微生物发酵工程概述-课件

微生物发酵工程概述

由于微生物代谢类型多样性，利用不同微生物对同一种物质进行发酵，以及一种微生物在不同条件下培养所得产物均不相同，我们可以按照微生物对氧的要求、发酵采用的方式，发酵过程的动力学等可分为以下类型：一、按微生物对氧的要求分类1、好氧发酵(又称好气发酵)大多数发酵属好氧发酵，如抗生素、有机酸、氨基酸、酶制剂、石油脱蜡等。2、厌氧发酵(嫌气发酵)发酵时不需供应氧气。如丙酮-丁醇发酵、乳酸发酵、丙酸发酵。3、兼性厌氧发酵酵母菌是一种兼性厌氧微生物，在缺氧条件下进行酒精发酵；在大量通气情况下则进行好气性发酵，产生大量酵母细胞。微生物发酵工程概述由于微生物代谢类型多1二、按照微生物发酵采用的方式分1、固体发酵

我国对发酵生产大致经历了固体发酵—浅盘发酵—液体发酵过程。固体发酵历史悠久，优点是投资少，设备简单，操作容易，因陋就简，耗能少。能获得较高的代谢产物产量。缺点：厂房面积大，生物反应器设计还不完善，难于准确测定含水量、菌体量和CO2生成量。固体发酵是发酵原料加上一定比例的水分，灭菌后置曲盘、草帘、深槽中或固体发酵罐中，冷却后接种发酵。发酵类型特点产物固体发酵原料+水（少量）柠檬酸固体发酵、酱油、菌肥、农药等液体发酵原料+水（大量）胰岛素、抗生素、柠檬酸、氨基酸、酶制剂、干扰素、白介素等。浅盘深层搅拌图3.1固体发酵表二、按照微生物发酵采用的方式分1、固体发酵发酵类型特点产物固22、液体发酵

此法是将所用原料配制成液体状态，可分为瓷盘静止培养(表面培养，此法劳动强度大，易污染，很快被深层液体培养所代替。现国内外大多采用液体深层发酵。过去多采用单罐方式分批发酵，后发展为连续发酵，补料分批发酵等方式（具体以后再讲）。其优点：①发酵率高，发酵周期短；②在液体中，菌体、底物、产物以及发酵产生的热量易于扩散，使发酵在均质条件下进行，便于控制，易扩大生产规模；③厂房面积小，生产效率高，易进行自动化控制，产品质量稳定；④产品易于提取、精制等。现代液体深层发酵已被广泛应用。缺点：耗能多，设备复杂，需要较大的投资，废物排放量多等缺点，仍需不断改进。2、液体发酵3三、按发酵动力学类型分t图3.2

发酵动力学类型图三、按发酵动力学类型分t图3.2发酵动力学类型图4（一）发酵动力学及其研究内容，目的1、发酵动力学及内容发酵动力学是研究发酵过程中菌体生长、营养消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律。研究内容包括：了解发酵过程中菌体生长速率、基质消耗和产物生成速率的相互关系，环境因素如温度、pH、溶解氧等对以上三者的影响。2、研究动力学的目的其目的就是要确定最佳发酵工艺条件，建立数学模型，使菌体在最好的条件下生长，得到最高产量。目前国内外已利用电子计算机，根据发酵动力学来设计程序，模拟最优化的工艺流程和发酵工艺参数，使生产达到最优化（如菌体浓度、基质浓度、温度、pH、溶解氧等参数的控制方案）。（一）发酵动力学及其研究内容，目的5（二）各类型的特点

1、分类依据根据产物生成与基质（碳源利用）消耗关系分I型、II型、III型；根据产物生成与生长是否偶联分三种：偶联型、混合型、非偶联型。

2、各类型的特点（1）类型I（偶联型）菌体增长与碳源利用相平行。二者之间有定量关系。菌体产量与碳源消耗之比称产量常数。产物积累与菌体的增长、碳源的消耗之间有着准量的关系。产物如：酒精、酵母、蘑菇、杆菌肽、氯霉素。特点：①产物形成直接与碳源消耗有关；②产物形成速度与生长速度有紧密关系。（二）各类型的特点1、分类依据6（2）类型II（混合型）菌体生长与产物合成是分开的或只有部分联系。在发酵的第一时期，菌体迅速生长，产物很少或没有；第二个时期，产物合成，菌体生长速度降低或停止，产物以高速度形成。这些产物都是微生物的主流代谢产物。如：有机酸如柠檬酸，氨基酸等。碳源利用在两个时期都很高，生长也可能有第二个高峰出现。特点：①、产物形成与碳源消耗间接有关；②、产物形成与生长只有部分联系。（2）类型II（混合型）7（3）类型III（非偶联型）产物的形成一般在菌体生长接近或者达到最高的生长时期，碳源被消耗完，生长接近停止，产物才开始形成。这些产物都是微生物的次生代谢产物如：抗生素、维生素的产量远远低于碳源消耗量。特点：①、产物形成显然与碳源消耗无关；

②、产物形成速度与生长速度没有紧密联系。（3）类型III（非偶联型）8（4）动力学研究的指导意义和优化营养条件原则①指导意义a、指导发酵培养基的合理设计；b、能够在发酵过程中进行科学的管理、如实行计算机自动化控制进而提高生产效率。②优化的一般原则在发酵初期，尽可能使菌体快速生长，缩短无产物生成或产率低的生长期，同时为生产期提供足够量的高生产活性细胞；在生产期，要使生产细胞的衰老或死亡速度以及产物合成酶的失活速度尽可能地降低，使之保持较长时期的高产物合成活性。（4）动力学研究的指导意义和优化营养条件原则9四、微生物发酵的一般工艺过程微生物发酵产品名目繁多，这么多的发酵产品生产过程是否一样呢？在工业流程细节上很不相同。然而，概括来讲其工艺流程是相似的。如有的发酵需氧，有的发酵不需氧。图3.3微生物发酵的一般工艺过程四、微生物发酵的一般工艺过程微生物发酵产品名目繁多，这么多的10（一）原料选择1、原料中碳的可利用率高；2、发酵产率高，而且尽可能使发酵废物少；3、原料质量好，成分稳定，污染变质少，易灭菌；4、价格便宜、来源方便、易于贮存。但最便宜的原料也不一定是最合适的原料，如生产谷氨酸时，过去曾用糖蜜做原料，但因为它是制糖中的废液，成分变化大，难以控制，所以谷氨酸产酸率低，发酵周期长，还给产物的提取、精制以及废水处理带来很大问题。现在我国已采用淀粉水解成葡萄糖来生产谷氨酸。（一）原料选择11（二）淀粉水解糖的制备

淀粉是由葡萄糖组成的生物大分子，除少数霉菌和细菌可直接利用淀粉外，目前大多数的微生物都不能直接利用淀粉，例如在酒精酵母、抗生素生产、氨基酸生产中都要求将淀粉水解成糖。由于水解的方法不一，葡萄糖生成量也不同。1、淀粉水解法分为三类：酸解法、酶解法、酸酶法或酶酸法。

（1）酸解法

①、工艺过程：

②、酸解法的优缺点：a、优点：生产方便、设备简单、水解时间短、0.4MPa只需7~10分钟。b、缺点：因在酸和高温下水解，需要耐酸、耐高温、高压的设备。c、淀粉在高温、高压下进行水解，DE较低，质量较差。除杂，脱色（二）淀粉水解糖的制备淀粉是由葡萄糖组12③、淀粉酸水解的原理a、水解反应b、复合反应c、分解反应图3.4淀粉酸水解原理，③、淀粉酸水解的原理图3.4淀粉酸水解原理，13④控制酸水解的影响因素a、淀粉浓度b、酸浓度、酸种类c、温度和时间等条件a、淀粉浓度：一般来讲淀粉浓度越高，复合反应分解反应程度越高。b、酸的浓度、酸的种类：HCl、H2SO4、草酸等，以HCI常用，效果较好。浓度0.5-0.8%，加入盐酸后淀粉乳的pH为1.5。c、糖化温度和时间⑤在酸水解中的控制因素a、糖化控制在19BXb、酸种类一般用HCI，浓度0.5-0.8%c、温度和时间控制在0.35-0.40MPa，即140-146℃，9-18min。蒸汽压力（Mpa）反应时间（min）0.30134.50C200.351400C180.401460C9(BX)④控制酸水解的影响因素蒸汽压力（Mpa）反应时间（min）14（2）酶水解从化学反应式（教材P76）看出淀粉生成葡萄糖的过程，水参与了反应，从理论上讲反应结果有化学增重作用，实际做不到如：实际酸水解淀粉可得到葡萄糖是在85-95%以内（什么原因？）1960左右，日本开始了用酶水解淀粉生产葡萄糖，大大提高了糖的产量和质量。我国1960年后也逐渐研究，现已推广使用。X（2）酶水解X15①酶解法工艺流程液化（糊精化）糖化淀粉乳调pH6.0加α淀粉酶7-10单位/克干淀粉加热保温液化升温灭酶冷却调pH糖化加热过滤糖液pH5.5-6.080-900C30-60分钟1100C15-20分钟600CpH4.5-5.0添加糖化酶80-100单位/克干淀粉600C48小时1200C15分钟液化（糊精化）淀粉乳调pH6.0加α淀粉酶7-10加热保温液16②酶解法制糖原理a、淀粉酶的作用方式(a)α-淀粉酶作用于枝链淀粉(b)β-淀粉酶作用于枝链淀粉(c)β-淀粉酶作用与直链淀粉

②酶解法制糖原理17(d)糖化酶作用于直链淀粉(e)糖化酶作用于枝链淀粉(f)异淀粉酶作用

专门水解1.6糖苷键的糊精生成葡萄糖图3.5淀粉酶作用于淀粉的方式示意图(d)糖化酶作用于直链淀粉18

b、α-淀粉酶来源

α-淀粉酶来源

c、糖化酶来源

糖化酶来源细菌曲霉枯草杆菌巨大芽胞杆菌黑曲霉米曲霉黑曲霉米曲霉黑根酶b、α-淀粉酶来源细菌曲霉枯草杆菌巨大芽胞杆菌黑曲19d、β-淀粉酶来源

β-淀粉酶来源e、异淀粉酶来源

异淀粉酶来源

f、转移糖苷酶来源：黑曲霉、黑根霉多粘芽胞杆菌黑曲霉黑根酶植物、麦芽、甘薯、大豆等酵母中广泛存在细菌：假单细胞、产气杆菌植物：大米、蚕头、马铃薯、麦芽、玉米等放线菌：诺卡氏菌d、β-淀粉酶来源多粘芽胞杆菌黑曲霉黑根酶植物、麦芽、甘薯、20（3）酸酶结合水解法或酶酸结合水解法（4）酶解法的优点

①条件温和，不用耐酸、耐高压的设备；②酶的专一性强，副产物少，出糖率高，色素少。DE值在98-99%；③可提高淀粉乳浓度至28-29Bx，减少浓缩结晶糖时能量的消耗；④酶水解后废糖蜜中氨基酸含量高。营养丰富，可作食用糖浆。（3）酸酶结合水解法或酶酸结合水解法21（5）酶解法的缺点①糖化时间长，需要40小时；②糖化需要设备多。（6）不同糖化工艺所得糖化液质量比较项目酸水解法酸酶法酶解法葡萄糖值（DE值）919598葡萄糖含基（%干基）869397灰分（%）1.60.40.1蛋白质（%）0.080.080.1羟甲基糠醛（%）0.30.0080.003色度10.00.30.2葡萄糖收得率(%)较酸水解法高5%较酸水解法高10%（5）酶解法的缺点项目酸水解法酸酶法酶解法葡萄糖值（DE值）22（三）其他原料的水解1、糖蜜原料的水解我们国家是出糖的地方，有大量的糖蜜。比如：南方的甘蔗，北方的甜菜以后的废料就是糖蜜。可以用作发酵的原料。其处理方法比较简单，只需加热、加石灰乳稀释或者加酸水解，再补充一点其他营养物质。2、碳氢化合物的处理利用石油裂解得到的各种组分的馏分石油加适当的氮、磷、钾、镁等无机盐，再加一定量的水灭菌，冷却后进行发酵。这是非粮食物之的发酵原料。3、纤维素原料处理纤维素是自然界最丰富的资源，稻秆、麦秸、玉米秸、树枝、落叶等都是纤维素，可以用酶水解或者是物理爆破加酶水解。这样水解成淀粉。（三）其他原料的水解23微生物发酵工程概述

由于微生物代谢类型多样性，利用不同微生物对同一种物质进行发酵，以及一种微生物在不同条件下培养所得产物均不相同，我们可以按照微生物对氧的要求、发酵采用的方式，发酵过程的动力学等可分为以下类型：一、按微生物对氧的要求分类1、好氧发酵(又称好气发酵)大多数发酵属好氧发酵，如抗生素、有机酸、氨基酸、酶制剂、石油脱蜡等。2、厌氧发酵(嫌气发酵)发酵时不需供应氧气。如丙酮-丁醇发酵、乳酸发酵、丙酸发酵。3、兼性厌氧发酵酵母菌是一种兼性厌氧微生物，在缺氧条件下进行酒精发酵；在大量通气情况下则进行好气性发酵，产生大量酵母细胞。微生物发酵工程概述由于微生物代谢类型多24二、按照微生物发酵采用的方式分1、固体发酵

我国对发酵生产大致经历了固体发酵—浅盘发酵—液体发酵过程。固体发酵历史悠久，优点是投资少，设备简单，操作容易，因陋就简，耗能少。能获得较高的代谢产物产量。缺点：厂房面积大，生物反应器设计还不完善，难于准确测定含水量、菌体量和CO2生成量。固体发酵是发酵原料加上一定比例的水分，灭菌后置曲盘、草帘、深槽中或固体发酵罐中，冷却后接种发酵。发酵类型特点产物固体发酵原料+水（少量）柠檬酸固体发酵、酱油、菌肥、农药等液体发酵原料+水（大量）胰岛素、抗生素、柠檬酸、氨基酸、酶制剂、干扰素、白介素等。浅盘深层搅拌图3.1固体发酵表二、按照微生物发酵采用的方式分1、固体发酵发酵类型特点产物固252、液体发酵

此法是将所用原料配制成液体状态，可分为瓷盘静止培养(表面培养，此法劳动强度大，易污染，很快被深层液体培养所代替。现国内外大多采用液体深层发酵。过去多采用单罐方式分批发酵，后发展为连续发酵，补料分批发酵等方式（具体以后再讲）。其优点：①发酵率高，发酵周期短；②在液体中，菌体、底物、产物以及发酵产生的热量易于扩散，使发酵在均质条件下进行，便于控制，易扩大生产规模；③厂房面积小，生产效率高，易进行自动化控制，产品质量稳定；④产品易于提取、精制等。现代液体深层发酵已被广泛应用。缺点：耗能多，设备复杂，需要较大的投资，废物排放量多等缺点，仍需不断改进。2、液体发酵26三、按发酵动力学类型分t图3.2

发酵动力学类型图三、按发酵动力学类型分t图3.2发酵动力学类型图27（一）发酵动力学及其研究内容，目的1、发酵动力学及内容发酵动力学是研究发酵过程中菌体生长、营养消耗、产物生成的动态平衡及其内在规律。研究内容包括：了解发酵过程中菌体生长速率、基质消耗和产物生成速率的相互关系，环境因素如温度、pH、溶解氧等对以上三者的影响。2、研究动力学的目的其目的就是要确定最佳发酵工艺条件，建立数学模型，使菌体在最好的条件下生长，得到最高产量。目前国内外已利用电子计算机，根据发酵动力学来设计程序，模拟最优化的工艺流程和发酵工艺参数，使生产达到最优化（如菌体浓度、基质浓度、温度、pH、溶解氧等参数的控制方案）。（一）发酵动力学及其研究内容，目的28（二）各类型的特点

1、分类依据根据产物生成与基质（碳源利用）消耗关系分I型、II型、III型；根据产物生成与生长是否偶联分三种：偶联型、混合型、非偶联型。

2、各类型的特点（1）类型I（偶联型）菌体增长与碳源利用相平行。二者之间有定量关系。菌体产量与碳源消耗之比称产量常数。产物积累与菌体的增长、碳源的消耗之间有着准量的关系。产物如：酒精、酵母、蘑菇、杆菌肽、氯霉素。特点：①产物形成直接与碳源消耗有关；②产物形成速度与生长速度有紧密关系。（二）各类型的特点1、分类依据29（2）类型II（混合型）菌体生长与产物合成是分开的或只有部分联系。在发酵的第一时期，菌体迅速生长，产物很少或没有；第二个时期，产物合成，菌体生长速度降低或停止，产物以高速度形成。这些产物都是微生物的主流代谢产物。如：有机酸如柠檬酸，氨基酸等。碳源利用在两个时期都很高，生长也可能有第二个高峰出现。特点：①、产物形成与碳源消耗间接有关；②、产物形成与生长只有部分联系。（2）类型II（混合型）30（3）类型III（非偶联型）产物的形成一般在菌体生长接近或者达到最高的生长时期，碳源被消耗完，生长接近停止，产物才开始形成。这些产物都是微生物的次生代谢产物如：抗生素、维生素的产量远远低于碳源消耗量。特点：①、产物形成显然与碳源消耗无关；

②、产物形成速度与生长速度没有紧密联系。（3）类型III（非偶联型）31（4）动力学研究的指导意义和优化营养条件原则①指导意义a、指导发酵培养基的合理设计；b、能够在发酵过程中进行科学的管理、如实行计算机自动化控制进而提高生产效率。②优化的一般原则在发酵初期，尽可能使菌体快速生长，缩短无产物生成或产率低的生长期，同时为生产期提供足够量的高生产活性细胞；在生产期，要使生产细胞的衰老或死亡速度以及产物合成酶的失活速度尽可能地降低，使之保持较长时期的高产物合成活性。（4）动力学研究的指导意义和优化营养条件原则32四、微生物发酵的一般工艺过程微生物发酵产品名目繁多，这么多的发酵产品生产过程是否一样呢？在工业流程细节上很不相同。然而，概括来讲其工艺流程是相似的。如有的发酵需氧，有的发酵不需氧。图3.3微生物发酵的一般工艺过程四、微生物发酵的一般工艺过程微生物发酵产品名目繁多，这么多的33（一）原料选择1、原料中碳的可利用率高；2、发酵产率高，而且尽可能使发酵废物少；3、原料质量好，成分稳定，污染变质少，易灭菌；4、价格便宜、来源方便、易于贮存。但最便宜的原料也不一定是最合适的原料，如生产谷氨酸时，过去曾用糖蜜做原料，但因为它是制糖中的废液，成分变化大，难以控制，所以谷氨酸产酸率低，发酵周期长，还给产物的提取、精制以及废水处理带来很大问题。现在我国已采用淀粉水解成葡萄糖来生产谷氨酸。（一）原料选择34（二）淀粉水解糖的制备

淀粉是由葡萄糖组成的生物大分子，除少数霉菌和细菌可直接利用淀粉外，目前大多数的微生物都不能直接利用淀粉，例如在酒精酵母、抗生素生产、氨基酸生产中都要求将淀粉水解成糖。由于水解的方法不一，葡萄糖生成量也不同。1、淀粉水解法分为三类：酸解法、酶解法、酸酶法或酶酸法。

（1）酸解法

①、工艺过程：

②、酸解法的优缺点：a、优点：生产方便、设备简单、水解时间短、0.4MPa只需7~10分钟。b、缺点：因在酸和高温下水解，需要耐酸、耐高温、高压的设备。c、淀粉在高温、高压下进行水解，DE较低，质量较差。除杂，脱色（二）淀粉水解糖的制备淀粉是由葡萄糖组35③、淀粉酸水解的原理a、水解反应b、复合反应c、分解反应图3.4淀粉酸水解原理，③、淀粉酸水解的原理图3.4淀粉酸水解原理，36④控制酸水解的影响因素a、淀粉浓度b、酸浓度、酸种类c、温度和时间等条件a、淀粉浓度：一般来讲淀粉浓度越高，复合反应分解反应程度越高。b、酸的浓度、酸的种类：HCl、H2SO4、草酸等，以HCI常用，效果较好。浓度0.5-0.8%，加入盐酸后淀粉乳的pH为1.5。c、糖化温度和时间⑤在酸水解中的控制因素a、糖化控制在19BXb、酸种类一般用HCI，浓度0.5-0.8%c、温度和时间控制在0.35-0.40MPa，即140-146℃，9-18min。蒸汽压力（Mpa）反应时间（min）0.30134.50C200.351400C180.401460C9(BX)④控制酸水解的影响因素蒸汽压力（Mpa）反应时间（min）37（2）酶水解从化学反应式（教材P76）看出淀粉生成葡萄糖的过程，水参与了反应，从理论上讲反应结果有化学增重作用，实际做不到如：实际酸水解淀粉可得到葡萄糖是在85-95%以内（什么原因？）1960左右，日本开始了用酶水解淀粉生产葡萄糖，大大提高了糖的产量和质量。我国1960年后也逐渐研究，现已推广使用。X（2）酶水解X38①酶解法工艺流程液化（糊精化）糖化淀粉乳调pH6.0加α淀粉酶7-10单位/克干淀粉加热保温液化升温灭酶冷却调pH糖化加热过滤糖液pH5.5-6.080-900C30-60分钟1100C15-20分钟600CpH4.5-5.0添加糖化酶80-100单位/克干淀粉600C48小时1200C15分钟液化（糊精化）淀粉乳调pH6.0加α淀粉酶7-10加热保温液39②酶解法制糖原理a、淀粉酶的作用方式(a)α-淀粉酶作用于枝链淀粉(b)β-淀粉酶作用于枝链淀粉(c)β-淀粉酶作用与直链淀粉

②酶解法制糖原理40(d)糖化酶作用于直链淀粉(e)糖化酶作用于枝链淀粉(f)异淀粉酶作用

专门水解1.6糖苷键的糊精生成葡萄糖图3.5淀粉酶作用于淀粉的方式示意图(d)糖化酶作用于直链淀粉41

b、α-淀粉酶来源

α-淀粉酶来源

c、糖化酶来源

糖化酶来源细菌曲霉枯草杆菌巨大芽胞杆菌黑曲霉米曲霉黑曲霉米曲霉黑根酶b、α-淀