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1、1、 发酵工程1、 发酵：利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体或其代谢产物的过程统称为发酵。2、 发酵类型： 敞口发酵、密闭发酵、浅盘发酵、深层发酵 分批发酵、连续发酵、补料分批发酵 好氧性发酵、厌氧性发酵 固体发酵、液体发酵1） 微生物菌体发酵：以获得具有某种用途的菌体为目 的的发酵。2） 微生物酶发酵：以获得微生物酶为目的的发酵。3） 微生物代谢产物发酵：以获得微生物初级、次级代谢产物为目的的发酵。4） 微生物的转化发酵：是利用微生物细胞的一种或多种酶，把一种化合物转变成结构相关的更有经济价值的产物。5） 生物工程细胞的发酵：是利用生物工程技术所获得的细胞，如DNA重组的
2、“工程菌”以及细胞融合所得的“杂交”细胞等进行培养的新型发酵。3、 发酵技术的特点:1 发酵过程以生命体的自动调节方式进行，数十个反应过程能够在发酵设备中一次完成；2 反应通常在常温常压下进行，条件温和，能耗少，设备较简单；3 原料通常以糖蜜、淀粉等碳水化合物为主，可以是农副产品、工业废水或可再生资源（如植物秸秆、木屑等），微生物本身能有选择地摄取所需物质；4 容易生产复杂的高分子化合物，能高度选择性地在复杂化合物的特定部位进行氧化、还原、官能团引入或去除等反应；5 发酵过程中需要防止杂菌污染，大多情况下设备需要进行严格的冲洗和灭菌，空气需要过滤等。菌种（上游技术）4、发酵工程典型工艺流程：
3、发酵（中游技术） 提炼（下游技术） 上游技术：1） 发酵工业中常用微生物： 原则：易培养、生长快、发酵周期短、经济、抗性强、容易控制其生长、安全无害 细菌：枯草芽孢杆菌、软酸杆菌、醋酸杆菌、棒状杆菌、短杆菌，主要用于生产淀粉酶、乳酸、醋酸、氨基酸和肌苷酸； 放线菌：链霉菌属、小单孢菌属、诺卡氏菌属，主要用于生产多种抗生素； 酵母菌：酿酒酵母、假丝酵母、类酵母，主要用于酿酒、制造面包、制造低凝固点石油和生产脂肪酶以及生产可食用、药用和饲料用的酵母菌体蛋白； 霉菌：藻状菌纲的根霉、毛霉、犁头霉、子囊菌纲的红曲霉、半知菌纲的曲霉、青霉，主要用于生产多种酶制剂、抗生素、有机酸及甾体激素； 担子菌 藻类
4、2） 优良菌种选育： 自然选育： 诱变育种： 杂交育种： 代谢控制育种： 分子育种：3） 培养基的制备： 培养基的类型：合成培养基1 按纯度分：天然培养基（复合培养基）液体培养基（最常用）2 按状态分： 固体培养基（琼脂15%-20%） 半固体培养基（琼脂0.5%-0.8%）孢子培养基3 按用途分： 种子培养基 发酵培养基 培养基的组成：1 碳源：构成菌体和产物的碳架及能量来源。常用的碳源有：单糖（葡萄糖、果糖）、双糖（蔗糖、麦芽糖)、油脂（补充碳源和消沫）、糖蜜、乳糖、有机酸、醇、碳氢化合物、石油产品、糊精2 氮源：构成菌体的细胞成分和产物的前体。常用的氮源有：有机氮源（尿素、黄豆饼粉、花生
5、饼粉、棉籽饼粉、玉米浆、蛋白胨、酵母粉、鱼粉）、无机氮源（氨水、硫酸铵、氯化铵、硝酸盐）3 无机盐和微量元素：构成菌体原生质的成分、作为酶的组成成分或维持酶的活性、参与产物的生物合成、调节细胞的渗透压和影响细胞膜的通透性。常见的有：主要元素（P、S、Mg、K、Ca）、微量元素（Fe、Cu、Mn、Zn）4 生长因子5 水6 产物形成的诱导物、前体、促进剂和抑制剂7 消沫剂:植物油、动物油、化学合成的高分子化合物（聚氧丙烯甘油、硝消化剂） 中游技术：1) 工业发酵灭菌： 灭菌的方法：1 热灭菌： 干热灭菌：火焰灭菌法、干热空气灭菌法（160 170，12h） 湿热灭菌：煮沸灭菌法（100，1520
6、min）、巴氏消毒法（6062，30min或70，15min，低温维持法，72，15s，高温瞬时法）、间歇灭菌法、高压蒸汽灭菌法（湿热灭菌优点：比干热灭菌效力大，因为蛋白质易凝固，湿热蒸汽的穿透力大，湿热蒸汽的潜能迅速提高）2 射线灭菌：紫外线3 化学药品灭菌：甲醛、苯酚、高锰酸钾、氯化汞4 空气灭菌：加热灭菌：将空气加热至一定温度，并维持一段时间，杀死空气中的微生物（空气压缩，200以上）静电除菌：利用静电引力来吸附带电粒子在电极上，而达到除尘灭菌的目的。常除去空气中的水雾、油雾、尘埃以及空气中的微生物。介质过滤除菌：（发酵工业上最多采用来制备大量无菌空气）使空气通过高温灭菌的介质过滤层，将
7、空气中的微生物等颗粒阻截而获得无菌空气的方法。又分为：绝对介质过滤除菌：介质之间的空隙小于被 滤除的微生物，当空气流过介质（微孔滤膜， 一般0.5um）后，空气中的微生物被滤除。 深层介质过滤除菌：过滤介质空隙和过滤介 质纤维的直径都大于被除去的微生物。将空 气通过棉花、玻璃纤维等尼龙等纤维类成分 或活性炭等其他材料做介质组成的过滤层， 依靠碰撞、阻截、吸附、扩散等物理作用截 留除菌。5 工业生产中培养基灭菌方法：分批灭菌：v 优点： 1、不需专门设备，投资少， 2、设备简单，效果可靠v 缺点： 1、发酵占用时间长， 2、加热冷却时间长， 3、营养成分有一定的损失连续灭菌：v 优点： 1、连续
8、性强，快速灭菌消毒 2、培养基营养成分破坏少 3、适用于大容积发酵罐物料的连续灭菌消毒 4、加热时间短，提高了热的利用率 5、操作条件恒定，灭菌质量稳定 6、易于实现管道化和自控操作 7、发酵设备利用率高v 缺点： 1、对设备的要求高，需另外设置加热、冷却装置 2、操作较麻烦 3、染菌的机会较多，染菌涉及面广 4、不适合于含大量固体物料的灭菌 5、对蒸汽的要求高 原料的灭菌：1 原则：能达到灭菌的目的，又能使培养基营养成分的破坏减至最小，采用高温快速灭菌法2 影响培养基灭菌效果的因素：v 灭菌的温度和时间v 培养基的PHv 油脂、糖类、蛋白质等v 培养基的颗粒v 培养基中是否有泡沫2) 种子扩
9、大培养：1、目的1）菌种的数量的扩大2）菌种的活化、3）缩小发酵时间，保证正常水平。2、种龄：指种子罐中培养的菌丝体开始移入下一级种子罐或发酵罐时的培养时间3、接种量：接入种子的体积与接种培养液的体积的比例。有倒种法和双种法4、种子制备工艺：实验室阶段、生产车间阶段5、种子质量标准：a生化指标、b检查菌体形态、菌丝浓度和培养液外观和色泽、气味、浑浊度等c检查有无杂菌污染d产物生成量e其他参数如种子罐的溶液和空气。6、影响种子质量的因素：v 培养基质量v 种龄v 培养条件：培养温度、选择最适种子培养pH、通气与搅拌、湿度v 斜面冷藏时间：冷藏时间越长，生产能力下降越多3) 发酵过程工艺的控制与优
10、化：1、 液体深层发酵：是微生物的菌体和菌丝体均匀分散在液体培养基中，通过向培养液强制通气或不通气以及搅拌进行产物合成。分为：分批发酵、连续发酵、补料连续发酵。A、分批发酵：特点：一次性，发酵过程中，营养不断减少，微生物不断增殖，环境非稳态、微生物生长的四个时期明显（延滞期、指数期、稳定期、衰亡期）优点：操作简单缺点：发酵力不高、非生产时间较长使得发酵产品成本提高作用：广泛、传统的生物产品发酵多用此过程。分批培养的产物形成： 型 生长偶联产物生长菌体生长与产物形成几乎在相同时间出现高峰，产物为初级代谢产物，产物形成与碳源利用为直接关系。 型 生长与产物生长部分偶联 在生长开始没有产物生长，在继
11、续生长到某一阶段时才有产物生长产物的形成与碳源利用为间接关系。 型非生长偶联产物生成在生长停止后才有产物生长，为次级代谢物。产物的形成与碳源利用为无准量关系。B、连续发酵 特点：培养基等量流入和流出；各种变化=0；微生物群体生存的四个时期不存在。优点：操作稳定、利用机械、自动化，提高设备的利用率，减少灭菌次数，易于过程优化，发酵产率提高。缺点：容易染菌，微生物易变异，对产物类型的适应性不广，对设备和附件要求高。应用：常用于研究工作，酵母类生产、废水处理、葡萄酸钠、酒精、氨基酸等发酵工业中。C、补料分批发酵类型：单一补料分批发酵；反复补料分批发酵优点：解除底物抑制、产物抑制及分解阻遏；克服微生物
12、过度生长；提高有用产物的转化率，不易产生菌种老化和变异问题。（比较三种发酵的优缺点。）2、 工业发酵过程中主要控制的参数：直接参数（传感器检测的参数）和间接参数（不能用传感器来检测的参数）A）温度：a）影响发酵温度变化的因素：发酵热、生物热、搅拌热、蒸发热、显热、辐射热b）发酵热=生物热+搅拌热-蒸发热-辐射热c)温度的控制：根据菌种选择；根据生长阶段选择；根据培养基的条件选择B）pH：a) 对生物发酵的影响：1、影响酶的活性，2、影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜的通透性，3、影响微生物对营养物质的吸收及代谢产物的排泄，4、影响培养基中某些组分和中间代谢产物的解离，5、pH不同，往往
13、引起菌体代谢过程的不同b)pH下降的因素：1、培养基中C/N过高，2、消泡油过多，3、生理酸性物质过多c)pH上升的因素：1、培养基中C/N过低，2、生理碱性物质过多，3、中间补料时氨水或尿素等碱性物质过多d)pH的控制：1、在基础料中加入维持pH的物质，缓冲剂，2、发酵过程中加入弱酸或弱碱，3、补料调节3、发酵终点的判断1）、经济因素、2）根据产品质量因素、3）、特殊因素 下游技术：1、 发酵液预处理目的是改善发酵液的性质，以利于固液分离2、 提取浓缩吸附法、离子交换法、萃取法、沉淀法3、 精制大大提高纯度4、 成品加工再度浓缩、无菌过滤、干燥、加稳定剂发酵罐根据微生物有好氧和厌氧分为好氧发
14、酵设备与厌氧发酵设备；一、好氧发酵罐 特点：通风装置、冷却装置。代表：机械搅拌式发酵罐和通风搅拌式发酵罐。A、机械搅拌式发酵罐是发酵工厂常用的类型之一。比较经典的是通用式发酵罐和自吸式发酵罐。（1） 通用式发酵罐结构：a、罐体 b搅拌器作用：打碎空气气泡，使通入的空气分散成气泡病与发酵液充分混合，使氧溶解于发酵液中。 形式 径向式（涡轮式）平叶式 弯叶式和箭叶式 轴向式螺旋桨式、桨叶式粉碎气泡的能力：平叶式弯叶式箭叶式翻动液体的能力：平叶式弯叶式箭叶式 C、挡板：作用：防止液面中央产生漩涡 b、促使液体激烈翻动，增加溶解氧，C、改变液流的方向，由径向流改为轴向流 d、消泡器：消泡法：化学法-天然油脂、高级醇类等 物理法-机械消泡装置、常用耙式消泡器e、联轴器及轴承 f、变速装置 g、
