发酵工程课程总结.ppt

发酵工程概图 微生物特点 微生物比表面积大 转化能力强 敏殖速度快 变异率高 分布范围广泛 发酵 是指利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动 来制备微生物菌体本身或其代谢产物的过程 发酵工业是指利用微生物生命活动产生的酶 对无机或有机原料进行酶加工获得产品的工业 其主体是利用微生物酶进行生化反应的工业 发酵工业 传统发酵 也称酿造 如醋 酱 酒等 近代发酵工业 如酒精 乳酸等 现代发酵工业 抗生素 氨基酸 酶制剂等 发酵工程 是指具有工程技术的微生物学在工 农 医等领域应用 而形成的一门多学科交叉的学科 实现发酵工程 必备条件 某种功能的微生物 控制微生物生长和代谢的各种条件 微生物发酵设备 发酵产物提取 精制的条件和设备 发酵工业大致经历如下几个阶段 1 自然发酵阶段2 纯培养技术的建立3 通气搅拌发酵技术的建立4 代谢控制发酵技术5 开拓发酵原料时期6 基因工程阶段 1 微生物菌体发酵 2 微生物酶发酵 3 代谢产物发酵 4 微生物的生物转化发酵 5 微生物特殊机能的利用 发酵工程的范围 发酵工程的未来 1 利用基因工程技术改良菌种2 动植物细胞培养技术3 固定化酶或细胞技术 微生物代谢 代谢 生物体内所进行的全部化学反应的总和 代谢 物质代谢和能量代谢 酶 物质代谢 分解代谢与合成代谢 酶 能量代谢 产生 储运和利用 酶 微生物代谢 初级代谢 一般把具有明确的生理功能 对维持生命活动不可缺少的物质代谢过程 其产物称为初级代谢产物 如氨基酸 核苷酸 糖 脂肪酸和维生素等 次级代谢 把一些没有明确的生理功能 不是维持生命活动所必须的物质的代谢过程 其产物称为次级代谢产物 如某些色素 抗生素 毒素 生物碱等 代谢过程错综复杂 但受体内调节系统严格控制 并按照顺序 协调有效地进行 维持体内代谢平衡 对微生物而言 代谢过程 细胞内自我调节 微生物代谢调节方式 1 细胞透性调节 2 代谢途径调节 3 代谢流向调节 4 代谢速度调节 酶活性或酶数量 发酵工程生产水平由生产菌种性能 发酵条件 提取工艺和生产设备 其中生产菌种是最重要的 生产菌种最初都来源于自然界 具有在较短的发酵周期内产生大量发酵产物的能力 在发酵过程中不产生或少产生与目标产品性质相近的副产物及其他产物 生长繁殖能力强 生长速率快 优良的生产菌种应具备基本特性 能够高效地将原料转化为产品 有广泛利用不同来源原材料的能力 并对发酵原料成分波动敏感性较小 对需要添加的前体物质有耐受能力 并且不能将这些前体物质作为一般碳源利用 发酵过程中产生泡沫要少 具有抗噬菌体感染能力 遗传特性稳定 保证发酵过程能够长期 稳定地进行 同时有利于实施最佳工艺控制 生产菌种选育方法 自然选育 诱变选育 抗噬菌体菌种选育 杂交育种 原生质体融合技术 基因工程技术等 自然选育 不经人工处理 利用微生物自然突变进行菌种选育的过程 自然突变原因 1 多因素低剂量的诱变效应 2 互变异构效应 自然选育程序 取样 菌悬液 稀释 平板分离 单菌落 能力检测 菌种 诱变育种 是利用物理 化学诱变剂处理微生物细胞 提高基因突变频率 再通过适当的筛选方法获得所需要的高产优质菌种的育种方法 常用的诱变剂 物理 化学和生物的三大类 诱变育种基本方法 诱变育种 诱变和筛选诱变 包括出发菌株选择 诱变剂种类和剂量选择 以及合理使用方法 筛选 初筛和复筛 测定菌种的生产能力 诱变剂的使用方法 诱变的方法 单一诱变和复合诱变 单一诱变 指只用一种诱变剂处理菌种 复合诱变 指两种以上诱变剂处理菌种 复合诱变处理包括同一诱变剂多次处理 两种以上诱变剂同时 先后处理或多次处理 原生质体融合技术 基因工程技术 杂交育种 菌种保藏的原理和方法 发酵类型 1 分批发酵2 补料分批发酵3 半连续发酵4 连续发酵5 细胞高浓度发酵 是研究各种环境因素与微生物代谢活动之间相互作用随时间而变化 即生物反应速度的规律 微生物发酵动力学 研究方法 是用数学模型定量地描述发酵过程中细胞生长速率 基质利用速率和产物生成速度等因素的变化 以达到对发酵过程有效的控制 从而提高产品的产率及降低生产成本的目的 发酵动力学模型 发酵动力学模型 是为了描述菌体生长 碳源利用与代谢产物形成速度变化 以及它们相互之间的动力学关系 目前有多种动力学分型 碳源利用与产物形成速度的关系动力学分型 它将发酵过程分成了三个类型 1 型 产物直接与碳源利用有关 2 型 产物间接与碳源利用有关 3 型 产物表面与碳源利用无关 分批发酵动力学 分批培养 是一次投料 一次接种 一次收获的间歇培养方式 这种培养方式操作简单 发酵液中细胞浓度 基质浓度和产物浓度均随时间而不断变化 就细胞浓度变化而言 在分批培养中要经历延迟期 对数生长期 减速期 稳定期和衰亡期 图4 2 连续培养动力学 连续培养或连续发酵是指在培养过程中 连续地向发酵罐中加人培养基 同时以相同流速从发酵罐中排出含有产品的培养基 一般连续培养方式可归纳为两种基本方式 一种是罐式或搅拌发酵罐 另一种是管式反应器 微生物发酵营养基质控制 营养物质 能够满足微生物生长 繁殖和各种生理活动所需的物质 生长因子种类 维生素 氨基酸 嘌呤和嘧啶 卟啉及其衍生物 固醇 胺类 C2 C6直链或分支脂肪酸等 还有一些特殊的辅酶 能提供生长因子的天然物质有酵母膏 蛋白胨 麦芽汁 玉米浆 动植物组织或细胞浸液以及微生物生长环境的提取液等 微生物发酵pH控制 发酵液pH变化 与发酵关系极为密切 对菌体生长繁殖和产物积累影响极大 因此是一项重点检测的发酵参数 pH影响结果1 菌体大小 长度缩短 直径和数量 2 pH影响细胞膜的电荷状态 进而引起膜的渗透性发生改变 再进而影响菌体对营养物质吸收和代谢产物的形成 对产物的稳定性同样有影响 3 pH对某些生物合成途径有显著影响 引起pH变化原因 取决于微生物自身的代谢 还与培养基的成分有极大关系 生理碱性物质 某些物质被微生物利用 氧化还原后 可使pH上升 这些物质称为生理碱性物质 如有机氮源 硝酸盐 有机酸等 生理酸性物质 某些物质被微生物利用 氧化还原后 使pH下降 这些物质称为生理酸性物质 碳源代谢往往起到降低pH作用 例如 糖类氧化不完全时产生的有机酸 脂肪不完全氧化产生的脂肪酸 硅盐氧化后产生的硫酸等 发酵过程pH控制方法 主要考虑培养基中生理酸性物质与生理碱性物质的配比 通过中间补料进一步加以控制 生理酸性物质 NH4 2SO4 生理碱性物质 氨水 当pH和氨氮含量均低时 补加氨水 若pH较高 而氨氮较低时 应该补加 NH4 2SO4 微生物发酵温度控制 温度是影响有机体生长繁殖最重要的因素之一 任何生物化学酶促反应都直接与温度变化有关的 对微生物发酵来说 温度影响是多方面的 可以影响各种发酵条件 最终影响微生物生长和产物形成 温度对发酵影响 酶反应看 温度上升 生长 繁殖 代谢 酶促反应动力学看 温度升高 反应速度加快 呼吸加强 细胞生长 繁殖加快 但随着温度上升 酶失活速度加快 菌体衰老提前 发酵周期缩短 对发酵生产是极为不利 最适发酵温度选择与控制选择最适发酵温度应该考虑两个方面 微生物生长最适温度 产物合成最适温度 不同菌种 菌种不同生长阶段以及不同培养条件 最适温度都不同 微生物发酵时间控制 发酵时间 是指菌种接入发酵基质起至发酵结束为止的时间间隔 发酵时间尽可能短 考虑提高产物收得率 降低底物消耗率 提高经济效益 利于后序处理及产品质量等 过度延长发酵时间缺点 生产效率降低 对后续提取工序不利 如菌体自溶释放出菌体蛋白或体内的酶 改变发酵液性质 使发酵液过滤困难 会使一些不稳定产物遭到破坏 降低不稳定发酵产物的产量 过度缩短发酵时间 会减少产物产量 降低了生产效率 发酵液还残存较多的糖 氨基酸 消沫剂 无机盐离子等对发酵液过滤和产物提取时的树脂交换有影响 微生物发酵溶氧控制 氧是细胞呼吸底物 溶氧量是指溶于培养液中的氧气量 适宜溶氧量能保证菌体内正常氧化还原反应 溶氧量少 导致能量供应不足 微生物将从有氧代谢转化为无氧代谢来供应能量 碳源物质不完全氧化产生乙醇 乳酸 短链脂肪酸等有机酸的积累 都将抑制菌体生长与代谢 溶氧量高 导致培养基过度氧化 细胞成分由于氧化而分解 也不利于菌体生长 溶解氧对产物形成影响是多样性 大量供氧才能高产 供氧不足 产量下降 如谷氨酸 精氨酸发酵 对氧不敏感 虽然氧充足时高产 但限制供氧量对产量影响不明显 如赖氨酸 苏氨酸等发酵 供氧充足 产物合成受到抑制 只有在供氧受到限制时才能高产 如亮氨酸 苯丙氨酸等发酵 发酵过程对氧需求与产物合成代谢途径有关 如果代谢途径中产生NADH越多 呼吸链需要氧就越多 必须多供氧 有的发酵需要在不同阶段进行不同供氧 如天冬酷胺酶生产 前期好氧发酵 后期厌氧发酵 能提高酶活性 生产上影响需氧因素主要有以下几方面 溶解氧浓度 溶解氧浓度高时一般需氧量相对较低 生产菌种 不同菌种对氧的要求不同 即使同一菌种的不同时期对氧的需求亦不相同 如 在发酵初期 呼吸最强但总菌量小 总需氧量不大 通气量可减小些 进入对数期 菌体大量增加 呼吸又在较高水平上 此时需氧量增大 直到最高 这时通气量要加大 直到最大 培养基 不同种类和不同浓度的碳源对微生物的需氧量影响明显 当碳源浓度增加 菌种需氧量也增加 如发酵中补料会增加微生物对氧的需求量 无机浓度对微生物需氧量也有较大影响 如磷酸盐浓度升高 金霉素产生菌对氧气的需求也大大增加 有毒产物的形成和积累 发酵液中二氧化碳等代谢产物如果不能及时从培养液中排出 让其在发酵罐中积累 就会抑制微生物的呼吸并对微生物有毒害作用 减小氧的需求量 消沫剂的影响 如使用消沫剂可被微生物利用 则会增强需氧量 其它因素 发酵接种量大 微生物生长快 菌体浓度大需氧量多 幼龄菌体呼吸强度高 需氧量大 影响供氧因素 供氧是指氧溶于培养液中的过程 氧在培养液中溶解度很低 对于好氧发酵必须不断通人空气并搅拌 以满足对溶解氧的需求 溶解氧浓度与发酵液物理化学性质 温度等有关 生产上影响供氧主要因素有以下几方面 搅拌 在深层培养过程中机械搅拌是加速氧溶解的重要条件 空气流速 一般空气流速提高 可提高供氧量 但空气流速过大 搅拌器叶轮发生过载 即叶轮不能分散空气 此时气流形成大气泡在轴的周围逸出 当空气流速超过过载速度时 通气效率就不再增加 反而增加动力消耗 罐压 罐压增大 一般溶氧量增大 但也会增大二氧化碳溶解度 影响发酵 空气分布器 良好分布器可增大供氧量 温度 温度升高氧溶解量下降 空气含氧量 富氧空气可提高溶解氧量 即提高氧供应量 工艺控制 氧的供应是用空气压缩机将空气压缩 经除菌后通过分布管通入发酵罐内 并通过搅拌把培养液内的空气打碎 使之与培养液充分混合 增加通气效果 溶氧量的调节一般可通过调节通气量大小及搅拌强度实现 空气流量增大 增加搅拌转速可使供氧量提高 反之下降 另外 控制发酵液中菌体浓度也可调节氧的供需情况 通过控制培养基浓度来实现调节氧 如青霉素发酵生产中就是通过控制补料中葡萄糖浓度来控制发酵液中菌丝浓度 进而实现氧供需情况的调节 此外 工业生产中还可以通过调节罐温 排二氧化碳 改善发酵液的物理性质 液化培养基 中间加水 使用表面活性剂等方法来控制溶氧浓度 通过控制补料速率及罐压及空气中氧气含量也可调节溶氧量 发酵染菌危害 产物收得率低 产品质量差 浪费原材料 经济效益差 造成环境污染 发酵过程异常现象判断 1 溶解氧水平异常 2 排气中CO2异常 3 pH变化及菌体酶活力异常 1 种子带菌 2 无菌空气系统染菌 3 培养基灭菌不彻底 4 设备管道灭菌不彻底 5 设备管道系统渗漏 杂菌污染原因分析 造成杂菌污染主要原因 设备问题为主 如设备渗漏 管道不严密 设备中存在死角 空气过滤系统失效等 其次是种子 主要是二级种子 染菌 培养基灭菌不彻底造成染菌极少发生 发酵产物特征 1 组成复杂 2 产物品种多 理化性质复杂 3 生理活性产品 容易变性失活 4 产品浓度低 产品成本提高 发酵产物的回收和精制 发酵液固液分离 胞外产物 胞内产物 菌体 发酵液 提取液 预处理 改变发酵液物理性质 降低粘度 增大固体粒度 絮凝蛋白质 除高价无机离子 发酵液中其它杂质 胞外产物 成品加工 高度纯化 初步纯化 细胞碎片分离 细胞破碎 细胞分离 预处理 发酵液 提取 精制 离心 萃取