發(fā)酵工程相關知識

guoshengli2006 · 發(fā)表于 2010-2-2 14:23:10

發(fā)酵工程
      發(fā)酵工程是生物技術的重要組成部分，是生物技術產(chǎn)業(yè)化的重要環(huán)節(jié)。它將微生物學、生物化學和化學工程學的基本原理有機地結合起來，是一門利用微生物的生長和代謝活動來生產(chǎn)各種有用物質(zhì)的工程技術。又稱為微生物工程。
      目前，人們把利用生物細胞的生命活動來制備目的產(chǎn)物的過程統(tǒng)稱為發(fā)酵。
發(fā)酵工程的發(fā)展簡史
1.自然發(fā)酵階段。發(fā)酵技術有著悠久的歷史，早在幾千年前，人們就開始從事釀酒、制醬、制奶酪等生產(chǎn)。
2.純培養(yǎng)技術的建立。
3.深層通風培養(yǎng)技術的建立。
4.代謝控制發(fā)酵技術的建立。
5.固定化酶技術、細胞工程技術、基因工程技術的建立。
發(fā)酵工程的現(xiàn)狀及發(fā)展前景
      在發(fā)達國家，發(fā)酵工業(yè)的產(chǎn)值占國民生產(chǎn)總值的5%。在醫(yī)藥產(chǎn)品中，發(fā)酵產(chǎn)品的產(chǎn)值占20%。在醫(yī)藥、食品、化工、冶金、資源、能源、環(huán)境等諸多領域有著廣泛的應用。
第一節(jié) 發(fā)酵工程概況
一、發(fā)酵生產(chǎn)類型
1.微生物菌體發(fā)酵（酵母、單細胞蛋白、藥用真菌、殺蟲劑等）；
2.微生物酶發(fā)酵（淀粉酶、糖化酶、氨基?；浮⑶嗝顾仵；傅龋?br /> 3.微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵（初級代謝產(chǎn)物、次級代謝產(chǎn)物）；
4.微生物的轉(zhuǎn)化發(fā)酵：微生物轉(zhuǎn)化是利用微生物細胞的一種或多種酶，把一種化合物轉(zhuǎn)變成更有經(jīng)濟價值的產(chǎn)物。
5.生物工程細胞的發(fā)酵，是指利用生物工程技術所獲得的細胞進行培養(yǎng)的新型發(fā)酵，其產(chǎn)物多種多樣。
初級代謝產(chǎn)物和次級代謝產(chǎn)物
      在菌體對數(shù)生長期所產(chǎn)生的產(chǎn)物，如氨基酸、核苷酸、蛋白質(zhì)、核酸、糖類等，是菌體生長繁殖所必需的，這些產(chǎn)物叫做初級代謝產(chǎn)物。
      在菌體生長靜止期，某些菌體能合成一些具有特定功能的產(chǎn)物，如抗生素、生物堿、植物生長因子等，這些產(chǎn)物與菌體的生長繁殖無明顯關系，叫做次級代謝產(chǎn)物。
二、發(fā)酵技術的特點
1.多個反應過程可在發(fā)酵過程中一次完成；
2.反應通產(chǎn)在常溫常壓下進行，條件溫和，能耗少，設備很簡單；
3.原料來源廣泛，可再生；
4.可特異性地進行復雜的化學反應；
5.要求無菌操作。
三、發(fā)酵技術的應用
      發(fā)酵工程作為現(xiàn)代生物技術的重要組成部分制以，得到越來越廣泛的應用。
1.醫(yī)藥工業(yè)：抗生素、維生素、胰島素、乙肝疫苗、干擾素等；
2.食品工業(yè)：微生物蛋白、氨基酸、飲料、酒類和一些食品添加劑（檸檬酸、乳酸、天然色素等）；
3.能源工業(yè)：酒精、沼氣、微生物采油；
4.化學工業(yè)：化工原料（乙醇、丙酮、丁醇）、生物表面活性劑；
5.農(nóng)牧業(yè)：生物固氮、生物殺蟲劑、微生物飼料； 6.冶金工業(yè)和環(huán)境保護。
第二節(jié)  微生物發(fā)酵過程
      根據(jù)微生物的種類不同（好氧、厭氧、兼性厭氧），可以分為好氧性發(fā)酵、厭氧性發(fā)酵和兼性發(fā)酵三大類：
（1）好氧性發(fā)酵，如檸檬酸發(fā)酵，谷氨酸發(fā)酵。
（2）厭氧性發(fā)酵，如乳酸發(fā)酵，丙酮、丁醇發(fā)酵。
（3）兼性發(fā)酵，如酵母菌卻氧條件下發(fā)酵生產(chǎn)酒精，有氧條件下繁殖菌體。
一、工業(yè)生產(chǎn)常用微生物
      當前發(fā)酵工業(yè)所用菌種的總趨勢：從野生菌轉(zhuǎn)向變異菌；從自然選育轉(zhuǎn)向代謝控制育種；從誘發(fā)基因突變轉(zhuǎn)向基因工程的定向育種。工業(yè)上常用的微生物是：
（1）細菌                （2）放線菌
（3）酵母菌             （4）霉菌
（5）其他微生物
   a 擔子菌                b 藻類
二、培養(yǎng)基
      培養(yǎng)基是提供微生物生長繁殖和生物合成各種代謝產(chǎn)物需要的多種營養(yǎng)物質(zhì)的混合物。培養(yǎng)基的成分和配比，對微生物的生長、繁育、代謝及產(chǎn)物的積累，甚至對發(fā)酵工業(yè)的生產(chǎn)工藝都有很大的影響。
1、培養(yǎng)集的種類，依據(jù)其在生長中的用途，可將培養(yǎng)基分成：
  （1）孢子培養(yǎng)基，是供制備孢子用的。
  （2）種子培養(yǎng)基，是供孢子發(fā)芽和菌體生長繁殖用的。
  （3）發(fā)酵培養(yǎng)基，是供菌體生長繁殖和合成大量代謝產(chǎn)物用的。
2、發(fā)酵培養(yǎng)基的組成
  （1）碳源                         （2）氮源
  （3）無機鹽和微量元素    （4）生長因子
  （5）水                            （6）產(chǎn)物形成的誘導物、前體和
                                                   促進劑
三、發(fā)酵的一般過程
      發(fā)酵工藝多種多樣，但基本上包括以下幾個過程：
1、菌種制備
2、種子擴大培養(yǎng)
   是指將保存的生產(chǎn)菌種逐級擴大培養(yǎng)而獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種的過程。
3、發(fā)酵，是微生物合成大量產(chǎn)物的過程。
4、下游處理
      發(fā)酵結束后，要對發(fā)酵液和生物細胞進行分離和提純精制，將發(fā)酵產(chǎn)物制成合乎要求的產(chǎn)品。
第三節(jié) 發(fā)酵操作方式及工藝控制
1、發(fā)酵的操作方式
（1）分批發(fā)酵，營養(yǎng)物和菌種一次加入進行培養(yǎng)，直到結束放出。
（2）連續(xù)發(fā)酵，是指以一定的速度向發(fā)酵罐內(nèi)添加新鮮培養(yǎng)基，同時以相同的速度流出培養(yǎng)液，從而使發(fā)酵罐內(nèi)的液量維持穩(wěn)定，微生物在穩(wěn)定狀態(tài)下生長。其反應器有攪拌罐式反應器和管式反應器兩種。
（3）補料分批發(fā)酵，是指在微生物分批發(fā)酵中，以某種方式向培養(yǎng)系統(tǒng)補加一定物料的培養(yǎng)技術。
連續(xù)發(fā)酵與分批發(fā)酵的比較
優(yōu)點：1.微生物的生長和產(chǎn)物形成保持穩(wěn)定；
   2.能實現(xiàn)機械化和自動化；
   3.提高設備利用率，縮短發(fā)酵周期；
缺點：1.容易造成雜菌污染；
   2.對設備、儀器及控制元件的技術要求       較高；

2、發(fā)酵工藝控制
      發(fā)酵過程中，為了能對生產(chǎn)過程進行控制，需要對有關工藝參數(shù)進行定期取樣測定或進行連續(xù)測量。對發(fā)酵影響較大的參數(shù)有：
（1）溫度，影響酶活性，改變菌體代謝方向。
（2）pH值，影響酶或性，影響細胞膜的通透性。
（3）溶解氧濃度。
第四節(jié)  發(fā)酵設備
      進行微生物深層培養(yǎng)的設備統(tǒng)稱發(fā)酵罐。優(yōu)良的發(fā)酵裝置應具有嚴密的結構，良好的液體混合性能，較高的傳質(zhì)、傳熱速率，配套的檢測及控制儀表。
1、機械攪拌式發(fā)酵罐，利用機械攪拌器的作用，使空氣和發(fā)酵液充分混合，促進氧的溶解。包括：通用式發(fā)酵罐和自吸式發(fā)酵罐。
2、通風攪拌式發(fā)酵罐，在通風攪拌式發(fā)酵罐中，通風的目的不僅是供給微生物所需要的氧，同時還利用發(fā)酵罐的空氣，代替攪拌器使發(fā)酵液均勻混合。包括空氣代生式發(fā)酵罐和高位塔式發(fā)酵罐。
3、厭氧發(fā)酵設備