发酵工程概论

一 、 发 酵 工 程 的 概 念 指 采 用 现 代 工 程 技 术 手 段 ， 利 用 微 生 物 的某 些 特 定 功能 ， 为 人 类 生 产有 用 的 产 品 或 直接 把 微 生 物 应 用于 工 业 生 产 过 程的 一 种 新 技 术 。 微 生 物 学 的 奠 基 人 伟 大 的 巴 斯 德 我 国 的 传 统 发 酵 产 品 酱 油 、醋 、 腐 乳 等 享 誉 世 界 我 国 的 酿 酒 已 经 有 4000多年 的 历 史 我 国 的 酱 油 距 今 已 有 3000年 的 历 史 1857年 巴 斯 德 证 明 发 酵 是由 于 微 生 物 的 作 用 密 闭 式 发 酵 罐 二 、 发 酵 工 程 的 生 产 实 例 谷 氨 酸是 味 精的 主 要成 分生 产 谷氨 酸 可以 采 用哪 些 方法 ？ 谷 氨 酸 棒 状 杆 菌 合 成 谷 氨 酸 的 途 径 谷 氨 酸 棒 状 杆 菌 在 一 定的 条 件 下 能 够 利 用 环 境中 的 营 养 物 质 来 合 成 谷氨 酸 。 在 工 厂 里 是怎 样 应 用 谷 氨 酸棒 状 杆 菌 来 生 产谷 氨 酸 的 ？ -酮 戊 二 酸 葡 萄 糖中 间 产 物谷 氨 酸 谷 氨 酸 脱 氢 酶NH 4+ 抑 制 （ 1） 菌 种 的 选 育（ 2） 培 养 基 的 配 制（ 3） 培 养 基 和 设 备 的 灭 菌（ 4） 扩 大 培 养 和 接 种（ 5） 发 酵 过 程需 严 格 控 制 温 度 、 PH、 溶 氧 、 通 气 量 与 转 速等 发 酵 条 件（ 6） 产 品 的 分 离 提 纯菌 体 可 采 用 过 滤 、 沉 淀 等 方 法 分 离代 谢 产 物 可 采 用 蒸 馏 、 萃 取 、 离 子 交 换 等 方 法提 取 中 心 阶 段三 、 发 酵 工 程 内 容（ 诱 变 育 种 、 基 因 工 程 和 细 胞 工 程 ） 、 是 不 是 所 有 的 谷 氨 酸 棒 状 杆 菌 都 可 用 于 谷 氨 酸发 酵 生 产 呢 ？ 我 们 应 该 选 育 什 么 样 的 谷 氨 酸 棒 状 杆菌 作 为 菌 种 呢 ？ 只 有 选 择 细 胞 膜 通 透 较 强 ， 在 细 胞 内 不 积 累 谷氨 酸 的 谷 氨 酸 棒 状 杆 菌 做 菌 种 才 有 可 能 获 得 大量 的 谷 氨 酸 。 、 谷 氨 酸 产 生 菌 的 种 类 谷 氨 酸 棒 状 杆 菌 、 黄 色 短 杆 菌等 菌 种 菌 种 的 选 育 要 想 通 过 发 酵 工 程 获 得 在 种 类 、 产 量 和 质量 等 方 面 符 合 人 们 要 求 的 产 品 ， 最 重 要 的是 要 有 优 良 的 菌 种 。 怎 样 才 能 得 到 优良 的 菌 种 呢 ？如 果 生 产 的 是 微 生 物 直 接 合成 的 产 物可 以 从 自 然 界 中 先 分 离 出 相应 的 菌 种 ， 再 用 物 理 或 化 学的 方 法 使 菌 种 产 生 突 变 ， 从突 变 个 体 中 筛 选 出 符 合 生 产 要 求 的 优 良 菌 种 。 如 果 生 产 的 是 一 般 微 生 物 不 能合 成 的 产 品 可 用 基 因 工 程 、 细 胞 工 程 的 方 法对 菌 种 的 遗 传 特 性 进 行 定 向 改 造 ，以 构 建 工 程 细 胞 或 工 程 菌 ， 从 而达 到 生 产 相 应 产 品 的 目 的 有 了 菌 种 用 什 么 样 的 培 养 基 去 培 养 呢 ？ 培 养 基 应 满 足 微 生 物 生 长 所 需 要 的 碳 源 、 氮 源 、水 、 无 机 盐 和 生 长 因 子 等 营 养 需 求 。 这 种 培 养 基 从 组 成 成 分 和 物 理 性 质 上 看 属于 哪 种 培 养 基 ? 从 物 理 性 质 上 看 是 液 体 培 养 基 ， 从 化 学 成 分 上看 是 天 然 培 养 基 。成 分 酸 碱 度豆 饼 水 解 液 、 玉 米 浆 、 尿 素 、 磷 酸 二氢 钾 、 氧 化 钾 、 硫 酸 镁 、 生 物 素 pH： 7 8培 养 基 的 配 制 问 ： 为 什 么 要 用 液 体 培 养 基 和 天 然 培 养 基 ？答 ： 能 使 营 养 物 质 在 发 酵 过 程 中 得 到 充 分的 利 用 ； 还 能 为 菌 体 提 供 更 大 的 生 存 空 间 ； 有 利 于 生 产 过 程 中 条 件 的 控 制 和 产 物的 提 取 。 能 满 足 菌 体 的 营 养 需 要 ； 能 降 低 生 产 成 本 ； 能 减 少 对 环 境 的 污 染 。 配 制 好 培 养 液 后 ， 是 否 可 以 立 即 加 入 菌 种 ？不 能需 要 进 行 灭 菌 为 什 么 要 杀 菌 ？ 如 何 灭 菌 算 彻 底 ？ 防 止 杂 菌 污 染 ， 对 发 酵 过 程 造 成 不 良 影 响 ；杀 死 所 有 杂 菌 的 细 胞 体 、 芽 孢 和 孢 子 将 培 养 液 投 放到 发 酵 罐 中 ， 通入 98kPa的 蒸 汽进 行 灭 菌灭 菌 是 否 可 以 将 所 选 择 的 优 良 谷 氨 酸 棒 状 杆 菌直 接 加 入 发 酵 罐 中 ？ 大 规 模 的 发 酵 生 产 需 要 大 量 的 菌 种 ， 应 先 经 过多 次 扩 大 培 养 。 这 样 可 以 缩 短 生 产 周 期 。 用 于 生 产 的 菌 种 应 选 择 处 于 对 数 期 的 谷 氨 酸 棒状 杆 菌 接 种 加 料 口放 料 口无 菌 空 气 入 口排 气 口冷 却 水 进 口冷 却 水 出 口PH检 测 及 控 制 装置搅 拌 器 发 酵 过 程 中 应 该 注 意 控 制 好 哪 些 条 件 ？ 温 度 Ph 氧 气 培 养 过 程 中 不 断 进 行 搅 拌 的 目 的 是 什 么 ？ 搅 拌 有 利 溶 氧 ， 还 能 使 培 养 液 和 菌 种 充 分 接 触 ，提 高 原 料 的 利 用 率谷 氨 酸 棒 状 杆菌 是 好 氧 菌发 酵 发酵工程生产产品的流程简图 发 酵 工 程 的 应 用（ 一 ） 在 医 药 工 业 上 的 应 用1.生 产 出 了 种 类 繁 多 的 药 品2.发 酵 工 程 对 医 药 工 业 的 一 个 重 大 贡 献 应 用 发 酵 工 程 大 量 生 产 的 基 因 工 程 药 品 ， 有 人生 长 激 素 、 重 组 乙 肝 疫 苗 、 某 些 种 类 的 单 克 隆抗 体 、 白 细 胞 介 素 2、 抗 血 友 病 因 子 等 。 应 用 特 点生 产 条 件 温 和原 料 来 源 丰 富价 格 低 廉产 物 专 一废 弃 物 对 环 境 污 染 小 容 易 处 理 等四 、 发 酵 工 程 的 应 用 在 医 药 工 业 上 的 应 用利 用 微 生 物 工 程 生 产 药 品维 生 素 、 动 物 激 素 、 药 用 氨 基 酸 、 核 苷酸 、 抗 生 素基 因 工 程 与 发 酵 工 程 结 合 人 的 生 长 激 素 、 生 长 激 素 释 放 抑 制 因子 、 胰 岛 素细 胞 工 程 与 发 酵 工 程 结 合 某 些 单 抗 复 合 维 生 素 片 在 食 品 工 业 上 的 应 用生 产 传 统 的 发 酵 产 品 啤 酒 、 醋 等生 产 各 种 食 品 添 加 剂 色 素 、 甜 味 剂 、 酸 味 剂 、 鲜 味 剂 等单 细 胞 蛋 白 微 生 物 菌 体 （ 富 含 蛋 白 质 ） 发 酵 工 程 的 应 用 微 生 物 菌 体 生 产如 利 用 酵 母 制 作 面 包 、 利 用 再 生 资 源 生 产饲 料 蛋 白 、 利 用 微 生 物 细 胞 作 为 生 物 催 化剂 等 微 生 物 代 谢 产 物 的 生 产通 常 包 括 有 机 酸 、 氨 基 酸 、 核 苷 酸 等 初 级代 谢 产 物 和 抗 生 素 、 维 生 素 、 激 素 、 生 物碱 、 细 胞 毒 素 等 次 级 代 谢 产 物 ， 以 及 各 种基 因 工 程 产 品发 酵 工 程 的 应 用 范 围 微 生 物 机 能 的 利 用如 在 治 理 环 境 污 染 中 用 微 生 物 对 有 毒 化合 物 和 高 分 子 化 合 物 的 分 解 净 化 、 石 油探 矿 和 开 采 、 细 菌 冶 金 、 有 机 废 弃 物 的综 合 治 理 、 海 洋 和 宇 宙 的 开 发 等 生 物 工 程 各 分 支 领 域 的 关 系生 物 工 程 的 上 游 工 程 ： 基 因 工 程 、 细 胞 工 程 按 照 人 的 要 求 改 造 物 种 ， 获 得 工 程 均 获 工程 细 胞生 物 工 程 的 下 游 工 程 ： 发 酵 工 程 、 酶 工 程 基 因 工 程 、 细 胞 工 程 产 业 化 基 因 工 程 、 细 胞 工 程 、 发 酵 工 程 中 需 要 的 酶 大多 通 过 酶 工 程 获 得 ； 酶 工 程 中 酶 的 生 产 一 般通 过 微 生 物 发 酵 的 方 法 获 得 。 知 识 巩 固选 取 菌 种制 备 培 养 液（ 灭 菌 ） 发 酵 罐（ 灭 菌 ） 控 制 发酵 条 件 生 产 氨基 酸 等 加 工提 取 产 品 育 种 方 法 原 理 育 种 过 程 优 点 不 足 实 例杂 交 育 种单 倍 体 育 种多 倍 体 育 种诱 变 育 种细 胞 工 程 育 种基 因 工 程 育 种 培 养 基 的 配 制 要 进 行 发 酵 生 产 ， 有 了 优 良 的 菌 种 还 需 要 有 与 菌种 相 适 应 的 培 养 基 。 在 配 制 培 养 基 时 应 该 注 意 哪些 事 情 呢 ？ （ 1） 根 据 不 同 的 菌 种 ， 应 选 择 不 同 的 材 料 配 制 培 养 基 。配 制 的 培 养 基 应 满 足 微 生 物 在 碳 源 、 氮 源 、 生 长 因 子 、水 、 无 机 盐 等 方 面 的 营 养 要 求 ， 并 为 微 生 物 提 供 适 宜的 pH。 （ 2） 培 养 基 的 营 养 要 协 调 ， 以 利 于 产 物 的 合 成 。 （ 3） 培 养 基 在 满 足 微 生 物 的 营 养 需 求 的 基 础 上 应 尽 量降 低 生 产 成 本 ， 以 得 到 更 高 的 经 济 效 益 。 灭 菌 发 酵 工 程 所 用 的 菌 种 大 多 是 单 一 的 纯 种 ，整 个 发 酵 过 程 中 不 能 混 入 杂 菌 。 这 是 为 什么 呢 ？ 在 发 酵 过 程 中 如 混 入 其 他 微 生 物 ， 将 与 菌 种 形成 竞 争 关 系 ， 对 发 酵 过 程 造 成 不 良 影 响 。 例 如 ： 如 果 在 谷 氨 酸 发 酵 过 程 中 混 入 放 线 菌 ，则 放 线 菌 分 泌 的 抗 生 素 就 会 使 大 量 的 谷 氨 酸 棒状 杆 菌 死 亡 。 如 果 在 青 霉 素 生 产 过 程 中 污 染 了杂 菌 ， 这 些 杂 菌 则 会 分 泌 青 霉 素 酶 ， 将 合 成 的青 霉 素 分 解 掉 。 灭 菌 那 如 何 防 止 杂 菌 的 污 染 呢 ？ 要 在 发 酵 前 对 培 养 基 和 发 酵 设 施 进 行 严 格 的 灭菌 处 理 。 怎 样 才 算 灭 菌 彻 底 呢 ？ 用 高 温 、 高 压 的 方 式 ， 杀 死 所 有 杂 菌 的 胞 体 、芽 孢 和 孢 子 。 扩 大 培 养 和 接 种 如 何 得 到 发 酵 生 产 所 需 要 的 大 量 菌 体 来 缩短 生 产 周 期 呢 ？ 经 过 多 次 的 扩 大 培 养 。 如 何 对 菌 种 进 行 扩 大 培 养 呢 ？ 扩 大 培 养 是 将 培 养 到 对 数 期 的 菌 体 分 开 ， 分 头进 行 培 养 ， 以 促 使 菌 体 数 量 快 速 增 加 ， 能 在 短时 间 里 得 到 大 量 的 菌 体 。 扩 大 培 养 和 接 种 扩 大 培 养 与 发 酵 生 产 过 程 中 的 培 养 有 何 不 同 呢 ？ 扩 大 培 养 是 为 了 让 菌 体 在 短 时 期 内 快 速 增 殖 ， 而 发酵 过 程 中 的 培 养 是 为 了 获 得 代 谢 产 物 ， 目 的 不 同 采 用的 培 养 条 件 就 有 可 能 不 同 。 例 如 ： 在 酒 精 发 酵 过 程 中 ， 扩 大 培 养 是 为 了 促 使 酵母 菌 快 速 增 殖 ， 因 此 是 在 有 氧 条 件 下 进 行 。 而 在 发 酵产 生 酒 精 的 过 程 中 则 必 须 在 无 氧 条 件 下 进 行 以 获 得 大量 的 酒 精 有 了 用 于 生 产 的 充 足 的 菌 体 ， 在 接 种 时 要 注 意 什么 事 项 呢 ？ 接 种 过 程 中 要 注 意 防 止 杂 菌 污 染 。 发 酵 过 程 将 菌 体 接 种 到 装 有 培 养 液 的 发 酵 罐 中 ， 还需 要 对 发 酵 过 程 进 行 检 测 和 对 发 酵 条 件 进行 控 制 。 这 是 为 什 么 呢 ？ 发 酵 产 物 主 要 在 菌 体 生 长 的 稳 定 期 产 生 。 因 此 ，要 在 发 酵 过 程 中 随 时 取 样 检 测 培 养 液 中 细 菌 数目 、 产 物 浓 度 以 了 解 发 酵 进 程 ， 及 时 添 加 必 需的 培 养 基 成 分 来 延 长 菌 体 生 长 稳 定 期 的 时 间 ，以 得 到 更 多 的 发 酵 产 物 。 同 时 ， 还 应 对 发 酵 条件 进 行 严 格 控 制 。 发 酵 过 程 哪 些 条 件 能 影 响 菌 体 的 发 酵 呢 ？ 发 酵 生 产 中 温 度 、 pH、 溶 氧 量 、 转 速 等 对 发酵 过 程 有 重 大 影 响 。 环 境 中 有 哪 些 非 生 物 因 素 可 能 影 响 谷 氨 酸 发 酵 ？ O2 温 度 3037 3437 PH 7.08.0 无 机 盐 PO43- 浓 度 过 高 ， 则 转 为 缬 氨 酸 发 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 变 化 ： 不 足 ： a 酮 戊 二 酸 多 余 ： 谷 氨 酰 胺 ； 分 离 、 提 纯 代 谢 产 物 采 用 过 滤 、 沉 淀 等 方 法 将 菌 体 从 培 养 液 中 分 离出 来 菌 体 本 身 ， 如 酵 母 菌 和 细 菌 等 采 用 蒸 馏 、 萃 取 、 离 子 交 换 等 方 法 进 行 提 取 。