发酵工程Fermentation Engineering ①掌握发酵工程的概念和基本类型; ②熟悉发酵的基本过程及常用的发酵设备; ③了解发酵技术的特点及应用。发酵（fermentation ）一词的来源：最初来自拉丁语“发泡/ fevere”，是指酵母作用于果汁或发芽谷物产生CO2 的现象。狭义发酵：生物化学上将发酵定义为“微生物在无氧时的代谢过程”。广义发酵：目前，人们把利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体或其代谢产物的过程统称为发酵。微生物菌体发酵：获得有用的菌体酵母、药用真菌、生物防治菌等微生物酶发酵：获得有用的酶淀粉酶、青霉素酰化酶、葡萄糖氧化酶等微生物代谢产物发酵：微生物代谢产物△在菌体对数生长期所产生的产物，如糖类、氨基酸、蛋白质、核苷酸、核酸等，是菌体生长繁殖所必需的，这些产物叫做初级代谢产物。△在菌体生长静止期，某些菌体能合成一些具有特定功能的产物，如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子等。这些产物与菌体生长繁殖无明显关系，叫做次级代谢产物。微生物代谢产物类型微生物转化发酵：把一种化合物转变为更有经济价值的相关产物乙醇→乙酸、甘油→二羟丙酮、葡萄糖→葡萄糖酸等生物工程细胞发酵：用工程菌生产药物胰岛素、干扰素、青霉素酰化酶、单克隆抗体等www.book118.com 发酵技术的特点简单发酵过程以生命体的自动调节方式进行，数十个反应过程能够在发酵设备中一次完成。温和反应通常在常温常压下进行，条件温和，能耗少，设备较简单。环保原料通常以糖蜜、淀粉等碳水化合物为主，可以是农副产品、工业废水或可再生资源（如植物秸秆、木屑等），微生物本身能有选择地摄取所需物质。www.book118.com 发酵技术的特点高效容易生产复杂的高分子化合物，能高度选择地在复杂化合物的特定部位进行氧化、还原、官能团引入或去除等反应。谨防杂菌大多情况下设备需要进行严格的冲洗、灭菌，空气需要过滤等。www.book118.com 发酵技术的应用食品工业能源工业化学工业环境保护4.2 微生物发酵过程微生物发酵过程即微生物反应过程，是指由微生物在生长繁殖过程中所引起的生化反应的过程。细菌：枯草芽孢杆菌→淀粉酶乳酸杆菌→乳酸醋酸杆菌→醋酸棒状杆菌→谷氨酸短杆菌→肌苷酸放线菌链霉菌属小单孢菌属诺卡氏菌属酵母菌酿酒酵母假丝酵母类酵母霉菌根霉毛霉梨头霉红曲霉青霉其他微生物担子菌藻类培养基是人们提供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物需要的多种营养物质的混合物。培养基的成分和配比对微生物的生长、发育、代谢及产物的积累等有较大的影响。培养基的种类孢子培养基：使微生物形成大量优质孢子而不引起变异。低浓度有机氮、适量无机盐。常用的有米培养基、麸皮培养基、琼脂培养基等。种子培养基：提供孢子发芽和菌体生长繁殖的养分。有丰富的氮源和维生素。常用的原料有葡萄糖、糊精、蛋白冻、玉米浆、酵母粉、硫酸铵、尿素、磷酸盐等。发酵培养基：为菌体生长繁殖和合成大量代谢产物提供养分。要求其组分丰富完整、并与代谢协调、平衡。pH 值保持相对稳定。（1）目的明确根据不同的菌种，应选择不同的材料配制培养基。配制的培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长因子、水、无机盐等方面的营养要求。（2）营养协调培养基的营养要协调，以利于产物的合成。（3）pH 适宜（4）减低成本培养基在满足微生物的营养需求的基础上应尽量降低生产成本，以得到更高的经济效益。1. 分批发酵营养物和菌种一次加入罐内进行培养。在这一过程中，中间除了空气进入和尾气排出，加入消泡剂及控制pH 的酸或碱外，不再加入任何其它物质，发酵过程中培养基成分减少，微生物得到繁殖。传统的生物产品发酵多用此过程。分批发酵的特点：微生物所处的环境在发酵过程中不断变化，其物理，化学和生物参数都随时间而变化，是一个不稳定的过程。典型的分批发酵工艺流程图微生物分批培养的生长曲线分批发酵的优缺点：优点：操作简单；操作引起染菌的概率低；不会产生菌种老化和变异等问题。缺点：非生产时间较长、设备利用率低，生产能力不高。2. 连续发酵以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定，微生物在稳定状态（恒定的基质浓度、恒定的产物浓度、恒定的pH 、恒定菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长。连续发酵的优缺点：3. 补料分批发酵又称半连续发酵，是介于分批发酵和连续发酵之间的一种发酵技术，是指在微生物分批发酵中，间歇或连续地向培养系统补加新鲜培养基的发酵方式。补料分批发酵的优缺点：优点：使发酵系统中维持很低的基质浓度；和连续发酵比、不需要严格的无菌条件；不会产生菌种老化和变异等问题。缺点：存在一定的非生产时间；和分批发酵比，中途要添加新鲜培养基；增加了染菌的危险。从发酵液中分离、精制有关产品的过程称为发酵生产的下游加工过程。下游加工的工艺流程一个优良的发酵装置应具有严密的结构，良好的液体混和性能，较高的传质、传热速率，同时还应具有配套而又可靠的检测及控制仪表。发酵设备的类型：机械搅拌式发酵罐是发酵工厂常用的类型之一。它是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，促进氧的溶解，以保证供给微生物生长繁殖和代谢所需的溶解氧。啤酒发酵罐微生物发酵产物有哪几种类型？发酵培养基由哪些成分组成？比较分批发酵、连续发酵和补料分批发酵的优缺点。下游处理过程分为哪几个步骤？相应的分离方法有哪些？4.2 微生物发酵过程培养基的配制www.book118.com 过程4.2 微生物发酵过程www.book118.com 过程4.2 微生物发酵过程www.book118.com 过程碳源：单糖、双糖、淀粉与纤维素、油脂等氮源：有机氮（各种饼粉、蛋白冻、酵母粉、鱼粉等）无机氮（氨水、硫酸铵、氯化铵、硝酸铵等）无机盐：磷酸盐、硫酸盐、氯化钠等微量元素：Mg 、Fe 、Co 、Zn 、Mn 等生长因子：维生素、氨基酸、嘌呤与嘧啶衍生物、脂肪酸等水：深井水、地表水、自来水等诱导物、前体和促进剂：如苯乙酸→青霉素G、溴化钠→四环素㈩* 在生产实践中，要经过很多次的反复试验确定其理化性质和成分。4.2 微生物发酵过程www.book118.com 过程配制培养基时应注意事项：4.2 微生物发酵过程培养基和设备的灭菌www.book118.com 过程灭菌是指从培养基或设备中杀灭或除去有生活能力的细菌胞体、芽胞和孢子的过程。灭菌的作用：杀灭培养基中的微生物，为后续发酵过程创造无菌的条件。杂菌的危害：生产菌和杂菌同时生长，生产菌丧失生产能力；发酵时如污染噬菌体，可使生产菌发生溶菌现象；杂菌及其产生的物质，使提取精制发生困难；杂菌会降解目的产物；杂菌会污染最终产品。4.2 微生物发酵过程培养基和设备的灭菌www.book118.com 过程灭菌的方法：（1）化学法化学药品灭菌法（醛类、醇类、碘类、酚类等）（2）物理法干热灭菌法（火焰、干热空气等）湿热灭菌法饱和蒸气（0.1MPa ，120℃，20-30 分钟）；沸水。射线灭菌法（紫外线、电离辐射等）4.2 微生物发酵过程扩大培养和接种www.book118.com 过程大规模的发酵生产需要大量的菌种，应先经过多次扩大培养，以缩短生产周期。扩大培养指将保存在砂土管、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后，再经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级放大培养而获得一定数量和质量的纯种过程。4.2 微生物发酵过程扩大培养和接种www.book118.com 过程在发酵生产过程中，种子制备的过程大致可分为两个阶段：（1）实验室种子制备阶段（2）生产车间种子制备阶段种子罐级数取决于：（1）菌种生长特性、孢子发芽及菌体繁殖速度；（2）所采用发酵罐的容积。例：细菌：生长快，种子用量比例少，采用二级发酵；霉菌：生长较慢，采用三级发酵；放线菌：生长更慢，采用四级发酵；4.2 微生物发酵过程发酵过程www.book118.com 过程根据操作方式的不同，液体深层发酵过程有三种类型：分批发酵连续发酵补料分批发酵4.2 微生物发酵过程www.book118.com 过程4.2 微生物发酵过程www.book118.com 过程4.2 微生物发酵过程www.book118.com 过程1. 延滞期2. 加速生长期3. 指数生长期4. 减速期5. 稳定期6. 衰亡期4.2 微生物发酵过程www.book118.com 过程4.2 微生物发酵过程www.book118.com 过程4.2 微生物发酵过程www.book118.com 过程4.2 微生物发酵过程www.book118.com 过程优点：能维持低基质浓度；可以提高设备利用率和单位时间的产量；便于自动控制。缺点：菌种发生变异的可能性较大；要求严格的无菌条件。4.2 微生物发酵过程www.book118.com 过程4.2 微生物发酵过程www.book118.com 过程双效浓缩器离心机结晶罐4.2 微生物发酵过程www.book118.com 过程下游加工过程预处理发酵液高度纯化（精制）细胞碎片分离细胞破碎细胞分离成品加工初步纯化（提取）胞外产物4.2 微生物发酵过程www.book118.com 过程吸附离子交换沉淀萃取超滤去热源加稳定剂干燥等4.3 发酵设备好氧发酵设备厌氧发酵设备机械搅拌式发酵罐通风搅拌式发酵罐发酵设备4.3 发酵设备机械搅拌式发酵罐4.3 发酵设备通用式发酵罐机械搅拌式发酵罐4.3 发酵设备通用式发酵罐4.3 发酵设备通用式发酵罐发酵罐及其控制系统4.3 发酵设备通用式发酵罐小型发酵罐4.3 发酵设备大型发酵罐4.3 发酵设备复习思考题* * 中南大学生物科学与技术学院生物化学系Department of Biochemistry School of Biological Science and Technology Central South University Lectures by 李文凯Email: wenkaili@163.com 发酵工程发酵工程是一门将微生物学、生物化学和化学工程学的基本原理有机地结合起来，利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术。它以培养微生物为主，所以又称微生物工程。学习目的发酵的定义发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、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。发酵与发酵工程4.1 发酵工程概况www.book118.com 发酵类型www.