工作報告中指出： 要關、停、并、轉 高耗能，高耗水，污染環(huán)境的企業(yè)！ 支持環(huán)境、資源

21、優(yōu)化型企業(yè)的發(fā)展！ 52經(jīng)濟因素的影響 股票市場 外匯匯率（進、出口設備業(yè)務） 國民經(jīng)濟的發(fā)展 國家政策對產業(yè)和經(jīng)濟的影響53技術因素的影響 主要體現(xiàn)在-工藝技術，設備技術， 檢測技術，管理技術。 優(yōu)質 高產 低耗 節(jié)能 安全 環(huán)護￥54工藝設計人員所需的基本技能： 具有: 計算，繪圖，創(chuàng)新， 獲取信息，表達能力。 掌握: 工作程序，設計范圍，設計方法， 步驟，內容，設計規(guī)范, 設計標準，市場知識， 工廠經(jīng)濟，環(huán)保知識， 相關的法律法規(guī)。55設計工作的任務和內容： 體現(xiàn)國家的方針政策和法規(guī)，明確工作程序、內容、設計范圍和分工；了解工藝設計在總體設計中的地位和作用，掌握生產工藝設計的范圍、內容、

22、基本方法和步驟、工藝設計的深度；了解工藝設計與公用工程設計的關系，熟悉公用工程設計的有關知識；熟悉工廠設計的有關規(guī)范標準、技術經(jīng)濟、概算內容；熟悉發(fā)酵工廠設計說明書和工藝設計圖的內容，特點，表示方法，規(guī)范和標準。56設計工作分為兩類： 1總體設計：（設計范圍涉及整個工業(yè)企業(yè)的為總體設計） 總平面、工藝、供排水、供電、供汽、土建等，廠址選擇，生產檢測與控制儀表、環(huán)境保護、生產組織、勞動定員、技術經(jīng)濟與概算內容。2局部設計：（只設計其中一部分） 設計一個部分或一個設備，常見的是車間改造和設備改造，以及新技術改造。57工藝設計與總體設計的關系發(fā)酵工廠總體設計：范圍包括所有單項工程的完整設計，單項工程

23、如下：總平面布置，生產車間，動力車間（鍋爐房，變電站，給排水工種等），廠內運輸，自控儀表，采暖通風，土木建筑，環(huán)境保護工程，福利設施，辦公樓，技術經(jīng)濟與概算。生產工藝設計：是總體設計的一部分，但卻是主體設計。生產工藝設計專業(yè)是主體專業(yè)。它的作用是：貫串設計工作全過程；組織協(xié)調各專業(yè)的設計工作；為其它專業(yè)提出條件和要求；進行相應的設計。發(fā)酵工廠工藝設計的范圍：工藝流程，各個車間的設計，向其它專業(yè)提出設計依據(jù)和設計要求。58生產工藝設計的重要性 工藝設計是工廠設計的核心工藝流程是工廠設計的主線，突出工藝設計的先進性、合理性工藝流程合理性和先進性；選擇設備的經(jīng)濟性和先進性；工藝控制的合理性和先進性；生產技術經(jīng)濟指標的先進性（節(jié)能，低耗）；環(huán)境保護方面的先進性。59對于工藝設計人員的要求精通工藝;熟悉有