微生物发酵与发酵工程

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1、Ⅶ.微生物发酵与发酵工程一、微生物发酵二、发酵工程概述三、应用举例丙酮丁醇发酵一、微生物发酵发酵(fermentation)没有空气的生活（lifewithoutair）----巴斯德细胞在厌氧条件下代谢营养物获得能量的生化反应微生物生长并进行生物转化的过程发酵的目的获得生物量获得目的产物发酵的基本流程保藏菌种斜面（试管、茄子瓶）摇瓶（1~2级）种子发酵（1级或多级）主发酵后处理无菌操作接种间辐射灭菌化学灭菌空气过滤发酵罐高压蒸汽灭菌通气系统过滤灭菌TC发酵温度thr连续灭菌间歇灭菌发酵过程的噬菌体

2、问题现象：发酵不正常，产量、糖耗、pH、粘度、泡沫等镜检：溶菌现象防治：定期检查设备、管道管件、过滤器等环境药物：鳌合剂、抗生素菌株：抗性菌株、菌株轮换发酵过程的主要控制参数温度pH营养溶氧通气量搅拌速度压力发酵类型I:产物是初级能量代谢的结果，一般是糖的直接氧化产物。APorABCP例：乙醇发酵、乳酸发酵II:产物通过能量代谢的间接途径得到。ABCDEP例：柠檬酸发酵、氨基酸发酵III:产物不是初级代谢形成的，与微生物细胞的物质代谢无关。例：抗生素发酵发酵方式批式(batch)发酵补料流加(

3、fedbatch)发酵连续(continous)发酵批式发酵的产物形成生长结合型(growthassociated)：产物形成与生长的限制因子相同非生长结合型(growthunassociated)：产物形成速度取决于微生物浓度产物形成速度由与比生长速度无关的其它因素决定，不能用动力学方程描述，但可对具体的发酵过程简化一些条件后建立数学方程产乳酸发酵：发酵的后处理后处理在发酵工业中的地位：普通发酵产品，后处理成本>60%基因工程发酵产品，后处理成本>80%后处理的一般流程：发酵液分离细胞浓缩粗分离精分离

4、制成品后处理工艺的设计原则：产品的性质产品的要求经济环保稳定细胞的分离与破碎细胞的分离过滤（压滤、抽滤、膜分离）沉降（重力、离心）絮凝细胞的破碎物理（超声、机械）化学生物膜分离微滤（0.1-10）超滤（MW1000-100000）固态发酵固态发酵：微生物在没有或很少游离水的潮湿固体培养基上生长与代谢的过程特点：投资少、能耗低、原料廉价传热传质差、效率低应用：生物农药、饲料、粗酶、食品等发酵条件的优化确定优化目标TSP+B+s产率:P(g/L)转化率:P/(S–s)(%,g/g)生产强度:P/T(g/L.h

5、)其他确定影响因素种子：种龄、接种量培养基：组分、pH、灭菌条件环境：温度、pH、通气、搅拌、压力、设备二、发酵工程概述（一）发酵工程技术发展及其意义发酵？生理学角度：微生物的无氧呼吸和有氧呼吸以外的一种生物氧化作用──有机化合物既是电子（或氢）供体又是电子（或氢）受体。工业生产角度：利微生物的机能进行物料加工以获得工业产品生产或为社会服务（环境保护）的过程，又称微生物工程。发酵工程的历史过程发酵现象→酿造食品工业→非食品工业→青霉素→抗菌素发酵工业→氨基酸,核酸发酵（代谢控制发酵）→基因工程菌→动物细胞

6、大规模培养→植物细胞大规模培养→藻类细胞大规模培养→转基因动物发酵工业的第一个转折点：非食品工业发酵工业的第二个转折点：青霉素→抗菌素发酵工业发酵工业的第三个转折点：切断支路代谢转折点:酶的活力调控,酶的合成调控(反馈控制和反馈阻遏)→,解除菌体自身的反馈调节,特殊调节控制的利用突变株的应用,前体、终产物、副产物等→发酵工业的近代转折点：基因、动物、海洋发酵现象的早期认识1680年制成显微镜───微生物的存在1857年巴斯德证明了酒精是由活的酵母发酵引起的1897年毕希纳发现磨碎的酵母仍使糖发酵形成酒精───酶

7、发酵工程的早期阶段人们的对发酵技术的认识起始于19世纪末，主要来自于厌氧发酵，如利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和各种发酵食品。20世纪初期，1916年英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁醇，德国采用亚硫酸盐法生产甘油（第一次世界大战）──由食品工业向非食品工业发展好氧发酵技术：速酿法从乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖酵母，用米曲霉的麸曲代替麦芽糖作糖化剂生产酒靖，用微小毛霉生产干酪。1933年等人发明了摇瓶培养法代替了传统的静置培养法。生长均匀，增殖时间短。发酵工程的重大转折点二十世纪四十年代初，第二次世界大战爆发，青

8、霉素的发现，迅速形成工业大规摸生产。1928年由Fleming发现青霉素1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究表面培养：1升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦麸培养基───40u/ml1943年沉浸培养：5m3───200u/ml当今：100m3─200m3───5-7万u/ml链霉素、金霉素、新霉索、红霉素主要的技术进展：通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。抗杂菌污染的纯种培养