发酵工程电子版

发酵工艺原理（发酵工程）讲义王莘2012.8.202第一章绪论发酵工业应用：生物生物学一、发酵定义：从工业微生物角度的发酵：利用培养微生物来获得产物的有氧或厌氧的任何过程，现在有扩大到培养生物细胞（含有动物、植物和微生物）获得产物的所有过程。从发酵工业角度的发酵：借助微生物在有氧和无氧条件下的生命活动来制备微生物体本身，或共同直接代谢产物或次级代谢产物的过程统称为发酵。传统发酵：酱油、醋、酒、长毛豆腐。新兴发酵：有机酸、酶制剂、抗生素。发酵工业的划分：食品工业（酿造工业）和非食品工业（发酵工业）发酵工业：利用生物的生命活动生产的酶对无机或有机原料进行酶加工获得产品的工业。二、发酵工业具备的条件：①要有某种适宜的微生物。②要保证或控制微生物进行代谢的各种条件（培养基组成，温度，溶氧浓度，酸碱度等）。③要有进行微生物发酵的设备。④要有将菌体或代谢产物提取出来精制成产品的方法和设备。三、发酵工业的改革1．天然发酵阶段特点：1）家庭作坊式生产；2）容易感染细菌；3）厌氧发酵；4）非纯种培养；5）凭经验传授技术；6）产品质量不稳定。2．纯培养技术的建立阶段纯培养阶段特点：（1）．多为好氧产品；（2）、均为表面培养；（3）、产品生产过程简单；（4）、设备要求不高；（5）、生产规模不大。3．通气搅拌发酵技术的建立阶段第二次世界大战爆发，1929年英国人费莱明发现青霉素，迅速形成工业大规摸生产。1940年英国人费洛里精制分离青霉素医治战伤药物。发酵工业新篇章：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。发酵工程产业化发展：发酵工程技术给人类社会生产力的发展带来了巨大的潜力，涉及到解决人类所面临的食品与营养、健康与环境、资源与能源等重大问题。细胞大规模培养技术：细胞大规模培养──微生物、动植物细胞、藻类细胞等4．代谢控制发酵技术5．开拓发酵原料时期6．基因工程阶段四、发酵工业的范围：现代发酵工业涉及领域按微生物发酵产品的性质分为以下几个方面。1．微生物菌体发酵32．微生物酶发酵：3．微生物代谢产物发酵4．微生物的生物转化发酵：生物转化与化学反应相比优点：反应条件温和，对环境无污染。5．微生物特殊机制的利用（1）利用微生物消除环境污染环境恶化（2）利用微生物发酵保持生态平衡（3）微生物湿法冶金：（4）利用基因工程菌株开拓发酵工程新领域五、发酵工业的特点1.发酵原料的选择2.微生物菌种得选育及扩大培养3.发酵设备选择以及工艺条件控制发酵工艺控制关键：发酵全过程的无菌状态的保持，防杂菌污染，设备冲洗，培养基灭菌，空气过滤。4.发酵产物的分离提取5.发酵废物的回收和利用第二章发酵培养基第一节培养基的类型及功能培养基：是人们提供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物所需要的按一定比例配制的多种营养物质的混合物。（人工配制的含有营养物质的供微生物生长的介质。）发酵培养基作用：满足菌体生长+促进产物形成。一、培养基的营养成分及来源1、能源2、碳源3、氮源4、有机盐5、特殊生长因子二、培养基的类型和用途1、按物质来源分：自然培养基（化学成分不清楚，异养微生物完全培养基）、合成培养基（化学成分和数量已知配制，实验室用生长慢）、半合成培养基（天然碳、氮、生长因子和化学药品，多数微生物使用）合成培养基：由已知组成成分的各种营养物质组合的培养基叫合成培养基。复合培养基（天然+半合成）：由一些组成成分不完全明确的天然有机物与一些无机盐组合的培养基。2、按物理性状态分：固体培养基、半固体培养基、体培养基固体培养基:适合于菌种和孢子的培养和保存，也广泛应用于有子实体的真菌类，如香菇、白木耳等的生产。半固体培养基:即在配好的液体培养基中加入少量的琼脂，一般用量为0.5%～0.8%,主要用于微生物的鉴定。液体培养基:80%～90%是水，其中配有可溶性的或不溶性的营养成分，是发酵工业大规模使用的培养基。3、按生产工艺用途分：从发酵生产应用考虑）孢子培养基、种子培养基、发酵培养基，工业中常用种子和发酵培养基用生产。（1）孢子培养基：供制备孢子用的。孢子：某一生长阶段中，在营养细胞内形成一个圆形，卵圆形或圆柱形的休眠体叫孢子。4（2）种子培养基：供孢子发芽和菌体生长繁殖用的。（3）发酵培养基：是供菌体生长繁殖和合成大量代谢产物用的。三、发酵培养基的选择：培养基供菌生长、繁殖、代谢、合成产物的营养物质。培养基成分和配比的适合与否影响菌的生长代谢，对产物的工艺质量和产量影响大。1、选择和培植发酵培养基对应考虑的基本原则：（1）、必须提供合成微生物细胞和发酵产物的基本成分。（2）、有利于减少培养基原料的单耗，即提高单位营养物质所合成产物数量或最大产率。（3）、有利于提高培养基和产物的浓度，以提高单位容积发酵罐的生产能力。（4）、有利于提高产物的合成速度，缩短发酵周期。（5）、尽量减少副产物的形成，便于产物的分离纯化。（6）、原料价格低廉，质量稳定，取材容易。（7）、所用原料尽可能减少对发酵过程中通气搅拌的影响，利于提高氧的利用率，降低能耗。（8）、有利于产品的分离纯化，并尽可能减少产生“三废”的物质。2、工业化发酵培养基选择步骤：（1）、了解菌种来源、生活习惯，理化特性和营养要求。（2）、了解生产菌种的培养条件、生物合成代谢途径、代谢产物化学性质、结构、工艺、产品质量要求。（3）、选化学合成培养基进行摇瓶试验→每小发酵罐培养，氮、碳产物代谢能力情况的摸索，选择适宜的pH值。（4）、确定培养基配比→确定金属（非）离子的影响→无机要素营养要求，按高低、适中进行确定→做复合培养基试验→做发酵条件与培养基关系试验→用碳酸钙调pH值→中间补料法控制碳、氮、养料、前体类物质代谢→引导发酵向合成产物的途径发展。四、配制工业发酵培养基的一般要求：1、营养物组成较丰富，浓度适当，能满足菌丝体菌种发芽和生长繁殖成大量具有生理功能的需要（产物合成潜力提高）2、在一定条件下，各种原材料彼此不产生化学反应，理化性相对稳定。3、粘度适中，渗透压适当。4、原材料品种及浓度对代谢产物生物合成过程要有利于主产物的生物合成，高产率维持时间长，副产物合成率要降至最低。5、不影响发酵过程的通气和搅拌，便于产物的分离纯化。6、原材料尽量选质优价廉、成本低。第二节发酵培养基的成分及来源培养基原料：C（50%）、N、无机盐、微量元素、水、生长因子、前体。一、碳源：（微生物自身细胞物质、糖类、脂、蛋白质等和能源构成菌体的主要元素及各代谢产物的主要原料。）定义：凡是用于构成微生物细胞和代谢产物中碳素的营养物质均称碳源。功能：提供能量的重要元素。碳源：糖（碳水化合物）、脂肪、有机酸、醇、碳氢化合物（烃类）1、碳水化合物（糖类）（1）单糖：葡萄糖（实验室培养基）所有的微生物都能利用葡萄糖；但是会引起葡萄糖效应；工业上常用淀粉水解糖,但是糖液必须达到一定的质量指标；糖蜜：5糖蜜是制糖生产时的结晶母液，它是制糖工业的副产物。糖蜜主要含有蔗糖，总糖可达50%～75%。一般糖蜜分甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜葡萄糖蜜。糖蜜使用的注意点：除糖份外，含有较多的杂质，其中有些是有用的，但是许多都会对发酵产生不利的影响，需要进行预处理。（2）双糖：乳糖、麦芽糖、蔗糖（3）多糖：糊精、淀粉及其水解液，工业化过程常用淀粉水解物酶法水解为发酵糖。（4）淀粉、糊精：使用条件：微生物必须能分泌水解淀粉、糊精的酶类缺点：难利用、发酵液比较稠、一般2.0%时加入一定的α-淀粉酶成分比较复杂，有直链淀粉和支链淀粉等等。优点：来源广泛、价格低，可以解除葡萄糖效应2、脂肪：霉菌和放线菌利用油脂作碳源，其具有消沫和补充碳源的双重作用。3、无机酸、醇：在单细胞蛋白、氨基酸、维生素、抗生素发酵中作碳源和补充碳源。4、碳氢化合物（烷烃）：微生物表面糖脂吸收系统乳化后利用碳。二、氮源（细菌、酵母菌氮含量大，霉菌含蛋量低，—NH2基存在不提供能量）：指构成微生物细胞和代谢产物中的氮素的营养物质。1、主要功能：构成微生物细胞和含氮的代谢产物，补充碳源，是细胞合成蛋白质、酶、氨基酸、核苷酸及抗生素等重要代谢物成分。2、有机氮源（有碳有氮）：含有蛋白质、肽类、游离氨基酸、糖类、脂肪、无机盐、生长因子。微生物对这类氮源的利用具有选择性。土霉素生产中玉米浆和氨基酸的利用率增加；选择有机氮时要注意品种、产地、加工方法对质量的影响。3、有机氮源：氨基酸、蛋白质水解物及尿素。4、无机氮源（无碳有氮）：铵盐、硝酸盐及氨气、氯化铵。5、实验室用培养基氮源：蛋白胨、牛肉膏、酵母粉等蛋白水解物。6、工业化生产常用氮源：硫酸铵、尿素、氨水、黄豆粉、花生粉、鱼粉、棉籽粉、玉米浆、酒精水及屠宰场废水等。氮源使用的一些相关问题：有机氮源和无机氮源应当混合使用；早期：容易利用易同化的氮源—无机氮源；中期：菌体的代谢酶系已形成、则利用蛋白质；有些产物会受氮源的诱导和阻遏例：蛋白酶的生产有机氮源选取时也要考虑微生物的同化能力；开发效果好、有针对性的有机氮源仍然是令人感兴的课题；三、无机盐和微量元素1、定义：是微生物代谢所需的重要物质。2、功能：构成菌体成分，作为酶的辅基或激活剂，调节微生物体内氧化还原电位、pH值及维持渗透压。无机元素对菌体生长的影响：浓度降低→促进生长；浓度提高→抑制生长3、无机盐：磷酸、硫酸盐、氯化物、钠、钾、钙、镁、铁。4、微量元素：一般参与酶的组成或使酶活化。微量元素缺乏，导致细胞生理活性下降，甚至停止生长。P：构成菌体核酸、核蛋白及磷脂成分，组成高能磷酸化合物及许多酶的活性基，参与氧化磷酸化反应必须元素。Fe：是细胞色素及其氧化酶的激活剂。6Zn（脱氢酶）、Mg（糖化酶）、Co（B2辅酶）：是某些酶的辅酶或激活剂。Na：维持细胞渗透压。K：影响细胞膜透性。Ca：调节细胞透性作用。使用注意事项：1、对于其它渠道有可能带入的过多的某种无机离子和微量元素在发酵过程中必须加以考虑例：铁离子青霉素发酵中，铁离子的浓度要小于20μg/ml发酵罐必须进行表面处理使用时注意盐的形式（pH的变化）例：黑曲酶NRRL-330,生产α-淀粉酶，P对酶活的影响pH酶活不加4.25120分钟加K2HPO45.4530分钟加KH2PO44.6275分钟四、生长因子、消沫剂、前体和产物促进剂1、生长因子：微生物生长必需而少量的，自身不能合成或少量合成，以满足机体生长需要的有机化合物，如维生素。功能：构成辅酶的组成部分，促进生命活动进行。如维生素B族是各种酶的活性基的组成部分，没有维生素B，E就不能活动。有机氮源是这些生长因子的重要来源，多数有机氮源含有较多的B簇维生素和微量元素及一些微生物生长不可缺少的生长因子。2、消沫剂：工业化生产中消除发酵中产生的泡沫，防止逃液和染菌，保证生产的正常运转。常用的消沫剂：植物油、动物油、高分子化合物。3、前体：在产物的生物合成过程中，被菌体直接用于产物合成而自身结构无显著改变的物质称为前体。前体可自身合成（缬氨酸、半胱氨酸→青霉素合成时用）；外源性前体（苯乙酸→青霉素G）青霉素：分子量356苯乙酸:分子量136作用：前体有助于提高产量和组份用法：前体使用时普遍采用流加的方法前体一般都有毒性，浓度过大对菌体的生长不利苯乙酸，一般基础料中仅仅添加0.07%前体相对价格较高，添加过多，容易引起挥发和氧化，流加也有利于提高前体的转化率4、产物促进剂所谓产物促进剂是指那些非细胞生长所必须的营养物，又非前体，但加入后却能提高产量的添加剂。促进剂提高产量的机制尚不清楚。有些促进剂本身是酶的诱导物；有些促进剂是表面活性剂，可改善细胞的透性，改善细胞与氧的接触从而促进酶的分泌与生产；五、水：是培养基的主要组成成分，是构成菌体细胞的主要成分，是营养物质传导介质。功能：水是良好的溶剂，菌体所需要的营养物质都是溶解于水中被吸收的。渗透、分泌、排泄等作用都是以水为媒介的，并且水直接参与代谢作用中的许多反应。7对于发酵工厂来说，恒定的水源是至关重要的，因为在不同水源中存在的各种因素对微