發(fā)酵工程概論

一 、 發(fā) 酵 工 程 的 概 念 指 采 用 現(xiàn) 代 工 程 技 術(shù) 手 段 ， 利 用 微 生 物 的某 些 特 定 功能 ， 為 人 類 生 產(chǎn)有 用 的 產(chǎn) 品 或 直接 把 微 生 物 應(yīng) 用于 工 業(yè) 生 產(chǎn) 過(guò) 程的 一 種 新 技 術(shù) 。 微 生 物 學(xué) 的 奠 基 人 偉 大 的 巴 斯 德 我 國(guó) 的 傳 統(tǒng) 發(fā) 酵 產(chǎn) 品 醬 油 、醋 、 腐 乳 等 享 譽(yù) 世 界 我 國(guó) 的 釀 酒 已 經(jīng) 有 4000多年 的 歷 史 我 國(guó) 的 醬 油 距 今 已 有 3000年 的 歷 史 1857年 巴 斯 德 證 明 發(fā) 酵 是由 于 微 生 物 的 作 用 密 閉 式 發(fā) 酵 罐 二 、 發(fā) 酵 工 程 的 生 產(chǎn) 實(shí) 例 谷 氨 酸是 味 精的 主 要成 分生 產(chǎn) 谷氨 酸 可以 采 用哪 些 方法 ？ 谷 氨 酸 棒 狀 桿 菌 合 成 谷 氨 酸 的 途 徑 谷 氨 酸 棒 狀 桿 菌 在 一 定的 條 件 下 能 夠 利 用 環(huán) 境中 的 營(yíng) 養(yǎng) 物 質(zhì) 來(lái) 合 成 谷氨 酸 。 在 工 廠 里 是怎 樣 應(yīng) 用 谷 氨 酸棒 狀 桿 菌 來(lái) 生 產(chǎn)谷 氨 酸 的 ？ -酮 戊 二 酸 葡 萄 糖中 間 產(chǎn) 物谷 氨 酸 谷 氨 酸 脫 氫 酶NH 4+ 抑 制 （ 1） 菌 種 的 選 育（ 2） 培 養(yǎng) 基 的 配 制（ 3） 培 養(yǎng) 基 和 設(shè) 備 的 滅 菌（ 4） 擴(kuò) 大 培 養(yǎng) 和 接 種（ 5） 發(fā) 酵 過(guò) 程需 嚴(yán) 格 控 制 溫 度 、 PH、 溶 氧 、 通 氣 量 與 轉(zhuǎn) 速等 發(fā) 酵 條 件（ 6） 產(chǎn) 品 的 分 離 提 純菌 體 可 采 用 過(guò) 濾 、 沉 淀 等 方 法 分 離代 謝 產(chǎn) 物 可 采 用 蒸 餾 、 萃 取 、 離 子 交 換 等 方 法提 取 中 心 階 段三 、 發(fā) 酵 工 程 內(nèi) 容（ 誘 變 育 種 、 基 因 工 程 和 細(xì) 胞 工 程 ） 、 是 不 是 所 有 的 谷 氨 酸 棒 狀 桿 菌 都 可 用 于 谷 氨 酸發(fā) 酵 生 產(chǎn) 呢 ？ 我 們 應(yīng) 該 選 育 什 么 樣 的 谷 氨 酸 棒 狀 桿菌 作 為 菌 種 呢 ？ 只 有 選 擇 細(xì) 胞 膜 通 透 較 強(qiáng) ， 在 細(xì) 胞 內(nèi) 不 積 累 谷氨 酸 的 谷 氨 酸 棒 狀 桿 菌 做 菌 種 才 有 可 能 獲 得 大量 的 谷 氨 酸 。 、 谷 氨 酸 產(chǎn) 生 菌 的 種 類 谷 氨 酸 棒 狀 桿 菌 、 黃 色 短 桿 菌等 菌 種 菌 種 的 選 育 要 想 通 過(guò) 發(fā) 酵 工 程 獲 得 在 種 類 、 產(chǎn) 量 和 質(zhì)量 等 方 面 符 合 人 們 要 求 的 產(chǎn) 品 ， 最 重 要 的是 要 有 優(yōu) 良 的 菌 種 。 怎 樣 才 能 得 到 優(yōu)良 的 菌 種 呢 ？如 果 生 產(chǎn) 的 是 微 生 物 直 接 合成 的 產(chǎn) 物可 以 從 自 然 界 中 先 分 離 出 相應(yīng) 的 菌 種 ， 再 用 物 理 或 化 學(xué)的 方 法 使 菌 種 產(chǎn) 生 突 變 ， 從突 變 個(gè) 體 中 篩 選 出 符 合 生 產(chǎn) 要 求 的 優(yōu) 良 菌 種 。 如 果 生 產(chǎn) 的 是 一 般 微 生 物 不 能合 成 的 產(chǎn) 品 可 用 基 因 工 程 、 細(xì) 胞 工 程 的 方 法對(duì) 菌 種 的 遺 傳 特 性 進(jìn) 行 定 向 改 造 ，以 構(gòu) 建 工 程 細(xì) 胞 或 工 程 菌 ， 從 而達(dá) 到 生 產(chǎn) 相 應(yīng) 產(chǎn) 品 的 目 的 有 了 菌 種 用 什 么 樣 的 培 養(yǎng) 基 去 培 養(yǎng) 呢 ？ 培 養(yǎng) 基 應(yīng) 滿 足 微 生 物 生 長(zhǎng) 所 需 要 的 碳 源 、 氮 源 、水 、 無(wú) 機(jī) 鹽 和 生 長(zhǎng) 因 子 等 營(yíng) 養(yǎng) 需 求 。 這 種 培 養(yǎng) 基 從 組 成 成 分 和 物 理 性 質(zhì) 上 看 屬于 哪 種 培 養(yǎng) 基 ? 從 物 理 性 質(zhì) 上 看 是 液 體 培 養(yǎng) 基 ， 從 化 學(xué) 成 分 上看 是 天 然 培 養(yǎng) 基 。成 分 酸 堿 度豆 餅 水 解 液 、 玉 米 漿 、 尿 素 、 磷 酸 二氫 鉀 、 氧 化 鉀 、 硫 酸 鎂 、 生 物 素 pH： 7 8培 養(yǎng) 基 的 配 制 問(wèn) ： 為 什 么 要 用 液 體 培 養(yǎng) 基 和 天 然 培 養(yǎng) 基 ？答 ： 能 使 營(yíng) 養(yǎng) 物 質(zhì) 在 發(fā) 酵 過(guò) 程 中 得 到 充 分的 利 用 ； 還 能 為 菌 體 提 供 更 大 的 生 存 空 間 ； 有 利 于 生 產(chǎn) 過(guò) 程 中 條 件 的 控 制 和 產(chǎn) 物的 提 取 。 能 滿 足 菌 體 的 營(yíng) 養(yǎng) 需 要 ； 能 降 低 生 產(chǎn) 成 本 ； 能 減 少 對(duì) 環(huán) 境 的 污 染 。 配 制 好 培 養(yǎng) 液 后 ， 是 否 可 以 立 即 加 入 菌 種 ？不 能需 要 進(jìn) 行 滅 菌 為 什 么 要 殺 菌 ？ 如 何 滅 菌 算 徹 底 ？ 防 止 雜 菌 污 染 ， 對(duì) 發(fā) 酵 過(guò) 程 造 成 不 良 影 響 ；殺 死 所 有 雜 菌 的 細(xì) 胞 體 、 芽 孢 和 孢 子 將 培 養(yǎng) 液 投 放到 發(fā) 酵 罐 中 ， 通入 98kPa的 蒸 汽進(jìn) 行 滅 菌滅 菌 是 否 可 以 將 所 選 擇 的 優(yōu) 良 谷 氨 酸 棒 狀 桿 菌直 接 加 入 發(fā) 酵 罐 中 ？ 大 規(guī) 模 的 發(fā) 酵 生 產(chǎn) 需 要 大 量 的 菌 種 ， 應(yīng) 先 經(jīng) 過(guò)多 次 擴(kuò) 大 培 養(yǎng) 。 這 樣 可 以 縮 短 生 產(chǎn) 周 期 。 用 于 生 產(chǎn) 的 菌 種 應(yīng) 選 擇 處 于 對(duì) 數(shù) 期 的 谷 氨 酸 棒狀 桿 菌 接 種 加 料 口放 料 口無(wú) 菌 空 氣 入 口排 氣 口冷 卻 水 進(jìn) 口冷 卻 水 出 口PH檢 測(cè) 及 控 制 裝置攪 拌 器 發(fā) 酵 過(guò) 程 中 應(yīng) 該 注 意 控 制 好 哪 些 條 件 ？ 溫 度 Ph 氧 氣 培 養(yǎng) 過(guò) 程 中 不 斷 進(jìn) 行 攪 拌 的 目 的 是 什 么 ？ 攪 拌 有 利 溶 氧 ， 還 能 使 培 養(yǎng) 液 和 菌 種 充 分 接 觸 ，提 高 原 料 的 利 用 率谷 氨 酸 棒 狀 桿菌 是 好 氧 菌發(fā) 酵 發(fā)酵工程生產(chǎn)產(chǎn)品的流程簡(jiǎn)圖 發(fā) 酵 工 程 的 應(yīng) 用（ 一 ） 在 醫(yī) 藥 工 業(yè) 上 的 應(yīng) 用1.生 產(chǎn) 出 了 種 類 繁 多 的 藥 品2.發(fā) 酵 工 程 對(duì) 醫(yī) 藥 工 業(yè) 的 一 個(gè) 重 大 貢 獻(xiàn) 應(yīng) 用 發(fā) 酵 工 程 大 量 生 產(chǎn) 的 基 因 工 程 藥 品 ， 有 人生 長(zhǎng) 激 素 、 重 組 乙 肝 疫 苗 、 某 些 種 類 的 單 克 隆抗 體 、 白 細(xì) 胞 介 素 2、 抗 血 友 病 因 子 等 。 應(yīng) 用 特 點(diǎn)生 產(chǎn) 條 件 溫 和原 料 來(lái) 源 豐 富價(jià) 格 低 廉產(chǎn) 物 專 一廢 棄 物 對(duì) 環(huán) 境 污 染 小 容 易 處 理 等四 、 發(fā) 酵 工 程 的 應(yīng) 用 在 醫(yī) 藥 工 業(yè) 上 的 應(yīng) 用利 用 微 生 物 工 程 生 產(chǎn) 藥 品維 生 素 、 動(dòng) 物 激 素 、 藥 用 氨 基 酸 、 核 苷酸 、 抗 生 素基 因 工 程 與 發(fā) 酵 工 程 結(jié) 合 人 的 生 長(zhǎng) 激 素 、 生 長(zhǎng) 激 素 釋 放 抑 制 因子 、 胰 島 素細(xì) 胞 工 程 與 發(fā) 酵 工 程 結(jié) 合 某 些 單 抗 復(fù) 合 維 生 素 片 在 食 品 工 業(yè) 上 的 應(yīng) 用生 產(chǎn) 傳 統(tǒng) 的 發(fā) 酵 產(chǎn) 品 啤 酒 、 醋 等生 產(chǎn) 各 種 食 品 添 加 劑 色 素 、 甜 味 劑 、 酸 味 劑 、 鮮 味 劑 等單 細(xì) 胞 蛋 白 微 生 物 菌 體 （ 富 含 蛋 白 質(zhì) ） 發(fā) 酵 工 程 的 應(yīng) 用 微 生 物 菌 體 生 產(chǎn)如 利 用 酵 母 制 作 面 包 、 利 用 再 生 資 源 生 產(chǎn)飼 料 蛋 白 、 利 用 微 生 物 細(xì) 胞 作 為 生 物 催 化劑 等 微 生 物 代 謝 產(chǎn) 物 的 生 產(chǎn)通 常 包 括 有 機(jī) 酸 、 氨 基 酸 、 核 苷 酸 等 初 級(jí)代 謝 產(chǎn) 物 和 抗 生 素 、 維 生 素 、 激 素 、 生 物堿 、 細(xì) 胞 毒 素 等 次 級(jí) 代 謝 產(chǎn) 物 ， 以 及 各 種基 因 工 程 產(chǎn) 品發(fā) 酵 工 程 的 應(yīng) 用 范 圍 微 生 物 機(jī) 能 的 利 用如 在 治 理 環(huán) 境 污 染 中 用 微 生 物 對(duì) 有 毒 化合 物 和 高 分 子 化 合 物 的 分 解 凈 化 、 石 油探 礦 和 開 采 、 細(xì) 菌 冶 金 、 有 機(jī) 廢 棄 物 的綜 合 治 理 、 海 洋 和 宇 宙 的 開 發(fā) 等 生 物 工 程 各 分 支 領(lǐng) 域 的 關(guān) 系生 物 工 程 的 上 游 工 程 ： 基 因 工 程 、 細(xì) 胞 工 程 按 照 人 的 要 求 改 造 物 種 ， 獲 得 工 程 均 獲 工程 細(xì) 胞生 物 工 程 的 下 游 工 程 ： 發(fā) 酵 工 程 、 酶 工 程 基 因 工 程 、 細(xì) 胞 工 程 產(chǎn) 業(yè) 化 基 因 工 程 、 細(xì) 胞 工 程 、 發(fā) 酵 工 程 中 需 要 的 酶 大多 通 過(guò) 酶 工 程 獲 得 ； 酶 工 程 中 酶 的 生 產(chǎn) 一 般通 過(guò) 微 生 物 發(fā) 酵 的 方 法 獲 得 。 知 識(shí) 鞏 固選 取 菌 種制 備 培 養(yǎng) 液（ 滅 菌 ） 發(fā) 酵 罐（ 滅 菌 ） 控 制 發(fā)酵 條 件 生 產(chǎn) 氨基 酸 等 加 工提 取 產(chǎn) 品 育 種 方 法 原 理 育 種 過(guò) 程 優(yōu) 點(diǎn) 不 足 實(shí) 例雜 交 育 種單 倍 體 育 種多 倍 體 育 種誘 變 育 種細(xì) 胞 工 程 育 種基 因 工 程 育 種 培 養(yǎng) 基 的 配 制 要 進(jìn) 行 發(fā) 酵 生 產(chǎn) ， 有 了 優(yōu) 良 的 菌 種 還 需 要 有 與 菌種 相 適 應(yīng) 的 培 養(yǎng) 基 。 在 配 制 培 養(yǎng) 基 時(shí) 應(yīng) 該 注 意 哪些 事 情 呢 ？ （ 1） 根 據(jù) 不 同 的 菌 種 ， 應(yīng) 選 擇 不 同 的 材 料 配 制 培 養(yǎng) 基 。配 制 的 培 養(yǎng) 基 應(yīng) 滿 足 微 生 物 在 碳 源 、 氮 源 、 生 長(zhǎng) 因 子 、水 、 無(wú) 機(jī) 鹽 等 方 面 的 營(yíng) 養(yǎng) 要 求 ， 并 為 微 生 物 提 供 適 宜的 pH。 （ 2） 培 養(yǎng) 基 的 營(yíng) 養(yǎng) 要 協(xié) 調(diào) ， 以 利 于 產(chǎn) 物 的 合 成 。 （ 3） 培 養(yǎng) 基 在 滿 足 微 生 物 的 營(yíng) 養(yǎng) 需 求 的 基 礎(chǔ) 上 應(yīng) 盡 量降 低 生 產(chǎn) 成 本 ， 以 得 到 更 高 的 經(jīng) 濟(jì) 效 益 。 滅 菌 發(fā) 酵 工 程 所 用 的 菌 種 大 多 是 單 一 的 純 種 ，整 個(gè) 發(fā) 酵 過(guò) 程 中 不 能 混 入 雜 菌 。 這 是 為 什么 呢 ？ 在 發(fā) 酵 過(guò) 程 中 如 混 入 其 他 微 生 物 ， 將 與 菌 種 形成 競(jìng) 爭(zhēng) 關(guān) 系 ， 對(duì) 發(fā) 酵 過(guò) 程 造 成 不 良 影 響 。 例 如 ： 如 果 在 谷 氨 酸 發(fā) 酵 過(guò) 程 中 混 入 放 線 菌 ，則 放 線 菌 分 泌 的 抗 生 素 就 會(huì) 使 大 量 的 谷 氨 酸 棒狀 桿 菌 死 亡 。 如 果 在 青 霉 素 生 產(chǎn) 過(guò) 程 中 污 染 了雜 菌 ， 這 些 雜 菌 則 會(huì) 分 泌 青 霉 素 酶 ， 將 合 成 的青 霉 素 分 解 掉 。 滅 菌 那 如 何 防 止 雜 菌 的 污 染 呢 ？ 要 在 發(fā) 酵 前 對(duì) 培 養(yǎng) 基 和 發(fā) 酵 設(shè) 施 進(jìn) 行 嚴(yán) 格 的 滅菌 處 理 。 怎 樣 才 算 滅 菌 徹 底 呢 ？ 用 高 溫 、 高 壓 的 方 式 ， 殺 死 所 有 雜 菌 的 胞 體 、芽 孢 和 孢 子 。 擴(kuò) 大 培 養(yǎng) 和 接 種 如 何 得 到 發(fā) 酵 生 產(chǎn) 所 需 要 的 大 量 菌 體 來(lái) 縮短 生 產(chǎn) 周 期 呢 ？ 經(jīng) 過(guò) 多 次 的 擴(kuò) 大 培 養(yǎng) 。 如 何 對(duì) 菌 種 進(jìn) 行 擴(kuò) 大 培 養(yǎng) 呢 ？ 擴(kuò) 大 培 養(yǎng) 是 將 培 養(yǎng) 到 對(duì) 數(shù) 期 的 菌 體 分 開 ， 分 頭進(jìn) 行 培 養(yǎng) ， 以 促 使 菌 體 數(shù) 量 快 速 增 加 ， 能 在 短時(shí) 間 里 得 到 大 量 的 菌 體 。 擴(kuò) 大 培 養(yǎng) 和 接 種 擴(kuò) 大 培 養(yǎng) 與 發(fā) 酵 生 產(chǎn) 過(guò) 程 中 的 培 養(yǎng) 有 何 不 同 呢 ？ 擴(kuò) 大 培 養(yǎng) 是 為 了 讓 菌 體 在 短 時(shí) 期 內(nèi) 快 速 增 殖 ， 而 發(fā)酵 過(guò) 程 中 的 培 養(yǎng) 是 為 了 獲 得 代 謝 產(chǎn) 物 ， 目 的 不 同 采 用的 培 養(yǎng) 條 件 就 有 可 能 不 同 。 例 如 ： 在 酒 精 發(fā) 酵 過(guò) 程 中 ， 擴(kuò) 大 培 養(yǎng) 是 為 了 促 使 酵母 菌 快 速 增 殖 ， 因 此 是 在 有 氧 條 件 下 進(jìn) 行 。 而 在 發(fā) 酵產(chǎn) 生 酒 精 的 過(guò) 程 中 則 必 須 在 無(wú) 氧 條 件 下 進(jìn) 行 以 獲 得 大量 的 酒 精 有 了 用 于 生 產(chǎn) 的 充 足 的 菌 體 ， 在 接 種 時(shí) 要 注 意 什么 事 項(xiàng) 呢 ？ 接 種 過(guò) 程 中 要 注 意 防 止 雜 菌 污 染 。 發(fā) 酵 過(guò) 程 將 菌 體 接 種 到 裝 有 培 養(yǎng) 液 的 發(fā) 酵 罐 中 ， 還需 要 對(duì) 發(fā) 酵 過(guò) 程 進(jìn) 行 檢 測(cè) 和 對(duì) 發(fā) 酵 條 件 進(jìn)行 控 制 。 這 是 為 什 么 呢 ？ 發(fā) 酵 產(chǎn) 物 主 要 在 菌 體 生 長(zhǎng) 的 穩(wěn) 定 期 產(chǎn) 生 。 因 此 ，要 在 發(fā) 酵 過(guò) 程 中 隨 時(shí) 取 樣 檢 測(cè) 培 養(yǎng) 液 中 細(xì) 菌 數(shù)目 、 產(chǎn) 物 濃 度 以 了 解 發(fā) 酵 進(jìn) 程 ， 及 時(shí) 添 加 必 需的 培 養(yǎng) 基 成 分 來(lái) 延 長(zhǎng) 菌 體 生 長(zhǎng) 穩(wěn) 定 期 的 時(shí) 間 ，以 得 到 更 多 的 發(fā) 酵 產(chǎn) 物 。 同 時(shí) ， 還 應(yīng) 對(duì) 發(fā) 酵 條件 進(jìn) 行 嚴(yán) 格 控 制 。 發(fā) 酵 過(guò) 程 哪 些 條 件 能 影 響 菌 體 的 發(fā) 酵 呢 ？ 發(fā) 酵 生 產(chǎn) 中 溫 度 、 pH、 溶 氧 量 、 轉(zhuǎn) 速 等 對(duì) 發(fā)酵 過(guò) 程 有 重 大 影 響 。 環(huán) 境 中 有 哪 些 非 生 物 因 素 可 能 影 響 谷 氨 酸 發(fā) 酵 ？ O2 溫 度 3037 3437 PH 7.08.0 無(wú) 機(jī) 鹽 PO43- 濃 度 過(guò) 高 ， 則 轉(zhuǎn) 為 纈 氨 酸 發(fā) 酵 pH呈 酸 性 ： 乙 酰 谷 氨 酰 胺 ； 溶 氧 不 足 ： 乳 酸 或 琥 珀 酸 ； 碳 氮 比 的 變 化 ： 不 足 ： a 酮 戊 二 酸 多 余 ： 谷 氨 酰 胺 ； 分 離 、 提 純 代 謝 產(chǎn) 物 采 用 過(guò) 濾 、 沉 淀 等 方 法 將 菌 體 從 培 養(yǎng) 液 中 分 離出 來(lái) 菌 體 本 身 ， 如 酵 母 菌 和 細(xì) 菌 等 采 用 蒸 餾 、 萃 取 、 離 子 交 換 等 方 法 進(jìn) 行 提 取 。