菌種的發(fā)酵工藝

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1、第一章緒論第一節(jié)概述工業(yè)發(fā)酵是利用微生物的生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)來(lái)生產(chǎn)各種有用物質(zhì)的一門(mén)現(xiàn)代工業(yè)，而現(xiàn)代發(fā)酵工程則是指直接把微生物(或動(dòng)植物細(xì)胞)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的一種技術(shù)體系，是在化學(xué)工程中結(jié)合了微生物特點(diǎn)的一門(mén)學(xué)科。因而發(fā)酵工程有時(shí)也稱(chēng)作微生物工程。在本章中，我們將對(duì)發(fā)酵的基本概念，工業(yè)上常用的微生物及其生長(zhǎng)代謝特性，以及發(fā)酵工程原理作—簡(jiǎn)單介紹。一、基本概念1，發(fā)酵一詞的來(lái)源發(fā)酵現(xiàn)象早巳被人們所認(rèn)識(shí)，但了解它的本質(zhì)卻是近200年來(lái)的事。英語(yǔ)中發(fā)酵一詞fermentation是從拉丁語(yǔ)fervere派生而來(lái)的，原意為“翻

2、騰”，它描述酵母作用于果汁或麥芽浸出液時(shí)的現(xiàn)象。沸騰現(xiàn)象是由浸出液中的糖在缺氧條件下降解而產(chǎn)生的二氧化碳所引起的。在生物化學(xué)中把酵母的無(wú)氧呼吸過(guò)程稱(chēng)作發(fā)酵。我們現(xiàn)在所指的發(fā)酵早已賦予了不同的含義。發(fā)酵是生命體所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)和生理變化，是多種多樣的生物化學(xué)反應(yīng)根據(jù)生命體本身所具有的遺傳信息去不斷分解合成，以取得能量來(lái)維持生命活動(dòng)的過(guò)程。發(fā)酵產(chǎn)物是指在反應(yīng)過(guò)程當(dāng)中或反應(yīng)到達(dá)終點(diǎn)時(shí)所產(chǎn)生的能夠調(diào)節(jié)代謝使之達(dá)到平衡的物質(zhì)。實(shí)際上，發(fā)酵也是呼吸作用的一種，只不過(guò)呼吸作用最終生成CO2和水，而發(fā)酵最終是獲得各種不同的代謝產(chǎn)物

3、。因而，現(xiàn)代對(duì)發(fā)酵的定義應(yīng)該是：通過(guò)微生物（或動(dòng)植物細(xì)胞）的生長(zhǎng)培養(yǎng)和化學(xué)變化，大量產(chǎn)生和積累專(zhuān)門(mén)的代謝產(chǎn)物的反應(yīng)過(guò)程。2，發(fā)酵的定義（1）狹義“發(fā)酵”的定義在生物化學(xué)或生理學(xué)上發(fā)酵是指微生物在無(wú)氧條件下，分解各種有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式，或者更嚴(yán)格地說(shuō)，發(fā)酵是以有機(jī)物作為電子受體的氧化還原產(chǎn)能反應(yīng)。如葡萄糖在無(wú)氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出二氧化碳。同時(shí)獲得能量，丙酮酸被還原為乳酸而獲得能量等等。（2）廣義“發(fā)酵”的定義工業(yè)上所稱(chēng)的發(fā)酵是泛指利用生物細(xì)胞制造某些產(chǎn)品或凈化環(huán)境的過(guò)程，它包括厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過(guò)程

4、，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，以及通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過(guò)程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等的生產(chǎn)。產(chǎn)品即有細(xì)胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細(xì)胞、酶等。3，發(fā)酵工程（FermentationEngineering）的定義應(yīng)用微生物學(xué)等相關(guān)的自然科學(xué)以及工程學(xué)原理，利用微生物等生物細(xì)胞進(jìn)行酶促轉(zhuǎn)化，將原料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品或提供社會(huì)性服務(wù)的一門(mén)科學(xué)。二、發(fā)酵的特點(diǎn)發(fā)酵和其他化學(xué)工業(yè)的最大區(qū)別在于它是生物體所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。其主要特點(diǎn)如下：1，發(fā)酵過(guò)程一般來(lái)說(shuō)都是在常溫常壓下進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)安全，要求條件也比較簡(jiǎn)單。2，發(fā)酵所用的原

5、料通常以淀粉、糖蜜或其他農(nóng)副產(chǎn)品為主，只要加入少量的有機(jī)和無(wú)機(jī)氮源就可進(jìn)行反應(yīng)。微生物因不同的類(lèi)別可以有選擇地去利用它所需要的營(yíng)養(yǎng)?；谶@—特性，可以利用廢水和廢物等作為發(fā)酵的原料進(jìn)行生物資源的改造和更新。3，發(fā)酵過(guò)程是通過(guò)生物體的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式來(lái)完成的，反應(yīng)的專(zhuān)一性強(qiáng)，因而可以得到較為單—的代謝產(chǎn)物。4，由于生物體本身所具有的反應(yīng)機(jī)制，能夠?qū)Ｒ恍缘睾透叨冗x擇性地對(duì)某些較為復(fù)雜的化合物進(jìn)行特定部位地氧化、還原等化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)，也可以產(chǎn)生比較復(fù)雜的高分子化合物。5，發(fā)酵過(guò)程中對(duì)雜菌污染的防治至關(guān)重要。除了必須對(duì)設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)

6、格消毒處理和空氣過(guò)濾外，反應(yīng)必須在無(wú)菌條件下進(jìn)行。如果污染了雜菌，生產(chǎn)上就要遭到巨大的經(jīng)濟(jì)損失，要是感染了噬菌體，對(duì)發(fā)酵就會(huì)造成更大的危害。因而維持無(wú)菌條件是發(fā)酵成敗的關(guān)鍵。96，微生物菌種是進(jìn)行發(fā)酵的根本因素，通過(guò)變異和菌種篩選，可以獲得高產(chǎn)的優(yōu)良菌株并使生產(chǎn)設(shè)備得到充分利用，也可以因此獲得按常規(guī)方法難以生產(chǎn)的產(chǎn)品。7，工業(yè)發(fā)酵與其他工業(yè)相比，投資少，見(jiàn)效快，開(kāi)可以取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益?；谝陨咸攸c(diǎn)，工業(yè)發(fā)酵日益引起人們重視。和傳統(tǒng)的發(fā)酵工藝相比，現(xiàn)代發(fā)酵工程除了上述的發(fā)酵特征之外更有其優(yōu)越性。除了使用微生物外，還

7、可以用動(dòng)植物細(xì)胞和酶，也可以用人工構(gòu)建的“工程菌’來(lái)進(jìn)行反應(yīng)；反應(yīng)設(shè)備也不只是常規(guī)的發(fā)酵罐，而是以各種各樣的生物反應(yīng)器而代之，自動(dòng)化連續(xù)化程度高，使發(fā)酵水平在原有基礎(chǔ)上有所提高和和創(chuàng)新。三、發(fā)酵的類(lèi)型根據(jù)發(fā)酵的特點(diǎn)和微生物對(duì)氧的不同需要，可以將發(fā)酵分成若干類(lèi)型：1，按發(fā)酵原料來(lái)區(qū)分：糖類(lèi)物質(zhì)發(fā)酵、石油發(fā)酵及廢水發(fā)酵等類(lèi)型。2，按發(fā)酵產(chǎn)物來(lái)區(qū)分：如氨基酸發(fā)酵、有機(jī)酸發(fā)酵、抗生素發(fā)酵、酒精發(fā)酵、維生素發(fā)酵等。3，按發(fā)酵形式來(lái)區(qū)分，則有：固態(tài)發(fā)酵和深層液體發(fā)酵。4，按發(fā)酵工藝流程區(qū)分則有：分批發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和流加發(fā)酵。5

8、，按發(fā)酵過(guò)程中對(duì)氧的不同需求來(lái)分，一般可分為：厭氧發(fā)酵和通風(fēng)發(fā)酵兩大類(lèi)型。四、發(fā)酵過(guò)程的組成部分1，發(fā)酵過(guò)程的組成除某些轉(zhuǎn)化過(guò)程外，典型的發(fā)酵過(guò)程可以劃分成六個(gè)基本組成部分：（1）繁殖種子和發(fā)酵生產(chǎn)所用的培養(yǎng)基組份設(shè)定；（2）培養(yǎng)基、發(fā)酵罐及其附屬設(shè)備的滅菌；（3）培養(yǎng)出有活性、適量的純種，接種入生產(chǎn)的容器中；（4）微生物在最適合于產(chǎn)物生長(zhǎng)的條件下，在發(fā)酵罐