第6章 发酵工业放大

2012-12-20
本节课思考题
1．什么是种子的扩大培养？种子扩大培养的任务是什么？ 2．简述种子扩大培养的目的和意义。 3．发酵工业对种子的要求有哪些？ 4．在菌种的扩大培养中，应注意哪些事项？ 5．简述种子制备的方式及其过程。 6．影响种子质量的因素有哪些？如何控制种子质量？
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本节课小结
种子扩大培养的概念 菌种扩大培养的任务 种子制备的过程
实验室种子培养
生产车间种子培养
影响种子质量的影响 种子异常表现 种子质量标准
发酵工业种子培养方法
种子质量的控制
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种子质量的控制措施
下节课讲授内容
本节课学习了发酵工业种子的制备及
种子质量的控制，下节课将讲授发酵工
业设备的逐级放大，掌握发酵工业放大 的原则及方法。
采用二级种子扩大培养。
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第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.3 种子制备的过程(P118)
砂土管孢子 冷冻干燥孢子 摇瓶液体培养 斜面培养 茄子瓶斜面培养 固体培养基培养 实验室种子培养阶段 生产车间种子制备阶段 发酵罐
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一级种子罐培养
（四级种子罐培养）
（三级种子罐培养）
继续学习的参考书及网站
1 李玉英. 发酵工程 [M]. 北京: 中国农业大学出版社, 2009. 2 李艳. 发酵工程原理及技术 [M]. 北京: 科学出版社, 2008. 3 罗大珍,林稚兰. 现代微生物发酵及技术教程 [M]. 北京: 北京大学出版 社,2006. 4 刘振宇. 发酵工程技术与实践 [M]. 上海: 华东理工大学出版社, 2007. 5 陈洪章. 生物过程工程与设备 [M]. 北京: 化学工业出版社，2003. 6 http://jw.jiangnan.edu.cn/jpkc/fjgcylyjs/kcms_ll.asp 7 http://jpkc.ecust.edu.cn/24/ 8 http://gshow.gsau.edu.cn/good/fjgch/shbb.htm
第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.3 种子制备的过程 二、生产车间种子制备 1）种子罐的作用 便孢子发芽，生长繁殖成菌丝体，接入发酵罐能 迅速生长，达到一定菌体量，以利于产物的合成。 2）种子罐级数的确定
种子罐级数是指制备种子需逐级扩大培养的次数，主 要取决于两方面：① 菌种生长特性、孢子发芽及菌体 2012-12-20 繁殖速度；② 所采用发酵罐的容积。
课程导入
发酵工程的工艺流程
培养基配制
种子扩大培养
培养基灭菌
空气除菌 发酵设备
发酵生产
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产品
下游处理
废弃物资 源化、无 害化
课程导入
5 L小试
5 L-50 L二级发酵装置 摇瓶-小试-中试
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发酵工程实验室
天冠集团
生物能源：燃料乙醇、生物柴油、沼 气
■
生物化工：酒精、冰醋酸、 醋酸酯、 总溶剂、黄原胶、栲胶
二级种子罐培养
种子扩大培养的工艺流程
第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.3 种子制备的过程
一、实验室种子的制备 1）孢子的制备 细胞孢子的制备：细胞的斜面培养基多采用碳源限量而氮源丰 富的配方，培养温度一般为37℃，时间为1-2 d，产芽胞的则需 5-10 d。 霉菌孢子的制备：一般以大米、小米、玉米、麸皮、麦粒等天 然产品为培养基，培养温度一般为25-28℃，时间为4-14 d。 放线菌孢子的制备：一般采用琼脂斜面培养基，培养基中含有 一些适合产孢子的营养成分，培养温度一般为28℃，时间为52012-12-20 14 d。
发 酵 工 程
第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章 第十一章
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第十二章 展望
第六章 发酵工业放大
第一节 工业微生物种子的扩大培养 第一节 工业微生物种子的扩大培养 第二节 发酵工业设备的逐级放大 第二节 发酵工业设备的逐级放大
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第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.3 种子制备的过程 二、生产车间种子制备 2）种子罐级数的确定
细菌生长快，种子用量比例少，级数也较少，如谷氨酸等氨基 酸类产品以及部分酶制剂类产品可用 2 级发酵，即：茄子瓶 → 种 子罐 → 发酵罐。 霉菌生长较慢，如青霉菌，可用 3 级发酵，即：孢子悬浮液 → 1 级种子罐（ 27 ℃ ，40 h 孢子发芽，产生菌丝 ）→ 2 级种 子罐（ 27 ℃ ，10 ～ 24 h ，菌体迅速繁殖，粗壮菌丝体 ）→ 发 酵罐。 放线菌的细胞生长繁殖缓慢，如抗生素类产品，一般采用 3 级 或 4 级种子扩大培养。 酵母生长比细菌慢，比霉菌和放线菌快，通常用 3 级种子。如 2012-12-20 啤酒酵母的扩大培养 ，扩大倍数一般第 1 级到第 2 级为 8 ~ 10 倍，第 2 级到第 3 级为 4 ~ 6 倍。
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第一节 工业微生物种子的扩 大培养
1.4 发酵工业种子培养方法
1）种子扩大培养的方法：表面培养法、固体培养法（曲法
培养）、液体深层培养法、载体培养法。
2）深层培养法的基本操作控制点：灭菌、温度控制、通气 与搅拌。 3）常用的液体深层培养法：放大法、两步法、控制培养法、 分批培养法（间歇发酵法）、连续培养法（连续发酵法）、
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第六章 发酵工业放大
第一节 工业微生物种子的扩大培养 第二节 发酵工业设备的逐级放大
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第六章 发酵工业放大 第二节 发酵工业设备的逐级放大
1 发酵的逐级放大的概念
该纯种培养物称为种子。
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第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.1 种子扩大培养的概念
发酵工业生产过程中的种子必须满足的条件
1) 菌体的纯种培养物总量适宜，以保证在发酵罐中有适当的
接种量； 2）微生物菌种的生命力旺盛，移接到发酵罐中后能够迅速 生长，利于缩短延滞期，提高设备的利用率； 3）菌种能保持稳定的生产性能，生理状态稳定；
10 mL麦芽汁的500-1000 mL三角瓶
25℃，2-3 d
250-500 mL麦芽汁的500-1000 mL三角瓶
25℃，2 d，定时摇动或通气
5-10 L麦芽汁的卡式罐
15-20℃，3-5 d
100 L麦芽汁的发酵罐
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补料分批培养法（流加法）。
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第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.5 种子质量的控制
1）种子质量的判定
（1）pH；
（2）培养基灭菌后糖、氨基酸、磷等的含量；
（3）显微镜下观察菌丝形态、菌丝浓度和培养液
的外观色泽和颗粒等；
（4）其他参数，主要酶活力、产品含量等。
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第一节 工业微生物种子的扩大培养
4）无杂菌和噬菌体的污染。
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第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.2 菌种扩大培养的任务
其任务：要为每只发酵罐的投料提供相当数量的代谢
旺盛的种子。
对于不同产品的发酵过程来说，必须根据菌种生长繁
殖速度快慢决定种子扩大培养的级数。抗生素类产品的生
产采用放线菌，一般采用三级或四级种子扩大培养；谷氨 酸等氨基酸产品，以及部分酶制剂类产品生产，采用细菌，
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第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.5 种子质量的控制 4）种子质量的控制措施 （1）菌种稳定性的检查 方法：将保藏菌株溶于无菌的生埋盐水中，逐级稀释，然后在培
养皿琼脂固体培养基上划线培养，长出菌落，选择形态优良的菌落 接入三角瓶进行液体摇瓶培养，检测出生产率高的菌种备用。这一 分离方法适用于所有的保藏菌种，并且一年左右必须做一次。 （2）无杂菌检查 在种子制备过程中，每移种一次都需要进行杂菌检查。方法：显 微镜观察，或平板培养试验，即将种子液涂在平板培养皿上划线培 养，观察有无异常菌落，定时检查，防止漏检。此外，也可对种子 液的生化特性进行分析，如取样测其营养消耗速度、pH 变化、溶 2012-12-20 氧利用情况、色泽、气味是否异常等。
■ ■
酿
酒：白酒、啤酒
■
工业气体：二氧化碳
其 等。
■
它 ：电力、谷朊粉、DDGS饲料
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本节课的重点和难点
本节课的重点 1、 种子制备过程 2、种子质量的控制措施
本节课的难点 影响种子质量的因素
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第六章 发酵工业放大
第一节 工业微生物种子的扩大培养
1 种子扩大培养的概念 2 菌种扩大培养的任务 3 种子制备的过程 4 发酵工业种子培养方法 5 种子质量的控制
2 发酵开发设计的三个步骤 3 发酵工业放大的原则 4 发酵罐的放大方法
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第二节 发酵工业设备的逐级放大
2.1 发酵的逐级放大的概念
由实验室小型设备到试验工厂小规模设备的试 验发酵，再转为大规模设备的工业发酵生产，此过 程称为发酵的逐级放大。 通俗地将逐级放大称为小试（？ 小型试验 ）、 中试（ ？中间试验 ）和大试（ ？大规模工业性试
第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.3 种子制备的过程
一、实验室种子的制备 2）液体种子的制备 好氧培养：对于产孢子能力不强或孢子发芽慢的菌种
试管
三角烧瓶
摇床
种子罐。
厌氧培养：对于酵母菌 (啤酒、葡萄酒、清酒等）
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试管
三角烧瓶
卡式罐
种子罐。
例：啤酒酵母(P120)
4℃保存于麦芽琼脂或MYPG培养基菌种
第一节 工业微生物种子的扩 大培养
二、生产车间种子制备
3）确定种子罐级数需注意的问题
A：种子级数越少越好，可简化工艺和控制，减少染菌机会。 B：种子级数太少，接种量小，发酵时间延长，降低发酵罐的 生产率，增加染菌的机会。
C：虽然种子罐级数随产物的品种及生产规模而定，但也与所 选出用工艺条件有关。如改变种子罐的培养条件，加速了孢 子发芽及菌体的繁殖，也可相应地减少种子罐的级数。
第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.5 种子质量的控制
5）种子质量标准（P124）
（1）细胞或菌体（菌丝形态、菌丝浓度和培养液外观） 单细胞：菌体健壮、菌形一致、均匀整齐，有的还要求有一定的排列或形态。
霉菌、放线菌：菌丝粗壮、对某些染料着色力强、生长旺盛、菌丝分枝情况 和内含物情况好。
（2）生化指标：种子液的糖、氮、磷的含量和pH变化 （3）产物生成量：在抗生素发酵中，产物生成量是考察种子质量的重要指 标，因为种子液中产物生成量的多少间接反映种子的生产能力和成熟程度。 （4）酶活力：种子液中某种酶的活力，与目的产物的产量有一定关系。 2012-12-20
1.5 种子质量的控制 2）影响种子质量的因素 (P121)
（1）培养基 （2）培养温度和湿度 （3）培养时间(种龄) （4）接种量
20ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2-12-20
（5）通气和搅拌
（6）泡沫
（7）染菌的控制
（8）种子罐级数
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酶活力/（U/mL）
1000
800
种龄与碱性蛋白酶 活力之间的关系
600
400
酶活力/（U/mL）
8
12
16
20
1400
种龄/h
1200
1000
接种量对碱性蛋 白酶产生的影响
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800 1 3 6 7 9
接种量/%
第一节 工业微生物种子的扩大培养
2.5 种子质量的控制 3）种子异常的分析 （1）菌种生长发育缓慢或过快 （2）菌丝结团 （3）菌丝粘壁
发酵工程
南阳师范学院 生命科学与技术学院
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第一章 第二章
发酵工程总论 发酵设备
第三章
第四章
发酵工业原料及其处理
发酵工业灭菌 发酵菌种的制备 发酵工业放大 氧的供需与传递 发酵机制及发酵动力学 发酵过程工艺控制 发酵染菌及防治 发酵工业废物、废水处理和资源化技术
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第一节 工业微生物种子的扩大培养
1.1 种子扩大培养的概念
指保存在砂土管、冷冻干燥管中处于休眠状
态的生产菌种接入固体试管斜面活化后，再经过
摇瓶或静置培养，以及种子罐逐级扩大培养而获
得发酵产量高、生产性能稳定、数量充足、不被
杂菌和噬菌体污染的生产菌种的纯种制备过程。