第七章微生物发酵及工艺.ppt

知识目标：1.学习微生物发酵中的基本概念、发酵方法、发酵基本过程等。 2.理解微生物发酵工程中菌种生长和产物合成的关系，学会发酵的基本控制方法。 3.学会分析发酵过程中的各种影响因素及各类有关问题。 技能目标：掌握发酵过程中的基本操作方法并能够对生产中出现的一些问题有适当的处理手段。 发酵工艺控制引言部分 微生物发酵的生产水平取决于生产菌种本身的性能，和合适的环境条件、才能使它的生产能力充分表达出来。我们通过各种研究方法了解有关生产菌种对环境条件的要求，了解生产菌在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径，为设计合理的生产工艺提供理论基础。 通过各种监测手段如取样测定随时间变化的菌体浓度，糖、氮消耗及产物浓度，以及采用传感器测定发酵罐中的培养温度，pH、溶解氧等参数的情况，并予以有效地控制，使生产菌种处于产物合成的优化环境之中。 一般来说，菌种的生产性能越高，使其表达它应有的生产潜力所需的环境条件就越难满足。高产菌种比低产菌种对工艺条件的波动更为敏感。 化学工程和计算机应用的发展为发酵工艺控制打下另一方面的基础， 研究发酵动力学，找出适于描述和真正能反映系统的生化反应过程的数学模型，通过现代化的试验与计算手段，相信不久定能为发酵的优化控制开创一个新的局面。 第一节 发酵的基本概念、基本类型和发酵方式 A.发酵基本概念 B.发酵的基本类型 C.发酵方式 一、分批培养 二、补料分批培养（半连续培养） 三、连续培养 A.发酵基本概念 1.微生物发酵 微生物发酵是指利用微生物体来制得产物的需氧或厌氧的任何过程。其产物 可以是微生物体的初级代谢产物，也可以是次级代谢产物;可以来源于微生物菌 体，也可以是排出体外的代谢产品。 微生物工业发酵过程不同于一般化工生产，有其特殊性。它是借助于活的微生物个体在一定培养条件(营养、温度、氧气、酸碱度等)、培养设备下参与的生化反应过程，其目的是要实现目标产物的生产。整个过程既具有代谢的自动调节、辅酶再生、生物能产生和转换等机制，又具有微生物细胞的生长和产物的形成等量的变化，反应可进行到基质原料耗尽。 2.初级代谢产物 初级代谢产物指关系到微生物新陈代谢过程中的能量代谢、细胞生长和细胞 结构的代谢产物。如酒精、乳酸、蛋白质与酶、氨基酸、含嘌呤或嘧啶碱基的化合 物、糖、糖的磷酸醋、脂肪酸、维生素、甘油、甘油三醋等。 3.次级代谢产物 次级代谢产物指微生物菌体在生长期不能合成的、一般在菌体生长静止期中 合成的与菌体成长繁殖无明显关系的产物。典型产物如下: ①色素、生物碱、萜类、毒素、植物生长因子。 ②生物药物类，如抗生素、酶抑制剂、免疫调节剂、受体、拮抗剂、激活剂、离子 载体、类激素等。 ③其他发酵产品，如微生物农药、甾体转化物、微生物降解物等。 B.发酵的基本类型 根据发酵产物的形成是否与菌体生长相关联，一般可将发酵分为生长关联型、 生长部分关联型和非生长关联型等几种。 1.生长关联型(偶联型) 它的特点是菌体生长、碳源利用和产物形成几乎都在相同的时间出现高峰，即表现出产物形成直接与碳源利用有关。这一型中又分为两种情况，即菌体生长型和代谢产物型。 2.生长部分关联型〔混合型) 它的特点是在发酵的第一时期菌体迅速增长，而产物的形成很少或全无;在第二时期，产物以高速度形成，生长也可能出现第二个高峰:碳源利用在这两个时期都很高。因此，这一类型其产物形成及菌体生长一般是分开的，从生长源来看，这一类型发酵产物不是碳源的直接氧化，而是菌体代谢的主流产物，所以一般产量较高。也可以分为如下两类: ①产物的形成是经过连锁反应的过程，如丙酮丁醇、丙酸等发酵。 ②产物的形成不经过中间产物的积累，如延胡索酸、谷氨酸等。其菌体生长与 产物积累分在两个明显的时期，如柠檬酸。 3.非生长关联型 这一型的特点是产物形成一般在菌体生长接近或达到最高生长时期，即稳定期。产物形成与碳源利用无准量关系，产量远低于碳源的消耗量，所以也称为与生长不相关型。次级代谢产物如抗生素、维生素多属于此类，最高产物量一般不超过碳源消耗量的10%。抗生素中的土霉素、氯霉素和杆菌肽不属于这一类型。 时期划分还可以如下图所示 刚接种后的一段时间内，几乎未见菌体浓度的增加，这过罐一般称为延滞期或适应期。工业生产要求尽可能缩短延滞期，这可通过使用适当的种子和接种量达到。延滞期过后便逐渐进入对数或指数生长期。这一时期可用下式表示： d