生物技術(shù)概論：4發(fā)酵工程

4 發(fā)酵工程發(fā)酵工程學(xué)習(xí)目的學(xué)習(xí)目的 掌握發(fā)酵工程的基本類型和基本原理，了解典型發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，認(rèn)識發(fā)酵的基本過程及常用的發(fā)酵設(shè)備。 發(fā)酵工程是一門將微生物學(xué)、生物化學(xué)和化學(xué)工程學(xué)的基本原理有機地結(jié)合起來，利用微生物的生長和代謝活動來生產(chǎn)各種有用物質(zhì)的工程技術(shù)。 它以培養(yǎng)微生物為主，所以又稱微生物工程。 4 發(fā)酵工程發(fā)酵工程發(fā)酵的定義發(fā)酵的定義 發(fā)酵（fermentation）最初來自拉丁語“發(fā)泡”（fervere），是指酵母作用于果汁或發(fā)芽谷物產(chǎn)生CO2的現(xiàn)象。 生物化學(xué)上將發(fā)酵定義為“微生物在無氧時的代謝過程”。 目前，人們把利用微生物在有氧或無氧條件下的生命活動來制備微生物菌體或其代謝產(chǎn)物的過程統(tǒng)稱為發(fā)酵。 引言引言是利用微生物的生長繁殖和代謝活動以及特定功能，通過是利用微生物的生長繁殖和代謝活動以及特定功能，通過現(xiàn)代化工程技術(shù)生產(chǎn)有用物質(zhì)或直接應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)體系。是將傳現(xiàn)代化工程技術(shù)生產(chǎn)有用物質(zhì)或直接應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)體系。是將傳統(tǒng)發(fā)酵與現(xiàn)代的統(tǒng)發(fā)酵與現(xiàn)代的DNADNA重組、細(xì)胞融合、分子修飾和改造等新技術(shù)結(jié)合并發(fā)展重組、細(xì)胞融合、分子修飾和改造等新技術(shù)結(jié)合并發(fā)展起來的現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)。起來的現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)。微生物菌體發(fā)酵 微生物酶發(fā)酵 微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵微生物的轉(zhuǎn)化發(fā)酵 生物工程細(xì)胞的發(fā)酵4.14.1 發(fā)酵工程概況發(fā)酵工程概況4.1.14.1.1 發(fā)酵類型發(fā)酵類型 4 發(fā)酵工程發(fā)酵工程微生物代謝產(chǎn)物微生物代謝產(chǎn)物 在菌體對數(shù)生長期所產(chǎn)生的產(chǎn)物，如氨基酸、核苷酸、蛋白質(zhì)、核酸、糖類等，是菌體生長繁殖所必需的，這些產(chǎn)物叫做初級代謝產(chǎn)物。 在菌體生長靜止期，某些菌體能合成一些具有特定功能的產(chǎn)物，如抗生素、生物堿、細(xì)菌毒素、植物生長因子等。這些產(chǎn)物與菌體生長繁殖無明顯關(guān)系，叫做次級代謝產(chǎn)物。 4.1.1 發(fā)酵類型發(fā)酵類型微生物代謝產(chǎn)物類型微生物代謝產(chǎn)物類型 產(chǎn)業(yè) 微生物代謝產(chǎn)物 醫(yī)藥 抗生素，藥理活性物質(zhì)，維生素，抗腫瘤劑、基因工程藥物、疫苗等 食品 氨基酸，鮮味增強劑，脂肪酸，蛋白質(zhì)，糖與多糖類，發(fā)酵劑，脂類，核酸，核苷酸，核苷、維生素、飲料等 農(nóng)業(yè) 動物生長促進劑，除草劑，植物生長促進劑，滅害劑，驅(qū)蟲劑，殺蟲劑等 輕工 酸味劑，生物堿，酶抑制劑，酶，溶媒，輔酶，表面活性劑，轉(zhuǎn)化甾醇和甾體，有機酸，乳化劑，色素，抗氧化劑，石油等 其他 離子載體，抗代謝劑，鐵運載因子等 4.1.1 發(fā)酵類型發(fā)酵類型微生物的轉(zhuǎn)化發(fā)酵4.1.2 發(fā)酵技術(shù)的特點發(fā)酵技術(shù)的特點 發(fā)酵過程以生命體的自動調(diào)節(jié)方式進行，數(shù)十個反應(yīng)過程能夠在發(fā)酵設(shè)備中一次完成。 反應(yīng)通常在常溫常壓下進行，條件溫和，能耗少，設(shè)備較簡單。 原料通常以糖蜜、淀粉等碳水化合物為主，可以是農(nóng)副產(chǎn)品、工業(yè)廢水或可再生資源（如植物秸稈、木屑等），微生物本身能有選擇地攝取所需物質(zhì)。 4.1 發(fā)酵工程概況發(fā)酵工程概況 容易生產(chǎn)復(fù)雜的高分子化合物，能高度選擇地在復(fù)雜化合物的特定部位進行氧化、還原、官能團引入或去除等反應(yīng)。 發(fā)酵過程中需要防止雜菌污染，大多情況下設(shè)備需要進行嚴(yán)格的沖洗、滅菌，空氣需要過濾等。 4.1.2 發(fā)酵技術(shù)的特點發(fā)酵技術(shù)的特點4.1.3 發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用 抗生素、維生素、激素 疫苗和菌苗等 4.1 發(fā)酵工程概況發(fā)酵工程概況 粘細(xì)菌（Myxobacteria）是一類能夠產(chǎn)生多種生理活性物質(zhì)的微生物。近10年的研究已經(jīng)昭示出粘細(xì)菌具有廣闊的開發(fā)利用空間。在20世紀(jì)70年代，首次報道粘細(xì)菌產(chǎn)生的活性次級代謝產(chǎn)物是三烯吡喃菌素（ambruticin）。目前已從粘細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了大約600多種生理活性物質(zhì)。與其它的藥源菌相比，粘細(xì)菌具有獨特的優(yōu)勢和巨大的潛力。埃博霉素產(chǎn)生菌埃博霉素產(chǎn)生菌- -纖維堆囊菌營養(yǎng)細(xì)胞纖維堆囊菌營養(yǎng)細(xì)胞（山東大學(xué)李越中教授提供）（山東大學(xué)李越中教授提供） 是一種新的16元環(huán)多酮大環(huán)內(nèi)酯，含有一個噻唑基和環(huán)上的一個環(huán)氧結(jié)構(gòu)。該菌產(chǎn)生A和B兩種主要組分,C-F四種次要組分以及36種極微量成分。這類物質(zhì)的作用機制與紫杉醇類相似，它與微管蛋白結(jié)合，干擾細(xì)胞骨架的形成，起到抗腫瘤作用。近年來，對這類物質(zhì)的化學(xué)合成，構(gòu)效關(guān)系以及藥效學(xué)等的研究進展很快，有望成為比紫杉醇更好的臨床抗腫瘤藥物。圖15-20所示為從纖維堆囊菌發(fā)酵液中分離到的埃博霉素A，B，C，D和F的化學(xué)結(jié)構(gòu)。埃博霉素類抗腫瘤物質(zhì)埃博霉素類抗腫瘤物質(zhì)粘細(xì)菌粘細(xì)菌 Soarngium cellulosum 產(chǎn)生的埃博霉素類化學(xué)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的埃博霉素類化學(xué)結(jié)構(gòu)食品工業(yè) 微生物蛋白、氨基酸、新糖源、飲料、酒類 食品添加劑（檸檬酸、乳酸、天然色素等） 4.1.3 發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用能源工業(yè) 酒精 沼氣 氫能 4.1.3 發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用化學(xué)工業(yè) 可降解的生物塑料 化工原料（乙醇、丙酮、丁醇、癸二酸等） 生物表面活性劑及生物凝集劑 4.1.3 發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用 利用微生物合成生物降解材料利用微生物合成生物降解材料 -聚羥基脂肪酸脂聚羥基脂肪酸脂 (Polyhydroxyalkanoate PHA)眾所周知，微生物的營養(yǎng)因素包括：碳源、氮源、無機鹽、眾所周知，微生物的營養(yǎng)因素包括：碳源、氮源、無機鹽、微量元素、水和生長因子（氨基酸、維生素和嘌呤或嘧啶）微量元素、水和生長因子（氨基酸、維生素和嘌呤或嘧啶） 當(dāng)當(dāng) 環(huán)境中，缺少氮源而碳源濃度又比較高時、一部分微生物體內(nèi)就環(huán)境中，缺少氮源而碳源濃度又比較高時、一部分微生物體內(nèi)就積累一些顆粒、被分離純化后即為具有熱塑性的生物降解高分子積累一些顆粒、被分離純化后即為具有熱塑性的生物降解高分子材料?，F(xiàn)已知有材料?，F(xiàn)已知有300余種細(xì)菌可以積累單體在余種細(xì)菌可以積累單體在90種以上的種以上的 PHA Pseudomonas mendocina NK-01 Pseudomonas mendocina NK-01 PHA 從門多薩假單胞菌從門多薩假單胞菌NK-01基因組中獲得的中長鏈基因組中獲得的中長鏈PHA合成酶合成酶 phaC1基因構(gòu)建重組載體基因構(gòu)建重組載體pBSphaC1，在，在E.coli JM109 中進行表中進行表達，以所構(gòu)建的工程菌株進行達，以所構(gòu)建的工程菌株進行PHA的發(fā)酵量重組大腸桿菌合成的發(fā)酵量重組大腸桿菌合成的的PHA結(jié)構(gòu)分析表明，工程菌合成的結(jié)構(gòu)分析表明，工程菌合成的PHA中含有六碳和八碳單中含有六碳和八碳單體體冶金工業(yè) 黃金開采和銅、鈾等金屬的浸提 4.1.3 發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用發(fā)酵過程的場所發(fā)酵過程的場所 微生物冶金微生物冶金-冶金裝置冶金裝置CuFeS2 + 2 Fe2(SO4)3 +2H2O + 3O2 CuSO4 + 5FeSO4 + 2 H2SO4 氧化亞鐵硫桿菌氧化亞鐵硫桿菌 和和 氧化硫硫桿菌氧化硫硫桿菌農(nóng)業(yè) 生物固氮 生物殺蟲劑 微生物飼料 4.1.3 發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境保護 使用生物肥料，生物殺蟲劑 降解有毒物質(zhì) 凈化廢水廢氣，處理石油污染 4.1.3 發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用發(fā)酵過程的場所發(fā)酵過程的場所 污水處理污水處理-污水處理池污水處理池發(fā)酵過程的場所發(fā)酵過程的場所 微生物采油微生物采油-油田油田依靠人工注水，依靠人工注水，外加壓力來保外加壓力來保持地層的能量持地層的能量的方式進行開的方式進行開采。水驅(qū)后采。水驅(qū)后原原油采收率平均油采收率平均達到達到40 40 - - 45%45%。發(fā)酵過程的場所發(fā)酵過程的場所 微生物采油微生物采油-油田油田依靠人工注水，外加壓力來保持地層的能量的方式進行開采。水驅(qū)后依靠人工注水，外加壓力來保持地層的能量的方式進行開采。水驅(qū)后原油原油采收率平均達到采收率平均達到40 40 - - 45%45%。 驅(qū)油菌主要是通過對原油的降解，使得原油的組分發(fā)生變化，原油的流驅(qū)油菌主要是通過對原油的降解，使得原油的組分發(fā)生變化，原油的流動性變好。動性變好。驅(qū)油菌在生長代謝過程中，能夠產(chǎn)生生物表面活性劑等代謝產(chǎn)物，有效地驅(qū)油菌在生長代謝過程中，能夠產(chǎn)生生物表面活性劑等代謝產(chǎn)物，有效地降低了油水間的界面張力；提高采收降低了油水間的界面張力；提高采收率潛力提高。率潛力提高。由于驅(qū)油菌的代謝作用和在位繁殖由于驅(qū)油菌的代謝作用和在位繁殖效應(yīng)，使原油的滲流阻力進一步下降，效應(yīng)，使原油的滲流阻力進一步下降，潤濕性發(fā)生反轉(zhuǎn)，原油被乳化成水包潤濕性發(fā)生反轉(zhuǎn)，原油被乳化成水包油型乳狀液，孔隙中不可動油開始啟油型乳狀液，孔隙中不可動油開始啟動動4.2 微生物發(fā)酵過程微生物發(fā)酵過程 微生物發(fā)酵過程即微生物反應(yīng)過程，是指由微生物在生長繁殖過程中所引起的生化反應(yīng)的過程。 4 發(fā)酵工程發(fā)酵工程好氧性發(fā)酵好氧性發(fā)酵 在發(fā)酵過程中需要不斷地通入一定量的無菌空氣。 如利用黑曲霉進行的檸檬酸發(fā)酵，利用棒狀桿菌進行的谷氨酸發(fā)酵，利用黃單孢菌進行的多糖發(fā)酵等。 4.2 微生物發(fā)酵過程微生物發(fā)酵過程厭氧性發(fā)酵厭氧性發(fā)酵 在發(fā)酵時不需要供給空氣。 如乳酸桿菌引起的乳酸發(fā)酵，梭狀芽孢桿菌引起的丙酮、丁醇發(fā)酵等。 4.2 微生物發(fā)酵過程微生物發(fā)酵過程 固體發(fā)酵 液體發(fā)酵 敞口發(fā)酵 密閉發(fā)酵 淺盤發(fā)酵 深層發(fā)酵 液體深層發(fā)酵 4.2 微生物發(fā)酵過程微生物發(fā)酵過程生理活性物質(zhì)生理活性物質(zhì)微生物微生物底物底物伴孢晶體（細(xì)菌內(nèi)毒素）伴孢晶體（細(xì)菌內(nèi)毒素）蘇云金芽胞桿菌（蘇云金芽胞桿菌（Bacillus thuringiensis)椰子果渣椰子果渣赤霉素赤霉素藤倉赤菌藤倉赤菌(Gibberella fujikuroi)，串珠鐮孢串珠鐮孢(Fusarium moniliforme)麩皮，玉米穗，木薯粉，麩皮，玉米穗，木薯粉，甘蔗渣等甘蔗渣等赭曲毒素赭曲毒素赭曲霉赭曲霉(A.ochraceus)，鮮綠曲霉，鮮綠曲霉(P.viridicatum)大麥，大米，玉米大麥，大米，玉米土霉素土霉素龜裂鏈霉菌龜裂鏈霉菌(Streptomyces,rimosus)玉米穗玉米穗麥角類生物堿麥角類生物堿串珠鐮孢串珠鐮孢(Fusarium moniliforme)甘蔗渣甘蔗渣頭孢霉素頭孢霉素頂頭孢霉頂頭孢霉(Cephalosporium acremonium)大麥粒大麥粒頭丙菌素頭丙菌素帶小棒鏈霉菌帶小棒鏈霉菌(Streptomyces clavuligerus)向日葵種子向日葵種子枯草菌溶血素枯草菌溶血素枯草芽胞桿菌枯草芽胞桿菌(Bacillus subtilis)豆渣豆渣環(huán)孢素環(huán)孢素絲狀真菌絲狀真菌(Tolypocladium inflatum)麩皮麩皮抗真菌素抗真菌素枯草芽胞桿菌枯草芽胞桿菌(Bacillus subtilis)黏土及稻草復(fù)合培養(yǎng)基黏土及稻草復(fù)合培養(yǎng)基綠僵菌素綠僵菌素金龜子綠僵菌金龜子綠僵菌(Metarhizium anisopliae)大米糠大米糠 固態(tài)發(fā)酵生物活性物質(zhì)固態(tài)發(fā)酵生物活性物質(zhì)4.2.1 發(fā)酵工業(yè)中的常用微生物發(fā)酵工業(yè)中的常用微生物 細(xì)菌 放線菌 酵母菌 霉菌 其他微生物 4.2 微生物發(fā)酵過程微生物發(fā)酵過程放線菌小白鏈霉菌小白鏈霉菌NK660的電鏡照片的電鏡照片 -聚賴氨酸結(jié)構(gòu)簡式聚賴氨酸結(jié)構(gòu)簡式 4.2.2 培養(yǎng)基培養(yǎng)基 培養(yǎng)基是人們提供微生物生長繁殖和生物合成各種代謝產(chǎn)物需要的多種營養(yǎng)物質(zhì)的混合物。 4.2 微生物發(fā)酵過程微生物發(fā)酵過程霉菌 孢子培養(yǎng)基 種子培養(yǎng)基 發(fā)酵培養(yǎng)基 4.2.2.1 培養(yǎng)基的種類培養(yǎng)基的種類 4.2.2 培養(yǎng)基培養(yǎng)基細(xì)菌酵母菌4.2.2.2 發(fā)酵培養(yǎng)基的組成發(fā)酵培養(yǎng)基的組成 l碳源 葡萄糖、果糖 蔗糖、麥芽糖 淀粉、纖維素等 4.2.2 培養(yǎng)基培養(yǎng)基l氮源 有機氮源（黃豆餅粉、花生餅粉、蛋白胨、酵母粉等） 無機氮源（氨水、硫酸銨、氯化銨、硝酸鹽等） 4.2.2.2 發(fā)酵培養(yǎng)基的組成發(fā)酵培養(yǎng)基的組成l無機鹽和微量元素 磷酸鹽、硫酸鹽、氯化鈉、氯化鉀 鎂、鐵、鈷、鋅、錳等 4.2.2.2 發(fā)酵培養(yǎng)基的組成發(fā)酵培養(yǎng)基的組成藍(lán)藻l生長因子 維生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶的衍生物以及脂肪酸等。 酵母膏、牛肉膏、蛋白胨和一些動植物組織的浸液，是生長因子的豐富來源。 4.2.2.2 發(fā)酵培養(yǎng)基的組成發(fā)酵培養(yǎng)基的組成l水 水是培養(yǎng)基的主要組成成分。它既是構(gòu)成菌體細(xì)胞的主要成分，又是一切營養(yǎng)物質(zhì)傳遞的介質(zhì)，而且它還直接參與許多代謝反應(yīng)。 4.2.2.2 發(fā)酵培養(yǎng)基的組成發(fā)酵培養(yǎng)基的組成l產(chǎn)物形成的誘導(dǎo)物、前體和促進劑 如合成青霉素G的苯乙酸，合成紅霉素的丙酸等 4.2.2.2 發(fā)酵培養(yǎng)基的組成發(fā)酵培養(yǎng)基的組成搖瓶種子罐生產(chǎn)罐培養(yǎng)液細(xì)胞分離菌體培養(yǎng)基滅菌培養(yǎng)基配制培養(yǎng)基原料無細(xì)胞上清液產(chǎn)品抽提產(chǎn)品精制產(chǎn)品包裝廢水處理儲備菌種4.2.34.2.3 發(fā)酵的一般過程發(fā)酵的一般過程 4.2 微生物發(fā)酵過程微生物發(fā)酵過程4.3 液體深層發(fā)酵液體深層發(fā)酵4.3.1 發(fā)酵的操作方式發(fā)酵的操作方式 4.3.1.1 分批發(fā)酵分批發(fā)酵 營養(yǎng)物和菌種一次加入進行培養(yǎng)，直到結(jié)束放罐，中間除了空氣進入和尾氣排出，與外部沒有物料交換。傳統(tǒng)的生物產(chǎn)品發(fā)酵多用此過程。 4 發(fā)酵工程發(fā)酵工程根據(jù)不同發(fā)酵類型，每批發(fā)酵需要十幾個小時到幾周時間。全過程包括空罐滅菌、加入滅過菌的培養(yǎng)基、接種、發(fā)酵過程、放罐和洗罐，所需時間的總和為一個發(fā)酵周期。 4.3.1.1 分批發(fā)酵分批發(fā)酵典型的分批發(fā)酵工藝流程圖 4.3.1.1 分批發(fā)酵分批發(fā)酵微生物分批培養(yǎng)的生長曲線 1.延滯期 2.加速生長期 3.指數(shù)生長期 4.減速期 5.穩(wěn)定期 6.衰亡期 4.3.1.1 分批發(fā)酵分批發(fā)酵4.3.1.2 4.3.1.2 連續(xù)發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵 以一定的速度向發(fā)酵罐內(nèi)添加新鮮培養(yǎng)基，同時以相同的速度流出培養(yǎng)液，從而使發(fā)酵罐內(nèi)的液量維持恒定，微生物在穩(wěn)定狀態(tài)下生長。 4.3.1 發(fā)酵的操作方式發(fā)酵的操作方式4.3.1.3 補料分批發(fā)酵補料分批發(fā)酵 又稱半連續(xù)發(fā)酵，是介于分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵之間的一種發(fā)酵技術(shù)，是指在微生物分批發(fā)酵中，以某種方式向培養(yǎng)系統(tǒng)補加一定物料的培養(yǎng)技術(shù)。 4.3.1 發(fā)酵的操作方式發(fā)酵的操作方式4.3.2 發(fā)酵工藝控制發(fā)酵工藝控制 溫度對發(fā)酵過程的影響是多方面的，它會影響各種酶反應(yīng)的速率，改變菌體代謝產(chǎn)物的合成方向，影響微生物的代謝調(diào)控機制。除這些直接影響外，溫度還對發(fā)酵液的理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，如發(fā)酵液的黏度、基質(zhì)和氧在發(fā)酵液中的溶解度和傳遞速率、某些基質(zhì)的分解和吸收速率等，進而影響發(fā)酵的動力學(xué)特性和產(chǎn)物的生物合成。 4.3 液體深層發(fā)酵液體深層發(fā)酵4.3.2.1 溫度溫度 pH值對微生物的生長繁殖和產(chǎn)物合成的影響有以下幾個方面：影響酶的活性，當(dāng)pH值抑制菌體中某些酶的活性時，會阻礙菌體的新陳代謝；影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷的狀態(tài)，改變細(xì)胞膜的通透性，影響微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收及代謝產(chǎn)物的排泄；影響培養(yǎng)基中某些組分和中間代謝產(chǎn)物的解離，從而影響微生物對這些物質(zhì)的利用；pH值不同，往往引起菌體代謝過程的不同，使代謝產(chǎn)物的質(zhì)量和比例發(fā)生改變。另外，pH值還會影響某些霉菌的形態(tài)。 4.3.2 發(fā)酵工藝控制發(fā)酵工藝控制4.3.2.2 pH值值 對于好氧發(fā)酵，溶解氧濃度是最重要的參數(shù)之一。好氧性微生物在進行深層培養(yǎng)時，需要適量的溶解氧以維持其呼吸代謝和某些產(chǎn)物的合成，氧的不足會造成代謝異常，產(chǎn)量降低。現(xiàn)在可采用復(fù)膜氧電極來檢測發(fā)酵液中的溶解氧濃度。 4.3.2 發(fā)酵工藝控制發(fā)酵工藝控制4.3.2.3 溶解氧濃度溶解氧濃度4.3.3 發(fā)酵設(shè)備發(fā)酵設(shè)備 一個優(yōu)良的發(fā)酵裝置應(yīng)具有嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)，良好的液體混和性能，較高的傳質(zhì)、傳熱速率，同時還應(yīng)具有配套而又可靠的檢測及控制儀表。 4.3 液體深層發(fā)酵液體深層發(fā)酵 4.3.3 發(fā)酵設(shè)備發(fā)酵設(shè)備發(fā)酵罐及其發(fā)酵罐及其控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)l 機械攪拌式發(fā)酵罐是發(fā)酵工廠常用的類型之一。它是利用機械攪拌器的作用，使空氣和發(fā)酵液充分混合，促進氧的溶解，以保證供給微生物生長繁殖和代謝所需的溶解氧。 4.3.3 發(fā)酵設(shè)備發(fā)酵設(shè)備4.3.3.1 機械攪拌式發(fā)酵罐機械攪拌式發(fā)酵罐20122012年年5 5月月1616日自此頁開始日自此頁開始 4.3.3.1 機械攪拌式發(fā)酵罐機械攪拌式發(fā)酵罐l 在通風(fēng)攪拌式發(fā)酵罐中，通風(fēng)的目的不僅是供給微生物所需要的氧，同時還利用通入發(fā)酵罐的空氣，代替攪拌器使發(fā)酵液均勻混合。 4.3.3 發(fā)酵設(shè)備發(fā)酵設(shè)備4.3.3.2 通風(fēng)攪拌式發(fā)酵罐通風(fēng)攪拌式發(fā)酵罐小型發(fā)酵罐l 厭氧發(fā)酵也稱靜止培養(yǎng), 因其不需供氧, 所以設(shè)備和工藝都較好氧發(fā)酵簡單。嚴(yán)格的厭氧液體深層發(fā)酵的主要特色是排除發(fā)酵罐中的氧。 l 酒精、丙酮、丁醇、乳酸和啤酒等都是采用液體厭氧發(fā)酵工藝生產(chǎn)的。 4.3.3 發(fā)酵設(shè)備發(fā)酵設(shè)備4.3.3.3 厭氧發(fā)酵設(shè)備厭氧發(fā)酵設(shè)備啤酒發(fā)酵罐 4.3.3.3 厭氧發(fā)酵設(shè)備厭氧發(fā)酵設(shè)備4.3.4 下游加工過程下游加工過程 l 從發(fā)酵液中分離、精制有關(guān)產(chǎn)品的過程稱為發(fā)酵生產(chǎn)的下游加工過程。 4.3 液體深層發(fā)酵液體深層發(fā)酵雙效濃縮器雙效濃縮器離心機離心機結(jié)晶罐結(jié)晶罐下游加工的工藝流程 預(yù)處理發(fā)酵液高度純化（精制）細(xì)胞碎片分離細(xì)胞破碎細(xì)胞分離 成品加工初步純化（提取）胞外產(chǎn)物 4.3.4 下游加工過程下游加工過程4.4 固體發(fā)酵固體發(fā)酵 原料一般為經(jīng)濟易得、富含營養(yǎng)物質(zhì)的工農(nóng)業(yè)中的副、廢產(chǎn)品； 一般都是開放式的，無菌要求不高； 所需設(shè)備簡單，操作容易； 勞動強度大，不便于機械化操作，微生物品種少、生長慢，產(chǎn)品有限。 4 發(fā)酵工程發(fā)酵工程固體發(fā)酵實例固體發(fā)酵實例 例子 原料 所用微生物 蘑菇生產(chǎn) 麥稈、糞肥 雙孢蘑菇、埃杜香菇等 泡菜 包心菜 乳酸菌 醬油 黃豆、小麥 米曲霉 大豆發(fā)酵食品 大豆 寡孢根霉 干酪 凝乳 婁格法爾特氏青霉 堆肥 混合有機材料 真菌、細(xì)菌、放線菌 花生餅素 花生餅 嗜食鏈孢霉 金屬浸提 低級礦石 硫芽孢桿菌 有機酸 蔗糖、廢糖蜜 黑曲霉 酶 麥麩等 黑曲霉 污水處理 污水成分 細(xì)菌、真菌和原生動物 4.4 固體發(fā)酵固體發(fā)酵青霉素是最早發(fā)現(xiàn)并用于臨床的一種抗生素。1928年為英國人Fleming A.發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)40年代投入工業(yè)生產(chǎn)。 4.5 典型產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)典型產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn) 4 發(fā)酵工程發(fā)酵工程4.5.1 抗生素發(fā)酵生產(chǎn)抗生素發(fā)酵生產(chǎn) 目前全世界用于生產(chǎn)青霉素的高產(chǎn)菌株，大都由菌株Wis Q176（一種產(chǎn)黃青霉，Penicilliumchrysogenum）經(jīng)不同改良途徑得到。青霉素工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)水平已達85000 U/mL以上。 4.5.1 抗生素發(fā)酵生產(chǎn)抗生素發(fā)酵生產(chǎn)4.5.1.1 青霉素發(fā)酵生產(chǎn)菌株青霉素發(fā)酵生產(chǎn)菌株碳源：淀粉經(jīng)酶水解的葡萄糖糖化液 。氮源：玉米漿、花生餅粉、精制棉籽餅 粉或麩皮 。前體：苯乙酸或苯乙酰胺 。無機鹽 ：包括硫、磷、鈣、鎂、鉀等鹽類。 4.5.1 抗生素發(fā)酵生產(chǎn)抗生素發(fā)酵生產(chǎn)4.5.1.2 青霉素發(fā)酵生產(chǎn)培養(yǎng)基青霉素發(fā)酵生產(chǎn)培養(yǎng)基4.5.1.3 青霉素青霉素發(fā)酵工藝發(fā)酵工藝?yán)鋬龉?斜面母瓶 孢子培養(yǎng) 25，67天 大米孢子 孢子培養(yǎng) 25，67天 一級種子罐 種子培養(yǎng) 25，4045h，12vvm 二級種子罐 種子培養(yǎng) 25，1315h，11.5vvm 發(fā)酵罐 發(fā) 酵 2226，110.8vvm，67天 放罐 提煉 冷至15 4.5.1 抗生素發(fā)酵生產(chǎn)抗生素發(fā)酵生產(chǎn)過濾：采用鼓式真空過濾器； 提煉：溶媒萃取法； 脫色：活性炭脫色； 結(jié)晶：丁醇共沸結(jié)晶法。 發(fā)酵后處理 4.5.1.3 青霉素發(fā)酵工藝青霉素發(fā)酵工藝l 谷氨酸是目前氨基酸生產(chǎn)中產(chǎn)量最大的一種，谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝也是氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)中最典型和最成熟的。l 谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)菌種主要有棒狀桿菌屬（Corynebacterium）、短桿菌屬（Brevibacterium）、小桿菌屬（Microbacterium）及節(jié)桿菌屬(Arthrobacter)的細(xì)菌。 4.5 典型產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)典型產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)4.5.24.5.2 氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸棒狀桿菌l 谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)以淀粉水解糖為原料。l 谷氨酸提取有等電點法、離子交換法、金屬鹽沉淀法、鹽酸鹽法和電滲析法，以及將上述方法結(jié)合使用的方法。國內(nèi)多采用的是等電點離子交換法。 4.5.2 氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸鈉味精l 維生素的生產(chǎn)多采用化學(xué)合成法，后來人們發(fā)現(xiàn)某些微生物可以完成維生素合成中的某些重要步驟，在此基礎(chǔ)上，化學(xué)合成與生物轉(zhuǎn)化相結(jié)合的半合成法在維生素生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。目前可以用發(fā)酵法或半合成法生產(chǎn)的維生素有維生素C、B2、B12、D，以及-胡蘿卜素等。 4.5 典型產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)典型產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)4.5.34.5.3 維生素發(fā)酵生產(chǎn)維生素發(fā)酵生產(chǎn)l 維生素C的化學(xué)合成方法一般指萊氏法，后來人們改用微生物脫氫代替化學(xué)合成中L-山梨糖中間產(chǎn)物的生成，使山犁糖的得率提高一倍，我國進一步利用另一種微生物將L-山梨糖轉(zhuǎn)化為2-酮基-L-古龍酸，再經(jīng)化學(xué)轉(zhuǎn)化生產(chǎn)維生素C，稱為兩步法發(fā)酵工藝。這種方法使得維生素C的產(chǎn)量得到大幅度提高。l 第一步發(fā)酵所用菌株是生黑葡萄糖酸桿菌(Gluconobactermelanogenus)或弱氧化醋酸桿菌(Acetobactersuboxydans) ；第二步發(fā)酵的菌株是氧化葡萄糖酸桿菌(G.oxydans)和條紋假單胞桿菌（Pseudomonasstriata）。 4.5.3 維生素發(fā)酵生產(chǎn)維生素發(fā)酵生產(chǎn)u微生物發(fā)酵產(chǎn)物有哪幾種類型？u發(fā)酵培養(yǎng)基由哪些成分組成？u比較分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和補料分批發(fā)酵的優(yōu)缺點。u下游處理過程分為哪幾個步驟？相應(yīng)的分離方法有哪些？u簡述青霉素的生產(chǎn)工藝。復(fù)習(xí)思考題復(fù)習(xí)思考題 4 發(fā)酵工程發(fā)酵工程1劉如林劉如林.微生物工程概論微生物工程概論. 天津：南開大學(xué)出版社天津：南開大學(xué)出版社.19952熊宗貴熊宗貴.發(fā)酵工藝原理發(fā)酵工藝原理. 北京：中國醫(yī)藥科技出版社北京：中國醫(yī)藥科技出版社.19953俞俊棠，唐孝宣俞俊棠，唐孝宣.生物工藝學(xué)（上、下）生物工藝學(xué)（上、下）. 上海：華東化工學(xué)院出版上海：華東化工學(xué)院出版社社.19924焦瑞身焦瑞身.微生物工程北京：化學(xué)工業(yè)出版社微生物工程北京：化學(xué)工業(yè)出版社.20035姚汝華姚汝華.微生物工程工藝原理微生物工程工藝原理.第二版第二版. 廣州：華南理工大學(xué)出版社廣州：華南理工大學(xué)出版社.20056朱圣庚等朱圣庚等.生物技術(shù)生物技術(shù). 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社.19957Smith John E. Biotechnology. 3rd ed. Cambridge University Press.1996主要參考文獻主要參考文獻 4 發(fā)酵工程發(fā)酵工程