發酵工程相關知識

guoshengli2006 · 發表于 2010-2-2 14:23:10

發酵工程
      發酵工程是生物技術的重要組成部分，是生物技術產業化的重要環節。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各種有用物質的工程技術。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物的過程統稱為發酵。
發酵工程的發展簡史
1.自然發酵階段。發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。
2.純培養技術的建立。
3.深層通風培養技術的建立。
4.代謝控制發酵技術的建立。
5.固定化酶技術、細胞工程技術、基因工程技術的建立。
發酵工程的現狀及發展前景
      在發達國家，發酵工業的產值占國民生產總值的5%。在醫藥產品中，發酵產品的產值占20%。在醫藥、食品、化工、冶金、資源、能源、環境等諸多領域有著廣泛的應用。
第一節發酵工程概況
一、發酵生產類型
1.微生物菌體發酵（酵母、單細胞蛋白、藥用真菌、殺蟲劑等）；
2.微生物酶發酵（淀粉酶、糖化酶、氨基酰化酶、青霉素酰化酶等）；
3.微生物代謝產物發酵（初級代謝產物、次級代謝產物）；
4.微生物的轉化發酵：微生物轉化是利用微生物細胞的一種或多種酶，把一種化合物轉變成更有經濟價值的產物。
5.生物工程細胞的發酵，是指利用生物工程技術所獲得的細胞進行培養的新型發酵，其產物多種多樣。
初級代謝產物和次級代謝產物
      在菌體對數生長期所產生的產物，如氨基酸、核苷酸、蛋白質、核酸、糖類等，是菌體生長繁殖所必需的，這些產物叫做初級代謝產物。
      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物，如抗生素、生物堿、植物生長因子等，這些產物與菌體的生長繁殖無明顯關系，叫做次級代謝產物。
二、發酵技術的特點
1.多個反應過程可在發酵過程中一次完成；
2.反應通產在常溫常壓下進行，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、發酵技術的應用
      發酵工程作為現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.醫藥工業：抗生素、維生素、胰島素、乙肝疫苗、干擾素等；
2.食品工業：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：酒精、沼氣、微生物采油；
4.化學工業：化工原料（乙醇、丙酮、丁醇）、生物表面活性劑；
5.農牧業：生物固氮、生物殺蟲劑、微生物飼料； 6.冶金工業和環境保護。
第二節  微生物發酵過程
      根據微生物的種類不同（好氧、厭氧、兼性厭氧），可以分為好氧性發酵、厭氧性發酵和兼性發酵三大類：
（1）好氧性發酵，如檸檬酸發酵，谷氨酸發酵。
（2）厭氧性發酵，如乳酸發酵，丙酮、丁醇發酵。
（3）兼性發酵，如酵母菌卻氧條件下發酵生產酒精，有氧條件下繁殖菌體。
一、工業生產常用微生物
      當前發酵工業所用菌種的總趨勢：從野生菌轉向變異菌；從自然選育轉向代謝控制育種；從誘發基因突變轉向基因工程的定向育種。工業上常用的微生物是：
（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、培養基
      培養基是提供微生物生長繁殖和生物合成各種代謝產物需要的多種營養物質的混合物。培養基的成分和配比，對微生物的生長、繁育、代謝及產物的積累，甚至對發酵工業的生產工藝都有很大的影響。
1、培養集的種類，依據其在生長中的用途，可將培養基分成：
  （1）孢子培養基，是供制備孢子用的。
  （2）種子培養基，是供孢子發芽和菌體生長繁殖用的。
  （3）發酵培養基，是供菌體生長繁殖和合成大量代謝產物用的。
2、發酵培養基的組成
  （1）碳源                         （2）氮源
  （3）無機鹽和微量元素    （4）生長因子
  （5）水                            （6）產物形成的誘導物、前體和
                                                   促進劑
三、發酵的一般過程
      發酵工藝多種多樣，但基本上包括以下幾個過程：
1、菌種制備
2、種子擴大培養
   是指將保存的生產菌種逐級擴大培養而獲得一定數量和質量的純種的過程。
3、發酵，是微生物合成大量產物的過程。
4、下游處理
      發酵結束后，要對發酵液和生物細胞進行分離和提純精制，將發酵產物制成合乎要求的產品。
第三節發酵操作方式及工藝控制
1、發酵的操作方式
（1）分批發酵，營養物和菌種一次加入進行培養，直到結束放出。
（2）連續發酵，是指以一定的速度向發酵罐內添加新鮮培養基，同時以相同的速度流出培養液，從而使發酵罐內的液量維持穩定，微生物在穩定狀態下生長。其反應器有攪拌罐式反應器和管式反應器兩種。
（3）補料分批發酵，是指在微生物分批發酵中，以某種方式向培養系統補加一定物料的培養技術。
連續發酵與分批發酵的比較
優點：1.微生物的生長和產物形成保持穩定；
   2.能實現機械化和自動化；
   3.提高設備利用率，縮短發酵周期；
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、發酵工藝控制
      發酵過程中，為了能對生產過程進行控制，需要對有關工藝參數進行定期取樣測定或進行連續測量。對發酵影響較大的參數有：
（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  發酵設備
      進行微生物深層培養的設備統稱發酵罐。優良的發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、傳熱速率，配套的檢測及控制儀表。
1、機械攪拌式發酵罐，利用機械攪拌器的作用，使空氣和發酵液充分混合，促進氧的溶解。包括：通用式發酵罐和自吸式發酵罐。
2、通風攪拌式發酵罐，在通風攪拌式發酵罐中，通風的目的不僅是供給微生物所需要的氧，同時還利用發酵罐的空氣，代替攪拌器使發酵液均勻混合。包括空氣代生式發酵罐和高位塔式發酵罐。
3、厭氧發酵設備