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(guò)程的意義及組成抗生素、生物制藥、氨基酸、核苷酸、有機(jī)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(xì)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(guò)程三、發(fā)酵過(guò)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(guò)程的組成部分發(fā)酵一詞的來(lái)源

“發(fā)酵”（Fermentation）一詞是拉丁語(yǔ)“沸騰”（fervere）的派生詞，它描述酵母作用于果汁或麥芽浸出液時(shí)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(wú)氧條件下，分解各種有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式。如葡萄糖在無(wú)氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出二氧化碳。同時(shí)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(xì)胞制造某些產(chǎn)品或凈化環(huán)境的過(guò)程，它包括厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過(guò)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(guò)程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等的生產(chǎn)。產(chǎn)品即有細(xì)胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細(xì)胞、酶等。1.1發(fā)酵的定義傳統(tǒng)發(fā)酵用來(lái)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(guò)程。生化意義上的發(fā)酵指微生物在無(wú)氧條件下，分解各種有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式，或者更嚴(yán)格地說(shuō)，發(fā)酵是以有機(jī)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(wú)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(guò)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(guò)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(jī)地結(jié)合起來(lái)，利用微生物的生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)來(lái)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(zhǎng)條件，利用微生物的某種特定功能，通過(guò)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(jì)和自動(dòng)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(kāi)發(fā)、污水處理、防腐、防霉等開(kāi)發(fā)，給發(fā)酵工程帶來(lái)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(zhǎng)條件的確定。營(yíng)養(yǎng)條件（碳源、氮源、無(wú)機(jī)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(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵目前具有生產(chǎn)價(jià)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(jiàn)圖）及用于人類或動(dòng)物食品的微生物菌體蛋白發(fā)酵兩種類型。●新的菌體發(fā)酵可用來(lái)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(jiàn)圖）。這些藥用真菌可以通過(guò)發(fā)酵培養(yǎng)的手段來(lái)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(cè)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(gè)大類，其中16類屬于藥物?！癯跫?jí)代謝產(chǎn)物—是菌體生長(zhǎng)繁殖所必需的,如氨基酸、核甘酸、蛋白質(zhì)、核酸、糖類?！翊渭?jí)代謝產(chǎn)物—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(zhǎng)因子等，與菌體生長(zhǎng)繁殖無(wú)明顯關(guān)系。初、次級(jí)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(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(jià)值的產(chǎn)物?？蛇M(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。

５、生物工程細(xì)胞的發(fā)酵

●概念：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”，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。

4.1.2發(fā)酵技術(shù)的特點(diǎn)

發(fā)酵過(guò)程以生命體的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式進(jìn)行，數(shù)十個(gè)反應(yīng)過(guò)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(jìn)行，條件溫和，能耗少，設(shè)備較簡(jiǎn)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?cái)z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(jìn)行氧化、還原、官能團(tuán)引入或去除等反應(yīng)。發(fā)酵過(guò)程中需要防止雜菌污染，大多情況下設(shè)備需要進(jìn)行嚴(yán)格的沖洗、滅菌，空氣需要過(guò)濾等。發(fā)酵工程

4.1.2發(fā)酵技術(shù)的特點(diǎn)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(kāi)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(hù)

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(shí)代發(fā)酵技術(shù)起源于古老的釀造食品工業(yè)。當(dāng)時(shí)人們還沒(méi)有認(rèn)識(shí)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(yàn)而繼承的產(chǎn)業(yè)。這一釀造領(lǐng)域的發(fā)酵，對(duì)于技術(shù)的進(jìn)步有頑固拒絕的傾向，還由于自古以來(lái)，長(zhǎng)期積累的工藝相當(dāng)成熟，因而各國(guó)都不怎么從根本上進(jìn)行改進(jìn)。這個(gè)時(shí)代稱為天然發(fā)酵時(shí)代。天然發(fā)酵時(shí)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(shí)踐的結(jié)果。發(fā)酵工業(yè)第一個(gè)轉(zhuǎn)折期：純培養(yǎng)技術(shù)十七世紀(jì)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(guó)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(xì)菌”的純培養(yǎng)技術(shù)又獲得成功。大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累、商業(yè)化培養(yǎng)基的開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)菌種的改良，促進(jìn)了發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展并使之趨于多元化。純培養(yǎng)時(shí)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(xì)菌、酵母菌、原生動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(guó)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(shuō)；2、解決了當(dāng)時(shí)工、農(nóng)、醫(yī)方面的許多難題，推動(dòng)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(shí)驗(yàn)方法。二、杰出科學(xué)家的貢獻(xiàn)

無(wú)菌營(yíng)養(yǎng)液出現(xiàn)微生物無(wú)菌營(yíng)養(yǎng)液無(wú)生命出現(xiàn)加熱無(wú)菌營(yíng)養(yǎng)液無(wú)生命出現(xiàn)巴斯德的雁頸瓶實(shí)驗(yàn)德國(guó)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(xì)菌染色的方法。發(fā)酵工業(yè)第二個(gè)轉(zhuǎn)折期：通風(fēng)攪拌技術(shù)1929年，英國(guó)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(shí)是使用表面培養(yǎng)青霉菌的生產(chǎn)方法來(lái)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(kāi)發(fā)了通風(fēng)攪拌深層培養(yǎng)法，才實(shí)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(jī)，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(dú)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(zhǎng)的抑制現(xiàn)象產(chǎn)黃青霉菌落細(xì)菌生長(zhǎng)抑制區(qū)域正常細(xì)菌生長(zhǎng)區(qū)域---抗生素的發(fā)現(xiàn)發(fā)酵工業(yè)第三個(gè)轉(zhuǎn)折期：代謝控制發(fā)酵技術(shù)本世紀(jì)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(guò)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(gè)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(xì)胞具有生產(chǎn)較高等生物細(xì)胞所產(chǎn)生的化合物的能力，創(chuàng)造出各種超級(jí)微生物服務(wù)于人類。近年來(lái)，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(xì)化工產(chǎn)品如生理活性肽物質(zhì)(如人生長(zhǎng)激素、胰島素、干擾素、尿激酶、高特性抗體等)，都可以通過(guò)發(fā)酵法來(lái)生產(chǎn)。4.2

微生物發(fā)酵過(guò)程

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

4發(fā)酵工程好氧性發(fā)酵

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

4.2微生物發(fā)酵過(guò)程厭氧性發(fā)酵

在發(fā)酵時(shí)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(guò)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(guò)程4.2.1發(fā)酵工業(yè)中的常用微生物

細(xì)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(guò)程放線菌1、常用的細(xì)菌

大腸桿菌應(yīng)用：對(duì)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(jī)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(guó)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(zhǎng)繁殖和生物合成各種代謝產(chǎn)物需要的多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的混合物。發(fā)酵工程

4.2微生物發(fā)酵過(guò)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(xì)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(jī)氮源（黃豆餅粉、花生餅粉、蛋白胨、酵母粉等）無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)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(lán)藻生長(zhǎng)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(dòng)植物組織的浸液，是生長(zhǎng)因子的豐富來(lái)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(xì)胞的主要成分，又是一切營(yíng)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(jìn)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(xì)胞分離菌體培養(yǎng)基滅菌培養(yǎng)基配制培養(yǎng)基原料無(wú)細(xì)胞上清液產(chǎn)品抽提產(chǎn)品精制產(chǎn)品包裝廢水處理儲(chǔ)備菌種4.2.3

發(fā)酵的一般過(guò)程發(fā)酵工程

4.2微生物發(fā)酵過(guò)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(guò)程菌種的選育要想通過(guò)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(gè)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(xì)胞工程的方法對(duì)菌種的遺傳特性進(jìn)行定向改造，以構(gòu)建工程細(xì)胞或工程菌，從而達(dá)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(jìn)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(zhǎng)快、產(chǎn)量低乙生長(zhǎng)慢、產(chǎn)量高基因重組如：生長(zhǎng)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(yíng)養(yǎng)物和菌種一次加入進(jìn)行培養(yǎng)，直到結(jié)束放罐，中間除了空氣進(jìn)入和尾氣排出，與外部沒(méi)有物料交換。傳統(tǒng)的生物產(chǎn)品發(fā)酵多用此過(guò)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(gè)小時(shí)到幾周時(shí)間。全過(guò)程包括空罐滅菌、加入滅過(guò)菌的培養(yǎng)基、接種、發(fā)酵過(guò)程、放罐和洗罐，所需時(shí)間的總和為一個(gè)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(zhǎng)曲線

1.延滯期2.加速生長(zhǎng)期3.指數(shù)生長(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)。發(fā)酵工程

4.3.1發(fā)酵的操作方式4.3.1.3

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)。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(duì)發(fā)酵過(guò)程的影響是多方面的，它會(huì)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(jī)制。除這些直接影響外，溫度還對(duì)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(jìn)而影響發(fā)酵的動(dòng)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(duì)微生物的生長(zhǎng)繁殖和產(chǎn)物合成的影響有以下幾個(gè)方面：①影響酶的活性，當(dāng)pH值抑制菌體中某些酶的活性時(shí)，會(huì)阻礙菌體的新陳代謝；②影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的狀態(tài)，改變細(xì)胞膜的通透性，影響微生物對(duì)營(yíng)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(duì)這些物質(zhì)的利用；④pH值不同，往往引起菌體代謝過(guò)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(huì)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(duì)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(jìn)行深層培養(yǎng)時(shí)，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(huì)造成代謝異常，產(chǎn)量降低。現(xiàn)在可采用復(fù)膜氧電極來(lái)檢測(cè)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(gè)優(yōu)良的發(fā)酵裝置應(yīng)具有嚴(yán)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(shí)還應(yīng)具有配套而又可靠的檢測(cè)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(jī)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(jī)械攪拌器的作用，使空氣和發(fā)酵液充分混合，促進(jìn)氧的溶解，以保證供給微生物生長(zhǎng)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(jī)械攪拌式發(fā)酵罐發(fā)酵工程

4.3.3.1機(jī)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(shí)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(jiǎn)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。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(guò)程

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

發(fā)酵工程

4.3液體深層發(fā)酵雙效濃縮器離心機(jī)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(xì)胞碎片分離細(xì)胞破碎細(xì)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(guò)程下游加工過(guò)程4個(gè)階段發(fā)酵液預(yù)處理和固液分離；提??；精制；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(jì)易得、富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的工農(nóng)業(yè)中的副、廢產(chǎn)品；一般都是開(kāi)放式的，無(wú)菌要求不高；所需設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易；勞動(dòng)強(qiáng)度大，不便于機(jī)械化操作，微生物品種少、生長(zhǎng)慢，產(chǎn)品有限。發(fā)酵工程

4發(fā)酵工程固體發(fā)酵實(shí)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(jī)材料真菌、細(xì)菌、放線菌花生餅素花生餅嗜食鏈孢霉金屬浸提低級(jí)礦石硫芽孢桿菌有機(jī)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(xì)菌、真菌和原生動(dòng)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(guó)人FlemingA.發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)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(dá)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(wú)機(jī)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?yán)鋬龉?/p>

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(jí)種子罐

種子培養(yǎng)

25℃，40～45h，1

2vvm二級(jí)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(guò)濾：采用鼓式真空過(guò)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(xì)菌。

發(fā)酵工程

4.5典型產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)4.5.2

氨