发酵工艺学原理讲义

1发酵工艺学原理讲义及思考题烟台大学林剑主讲课程第一章绪论§1-1发酵工艺学的基本概念一、发酵工业的基本概念微生物学中的发酵的定义：微生物发酵工业的概念：1.发酵工业生产的基本模式讲述生物工业的基本生产模式，引出生物技术、生物工程的概念，讲述两者之间的区别与联系2.发酵工业的分类酿酒业（啤酒、葡萄酒、白酒……）。厌氧发酵调味品（酱油、醋）。酵母工业——自然发酵。氨基酸发酵——典型的代谢控制发酵。抗菌素发酵——次级代谢控制发酵。酶制剂工业——具有重要的意义，是工业发展的基础、科学研究的基础有机酸工业—柠檬酸、葡萄酸、乳酸、琥珀酸等。石油发酵——降低石油熔点（石油脱腊）有机溶剂工业——乙醇、丙醇等好氧发酵维生素发酵——VC、VB2生理活性物质——白介——2环境工业——废水的生物处理，废弃物的生物降解二、微生物发酵的基本特征1.微生物发酵过程是一个典型的化工过程由于微生物生理特性决定了微生物在发酵过程中需要稳定的环境、特殊的条件以及以氧作为底物的供给，这些多涉及到化工生产的一下领域：（1）质量的传递——氧的供给、代谢物的排泄等2（2）热量的传递——微生物呼吸产热，微生物生长于代谢需要稳定的而严格的温度条件。（3）动量的传递——涉及到搅拌轴功率的计算，他与溶氧、气液混合的关系（4）微生物的反应工程——涉及到微生物的生长动力学模型的建立，产物生成动力学模型的建立。2.微生物发酵过程是一个典型的代谢控制发酵从微生物发酵的历史角度看，最早的微生物发酵是一个自然发酵过程，现代微生物工业通常是指微生物的代谢控制发酵？定义：是指利用生物的、物里的、化学的方法，人为的改变了微生物的生长代谢途径，使之合成、积累、分泌我们所需要的产品的过程。以GA发酵为例，建树微生物代谢控制发酵的意义。3.微生物发酵工业又是一个有别于化工过程的一个工业有以下几个特征：（1）反应条件温和通常由于微生物的生理特性，要求温度为30℃-40℃pH值中性偏酸性——酵母、霉菌、放线菌等，pH值中性偏碱性——细菌的发酵（2）无菌发酵整个反应过程要求无菌：培养基无菌、空气无菌、补料和取样要求无菌操作、某些工程菌，其尾气也要求进行无菌处理。（3）非连续性生产微生物的生理特性决定了发酵过程的非连续性大部分的工业发酵是以间歇操作为基础进行的，目前可以实现连续化生产的是：啤酒的连续化生产……§1-2微生物工业发酵的历史及发展方向一、微生物工业发酵的历史微生物发酵有着悠久的历史，几千年前的酿造实质上就是一个典型的微生物发酵过程，近几十年的来微生物发酵不但在应用领域上更加广泛，3更重要的是建立了许多新的微生物发酵理论体系，诸如：代谢控制发酵、基因工程菌发酵等……微生物发酵的发展可以分为以下几个阶段：二、微生物发酵工业的发展方向微生物发酵工业有着悠久的历史，在国名经济中占有重要的地位，21世纪又是生物的，体现在哪里？1.从工业领域看微生物发酵将占据越来越重要的地位，具体的讲：（1）通过生物工程解决能源问题能源问题是全球面临的问题，生物工程如何解决？太阳能淀粉、纤维素酶工程G发酵乙醇能源乙烯（目前已取得突破性进展）生物工程作为桥梁，2000年世界产值已达50亿美元（2）取代部分化工工业许多化工产品的生产由于严重的污染和生产效率问题，而为生物工程取代，例如：乙醇、甘油、乳酸等（3）农业：生物农业、农产品加工等方面（4）医药：2.从产品角度看，应围绕下列领域：（1）酶制剂工业：即是生产工具，又是科学研究的工具和基础（2）新型抗菌素工业和维生素行业（3）氨基酸及多肽发酵(4)生物免疫物质：白介素-2、干扰素、抗肿瘤物质等（5）细胞工程及疫苗3.从科学技术角度看（1）底物基质的转变以葡萄糖为底物的发酵转变为以更为广泛的基质为原料，特别是以废弃物为基质的发酵，废弃物资源化是其发展方向。（2）开发新产品利用现代生物技术为基础，开发新产品，新4的产品层出不穷，使得微生物发酵向国民经济的各个角落渗透。（3）微生物发酵向着大型化、自动化、连续化的方向发展。英国帝国化学公司，甲烷菌发酵罐的容积已达到3000m2本课程的内容和任务本课程是生物工程专业本科生的专业基础必修课程，是一门以微生物、生物化学、化工原理等课程为基础，以微生物发酵过程中各种单元操作为主线条，对微生物发酵过程中的基本原理进行阐述的课程。其基本内容如下：1.发酵生产用菌种及其有关知识菌种选育包括菌种保藏生产过程中菌种的扩大培养2.培养基的制备及灭菌包括：工业发酵用原料的选择与处理培养基的灭菌原理和方法工业灭菌的工程计算3.发酵机制包括：乙醇、甘油、谷氨酸、柠檬酸、赖氨酸、抗生素等4.发酵过程及控制包括：温度的变化及控制pH值的变化及控制氧传递动力学泡沫的消长规律及控制思考题：能源问题是全球面临的问题，生物工程将如何解决？写出一遍综述。第二章微生物发酵用菌种及其扩大培养§2-1微生物发酵工业用菌种一、微生物发酵工业用菌种的特点及要求微生物发酵工业用菌种因不同的发酵对其要求各异，就是同5一种产品的发酵生产，其菌种的特点和要求因不同的原料和生产设备的不同也有很大差异，例如：GA的发酵：以淀粉质为原料：要求VH-,以糖蜜为原料：因为糖蜜本身含有非常丰富的VH……但是作为工业微生物发酵使用的菌种，通常有下列特点：1.具有稳定的遗传学特性这对于工业化生产是很重要的，通常工业化生产整个周期很长，在一个发周期中，菌体至少应该增殖一次，在增殖过程中，菌体应该保证原菌的遗传学特征，（尽管菌体生长的环境改变了，压力、基质、溶氧等）2.微生物生长和产物的合成对于基质没有严格的要求换言之，可以广泛的使用各种原料作为生产用的底物，某些微生物对于底物有着严格的要求，对于碳源要求单一，这对于微生物的发酵工业提出了严格的要求，增加了生产成本。3.生长条件易于满足在微生物的工业化生产过程中，某些环境条件很难实现。氧的传递和供给就是一个很难完全满足的条件，特别是对于高粘度、高浓度的发酵体系。对于微生物的生长往往存在一个“临界溶氧浓度”，低于这个溶氧浓度，氧就成了微生物生长的限制性因子，这个溶氧浓度越高，说明菌体生长条件越易满足，从另一种意义上讲，工业化的生产成本就越低。pH值:中性偏酸性，偏碱性，强烈的pH值易改变产物和底物的状态。4.对于细菌，希望具有抗Phage的能力。5.具有较高的各种酶活力，可以在一定的范围内提高生长速率和反应速度，进而可以缩短发酵周期，降低生产成本。6.对于胞外产品，细胞膜具有良好的渗透性，或者细胞膜的渗6透性可以调节，细胞不易发生菌体自溶。对于胞内产品，要求菌体易分离和收集，菌体易破碎；对于基因工程菌，通常目的产物存在于包含体内，对于包含体，要求在细胞破碎是不易破碎，而在目的产物的分离提出时，则易破碎。二微生物发酵工业用菌种的种类野生型从菌种的遗传学特征上可以把菌种分为：培养：营养缺陷型……从微生物分类学的角度，分为1.细菌类：短杆菌：GA,Gln,lys……枯草芽孢杆菌：淀粉酶（BF7658）、碱性蛋白酶等地衣芽孢杆菌：HASS(耐高温α-淀粉酶)α-Amylase苏云金芽孢杆菌：BT生物农药……梭状芽孢杆菌：丙酮、丁酸等的发酵2.酵母菌啤酒酵母：酿酒酵母、辅酶类物质的发酵酒精酵母：汉逊酵母：食品工业，用于乙酸乙酯的发酵假丝酵母：scp生产，石油发酵3.霉菌黑曲霉：柠檬酸工业、酿酒业（UV-11,UV-48）、酶制剂工业（糖化酶）黄曲霉：酱油生产(3042)，面酱青霉菌：青霉素的生产红曲霉：红曲制造，用于南方红曲酒（女儿红）的生产；使用红色色素的生产；豆腐乳的生产等赤霉菌：赤霉素的生产，是一种植物生长激素74.放线菌：各种抗生素，链、土、庆大等§2-2微生物用菌种的扩大培养一、菌种扩大培养的目的1.提供大量而新鲜的、具有较高活力的菌种。目的就是：a、缩短发酵周期降低能耗、减少染菌的机会（空气过滤设备有效时间是有限的）b、为了使培养菌在数量上取得绝对的优势，抑制杂菌的生长。从对数残留定律上看，任何灭菌过程都不能够做到绝对无菌，抑制杂菌生长除了严格环境以外，在数量上让培养菌占绝对优势也是一种方法，往往是一种行之有效的方法。例如：啤酒的发酵……2.让菌种从固试管、液体试管……，逐步适应，例如：啤酒发酵3.菌种经过扩大培养，可以提高生产的成功率，减少“倒罐现象。许多生产菌种往往都是“溶原性”的？通过连续的扩大培养，每一级都要进行严格的检查，对于不合格的严禁使用，无疑增加了生产的可靠性。二、扩大培养的方法通常有两种方法：固体法：用于酿造业（酱油、白酒等），也是源于酿造业，有霉菌的纯培养，也有混合培养如：大曲液体法：液体深层培养，适合于众多发酵行业1.液体扩培流程固体试管三角瓶大三角瓶一级种子二级种子三级种子8发酵罐2.固体扩培流程固体试管三角瓶种曲麸曲（机械通风制曲）两者的优缺点比较：固体培养（1）酶活力高。（因为菌丝体密度大）（2）生产过程中无菌程度要求不是很严格。（3）对于固体培养，通常用于固体发酵，由于产物浓度大，易于分离，可以有效的降低产品分离成本。缺点：（1）生产劳动强度较大，占地面积大，不宜自动化生产。（2）周期长。（3）培养过程中环境条件控制较难。（4）生产过程中，由于无菌程度较低，其菌种菌类不纯。液体培养（1）生产效率高，便于自动化管理。（2）生产过程中温度、溶氧、pH值等参数可以实现全面控制。（3）通常生产液体种子，整个生产周期较短。缺点：（1）无菌程度要求高，相对生产设备投资较大。（2）对于某些种类的发酵，液体培养因投资大、生产密度大而难以实现。现代生物技术的发展是以基因工程菌为主导的微生物发酵领域，其菌种的培养要求无菌程度高，而且培养过程中的条件要求也非常严格（否则易发生变异导致质粒丢失），从这种意义上讲，固体菌种的制备是难以实现的，因此，应以液体培养为主导方式。应该指出的是：9随着生物工程与技术的发展，许多传统的应用微生物工业的菌种已形成了产业化。例如：酒精的生产原生产工艺流程为：……其中以酵母为线条的生产工艺为：以霉菌为线条的生产工艺为：现在：（1）酵母使用粉末酵母鲜压榨酵母固定化酵母细胞（2）霉菌则由各种液化、糖化酶取代三、菌种扩大培养的条件：菌种扩大培养条件因不同的菌种差异是非常大的，通常是与菌种的性质有关的，也与后续的发酵工艺有关。但是，与发酵工艺却有着很大的差别。1.培养基：种子培养基因不同的微生物种类差别是很大的，同一种微生物因不同的扩大培养过程（一级、二级）其培养基往往也有较大差异。例如：啤酒酵母扩大培养用的培养基组成如下：固体试管液体试管三角瓶大三角（无酒花）（有酒花）（有酒花）汉逊罐通常，对于种子用的培养基，摇瓶与种子罐用的培养基也不相同，摇瓶要求培养基用的原材料精细，碳源浓度较低而且是用微生物较易利用的碳源；对于种子罐用培养基，要求使用接近大生产用的原材料，氮源浓度较高，有利于菌体的增殖。例如：HASS（高温淀粉酶）三角瓶用碳源：葡萄糖+乳糖3m3种子罐：液化淀粉2.温度10种子扩大培养的温度，从试管到三角瓶到种子罐，其温度也应逐步调整，最后接近大生产的温度，目的在于使菌种逐渐适应。例如：啤酒酵母扩大培养固体液体三角瓶大三角瓶汉逊罐28℃25℃20℃15℃10-15℃需要指出的是：（1）许多微生物其最适生长温度与最适发酵温度往往有差异的，例如：谷氨酸发酵，谷氨酸产生菌的最适合生长温度为：30℃，而产物合成温度为32-34℃（2）种子扩大培养的温度的选择，应该考虑的是菌体的快速增殖上，一方面可以缩短周期，另一方面有利于抑制其他杂菌的生长。3.氧的供给菌种扩大培养的目的就是提供大量的强壮的菌体，因此在扩培过程要求菌体增殖速度越快越好，增殖期消耗的底物葡萄糖越少越好，从这个意义上讲，扩培过程中应提供足够的氧气，无论是厌氧发酵还是好氧发酵。足够的溶氧取决于：搅拌转速、通气量、搅拌轴功率等，后述。4.pH值菌种扩大培养的pH值很重要，直接影响到菌体的正常生长，需要注意以下两点：（1）扩培选择的pH值是菌体的最适生长pH值，往往与发酵最适pH值不同。（2）培养基灭菌后，通常其pH值要下降0.5——1.0个单位，因此，……（