动物发酵工程

发酵工程发酵工程概述发酵工程概述1、发酵工程的概念

发酵工程将微生物学、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。发酵工程概述1、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。微生物菌体发酵01微生物菌体发酵二、发酵类型

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。有的微生物菌体还可用作生物防治，用于农业生产中。微生物酶发酵02微生物酶发酵二、发酵类型

微生物具有种类多、产酶品种多、生产容易、成本低等特点，目前工业用酶大多来自微生物发酵，多用于食品工业和轻工业中。如葡萄糖生产。也可用于医药和医疗检测中，如胆固醇氧化酶检查血清中胆固醇含量，葡萄糖氧化酶检查血液中葡萄糖含量。微生物代谢产物发酵二、发酵类型03微生物代谢产物发酵

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。4.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。发酵工程概述5.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。基因的概念及其结构三、发酵技术的特点

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，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。基因的概念及其结构三、发酵技术的应用

①医药工业。抗生素、维生素、人胰岛素、乙肝疫苗、干扰素、透明质酸等。②食品工业。微生物蛋白、氨基酸、新糖源、饮料、酒类和一些食品添加剂的生产。③能源工业。将秸杆、木屑、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），微生物采油、产氢、产石油以及制成微生物电池。④化学工业。生产可降解的生物塑料、化工原料（乙醇、丙酮、丁醇等）和一些生物表面活性剂及生物凝集剂。⑤冶金工业。黄金开采和铜、钢等金属的浸提。⑥农业。生物固氮、生产生物杀虫剂及微生物饲料。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。微生物发酵过程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(需要加入一定量的无菌空气)和厌氧性发酵（不需要供给空气）两大类。微生物发酵过程微生物发酵过程01分类微生物发酵过程

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。02液体深层发酵优点

液体悬浮状态是很多微生物的最适生长环境。在液体中，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。液体输送方便，易于机械化操作。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。微生物发酵过程一、工业生产常用微生物

当前发酵工业所用菌种的总趋势是从野生菌转向变异菌，从自然选育转向代谢控制育种，从诱发基因突变转向基因重组的定向育种。

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。二、培养基

培养基的成分和配比，对微生物的生长、发育、代谢、产物积累，甚至对发酵工业的生产工艺都有很大的影响。（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。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。微生物发酵过程

三、发酵的一般过程微生物发酵过程01菌种制备微生物发酵过程

自然界菌种分离纯化、选育。02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。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。分离、提取精制。（四）下游处理液体深层发酵液体深层发酵（一）分批发酵

营养物和菌种一次加入进行培养，直到结束放出，中间除了空气进入和尾气排出，与外部没有物料交换。它除了控制温度、ph及通气以外，不进行任何其他控制，操作简单。但从细胞所处的环境来看，则有明显改变。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。一、深层发酵的操作方式一、深层发酵的操作方式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.衰亡期连续发酵01连续发酵一、深层发酵的操作方式

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。（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。（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。（三）补料分批发酵概念

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。（三）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。其次对于好氧发酵，它可以避免在分批发酵中因一次性投人糖过多造成细胞大量生长，耗氧过多，以至通风搅拌设备不能匹配的状况。再次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。液体深层发酵液体深层发酵（下）反映发酵过程变化的参数可以分为两类：

第一类：直接参数：可以直接采用特定的传感器检测的参数。它们包括反映物理环境和化学环境变化的参数，如温度、压力、搅拌功率、转速、泡沫、发酵液粘度、浊度、ｐＨ、离子浓度、溶解氧、基质浓度等。发酵工艺控制反映发酵过程变化的参数可以分为两类：

第二类：间接参数：至今尚难于用传感器来检测的参数，包括细胞生长速率、产物合成速率和呼吸嫡等。这些参数需要根据一些直接参数，借助于电脑计算和特定的数学模型才能得到。上述参数中，对发酵过程影响较大的有温度、pＨ、溶解氧浓度等。发酵工艺控制影响因素发酵工艺控制05营养物质的浓度04泡沫03溶解氧01温度02pHDNA重组与DNA杂交的区别

DNA杂交是在两条单链之间进行；DNA重组是在双链DNA片段之间进行的。DNA重组含义自然界的DNA重组

例如：减数分裂；病毒侵染。01通用式发酵罐发酵设备（一）机拌式发酵罐02自吸式发酵罐发酵设备（一）机拌式发酵罐

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。罐外空气通过吸气管吸人罐内，空气与发酵液经充分混合后在叶轮末端排出，并立即通过导轮向罐壁分散，经挡板折流涌向液面，均匀分布。这种方式使气液接触十分良好，气泡分散较细，从而提高了氧在发酵液中的溶解速率。发酵设备（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。

高位塔式发酵罐则将空气由罐底导入，经筛选板逐渐上升的同时带动发酵液上升，又通过有液封作用的降液管下降形成循环。发酵设备（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下游加工过程01下游加工过程下游加工过程（一）发酵液预处理和固液分离（二）提取（三）精制（四）成品加工下游加工过程固体发酵及实例固体发酵固体发酵及实例固体发酵

在微生物发酵过程中，有些微生物生长需水很少，可利用疏松而含有必需营养物的固体培养基进行发酵生产，称为固体发酵。我国传统的酿酒、制酱及天培等生产均为固体发酵。另外，固体发酵还用于蘑菇的生产、奶酪和泡菜的制作，以及动植物废料的堆肥等。实例固体发酵