微生物发酵工程讲稿

浙江农林大学备课本课程发酵工程主讲教师林海萍、张心齐、尹良鸿适用专业生物技术、生物制药等1绪论第一节课程概论一、定义微生物发酵工程（即微生物工程）是研究利用微生物的发酵作用为工业大规模生产服务的一门工程技术学科。二、研究的内容总的来说，从投入原料到最终发酵产品获得的整个过程，包括很多复杂的步骤，最主要的是发酵和提纯两大部分，其中以发酵为主。发酵部分包括菌种的特性与选育，培养基的特性、选择及其灭菌理论，发酵醪的特性，发酵机理，发酵过程动力学，空气中悬浮细菌微粒的过滤机理，氧的传递、溶解、吸收理论，连续培养和连续发酵的控制和自动化等有关内容。提纯部分（也称后处理）包括：细胞破碎，分离，醪液输送，除杂，蒸发、蒸馏、结晶、干燥、包装等过程，以及过程的控制和自动化等有关理论。虽然微生物工业生产以发酵为主，发酵的好坏是整个生产的关键，但后处理在发酵生产中也占有很重要的地位。往往有这样的情况：发酵产率很高，但由于后处理提纯操作和提纯设备选用不当而大大降低了总的得率，鉴于课时，这里着重给大家介绍发酵部分。三、课程目的与任务使学生在学过的微生物学、生物化学、物理化学、化工原理和生化技术等课程的基础上，进一步深入理解嫌气发酵和好气发酵有关的工艺原理。1、懂得应用这些基本理论去分析和解决微生物工业生产中的具体问题，使生产过程更好地符合客观规律，进一步提高发酵产品的质量和产率。2、同时使学生初步具有选育优良菌种，合理控制发酵条件和调节代谢途径，增加前体或抑制物，提高某些系统酶系的酶活。3、使生产过程连续化、自动化，探求新工艺、新设备和从事微生物工程研究和设计的能力。四、学习本课程意义1、微生物工程的特点（与化学工程的区别）微生物工程是直接建立在微生物工业基础上的，随着微生物工业的发展而迅速发展起来，同时也是与化学工程相结合的一个新发展。微生物工业由于本身具有很多特点，与化学工程有明显的区别。微生物工程的发酵部分是极其复杂的生物化学反应过程，且与微生物活细胞息息相关，代谢控制发酵技术使微生物工程更具有特色。因为（1）发酵醪包括固相、液相、气相，还含有活细胞体和菌丝体，它的液体力学性质和一般典型溶液明显不同，不服从牛顿力学规律，所以发酵醪特性的研究就更加迫切。例如发酵醪的粘度这个参数，在发酵、提纯、生产、科研、设计等方面，其影响是广泛的，它牵涉到质量传递、热量传递、动量传递等问题，对于醪中氧的传递、溶解、吸收问题，醪中营养成分的扩散吸收、代谢产物的排除和回收、醪液的冷却、培养基的灭菌处理以及醪的输送、连续生产流程的建立等等，无不发生直接或间接的关系。（2）提纯部分的单元操作虽然与化学工业中的单元操作无明显的区别，但为了适应菌体与发酵产物的特点，还要采取一些特殊的工艺措施并选用合适的设备。例如，最终发酵液中存在有菌体，残留的糖类和蛋白质等有机体，使发酵液的过滤分离难以进行，这时就要采2取一些特殊的工艺措施，如调节PH值，将发酵液适当加热使杂质凝聚，有时还需采用助滤剂等。再如，有些产品具有热敏性（如酶类、酶制剂）当加热到一定温度和经一定时间后就会钝化或失活，在进行蒸发、干燥等加热操作时，要采取避免过热以及添加保护剂等措施。总之，微生物工程是由微生物工业发酵应用化学工程的有关理论和单元操作而发展成为具有新的特点的一门科学。2、学习本课程的目的也许很多同学学习本课程的目的是为了拿到这几个学分，或者更加直接一点说是为了考试，但学习本课程的最终目的是理论联系实际，也就是将一些基本理论和基本原理应用到实际生产中，从而创造出经济效益。具体包括两个方面：（1）学会发酵工艺实验室小型试验－中间试验规模－大型生产规模比拟放大（或称模型放大）的过程。这也正是微生物工程十分复杂而迫切需要解决的问题。不少实验室的研究表明，在扩大试验时，不能取得类似数据，甚至出入很大，其原因往往是由于忽视了模型放大的理论。实验室小型试验－中间试验规模－大型生产规模这个过程仍是目前新产品、新品种投入生产的必经之路。通过实验室小型试验和中间规模试验，要把最佳的工艺条件和操作条件都确定下来，把中小型试验得出的结果，用模拟放大的方法扩大到生产规模的设备上去，使在大生产时不致出现重大问题，并获得较好的经济效益。放大方法不是简单地按几何比例放大，而是在一定理论基础上进行的。加强模型理论的研究，不仅在扩大实验的顺序中更能取得预期的结果，而且可能简化这种扩大实验的顺序。（举例：微生物发酵工艺比拟放大具体过程，斜面菌种－摇瓶试验－小型发酵罐—中试－大规模工业生产）（2）懂得实践－理论－实践的道理。微生物发酵工程是在科学实验和生产实践的基础上，积累了大量经验，通过总结归纳，逐步上升为理论，再用这些理论指导生产取得进展的。近年来，由大量生产实践和科学实验总结得出的发酵机制，发酵动力学，连续发酵的研究理论，促进了微生物工业生产中许多实际问题的解决，但目前还存在着另一种情况，即正由于微生物工业飞跃发展，目前的一些经验还不足或还没有系统总结归纳为理论，因而生产中出现的某些实际问题尚无完善的理论指导。（举例：丝状菌（霉菌、放线菌）的发酵就没有完善的理论指导，因而还没有比较满意的设计和放大方法，而霉菌、放线菌又是发酵工业中占有重要地位的菌类。又如连续发酵的理论虽然研究得很多，但实际生产中的许多问题目前仍然未能很好解决。由于菌种的突变，微生物的复杂性和多样性以及试验工艺条件的不够稳定和局限性等问题，因而除了酵母、啤酒、酒精、丙酮、丁醇、葡萄糖、酸的发酵生产和活性污泥的处理采用外，大规模生产上还极少应用连续发酵。总之，微生物工程领域内很多理论和实际问题尚未解决，有待今后进一步研究和探讨。）3第二节微生物发酵工程一、微生物发酵工程发展史微生物发酵工程从最初的自发阶段到突飞猛进、日新月异的今天，主要经历了以下八个发展阶段。1、自然发酵时期（1）不自觉应用早在自然科学发源以前，人们根本不知“发酵“为何物，更没有“发酵”这个词，但是却已经懂得酿酒、制酱油、制食醋等。这只是人们对发酵现象的不自觉应用，人们认为这是一种神赐予的神秘作用。例：a）屠杀后放置数天的兽肉比刚屠杀后的味香好吃。因为在组织蛋白酶的作用下，肌蛋白质部分分解成肽、氨基酸。b）由壳类或水果可制造良好的酒精饮料。（2）自觉加工后来人们以经验得到了种种微生物加工食品的方法，使偶然的一些发现变成一些自觉的加工方法，并慢慢积累。例：a）将牛乳发酵制造干酪。b）东方人在几千年以前就知道如何使用黄豆发酵制造酱油。c）巴尔干人则能制造发酵乳和养乐多，中亚细亚人能制造发酵骆驼乳。d）在埃及人6000年前制造的金字塔里发现了面包。（面包的生产原理在数百年前才被人们发现，当然金字塔里的面包与现代面包已有了很大的差别）人们在生产实践中不断积累经验，并不断积极努力改造酒类、面包、啤酒、干酪等的风味与品质，但人们并不知道发酵本质，不知道微生物与发酵的关系，所以发展很慢，且在杂菌污染面前束手无策，这一时期就为自然发酵时期。发酵奥秘解开成为迫切需要。2、纯培养技术的建立。1680（书1667）年，荷兰科学家列文.虎克（杂货店老板，没有受过自然科学教育，后为英国皇家学会会员）用自制的放大率为270倍的简陋显微镜发现了微生物，为揭开发酵的神秘面纱提供了可能，但当时，虎克无法将这些微小生物与发酵、腐败、传染病等联系起来。1859年（过了将近200年，这在今天是不可思议的，可见科学技术发展的加速度之快），法国天才生物学家巴斯德通过实验证明了“各种发酵是由于各种特殊微生物作用引起的”，从而发现了发酵原理，将发酵的中心转移到了研究微生物的生理上。巴斯德在微生物发酵方面的主要功绩：a）实验证明了在含糖溶液中所发生的酒精发酵是由酵母菌引起的，而酒的变质是杂菌污染的结果，发明了巴斯德灭菌法（又称低温加热灭菌法，是将发酵溶液在62℃下低温灭菌30min，可防止酒类酸败，此法广泛应用于酿造酒、醋、酱油、牛奶、果汁等食品的灭菌），解决了法国当时由于酒的变质给酿造业带来的严重损失。b）除酒精发酵外，巴斯德还研究了牛奶变酸（乳酸制造）、醋的制造（醋酸发酵）、丁酸发酵等。1881年德国科赫发明固体培养基，为优良发酵产品提供可能。（提问：为什么？）1897年，法国布赫纳兄弟发现磨碎了的酵母菌同样有发酵现象。（提问：为什么？）总之，随着微生物纯分离培养技术的逐步确立，开创了人为控制微生物的时代。通过发酵原理的应用，发酵管理技术得到改进，使啤酒、葡萄酒、酱油等生产的腐败现象大大减少。后来，又采用杀菌操作，发明了简便的密闭式发酵罐，通过人工控制环境条件下建立的发酵，4使发酵效率逐步提高。因此，酒精发酵和丙酮、丁醇发酵的嫌气性发酵工程技术就由此逐步发展起来。但在世界范围内，利用微生物分解代谢进行现代工业规模的酒类、酒精及丙酮、丁醇的生产，则仅有一百多年的历史。由于丙酮、丁醇、甘油与工业酒精的需要，微生物的利用又发展到化学工业领域内，而微生物工业就逐渐加入了近代的化学工业的行列。因此，可以认为，微生物纯分离培养技术的建立，是微生物工程发酵技术发展的第一个转折时期。3、通气搅拌的好气性发酵工程技术的建立（好氧）其实早在自然发酵时期，人们就已经开始了好氧发酵，如酿醋、制曲。但那只是自然地利用空气中的氧气，往往由于氧气满足不了微生物的需求而造成发酵缓慢，产量较低。这就要求采取措施提高发酵培养基中的氧气，通气搅拌的好气性发酵工程技术的建立开始于抗生素发酵。1929年，英国的弗莱明无意中发现了青霉菌对细菌生长有抑制作用，他还从青霉菌中抽出了青霉素，这是人类最初发现抗生素的由来。此后，逐渐发现了链霉素等其它抗生素。随着青霉素的发现和抗生素大量生产的成功，同时又引进了用摇瓶进行实验室通风培养，以及用纤维过滤进行高效率的空气来灭菌，解决了好氧发酵氧气来源与灭菌两大关键问题，导致了40年代好气性发酵通气搅拌工程技术的建立。抗生素工业的兴起，不仅使微生物应用到医药工业方面，同时大大促进微生物工业的发展，开创了好气性发酵工程。人们从经济要求出发利用微生物合成，使之大量积蓄有用的代谢产物，各种有机酸、酶制剂、维生素、激素等产品都可以应用好气性发酵工程技术进行大规模生产，这时期人工管理微生物的主要特征还是依赖外界环境因素的控制，然而已经从分解转为生物合成代谢，这已经越出本来微生物正常代谢的框框，这些发酵只能通过人工控制微生物的代谢才能成立。因此，通过搅拌培养的好气性发酵工程的建立，可以说是微生物工程发酵技术发展的第二个转折时期。4、人工诱变育种与代谢控制发酵工程技术的建立（提高产量、扩大产品范围）随着微生物遗传学和生物化学的发展，促进了60年代氨基酸、核苷酸微生物工业的建立，这是从遗传因子（DNA）的水平来进行微生物代谢的人工管理才能建立起来的。日本于1956年用发酵法制造谷氨酸成功，至今已有22种氨基酸用发酵法生产，其中18种是直接发酵，4种用酶法转化。氨基酸发酵工业引起了人工诱变育种与代谢控制发酵的新型发酵工程技术。代谢控制发酵工程技术以动态生物化学和微生物遗传学为基础，将微生物进行人工诱变，得到适合于生产某种产品的突变株，再在人工控制的条件下培养，即能选择性地大量生产人们所需要的物质，此项工程技术目前已用于核苷酸类物质、有机酸和一部分抗生素的发酵生产。近代分子生物化学、分子遗传学研究的进展更促进该项工程技术的建立，可以说是微生物工程发酵技术发展的第三转折时期。5、发酵动力学、发酵的连续化、自动化工程技术的建立（计算机自动控制）随着微生物工业向大型发酵罐连续化、自动化方向发展，微生物工程中利用数学、动力学、化学工程原理、电子计算机技术和自动控制对发酵过程的研究，使间歇发酵和连续发酵过程的工艺控制更为合理，新工艺、新设备层出不穷。日本的塔式连续发酵设备可以适用于各种连续通风发酵的目的。法国L-M型单级连续发酵槽，用于连续培养酵母，其结构简单而效率却相当高。最新设计的实验型万能发酵罐适合于任何发酵生产，可以同时记录24个不同的物理化学和生物化学的数据，日本对塔式连续发酵设备进行了数学模拟计算，取得预期的结果。目前发酵过程的全部基本参数，包括温度、PH值、罐压