发酵工程 ppt课件

4.3.3.3 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
4.3.4 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（Down stream processing）。
发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环 境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵 参数。它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。 因此，必须掌握发酵过程中pH的变化规律，及时 监测并加以控制，使它处于最佳的状态。尽管多数 微生物能在3~4个pH单位的pH范围内生长，但是 在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最佳产物形 成，必须使pH在很窄的范围内保持恒定。
最适pH的选择
原则：有利于菌体生长和产物的合成。一般根
据实验结果确定。
最适pH与菌株，培养基组成，发酵工艺有关。 应按发酵过程的不同阶段分别控制不同的pH范 围。
pH的控制
调节基础培养基的配方 -调节碳氮比（C/N）
氮源过多，会使菌体生长过于旺盛，pH偏高，不利于代谢 产物的积累，氮源不足，则菌体繁殖量少，从而影响产量。
CO2对发酵也有影响。 对发酵促进。如牛链球菌发酵生产多糖，最
重要的发酵条件是提供的空气中要含5%的CO2。
对发酵抑制。如对肌苷、异亮氨酸、组氨酸、 抗生素等发酵的抑制。 影响发酵液的酸碱平衡。
在发酵过程中通常通过调节通风和搅拌来控制。
4.3.2.5 发酵过程中的泡沫及其控制 泡沫是气体被分散在少量液体中的胶体体系。 泡沫间被一层液膜隔开而彼此不相连通。发酵过程 中所遇到的泡沫，其分散相是无菌空气和代谢气体， 连续相是发酵液。
DNA 重组的“工程菌”理论上可以生产出多种代 谢产物。
4.1.2 发酵技术的特点
发酵过程以生命体的自动调节的方式进行，数十
个反应可以在发酵设备中一次完成。
反应通常在常温常压下进行，条件温和，能耗少。 发酵原料通常以糖蜜、淀粉等碳水化合物为主，
可以是农副产品、工业废水。
能够生产复杂的高分子化合物。 发酵过程需要防止杂菌污染。
培养基灭菌
无细胞上清液
培养基配制
产品抽提
培养基原料
产品精制
废水处理
产品包装
4.3 液体深层发酵 4.3.1 发酵的操作方式

分批发酵 连续发酵 补料分批发酵
4.3 液体深层发酵
4.3.1 发酵的操作方式
4.3.1.1 分批发酵

பைடு நூலகம்

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。 传统的生物产品发酵多用此过程。
泡沫的类型 一类存在于发酵液的液面上。 另一种泡沫是出现在粘稠的菌丝发酵 液当中。
泡沫对发酵的不利影响
降低发酵设备的利用率
增加了菌群的非均一性
增加了染菌的机会
导致产物的损失
消泡剂会给后提取工序带来困难
发酵过程泡沫控制的方法 • 物理消沫法
-罐内消沫法
-罐外消沫法
• 化学消沫法：消泡剂
4.1 主要发酵类型
微生物菌体发酵
以获得具有某种用途的菌体为目的。 例如：①酵母的生产。
②生物防治。 鳞翅目、双翅目害虫 苏云金杆菌、蜡样芽胞杆菌、 侧孢芽孢杆菌 松毛虫——白僵菌、绿僵菌
问题草莓
据中国之声《新闻纵横》报道，日前一则关于草莓的报道让不 少消费者感到担心 —— 报道说，记者随机在北京新发地农产品 批发市场、美廉美超市、昌平采摘园以及路边的草莓摊购买了 8 份草莓样品，送到北京农学院检测，结果都检出了乙草胺成分， 它被列为 b － 2 类致癌物。但对于这个结果，很多业内人士都觉 得不可思议，理论上，乙草胺不应该出现在草莓里。
补料分批发酵的优缺点

优点

能维持基质浓度 可以提高设备利用率和单位时间的产量 便于自动控制 菌种发生变异的可能性较大 要求严格的无菌条件

缺点


4.3.2 发酵工艺控制
4.3.2.1 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。
• 气升式发酵罐 机械搅拌发酵罐其通风原 理是罐内通风，靠机械搅 拌作用使气泡分割细碎， 与培养基充分混合，密切 接触，以提高氧的吸收系 数；设备构造比较复杂， 动能消耗较太。采用气升 式发酵罐可以克服上述的 缺点。
• 自吸式发酵罐是一种不需要 空气压缩机，而在搅拌过程 中自动吸入空气的发酵罐。 这种设备的耗电量小，能保 证发酵所需的空气，并能使 气液分离细小，均匀地接触 ，吸入空气中70~80%的氧 被利用。采用了不同型式、 容积的自吸式发酵罐生产葡 萄糖酸钙、力复霉素、维生 素C、酵母、蛋白酶等，都 取得了良好的成绩。
乳酸杆菌、醋酸杆菌、棒状杆菌
②放线菌
微生物中发现的抗生素60%以上来自放线菌
链霉素、金霉素、红霉素、庆大霉素主要来自以下 几个属：链霉属、小单胞菌属、诺卡氏菌属
③酵母菌 单细胞真核生物
酿酒酵母、假丝酵母和类酵母 ④霉菌 ⑤其他微生物 A.担子菌 B.藻类
4.2.2 培养基
（1）孢子培养基 形成大量优质孢子
4.3.3.2 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
通风发酵罐的类型
• 机械通风搅拌发酵罐 • 气升式发酵罐 • 自吸式发酵罐
• 伍式发酵罐
• 文氏管发酵罐
• 机械搅拌发酵罐是发酵工厂常用类型之一。 它是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵 液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，以保 证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。

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
4.3.1.2 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，微生物在稳定状态（恒定的基 质浓度、恒定的产物浓度、恒定的pH、恒定的 菌体浓度、恒定的比生长速率）下生长。
碳源过多，则容易形成较低的pH，若碳源不足，易引起菌
体衰老和自溶。
-添加缓冲剂 补料控制 –直接加酸加碱
–补加碳源（降低pH）或氮源（升高pH）
4.3.2.3 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。
分批发酵的优缺点


优点 操作简单 操作引起染菌的概率低 不会产生菌种老化和变异问题 缺点 非生产时间较长、设备利用率低
根据不同发酵类型，每批发酵需要十 几个小时到几周时间。 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。
连续发酵的优缺点

优点

能维持基质浓度 可以提高设备利用率和单位时间的产量 便于自动控制 菌种发生变异的可能性较大 要求严格的无菌条件

缺点


4.3.1.3 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。
最适温度是一种相对概念，是指在该温度 下最适于菌的生长或发酵产物的生成。 最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养 条件和菌体生长阶段有关。 最适发酵温度的选择
在发酵的整个周期内仅选一个最适培养温 度 不一定好。 温度的选择要参考其它发酵条件。 温度的选择还应考虑培养基成分和浓度
4.3.2.2 pH值
利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来 制备微生物菌体或其代谢产物的过程。
路易斯· 巴斯德（Louis Pasteur)
近代微生物奠基人 巴氏消毒法
每一种发酵作用都是由于一种微菌的发展。 每一种传染病都是一种微菌在生物体内的发展。
传染病的微菌，在特殊的培养之下可以减轻毒
力，病菌可以被改造成防病的疫苗。
进作用，也有可能有抑制作用。
4.3.2.4 CO2 对发酵的影响
CO2对菌体具有抑制作用，当排气中CO2的浓度 高于4%时，微生物的糖代谢和呼吸速率下降。 例如，发酵液中CO2的浓度达到1.6×10-1mol，就 会严重抑制酵母的生长；当进气口CO2的含量占混 合气体的80%时，酵母活力与对照相比降低20%。
4.2 发酵过程
依据微生物种类不同
好氧性发酵、厌氧性发酵
酵母 胞
厌氧时→积累酒精；有氧→大量繁殖菌体细
依据培养基状态不同：固体培养、液体培养 按发酵设备来分：敞口、密闭、浅盘、深层
敞口发酵设备简单，有利于好氧菌迅速繁殖
4.2.1 常用微生物
土壤中有丰富的微生物
青霉素的提纯
葡萄等避雨栽培
①细菌
上海巴斯德研究所
2004 年 10 月 11 日，中科院上海巴斯 德研究所举行揭牌仪式，法国总统 希拉克、中科院副院长陈竺、上海 市副市长唐登杰共同为研究所揭牌。
上海巴斯德所研究的战略方向主要集中在基础研究和转化 型研究： - 病毒的分子生物学，急性或慢性感染的机制； - 免疫应答机制和病毒感染调节； - 新型疫苗研发。