動物發(fā)酵工程

發(fā)酵工程發(fā)酵工程概述發(fā)酵工程概述1、發(fā)酵工程的概念

發(fā)酵工程將微生物學(xué)、生物化學(xué)和化學(xué)工程學(xué)的基本原理有機(jī)地結(jié)合起來，是一門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)。由于它以培養(yǎng)微生物為主，所以又稱微生物工程。發(fā)酵工程概述1、發(fā)酵工程的概念

現(xiàn)代的發(fā)酵工程不僅包括包括菌體生產(chǎn)和代謝產(chǎn)物的發(fā)酵生產(chǎn)，還包括微生物機(jī)能的利用。其主要內(nèi)容包括生產(chǎn)菌種的選育，發(fā)酵條件的優(yōu)化與控制，反應(yīng)器的設(shè)計(jì)及產(chǎn)物的分離、提取與精制等。微生物菌體發(fā)酵01微生物菌體發(fā)酵二、發(fā)酵類型

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)酵及用于人類或動物食品的微生物菌體蛋白（單細(xì)胞蛋白）發(fā)酵兩種類型。有的微生物菌體還可用作生物防治，用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。微生物酶發(fā)酵02微生物酶發(fā)酵二、發(fā)酵類型

微生物具有種類多、產(chǎn)酶品種多、生產(chǎn)容易、成本低等特點(diǎn)，目前工業(yè)用酶大多來自微生物發(fā)酵，多用于食品工業(yè)和輕工業(yè)中。如葡萄糖生產(chǎn)。也可用于醫(yī)藥和醫(yī)療檢測中，如膽固醇氧化酶檢查血清中膽固醇含量，葡萄糖氧化酶檢查血液中葡萄糖含量。微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵二、發(fā)酵類型03微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵

在菌體對數(shù)生長期所產(chǎn)生的產(chǎn)物，如氨基酸、核苷酸、蛋白質(zhì)、核酸、糖類等，是菌體生長繁殖所必需的，這些產(chǎn)物叫做初級代謝產(chǎn)物。在菌體生長靜止期，某些菌體能合成一些具有特定功能的產(chǎn)物，如抗生素、生物堿、細(xì)菌毒素、植物生長因子等，這些產(chǎn)物與菌體生長繁殖無明顯關(guān)系，叫做次級代謝產(chǎn)物。4.微生物的轉(zhuǎn)化發(fā)酵

微生物轉(zhuǎn)化是利用微生物細(xì)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(jì)價值的產(chǎn)物。可進(jìn)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。發(fā)酵工程概述5.生物工程細(xì)胞的發(fā)酵

是指利用生物工程技術(shù)所獲得的細(xì)胞，如DNA重組的“工程菌”及細(xì)胞融合所得的“雜交”細(xì)胞等進(jìn)行培養(yǎng)的新型發(fā)酵，其產(chǎn)物多種多樣。基因的概念及其結(jié)構(gòu)三、發(fā)酵技術(shù)的特點(diǎn)

①發(fā)酵過程以生物體的自動調(diào)節(jié)方式進(jìn)行，數(shù)十個反應(yīng)過程能夠在發(fā)酵設(shè)備中一次完成。②反應(yīng)通常在常溫常壓下進(jìn)行，條件溫和，能耗少，設(shè)備較簡單。③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，微生物本身能有選擇地?cái)z取所需物質(zhì)。④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(jìn)行氧化、還原、官能團(tuán)引人或去除等反應(yīng)。⑤發(fā)酵過程中需要防止雜菌污染，設(shè)備需要進(jìn)行嚴(yán)格的沖洗、滅菌；空氣需要過濾等?；虻母拍罴捌浣Y(jié)構(gòu)三、發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用

①醫(yī)藥工業(yè)?？股?、維生素、人胰島素、乙肝疫苗、干擾素、透明質(zhì)酸等。②食品工業(yè)。微生物蛋白、氨基酸、新糖源、飲料、酒類和一些食品添加劑的生產(chǎn)。③能源工業(yè)。將秸桿、木屑、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等廢棄物轉(zhuǎn)化為液體或氣體燃料（酒精或沼氣），微生物采油、產(chǎn)氫、產(chǎn)石油以及制成微生物電池。④化學(xué)工業(yè)。生產(chǎn)可降解的生物塑料、化工原料（乙醇、丙酮、丁醇等）和一些生物表面活性劑及生物凝集劑。⑤冶金工業(yè)。黃金開采和銅、鋼等金屬的浸提。⑥農(nóng)業(yè)。生物固氮、生產(chǎn)生物殺蟲劑及微生物飼料。⑦環(huán)境保護(hù)。可用微生物來凈化有毒的高分子化合物，降解海上浮油，清除有毒氣體和惡臭物質(zhì)以及處理有機(jī)廢水、廢渣等。微生物發(fā)酵過程微生物發(fā)酵過程微生物發(fā)酵過程即微生物反應(yīng)過程，是指微生物在生長繁殖過程中所引起的生化反應(yīng)過程。根據(jù)微生物的種類不同（好氧、厭氧、兼性厭氧），可以分為好氧性發(fā)酵(需要加入一定量的無菌空氣)和厭氧性發(fā)酵（不需要供給空氣）兩大類。微生物發(fā)酵過程微生物發(fā)酵過程01分類微生物發(fā)酵過程

按照設(shè)備來分，發(fā)酵又可分為敞口發(fā)酵、密閉發(fā)酵、淺盤發(fā)酵和深層發(fā)酵。02液體深層發(fā)酵優(yōu)點(diǎn)

液體懸浮狀態(tài)是很多微生物的最適生長環(huán)境。在液體中，發(fā)酵可在均質(zhì)或擬均質(zhì)條件下進(jìn)行，便于控制，易于擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。液體輸送方便，易于機(jī)械化操作。廠房面積小，生產(chǎn)效率高，易進(jìn)行自動化控制，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。產(chǎn)品易于提取、精制等。微生物發(fā)酵過程一、工業(yè)生產(chǎn)常用微生物

當(dāng)前發(fā)酵工業(yè)所用菌種的總趨勢是從野生菌轉(zhuǎn)向變異菌，從自然選育轉(zhuǎn)向代謝控制育種，從誘發(fā)基因突變轉(zhuǎn)向基因重組的定向育種。

工業(yè)生產(chǎn)上常用的微生物主要是細(xì)菌、放線菌、酵母菌和霉菌，由于發(fā)酵工程本身的發(fā)展以及遺傳工程的介人，藻類、病毒等也正在逐步地變?yōu)楣I(yè)生產(chǎn)用的微生物。二、培養(yǎng)基

培養(yǎng)基的成分和配比，對微生物的生長、發(fā)育、代謝、產(chǎn)物積累，甚至對發(fā)酵工業(yè)的生產(chǎn)工藝都有很大的影響。（一）培養(yǎng)基的種類①孢子培養(yǎng)基：是供制備孢子用的。②種子培養(yǎng)基：是供孢子發(fā)芽和菌體生長繁殖用的。③發(fā)酵培養(yǎng)基：是供菌體生長繁殖和合成大量代謝產(chǎn)物用的。微生物發(fā)酵過程

二、培養(yǎng)基

（二）發(fā)酵培養(yǎng)基的組成1.碳源2.氮源3.無機(jī)鹽和微量元素4.生長因子5.水6.產(chǎn)物形成的誘導(dǎo)物、前體和促進(jìn)劑許多胞外酶的合成需要適當(dāng)?shù)恼T導(dǎo)物存在。微生物發(fā)酵過程

三、發(fā)酵的一般過程微生物發(fā)酵過程01菌種制備微生物發(fā)酵過程

自然界菌種分離純化、選育。02種子擴(kuò)大培養(yǎng)

種子擴(kuò)大培養(yǎng)是指將保存在砂土管、冷凍干燥管或冰箱中處于休眠狀態(tài)的生產(chǎn)菌種接入試管斜面活化后，再經(jīng)過茄子瓶或搖瓶及種子罐逐級擴(kuò)大培養(yǎng)，獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種的過程。這些純種培養(yǎng)物稱為種子。微生物發(fā)酵過程（三）發(fā)酵

所用的培養(yǎng)基和培養(yǎng)設(shè)備都必須經(jīng)過滅菌，通入的空氣或中途的補(bǔ)料都是無菌的，轉(zhuǎn)移種子也要采用無菌接種技術(shù)。通常利用飽和蒸汽對培養(yǎng)基進(jìn)行滅菌，滅菌條件是在120℃（約0.1MPa表壓）維持20~30min。分離、提取精制。（四）下游處理液體深層發(fā)酵液體深層發(fā)酵（一）分批發(fā)酵

營養(yǎng)物和菌種一次加入進(jìn)行培養(yǎng)，直到結(jié)束放出，中間除了空氣進(jìn)入和尾氣排出，與外部沒有物料交換。它除了控制溫度、ph及通氣以外，不進(jìn)行任何其他控制，操作簡單。但從細(xì)胞所處的環(huán)境來看，則有明顯改變。分批培養(yǎng)系統(tǒng)屬于封閉系統(tǒng)，只能在一段有限的時間內(nèi)維持微生物的增殖，微生物處在限制性條件下的生長，表現(xiàn)出典型的生長周期。一、深層發(fā)酵的操作方式一、深層發(fā)酵的操作方式微生物分批生長的生長曲線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.衰亡期連續(xù)發(fā)酵01連續(xù)發(fā)酵一、深層發(fā)酵的操作方式

所謂連續(xù)發(fā)酵，是指以一定的速度向發(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。穩(wěn)定狀態(tài)可以有效地延長分批培養(yǎng)中的對數(shù)期。在穩(wěn)定的狀態(tài)下，微生物所處的環(huán)境條件，如營養(yǎng)物濃度、產(chǎn)物濃度、PH值等都能保持恒定，微生物細(xì)胞的濃度及其生長速率也可維持不變，甚至還可以根據(jù)需要來調(diào)節(jié)生長速度。（二）連續(xù)發(fā)酵優(yōu)點(diǎn)：

①可以維持穩(wěn)定的操作條件，有利于微生物的生長代謝，從而使產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量也相應(yīng)保持穩(wěn)定；②能夠更有效地實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化，降低勞動強(qiáng)度，減少操作人員與病原微生物和毒性產(chǎn)物接觸的機(jī)會；③減少設(shè)備清洗、準(zhǔn)備和滅菌等非生產(chǎn)占用時間，提高設(shè)備利用率，節(jié)省勞動力和工時；④由于滅菌次數(shù)減少，使測量儀器探頭的壽命得以延長；⑤容易對過程進(jìn)行優(yōu)化，有效地提高發(fā)酵產(chǎn)率。（二）連續(xù)發(fā)酵缺點(diǎn)：

①由于是開放系統(tǒng)，加上發(fā)酵周期長，容易造成雜菌污染；②在長周期連續(xù)發(fā)酵中，微生物容易發(fā)生變異；③對設(shè)備、儀器及控制元器件的技術(shù)要求較高；④粘性絲狀菌菌體容易附著在器皿壁上生長和在發(fā)酵液內(nèi)結(jié)團(tuán)，給連續(xù)發(fā)酵操作帶來困難。（三）補(bǔ)料分批發(fā)酵概念

補(bǔ)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(bǔ)加一定物料的培養(yǎng)技術(shù)。通過向培養(yǎng)基系統(tǒng)中補(bǔ)充物料，可以使培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物濃度較長時間地保持在一定范圍內(nèi)，既保證微生物的生長需要，又不造成不利影響，從而達(dá)到提高產(chǎn)率的目的。（三）補(bǔ)料分批發(fā)酵

補(bǔ)料分批發(fā)酵作為分批發(fā)酵向連續(xù)發(fā)酵的過渡，兼有兩者之優(yōu)點(diǎn)。

首先它可以解除營養(yǎng)物基質(zhì)的抑制。其次對于好氧發(fā)酵，它可以避免在分批發(fā)酵中因一次性投人糖過多造成細(xì)胞大量生長，耗氧過多，以至通風(fēng)攪拌設(shè)備不能匹配的狀況。再次可以減少菌體生成量，提高有用產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率。與連續(xù)發(fā)酵相比，它不會產(chǎn)生菌種老化和變異問題，其適用范圍也比連續(xù)發(fā)酵廣。液體深層發(fā)酵液體深層發(fā)酵（下）反映發(fā)酵過程變化的參數(shù)可以分為兩類：

第一類：直接參數(shù)：可以直接采用特定的傳感器檢測的參數(shù)。它們包括反映物理環(huán)境和化學(xué)環(huán)境變化的參數(shù)，如溫度、壓力、攪拌功率、轉(zhuǎn)速、泡沫、發(fā)酵液粘度、濁度、ｐＨ、離子濃度、溶解氧、基質(zhì)濃度等。發(fā)酵工藝控制反映發(fā)酵過程變化的參數(shù)可以分為兩類：

第二類：間接參數(shù)：至今尚難于用傳感器來檢測的參數(shù)，包括細(xì)胞生長速率、產(chǎn)物合成速率和呼吸嫡等。這些參數(shù)需要根據(jù)一些直接參數(shù)，借助于電腦計(jì)算和特定的數(shù)學(xué)模型才能得到。上述參數(shù)中，對發(fā)酵過程影響較大的有溫度、pＨ、溶解氧濃度等。發(fā)酵工藝控制影響因素發(fā)酵工藝控制05營養(yǎng)物質(zhì)的濃度04泡沫03溶解氧01溫度02pHDNA重組與DNA雜交的區(qū)別

DNA雜交是在兩條單鏈之間進(jìn)行；DNA重組是在雙鏈DNA片段之間進(jìn)行的。DNA重組含義自然界的DNA重組

例如：減數(shù)分裂；病毒侵染。01通用式發(fā)酵罐發(fā)酵設(shè)備（一）機(jī)拌式發(fā)酵罐02自吸式發(fā)酵罐發(fā)酵設(shè)備（一）機(jī)拌式發(fā)酵罐

自吸式發(fā)酵罐罐體的結(jié)構(gòu)大致上與通用式發(fā)酵罐相同，主要區(qū)別在于攪拌器的形狀和結(jié)構(gòu)不同。自吸式發(fā)酵罐使用的是帶中央吸氣口的攪拌器。罐外空氣通過吸氣管吸人罐內(nèi)，空氣與發(fā)酵液經(jīng)充分混合后在葉輪末端排出，并立即通過導(dǎo)輪向罐壁分散，經(jīng)擋板折流涌向液面，均勻分布。這種方式使氣液接觸十分良好，氣泡分散較細(xì)，從而提高了氧在發(fā)酵液中的溶解速率。發(fā)酵設(shè)備（二）通風(fēng)攪拌式發(fā)酵罐

常用的有循環(huán)式通風(fēng)發(fā)酵罐和高位塔式發(fā)酵罐循環(huán)式通風(fēng)發(fā)酵罐優(yōu)點(diǎn)：①發(fā)酵罐內(nèi)沒有攪拌裝置，結(jié)構(gòu)簡單，清洗方便，加廠容易；②由于取消了攪拌用的電機(jī)，而通風(fēng)量與通用式發(fā)酵罐大致相等，所以動力消耗有很大降低。

高位塔式發(fā)酵罐則將空氣由罐底導(dǎo)入，經(jīng)篩選板逐漸上升的同時帶動發(fā)酵液上升，又通過有液封作用的降液管下降形成循環(huán)。發(fā)酵設(shè)備（三）厭氧發(fā)酵設(shè)備

設(shè)備和工藝都較好氧發(fā)酵簡單。嚴(yán)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。厭氧發(fā)酵需使用大劑量接種性的厭氧發(fā)酵設(shè)備如酒精發(fā)酵罐和用于啤酒生產(chǎn)的錐底立式發(fā)酵罐下游加工過程01下游加工過程下游加工過程（一）發(fā)酵液預(yù)處理和固液分離（二）提?。ㄈ┚疲ㄋ模┏善芳庸は掠渭庸み^程固體發(fā)酵及實(shí)例固體發(fā)酵固體發(fā)酵及實(shí)例固體發(fā)酵

在微生物發(fā)酵過程中，有些微生物生長需水很少，可利用疏松而含有必需營養(yǎng)物的固體培養(yǎng)基進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)，稱為固體發(fā)酵。我國傳統(tǒng)的釀酒、制醬及天培等生產(chǎn)均為固體發(fā)酵。另外，固體發(fā)酵還用于蘑菇的生產(chǎn)、奶酪和泡菜的制作，以及動植物廢料的堆肥等。實(shí)例固體發(fā)酵