发酵工程概述

第一章发酵工程概述第一节发酵工程的主要进展阶段其次节工业发酵的菌种和发酵特征第三节工业发酵的方式第四节发酵的产品类型第一节发酵工程的主要进展阶段一、发酵工程的主要进展阶段一)、发酵工程的主要进展阶段二)、发酵工程的主要进展阶段的特点一、发酵工程的主要进展阶段1、自然发酵时期早在自然科学发源以前，人类就开头逐步学会了利用有益微生物在自然拌种和混合发酵的条件下来酿造自己宠爱的风味食品和饮料. 例如：酒类、酱类、醋类、泡菜、豆豉、酸牛奶、干酪和面包等。由于，这一时期长期处于手工操作和自然的落后状态，并不知道微生物与发酵的关系，所以，把这一时期称为自然发酵时期。2、纯培育技术的建立L.Pasteur()R.Koch(德国科赫)E.Buchner(德国人)建立了争论微生物的一系列的重要方法，尤其在分别微生物纯种方面。利用平板分别方法查找并分别到多种传染病的病原菌。的时代。微生物纯培育技术的建立是发酵微生物学进展的第一个转折点。3、通气搅拌技术(深层培育技术)上个世纪中叶，随着青霉素的觉察，抗生素工业渐渐兴起，由于青霉素大量生产的需要，引进深层发酵技术的建立，可以说是发酵微生物学进展的其次个转折点。4、代谢掌握发酵技术的建立50年月，建立起来的代谢掌握发酵技术，极大的促进了发酵工业。代谢掌握发酵技术是以动态生物化学和微生物学为根底，将微生物进展人工诱变，得到适合于生产某种产品的突变株，再在有掌握的条件下培育，能选择性大量生产人们所需要的物质。是发酵微生物学进展的第三个转折点15、酶法的转化PetersonMurrayC11上参加羟基，便大大简化了可的松类激素的合成。这种甾体的微生物加氧反响，极大的推动了甾体药物的争论和生产，开拓了一个的生物转化领域。同时在青霉素等抗菌素生产中也得到了很好的应用。6、固定化酶1966年研发的固定化酶法大大转变这种状况。这种方法就是将酶固定起来作为一种工具，装入反响器内，发酵反响很快就可以完成，同时酶也可以反复使用。产率得到了很大的提高。固定化酶技术往往和固定化细胞技术联合使用。由于使用了固定化酶和固定化细胞技术，现在发酵工程中发酵时间大大的缩短，本钱大大降低，治理也极为便利。7、细胞融合技术8、基因工程菌的利用自从体外DNA重组技术在微生物育种方面得到有用后，人们就有可能依据预定的意向选育菌种来生产所需要的产物。这类菌种也可称为“基因工程菌”或简称为“工程菌一般微生物能够生产的发酵产品，如氨基酸、酶制剂、抗生素等。EGF——表皮细胞生长因子——人体“秀丽因子”〔ＥｐｉｄｅｒｍａｌＧｒｏｗｔｈＦａｃｔｏｒ〕１９６２年，美国Ｃｏｈｅｎ博士和Ｍａｎｔａｌｃｉｎｉ教授在试验中觉察ＥＧＦ，并因此而获得了１９８６年诺贝尔生理奖与医学奖。用极微量的ＥＧＦ，即可赐予年轻细胞以全的生命力，促使各种受损皮肤修复和再生。它是调控人体皮肤生长、更和代谢等生命活动最重要的因子。此外，它还能刺激细胞外一些大分子〔如透亮质酸、糖蛋白等〕的合成与分泌，滋润皮肤，是打算肌肤活力和安康的源泉。所以，ＥＧＦ又被人们称为“秀丽因子”。二)、发酵工程的主要进展阶段的特点从发酵微生物学的进展的历史角度来分析，微生物发酵培育技术的进展有以下几个特点：①、从少量培育进展到大规模培育发酵；②、从浅层培育发酵进展到厚层〔固体〕或深层〔液体〕发酵；③、从以固体培育发酵技术为主进展到以液体发酵技术为主；④、从静止式液体发酵进展到通气搅拌式液体发酵；⑤、从单批发酵进展到连续培育以至多级连续发酵；⑥、从利用分散的微生物细胞发酵进展到利用固定化细胞集团发酵；⑦、从单纯利用微生物细胞到大量培育、利用高等动植物细胞；⑧、从单菌发酵进展到混菌发酵；⑨、从利用野生菌种进展到利用变异株以及“工程菌”发酵。2二、现代微生物工业发酵的根本流程其次节工业发酵的菌种和发酵特征一、工业发酵生产菌种的要求和来源二、工业大规模发酵的特征一、工业发酵生产菌种的要求和来源1、生产菌种的要求2、生产菌种的来源1、生产菌种的要求①、能在较短的发酵过程中高产出有价值的发酵产品；②、菌种的发酵培育基应价格低廉、来源充分、被转化为产品的效率高；③、菌种对人、动物、植物和环境不应当造成危害，还应留意潜在的、慢性的、长期的危害，要对其充分评估，严格防护；3④、菌种发酵后，所产的不需要的代谢产物少，而且发酵产品相对简洁地与不需要的物质分别，下游技术能用于规模化生产；⑤、菌种的遗传特性稳定，而且易于进展基因操作。2、生产菌种的来源发酵工业要获得具有上述根本要求的菌种，主要来源途径：①、自然环境②、收集菌株筛选③、购置生产菌种二、工业大规模发酵的特征1、工业大规模发酵的特征2、用于好氧菌的大型发酵罐的构造和应用3、厌氧菌大型发酵罐4、其他生物反响器〔发酵罐〕5、发酵过程的优化及后处理6、发酵的逐级放大1、工业大规模发酵特征发酵，其特征是：①、规模大，即所用的设备浩大，占用场地大，人力、物力投入的规模大；②、消耗的原料、能源多；③、菌种符合生产菌种的要求，其生长代谢特性与大规模发酵相适应；④、需要进展本钱核算等。大型发酵罐，特别是用于好氧微生物液体发酵的大型发酵罐，它的构造、功能和应用的特点较突出地反映出大规模发酵的特征，是其最具代表性的表达。2、用于好氧菌的大型发酵罐的构造和使用、构造、常见类型、使用、构造1－1050万升－150万升；②、利用发酵罐的大小取决于生产需要和怎样进展操作。③、大型发酵罐一般指容积在几十吨以上，用一般钢材或不锈钢材构造，它是顶端和底部被密封的大圆柱体，在其内部装配着各种各样的管道、阀门和仪表。、常见类型①、标准发酵罐②、自吸式发酵罐4③、气升式发酵罐④、卧式发酵罐⑤、塔式发酵罐⑥、连续发酵的发酵罐、使用与操作水的流通到达。②、发酵罐内的高密度的微生物群体需要大量氧供给，大型发酵罐承受喷雾装置和搅拌器充分地通气。③、安装无菌轴封格外重要。(电机驱动搅拌器的轴使搅拌叶轮旋转，轴是从发酵罐外面穿入内部的，要特别留意发酵不被污染)。④、工业发酵罐发酵过程中必需细心监视而加以掌握，因而发酵罐装有观看孔、溶解氧监测器、温度监测仪、搅拌速度掌握器、PH检测和掌握器、酸碱添加泵、泡沫裂开叶片、养分物的添加管道等设备和仪器。3、厌氧菌大型发酵罐厌氧菌大型发酵罐与好氧菌发酵相比更为简洁，省去了无菌空气供给的装置和系统。可以用钢材也可用钢筋混凝土或木料构成4、其他生物反响器①、标准发酵罐②、自吸式发酵罐③、气升式发酵罐④、卧式发酵罐⑤、塔式发酵罐⑥、连续发酵的发酵罐①、标准发酵罐②、自吸式发酵罐自吸式发酵罐是一种不需要另行通入压缩空气，而是在搅拌过程靠自吸作用把空气吸入5罐内的发酵罐。它的搅拌器是由特别的转子和定子组成。优点：具有构造简洁，操作便利，电能消耗少和溶氧效果好的优点。③、气升式发酵罐 是一种借气体上升的动力来搅拌的发酵罐称为气升式发酵罐。促使流体自导流筒上升，四周环隙下降的循环流淌又分为两种：A、内循环式气升式发酵罐B、外循环式气升式发酵罐④、卧式发酵罐一种能高效率利用氧气的发酵罐⑤、塔式发酵罐塔式发酵罐又称为高位发酵罐。它的特点：A6-7或更高；B、有或无搅拌器。通常依靠塔底喷嘴喷射气体的功能来搅拌液体；C、内有筛板，压缩空气由罐底导入，通过筛板渐渐上升，气泡在上升的过程中，带D、在不增加空气流量的状况下，根本上可到达通气搅拌发酵罐的发酵水平。⑥、连续发酵的发酵罐 常用于啤酒连续发酵的发酵罐上述发酵罐的每一种类型都是依据发酵的特点、生产的需要和操作方式和所具备的条件等设计的，各有所长：①、有的供氧特别充分；②、有的耗能比较低；③、有的节约设备材料；④、有的发酵周期比较短等等。类型众多的发酵罐能够更加适应大规模的发酵生产的特征和要求，也使工业发酵更加稳定和高效地进展。5、发酵过程的优化及后处理①、发酵过程的优化②、后处理①、发酵过程的优化最正确掌握发酵过程的方案或发酵过程主要掌握工程和方法称为发酵过程的优化。②、后处理6后处理是指大规模发酵后直到产品形成的整个工艺过程。它打算着产品的质量和安全性，60%以上。6、发酵的逐级放大由试验室小型设备到试验工厂小规模的试验发酵，再转为大规模设备的工业发酵生产，此过程称为发酵的逐级放大。一般称逐级放大为小试、中试和大试三个阶段。①、小试(小型试验)②、中试(中间试验)③、大试(大规模工业性试验)发酵的逐级放大，几乎是发酵工业产品或改进产品或工艺改造的必由之路。①、小试一般指承受试验室的小型设备，包括三角瓶、1-50升发酵罐等设备进展的试验。②、中试一般指承受试验工厂或车间小规模设备，100-5000升发酵罐及其他掌握条件的试验。③、大试用工业性大规模设备，进展的试验性的生产。第三节工业发酵的方式一、工业发酵的分类二、分批发酵和连续发酵三、固定化酶和固定化细胞发酵四、固态发酵五、混合培育物发酵一、工业发酵的分类微生物发酵是一个错综简单的过程，尤其是大规模工业发酵，要到达预定目标，更是需要承受和争论开发各式各样的发酵技术，发酵的方式就是最重要的发酵技术之一。通常按发酵中某一方面的状况，人为地分类为如下几种方式。实际上微生物工业生产中，都是各种发酵方式结合进展的，选择哪些方式结合起来进展发酵，取决于菌种特性、原料特点、产物特色、设备状况、技术可行性、本钱核算等多方面的因素来打算。7现代发酵工业大多数的发酵方式，承受的是一种好氧、液体、深层、分批、游离、单一纯种结合的发酵方式进展的。这种结合方式在发酵中有如下的优越性：1结合方式是目前应用最多和最好的发酵方式，大多数发酵工业均选择这种方式。2、液体悬浮状态是很多微生物的最适宜的生长环境。菌体、养分物、产物、热量简洁集中和均质，使产品较易到达高产、优质，发酵中液体输送便利，检测、掌握和操作也简洁实现自动化。3、深层、游离状态扩大了菌种与发酵基质的接触面，增加了发酵反响的效率，加快了反响周期。4、分批发酵变量主要是菌体、养分物、PH、热量、产物的变更而变化，变化的规律强，比较简洁掌握复壮和改进。5、分批单一纯种发酵特点不简洁污染，菌种较简洁复壮和改进。其中一种或几种发酵方式，发酵会更好，结果会更好，效益也会更佳。二、分批发酵和连续发酵1、分批发酵、分批发酵所谓分批发酵是指将全部的物料〔除空气、消沫剂、调整PH值的酸碱物外〕一次参加发酵罐，然后灭菌、接种、培育，最终将整个罐的内容物放出，进展产物回收。清罐完毕后，重开头的装料发酵的发酵方式。在分批发酵中，由于到了中后期，养料快要消耗完毕，菌体渐渐走向年轻自溶，代谢产物不能再连续分泌。这时为了延长中期代谢活动，维持较高的发酵产物的增长幅度。需要给发酵罐补加培育料的发酵方式。8、分批补料发酵假设承受之前参加过多的丰富的培育料来延长发酵的周期，提高产量，则往往由于高浓度的培育基对微生物的生长生殖极为不利，加之通气搅拌困难，发酵不易正常进展。生产中有不少发酵产品承受这种方式发酵生产。2、连续发酵、连续发酵的定义连续发酵是指以肯定的速度向发酵罐内添加颖培育基，同时以一样的速度流出培育液，从而使发酵罐内的液量维持恒定，使培育物在近似恒定状态下生长的培育方法。恒定状态可以有效的延长分批培育中的对数期或稳定期。连续发酵〔continuousfermentation〕是相对于分批发酵〔batchfermentation〕而言的，也是连续培育技术在发酵工业上的应用，就是连续培育放大后用来大规模生产微生物的产品。连续发酵的方式和生物反响器类型也是各式各样，主要是具有菌体再循环或不循环的单罐连续发酵和具有菌体再循环或不循环的多罐连续发酵。、连续发酵的特点、优点：①、简化了菌种的扩大培育；简化了发酵罐的屡次灭菌、清洗、出料等程序；②、缩短了发酵周期，提高了设备的利用率，降低了人力、物力的消耗，增加了生产效率。③、对大局部微生物来说，用连续发酵培育争论生理、生化和遗传特性是很好的手段。、缺点：①、对大局部微生物来说，用连续发酵进展大规模工业生产是比较困难的。这是由于连续发酵过程比较长，菌种很简洁消灭退化，简洁消灭污染。培育基的利用率一般都低于分批发酵。工艺的简单度也高于分批发酵。②、对次生代谢的产物，一般不用连续发酵。如大规模的抗生素的生产，一般不用连续发酵。这是由于次生代谢的产物所需的最正确条件往往与其产生菌种生长所需要的条件不全都，有的还与微生物细胞分化有关，现代发酵工业中又多使用高浓度养分组分，这些都是连续发酵亟待解决的难题。9、连续发酵在工业上的应用利用连续发酵的大规模生产的产品主要有：酒精、丙酮、丁醇、乳酸、食用酵母、饲料酵母、单细胞蛋白、浮游生物的生物量和石油脱蜡及污水处理。三、固定化酶和固定化细胞发酵1、固定化酶和固定化细胞发酵微生物可以看作是多种酶的包裹，工业发酵就是合理掌握和利用微生物酶的过程，因此，可以将酶从微生物细胞中提取出来，将其与底物作用制造产品，也可以将提取出来的酶用固体支持物(称为载体)固定，使其成为不溶于水或不易散失和可屡次使用的生物催化剂，利用它与底物作用制造产品。同样也可以将微生物细胞用载体固定，将反响物与其作用，制造产品或做其它用途。未固定的酶或细胞用于发酵工业生产，可以称为游离酶或细胞。固定化酶(细胞)用于微生物发酵可称为固定化酶(细胞)发酵，可简称为固定化发酵。2、固定化的优势①、固定化酶和固定化细胞可以重复使用②、固定化酶和固定化细胞产品的分别、提纯等后处理比较简洁易于机械化和自动化，设备和器材也较简易。④、固定化酶与固定化细胞可以制成酶活力很高或细胞密度很大，而且抗酸、碱、温度变化的性能高，酶活力较稳定。因而反响加快，生产周期缩短。⑤、固定化酶和固定化细胞相比，各有所长。固定化酶相对产物更单一，非需要的产物更少些，生产操作条件更易掌握，而固定化细胞不需要酶的提取，削减了酶活力的损失和操作，还可以利用细胞中的多酶体系，完成需要多种酶参与的反响，而且固定的微生物细胞可以是死的，也可以是活的，后者并可增殖，更有利于重复使用和加快反响速度。我国的固定化细胞发酵生产在酒精和啤酒行业已取得了显著的经济效益。很多固定化微生物活细胞，用来处理某些污水的工艺，始终运转几年，固定化细胞仍可利用。103、固定化的几种类型一般分成下面的几类：①、吸附固定化②、包埋固定化④、交联固定化⑤、微囊固定化①、吸附固定化依据正负电荷相吸的原理，酶或细胞吸附在载体的外表而被固定。例如，用瓷碎处、玻璃球、尼龙网、棉花、木屑、毛发等做载体，经肯定操作处理后，将酶或细胞可吸附固定在外表。②、包埋固定化大分子的有机或无机聚合物，将酶或细胞包裹、固定在其凝胶中。例如，可用琼脂、明胶、海藻酸钙、聚丙烯酰胺等做载体，经肯定的操作处理后，将酶或细胞包埋在里面。酶或细胞与载体通过共价键而被固定。例如，酶或细胞溶液与含羧酸载体或氨基载体，在缩合剂碳化二亚胺作用下，经搅拌等处理，而制成固定化酶或细胞。④、交联固定化互交联呈网状构造而被固定，最常用的交联剂是戊二醛。⑤、微囊固定化用一层亲水性的半透膜将酶或细胞固定在珠状的微囊里。例如，用海藻酸钠溶液与酶或细胞混合，滴入CaCl2溶液中形成凝胶微珠，然后用聚赖氨酸溶液处理微珠外表，再用柠檬酸去除海藻钙微珠的钙离子，使微珠内海藻酸成液态，酶或细胞悬浮其中，而微珠外表由于聚赖氨酸的处理，钙不被去掉，从而不再溶解，形成一层微囊膜，酶或细胞包在微囊中而被固定。有的固定化的机理既有吸附原理，也有包埋作用或化合键的形成，即固定化酶或细胞是依据多种原理而制成的。4、固定化的应用和存在的问题固定化发酵应用领域有饮料、医药、化工、能源、环保等，而且还在不断拓宽应用范围和改进固定化技术，特别是该技术存在的一些问题，较严峻地影响它的进展。存在的问题主要有：①、影响反响速率，产量低下；②、产品质量和数量不稳定；③、有关机理、专用设备争论缺乏，影响该技术的应用。11四、固态发酵1、固态发酵定义2、厌氧固态发酵3、好氧固态发酵4、固态发酵和液态发酵比较1、固态发酵(solidstatefrmentation〕又称固体发酵，是指微生物在没有或几乎没有游离水的固态的培育