第三章 發(fā)酵工程(定稿)

第三章發(fā)酵工程

緒論醫(yī)藥、輕工、食品、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、能源等行業(yè)基因工程藥物、疫苗及抗體產(chǎn)品化學(xué)工程生物化工生物加工行業(yè)傳統(tǒng)生物技術(shù)現(xiàn)代生物技術(shù)基因工程菌發(fā)酵1.1發(fā)酵過程的意義及組成抗生素、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(nóng)藥、生物肥料等緒論基因工程酶工程細胞工程發(fā)酵工程產(chǎn)物產(chǎn)品產(chǎn)品內(nèi)容一、發(fā)酵工程概述二、發(fā)酵設(shè)備與基本工藝過程三、發(fā)酵過程控制四、發(fā)酵工程的應(yīng)用一、發(fā)酵工程概述1.1發(fā)酵的定義1.2發(fā)酵工程的應(yīng)用范圍1.3微生物發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展歷史1.4發(fā)酵過程的組成部分發(fā)酵一詞的來源

“發(fā)酵”（Fermentation）一詞是拉丁語“沸騰”（fervere）的派生詞，它描述酵母作用于果汁或麥芽浸出液時產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象。產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象是由浸出液中的糖在缺氧條件下降解而產(chǎn)生的二氧化碳所引起的。狹義“發(fā)酵”的定義在生物化學(xué)上發(fā)酵:指微生物在無氧條件下，分解各種有機物質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式。如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出二氧化碳。同時獲得能量，丙酮酸被還原為乳酸而獲得能量等等。廣義“發(fā)酵”的定義

工業(yè)上所稱的發(fā)酵:泛指利用微生物細胞制造某些產(chǎn)品或凈化環(huán)境的過程，它包括厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如酒精、丙酮、丁醇、乳酸等，以及通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等的生產(chǎn)。產(chǎn)品即有細胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細胞、酶等。1.1發(fā)酵的定義傳統(tǒng)發(fā)酵用來描述酵母菌作用于果汁或麥芽汁產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，或者是指酒的生產(chǎn)過程。生化意義上的發(fā)酵指微生物在無氧條件下，分解各種有機物質(zhì)產(chǎn)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(chǎn)能反應(yīng)。生理學(xué)意義上的發(fā)酵指葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出CO2。工業(yè)上的發(fā)酵泛指利用微生物制造或生產(chǎn)某些產(chǎn)品的過程。發(fā)酵工程的概念：指采用現(xiàn)代工程技術(shù)手段，利用微生物的某些特定功能，為人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品，或直接把微生物應(yīng)用于生產(chǎn)過程的一種新技術(shù)。發(fā)酵工程是一門將微生物學(xué)、生物化學(xué)和化學(xué)工程學(xué)的基本原理有機地結(jié)合起來，利用微生物的生長和代謝活動來生產(chǎn)各種有用物質(zhì)的工程技術(shù)。它以培養(yǎng)微生物為主，所以又稱微生物工程。發(fā)酵工程的含義給微生物提供適宜的生長條件，利用微生物的某種特定功能，通過現(xiàn)代化的技術(shù)手段生產(chǎn)出人類所需要的產(chǎn)品的工程。微生物--是主體現(xiàn)代化的技術(shù)手段--是技術(shù)支撐菌體或菌體代謝產(chǎn)物-----微生物工程二、發(fā)酵工程的內(nèi)容發(fā)酵工程主要包括菌種的培養(yǎng)和選育，發(fā)酵條件的優(yōu)化，發(fā)酵反應(yīng)器的設(shè)計和自動控制，產(chǎn)品的分離純化和精制等。除食品工業(yè)外，化工、醫(yī)藥、冶金、能源開發(fā)、污水處理、防腐、防霉等開發(fā)，給發(fā)酵工程帶來新的發(fā)展前景。（圖片）

發(fā)酵工程的內(nèi)容菌種的選育發(fā)酵條件的工藝控制產(chǎn)物的分離和精制菌種的分離、篩選和鑒定；菌種的選育（物理、化學(xué)和基因工程等方法）；生長條件的確定。營養(yǎng)條件（碳源、氮源、無機鹽、微量元素等）；環(huán)境條件（溫度、pH、溶解氧、泡沫、雜菌等）。菌體與發(fā)酵液的分離；產(chǎn)物的純化與精制（不同產(chǎn)品要求不同）；廢物、廢水的回收處理。第一大核心內(nèi)容第二大核心內(nèi)容實現(xiàn)經(jīng)濟效益的關(guān)鍵目前具有生產(chǎn)價值的發(fā)酵類型有以下五種：

1、微生物菌體發(fā)酵：是以獲得具有某種用途的菌體為目的的發(fā)酵。

●傳統(tǒng)的菌體發(fā)酵工業(yè)：有用于面包制作的酵母發(fā)酵（見圖）及用于人類或動物食品的微生物菌體蛋白發(fā)酵兩種類型?！裥碌木w發(fā)酵可用來生產(chǎn)一些藥用真菌：如香菇類、天麻共生的密環(huán)菌、以及從多孔菌科的茯苓菌獲得的名貴中藥茯苓和擔(dān)子菌的靈芝等藥用菌（見圖）。這些藥用真菌可以通過發(fā)酵培養(yǎng)的手段來生產(chǎn)出與天然產(chǎn)品具有同等療效的產(chǎn)物。２、微生物酶發(fā)酵

微生物酶制劑有廣泛的用途：

a、多用于食品和輕工業(yè)中；

b、酶也用于醫(yī)藥生產(chǎn)和醫(yī)療檢測中。３、微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵微生物代謝產(chǎn)物的種類很多，已知的有17個大類，其中16類屬于藥物。●初級代謝產(chǎn)物—是菌體生長繁殖所必需的,如氨基酸、核甘酸、蛋白質(zhì)、核酸、糖類?！翊渭壌x產(chǎn)物—一些具有特定功能的產(chǎn)物，如抗生素、生物堿、細菌毒素、植物生長因子等，與菌體生長繁殖無明顯關(guān)系。初、次級代謝產(chǎn)物的比較４、微生物的轉(zhuǎn)化發(fā)酵

●微生物轉(zhuǎn)化—是指利用微生物細胞的一種或多種酶，把一種化合物轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)相關(guān)的更有經(jīng)濟價值的產(chǎn)物?？蛇M行的轉(zhuǎn)化反應(yīng)包括：脫氫反應(yīng)、氧化反應(yīng)、脫水反應(yīng)、縮合反應(yīng)、脫梭反應(yīng)、氨化反應(yīng)、脫氨反應(yīng)和異構(gòu)化反應(yīng)等。

５、生物工程細胞的發(fā)酵

●概念：生物工程細胞的發(fā)酵是指利用生物工程技術(shù)所獲得的細胞，如DNA重組的“工程菌”，細胞融合所得的“雜交”細胞等進行培養(yǎng)的新型發(fā)酵。

4.1.2發(fā)酵技術(shù)的特點

發(fā)酵過程以生命體的自動調(diào)節(jié)方式進行，數(shù)十個反應(yīng)過程能夠在發(fā)酵設(shè)備中一次完成。反應(yīng)通常在常溫常壓下進行，條件溫和，能耗少，設(shè)備較簡單。原料通常以糖蜜、淀粉等碳水化合物為主，可以是農(nóng)副產(chǎn)品、工業(yè)廢水或可再生資源（如植物秸稈、木屑等），微生物本身能有選擇地攝取所需物質(zhì)。發(fā)酵工程

4.1發(fā)酵工程概況容易生產(chǎn)復(fù)雜的高分子化合物，能高度選擇地在復(fù)雜化合物的特定部位進行氧化、還原、官能團引入或去除等反應(yīng)。發(fā)酵過程中需要防止雜菌污染，大多情況下設(shè)備需要進行嚴格的沖洗、滅菌，空氣需要過濾等。發(fā)酵工程

4.1.2發(fā)酵技術(shù)的特點4.1.3發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用

醫(yī)藥工業(yè)

抗生素、維生素、激素疫苗和菌苗等發(fā)酵工程

4.1發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用食品工業(yè)

微生物蛋白、氨基酸、新糖源、飲料、酒類食品添加劑（檸檬酸、乳酸、天然色素等）發(fā)酵工程

4.1.3發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用能源工業(yè)

酒精沼氣氫能發(fā)酵工程

4.1.3發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用化學(xué)工業(yè)

可降解的生物塑料化工原料（乙醇、丙酮、丁醇、癸二酸等）生物表面活性劑及生物凝集劑發(fā)酵工程

4.1.3發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用冶金工業(yè)

黃金開采和銅、鈾等金屬的浸提發(fā)酵工程

4.1.3發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用農(nóng)業(yè)

生物固氮生物殺蟲劑微生物飼料發(fā)酵工程

4.1.3發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境保護

使用生物肥料，生物殺蟲劑降解有毒物質(zhì)凈化廢水廢氣，處理石油污染發(fā)酵工程

4.1.3發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用微生物發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展歷史傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)純培養(yǎng)技術(shù)代謝控制通風(fēng)攪拌遺傳工程技術(shù)天然發(fā)酵時代發(fā)酵技術(shù)起源于古老的釀造食品工業(yè)。當時人們還沒有認識到微生物的存在，更不清楚微生物與發(fā)酵的關(guān)系，是單憑經(jīng)驗而繼承的產(chǎn)業(yè)。這一釀造領(lǐng)域的發(fā)酵，對于技術(shù)的進步有頑固拒絕的傾向，還由于自古以來，長期積累的工藝相當成熟，因而各國都不怎么從根本上進行改進。這個時代稱為天然發(fā)酵時代。天然發(fā)酵時期白酒的釀造農(nóng)家醬的釀造酸菜的釀造公元前4000多年前，生產(chǎn)實踐的結(jié)果。發(fā)酵工業(yè)第一個轉(zhuǎn)折期：純培養(yǎng)技術(shù)十七世紀荷蘭博物學(xué)家列文霍克用自制的顯微鏡首先發(fā)現(xiàn)了微生物。到了1860年，法國的巴斯德，偶然發(fā)現(xiàn)：發(fā)酵的原因是由微生物造成的。漢遜和林德于1878年研究出“啤酒酵母”的單一培養(yǎng)技術(shù)，到了1881年李斯德和柯赫

“細菌”的純培養(yǎng)技術(shù)又獲得成功。大量實踐經(jīng)驗的積累、商業(yè)化培養(yǎng)基的開發(fā)及生產(chǎn)菌種的改良，促進了發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展并使之趨于多元化。純培養(yǎng)時期呂文·胡克巴斯德科赫

安東·列文虎克（AntonyvenLeeuwenhoek,1632－1723）在1680年前后發(fā)現(xiàn)了自然界中存在的細菌、酵母菌、原生動物等微小生物。微生物學(xué)的奠基人——偉大的巴斯德1857年巴斯德證明發(fā)酵是由于微生物的作用發(fā)酵與微生物的關(guān)系巴斯德著名的曲頸瓶實驗證明：是微生物引起發(fā)酵。發(fā)酵產(chǎn)生微生物？微生物引起發(fā)酵？

法國化學(xué)家、微生物學(xué)家路易·巴斯德（LouisPasteur，1822－1895）1、否定了生命“自然發(fā)生”學(xué)說；2、解決了當時工、農(nóng)、醫(yī)方面的許多難題，推動了生產(chǎn)的發(fā)展；3、奠定了微生物學(xué)的理論基礎(chǔ)；4、創(chuàng)造了一些微生物學(xué)實驗方法。二、杰出科學(xué)家的貢獻

無菌營養(yǎng)液出現(xiàn)微生物無菌營養(yǎng)液無生命出現(xiàn)加熱無菌營養(yǎng)液無生命出現(xiàn)巴斯德的雁頸瓶實驗德國科學(xué)家柯赫（RobertKoch，1843－1910）

發(fā)現(xiàn)了許多病原菌，如炭疽桿菌、結(jié)核桿菌、霍亂弧菌等；發(fā)明了固體培養(yǎng)基，提出了純培養(yǎng)的概念和方法；創(chuàng)造了細菌染色的方法。發(fā)酵工業(yè)第二個轉(zhuǎn)折期：通風(fēng)攪拌技術(shù)1929年，英國人A·Fleming發(fā)現(xiàn)了青霉菌生產(chǎn)青霉素的功能和青霉素的作用。那時是使用表面培養(yǎng)青霉菌的生產(chǎn)方法來生產(chǎn)青霉素，因此生產(chǎn)量有限，所以根本滿足不了人們需要。1943年，英、美共同開發(fā)了通風(fēng)攪拌深層培養(yǎng)法，才實現(xiàn)了青霉素大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。以青霉索發(fā)酵工業(yè)的誕生為轉(zhuǎn)機，引起了一系列抗生素工業(yè)的出現(xiàn)，使發(fā)酵工業(yè)成為合成化學(xué)獨特領(lǐng)域而席卷制藥工業(yè)界。霉菌菌落周圍出現(xiàn)抑制萄

葡球菌生長的抑制現(xiàn)象產(chǎn)黃青霉菌落細菌生長抑制區(qū)域正常細菌生長區(qū)域---抗生素的發(fā)現(xiàn)發(fā)酵工業(yè)第三個轉(zhuǎn)折期：代謝控制發(fā)酵技術(shù)本世紀五十年代，木下祝郎等人，廣泛吸收了生物化學(xué)、酶化學(xué)以及微生物遺傳學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)抖的成果，研究出能控制代謝過程的發(fā)酵技術(shù)，使氨基酸、核酸發(fā)酵得以商品化。發(fā)酵工業(yè)第四個轉(zhuǎn)折期：遺傳工程技術(shù)隨著遺傳工程學(xué)的發(fā)展，為人類定向育種提供了新的途徑，可以賦予微生物細胞具有生產(chǎn)較高等生物細胞所產(chǎn)生的化合物的能力，創(chuàng)造出各種超級微生物服務(wù)于人類。近年來，由于基因工程在發(fā)酵技術(shù)中的應(yīng)用，一些極為珍貴的精細化工產(chǎn)品如生理活性肽物質(zhì)(如人生長激素、胰島素、干擾素、尿激酶、高特性抗體等)，都可以通過發(fā)酵法來生產(chǎn)。4.2

微生物發(fā)酵過程

微生物發(fā)酵過程即微生物反應(yīng)過程，是指由微生物在生長繁殖過程中所引起的生化反應(yīng)的過程。發(fā)酵工程

4發(fā)酵工程好氧性發(fā)酵

在發(fā)酵過程中需要不斷地通入一定量的無菌空氣。如利用黑曲霉進行的檸檬酸發(fā)酵，利用棒狀桿菌進行的谷氨酸發(fā)酵，利用黃單孢菌進行的多糖發(fā)酵等。發(fā)酵工程

4.2微生物發(fā)酵過程厭氧性發(fā)酵

在發(fā)酵時不需要供給空氣。如乳酸桿菌引起的乳酸發(fā)酵，梭狀芽孢桿菌引起的丙酮、丁醇發(fā)酵等。

發(fā)酵工程

4.2微生物發(fā)酵過程固體發(fā)酵液體發(fā)酵

敞口發(fā)酵密閉發(fā)酵淺盤發(fā)酵深層發(fā)酵

液體深層發(fā)酵發(fā)酵工程

4.2微生物發(fā)酵過程4.2.1發(fā)酵工業(yè)中的常用微生物

細菌放線菌酵母菌霉菌其他微生物發(fā)酵工程

4.2微生物發(fā)酵過程放線菌1、常用的細菌

大腸桿菌應(yīng)用：對谷氨酸定量分析，生產(chǎn)天冬氨酸、蘇氨酸、纈氨酸。

乳酸桿菌應(yīng)用：乳酸、干酪、奶子酒、發(fā)面、泡菜、酸奶等的制作

枯草芽孢桿菌應(yīng)用：生產(chǎn)淀粉酶2、酵母菌種類：酒精酵母、啤酒酵母、假絲酵母紅酵母、面包酵母。應(yīng)用：生產(chǎn)酒精、啤酒、石油發(fā)酵脫蠟和制取蛋白質(zhì)、生產(chǎn)脂肪。啤酒酵母紅酵母面包酵母3、霉菌曲霉屬應(yīng)用：生產(chǎn)有機酸、生產(chǎn)淀粉酶、果膠酶、葡萄糖氧化酶應(yīng)用：醬油、醬類（淀粉酶）米曲霉應(yīng)用：產(chǎn)糖化酶和蛋白酶、主要用于釀酒制曲和醬油制曲

毛霉應(yīng)用：可以產(chǎn)生蛋白酶，我國多用于豆腐乳、豆豉等的制作根霉種類：米根霉、華根霉、少根根霉、爪哇根霉應(yīng)用：釀酒青霉菌應(yīng)用：生產(chǎn)青霉素、葡萄糖氧化酶4、放線菌種類：龜裂鏈霉菌、金霉素鏈霉菌、灰色鏈霉菌、紅霉素鏈霉菌應(yīng)用：各類抗生素。土霉素、四環(huán)素、鏈霉素、紅霉素4.2.2

培養(yǎng)基

培養(yǎng)基是人們提供微生物生長繁殖和生物合成各種代謝產(chǎn)物需要的多種營養(yǎng)物質(zhì)的混合物。發(fā)酵工程

4.2微生物發(fā)酵過程霉菌孢子培養(yǎng)基種子培養(yǎng)基發(fā)酵培養(yǎng)基4.2.2.1

培養(yǎng)基的種類

發(fā)酵工程

4.2.2培養(yǎng)基細菌酵母菌4.2.2.2發(fā)酵培養(yǎng)基的組成

碳源

葡萄糖、果糖蔗糖、麥芽糖淀粉、纖維素等發(fā)酵工程

4.2.2培養(yǎng)基氮源

有機氮源（黃豆餅粉、花生餅粉、蛋白胨、酵母粉等）無機氮源（氨水、硫酸銨、氯化銨、硝酸鹽等）發(fā)酵工程

4.2.2.2發(fā)酵培養(yǎng)基的組成無機鹽和微量元素

磷酸鹽、硫酸鹽、氯化鈉、氯化鉀鎂、鐵、鈷、鋅、錳等

發(fā)酵工程

4.2.2.2發(fā)酵培養(yǎng)基的組成藍藻生長因子

維生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶的衍生物以及脂肪酸等。酵母膏、牛肉膏、蛋白胨和一些動植物組織的浸液，是生長因子的豐富來源。發(fā)酵工程

4.2.2.2發(fā)酵培養(yǎng)基的組成水

水是培養(yǎng)基的主要組成成分。它既是構(gòu)成菌體細胞的主要成分，又是一切營養(yǎng)物質(zhì)傳遞的介質(zhì)，而且它還直接參與許多代謝反應(yīng)。

發(fā)酵工程

4.2.2.2發(fā)酵培養(yǎng)基的組成產(chǎn)物形成的誘導(dǎo)物、前體和促進劑

如合成青霉素G的苯乙酸，合成紅霉素的丙酸等發(fā)酵工程

4.2.2.2發(fā)酵培養(yǎng)基的組成搖瓶種子罐生產(chǎn)罐培養(yǎng)液細胞分離菌體培養(yǎng)基滅菌培養(yǎng)基配制培養(yǎng)基原料無細胞上清液產(chǎn)品抽提產(chǎn)品精制產(chǎn)品包裝廢水處理儲備菌種4.2.3

發(fā)酵的一般過程發(fā)酵工程

4.2微生物發(fā)酵過程發(fā)酵條件的工藝控制菌種的選育發(fā)酵產(chǎn)物分離和精制

自然選育誘變育種雜交育種基因工程育種發(fā)酵的過程菌種的選育要想通過發(fā)酵工程獲得在種類、產(chǎn)量和質(zhì)量等方面符合人們要求的產(chǎn)品，最重要的是要有優(yōu)良的菌種。怎樣才能得到優(yōu)良的菌種呢？如果生產(chǎn)的是微生物直接合成的產(chǎn)物可以從自然界中先分離出相應(yīng)的菌種，再用物理或化學(xué)的方法使菌種產(chǎn)生突變，從突變個體中篩選出符合生產(chǎn)要求的優(yōu)良菌種。如果生產(chǎn)的是一般微生物不能合成的產(chǎn)品

可用基因工程、細胞工程的方法對菌種的遺傳特性進行定向改造，以構(gòu)建工程細胞或工程菌，從而達到生產(chǎn)相應(yīng)產(chǎn)品的目的

選育的目的：改善菌種的特性，使產(chǎn)量提高，改進質(zhì)量、降低成本、改革工藝、方便管理及綜合利用等。

選育的方法：

A、自然選育

B、誘變育種

C、雜交育種D、基因工程育種自然選育誘變育種染色體加倍后的草莓（上）野生草莓（下）誘變育種雜交育種甲

生長快、產(chǎn)量低乙生長慢、產(chǎn)量高基因重組如：生長快、產(chǎn)量高獲得目的基因選擇基因載體體外重組外源基因?qū)牒Y選和鑒定應(yīng)用基因工程育種4.3

液體深層發(fā)酵4.3.1

發(fā)酵的操作方式

4.3.1.1分批發(fā)酵

營養(yǎng)物和菌種一次加入進行培養(yǎng)，直到結(jié)束放罐，中間除了空氣進入和尾氣排出，與外部沒有物料交換。傳統(tǒng)的生物產(chǎn)品發(fā)酵多用此過程。

發(fā)酵工程

4發(fā)酵工程根據(jù)不同發(fā)酵類型，每批發(fā)酵需要十幾個小時到幾周時間。全過程包括空罐滅菌、加入滅過菌的培養(yǎng)基、接種、發(fā)酵過程、放罐和洗罐，所需時間的總和為一個發(fā)酵周期。

發(fā)酵工程

4.3.1.1分批發(fā)酵典型的分批發(fā)酵工藝流程圖

發(fā)酵工程

4.3.1.1分批發(fā)酵微生物分批培養(yǎng)的生長曲線

1.延滯期2.加速生長期3.指數(shù)生長期4.減速期5.穩(wěn)定期6.衰亡期

發(fā)酵工程

4.3.1.1分批發(fā)酵4.3.1.2連續(xù)發(fā)酵

以一定的速度向發(fā)酵罐內(nèi)添加新鮮培養(yǎng)基，同時以相同的速度流出培養(yǎng)液，從而使發(fā)酵罐內(nèi)的液量維持恒定，微生物在穩(wěn)定狀態(tài)下生長。發(fā)酵工程

4.3.1發(fā)酵的操作方式4.3.1.3

補料分批發(fā)酵

又稱半連續(xù)發(fā)酵，是介于分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵之間的一種發(fā)酵技術(shù)，是指在微生物分批發(fā)酵中，以某種方式向培養(yǎng)系統(tǒng)補加一定物料的培養(yǎng)技術(shù)。發(fā)酵工程

4.3.1發(fā)酵的操作方式4.3.2發(fā)酵工藝控制

溫度對發(fā)酵過程的影響是多方面的，它會影響各種酶反應(yīng)的速率，改變菌體代謝產(chǎn)物的合成方向，影響微生物的代謝調(diào)控機制。除這些直接影響外，溫度還對發(fā)酵液的理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，如發(fā)酵液的黏度、基質(zhì)和氧在發(fā)酵液中的溶解度和傳遞速率、某些基質(zhì)的分解和吸收速率等，進而影響發(fā)酵的動力學(xué)特性和產(chǎn)物的生物合成。發(fā)酵工程

4.3液體深層發(fā)酵4.3.2.1

溫度pH值對微生物的生長繁殖和產(chǎn)物合成的影響有以下幾個方面：①影響酶的活性，當pH值抑制菌體中某些酶的活性時，會阻礙菌體的新陳代謝；②影響微生物細胞膜所帶電荷的狀態(tài)，改變細胞膜的通透性，影響微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收及代謝產(chǎn)物的排泄；③影響培養(yǎng)基中某些組分和中間代謝產(chǎn)物的解離，從而影響微生物對這些物質(zhì)的利用；④pH值不同，往往引起菌體代謝過程的不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變。另外，pH值還會影響某些霉菌的形態(tài)。發(fā)酵工程

4.3.2發(fā)酵工藝控制4.3.2.2

pH值對于好氧發(fā)酵，溶解氧濃度是最重要的參數(shù)之一。好氧性微生物在進行深層培養(yǎng)時，需要適量的溶解氧以維持其呼吸代謝和某些產(chǎn)物的合成，氧的不足會造成代謝異常，產(chǎn)量降低?，F(xiàn)在可采用復(fù)膜氧電極來檢測發(fā)酵液中的溶解氧濃度。發(fā)酵工程

4.3.2發(fā)酵工藝控制4.3.2.3

溶解氧濃度4.3.3發(fā)酵設(shè)備

一個優(yōu)良的發(fā)酵裝置應(yīng)具有嚴密的結(jié)構(gòu)，良好的液體混和性能，較高的傳質(zhì)、傳熱速率，同時還應(yīng)具有配套而又可靠的檢測及控制儀表。發(fā)酵工程

4.3液體深層發(fā)酵發(fā)酵工程

4.3.3發(fā)酵設(shè)備發(fā)酵罐及其控制系統(tǒng)機械攪拌式發(fā)酵罐是發(fā)酵工廠常用的類型之一。它是利用機械攪拌器的作用，使空氣和發(fā)酵液充分混合，促進氧的溶解，以保證供給微生物生長繁殖和代謝所需的溶解氧。

發(fā)酵工程

4.3.3發(fā)酵設(shè)備4.3.3.1

機械攪拌式發(fā)酵罐發(fā)酵工程

4.3.3.1機械攪拌式發(fā)酵罐在通風(fēng)攪拌式發(fā)酵罐中，通風(fēng)的目的不僅是供給微生物所需要的氧，同時還利用通入發(fā)酵罐的空氣，代替攪拌器使發(fā)酵液均勻混合。

發(fā)酵工程

4.3.3發(fā)酵設(shè)備4.3.3.2

通風(fēng)攪拌式發(fā)酵罐小型發(fā)酵罐厭氧發(fā)酵也稱靜止培養(yǎng),因其不需供氧,所以設(shè)備和工藝都較好氧發(fā)酵簡單。嚴格的厭氧液體深層發(fā)酵的主要特色是排除發(fā)酵罐中的氧。酒精、丙酮、丁醇、乳酸和啤酒等都是采用液體厭氧發(fā)酵工藝生產(chǎn)的。

發(fā)酵工程

4.3.3發(fā)酵設(shè)備4.3.3.3

厭氧發(fā)酵設(shè)備啤酒發(fā)酵罐發(fā)酵工程

4.3.3.3厭氧發(fā)酵設(shè)備4.3.4下游加工過程

從發(fā)酵液中分離、精制有關(guān)產(chǎn)品的過程稱為發(fā)酵生產(chǎn)的下游加工過程。

發(fā)酵工程

4.3液體深層發(fā)酵雙效濃縮器離心機結(jié)晶罐下游加工的工藝流程

預(yù)處理發(fā)酵液高度純化（精制）細胞碎片分離細胞破碎細胞分離

成品加工初步純化（提?。┌猱a(chǎn)物發(fā)酵工程

4.3.4下游加工過程下游加工過程4個階段發(fā)酵液預(yù)處理和固液分離；提?。痪?；成品加工。發(fā)酵工程

4發(fā)酵工程4.4固體發(fā)酵

原料一般為經(jīng)濟易得、富含營養(yǎng)物質(zhì)的工農(nóng)業(yè)中的副、廢產(chǎn)品；一般都是開放式的，無菌要求不高；所需設(shè)備簡單，操作容易；勞動強度大，不便于機械化操作，微生物品種少、生長慢，產(chǎn)品有限。發(fā)酵工程

4發(fā)酵工程固體發(fā)酵實例

例子原料所用微生物

蘑菇生產(chǎn)麥稈、糞肥雙孢蘑菇、埃杜香菇等泡菜包心菜乳酸菌醬油黃豆、小麥米曲霉大豆發(fā)酵食品大豆寡孢根霉干酪凝乳婁格法爾特氏青霉堆肥混合有機材料真菌、細菌、放線菌花生餅素花生餅嗜食鏈孢霉金屬浸提低級礦石硫芽孢桿菌有機酸蔗糖、廢糖蜜黑曲霉酶麥麩等黑曲霉污水處理污水成分細菌、真菌和原生動物發(fā)酵工程

4.4固體發(fā)酵青霉素是最早發(fā)現(xiàn)并用于臨床的一種抗生素。1928年為英國人FlemingA.發(fā)現(xiàn)，20世紀40年代投入工業(yè)生產(chǎn)。

4.5典型產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)

發(fā)酵工程

4發(fā)酵工程4.5.1抗生素發(fā)酵生產(chǎn)

目前全世界用于生產(chǎn)青霉素的高產(chǎn)菌株，大都由菌株WisQ176（一種產(chǎn)黃青霉，Penicillium

chrysogenum）經(jīng)不同改良途徑得到。青霉素工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)水平已達85000U/mL以上。發(fā)酵工程

4.5.1抗生素發(fā)酵生產(chǎn)4.5.1.1青霉素發(fā)酵生產(chǎn)菌株碳源：淀粉經(jīng)酶水解的葡萄糖糖化液。氮源：玉米漿、花生餅粉、精制棉籽餅粉或麩皮。前體：苯乙酸或苯乙酰胺。無機鹽：包括硫、磷、鈣、鎂、鉀等鹽類。發(fā)酵工程

4.5.1抗生素發(fā)酵生產(chǎn)4.5.1.2青霉素發(fā)酵生產(chǎn)培養(yǎng)基4.5.1.3

青霉素發(fā)酵工藝冷凍管

斜面母瓶孢子培養(yǎng)

25℃，6～7天

大米孢子

孢子培養(yǎng)

25℃，6～7天

一級種子罐

種子培養(yǎng)

25℃，40～45h，1

2vvm二級種子罐

種子培養(yǎng)

25℃，13～15h，1

1.5vvm

發(fā)酵罐

發(fā)酵

22～26℃，1

1～0.8vvm，6～7天放罐

提煉冷至15℃

發(fā)酵工程

4.5.1抗生素發(fā)酵生產(chǎn)過濾：采用鼓式真空過濾器；提煉：溶媒萃取法；脫色：活性炭脫色；結(jié)晶：丁醇共沸結(jié)晶法。發(fā)酵后處理

發(fā)酵工程

4.5.1.3青霉素發(fā)酵工藝谷氨酸是目前氨基酸生產(chǎn)中產(chǎn)量最大的一種，谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝也是氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)中最典型和最成熟的。谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)菌種主要有棒狀桿菌屬（Corynebacterium）、短桿菌屬（Brevibacterium）、小桿菌屬（Microbacterium）及節(jié)桿菌屬(Arthrobacter)的細菌。

發(fā)酵工程

4.5典型產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)4.5.2

氨