发酵工程2012生物科学

1、第四章第四章 发发 酵酵 工工 程程 细胞工程细胞工程 酶工程酶工程 发酵工程发酵工程 基因工程基因工程 生物生物 工程工程 发酵工程是一个历史悠久的行业，与人类生活和健康息息相关。发酵工程是一个历史悠久的行业，与人类生活和健康息息相关。 日常的发酵产品？日常的发酵产品？ 发酵工程的定义？发酵工程的定义？ 1 1 发酵工程概论发酵工程概论 1.1 1.1 发酵的概念发酵的概念 1.1.1 1.1.1 传统意义上的传统意义上的“发酵发酵”概念概念 用来描述用来描述“酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气泡酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气泡”的现象。的现象。 1.1.2 1.1.2 生物化学和生理学意义的生

2、物化学和生理学意义的“发酵发酵” 概念概念 指微生物在无氧条件下，分解各种有机物，产指微生物在无氧条件下，分解各种有机物，产 生能量的一种方式。生能量的一种方式。 如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精 并放出并放出COCO2 2 1.1.3 1.1.3 工业意义上的工业意义上的“发酵发酵”概念概念 泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程，泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程， 包括：包括： （1 1）厌氧发酵的生产过程，如酒精，乳酸等。）厌氧发酵的生产过程，如酒精，乳酸等。 （2 2）好氧（通气）发酵的生产过程，如抗生素、氨）好氧（通气）发酵的生产

3、过程，如抗生素、氨 基酸、酶制剂等。基酸、酶制剂等。 1.1.4 1.1.4 现代现代“发酵发酵” 泛指泛指“利用生物细胞（应用生物技术获得的细利用生物细胞（应用生物技术获得的细 胞）生产某种产物的过程胞）生产某种产物的过程又称新型发酵。又称新型发酵。 发酵工程：发酵工程： 亦称（微）生物工程，是大规模发酵生产亦称（微）生物工程，是大规模发酵生产 工艺的总称，就是利用生物细胞的生命活动，工艺的总称，就是利用生物细胞的生命活动， 通过现代工程技术手段来生产有用物质的技术。通过现代工程技术手段来生产有用物质的技术。 1.2 1.2 发酵工程的主要发展阶段发酵工程的主要发展阶段 1.2.1 1.2.

4、1 天然发酵阶段：传统的酿酒、制酱等。天然发酵阶段：传统的酿酒、制酱等。 1.2.2 1.2.2 纯培养阶段：人工控制微生物发酵过程纯培养阶段：人工控制微生物发酵过程 （第一个转折点）（第一个转折点） 1.2.3 1.2.3 通气搅拌技术阶段通气搅拌技术阶段：（第二个转折点）第二个转折点） 1.2.4 1.2.4 代谢控制发酵技术阶段代谢控制发酵技术阶段：（：（第三个转折第三个转折 点）点） 1.2.5 1.2.5 利用基因工程菌进行发酵阶段利用基因工程菌进行发酵阶段：（：（第四第四 个转折点）个转折点） 1.3 1.3 发酵工程技术的应用发酵工程技术的应用 1.3.1 1.3.1 医药工业医

5、药工业 抗生素、维生素、酶、疫苗、干扰素等抗生素、维生素、酶、疫苗、干扰素等 1.3.2 1.3.2 食品工业食品工业 SCPSCP、氨基酸、饮料、酒类、添加剂等、氨基酸、饮料、酒类、添加剂等 1.3.3 1.3.3 能源工业能源工业 纤维素、半纤维素的转化、采油、产氢、沼气的生产等。纤维素、半纤维素的转化、采油、产氢、沼气的生产等。 1.3.4 1.3.4 化学工业化学工业 乙醇、丙酮、生物塑料、表面活性剂等。乙醇、丙酮、生物塑料、表面活性剂等。 1.3.5 1.3.5 冶金工业冶金工业 黄金开采和铜、铀等金属的浸提等。黄金开采和铜、铀等金属的浸提等。 1.3.6 1.3.6 农业、牧业农业

6、、牧业 生物固氮、生物杀虫剂、微生物农药、微生物饲料等。生物固氮、生物杀虫剂、微生物农药、微生物饲料等。 1.3.7 1.3.7 环境保护环境保护 有机废物（生活垃圾）的微生物的降解。有机废物（生活垃圾）的微生物的降解。 以上这些应用可概括为五个方面的内容：以上这些应用可概括为五个方面的内容： 1 1、微生物菌体发酵、微生物菌体发酵 2 2、微生物酶发酵、微生物酶发酵 3 3、微生物代谢产物发酵、微生物代谢产物发酵 4 4、微生物的转化发酵、微生物的转化发酵 5 5、生物工程细胞发酵：指、生物工程细胞发酵：指“应用生物技术获得的细胞进行培养的新型发酵应用生物技术获得的细胞进行培养的新型发酵”

7、（动、植物细胞、杂交瘤细胞等的培养）。（动、植物细胞、杂交瘤细胞等的培养）。 这些内容都通过以下两大发酵类型来实现。这些内容都通过以下两大发酵类型来实现。 发酵技术的特点：发酵技术的特点： 速度快；速度快； 条件人工可控；条件人工可控； 原料可再生（易得）；原料可再生（易得）； 产物分子复杂；产物分子复杂； 易染菌；易染菌； 2 2 发酵过程及控制发酵过程及控制 2.1 2.1 发酵一般过程发酵一般过程 生产者生产者 原料原料 场所场所 产品产品 生物细胞生物细胞 培养基培养基 发酵罐发酵罐 产品产品 发酵罐发酵罐 (发酵条件控制) 发酵工程的一般过程 2.2 2.2 微生物及菌种微生物及菌种

8、 微生物广泛地存在于自然界中，与人们生活紧微生物广泛地存在于自然界中，与人们生活紧 密相关，有的有害，有的有益。如密相关，有的有害，有的有益。如 2.2.1 2.2.1 工业生产常用微生物工业生产常用微生物 细菌：细菌：醋酸、丙酮、丁醇、乳酸以及氨基酸、酶、醋酸、丙酮、丁醇、乳酸以及氨基酸、酶、 维生素、酸菜、酸奶；维生素、酸菜、酸奶； 霉菌：霉菌：酶制剂（制曲）、制药、饲料；酶制剂（制曲）、制药、饲料； 酵母菌：酵母菌：单细胞蛋白、酒精生产（酿酒）、疫苗；单细胞蛋白、酒精生产（酿酒）、疫苗； 2.2.1.1 2.2.1.1 细菌类细菌类 （1 1）枯草芽孢杆菌）枯草芽孢杆菌 （2 2）大肠杆

9、菌）大肠杆菌 （3 3）醋酸杆菌）醋酸杆菌 （4 4）棒状杆菌）棒状杆菌 （5 5）短杆菌（产氨短杆菌）短杆菌（产氨短杆菌） 球菌球菌 杆菌 2.2.1.22.2.1.2、霉菌类、霉菌类 （1 1） 黑曲霉黑曲霉 （2 2） 米曲霉米曲霉 （3 3） 青青 霉霉 （4 4） 木木 霉霉 （5 5） 根根 霉霉 （6 6） 毛毛 霉霉 黑曲霉平板生长菌落图像黑曲霉平板生长菌落图像 米曲霉电镜观察图像 米曲霉平板培养菌落图 青霉 木霉 根霉 毛霉毛霉 毛霉在毛霉在PDA培养基上的菌落特征培养基上的菌落特征 2.2.1.3 2.2.1.3 放线菌类放线菌类 （1 1）链霉菌属）链霉菌属 （2 2）诺

10、卡氏菌属）诺卡氏菌属 2.2.1.4 2.2.1.4 酵母类酵母类 （1 1）啤酒酵母）啤酒酵母 第一个完成全基因组序列测定的真核生物（第一个完成全基因组序列测定的真核生物（19971997）；）； （2 2）假丝酵母）假丝酵母 酿酒酵母 2.2.2 2.2.2 工业化生产对菌种的要求：工业化生产对菌种的要求： (1)(1)能利用廉价原料，产物产率高；能利用廉价原料，产物产率高； (2)(2)条件易掌握和控制；条件易掌握和控制； (3)(3)速度快；速度快； (4)(4)满足代谢调控要求；满足代谢调控要求； (5)(5)抗噬菌体的能力强；抗噬菌体的能力强； (6)(6)优良性能持久、稳定；优良

11、性能持久、稳定； (7)(7)非病源菌；非病源菌； 获得生产用微生物菌种的一般过程获得生产用微生物菌种的一般过程: : 原菌种原菌种斜面试管斜面试管 液体试管液体试管 或三角瓶或三角瓶 一级种子罐一级种子罐二级种子罐二级种子罐发酵罐发酵罐 接种：可采用菌体或孢子 对于细菌、酵母，常采用菌体接种； 对于霉菌、放线菌，常采用孢子接种；包括孢子悬浮液的制备 （1 1）培养基成分）培养基成分 A A、因孢子和菌丝体不同而异；、因孢子和菌丝体不同而异； B B、最后一级种子培养基应尽量与发酵培养基一致；、最后一级种子培养基应尽量与发酵培养基一致； C C、配比恰当、新鲜；、配比恰当、新鲜； （2 2）种

12、龄与种量：对数期、）种龄与种量：对数期、1%-10%1%-10%； （3 3）培养条件：温度、）培养条件：温度、 pHpH值、溶解氧；值、溶解氧； （4 4）泡沫：泡沫影响氧溶解和传递；）泡沫：泡沫影响氧溶解和传递； （5 5）染菌：染菌影响（纯、壮、量）；）染菌：染菌影响（纯、壮、量）； （6 6）种子罐级数：与）种子罐级数：与“菌种生长特性、孢子发芽菌种生长特性、孢子发芽 及菌体繁殖速度、罐的容积及菌体繁殖速度、罐的容积”有关。有关。 2.3 2.3 培养基及其制备培养基及其制备 生物体主要由：生物体主要由：C C、H H、O O、N N 四种元素组成。四种元素组成。 发酵培养基的组成和配

13、比，因微生物种类、设备、工艺、原料来源及质量不同而有发酵培养基的组成和配比，因微生物种类、设备、工艺、原料来源及质量不同而有 所差别所差别 碳源：碳源： 碳源是组成培养基的主要成分之一（菌体干物质的碳源是组成培养基的主要成分之一（菌体干物质的50%50%以上是碳）。以上是碳）。 主要功能：细胞、产物的骨架；主要功能：细胞、产物的骨架； 来源：糖类；来源：糖类； 氮源氮源 氮源也是培养基的主要成分之一氮源也是培养基的主要成分之一（占干物质量的（占干物质量的10%10%）。 主要功能：细胞、酶产物的组成；主要功能：细胞、酶产物的组成； 来源：有机氮、无机氮；来源：有机氮、无机氮； 无机盐及微量元素

14、无机盐及微量元素 主要功能：组成、辅助因子等；来源：盐（原料、主要功能：组成、辅助因子等；来源：盐（原料、 水）；水）； 特殊生长因子特殊生长因子 不可缺、量微，自身不能合成或量不够。不可缺、量微，自身不能合成或量不够。 主要功能：辅酶，电子受体；主要功能：辅酶，电子受体； 来源：来源： 水水 水是物质溶解和生化反应的基础。水是物质溶解和生化反应的基础。 功能：功能： 2.4 2.4 发酵及控制发酵及控制 2.4.1 2.4.1 发酵类型发酵类型 比较一下各 自的有缺点 2.4.2 2.4.2 生物反应器生物反应器(Bioreactor)(Bioreactor) 2.4.2.1 2.4.2.1

15、 发酵罐的基本条件发酵罐的基本条件 适宜适宜D/HD/H； 承载一定的压力；承载一定的压力； 充分混合充分混合( (好氧好氧) )； 密封严，无泄漏；密封严，无泄漏； 结构要经济；结构要经济； 2.4.2.2 2.4.2.2 液态厌氧发酵设备液态厌氧发酵设备 有冷却装置有冷却装置 没有通风装置没有通风装置 代表：代表： （1 1）酒精发酵罐）酒精发酵罐 （2 2）啤酒发酵罐）啤酒发酵罐 2.4.2.3 2.4.2.3 液态好氧发酵罐液态好氧发酵罐 有冷却装置；有冷却装置； 有通风装置；有通风装置； 代表：代表： 机械搅拌发酵罐机械搅拌发酵罐 气体搅拌发酵罐气体搅拌发酵罐 机械搅拌发酵罐 （2

16、2）气体搅拌发酵罐）气体搅拌发酵罐 内循环内循环 外循环外循环 2.4.3 2.4.3 发酵的操作方式发酵的操作方式 2.4.3.1 2.4.3.1 间歇发酵法间歇发酵法 一次性；不稳定；一次性；不稳定； 过程，营养不断减少，微生物不断增殖，环境呈不稳定状态。过程，营养不断减少，微生物不断增殖，环境呈不稳定状态。 微生物生长的四个时期明显。微生物生长的四个时期明显。 应用广泛应用广泛 分批培养微生物群体的生长 1.1.延滞期延滞期 2.2.对数期对数期 3.3.稳定期稳定期 4.4.衰亡期衰亡期 1 2 3 4 2.4.3.2 2.4.3.2 连续发酵法连续发酵法 等量流入流出；等量流入流出；

17、 各种变化各种变化0 0； 微生物群体生长的四个时期不完整；微生物群体生长的四个时期不完整； 常用于废水处理、葡萄糖酸、酒精、氨基酸发酵等工业中；常用于废水处理、葡萄糖酸、酒精、氨基酸发酵等工业中； F,SF,S0 0 V,S,X,PV,S,X,PF,S,X,PF,S,X,P 单级连续发酵单级连续发酵 123 4567 糖化醪糖化醪 + 酒母酒母 多级连续发酵系统多级连续发酵系统 连续发酵的优点：连续发酵的优点： 操作稳定；操作稳定； 利于机械、自动化；利于机械、自动化； 提高设备的利用率；提高设备的利用率； 减少灭菌次数；减少灭菌次数； 易于过程优化；易于过程优化； 连续发酵的缺点：连续发酵

18、的缺点： 易染菌；易染菌； 微生物易变异；微生物易变异； 对产品类型的适应性不广；对产品类型的适应性不广； 对设备及附件要求高；对设备及附件要求高； 2.4.3.3 2.4.3.3 补料间歇发酵法补料间歇发酵法 在分批培养时，连续地供给培养基到一定程度的方法，称为补料分批培养法。在分批培养时，连续地供给培养基到一定程度的方法，称为补料分批培养法。 用于面包酵母、氨基酸、抗生素等工业。用于面包酵母、氨基酸、抗生素等工业。 补料间歇发酵的特点：补料间歇发酵的特点： 可以解除底物抑制、产物抑制、可以解除底物抑制、产物抑制、G G分解阻遏或克服微生物过度生长等；分解阻遏或克服微生物过度生长等； 2.4

19、.4 2.4.4 发酵工艺控制发酵工艺控制 2.4.4.1 2.4.4.1 温度的控制温度的控制 (1)(1)影响发酵温度的因素影响发酵温度的因素 培养基氧化、机械搅拌等产生一定的热量、培养基氧化、机械搅拌等产生一定的热量、 罐壁散热、水分蒸发带走部分热量。罐壁散热、水分蒸发带走部分热量。 辐射蒸发搅拌生物发酵 QQQQQ (2)(2)为什么要控制温度：为什么要控制温度： 影响产物生成速度影响产物生成速度 影响发酵液性质影响发酵液性质 影响产物种类影响产物种类 a.a.改变酶系改变酶系中间产物种类中间产物种类产物种类产物种类; ; b. b.使代谢比例失调；使代谢比例失调； 影响产物特性影响产

20、物特性 (3)(3)控制方式：控制方式： 冷媒（喷淋、蛇管、夹套）冷媒（喷淋、蛇管、夹套） 2.4.4.2 pH2.4.4.2 pH的控制的控制 （1 1）控制）控制pHpH的意义的意义 不同种类微生物，对不同种类微生物，对pHpH要求不同；要求不同； 同种微生物对同种微生物对pHpH变化的反应不同。变化的反应不同。 pHpH不同，微生物代谢产物不同。不同，微生物代谢产物不同。 微生物生长和发酵的最适宜微生物生长和发酵的最适宜pHpH可能不同。可能不同。 (2)(2)引起发酵引起发酵pHpH变化的因素变化的因素 下降下降 培养基中培养基中C/NC/N太高，有机酸积累；太高，有机酸积累； 消沫油

21、加得过多；消沫油加得过多； 生理酸性物质过多；生理酸性物质过多； 上升上升 C/NC/N比例太低，比例太低，N N过多，氨基氮释放；过多，氨基氮释放； 生理碱性物质过多；生理碱性物质过多； 中间补料时碱性物加入量过大；中间补料时碱性物加入量过大； （3 3）控制）控制pHpH的方法的方法 A A、常见方法、常见方法 调整生理碱性和酸性盐类的比例；调整生理碱性和酸性盐类的比例； 选择不同选择不同C C、N N的种类和比例；的种类和比例； 添加缓冲剂；添加缓冲剂； 流加酸或碱；流加酸或碱； B B、应急措施、应急措施 改变搅拌转速或通气量，以改变溶解氧浓度，控制改变搅拌转速或通气量，以改变溶解氧浓

22、度，控制 有机酸的积累量及其代谢速度；有机酸的积累量及其代谢速度； 改变温度，以控制微生物代谢速度；改变温度，以控制微生物代谢速度； 改变罐压及通气量，降低改变罐压及通气量，降低COCO2 2的溶解量；的溶解量； 改变加油或加糖量等，调节有机酸的积累量；改变加油或加糖量等，调节有机酸的积累量； 2.4.4.3 2.4.4.3 溶解氧溶解氧 （1 1）影响氧溶解的因素）影响氧溶解的因素 温度；温度； 微生物需氧量微生物需氧量（耗氧速率，本质）（耗氧速率，本质）； 氧溶解的推动力；氧溶解的推动力； （2 2）控制溶解氧的意义）控制溶解氧的意义 （ 多数发酵产品的生产是好氧发酵；多数发酵产品的生产是

23、好氧发酵； 培养基中的氧不足以维持发酵过程；培养基中的氧不足以维持发酵过程； 不同微生物或同一微生物的不同生长阶段对不同微生物或同一微生物的不同生长阶段对 氧的要求也不相同；氧的要求也不相同；） 节约能量节约能量 在发酵工业中，氧主要通过通入无菌空在发酵工业中，氧主要通过通入无菌空 气的方式来供给。气的方式来供给。 通气量与菌种、培养基性质、培养阶段通气量与菌种、培养基性质、培养阶段 有关。有关。 通气量的大小，最好由氧溶解量的多少通气量的大小，最好由氧溶解量的多少 来决定。而氧溶解量的多少与多种因素有关。来决定。而氧溶解量的多少与多种因素有关。 （3 3）提高溶解氧的方法 增加氧溶解的推动力

24、 增加通气量、提高氧分压； 延长氧的停留时间： 提高搅拌转速、搅拌器形式； 3 3、典型产品的发酵生产、典型产品的发酵生产 3.1 3.1 谷氨基酸发酵谷氨基酸发酵 AAAA是构成蛋白成分；是构成蛋白成分； 目前世界上可用发酵法生产氨基酸有目前世界上可用发酵法生产氨基酸有2020多种。多种。 氨基酸的用途氨基酸的用途 (1)(1)食品工业：食品工业： 强化食品：强化食品：( (赖氨酸，苏氨酸，色氨酸赖氨酸，苏氨酸，色氨酸) ) 增鲜剂：谷氨酸单钠和天冬氨酸增鲜剂：谷氨酸单钠和天冬氨酸 甜味剂：苯丙氨酸与天冬氨酸生成低热量甜味剂：苯丙氨酸与天冬氨酸生成低热量 二肽二肽 (-(-天冬酰苯丙氨酸甲酯

25、天冬酰苯丙氨酸甲酯) ) 。 (2) (2) 饲料工业：饲料工业： 甲硫氨酸等必需氨基酸可用于制造动物饲料甲硫氨酸等必需氨基酸可用于制造动物饲料 (3) (3) 医药工业：医药工业： 多种复合氨基酸制剂可通过输液治疗营养或多种复合氨基酸制剂可通过输液治疗营养或 代谢失调代谢失调 ； 苯丙氨酸与氮芥子气合成的苯丙氨酸氮芥子苯丙氨酸与氮芥子气合成的苯丙氨酸氮芥子 气对骨髓肿瘤治疗有效，且副作用低。气对骨髓肿瘤治疗有效，且副作用低。 (4) (4) 化学工业：化学工业： 谷氨基钠作洗涤剂，丙氨酸制造丙氨酸纤维。谷氨基钠作洗涤剂，丙氨酸制造丙氨酸纤维。 3.1.1 3.1.1 生产菌株生产菌株 棒状杆

26、菌、短杆菌、小杆菌（棒状杆菌、短杆菌、小杆菌（B9B9、AS1.542AS1.542、AS1.299AS1.299）、）、 T6T613(13(天津天津) ) 、7338 7338 ( (北京北京) ) ，都是需氧型细菌；，都是需氧型细菌； 野生菌株发酵；野生菌株发酵； 营养缺陷型突变发酵；营养缺陷型突变发酵； 抗抗AAAA结构类似物突变株发酵；结构类似物突变株发酵； 抗抗AAAA结构类似物突变株的营养缺陷型菌株发；结构类似物突变株的营养缺陷型菌株发； 营养缺陷型回复突变株发酵；营养缺陷型回复突变株发酵； 3.1.2 3.1.2 培养基培养基 各级培养基要求不同，总原则：逐渐趋于工业各级培养基

27、要求不同，总原则：逐渐趋于工业 化原料。化原料。 我国各工厂目前使用的菌株主要是钝齿棒杆我国各工厂目前使用的菌株主要是钝齿棒杆 菌和北京棒杆菌及各种诱变株。菌和北京棒杆菌及各种诱变株。 生长特点：适用于糖质原料，需氧，以生物生长特点：适用于糖质原料，需氧，以生物 素为生长因子。素为生长因子。 各级种子基本要素相同，但原料不同；各级种子基本要素相同，但原料不同； （1 1）斜面培养：）斜面培养： 蛋白胨、牛肉膏、氯化钠组成的蛋白胨、牛肉膏、氯化钠组成的pH7.0-7.2pH7.0-7.2 琼脂培养基，琼脂培养基，3232培养培养18-24h18-24h。 （2 2）一级种子培养：）一级种子培养：

28、 由葡萄糖、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、硫酸镁、硫由葡萄糖、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、硫酸镁、硫 酸铁及硫酸锰组成。酸铁及硫酸锰组成。pH6.5-6.8pH6.5-6.8。1000ml1000ml装装200-250ml200-250ml 振荡，振荡，32 32 培养培养12h12h。 （3 3）二级种子培养：）二级种子培养： 用种子罐培养，料液量为发酵罐投料体积的用种子罐培养，料液量为发酵罐投料体积的1 1，用水，用水 解糖代替葡萄糖，于解糖代替葡萄糖，于32 32 进行通气搅拌进行通气搅拌7-10h7-10h。 种子质量要求：二级种子培养结束时，无杂菌或噬菌种子质量要求：二级种子培养结束时，无

29、杂菌或噬菌 体污染，菌体大小均一，呈单个或八字排列。活菌数体污染，菌体大小均一，呈单个或八字排列。活菌数 为为10108 8-10-109 9 /ml /ml。 （4 4）发酵）发酵 水解糖液水解糖液( (或糖蜜或糖蜜) ) + + 尿素尿素 + + 玉米浆玉米浆 3.1.3 3.1.3 发酵工艺控制发酵工艺控制 （1 1）适应期：）适应期：pHpH上升（尿素分解出氨使），糖不上升（尿素分解出氨使），糖不 利用。利用。2-4h2-4h。 措施：接种量和发酵条件控制使期缩短。措施：接种量和发酵条件控制使期缩短。 （2 2）对数生长期：糖耗快，）对数生长期：糖耗快， pHpH又迅速下降又迅速下降(

30、 (因氨被利因氨被利 用用) )。溶氧急剧下降后维持在一定水平。菌体浓度迅。溶氧急剧下降后维持在一定水平。菌体浓度迅 速增大，菌体形态为排列整齐的八字形。不产酸。速增大，菌体形态为排列整齐的八字形。不产酸。 12h12h。 措施：及时供给菌体生长必须的氮源及调节措施：及时供给菌体生长必须的氮源及调节pHpH， 在在pH7.5-8.0pH7.5-8.0时流加尿素；维持温度时流加尿素；维持温度30- 3230- 32 两个耗糖高速期 ： 1.1.延滞期延滞期 2.2.对数期对数期 3.3.稳定期稳定期 4.4.衰亡期衰亡期 1 2 3 4 （3 3）菌体生长停止期：谷氨酸合成。）菌体生长停止期：谷

31、氨酸合成。 措施：流加氨（提供氮、维持措施：流加氨（提供氮、维持pHpH在在7.2-7.47.2-7.4）。）。 大量通气，控制温度大量通气，控制温度34-37 34-37 。 （4 4）发酵后期：菌体衰老，糖耗慢，残糖低。）发酵后期：菌体衰老，糖耗慢，残糖低。 措施：营养物耗尽酸浓度不增加时，及时放措施：营养物耗尽酸浓度不增加时，及时放 罐。罐。 发酵周期一般为发酵周期一般为30h30h。 注意：注意： （1 1）控制磷酸盐浓度（必需，但不过量，否则）控制磷酸盐浓度（必需，但不过量，否则 做成缬氨酸发酵）；做成缬氨酸发酵）； （2 2）防治噬菌体污染；）防治噬菌体污染； （3 3）控制好生物

32、素的量：当生物素（玉米浆）控制好生物素的量：当生物素（玉米浆） 过量时，可添加青霉素或更换菌株法来解决。过量时，可添加青霉素或更换菌株法来解决。 在生物素过量时，为什么说添加青霉素是在生物素过量时，为什么说添加青霉素是 有效的？有效的？ 3.1.4 3.1.4 提取提取 （1 1）等电点法：）等电点法： 利用氨基酸分子的利用氨基酸分子的“两性两性” 谷氨酸等电点（谷氨酸等电点（pIpI）3.23.2 操作简单，收率操作简单，收率6060。周期长，占地面积大。周期长，占地面积大。 （2 2）离子交换法：）离子交换法： 用阳离子交换树脂提取吸附谷氨酸形成的阳离用阳离子交换树脂提取吸附谷氨酸形成的阳

33、离 子，再用热碱洗脱，收集相应流分，再加盐酸结晶。子，再用热碱洗脱，收集相应流分，再加盐酸结晶。 （3 3）硫酸锌盐沉淀法）硫酸锌盐沉淀法 (C(C5 5H H8 8O O4 4N)N)2 2Zn Zn （4 4）等电点离子交换法（国内最常用）等电点离子交换法（国内最常用） R-SO3-H+ + NH2+CHRCOOH R-SO3-H3+NCHRCOOH 用用NaOH洗脱，得谷氨酸洗脱，得谷氨酸 谷氨酸发酵研究新进展谷氨酸发酵研究新进展 (1)(1)选育各种生化突变菌株选育各种生化突变菌株 转化率提高，或可在富含生物素的培养基中保持较高转化率提高，或可在富含生物素的培养基中保持较高 产酸水平。

34、提高原料利用率，拓宽原料来源或简化操产酸水平。提高原料利用率，拓宽原料来源或简化操 作工艺。作工艺。 (2)(2)生物工程新技术的应用生物工程新技术的应用 固定化细胞技术、体外固定化细胞技术、体外DNADNA重组、原生质体融合技术。重组、原生质体融合技术。 (3)(3)改进发酵工艺改进发酵工艺 开拓原料开拓原料( (如醋酸发酵如醋酸发酵) )； 改进流加工艺或连续发酵；改进流加工艺或连续发酵； 优化发酵条件：通过电子计算机控制发酵条件；优化发酵条件：通过电子计算机控制发酵条件； 3.2 3.2 白酒生产工艺白酒生产工艺 3.2.1 3.2.1 绪论绪论 （1 1）白酒的起源）白酒的起源 酒：酒

35、： 旧石器时代，有果酒和奶酒；新石器时代：旧石器时代，有果酒和奶酒；新石器时代： 有谷物酿酒；有谷物酿酒； 世界技术发展史公认的蒸馏酒起源地有三个：世界技术发展史公认的蒸馏酒起源地有三个： 中国、印度、阿拉伯国家；中国、印度、阿拉伯国家； 起源于古代起源于古代“炼丹术炼丹术”（东方）（东方）和和“香料提取香料提取 技术技术”（印度和中东）（印度和中东）； 酿造酒：酿造酒： 含含糖糖物质物质（水果、乳类、糖类、谷物）（水果、乳类、糖类、谷物），经，经酵母酵母发酵，发酵， 过滤或压榨而得酒度低、刺激性弱的酒。过滤或压榨而得酒度低、刺激性弱的酒。 世界三大酿造酒黄酒、葡萄酒和啤酒世界三大酿造酒黄酒、

36、葡萄酒和啤酒 蒸馏酒：蒸馏酒： 含含糖糖物质物质（水果、乳类、糖类、谷物）（水果、乳类、糖类、谷物），经，经酵母酵母发酵，发酵， 蒸馏而得的透明的、含蒸馏而得的透明的、含酒精酒精（大于（大于20%v/v 20%v/v ）的饮料。的饮料。 中国白酒是世界著名的六大蒸馏酒之一。有中国白酒是世界著名的六大蒸馏酒之一。有 关其起源，有多种说法：关其起源，有多种说法： （1 1）元代起源说：）元代起源说：本草纲目本草纲目 “烧酒非古法也，自元时始烧酒非古法也，自元时始 创创” 。 （2 2）金代起源说：）金代起源说：邢润川从所发现的金代铜制烧锅的结构与元代邢润川从所发现的金代铜制烧锅的结构与元代 朱德润

37、所描述的蒸馏器结构相同。朱德润所描述的蒸馏器结构相同。 （3 3）东汉起源说：）东汉起源说：东汉时期的青铜蒸馏器东汉时期的青铜蒸馏器 + + 四川新都、彭州出土四川新都、彭州出土 带有描述蒸酒画像的东汉晚期的砖墙。带有描述蒸酒画像的东汉晚期的砖墙。 世界技术史学家认同东汉起源说；世界技术史学家认同东汉起源说； 大众流行饮用酒的历史只有大众流行饮用酒的历史只有500-600500-600年。年。 （二）蒸馏酒的种类 （1）中国白酒 以淀粉质原料原料，以中国 酒曲为糖化酵剂，经固态或半固 态发酵，再经蒸馏提高酒度而制 成的含酒精饮料。 特点：酒精含量高。色、香、味 宜人， “色泽澄清透明、玉洁冰清

38、，香气 馥郁芬芳、优雅细腻，味甘润柔和、 醇厚绵甜，余味净爽，风格独特”。 （2）威士忌 原料： 大、小、燕麦、黑麦、玉米； 糖化剂： 麦芽； 苏格兰威士忌(SCOTCH WHlSKY)： 世界上销量最大的威士忌； 根据麦芽汁的特点，苏格兰威 忌分三类: 纯麦型：大麦麦芽糖化 发酵釡蒸馏2次橡木桶贮 存； 粮谷型：大麦或玉米(80%)+ 麦芽(20%) 糖化 发酵 塔式蒸馏 橡木桶贮存 3年 调配； 兑和型：多种单体(大麦、玉米、麦 芽)威士忌按一定比例兑和而 成； 爱尔兰 美国波本 加拿大 粮谷型威士忌 兑和型(8种以上的单体)威士忌 （3）俄得克(伏特加) 谷物发酵 蒸馏 高纯度酒精+软水

39、活 性炭处理过滤； （4）金酒(杜松子酒) 谷物酒串蒸杜松子或香料蒸馏酒。 （5）老姆酒(RUM) 甘蔗或糖蜜发酵蒸馏橡木桶。 轻型：纯酵母发酵(古巴)； 浓型：酵母+丁酸菌共酵(牙买加); 老姆酒 （6）白兰地 它是以水果为原料，经发酵、蒸馏 制成的酒，再经橡木桶贮存而成的酒。 （7）烧耐： 原料:薯类、玉米; 烧耐 甲类烧酒：酒精材料蒸馏 (连续式蒸馏机)酒(36度); 乙类烧酒：酒精材料蒸馏 (单式蒸馏机)酒(45度); （三）中国白酒（蒸馏酒）的分类： （1）按使用的曲分类 A、大曲酒。（20%） B、小曲酒。（10%） C、麸曲酒。（70%） 分分 类类 种类种类特点特点代表酒代表酒

40、 用用 曲曲 大曲酒大曲酒以大曲作糖化发酵剂以大曲作糖化发酵剂五粮液、茅台酒五粮液、茅台酒 麸曲酒麸曲酒 以麸曲作糖化剂以麸曲作糖化剂, ,酒母酒母 作发酵剂作发酵剂 河北的迎春酒、山河北的迎春酒、山 西的二曲酒西的二曲酒 小曲酒小曲酒以小曲作糖化发酵剂以小曲作糖化发酵剂 桂林三花酒、广东桂林三花酒、广东 的玉冰烧酒的玉冰烧酒 （2 2）按）按酒度分类酒度分类 高度白酒：高度白酒：41% 41% 65%65%（V V） 低度白酒：低度白酒：乙醇，水分子强的氢键作用力与其它分子乙醇，水分子强的氢键作用力与其它分子（甲醇、乙醇、异戊醇）（甲醇、乙醇、异戊醇） 缔合，这种缔合力：甲醇缔合，这种缔合力

41、：甲醇乙醇乙醇异戊醇，所以，在蒸馏时，异戊醇，所以，在蒸馏时， 异戊醇在酒头，甲醇集中在酒尾。异戊醇在酒头，甲醇集中在酒尾。 结论：结论： 在固态蒸馏中，决定组分分离效果的不是沸点，而是组分间在固态蒸馏中，决定组分分离效果的不是沸点，而是组分间 引力大小。引力大小。 水分子的氢键作用力：酸水分子的氢键作用力：酸醇醇酯；酯； K=1的组分在酒度的组分在酒度75-80%处聚集；处聚集； （6）蒸馏操作）蒸馏操作 装甑原则：装甑原则： “装甑要轻巧、物料要疏松、撒料与上汽要均匀、盖料要准确、每层物料装甑要轻巧、物料要疏松、撒料与上汽要均匀、盖料要准确、每层物料 要薄、物料从下至上要平要薄、物料从下至

42、上要平”； 装甑方法：装甑方法： 见湿盖料或见汽盖料；见湿盖料或见汽盖料； 蒸馏蒸馏 汽量的掌握：缓汽蒸馏，大汽追尾；汽量的掌握：缓汽蒸馏，大汽追尾； 接酒温度：接酒温度： 30 或或40 40 ，太高散失香味；保证换热面积，避免憋汽；，太高散失香味；保证换热面积，避免憋汽； 看花取酒：大清花看花取酒：大清花酒度高；小清花酒度高；小清花酒度低；当无花有油珠出现时，酒度低；当无花有油珠出现时， 停止摘酒；停止摘酒； 掐头去尾：酒头酒尾的具体摘取量应根据原料种类、好坏、产品质量指标掐头去尾：酒头酒尾的具体摘取量应根据原料种类、好坏、产品质量指标 而定；而定； 3.3 3.3 抗生素发酵生产抗生素发

43、酵生产 3.3.1 3.3.1 生产菌株生产菌株 由由Q176(Q176(产黄青霉产黄青霉) )改良（诱变或基因工程技术）改良（诱变或基因工程技术） 3.3.2 3.3.2 培养基培养基 C C、N N、前体、无机盐（、前体、无机盐（FeFe含量含量30ug/ml30ug/ml） 3.3.3 3.3.3 工艺工艺 冷冻管冷冻管斜面母瓶斜面母瓶大米孢子大米孢子一级种子一级种子 二级种子二级种子发酵罐发酵罐放罐放罐提炼提炼 孢子培养 25,67天25,67天 孢子培养 种子培养 25,40-50h 种子培养 25,1315h 发酵 25,67天冷却到 15 菌种菌种 (strain)(strain

44、)：产黄青霉菌：产黄青霉菌 ( (Penicillium Penicillium chrysogenumchrysogenum) ) 孢子培养孢子培养 (spore cultivation)(spore cultivation)：25 25 C C, 6-7 d, 6-7 d 种子培养种子培养 (seed cultivation)(seed cultivation)： 25 25 C C， 2-3 d 2-3 d 发酵培养发酵培养 (fermentation)(fermentation)： 22-26 22-26 C C, 6-7 d, 6-7 d 加糖控制加糖控制 (sugar feeding)(sugar feeding)：残糖降至：残糖降至0.60.6； 青青 霉霉 素素 发发 酵酵 (1) Penicillin Fermentation 补氮补氮 (nitroge