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微生物发酵技术 概述什么是微生物发酵？什么是微生物发酵？ 利用微生物 在适宜条件下 原料经过特定的代谢途径 转化为我们所需的产物工业微生物发酵：泛指通过微生物的生长培养和化学工业微生物发酵：泛指通过微生物的生长培养和化学变化，大量生产细胞本身和积累专门的代谢产物的反变化，大量生产细胞本身和积累专门的代谢产物的反应过程。应过程。微生物发酵的历史微生物发酵的历史 9000年前中国古人已会发酵酿酒 路易斯巴斯德（公元1822-1895年） 法国微生物学家、化学家。他研究了微生物的类型、习性、营养、繁殖、作用等，奠定了工业微生物学和医学微生物学的基础，并开创了微生物生理学 被称为“微生物学之父”微生物发酵技术的应用微生物发酵技术的应用 医药工业抗生素、维生素、动物激素、药用氨基酸 食品工业如酱油、醋、酒、面包、各类食品添加剂 能源工业 化学工业 环境保护 农业如生物固氮、生物农药、微生物饲料等微生物发酵产物的类型微生物发酵产物的类型 菌体-微生物菌体发酵（安琪酵母、灵芝、冬虫夏草等食用菌、微生物杀虫剂） 酶-微生物酶发酵（与动植物提取的优劣；蛋白酶、糖化酶、淀粉酶） 代谢产物-微生物代谢产物发酵（对数生长期-氨基酸、核酸、碳水化合物等初级代谢产物，不能生产过多；平衡期产生的与菌体本身代谢不直接相关的物质，次级代谢产物） 利用微生物将添加的物质进行化学转化或修饰-微生物转化发酵（氧化、脱羧、氨基化等，与化学反应的优劣）微生物工业产品类型微生物工业产品类型1 1、微生物菌体、微生物菌体细胞发酵细胞发酵2 2、微生物、微生物酶发酵酶发酵3 3、微生物代谢产物、微生物代谢产物发酵发酵生产生产4 4、生物转化或修饰化合、生物转化或修饰化合物的发酵工业物的发酵工业1 1、微生物菌体细胞发酵、微生物菌体细胞发酵药用真菌药用真菌名贵中药名贵中药生物防治剂生物防治剂活性乳酸制剂活性乳酸制剂目的：获得具有多种用途的微生物菌体细胞目的：获得具有多种用途的微生物菌体细胞特点：细胞的生长与产物积累成平行关系，生长速率最大时特点：细胞的生长与产物积累成平行关系，生长速率最大时期也是产物合成速率最高阶段，生长稳定期产量最高。期也是产物合成速率最高阶段，生长稳定期产量最高。微生微生物工业发酵产物工业发酵产品类型品类型面包制作面包制作单细胞蛋白食品单细胞蛋白食品（SCPSCP）现代的菌体发酵现代的菌体发酵传统的菌体发酵传统的菌体发酵2 2、微生物酶发酵、微生物酶发酵特点：特点：品种多，生产容易，成本低品种多，生产容易，成本低。分类：分类：胞内酶、胞外酶胞内酶、胞外酶生物合成特点：生物合成特点： 需要诱导作用或受阻遏、抑制等调需要诱导作用或受阻遏、抑制等调控作用的影响，在菌种选育、培养控作用的影响，在菌种选育、培养基配制以及发酵条件等方面需给予基配制以及发酵条件等方面需给予注意。注意。微生物工业产品类型微生物工业产品类型3 3、微生物代谢产物发酵、微生物代谢产物发酵 包括初级代谢产物和次级代谢产物。微生物工业产品类型微生物工业产品类型初级代谢产物：初级代谢产物：菌体生长所必需的，在对数生长期产生菌体生长所必需的，在对数生长期产生的物质，受许多调节机制的控制。如的物质，受许多调节机制的控制。如氨基酸、核苷酸、氨基酸、核苷酸、蛋白质和核酸蛋白质和核酸。次级代谢产物：次级代谢产物：与菌体生长繁殖无明显关系，是菌体在与菌体生长繁殖无明显关系，是菌体在生长的稳定期合成的具有的特定功能的产物，也受诱导生长的稳定期合成的具有的特定功能的产物，也受诱导调节、产物阻遏的作用的影响。如调节、产物阻遏的作用的影响。如抗生素、生物碱、细抗生素、生物碱、细菌素、植物生长因子菌素、植物生长因子。4 4、微生物的生物转化、微生物的生物转化 定义：定义：是利用生物细胞对一些化合物某一是利用生物细胞对一些化合物某一特定部位（基团）的作用，使它转变成结特定部位（基团）的作用，使它转变成结构相类似但具有更在经济价值的化合物。构相类似但具有更在经济价值的化合物。 最终产物是由微生物细胞的酶或酶系对底最终产物是由微生物细胞的酶或酶系对底物某一特定部位进行化学反应而形成的。物某一特定部位进行化学反应而形成的。微生物工业产品类型微生物工业产品类型特点：特点：特异性强（反应特异性、结构位置特异性、立体特异性）特异性强（反应特异性、结构位置特异性、立体特异性）微生物发酵技术的不同阶段微生物发酵技术的不同阶段 1.天然发酵阶段家庭或作坊式；非纯种厌氧发酵；经验性；产品质量和稳定性差 2.纯培养发酵技术阶段列文虎克显微镜；巴斯德发酵是有微生物引起的化学反应；科赫建立了微生物分离纯化和纯培养技术，自此人类才开始人为地控制微生物的发酵过程，这极大地推动了工业微生物发酵的发展。微生物发酵技术的不同阶段微生物发酵技术的不同阶段 3.通气搅拌发酵阶段弗莱明，青霉素。由抗生素发酵开始发展起来的通气搅拌液体发酵技术是现代发酵工业最主要的最主要生产方式；通气搅拌发酵技术的建立是发酵工业发展的一个转折点。 4.人工诱变育种与代谢控制发酵技术阶段日本首先成功利用生理缺陷型菌株进行谷氨酸生产。由氨基酸发酵而开始的代谢调控发酵，使发酵工业进入了一个新阶段。 5.利用基因工程技术进行发酵阶段20世纪70年代开始，人类进入了以基因工程技术为中心的生物工程时代。工业微生物发酵的特征 1. 原料 以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，加入少量有机或无机氮源即可。 废水、废物作为发酵原料。 2.微生物菌种是进行发酵的根本因素 因此，综合利用多种技术诱变和选育优良菌种，并是生产设备的得到最大化利用，是进行工业发酵的关键 3. 发酵过程较为安全（常温、常压) 4.要求再无菌条件下进行 5.产品形式多样 微生物转化发酵，可以产生较为复杂的高分子化合物；反应的专一性，可得到较为单一的代谢产物； 6. 经济效益显著微生物发酵方式 微生物发酵是一个错纵复杂的过程，尤其是大规模工业发酵，要达到预定目标，更是需要采用和研究开发各式各样的发酵技术，发酵的方式就是最重要的发酵技术之一。 实际上微生物工业生产中，都是各种发酵方式结合进行的，选择哪些方式结合起来进行发酵，取决于菌种特性、原料特点、产物特色、设备状况、技术可行性、成本核算等。现代发酵工业大多数是好氧、液体、深层、分批、游离、单一纯种发酵方式结合进行的。微生物发酵方式(1)好氧单一纯种微生物产生单一产品，是现代发酵工业的主流，而此发酵方式的结合是目前相适应最多和最好的发酵方式，对大多数发酵工业是最佳的选择； (2)液体悬浮状态是很多微生物的最适宜的生长环境，菌体、营养物、产物、热量容易扩散和均质，使产品较易达到高产、优质，发酵中液体输送方便，检测、控制和操作也容易实现自动化；(3)深层、游离状态扩大了菌种与发酵基质的接触面，增加了发酵反应的效率，加快了反应周期； (4)分批发酵对生物反应器中的发酵是间歇式操作，其主要特征是所有工艺变量都随时间而变，工艺变量主要是菌体、营养物、pH、热量、产物的变更，变化的规律性强，比较容易控制逐级放大和扩大生产规模； (5)分批单一纯种发酵不易污染，菌种较容易复壮和改良。微生物发酵方式需氧不需氧 厌氧发酵、好氧发酵；培养基物理状态 液态发酵和固态发酵；发酵位置 表面发酵和深层发酵；根据菌种单一或多菌种 单一菌种发酵和混合菌种发酵。微生物发酵最常见的分类是按照发酵方式的不同将发酵过程分为间歇发酵，连续发酵和流加发酵三种类型。微生物发酵方式间歇发酵：间歇发酵又称为分批发酵，是指在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后，接入少量的微生物菌种进行培养，使微生物生长繁殖，在特定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法 。它是传统生物产品发酵常用的发酵方式。特点：分批发酵的优点是操作简单、投资少；运行周期短，染菌机会减少；生产过程、产品质量较易控制。缺点是发酵初期营养物过多会抑制微生物的生长，而发酵的中后期又因为营养物减少而降低培养效率。微生物发酵方式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，微生物在稳定状态下生长。连续发酵使用的反应器可以是搅拌罐式反应器，也可以是管式反应器。在罐式反应器中，即使加人的物料中不含有菌体，只要反应器内含有一定量的菌体，在一定进料流量范围内，就可实现稳态操作。优点：设备利用率高；发酵中各参数趋于恒值，便于自动控制。缺点：对设备要求较高；营养成分的利用率较分批发酵差，产物浓度较分批发酵低；易染菌。微生物发酵方式 流加发酵：流加发酵也叫补料分批发酵或半连续发酵，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。 它是介于分批发酵和连续发酵之间的一种发酵技术，同时具备两者的部分优点，是一种在工业上比较常用的发酵工艺。 微生物发酵方式典型的分批发酵工艺流程图微生物发酵方式搅拌式连续发酵系统