生物技术概论 第五章 发酵工程

时间：根据不同发酵类型，每批发酵需要十几 个小时到几周时间。
工艺：全过程包括空罐灭菌、加入灭过菌的培 养基、接种、发酵过程、放罐和洗罐，所需 时间的总和为一个发酵周期。
典型的分批发酵工艺流程图
微生物分批培养的生长曲线
1.延滞期 2.加速生长期 3.指数生长期 4.减速期 5.稳定期 6.衰亡期
（2） 通风搅拌式发酵罐 在通风搅拌式发酵罐中，通风的目的不仅是 供给微生物所需要的氧，同时还利用通入发 酵罐的空气，代替搅拌器使发酵液均匀混合。
小型发酵罐
（3） 厌氧发酵设备
厌氧发酵也称静止培养, 因其不需供氧, 所 以设备和工艺都较好氧发酵简单。严格的厌 氧液体深层发酵的主要特色是排除发酵罐中 的氧。
酒精、丙酮、丁醇、乳酸和啤酒等都是采用 液体厌氧发酵工艺生产的。
啤酒发酵罐
4 、下游加工过程
从发酵液中分离、精制有关产品的过程称 为发酵生产的下游加工过程。
离心机 结 晶 罐
双效浓缩器
下游加工的工艺流程
发酵液
预处理
细胞破 碎
细胞碎片 分离
细胞分离
胞外产物
初步纯化 （提取）
高纯化 （精制）
（2）发酵培养基的组成
碳源
• 葡萄糖、果糖 • 蔗糖、麦芽糖 • 淀粉、纤维素等
氮源
• 有机氮源（黄豆饼粉、花生饼粉、蛋白胨、 酵母粉等）
• 无机氮源（氨水、硫酸铵、氯化铵、硝酸 盐等）
无机盐和微量元素
• 磷酸盐、硫酸盐、氯化钠、氯化钾 • 镁、铁、钴、锌、锰等
蓝藻
生长因子
• 维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶的衍生物以 及脂肪酸等。
• 敞口发酵 • 密闭发酵 • 浅盘发酵 • 深层发酵
液体深层发酵
1、发酵工业中的常用微生物
• 细菌 • 放线菌 • 酵母菌 • 霉菌 • 其他微生物
放线菌
2、 培养基
• 培养基是人们提供微生物生长繁殖和生 物合成各种代谢产物需要的多种营养物 质的混合物。
霉菌
酵母菌
细菌
（1） 培养基的种类
• 孢子培养基 • 种子培养基 • 发酵培养基
• （5）发酵工程最基本的原理是发酵工程的生 物学原理。
• （6）发酵工程有三个发展阶段。
•
现代意义上的发酵工程是一个由多学科交叉、
融合而形成的技术性和应用性较强的开放性的学
科。发酵工程经历了“农产手工加工——近代发
酵工程——现代发酵工程”三个发展阶段。
4、发酵工程的特点
➢ 发酵过程以生命体的自动调节方式进行，数十 个反应过程能够在发酵设备中一次完成。
酸味剂，生物碱，酶抑制剂，酶，溶媒，辅酶，表 面活性剂，转化甾醇和甾体，有机酸，乳化剂，色 素，抗氧化剂，石油等
离子载体，抗代谢剂，铁运载因子等
二、发酵工程的发展
发酵工程经历了“农产手工加工——近代 发酵工程——现代发酵工程”三个发展阶段。
发酵工程发源于家庭或作坊式的发酵制作 （农产手工加工），后来借鉴于化学工程实现 了工业化生产（近代发酵工程），最后返璞归 真以微生物生命活动为中心研究、设计和指导 工业发酵生产（现代发酵工程），跨入生物工 程的行列。
三、发酵技术的应用
➢医药工业 • 抗生素、维生素、激素 • 疫苗和菌苗等
➢食品工业
• 微生物蛋白、氨基酸、新糖源、饮 料、酒类
• 食品添加剂（柠檬酸、乳酸、天然 色素等）
➢能源工业
• 酒精 • 沼气 • 氢能
➢化学工业
• 可降解的生物塑料 • 化工原料（乙醇、丙酮、丁醇、癸二
酸等） • 生物表面活性剂及生物凝集剂
（2） pH值
• pH值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响有以下几个 方面：
• ①影响酶的活性，当pH值抑制菌体中某些酶的活性时， 会阻碍菌体的新陈代谢；
• ②影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜的通 透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢产物的排泄；
• ③影响培养基中某些组分和中间代谢产物的解离，从而 影响微生物对这些物质的利用；
发酵工程的生物学属性的认定，使发酵工程 的发展有了明确的方向，发酵工程进入了生物工 程的范畴。
现代发酵工程
发酵工程是指采用工程技术手段，利用生物（主 要是微生物）和有活性的离体酶的某些功能，为人类 生产有用的生物产品，或直接用微生物参与控制某些 工业生产过程的一种技术。人们熟知的利用酵母菌发酵
制造啤酒、果酒、工业酒精，乳酸菌发酵制造奶酪和酸牛奶， 利用真菌大规模生产青霉素等都是这方面的例子。
农产手工加工
原始的手工作坊式的发酵制作凭借祖先传下来 的技巧和经验生产发酵产品，体力劳动繁重，生产 规模受到限制，难以实现工业化的生产。于是，发 酵界的前人首先求教于化学和化学工程，向农业化 学和化学工程学习，对发酵生产工艺进行了规范， 用泵和管道等输送方式替代了肩挑手提的人力搬运， 以机器生产代替了手工操作，把作坊式的发酵生产 成功地推上了工业化生产的水平。
• ④pH值不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产 物的质量和比例发生改变。另外，pH值还会影响某些霉 菌的形态。
（3） 溶解氧浓度
• 对于好氧发酵，溶解氧浓度是最重要的参数之 一。好氧性微生物在进行深层培养时，需要适 量的溶解氧以维持其呼吸代谢和某些产物的合 成，氧的不足会造成代谢异常，产量降低。现 在可采用复膜氧电极来检测发酵液中的溶解氧 浓度。
➢好氧性发酵
概念：在发酵过程中需要不断地通入一定 量的无菌空气。
例证：利用黑曲霉进行的柠檬酸发酵； 利用棒状杆菌进行的谷氨酸发酵； 利用黄单孢菌进行的多糖发酵等。
➢厌氧性发酵
概念：在发酵时不需要供给空气。 例证：乳酸杆菌引起的乳酸发酵；
梭状芽孢杆菌引起的丙酮、丁醇发酵等。
• 固体发酵 • 液体发酵
➢ 反应通常在常温常压下进行，条件温和，能耗 少，设备较简单。
➢ 原料通常以糖蜜、淀粉等碳水化合物为主，可 以是农副产品、工业废水或可再生资源（如植 物秸秆、木屑等），微生物本身能有选择地摄 取所需物质。
➢ 容易生产复杂的高分子化合物，能高度选择地 在复杂化合物的特定部位进行氧化、还原、官 能团引入或去除等反应。
成品加 工
• 酵母膏、牛肉膏、蛋白胨和一些动植物组 织的浸液，是生长因子的丰富来源。
水
• 水是培养基的主要组成成分。它既是 构成菌体细胞的主要成分，又是一切 营养物质传递的介质，而且它还直接 参与许多代谢反应。
产物形成的诱导物、前体和促进剂
• 如合成青霉素G的 苯乙酸，合成红霉 素的丙酸等
3、发酵的一般过程
（2） 连续发酵
➢ 以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基， 同时以相同的速度流出培养液，从而使发 酵罐内的液量维持恒定，微生物在稳定状 态下生长。
（3） 补料分批发酵
➢ 又称半连续发酵，是介于分批发酵和连续 发酵之间的一种发酵技术，是指在微生物 分批发酵中，以某种方式向培养系统补加 一定物料的培养技术。
随着科学技术的进步，发酵技术也有了很大的发展，并 且已经进入能够人为控制和改造微生物，使这些微生物为人 类生产产品的现代发酵工程阶段。现代发酵工程作为现代生 物技术的一个重要组成部分，具有广阔的应用前景。
例如，用基因工程的方法有目的地改造原有的菌种并且 提高其产量；利用微生物发酵生产药品，如人的胰岛素、干 扰素和生长激素等。
发酵生产与化学和化学工程的结合促成了发酵 生产的第一次飞跃。
近代发酵工程
通过发酵工业化生产的几十年实践，人们逐 步认识到发酵工业过程是一个随着时间变化的 （时变的）、非线性的、多变量输入和输出的动 态的生物学过程，按照化学工程的模式来处理发 酵工业生产（特别是大规模生产）的问题，往往 难以收到预期的效果。从化学工程的角度来看， 发酵罐也就是生产原料发酵的反应器，发酵罐中 培养的微生物细胞只是一种催化剂，按化学工程 的正统思维，微生物当然难以发挥其生命特有的 生产潜力。于是，追溯到作坊式的发酵生产技术 的生物学内核（微生物），返璞归真而对发酵工 程的属性有了新的认识。
从广义上讲，发酵工程由三部分组成：是上游工 程，中游工程和下游工程。其中：
上游工程包括优良种株的选育，最适发酵条件 （pH、温度、溶氧和营养组成）的确定，营养物的准 备等。
中游工程主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大 量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。
下游工程指从发酵液中分离和纯化产品的技术： 包括固液分离技术（离心分离，过滤分离，沉淀分离 等工艺），细胞破壁技术（超声、高压剪切、渗透压、 表面活性剂和溶壁酶等），蛋白质纯化技术（沉淀法、 色谱分离法和超滤法等），最后还有产品的包装处理 技术（真空干燥和冰冻干事燥等）。
• （1）“发酵”有“微生物生理学严格定义的发 酵”和“工业发酵”，词条“发酵工程”中的“发 酵”应该是“工业发酵”。
• （2）工业生产上通过“工业发酵”来加工或制 作产品，其对应的加工或制作工艺被称为“发酵工 艺”。为实现工业化生产，就必须解决实现这些工 艺（发酵工艺）的工业生产环境、设备和过程控制 的工程学的问题，因此，就有了“发酵工程”。
2、 发酵工艺控制
（1） 温度
• 温度对发酵过程的影响是多方面的，它会影响各 种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成方向， 影响微生物的代谢调控机制。除这些直接影响外， 温度还对发酵液的理化性质产生影响，如发酵液 的黏度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速 率、某些基质的分解和吸收速率等，进而影响发 酵的动力学特性和产物的生物合成。
➢ 发酵过程中需要防止杂菌污染，大多情况下设 备需要进行严格的冲洗、灭菌，空气需要过滤 等。
5、发酵工程的种类
➢ 微生物菌体发酵 ➢ 微生物酶发酵 ➢ 微生物代谢产物发酵 ➢ 微生物的转化发酵 ➢ 生物工程细胞的发酵
6、微生物代谢产物
➢ 在菌体对数生长期所产生的产物，如氨基酸、 核苷酸、蛋白质、核酸、糖类等，是菌体生长 繁殖所必需的，这些产物叫做初级代谢产物。
3 、发酵设备
• 一个优良的发酵装置应 具有严密的结构，良好 的液体混和性能，较高 的传质、传热速率，同 时还应具有配套而又可 靠的检测及控制仪表。
发酵罐及其 控制系统
（1） 机械搅拌式发酵罐
机械搅拌式发酵罐是发酵工厂常用的类型之 一。它是利用机械搅拌器的作用，使空气和 发酵液充分混合，促进氧的溶解，以保证供 给微生物生长繁殖和代谢所需的溶解氧。
➢冶金工业 • 黄金开采和铜、铀等金属的浸提
➢农业
• 生物固氮 • 生物杀虫剂 • 微生物饲料
➢环境保护
• 使用生物肥料，生物杀虫剂 • 降解有毒物质 • 净化废水废气，处理石油污染
四、微生物发酵过程
• 微生物发酵过程即微生物反应过程， 是指由微生物在生长繁殖过程中所 引起的生化反应的过程。
第五章 发酵工程
一、发酵工程的概念
1、定义：发酵工程是指采用现代工程技术 手段，利用微生物的某些特定功能，为 人类生产有用的产品，或直接把微生物 应用于工业生产过程的一种新技术。
2、内容：发酵工程的内容包括 菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩
大培养和接种、发酵过程和产品的分离 提纯等方面。
3、理解：
菌体
储备菌种
摇瓶
种子罐
生产罐
培养液
细胞分离
培养基灭菌
培养基配制 培养基原料
无细胞上清液
产品抽提
产品精制
废水处理
产品包装
五、液体深层发酵
1 、发酵的操作方式
（1） 分批发酵 概念：营养物和菌种一次加入进行培养，
直到结束放罐，中间除了空气进入和尾 气排出，与外部没有物料交换。 种类：传统的生物产品发酵多用此过程。
➢ 在菌体生长静止期，某些菌体能合成一些具有 特定功能的产物，如抗生素、生物碱、细菌毒 素、植物生长因子等。这些产物与菌体生长繁 殖无明显关系，叫做次级代谢产物。
微生物代谢产物类型
产业 医药 食品
农业 轻工
其他
微生物代谢产物
抗生素，药理活性物质，维生素，抗肿瘤剂、基因 工程药物、疫苗等
氨基酸，鲜味增强剂，脂肪酸，蛋白质，糖与多糖 类，发酵剂，脂类，核酸，核苷酸，核苷、维生素、 饮料等 动物生长促进剂，除草剂，植物生长促进剂，灭害 剂，驱虫剂，杀虫剂等
• （3）发酵工程是用来解决按发酵工艺进行工业 化生产的工程学问题的学科。发酵工程从工程学的 角度把实现发酵工艺的发酵工业过程分为菌种、发 酵和提炼（包括废水处理）等三个阶段，这三个阶 段都有各自的工程学问题，一般分别把它们称为发 酵工程的上游、中游和下游工程。
•
• （4）微生物是发酵工程的灵魂。近年来，对 于发酵工程的生物学属性的认识愈益明朗化，发 酵工程正在走近科学。