微生物发酵工程概述

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1、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。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

2、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2、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

3、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。三、按发酵动力学类型分t图3.2发酵动力学类型图（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

4、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）。（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

5、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。（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

6、接有关；②、产物形成与生长只有部分联系。（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。（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；

7、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。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（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