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第四章：发酵工程
【学习目标】
了解发酵工程的发展概况；
熟悉生物反应器、发酵系统和发酵工艺；
掌握相关概念与知识点


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生物技术
基因工程

发酵工程

细胞工程

酶工程

产物

产品
产品


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发酵工程
——利用微生物进行产品生产的工程
发酵罐（生物反应器 ）
——进行工业发酵的容器


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2.发酵工业必须具备的条件

（1）适宜的微生物
（2）各种生长条件
（3）发酵设备
（4）产品的获取方法和设备。


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3. 特点


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一、发酵工程的发展历史
发酵现象→酿造食品工业→非食品工业→青霉素→抗
菌素发酵工业→氨基酸,核酸发酵（代谢控制发酵）
→基因工程菌→动物细胞大规模培养→植物细胞大规
模培养→藻类细胞大规模培养→转基因动物


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发酵现象的早期认识
虎克——

第一个看到微
生物的人


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巴斯德


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巴斯德发明的消毒器

现代化工厂仍采用
巴斯德消毒法


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发酵工程的早期阶段

人们的对发酵技术的认识起始于19世纪末，主要来
自于厌氧发酵，如利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和
各种发酵食品。
20世纪初期，1916年英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁
醇，德国采用亚硫酸盐法生产甘油（第一次世界大战）
──由食品工业向非食品工业发展


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发酵工程的重大转折点
fleming发现青霉素

现代生物技术
──分子生物学与发酵工程结合发展：
氨基酸发酵工业──谷氨酸、赖氨酸；

核酸发酵工业──肌苷酸、乌苷酸

微生物变异株通过代谢调节──代谢控制发酵技术


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发酵工程产业化发展

发酵工程技术涉及到解决人类所面临的食品与营

养、健康与环境、资源与能源等重大问题


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三、发酵工程的内容
1 微生物菌体发酵
2 微生物酶发酵
3 微生物代谢产物发酵

4

微生物的转化发酵
5

生物工程细胞的发酵


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四、发酵工程的应用及前景
1、应用领域：
①医药工业
②食品工业
③能源工业
④化学工业
⑤冶金工业
⑥农业
⑦环境保护


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2、发酵技术的前景
（1）非粮食原料的采用，节约粮食，降低成本
（2）调整结构，加强利用和实行清洁生产。

（3）发酵逐渐向大型发酵和连续发酵，自动化发展。


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第二节：生物反应器及发酵系统
一、概述

发酵工业种，生物反应器又叫发酵设备
有与之配套的一系列辅助设备


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1.发酵罐发展历史
简单发酵罐
钢制发酵罐
机械搅拌设备
无菌设备
通风设备
发酵工艺的完善控制


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2.发酵罐特点及其设计要求
①良好的生长环境
②严密的结构
③ 良好的液体混合性能

④高的传质和产热速率
⑤灵敏的检测和控制仪表


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2.设计要求
设计应遵循原则
灭菌部分与未灭菌部分之间不能直接连接
法兰连接尽量少

采用全部焊接结构
无死角裂缝
维修便利


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3.发酵罐类型
微生物生长需要分类

好气发酵罐
厌气发酵罐

传递特点分类

机械搅拌发酵罐
非搅拌发酵罐

根据容积分

实验室发酵罐
中试发酵罐

生产规模的发酵罐


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二

好氧发酵设备

生产上使用的几种发酵罐类型
1、机械搅拌式发酵罐
2、鼓泡式发酵罐
3、气升式发酵罐
3、自吸式发酵罐


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大型发酵罐
搅拌装置


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1、
通
用
式
发
酵
罐


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（1）通用式发酵罐的基本条件
适宜的高径比，罐身越高氧利用率越高
罐身的高度一般为罐直径的1．5～4倍


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发酵罐的部分部件
1.搅拌器和挡板

大多采用涡轮式搅拌器

挡板的作用是加强搅拌，促使液体上下翻动和控制
流型，消除涡流。


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消泡器：

轴封：

打碎 泡沫

密封罐体连接处的缝隙


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2、机械搅拌自吸式发酵罐
构造：
带中央吸气口的搅拌器,由罐底向上伸入
的主轴带动
优点：
提高氧的溶解速率、总的动力消耗减少

缺点：
进罐处负压，增加染菌机会，切断菌丝，
影响菌的正常生长


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①文氏管自吸式发酵罐


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②溢流喷射自吸式发酵罐：


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3、气升式发酵罐


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气升式发酵罐优势：能量消耗少，
又减少污染机率。

缺点：
（1） 需要非常大的空气吞吐量；
（2） 相间混和接触较差；


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三、厌氧发酵设备
发酵液尽量装满
有时还需充入非氧气体
排气口安装水封装置
培养基应预先还原
使用大剂量接种


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四、生物反应器工程及其前景
1.简介：

2 开发的趋势和未来方向


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第三节

发酵工程的工艺

一、发酵工业生产中的菌种
1.发酵工业化的菌种

从野生菌转向变异菌
自然选育转向代谢控制育种
诱发基因突变转向基因重组的定向育种


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2.发酵工业所用菌种必备的条件
①生长活力强，接种后在发酵罐种迅速生长。
②生理性状稳定
③菌体总量和浓度能满足大容量发酵要求
④无杂菌污染
⑤生产能力稳定


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二、 培养基
1.种类
营养物质来源分
：自然培养基，半合成培养基，合成培养基

生产中的用途
孢子培养基、种子培养基、发酵培养基


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2.发酵培养基的组成
培养基的基本成分
1、碳源：
2、氮源
3、无机盐和微量元素
4、生长因子
5、水


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三 发酵工艺
1.种子制备工艺
种子的实验室制备阶段

生产车间种子制备阶段


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2.灭菌
（1）灭菌方法

化学药剂灭菌
射线灭菌
干热灭菌
湿热灭菌
过滤除菌

最基本的方法


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（2）培养基灭菌
多采用湿热灭菌

方式

分批法
连续法


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（3）空气除菌
过滤除菌

3.发酵
纯种培养的过程


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四：发酵方式

1、分批发酵
三类 分批发酵
补料分批发酵
营养物和菌种一次加入进行培养，直
连续发酵
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。


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2、 连续发酵
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，
微生物仍在稳定状态下生长。


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优点：

①维持稳定

②能够更有效地实现机械化和自动化
③提高设备利用率，节省工时

④易优化，有效地提高发酵产率。


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3、 补料分批发酵
补料分批发酵又称为半连续发酵，是介于分
批发酵和连续发酵之间的一种发酵技术，是
指在微生物的分批发酵中，以某种方式向培
养系统补加一定物料的培养技术。
两种类型
单一补料分批发酵

反复补料分批发酵


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取长补短
优点

①维持适当的菌体浓度
②避免有毒代谢物的积累


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五、发酵工艺控制


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发酵的参数
物理参数
直接参数
化学参数
直接采用特定的传感器检测到的数据
生物参数
间接参数
无法得到直接的数据


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1、温度
影响多方面
整个发酵过程中对温度的需求也不一致
生产上一般很少加温


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2、 PH值
 pH与微生物的生命活动密切相关—— 酶催化

活性
 pH的变化又是微生物代谢状况的综合反映

——基质代谢、产物合成、细胞状态、营养
状况、供氧状况


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每种微生物的正常生长需要有一定
的PH值，不同的微生物对PH值的要
求也是不同的。
对于同一种微生物，由于PH值的不
同，形成的发酵产物也会不同。


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大多数细菌生长的最适pH为6．3～7．5

营养物质的代谢，是引起pH变化的重要原因
首先需要考虑和试验发酵培养基的基础配方

可在发酵过程中补加酸或碱（传统做法）
加生理酸性物质和生理碱性物质


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3、溶解氧浓度
最适氧浓度
临界氧浓度

指导方针
发酵前期给氧水平要有利于菌体生
长，中后期要利于产物的形成。


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供氧方面
无菌通气设备
调节措施
控制补料速率
调节温度
液化培养基

中间补水
添加表面活性剂


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4、培养基
直接影响微生物生长和产物的合成
培养基灭菌 是关键
多采用短时间高温处理的灭菌方
法


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5、泡沫
利

增加气液接触面积

弊

降低生产能力
造成原料浪费
增加杂菌污染的机会


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清除过多的泡沫方法：
化学消泡：
表面活性剂 天然油脂等
机械消泡：
机械强烈振动和压力变化


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发酵工艺控制转向自动化控制


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生产车间计
算机控制室


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远程通讯与异地数据传送与分析


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第四节：发酵产物的获得

发酵生产的下游加工

从发酵液中分离、精制有关产品的过程


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一、发酵液的特性与发酵产物的分类
（1）细胞、代谢产物和剩余培养基等多组分的多相系统
（2）大部分是水，发酵产品浓度很低,多以复杂的混合
物形式存在
（3）产品通常很不稳定
（4）批次不同的酵液里成分也不尽相同，下游提取工序
也应有变化


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2.发酵产物的分类
（1）菌体细胞
（2）酶
（3）代谢产物


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二、下游加工的一般流程与单元操作

发酵液预处理和固液分离
提取
精制

成品加工


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②固液分离

离心、过滤使固液分离。


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主要步骤

预处理
（1）发酵液预处理和固液分离

1、加热：
2、 调节pH值
3、加入絮凝剂
预处理后常用高速离心或微孔
滤膜过滤来收获菌体。


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（2）提取
①吸附法
②离子交换法
③沉淀法
④萃取法

⑤膜过滤法

常用柱层析或其他经典方法


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（3）精制
①层析分离
凝胶层析

离子交换层析

疏水层析

亲和层析

②结晶

聚焦层析


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（4）成品加工

浓缩、过滤、干燥

喷雾干燥器


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微生物细胞的破碎
细胞破碎方法既要能破坏细胞壁，又要保
证蛋白产物不发生变性
1、化学及生物学方法
化学方法
应用各种化学试剂使细胞膜的结构改变或
破坏的方法

生物方法（酶处理法）
细菌——溶菌酶
酵母菌——蜗牛酶、β-1，3-葡聚糖酶、 β-1，
6-葡聚糖酶、甘露聚糖酶、壳多糖酶


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2、 物理方法
非机械的方法 ：
如渗透压法、反复冻融法

机械的方法
超声波破碎、湿磨、高压匀浆及撞击