微生物发酵工程概述演示课件

1、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,2,二、按照微生物发酵采用的方式分,1

2、、固体发酵 我国对发酵生产大致经历了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,图3.1 固体发酵表,3,2、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

3、再讲）。 其优点：发酵率高，发酵周期短； 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；厂房面积小，生产效率高，易进行自动化控制，产品质量稳定；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,4,三、按发酵动力学类型分,t图3.2,发酵动力学类型图,5,一）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

4、，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,6,二）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

5、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： 产物形成直接与碳源消耗有关； 产物形成速度与生长速度有紧密关系,7,2）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：、产物形成与碳源消耗间接有关； 、产物形成与生长只有部分联系,8,3）类型 III（非偶联型） 产物的形成

6、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： 、产物形成显然与碳源消耗无关； 、产物形成速度与生长速度没有紧密 联系,9,4）动力学研究的指导意义和优化营养条件原则 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。 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；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

7、能地降低，使之保持较长时期的高产物合成活性,10,四、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,11,一）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； 3、原料质量好，成分稳定，污染变质少，易灭菌； 4、价格便宜、来源方便、易于贮存。 但最便宜的原料也不一定是最合适的原料，如生产谷氨酸时，过去曾用糖蜜做原料，但因为它是制糖中的废液，成分变化大，难以控制，所以谷氨酸产酸率低，发酵周期长，还给产

8、物的提取、精制以及废水处理带来很大问题。现在我国已采用淀粉水解成葡萄糖来生产谷氨酸,12,二）淀粉水解糖的制备,淀粉是由葡萄糖组成的生物大分子，除少数霉菌和细菌可直接利用淀粉外，目前大多数的微生物都不能直接利用淀粉，例如在酒精酵母、抗生素生产、氨基酸生产中都要求将淀粉水解成糖。由于水解的方法不一，葡萄糖生成量也不同。 1、淀粉水解法分为三类：酸解法、酶解法、 酸酶法或酶酸法。 （1）酸解法 、工艺过程： 、酸解法的优缺点,a、优点：生产方便、设备简单、水解时间短、0.4MPa只需710分钟。 b、缺点：因在酸和高温下水解，需要耐酸、耐高温、高压的设备。 c、淀粉在高温、高压下进行水解，DE较低

9、，质量较差,除杂，脱色,13,、淀粉酸水解的原理 a、水解反应 b、复合反应 c、 分解反应,图3.4 淀粉酸水解原理,14,控制酸水解的影响因素 a、淀粉浓度 b、酸浓度、酸种类 c、温度和时间等条件 a、淀粉浓度：一般来讲淀粉浓度越高，复合反应分解反应程 度越高。 b、酸的浓度、酸的种类：HCl、 H2SO4、草酸等，以HCI常 用，效果较好。浓度0.5-0.8%，加入盐 酸后淀粉乳的pH为1.5。 c、糖化温度和时间 在酸水解中的控制因素 a、糖化控制在19BX b、酸种类一般用HCI，浓度0.5-0.8% c、温度和时间控制在0.35-0.40MPa，即140-146，9-18min,

10、BX,15,2）酶水解 从化学反应式（教材P76）看出淀粉生成葡萄糖的过程，水参与了反应，从理论上讲反应结果有化学增重作用，实际做不到如： 实际酸水解淀粉可得到葡萄糖是在85-95%以内（什么原因？） 1960左右，日本开始了用酶水解淀粉生产葡萄糖，大大提高了糖的产量和质量。我国1960年后也逐渐研究，现已推广使用,X,16,酶解法工艺流程,液化（糊精化） 糖化,淀粉乳,调pH6.0,加淀粉酶7-10 单位/克干淀粉,加热保温液化,升温灭酶,冷却调pH,糖化,加热,过滤,糖液,pH5.5-6.0 80-900C 30-60分钟,1100C 15-20分钟,600C pH4.5-5.0,添加糖化

11、酶,80-100单位/克干淀粉600 C 48小时,1200C 15分钟,17,酶解法制糖原理 a、淀粉酶的作用方式 (a)-淀粉酶作用于枝链淀粉 (b)-淀粉酶作用于枝链淀粉 (c)-淀粉酶作用与直链淀粉,18,d)糖化酶作用于直链淀粉 (e)糖化酶作用于枝链淀粉 (f)异淀粉酶作用 专门水解1.6糖苷键的糊精生成葡萄糖 图3.5 淀粉酶作用于淀粉的方式示意图,19,b、-淀粉酶来源 -淀粉酶来源 c、糖化酶来源 糖化酶来源,细菌,曲霉,枯草杆菌,巨大芽胞杆菌,黑曲霉,米曲霉,黑曲霉,米曲霉,黑根酶,20,d、-淀粉酶来源 -淀粉酶来源 e、异淀粉酶来源 异淀粉酶来源 f、转移糖苷酶来源：黑

12、曲霉、黑根霉,多粘芽胞杆菌,黑曲霉,黑根酶,植物、麦芽、甘薯、大豆等,酵母中广泛存在,细菌：假单细胞、产气杆菌,植物：大米、蚕头、马铃薯、 麦芽、玉米等,放线菌：诺卡氏菌,21,3）酸酶结合水解法或酶酸结合水解法 （4）酶解法的优点 条件温和，不用耐酸、耐高压的设备； 酶的专一性强，副产物少，出糖率高， 色素少。DE值在98-99%； 可提高淀粉乳浓度至28-29Bx，减少浓 缩结晶糖时能量的消耗； 酶水解后废糖蜜中氨基酸含量高。营养 丰富，可作食用糖浆,22,5）酶解法的缺点 糖化时间长，需要40小时； 糖化需要设备多。 （6）不同糖化工艺所得糖化液质量比较,23,三）其他原料的水解 1、糖蜜原料的水解 我们国家是出糖的地方，有大量的糖蜜。比如：南方的甘蔗，北方的甜菜以后的废料就是糖蜜。可以用作发酵的