第三章发酵工程

第三章发酵工程

第一节发酵工程概述 • 一、发酵工程的概念 • 发酵工程是生物技术的重要组成部分，是生物技术产业化的重要环节 • 它将微生物学、生物化学和化学工程学的基本原理有机地结合起来，是一门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。由于它以培养微生物为主，所以又称微生物工程。 • 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。

第一节发酵工程概述 • 一、发酵工程的概念 • 现代的发酵工程不仅包括包括菌体生产和代谢产物的发酵生产，还包括微生物机能的利用。其主要内容包括生产菌种的选育，发酵条件的优化与控制，反应器的设计及产物的分离、提取与精制等。

第一节发酵工程概述 • 二、发酵类型 • （一）微生物菌体发酵 • 是以获得具有某种用途的菌体为目的的发酵。 • 传统的菌体发酵工业：有用于面包制作的酵母发酵及用于人类或动物食品的微生物菌体蛋白（单细胞蛋白）发酵两种类型。新的菌体发酵可用来生产一些药用真菌药用真菌可以通过发酵培养的手段来生产出与天然产品具有同等疗效的产物。有的微生物菌体还可用作生物防治剂

第一节发酵工程概述 • （二）微生物酶发酵 • （三）微生物代谢产物发酵 • （四）微生物的转化发酵 • 微生物转化是利用微生物细胞的一种或多种酶，把一种化合物转变成结构相关的更有经济价值的产物。可进行的转化反应包括：脱氢反应、氧化反应、脱水反应、缩合反应、脱梭反应、氨化反应、脱氨反应和异构化反应等。

第一节发酵工程概述 • （五）生物工程细胞的发酵 • 是指利用生物工程技术所获得的细胞，如DNA重组的“工程菌”及细胞融合所得的“杂交”细胞等进行培养的新型发酵，其产物多种多样。

第一节发酵工程概述 • 三、发酵技术的特点及应用 • ①发酵过程以生物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（植物秸杆、木屑等），微生物本身能有选择地摄取所需物质。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、官能团引人或去除等反应。⑤发酵过程中需要防止杂菌污染，设备需要进行严格的冲洗、灭菌；空气需要过滤等。 • 应用：①医药工业。用于生产抗生素、维生素等常用药物和人胰岛素、乙肝疫苗、干扰素、透明质酸等新药。②食品工业。用于微生物蛋白、氨基酸、新糖源、饮料、酒类和一些食品添加剂（柠檬酸、乳酸、天然色素等）的生产。③能源工业。通过微生物发酵，可将绿色植物的秸杆、木屑、工农业生产中的纤维素、半纤维素、木质素等废弃物转化为液体或气体燃料（酒精或沼气），还可利用微生物采油、产氢、产石油以及制成微生物电池。④化学工业。用于生产可降解的生物塑料、化工原料（乙醇、丙酮、丁醇和癸二酸等）和一些生物表面活性剂及生物凝集剂。⑤冶金工业。微生物可用于黄金开采和铜、钢等金属的浸提。⑥农业。用于生物固氮、生产生物杀虫剂及微生物饲料，为农业和畜牧业的增产发挥了巨大作用。⑦环境保护。可用微生物来净化有毒的高分子化合物，降解海上浮油，清除有毒气体和恶臭物质以及处理有机废水、废渣等。

第二节微生物发酵过程 • 微生物发酵过程即微生物反应过程，是指微生物在生长繁殖过程中所引起的生化反应过程。 • 根据微生物的种类不同（好氧、厌氧、兼性厌氧），可以分为好氧性发酵和厌氧性发酵两大类。

第二节微生物发酵过程 • 按照设备来分，发酵又可分为敞口发酵、密闭发酵、浅盘发酵和深层发酵。 • 液体深层发酵优点：①液体悬浮状态是很多微生物的最适生长环境。②在液体中，菌体及营养物、产物（包括热量）易于扩散，使发酵可在均质或拟均质条件下进行，便于控制，易于扩大生产规模。③液体输送方便，易于机械化操作。④厂房面积小，生产效率高，易进行自动化控制，产品质量稳定。⑤产品易于提取、精制等。

第二节微生物发酵过程 • 一、工业生产常用微生物 • 工业生产上常用的微生物主要是细菌、放线菌、酵母菌和霉菌，由于发酵工程本身的发展以及遗传工程的介人，藻类、病毒等也正在逐步地变为工业生产用的微生物。

第二节微生物发酵过程 • 二、培养基 • （一）培养基的种类 • ①孢子培养基：是供制备孢子用的。②种子培养基：是供孢子发芽和菌体生长繁殖用的。③发酵培养基：是供菌体生长繁殖和合成大量代谢产物用的。

第二节微生物发酵过程 • 二、培养基 • （二）发酵培养基的组成 • 1.碳源 • 2.氮源 • 3.无机盐和微量元素 • 4.生长因子 • 5.水 • 6.产物形成的诱导物、前体和促进剂许多胞外酶的合成需要适当的诱导物存在。

第二节微生物发酵过程 • 三、发酵的一般过程 • （一）菌种 • （二）种子扩大培养 • 种子扩大培养是指将保存在砂土管、冷冻干燥管或冰箱中处于休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后，再经过茄子瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养，获得一定数量和质量的纯种的过程。这些纯种培养物称为种子

种子扩大培养流程图 1．砂土孢子；2.冷冻孢子；3.斜面孢子；4.摇瓶液体培养（菌丝体）； 5.茄子瓶斜面培养；6.固体培养基培养；7、8.种子罐培养；9.发酵罐培养

第二节微生物发酵过程 • （三）发酵 • 所用的培养基和培养设备都必须经过灭菌，通入的空气或中途的补料都是无菌的，转移种子也要采用无菌接种技术。通常利用饱和蒸汽对培养基进行灭菌，灭菌条件是在120℃（约0.1MPa表压）维持20~30min。 • （四）下游处理

第三节液体深层发酵 • 一、深层发酵的操作方式 • （一）分批发酵 • 根据不同发酵类型，每批发酵需要十几个小时到几周时间。其全过程包括空罐灭菌、加入灭过菌的培养基、接种、培养的诱导期、发酵过程、放罐和洗罐，所需时间的总和为一个发酵周期。 • 分批培养系统属于封闭系统，只能在一段有限的时间内维持微生物的增殖，微生物处在限制性条件下的生长，表现出典型的生长周期

典型的分批发酵工艺流程图

微生物分批生长的生长曲线 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

第三节液体深层发酵 • 一、深层发酵的操作方式 • （二）连续发酵 • 所谓连续发酵，是指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，微生物在稳定状态下生长。稳定状态可以有效地延长分批培养中的对数期。在稳定的状态下，微生物所处的环境条件，如营养物浓度、产物浓度、PH值等都能保持恒定，微生物细胞的浓度及其生长速率也可维持不变，甚至还可以根据需要来调节生长速度。

第三节液体深层发酵 • 一、深层发酵的操作方式 • （二）连续发酵 • 连续发酵使用的反应器可以是搅拌罐式反应器，也可以是管式反应器

管式连续发酵 1.管式反应器；2.种子罐

第三节液体深层发酵 • 一、深层发酵的操作方式 • （二）连续发酵 • 优点：①可以维持稳定的操作条件，有利于微生物的生长代谢，从而使产率和产品质量也相应保持稳定；②能够更有效地实现机械化和自动化，降低劳动强度，减少操作人员与病原微生物和毒性产物接触的机会；③减少设备清洗、准备和灭菌等非生产占用时间，提高设备利用率，节省劳动力和工时；④由于灭菌次数减少，使测量仪器探头的寿命得以延长；⑤容易对过程进行优化，有效地提高发酵产率。

第三节液体深层发酵 • 一、深层发酵的操作方式 • （二）连续发酵 • 缺点：①由于是开放系统，加上发酵周期长，容易造成杂菌污染；②在长周期连续发酵中，微生物容易发生变异；③对设备、仪器及控制元器件的技术要求较高；④粘性丝状菌菌体容易附着在器皿壁上生长和在发酵液内结团，给连续发酵操作带来困难。

第三节液体深层发酵 • 一、深层发酵的操作方式 • （三）补料分批发酵 • 补料分批发酵又称半连续发酵，是介于分批发酵和连续发酵之间的一种发酵技术，是指在微生物分批发酵中，以某种方式向培养系统补加一定物料的培养技术。通过向培养基系统中补充物料，可以使培养液中的营养物浓度较长时间地保持在一定范围内，既保证微生物的生长需要，又不造成不利影响，从而达到提高产率的目的。

第三节液体深层发酵 • 一、深层发酵的操作方式 • （三）补料分批发酵 • 补料分批发酵可以分为两种类型：单一补料分批发酵和反复补料分批发酵 • 补料分批发酵作为分批发酵向连续发酵的过渡，兼有两者之优点 • 首先它可以解除营养物基质的抑制。还可以减少菌体生成量，提高有用产物的转化率。与连续发酵相比，它不会产生菌种老化和变异问题，其适用范围也比连续发酵广。

第三节液体深层发酵 • 二、发酵工艺控制 • （一）温度 • （二）PH值 • （三）溶解氧浓度

第三节液体深层发酵 • 三、发酵设备 • （一）机械搅拌式发酵罐 • 1.通用式发酵罐

第三节液体深层发酵 • 2.自吸式发酵罐 • 自吸式发酵罐罐体的结构大致上与通用式发酵罐相同，主要区别在于搅拌器的形状和结构不同。自吸式发酵罐使用的是带中央吸气口的搅拌器。

第三节液体深层发酵 • （二）通风搅拌式发酵罐 • 常用的有循环式通风发酵罐和高位塔式发酵罐 • 循环式通风发酵罐优点：①发酵罐内没有搅拌装置，结构简单，清洗方便，加厂容易；②由于取消了搅拌用的电机，而通风量与通用式发酵罐大致相等，所以动力消耗有很大降低。

第三节液体深层发酵 • （三）厌氧发酵设备 • 设备和工艺都较好氧发酵简单。严格的厌氧液体深层发酵的主要特色是排除发酵罐中的氧。厌氧发酵需使用大剂量接种性的厌氧发酵设备如酒精发酵罐和用于啤酒生产的锥底立式发酵罐

酒精发酵罐 锥底立式发酵罐

第三节液体深层发酵 • 四、下游加工过程 • （一）发酵液预处理和固液分离 • （二）提取 • （三）精制 • （四）成品加工

第四节固体发酵 • 固体发酵所用原料一般为经济易得、富含营养物质的工农业中的副、废产品，如鼓皮、薯粉、大豆饼粉、高梁、玉米粉等。一般过程为：将原料预加工后再经蒸煮灭菌，然后制成含一定水分的固体物料，接入预先培养好的菌种，进行发酵。发酵成熟后要适时出料，并进行适当处理，或进行产物的提取。 • 固体发酵所需设备简单，操作容易，并可因陋就简、因地制宜地利用一些来源丰富的工农业副产品

第五节典型产品的发酵生产 • 一、抗生素发酵生产 • （一）青霉素发酵生产菌株 • （二）青霉素发酵生产培养基 • 碳源 • 氮源 • 前体 • 无机盐

第五节典型产品的发酵生产 • 一、抗生素发酵生产 • （三）青霉素发酵工艺 • 1.种子制备 • 2.发酵培养 • 3.以发酵后处理 • 过滤、提炼、脱色、结晶：

第五节典型产品的发酵生产 • 二、氨基酸发酵生产 • （一）谷氨酸发酵生产的菌种 • （二）谷氨酸发酵生产的原料制备 • （三）菌种扩大培养 • 1.一级种子培养 • 2.二级种子培养 • （四）谷氨酸发酵生产 • （五）谷氨酸提取

第五节典型产品的发酵生产 • 三、维生素发酵生产 • 第一步发酵 • 二级种子扩大培养 • 发酵培养 • 第二步发酵 • 二级种子扩大培养 • 发酵培养 • 发酵液浓缩，精制

第五节典型产品的发酵生产 • 四、柠檬酸的生产 • 培养条件。包括：①供给大量的氧气，因黑曲霉是严格的好氧菌；②培养基中锰元素不能超标；③要供给大量的葡萄糖。 • 过程中有两个关键的调节酶：磷酸果糖激酶（PEK,一种糖酵解酶）和α-酮戊二酸脱氢酶（α-KDH，一种TCA循环酶）。

第五节典型产品的发酵生产 • 五、发酵乳的生产 • 大规模的细胞培养在乳业生物科技的主要应用是先向牛奶中接种乳酸菌（LAB）发酵剂，然后将牛奶转化为各类产品

豆腐乳的制作 • 一、实验目的 • 学习豆腐乳发酵的的工艺过程

豆腐乳的制作 • 二、实验原理 • 腐乳的主要生产原料为大豆及其制品，生产过程包括磨浆、制坯、前期培菌、腌制和后期发酵等环节。 • 民间老法生产豆腐乳均为自然发酵，现代酿造厂多采用蛋白酶活性高的鲁氏毛霉和根霉发酵。豆腐坯上接种毛霉，经过培养繁殖，分泌蛋白酶、淀粉酶、谷氨酰胺酶等复杂酶系，在长时间后发酵中与淹坯调料中的酶系、酵母、细菌等协同作用，使腐乳坯蛋白质缓慢水解，生成多种氨基酸，加之由微生物代谢产生的各种有机酸，与醇类作用生成酯，形成细腻、鲜香等豆腐乳特色。

豆腐乳的制作 • 三、实验材料 • AS3.25（武通桥毛霉）或AS3.2778（放射状毛霉），新鲜豆腐，无菌水，三角瓶，食盐，黄酒，红曲米，面曲，甜酒酿等

豆腐乳的制作 • 四、实验步骤 • 1.将毛霉制成孢子悬液。 • 2.将新鲜豆腐冷却后，按规格大小划块。 • 3.接种 • 4.培养与晾花 • 5.装瓶与腌坯 • 6.装坛发酵 • 7.质量鉴定

豆腐乳的制作 • 五、实验结果 • 根据SB∕T10170—2007规定，从腐乳的表面及断面色泽、组织形态（块形、质地）、滋味及气味、有无杂质等方面综合评价腐乳质量。

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