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(xì)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(wú)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(guò)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(yíng)養(yǎng)組成、pH、溫度）的確定，營(yíng)養(yǎng)物的準(zhǔn)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(jìn)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(diǎn)投資少見(jiàn)效快污染小外源目的基因易高效表達(dá)發(fā)酵工程的歷史發(fā)展19世紀(jì)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(jì)50年代：代謝控制發(fā)酵(氨基酸、核酸等)20世紀(jì)70年代：固定化酶連續(xù)發(fā)酵20世紀(jì)80年代：現(xiàn)代發(fā)酵工程技術(shù)(與基因操作、細(xì)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(xì)胞蛋白、藥用真菌、殺蟲(chóng)劑等)2、微生物酶發(fā)酵(淀粉酶、糖化酶、氨基?；?、青霉素?；傅?；3、微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵(初級(jí)代謝產(chǎn)物、次級(jí)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)變成更有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的產(chǎn)物（抗生素轉(zhuǎn)化）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)胞進(jìn)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(jí)代謝產(chǎn)物和次級(jí)代謝產(chǎn)物在菌體對(duì)數(shù)生長(zhǎng)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(zhǎng)繁殖所必需的，這些產(chǎn)物叫做初級(jí)代謝產(chǎn)物。在菌體生長(zhǎng)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(zhǎng)因子等，這些產(chǎn)物與菌體的生長(zhǎng)繁殖無(wú)明顯關(guān)系，叫做次級(jí)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(chóng)劑、微生物飼料；6.冶金工業(yè)和環(huán)境保護(hù)。

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(xì)胞工程、酶工程和發(fā)酵工程)的核心，無(wú)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(jìn)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(dòng)植物細(xì)胞（或組織）作為生物催化劑的生物反應(yīng)過(guò)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(guò)程分為：發(fā)酵過(guò)程、細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程和酶反應(yīng)過(guò)程等，與生物反應(yīng)過(guò)程相應(yīng)的反應(yīng)器的為發(fā)酵罐、動(dòng)植物細(xì)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(guò)程中，具有中心紐帶作用，是實(shí)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(jì)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(diǎn)1、為細(xì)胞代謝提供一個(gè)適宜的物理及化學(xué)環(huán)境，使細(xì)胞能更快更好的生長(zhǎng)2、具有嚴(yán)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(cè)和控制儀表發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)要求1、節(jié)能2、操作與控制方便3、無(wú)菌條件好4、盡量減少法蘭連接5、結(jié)構(gòu)堅(jiān)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(duì)法蘭的中間，然后用螺栓拉緊使其接合起來(lái)，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(diǎn)是拆卸方便、強(qiáng)度高、密封性能好。安裝法蘭時(shí)要求兩個(gè)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(zhǎng)代謝需要來(lái)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(guò)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(guò)程不需要氧氣二、根據(jù)發(fā)酵罐的質(zhì)量傳遞特點(diǎn)進(jìn)行分類機(jī)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(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐和機(jī)械攪拌自吸式發(fā)酵罐非機(jī)械攪拌發(fā)酵罐---依靠通入的空氣或液體產(chǎn)生動(dòng)力，帶動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(jī)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(jī)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(kāi)發(fā)活性高，選擇性好及壽命長(zhǎng)的生物催化劑2、改進(jìn)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(dòng)化方向發(fā)展4、特殊要求的新型生物反應(yīng)器的研制開(kāi)發(fā)5、降低設(shè)備投資，對(duì)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(guò)程的類型定義：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。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(guò)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(xì)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(xì)胞的生長(zhǎng)活力強(qiáng)，接種后在發(fā)酵罐中迅速生長(zhǎng)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(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)繁殖用的。（3）發(fā)酵培養(yǎng)基，是供菌體生長(zhǎng)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(lái)源糖類、酸、醇、油脂（2）氮源：微生物細(xì)胞和代謝產(chǎn)物的成分有機(jī)氮：蛋白胨、豆粉、魚(yú)粉等無(wú)機(jī)氮：氨水、硫酸銨、硝酸鹽等。（3）無(wú)機(jī)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(xì)胞的通透性；參與產(chǎn)物的合成

（4）生長(zhǎng)因子：維持正常生長(zhǎng)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(xì)胞的主要成分，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)傳遞的介質(zhì)、參與代謝反應(yīng)深井水、自來(lái)水、地表水（6）產(chǎn)物形成的誘導(dǎo)物、前體和促進(jìn)劑五、發(fā)酵的一般過(guò)程培養(yǎng)基原料培養(yǎng)基配制培養(yǎng)基滅菌儲(chǔ)備菌種搖瓶種子罐生產(chǎn)罐培養(yǎng)液細(xì)胞分離菌體上清液抽提精制包裝五、發(fā)酵的一般過(guò)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(kuò)大培養(yǎng)：

是指將保存的生產(chǎn)菌種逐級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng)而獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種的過(guò)程種子制備的方式：菌絲進(jìn)罐培養(yǎng)；孢子進(jìn)罐培養(yǎng)3.發(fā)酵：是微生物合成大量產(chǎn)物的過(guò)程。必須保證無(wú)菌必須定期檢測(cè)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(duì)發(fā)酵液和生物細(xì)胞進(jìn)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(guò)程一、發(fā)酵的操作方式分批發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵補(bǔ)料分批發(fā)酵

分批發(fā)酵

定義：在一個(gè)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(shí)間的總和為一個(gè)發(fā)酵周期。營(yíng)養(yǎng)物和菌種一