第四章 發(fā)酵工程2

第四章發(fā)酵工程發(fā)酵工程的定義

發(fā)酵工程（微生物工程，發(fā)酵技術(shù)），是指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù)，根據(jù)各種微生物的特性，在有養(yǎng)或無養(yǎng)條件下利用生物催化（酶）的作用，將多種低值原料轉(zhuǎn)化成不同的產(chǎn)品的過程。廣義上的發(fā)酵工程由三部分組成：上游工程、發(fā)酵工程和下游工程，其中上游工程包括優(yōu)良菌株的選育，最適發(fā)酵條件（營養(yǎng)組成、pH、溫度）的確定，營養(yǎng)物的準備等；下游工程指從發(fā)酵液中分離和純化產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)酵工業(yè)必須具備的條件1、某種適宜的微生物2、要保證或控制微生物進行代謝的各種條件，即培養(yǎng)基的組成、溫度、溶氧濃度、pH等3、微生物發(fā)酵需要的設(shè)備4、提取菌體或代謝產(chǎn)物或精致產(chǎn)品的方法和設(shè)備發(fā)酵工程的特點投資少見效快污染小外源目的基因易高效表達發(fā)酵工程的歷史發(fā)展19世紀末：厭氧發(fā)酵(酒精、乳酸、發(fā)酵食品)1945年：通氣攪拌發(fā)酵罐--好氧發(fā)酵(青霉素等抗生素)20世紀50年代：代謝控制發(fā)酵(氨基酸、核酸等)20世紀70年代：固定化酶連續(xù)發(fā)酵20世紀80年代：現(xiàn)代發(fā)酵工程技術(shù)(與基因操作、細胞工程技術(shù)相結(jié)合)發(fā)酵工程的內(nèi)容1、微生物的菌體發(fā)酵(酵母、單細胞蛋白、藥用真菌、殺蟲劑等)2、微生物酶發(fā)酵(淀粉酶、糖化酶、氨基?；浮⑶嗝顾仵；傅?；3、微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵(初級代謝產(chǎn)物、次級代謝產(chǎn)物)4、微生物的轉(zhuǎn)化發(fā)酵：微生物轉(zhuǎn)化是利用微生物細胞的一種或多種酶，把一種化合物轉(zhuǎn)變成更有經(jīng)濟價值的產(chǎn)物（抗生素轉(zhuǎn)化）5、生物工程細胞的發(fā)酵：是指利用生物工程技術(shù)所獲得的細胞進行培養(yǎng)的新型發(fā)酵，其產(chǎn)物多種多樣。（胰島素、干擾素、青霉素、酚化酶）初級代謝產(chǎn)物和次級代謝產(chǎn)物在菌體對數(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、植物生長因子等，這些產(chǎn)物與菌體的生長繁殖無明顯關(guān)系，叫做次級代謝產(chǎn)物。三、發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用1.醫(yī)藥工業(yè)：抗生素、維生素、胰島素、乙肝疫苗、干擾素等；2.食品工業(yè)：微生物蛋白、氨基酸、飲料、酒類和一些食品添加劑（檸檬酸、乳酸、天然色素等）；3.能源工業(yè)：酒精、沼氣、微生物采油；4.化學(xué)工業(yè)：化工原料（乙醇、丙酮、丁醇）、生物表面活性劑；5.農(nóng)牧業(yè)：生物固氮、生物殺蟲劑、微生物飼料；6.冶金工業(yè)和環(huán)境保護。

發(fā)酵工程是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)，是生物技術(shù)四大支柱(基因工程、細胞工程、酶工程和發(fā)酵工程)的核心，無論傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品，如抗生素、氨基酸等，還是現(xiàn)代基因工程產(chǎn)品，如疫苗、人體蛋白質(zhì)等，都需要發(fā)酵技術(shù)進行生產(chǎn)。發(fā)酵工程在現(xiàn)代生物技術(shù)中的地位和作用第二節(jié)微生物反應(yīng)器及發(fā)酵系統(tǒng)生物反應(yīng)器（發(fā)酵罐）：是為微生物、酶或動植物細胞（或組織）作為生物催化劑的生物反應(yīng)過程提供良好環(huán)境的核心設(shè)備。根據(jù)生物催化劑的不同，生物反應(yīng)過程分為：發(fā)酵過程、細胞培養(yǎng)過程和酶反應(yīng)過程等，與生物反應(yīng)過程相應(yīng)的反應(yīng)器的為發(fā)酵罐、動植物細胞反應(yīng)器和酶反應(yīng)器。生物反應(yīng)器在生物產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，具有中心紐帶作用，是實現(xiàn)生物技術(shù)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵設(shè)備，是連接原料和產(chǎn)物的橋梁。因此，生物反應(yīng)器的設(shè)計和操作與生物技術(shù)產(chǎn)品的質(zhì)量、轉(zhuǎn)化率和能耗關(guān)系緊密，直接影響到生產(chǎn)效益發(fā)酵罐的特點1、為細胞代謝提供一個適宜的物理及化學(xué)環(huán)境，使細胞能更快更好的生長2、具有嚴密的結(jié)構(gòu)3、良好的液體混合性能4、高的傳質(zhì)和傳熱速率5、靈敏的檢測和控制儀表發(fā)酵罐的設(shè)計要求1、節(jié)能2、操作與控制方便3、無菌條件好4、盡量減少法蘭連接5、結(jié)構(gòu)堅固、安全6、防止死角、裂縫7、易維修法蘭連接連接就是把法蘭盤放在固定在兩處管口上的一對法蘭的中間，然后用螺栓拉緊使其接合起來，成為一種可拆卸的。這種連接主要用于鑄鐵管、襯膠管、非鐵金屬管和法蘭閥門等的連接，工藝設(shè)備與法蘭的連接也都采用法蘭連接。法蘭連接的主要特點是拆卸方便、強度高、密封性能好。安裝法蘭時要求兩個法蘭保持平行、法蘭的密封面不能碰傷，并且要清理干凈。發(fā)酵罐的類型一、根據(jù)微生物生長代謝需要來分好氧發(fā)酵罐：用于抗生素、酶制劑、酵母、氨基酸、維生素等產(chǎn)品的發(fā)酵，發(fā)酵過程需要氧氣厭氧發(fā)酵罐：丙酮、丁醇、酒精、啤酒、乳酸等產(chǎn)品的發(fā)酵，發(fā)酵過程不需要氧氣二、根據(jù)發(fā)酵罐的質(zhì)量傳遞特點進行分類機械攪拌發(fā)酵罐---依靠攪拌器提供能量使發(fā)酵液循環(huán)、混合、包括機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐和機械攪拌自吸式發(fā)酵罐非機械攪拌發(fā)酵罐---依靠通入的空氣或液體產(chǎn)生動力，帶動發(fā)酵液循環(huán)、混合，包括噴射自吸式發(fā)酵罐、氣升式發(fā)酵罐三、根據(jù)容積分類實驗室發(fā)酵罐：500L以下中試發(fā)酵罐：500-5000L生產(chǎn)規(guī)模發(fā)酵罐：5000L以上好氧發(fā)酵罐1、機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐攪拌的作用是增加拱氧量2、自吸式發(fā)酵罐機械攪拌自吸式發(fā)酵罐噴射自吸式發(fā)酵罐：文氏管自吸式發(fā)酵罐和溢流噴射自吸式發(fā)酵罐3、氣升式發(fā)酵罐厭氧發(fā)酵罐酒精發(fā)酵罐錐底立氏發(fā)酵罐生物反應(yīng)器工程前景1、開發(fā)活性高，選擇性好及壽命長的生物催化劑2、改進生物反應(yīng)器的傳質(zhì)、傳熱的方法3、生物反應(yīng)器向大型化和自動化方向發(fā)展4、特殊要求的新型生物反應(yīng)器的研制開發(fā)5、降低設(shè)備投資，對連續(xù)生物反應(yīng)器研究更加重視第三節(jié)發(fā)酵工程工藝一、微生物發(fā)酵過程的類型定義：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。根據(jù)微生物的種類（好氧、厭氧、兼性厭氧）分（1）好氧性發(fā)酵，如檸檬酸發(fā)酵，谷氨酸發(fā)酵。（2）厭氧性發(fā)酵，如乳酸發(fā)酵，丙酮、丁醇發(fā)酵。（3）兼性發(fā)酵，如酵母菌缺氧條件下發(fā)酵生產(chǎn)酒精，有氧條件下繁殖菌體。二、微生物發(fā)酵過程的類型根據(jù)培養(yǎng)基狀態(tài)分：固體發(fā)酵液體發(fā)酵根據(jù)發(fā)酵設(shè)備分敞口發(fā)酵、密閉發(fā)酵、淺盤發(fā)酵、深層發(fā)酵(液體深層發(fā)酵)三、發(fā)酵工業(yè)中的常用微生物細菌：如枯草芽孢桿菌、乳酸桿菌、醋酸桿菌等放線菌：如鏈霉菌屬、小單孢菌屬、諾卡氏菌屬酵母菌：如啤酒酵母、假絲酵母等霉菌：如根霉、曲霉、青霉、紅曲霉其他微生物：擔(dān)子菌、

藻類發(fā)酵工業(yè)中所用菌種必備的條件1、菌種細胞的生長活力強，接種后在發(fā)酵罐中迅速生長2、生理性狀穩(wěn)定3、菌體總量和濃度能滿足大容量發(fā)酵罐的要求4、無雜菌污染5、生產(chǎn)能力穩(wěn)定四、培養(yǎng)基

培養(yǎng)集的種類，依據(jù)其在生長中的用途，可將培養(yǎng)基分成：（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。

四、培養(yǎng)基發(fā)酵培養(yǎng)基的組成（1）碳源：碳架和能量來源糖類、酸、醇、油脂（2）氮源：微生物細胞和代謝產(chǎn)物的成分有機氮：蛋白胨、豆粉、魚粉等無機氮：氨水、硫酸銨、硝酸鹽等。（3）無機鹽和微量元素生理功能：構(gòu)成原生質(zhì)的成分；維持酶的活性；調(diào)節(jié)滲透壓和影響細胞的通透性；參與產(chǎn)物的合成

（4）生長因子：維持正常生長維生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶的衍生物、脂肪酸等（5）水：構(gòu)成菌體細胞的主要成分，營養(yǎng)物質(zhì)傳遞的介質(zhì)、參與代謝反應(yīng)深井水、自來水、地表水（6）產(chǎn)物形成的誘導(dǎo)物、前體和促進劑五、發(fā)酵的一般過程培養(yǎng)基原料培養(yǎng)基配制培養(yǎng)基滅菌儲備菌種搖瓶種子罐生產(chǎn)罐培養(yǎng)液細胞分離菌體上清液抽提精制包裝五、發(fā)酵的一般過程1.菌種制備：得到高產(chǎn)高質(zhì)量的菌株

分離、純化、選育2.種子擴大培養(yǎng)：

是指將保存的生產(chǎn)菌種逐級擴大培養(yǎng)而獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種的過程種子制備的方式：菌絲進罐培養(yǎng)；孢子進罐培養(yǎng)3.發(fā)酵：是微生物合成大量產(chǎn)物的過程。必須保證無菌必須定期檢測發(fā)酵罐內(nèi)部的代謝變化4.下游處理 發(fā)酵結(jié)束后，要對發(fā)酵液和生物細胞進行分離和提純精制，將發(fā)酵產(chǎn)物制成合乎要求的產(chǎn)品。第四節(jié)液體深層發(fā)酵一、發(fā)酵的操作方式二、發(fā)酵工藝控制三、發(fā)酵設(shè)備四、下游加工過程一、發(fā)酵的操作方式分批發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵補料分批發(fā)酵

分批發(fā)酵

定義：在一個封閉培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)具有初始限量基質(zhì)的一種發(fā)酵方式，每批發(fā)酵所需時間的總和為一個發(fā)酵周期。營養(yǎng)物和菌種一