生物技术概论：发酵工程

四个概念理解

生物技术

生物工程

微生物学

发酵工程

酸奶工艺流程啤酒生产工艺

4发酵工程学习目的

①掌握发酵工程的基本类型和基本原理；②了解典型发酵产品的生产工艺;③认识发酵的基本过程及常用的发酵设备。1.发酵工程概述2.微生物发酵过程3.液体深层发酵4.固体发酵5.典型产品的发酵生产

本章内容重点：1.微生物发酵有哪种类型？2.发酵培养基有那些成分组成？3.比较分批发酵、连续发酵和补料分批发酵优缺点。发酵工程是一门将微生物学、生物化学和化学工程学的基本原理有机地结合起来，利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术。它以培养微生物为主，所以又称微生物工程。

发酵工程

4发酵工程发酵的定义发酵（fermentation）最初来自拉丁语“发泡”（fervere），是指酵母作用于果汁或发芽谷物产生CO2的现象。生物化学上将发酵定义为“微生物在无氧时的代谢过程”。目前，人们把利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体或其代谢产物的过程统称为发酵。1.发酵工程概况发酵类型发酵技术的特点发酵技术的应用微生物菌体发酵微生物酶发酵微生物代谢产物发酵微生物的转化发酵生物工程细胞的发酵1.1发酵类型

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4发酵工程微生物代谢产物

在菌体对数生长期所产生的产物，如氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、糖类等，是菌体生长繁殖所必需的，这些产物叫做初级代谢产物。

在菌体生长静止期，某些菌体能合成一些具有特定功能的产物，如抗生素、生物碱、细菌毒素、植物生长因子等。这些产物与菌体生长繁殖无明显关系，叫做次级代谢产物。

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4.1.1发酵类型微生物代谢产物类型

产业微生物代谢产物医药抗生素，药理活性物质，维生素，抗肿瘤剂、基因工程药物、疫苗等食品氨基酸，鲜味增强剂，脂肪酸，蛋白质，糖与多糖类，发酵剂，脂类，核酸，核苷酸，核苷、维生素、饮料等农业动物生长促进剂，除草剂，植物生长促进剂，灭害剂，驱虫剂，杀虫剂等轻工酸味剂，生物碱，酶抑制剂，酶，溶媒，辅酶，表面活性剂，转化甾醇和甾体，有机酸，乳化剂，色素，抗氧化剂，石油等其他离子载体，抗代谢剂，铁运载因子等

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4.1.1发酵类型1.2发酵技术的特点

①发酵过程以生命体的自动调节方式进行，数十个反应过程能够在发酵设备中一次完成。②反应通常在常温常压下进行，条件温和，能耗少，设备较简单。③原料通常以糖蜜、淀粉等碳水化合物为主，可以是农副产品、工业废水或可再生资源（如植物秸秆、木屑等），微生物本身能有选择地摄取所需物质。

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4.1发酵工程概况④容易生产复杂的高分子化合物，能高度选择地在复杂化合物的特定部位进行氧化、还原、官能团引入或去除等反应。⑤发酵过程中需要防止杂菌污染，大多情况下设备需要进行严格的冲洗、灭菌，空气需要过滤等。

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4.1.2发酵技术的特点1.3发酵技术的应用

医药工业

抗生素、维生素、激素疫苗和菌苗等

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4.1发酵工程概况食品工业

微生物蛋白、氨基酸、新糖源、饮料、酒类食品添加剂（柠檬酸、乳酸、天然色素等）

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4.1.3发酵技术的应用能源工业

酒精沼气氢能

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4.1.3发酵技术的应用化学工业

可降解的生物塑料化工原料（乙醇、丙酮、丁醇、癸二酸等）生物表面活性剂及生物凝集剂

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4.1.3发酵技术的应用冶金工业

黄金开采和铜、铀等金属的浸提

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4.1.3发酵技术的应用生物冶金新工艺不仅可高效利用贫矿、表外矿、尾矿，而且将大幅度减少电、煤、油等消耗和废气、废水排放。就铜而言，因为显著提高了原生硫化矿的浸出率，新工艺使可利用资源量大幅扩大，使我国铜储量的保证年限从10年延长至50年。农业

生物固氮生物杀虫剂微生物饲料

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4.1.3发酵技术的应用环境保护

使用生物肥料，生物杀虫剂降解有毒物质净化废水废气，处理石油污染

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4.1.3发酵技术的应用微生物发酵过程即微生物反应过程，是指由微生物在生长繁殖过程中所引起的生化反应的过程。

2.微生物发酵过程

好氧性发酵

在发酵过程中需要不断地通入一定量的无菌空气。如利用黑曲霉进行的柠檬酸发酵，利用棒状杆菌进行的谷氨酸发酵，利用黄单孢菌进行的多糖发酵等。

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4.2微生物发酵过程厌氧性发酵

在发酵时不需要供给空气。如乳酸杆菌引起的乳酸发酵，梭状芽孢杆菌引起的丙酮、丁醇发酵等。

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4.2微生物发酵过程培养基不同固体发酵液体发酵

发酵设备不同敞口发酵密闭发酵浅盘发酵深层发酵

液体深层发酵

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4.2微生物发酵过程1）发酵工业中常用微生物2）培养基3）发酵的一般过程主要内容

2.1发酵工业中的常用微生物

细菌放线菌酵母菌霉菌其他微生物

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4.2微生物发酵过程放线菌霉菌细菌酵母蓝藻2.2培养基

培养基是人们提供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物需要的多种营养物质的混合物。

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4.2微生物发酵过程孢子培养基种子培养基发酵培养基2.1培养基的种类

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4.2.2培养基2.2发酵培养基的组成

碳源

葡萄糖、果糖蔗糖、麦芽糖淀粉、纤维素等

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4.2.2培养基氮源

有机氮源（黄豆饼粉、花生饼粉、蛋白胨、酵母粉等）无机氮源（氨水、硫酸铵、氯化铵、硝酸盐等）

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4.2.2.2发酵培养基的组成无机盐和微量元素

磷酸盐、硫酸盐、氯化钠、氯化钾镁、铁、钴、锌、锰等

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4.2.2.2发酵培养基的组成生长因子

维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶的衍生物以及脂肪酸等。酵母膏、牛肉膏、蛋白胨和一些动植物组织的浸液，是生长因子的丰富来源。

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4.2.2.2发酵培养基的组成水

水是培养基的主要组成成分。它既是构成菌体细胞的主要成分，又是一切营养物质传递的介质，而且它还直接参与许多代谢反应。

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4.2.2.2发酵培养基的组成产物形成的诱导物、前体和促进剂

如合成青霉素G的苯乙酸，合成红霉素的丙酸等

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4.2.2.2发酵培养基的组成摇瓶种子罐生产罐培养液细胞分离菌体培养基灭菌培养基配制培养基原料无细胞上清液产品抽提产品精制产品包装废水处理储备菌种2.3发酵的一般过程p87

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4.2微生物发酵过程3.液体深层发酵发酵的操作方式发酵工艺控制发酵设备3.1发酵的操作方式

1)分批发酵

营养物和菌种一次加入进行培养，直到结束放罐，中间除了空气进入和尾气排出，与外部没有物料交换。传统的生物产品发酵多用此过程。

根据不同发酵类型，每批发酵需要十几个小时到几周时间。全过程包括空罐灭菌、加入灭过菌的培养基、接种、发酵过程、放罐和洗罐，所需时间的总和为一个发酵周期。

典型的分批发酵工艺流程图微生物分批培养的生长曲线

1.延滞期2.加速生长期3.指数生长期4.减速期5.稳定期6.衰亡期

2)连续发酵

以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定，微生物在稳定