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微生物发酵工程概述微生物发酵工程概述二、按照微生物发酵采用的方式分1 1、固体发酵、固体发酵、固体发酵、固体发酵 我国对发酵生产大致经历了固体发酵我国对发酵生产大致经历了固体发酵我国对发酵生产大致经历了固体发酵我国对发酵生产大致经历了固体发酵浅盘发酵浅盘发酵浅盘发酵浅盘发酵液液液液体发酵过程。固体发酵历史悠久，优点是投资少，设备体发酵过程。固体发酵历史悠久，优点是投资少，设备体发酵过程。固体发酵历史悠久，优点是投资少，设备体发酵过程。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。能获得较高的代简单，操作容易，因陋就简，耗能少。能获得较高的代简单，操作容易，因陋就简，耗能少。能获得较高的代简单，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谢产物产量。缺点：厂房面积大，生物反应器设计还不谢产物产量。缺点：厂房面积大，生物反应器设计还不谢产物产量。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、菌体量和完善，难于准确测定含水量、菌体量和完善，难于准确测定含水量、菌体量和完善，难于准确测定含水量、菌体量和COCO2 2生成量。生成量。生成量。生成量。固体发酵是发酵原料加上一定比例的水分，灭菌后固体发酵是发酵原料加上一定比例的水分，灭菌后固体发酵是发酵原料加上一定比例的水分，灭菌后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，冷却后接种发置曲盘、草帘、深槽中或固体发酵罐中，冷却后接种发置曲盘、草帘、深槽中或固体发酵罐中，冷却后接种发置曲盘、草帘、深槽中或固体发酵罐中，冷却后接种发酵。酵。酵。酵。发酵类型发酵类型发酵类型发酵类型特点特点特点特点产物产物产物产物固体发酵固体发酵固体发酵固体发酵原料原料原料原料+水（少量）水（少量）水（少量）水（少量）柠檬酸固体发酵、酱油、菌肥、农药等柠檬酸固体发酵、酱油、菌肥、农药等柠檬酸固体发酵、酱油、菌肥、农药等柠檬酸固体发酵、酱油、菌肥、农药等液体发酵液体发酵液体发酵液体发酵原料原料原料原料+水（大量）水（大量）水（大量）水（大量）胰岛素、抗生素、柠檬酸、氨基酸、酶胰岛素、抗生素、柠檬酸、氨基酸、酶胰岛素、抗生素、柠檬酸、氨基酸、酶胰岛素、抗生素、柠檬酸、氨基酸、酶制剂、干扰素、白介素等。制剂、干扰素、白介素等。制剂、干扰素、白介素等。制剂、干扰素、白介素等。浅盘浅盘浅盘浅盘深层搅拌深层搅拌深层搅拌深层搅拌图3.1 固体发酵表（4）动力学研究的指导意义和优化营养条件原则）动力学研究的指导意义和优化营养条件原则 指导意义指导意义指导意义指导意义 a a、指导发酵培养基的合理设计；、指导发酵培养基的合理设计；、指导发酵培养基的合理设计；、指导发酵培养基的合理设计；b b、能够在发酵过程中进行科学的管理、如实行计、能够在发酵过程中进行科学的管理、如实行计、能够在发酵过程中进行科学的管理、如实行计、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。算机自动化控制进而提高生产效率。算机自动化控制进而提高生产效率。算机自动化控制进而提高生产效率。优化的一般原则优化的一般原则优化的一般原则优化的一般原则 在发酵初期，尽可能使菌体快速生长，缩短无产物在发酵初期，尽可能使菌体快速生长，缩短无产物在发酵初期，尽可能使菌体快速生长，缩短无产物在发酵初期，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生成或产率低的生长期，同时为生产期提供足够量的生成或产率低的生长期，同时为生产期提供足够量的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高生产活性细胞；在生产期，要使生产细胞的衰老或高生产活性细胞；在生产期，要使生产细胞的衰老或高生产活性细胞；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能地降低，死亡速度以及产物合成酶的失活速度尽可能地降低，死亡速度以及产物合成酶的失活速度尽可能地降低，死亡速度以及产物合成酶的失活速度尽可能地降低，使之保持较长时期的高产物合成活性。使之保持较长时期的高产物合成活性。使之保持较长时期的高产物合成活性。使之保持较长时期的高产物合成活性。四、微生物发酵的一般工艺过程四、微生物发酵的一般工艺过程n n微生物发酵产品名微生物发酵产品名微生物发酵产品名微生物发酵产品名目繁多，这么多的目繁多，这么多的目繁多，这么多的目繁多，这么多的发酵产品生产过程发酵产品生产过程发酵产品生产过程发酵产品生产过程是否一样呢？在工是否一样呢？在工是否一样呢？在工是否一样呢？在工业流程细节上很不业流程细节上很不业流程细节上很不业流程细节上很不相同。然而，概括相同。然而，概括相同。然而，概括相同。然而，概括来讲其工艺流程是来讲其工艺流程是来讲其工艺流程是来讲其工艺流程是相似的。如有的发相似的。如有的发相似的。如有的发相似的。如有的发酵需氧，有的发酵酵需氧，有的发酵酵需氧，有的发酵酵需氧，有的发酵不需氧。不需氧。不需氧。不需氧。图3.3 微生物发酵的一般工艺过程（一）原料选择（一）原料选择 1 1、原料中碳的可利用率高；、原料中碳的可利用率高；、原料中碳的可利用率高；、原料中碳的可利用率高；2 2、发酵产率高，而且尽可能使发酵废物少；、发酵产率高，而且尽可能使发酵废物少；、发酵产率高，而且尽可能使发酵废物少；、发酵产率高，而且尽可能使发酵废物少；3 3、原料质量好，成分稳定，污染变质少，易灭菌；、原料质量好，成分稳定，污染变质少，易灭菌；、原料质量好，成分稳定，污染变质少，易灭菌；、原料质量好，成分稳定，污染变质少，易灭菌；4 4、价格便宜、来源方便、易于贮存。、价格便宜、来源方便、易于贮存。、价格便宜、来源方便、易于贮存。、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，如但最便宜的原料也不一定是最合适的原料，如但最便宜的原料也不一定是最合适的原料，如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，但因为它是制生产谷氨酸时，过去曾用糖蜜做原料，但因为它是制生产谷氨酸时，过去曾用糖蜜做原料，但因为它是制生产谷氨酸时，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，所以谷氨酸产糖中的废液，成分变化大，难以控制，所以谷氨酸产糖中的废液，成分变化大，难以控制，所以谷氨酸产糖中的废液，成分变化大，难以控制，所以谷氨酸产酸率低，发酵周期长，还给产物的提取、精制以及废酸率低，发酵周期长，还给产物的提取、精制以及废酸率低，发酵周期长，还给产物的提取、精制以及废酸率低，发酵周期长，还给产物的提取、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水处理带来很大问题。现在我国已采用淀粉水解成葡水处理带来很大问题。现在我国已采用淀粉水解成葡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。萄糖来生产谷氨酸。萄糖来生产谷氨酸。萄糖来生产谷氨酸。（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。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、淀粉水解法分为三类：酸解法、酶解法、酸酶法或酶酸法。酸酶法或酶酸法。（1）酸解法）酸解法、工艺过程：、工艺过程：、酸解法的优缺点：酸解法的优缺点：a、优点：生产方便、设备简单、水解时间短、优点：生产方便、设备简单、水解时间短、0.4MPa只需只需710分钟。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。、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，、淀粉在高温、高压下进行水解，DE较低，质量较差。较低，质量较差。除杂，脱色除杂，脱色、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，控制酸水解的影响因素控制酸水解的影响因素控制酸水解的影响因素控制酸水解的影响因素 a a、淀粉浓度、淀粉浓度、淀粉浓度、淀粉浓度 b b、酸浓度、酸种类、酸浓度、酸种类、酸浓度、酸种类、酸浓度、酸种类 c c、温度和时间等条件、温度和时间等条件、温度和时间等条件、温度和时间等条件 a a、淀粉浓度：一般来讲淀粉浓度越高，复合反应分解反应程、淀粉浓度：一般来讲淀粉浓度越高，复合反应分解反应程、淀粉浓度：一般来讲淀粉浓度越高，复合反应分解反应程、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。度越高。度越高。度越高。b b、酸的浓度、酸的种类：、酸的浓度、酸的种类：、酸的浓度、酸的种类：、酸的浓度、酸的种类：HClHCl、H H2 2SOSO4 4、草酸等，以、草酸等，以、草酸等，以、草酸等，以HCIHCI常常常常 用，效果较好。浓度用，效果较好。浓度用，效果较好。浓度用，效果较好。浓度0.5-0.8%0.5-0.8%，加入盐加入盐加入盐加入盐 酸后淀粉乳的酸后淀粉乳的酸后淀粉乳的酸后淀粉乳的pHpH为为为为1.51.5。c c、糖化温度和时间、糖化温度和时间、糖化温度和时间、糖化温度和时间在酸水解中的控制因素在酸水解中的控制因素在酸水解中的控制因素在酸水解中的控制因素 a a、糖化控制在、糖化控制在、糖化控制在、糖化控制在1919BXBX b b、酸种类一般用、酸种类一般用、酸种类一般用、酸种类一般用HCIHCI，浓度，浓度，浓度，浓度0.5-0.8%0.5-0.8%c c、温度和时间控制在、温度和时间控制在、温度和时间控制在、温度和时间控制在0.35-0.40MPa0.35-0.40MPa，即，即，即，即140-146140-146，9-18min9-18min。蒸汽压力（蒸汽压力（MpaMpa）反应时间（反应时间（minmin）0.30 134.5 0.30 134.5 0 0C C20200.35 140 0.35 140 0 0C C 18180.40 146 0.40 146 0 0C C 9 9(BX)（2）酶水解）酶水解 从化学反应式（教材从化学反应式（教材从化学反应式（教材从化学反应式（教材P P7676）看出淀粉生成葡）看出淀粉生成葡）看出淀粉生成葡）看出淀粉生成葡萄糖的过程，水参与了反应，从理论上讲反应结萄糖的过程，水参与了反应，从理论上讲反应结萄糖的过程，水参与了反应，从理论上讲反应结萄糖的过程，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：果有化学增重作用，实际做不到如：果有化学增重作用，实际做不到如：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实际酸水解淀粉可得到葡萄糖是在实际酸水解淀粉可得到葡萄糖是在实际酸水解淀粉可得到葡萄糖是在85-85-95%95%以内（什么原因？）以内（什么原因？）以内（什么原因？）以内（什么原因？）1960 1960左右，日本开始了用酶水解淀粉生产左右，日本开始了用酶水解淀粉生产左右，日本开始了用酶水解淀粉生产左右，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。我国葡萄糖，大大提高了糖的产量和质量。我国葡萄糖，大大提高了糖的产量和质量。我国葡萄糖，大大提高了糖的产量和质量。我国19601960年后也逐渐研究，现已推广使用。年后也逐渐研究，现已推广使用。年后也逐渐研究，现已推广使用。年后也逐渐研究，现已推广使用。X酶解法工艺流程酶解法工艺流程液化（糊精化）液化（糊精化）糖化糖化淀粉乳淀粉乳调pH6.0加淀粉酶7-10单位/克干淀粉加热保温液化加热保温液化升温灭酶升温灭酶冷却调冷却调pH糖化糖化加热加热过滤过滤糖液糖液pH5.5-6.0 80-900C30-60分钟1100C15-20分钟600CpH4.5-5.0添加糖化酶添加糖化酶80-100单位/克干淀粉600 C 48小时1200C15分钟酶解法制糖原理酶解法制糖原理a a、淀粉酶的作用方式、淀粉酶的作用方式、淀粉酶的作用方式、淀粉酶的作用方式(a)(a)-淀粉酶作用于枝链淀粉淀粉酶作用于枝链淀粉淀粉酶作用于枝链淀粉淀粉酶作用于枝链淀粉 (b)(b)-淀粉淀粉淀粉淀粉酶作用于枝链淀粉酶作用于枝链淀粉酶作用于枝链淀粉酶作用于枝链淀粉(c)(c)-淀粉淀粉淀粉淀粉酶作用与直链淀粉酶作用与直链淀粉酶作用与直链淀粉酶作用与直链淀粉 (d)糖化酶作用于直链淀粉糖化酶作用于直链淀粉(e)糖化酶作用于枝链淀粉糖化酶作用于枝链淀粉(f)异淀粉酶作用异淀粉酶作用 专门水解专门水解专门水解专门水解1.61.6糖苷键的糊精生成葡萄糖糖苷键的糊精生成葡萄糖糖苷键的糊精生成葡萄糖糖苷键的糊精生成葡萄糖图图图图3.5 3.5 淀粉酶作用于淀粉的方式示意图淀粉酶作用于淀粉的方式示意图淀粉酶作用于淀粉的方式示意图淀粉酶作用于淀粉的方式示意图 b b、-淀粉酶来源淀粉酶来源淀粉酶来源淀粉酶来源 -淀粉酶来源淀粉酶来源淀粉酶来源淀粉酶来源 c c c c、糖化酶来源、糖化酶来源、糖化酶来源、糖化酶来源 糖化酶来源糖化酶来源糖化酶来源糖化酶来源细细菌菌曲曲霉霉枯草杆菌枯草杆菌巨大芽胞杆菌巨大芽胞杆菌黑曲霉黑曲霉米曲霉米曲霉黑曲霉黑曲霉米曲霉米曲霉黑根酶黑根酶d、-淀粉淀粉酶来源酶来源 -淀粉酶来源淀粉酶来源淀粉酶来源淀粉酶来源e、异淀粉酶来源、异淀粉酶来源 异淀粉酶来源异淀粉酶来源异淀粉酶来源异淀粉酶来源 f、转移糖苷酶来源：、转移糖苷酶来源：黑曲霉、黑根霉黑曲霉、黑根霉黑曲霉、黑根霉黑曲霉、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（3）酸酶结合水解法或酶酸结合水解）酸酶结合水解法或酶酸结合水解法法（4）酶解法的优点）酶解法的优点 条件温和，不用耐酸、耐高压的设备；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，酶的专一性强，副产物少，出糖率高，色素少。色素少。DE值在值在98-99%；可提高淀粉乳浓度至可提高淀粉乳浓度至28-29BxBx，减少，减少浓浓 缩结晶糖时能量的消耗；缩结晶糖时能量的消耗；酶水解后废糖蜜中氨基酸含量高。营养酶水解后废糖蜜中氨基酸含量高。营养 丰富，可作食用糖浆。丰富，可作食用糖浆。（5）酶解法的缺点）酶解法的缺点 糖化时间长，需要糖化时间长，需要糖化时间长，需要糖化时间长，需要4040小时；小时；小时；小时；糖化需要设备多。糖化需要设备多。糖化需要设备多。糖化需要设备多。（6）不同糖化工艺所得糖化液质量比较）不同糖化工艺所得糖化液质量比较项目项目项目项目酸水解法酸水解法酸水解法酸水解法酸酶法酸酶法酸酶法酸酶法酶解法酶解法酶解法酶解法葡萄糖值（葡萄糖值（葡萄糖值（葡萄糖值（DEDE值）值）值）值）919195959898葡萄糖含基（葡萄糖含基（葡萄糖含基（葡萄糖含基（%干基）干基）干基）干基）868693939797灰分（灰分（灰分（灰分（%）1.61.60.40.40.10.1蛋白质（蛋白质（蛋白质（蛋白质（%）0.080.080.080.080.10.1羟甲基糠醛（羟甲基糠醛（羟甲基糠醛（羟甲基糠醛（%）0.30.30.0080.0080.0030.003色度色度色度色度10.010.00.30.30.20.2葡萄糖收得率葡萄糖收得率葡萄糖收得率葡萄糖收得率(%)(%)较酸水解较酸水解较酸水解较酸水解法高法高法高法高5%5%较酸水解法较酸水解法较酸水解法较酸水解法高高高高10%10%（三）其他原料的水解（三）其他原料的水解1、糖蜜原料的水解、糖蜜原料的水解 我们国家是出糖的地方，有大量的糖蜜。比我们国家是出糖的地方，有大量的糖蜜。比我们国家是出糖的地方，有大量的糖蜜。比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如：南方的甘蔗，北方的甜菜以后的废料就是糖如：南方的甘蔗，北方的甜菜以后的废料就是糖如：南方的甘蔗，北方的甜菜以后的废料就是糖蜜。可以用作发酵的原料。其处理方法比较简单，蜜。可以用作发酵的原料。其处理方法比较简单，蜜。可以用作发酵的原料。其处理方法比较简单，蜜。可以用作发酵的原料。其处理方法比较简单，只需加热、加石灰乳稀释或者加酸水解，再补充只需加热、加石灰乳稀释或者加酸水解，再补充只需加热、加石灰乳稀释或者加酸水解，再补充只需加热、加石灰乳稀释或者加酸水解，再补充一点其他营养物质。一点其他营养物质。一点其他营养物质。一点其他营养物质。2、碳氢化合物的处理、碳氢化合物的处理 利用石油裂解得到的各种组分的馏分石油加利用石油裂解得到的各种组分的馏分石油加利用石油裂解得到的各种组分的馏分石油加利用石油裂解得到的各种组分的馏分石油加适当的氮、磷、钾、镁等无机盐，再加一定量的适当的氮、磷、钾、镁等无机盐，再加一定量的适当的氮、磷、钾、镁等无机盐，再加一定量的适当的氮、磷、钾、镁等无机盐，再加一定量的水灭菌，冷却后进行发酵。这是非粮食物之的发水灭菌，冷却后进行发酵。这是非粮食物之的发水灭菌，冷却后进行发酵。这是非粮食物之的发水灭菌，冷却后进行发酵。这是非粮食物之的发酵原料。酵原料。酵原料。酵原料。3、纤维素原料处理、纤维素原料处理 纤维素是自然界最丰富的资源，稻秆、麦秸、纤维素是自然界最丰富的资源，稻秆、麦秸、纤维素是自然界最丰富的资源，稻秆、麦秸、纤维素是自然界最丰富的资源，稻秆、麦秸、玉米秸、树枝、落叶等都是纤维素，可以用酶水玉米秸、树枝、落叶等都是纤维素，可以用酶水玉米秸、树枝、落叶等都是纤维素，可以用酶水玉米秸、树枝、落叶等都是纤维素，可以用酶水解或者是物理爆破加酶水解。这样水解成淀粉。解或者是物理爆破加酶水解。这样水解成淀粉。解或者是物理爆破加酶水解。这样水解成淀粉。解或者是物理爆破加酶水解。这样水解成淀粉。结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！24