《食品生物技术概论》3发酵工程

三、 发酵工程的内容
菌种的选育 发酵条件的优化与控制 反应器的设计 产物的分离、提取与精制
四、 发酵类型
➢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
微生物菌体发酵
• 以获得某种用途的菌体为目的的发酵。 • 酵母，药用真菌，微生物杀虫剂等
微生物酶发酵
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
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
（2）自吸式发酵罐
构造： 带中央吸气口的搅拌器,由罐底向上伸入的主 轴带动
优点： 提高氧的溶解速率、总的动力消耗减少
缺点： 进罐处负压，增加染菌机会，切断菌丝，影 响菌的正常生长
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。 常用的有循环式通风发酵 罐和高位塔式发酵罐
营养成分丰富完整，氮源和维生素的含量略高
（3）发酵培养基：提供菌体生长和合成代谢产物
组成丰富完整，营养成份浓度和粘度适中
2.培养基的基本成分
（1）碳源：
是构成菌体和产物的碳架及能量来源。
主要利用的碳源：
单糖（葡萄糖、果糖）、双糖（蔗糖、麦芽 糖）、多糖（淀粉、纤维素）等。
（2）氮源
构成菌体细胞物质和含氮代谢物 有机氮源和无机氮源
从发酵液到产品一般要经历几个步骤： 1、发酵液预处理和固液分离 2、提取 3、精制 4、成品加工
1.发酵液预处理和固液分离
• 发酵液的预处理和固液分离是下游加工的第 一步操作。
• 预处理的目的是改善发酵液性 质,以利于固液 分离,常用酸化、加热、加絮凝剂等方法。
• 固液分离则常用到过滤、离心等 方法。如果欲 提取的产物存在于细胞内,还需先对细胞进行破 碎。细胞破碎方法有机械法、 生物法和化学法
• 微生物产酶种类多、品种多、生产容易和成本低 等优点。
• 主要用于食品工业和轻工业。
微生物代谢产物发酵
• 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。
• 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。
➢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
➢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
3.补料分批发酵
补料分批发酵：又称为半连续发酵，是介于分 批发酵和连续发酵之间的一种发酵技术，是指 在微生物的分批发酵中，以某种方式向培养系 统补加一定物料的培养技术。
两种类型 单一补料分批发酵
反复补料分批发酵
补料分批发酵的优点
① 可以解除底物的抑制、产物的反馈抑制和 分解代谢物阻遏作用。 ② 可以减少菌体生长量，提高有用产物的转 化率； ③ 菌种的变异及杂菌污染问题易控制； ④ 便于自动化控制
pH的变化又是微生物代谢状况的综合反映 ——基质代谢、产物合成、细胞状态、营养 状况、供氧状况
每种微生物的正常生长需要有一定的PH值， 不同的微生物对PH值的要求也是不同的。
对于同一种微生物，由于PH值的不同，形 成的发酵产物也会不同。
青霉素：菌体生长最适pH3.5~6.0, 产物合成最适pH7.2~7.4
• 菌类养殖、泡菜等
传统酿酒工艺
思考题
1. 发酵工程技术可应用在哪些方面? 2. 简述发酵的一般过程。 3. 简述发酵下游加工过程的一般流程。
小型发酵罐
优点：
不用搅拌装置，结 构简单，便于清洗
节约能源，降低了 能耗
减少了污染源
剪切力小，分布更 均匀
3.厌氧发酵设备
发酵液尽量装满 有时还需充入非氧气体 排气口安装水封装置 培养基应预先还原 使用大剂量接种
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。
四、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。
4. 成品加工
在完成分离纯化之后，还要根据产品的要 求，进行浓缩、无菌过滤和去热源，干燥， 加稳定剂等。
干燥一般采用喷雾干燥、气流干燥、冷冻 干燥等，冷冻干燥效果最好。
第四节 固体发酵
• 固体发酵:某些微生物的生长需水很少， 可以利用疏松而含有必需营养物的固体 培养基进行发酵生产.
• 传统的酿酒工艺、制酱工艺
pH的控制方式
基础培养基调节pH 发酵液里可以加入维持PH的物质 补料液来调节PH 当补料与调pH发生矛盾时，加酸碱调pH
3.溶解氧浓度
最适氧浓度
临界氧浓度
发酵前期给氧水平要有利于菌体生长，中 后期要利于产物的形成。
供氧方面 无菌通气设备
调节措施
控制补料速率 调节温度 液化培养基
中间补水 添加表面活性剂
第二节 微生物发酵
一、 优良菌种的选育
选种
育种
菌种复壮
菌种保藏
一、发酵类型
• 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。
二、培养基
1.分 类
（1）孢子培养基:制备孢子
麸皮培养基 、大（小）米培养基、琼脂斜面培养基
（2）种子培养基:供孢子发芽和菌体生长繁殖
(4)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。
(5)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。
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）
三、发酵设备
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。
优点： （1）操作灵活 （2）容易购买 （3 ）气体运输效率高 （4）适用于各种微生物发酵
（1） 通 用 式 发 酵 罐
二、发酵工艺控制
发酵的参数 直物接理参参数数
直接化采学用参特数定的传感器检测到的数据 生物参数 间接参数 无法得到直接的数据
1.温度
影响多方面 整个发酵过程中对温度的需求也不一致 生产上一般很少加温
——发酵是放热过程
冷却——夹套和蛇形管冷却
2. PH值
pH与微生物的生命活动密切相关—— 酶催 化活性
• 这些纯种培养物称为种子。
3.发酵
• 无菌条件下对微生物进行纯种培养。 • 发酵过程全程无菌 • 合成大量产物，是发酵工程的中心环节。
4.下游处理
• 对产物进行分离和提取精制形成产品的过程
第三节 液体深层发酵
一、 深层发酵的操作方式
1.分批发酵
营养物和菌种一次加入进行培养，直到结束放 出，中间除了空气进入和尾气排出，与外部没有物 料交换。 传统的生物产品发酵多用此过程。 ➢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。 特点：生产力不高
（3）无机盐和微量元素
主要生理功能： 构成菌体原生质的成分； 作为酶的组成部分，维持酶的活性； 调节并维持细胞的渗透压平衡； 调节细胞膜的通透性、维持细胞结构的稳定性 参与细胞的生物合成
微量元素必须控制在正常范围
（4）生长因子
三大类：维生素类、氨基酸、嘌呤与嘧啶 酵母膏、牛肉膏、蛋白胨、动植物组织的浸液（心 脏、肝、番茄、蔬菜的浸液 )
离子载体，抗代谢剂，铁运载因子等
微生物的转化发酵
• 利用微生物细胞的一种或多种酶，把一种化合物 转变成结构相关的更有经济价值的产物。
• 乙醇转化成乙酸 • 抗生素的生物转化
生物工程细胞的发酵
• 利用生物工程技术所获得的细胞，如DNA重组的 工程菌进行的新型发酵。
• 工程菌——胰岛素、干扰素等， • 杂交瘤细胞——单克隆抗体
生长促进剂
三、发酵的一般过程
1. 菌种制备
• （1）为发酵工业提供高产菌种 • （2）改善发酵工艺 • （3）提高产品质量 • （4）增加经济效益
2.种子扩大培养
• 将保存在砂土管、冷冻干燥管或冰箱中处于休眠状 态的生产菌接入试管斜面培养基上活化，再经过茄 子瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养，获得一定数量 和质量的纯种，这个全过程称为种子扩大培养。
2. 提取
通过低速离心或者微过滤法除去细胞碎 片，或者有机溶剂沉淀蛋白。利用过滤、萃 取等对蛋白产物进行初步纯化的过程。
主要方法：吸附法、离子交换法、沉淀法、 萃取法、超滤法
3. 精制
用途决定纯度。有时候，蛋白粗提取物就 可以作为产品，有些则对产品要求较高。如 药用等。必须要进行提纯精制。
根据分配机制的不同，分为凝胶色谱、离 子交换色谱、聚焦色谱、疏水色谱、亲和色 谱等几种类型。
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. 连续发酵
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，微生物仍在稳定 状态下生长。
连续发酵可分为单罐连续发酵和多罐串联连续 发酵等方式。
五、 发酵技术的特点及应用
(1)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。
(2)反应通常在常温常压下进行，条件温和，能耗少，设 备较简单。
(3)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。
优点 ① 可以提高设备的利用率和单位时间产量， 只保持一个时期的稳定状态，产量高； ② 发酵中各参数趋于恒值，便于自动控制； ③ 易于分期控制。可以在不同的罐中控制 不同的条件。
缺点 ① 对设备的合理性和加料设备的精确性要求 甚高； ② 营养成分的利用较分批发酵差，产物浓度 比分批发酵低； ③ 杂菌污染的机会较多； ④ 菌种易因变异而发生退化。
食品生物技术概论
第三章 发酵工程
第一节 发酵工程概述
一、 发酵工程的概念
发酵工程是一门将微生物学、生物化学和化 学工程学的基本原理有机地结合起来，利用微 生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的 工程技术。
它以培养微生物为主，所以又称微生物工程。
二、 发酵技术的发展历程
1.自然发酵阶段 2.纯培养发酵阶段 3.深层通风发酵阶段 4.代谢控制发酵阶段 5.全面发展阶段 6.基因工程阶段