微生物发酵工程概述ppt课件
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其优点：①发酵率高，发酵周期短； ② 在 液体中，菌体、底物、产物以及发酵产生的热量易 于扩散，使发酵在均质条件下进行，便于控制，易 扩大生产规模；③厂房面积小，生产效率高，易进 行自动化控制，产品质量稳定；④产品易于提取、 精制等。现代液体深层发酵已被广泛应用。
缺点：耗能多，设备复杂，需要较大的投资， 废物排放量多等缺点，仍需不断改进。
3、原料质量好，成分稳定，污染变质少，易灭菌；
4、价格便宜、来源方便、易于贮存。
但最便宜的原料也不一定是最合适的原料，如 生产谷氨酸时，过去曾用糖蜜做原料，但因为它是 制糖中的废液，成分变化大，难以控制，所以谷氨 酸产酸率低，发酵周期长，还给产物的提取、精制 以及废水处理带来很大问题。现在我国已采用淀粉 水解成葡萄糖来生产谷氨酸。
体发酵过程。固体发酵历史悠久，优点是投资少，设备 简单，操作容易，因陋就简，耗能少。能获得较高的代 谢产物产量。缺点：厂房面积大，生物反应器设计还不 完善，难于准确测定含水量、菌体量和CO2生成量。
固体发酵是发酵原料加上一定比例的水分，灭菌后 置曲盘、草帘、深槽中或固体发酵罐中，冷却后接种发 酵。
发酵类型
2、厌氧发酵(嫌气发酵) 发酵时不需供应氧气。如丙酮丁醇发酵、乳酸发酵、丙酸发酵。
3、兼性厌氧发酵 酵母菌是一种兼性厌氧微生物，在缺 氧条件下进行酒精发酵；在大量通气情况下则进行好 气性发酵，产生大量酵母细胞。
二、按照微生物发酵采用的方式分
1、固体发酵 我国对发酵生产大致经历了固体发酵—浅盘发酵—液
特点
产物
固体发酵 原料+水（少量） 柠檬酸固体发酵、酱油、菌肥、农药等
原料+水（大量） 胰岛素、抗生素、柠檬酸、氨基酸、酶
液体发酵 浅盘 深层搅拌
制剂、干扰素、白介素等。
图3.1 固体发酵表
2、液体发酵
此法是将所用原料配制成液体状态，可分为 瓷盘静止培养(表面培养，此法劳动强度大，易污 染，很快被深层液体培养所代替。现国内外大多采 用液体深层发酵。过去多采用单罐方式分批发酵， 后发展为连续发酵，补料分批发酵等方式（具体以 后再讲）。
四、微生物发酵的一般工艺过程
微生物发酵产品名 目繁多，这么多的 发酵产品生产过程 是否一样呢？在工 业流程细节上很不 相同。然而，概括 来讲其工艺流程是 相似的。如有的发 酵需氧，有的发酵 不需氧。
图3.3 微生物发酵的一般工艺过程
（一）原料选择
1、原料中碳的可利用率高；
2、发酵产率高，而且尽可能使发酵废物少；
2、研究动力学的目的
其目的就是要确定最佳发酵工艺条件，建立 数学模型，使菌体在最好的条件下生长，得到最 高产量。目前国内外已利用电子计算机，根据发 酵动力学来设计程序，模拟最优化的工艺流程和 发酵工艺参数，使生产达到最优化（如菌体浓度、 基质浓度、温度、pH、溶解氧等参数的控制方 案）。
（二）各类型的特点
三、按发酵动力学类型分
t图3.2 发酵动力学类型图
（一）发酵动力学及其研究内容，目的
1、发酵动力学及内容
发酵动力学是研究发酵过程中菌体生长、营 养消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律。研 究内容包括：了解发酵过程中菌体生长速率、基 质消耗和产物生成速率的相互关系，环境因素如 温度、pH、溶解氧等对以上三者的影响。
② 、酸解法的优缺点：
除杂，脱色
a、优点：生产方便、设备简单、水解时间短、0.4MPa只需7~10分钟。
b、缺点：因在酸和高温下水解，需要耐酸、耐高温、高压的设备。
c、淀粉在高温、高压下进行水解，DE较低，质量较差。
③ 、淀粉酸水解的原理 a、水解反应 b、复合反应 c、 分解反应
， 图3.4 淀粉酸水解原理
特点：① 产物形成直接与碳源消耗有关；
② 产物形成速度与生长速度有紧密关系。
（4）动力学研究的指导意义和优化营养条件原则
①指导意义
a、指导发酵培养基的合理设计； b、能够在发酵过程中进行科学的管理、如实行计 算机自动化控制进而提高生产效率。
②优化的一般原则
在发酵初期，尽可能使菌体快速生长，缩短无产物 生成或产率低的生长期，同时为生产期提供足够量的 高生产活性细胞；在生产期，要使生产细胞的衰老或 死亡速度以及产物合成酶的失活速度尽可能地降低， 使之保持较长时期的高产物合成活性。
（二）淀粉水解糖的制备
淀粉是由葡萄糖组成的生物大分子，除少数霉菌和细菌可直
接利用淀粉外，目前大多数的微生物都不能直接利用淀粉，例如 在酒精酵母、抗生素生产、氨基酸生产中都要求将淀粉水解成糖。 由于水解的方法不一，葡萄糖生成量也不同。
1、淀粉水解法分为三类：酸解法、酶解法、 酸酶法或酶酸法。 （1）酸解法 ① 、工艺过程：
微生物发酵工程概述
由于微生物代谢类型多样性，利用不同微生物对同一种物质进行 发酵，以及一种微生物在不同条件下培养所得产物均不相同，我们可 以按照微生物对氧的要求、发酵采用的方式，发酵过程的动力学等可 分为以下类型：
一、按微生物对氧的要求分类
1、好氧发酵(又称好气发酵) 大多数发酵属好氧发酵，如 抗生素、有机酸、氨基酸、酶制剂、石油脱蜡等。
④控制酸水解的影响因素 a、淀粉浓度 b、酸浓度、酸种类 c、温度和时间等条件 a、淀粉浓度：一般来讲淀粉浓度越高，复合反应分解反应程 度越高。
(BX)
b、酸的浓度、酸的种类：HCl、 H2SO4、草酸等，以HCI常 用，效果较好。浓度0.5-0.8%，
加入盐
酸后淀粉乳的pH为1.5。
c、糖化温度和时蒸汽间压力（Mpa）
1、分类依据
根据产物生成与基质（碳源利用）消耗关系分I 型、II型、III型；根据产物生成与生长是否偶联分三 种：偶联型、混合型、非偶联型。
2、ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ类型的特点 （1）类型 I（偶联型）
菌体增长与碳源利用相平行。二者之间有定量关 系。菌体产量与碳源消耗之比称产量常数。产物积累 与菌体的增长、碳源的消耗之间有着准量的关系。产 物如：酒精、酵母、蘑菇、杆菌肽、氯霉素。
反应时间（min）
0.30 134.5 0C
20
0.35 140 0C
18
0.40 146 0C
9
⑤在酸水解中的控制因素
a、糖化控制在19BX b、酸种类一般用HCI，浓度0.5-0.8% c、温度和时间控制在0.35-0.40MPa，即140-146℃，9-18min。
缺点：耗能多，设备复杂，需要较大的投资， 废物排放量多等缺点，仍需不断改进。
3、原料质量好，成分稳定，污染变质少，易灭菌；
4、价格便宜、来源方便、易于贮存。
但最便宜的原料也不一定是最合适的原料，如 生产谷氨酸时，过去曾用糖蜜做原料，但因为它是 制糖中的废液，成分变化大，难以控制，所以谷氨 酸产酸率低，发酵周期长，还给产物的提取、精制 以及废水处理带来很大问题。现在我国已采用淀粉 水解成葡萄糖来生产谷氨酸。
体发酵过程。固体发酵历史悠久，优点是投资少，设备 简单，操作容易，因陋就简，耗能少。能获得较高的代 谢产物产量。缺点：厂房面积大，生物反应器设计还不 完善，难于准确测定含水量、菌体量和CO2生成量。
固体发酵是发酵原料加上一定比例的水分，灭菌后 置曲盘、草帘、深槽中或固体发酵罐中，冷却后接种发 酵。
发酵类型
2、厌氧发酵(嫌气发酵) 发酵时不需供应氧气。如丙酮丁醇发酵、乳酸发酵、丙酸发酵。
3、兼性厌氧发酵 酵母菌是一种兼性厌氧微生物，在缺 氧条件下进行酒精发酵；在大量通气情况下则进行好 气性发酵，产生大量酵母细胞。
二、按照微生物发酵采用的方式分
1、固体发酵 我国对发酵生产大致经历了固体发酵—浅盘发酵—液
特点
产物
固体发酵 原料+水（少量） 柠檬酸固体发酵、酱油、菌肥、农药等
原料+水（大量） 胰岛素、抗生素、柠檬酸、氨基酸、酶
液体发酵 浅盘 深层搅拌
制剂、干扰素、白介素等。
图3.1 固体发酵表
2、液体发酵
此法是将所用原料配制成液体状态，可分为 瓷盘静止培养(表面培养，此法劳动强度大，易污 染，很快被深层液体培养所代替。现国内外大多采 用液体深层发酵。过去多采用单罐方式分批发酵， 后发展为连续发酵，补料分批发酵等方式（具体以 后再讲）。
四、微生物发酵的一般工艺过程
微生物发酵产品名 目繁多，这么多的 发酵产品生产过程 是否一样呢？在工 业流程细节上很不 相同。然而，概括 来讲其工艺流程是 相似的。如有的发 酵需氧，有的发酵 不需氧。
图3.3 微生物发酵的一般工艺过程
（一）原料选择
1、原料中碳的可利用率高；
2、发酵产率高，而且尽可能使发酵废物少；
2、研究动力学的目的
其目的就是要确定最佳发酵工艺条件，建立 数学模型，使菌体在最好的条件下生长，得到最 高产量。目前国内外已利用电子计算机，根据发 酵动力学来设计程序，模拟最优化的工艺流程和 发酵工艺参数，使生产达到最优化（如菌体浓度、 基质浓度、温度、pH、溶解氧等参数的控制方 案）。
（二）各类型的特点
三、按发酵动力学类型分
t图3.2 发酵动力学类型图
（一）发酵动力学及其研究内容，目的
1、发酵动力学及内容
发酵动力学是研究发酵过程中菌体生长、营 养消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律。研 究内容包括：了解发酵过程中菌体生长速率、基 质消耗和产物生成速率的相互关系，环境因素如 温度、pH、溶解氧等对以上三者的影响。
② 、酸解法的优缺点：
除杂，脱色
a、优点：生产方便、设备简单、水解时间短、0.4MPa只需7~10分钟。
b、缺点：因在酸和高温下水解，需要耐酸、耐高温、高压的设备。
c、淀粉在高温、高压下进行水解，DE较低，质量较差。
③ 、淀粉酸水解的原理 a、水解反应 b、复合反应 c、 分解反应
， 图3.4 淀粉酸水解原理
特点：① 产物形成直接与碳源消耗有关；
② 产物形成速度与生长速度有紧密关系。
（4）动力学研究的指导意义和优化营养条件原则
①指导意义
a、指导发酵培养基的合理设计； b、能够在发酵过程中进行科学的管理、如实行计 算机自动化控制进而提高生产效率。
②优化的一般原则
在发酵初期，尽可能使菌体快速生长，缩短无产物 生成或产率低的生长期，同时为生产期提供足够量的 高生产活性细胞；在生产期，要使生产细胞的衰老或 死亡速度以及产物合成酶的失活速度尽可能地降低， 使之保持较长时期的高产物合成活性。
（二）淀粉水解糖的制备
淀粉是由葡萄糖组成的生物大分子，除少数霉菌和细菌可直
接利用淀粉外，目前大多数的微生物都不能直接利用淀粉，例如 在酒精酵母、抗生素生产、氨基酸生产中都要求将淀粉水解成糖。 由于水解的方法不一，葡萄糖生成量也不同。
1、淀粉水解法分为三类：酸解法、酶解法、 酸酶法或酶酸法。 （1）酸解法 ① 、工艺过程：
微生物发酵工程概述
由于微生物代谢类型多样性，利用不同微生物对同一种物质进行 发酵，以及一种微生物在不同条件下培养所得产物均不相同，我们可 以按照微生物对氧的要求、发酵采用的方式，发酵过程的动力学等可 分为以下类型：
一、按微生物对氧的要求分类
1、好氧发酵(又称好气发酵) 大多数发酵属好氧发酵，如 抗生素、有机酸、氨基酸、酶制剂、石油脱蜡等。
④控制酸水解的影响因素 a、淀粉浓度 b、酸浓度、酸种类 c、温度和时间等条件 a、淀粉浓度：一般来讲淀粉浓度越高，复合反应分解反应程 度越高。
(BX)
b、酸的浓度、酸的种类：HCl、 H2SO4、草酸等，以HCI常 用，效果较好。浓度0.5-0.8%，
加入盐
酸后淀粉乳的pH为1.5。
c、糖化温度和时蒸汽间压力（Mpa）
1、分类依据
根据产物生成与基质（碳源利用）消耗关系分I 型、II型、III型；根据产物生成与生长是否偶联分三 种：偶联型、混合型、非偶联型。
2、ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ类型的特点 （1）类型 I（偶联型）
菌体增长与碳源利用相平行。二者之间有定量关 系。菌体产量与碳源消耗之比称产量常数。产物积累 与菌体的增长、碳源的消耗之间有着准量的关系。产 物如：酒精、酵母、蘑菇、杆菌肽、氯霉素。
反应时间（min）
0.30 134.5 0C
20
0.35 140 0C
18
0.40 146 0C
9
⑤在酸水解中的控制因素
a、糖化控制在19BX b、酸种类一般用HCI，浓度0.5-0.8% c、温度和时间控制在0.35-0.40MPa，即140-146℃，9-18min。