Chapter7.微生物发酵过程 (Microbial Fermentation-Process) 一.微生物发酵的类型 二.种子扩大培养 三.发酵培养基 四.发酵过程中间分析 五.发酵终点的判断
Chapter 7. 微生物发酵过程 (Microbial Fermentation-Process) 一. 微生物发酵的类型 二. 种子扩大培养 三. 发酵培养基 四. 发酵过程中间分析 五. 发酵终点的判断
微生物发酵的类型 微生物发酵的不同类型 如 ：黑曲发酵生产柠檬酸； 棒状杆的 发醇 好氧发酵 地衣芽胞杆菌发酵生产聚谷氨酸等 如，酵母厌氨产西精：好氧积累菌体！ 需氧或不需要 兼性发酵 厌氧发酵 培养基呈液态或固态 液态发酵 Next page 固态发酵 发酵在培养基表面或深层进行 表面发酵 深层发酵 Next page 生物 分批发酵 间歇发酵或连续进行 补料分批发酵 固定化细胞三 酵 连续发酵 菌种状态 游离发酵 固定化发酵 单一纯种发酵 单一或混合菌种 双菌发酵 混合发酵 另外，细胞固定化，生物法处理废水，细菌采矿等等
微生物发酵的不同类型 微 生 物 发 酵 需氧或不需要 好氧发酵 兼性发酵 厌氧发酵 培养基呈液态或固态 液态发酵 固态发酵 发酵在培养基表面或深层进行 表面发酵 深层发酵 间歇发酵或连续进行 分批发酵 补料分批发酵 连续发酵 菌种状态 游离发酵 固定化发酵 单一或混合菌种 单一纯种发酵 双菌发酵 混合发酵 一. 微生物发酵的类型 如：黑曲霉发酵生产柠檬酸； 棒状杆菌的Glu发酵； 地衣芽胞杆菌发酵生产聚谷氨酸等 如：乳酸杆菌的乳酸发酵； 梭状芽孢杆菌的丙酮丁醉发酵等 空气 × √ ×√ 如，酵母厌氧产酒精；好氧积累菌体； 另外，细胞固定化，生物法处理废水，细菌采矿等等; 固定化细胞 × √ Next page Next page
固体发酵和液体发酵的区别 发酵形式 齐 纱 缺 点 固体 投资少，设备简单，操作容易可因陋就简， 广房面积大劳动强度 发酵 因地制宜，利用农副产品以及下脚料作为 大不易机械化操作。 原料进行生产。 液体 液体环境适合菌体生长和物质传递，发酵在均 投资大，设备要求严格， 发酵 学纯，五被苦：圣 动力消耗比较大 量大，可自动控制，适合大规模生产。 固态发酵和液体发酵是微生物发酵的两大技术领域，各具特征，并存在着明显的区别。固态发酵投资少， 设备简单，操作容易可因陋就简，因地制宜地利用农副产品以及下脚料作为原料进行生产。液体发酵适合菌体生 长和物质传递，发酵在均质条件下进行，便于控制，液体输送方便易于机械化操作，产品易精制。同时，液体发 酵设备占地少，容量大，可自动化控制，适合大规模生产，具有很大的优势。但是，如能解决好固态发酵的设备 问题，固态发酵也将会发挥出更大的作用。 花井电机 气体（空气作为连统相） 发摩波面 d 细的 固态发酵系统 无菌空气 液态发酵系统 发像液体（水作为连续香)
发酵形式 优 点 缺 点 固体 投资少，设备简单，操作容易可因陋就简， 广房面积大劳动强度 发酵 因地制宜，利用农副产品以及下脚料作为 大不易机械化操作。 原料进行生产。 液体 液体环境适合菌体生长和物质传递，发酵在均 投资大，设备要求严格， 发酵 质条件下进行，便于控制，液体输送方便，易 动力消耗比较大 于机械化操作，产品易精制｡ 设备占地少，容 量大，可自动控制，适合大规模生产。 固体发酵和液体发酵的区别 固态发酵和液体发酵是微生物发酵的两大技术领域，各具特征，并存在着明显的区别。固态发酵投资少， 设备简单，操作容易可因陋就简，因地制宜地利用农副产品以及下脚料作为原料进行生产。液体发酵适合菌体生 长和物质传递，发酵在均质条件下进行，便于控制，液体输送方便易于机械化操作，产品易精制｡同时，液体发 酵设备占地少，容量大，可自动化控制，适合大规模生产，具有很大的优势。但是，如能解决好固态发酵的设备 问题，固态发酵也将会发挥出更大的作用
表面发酵和深层发酵 表面培养法 深层培养法 放置曲盘需要更多的厂房 利用密闭的发酵罐 需要更多的劳动力 相反 利用抵押空气鼓风机 需要高压空气 动力消耗少 空压机、搅拌耗能 需要简单控制 需要精密控制 很少有污染问题 污染往往成为严重问题 产品回收包括水溶、抽提、 相同 过滤、离心、蒸发、沉淀 相同
表面发酵和深层发酵 表面培养法 深层培养法 放置曲盘需要更多的厂房 利用密闭的发酵罐 需要更多的劳动力 相反 利用抵押空气鼓风机 需要高压空气 动力消耗少 空压机、搅拌耗能 需要简单控制 需要精密控制 很少有污染问题 污染往往成为严重问题 产品回收包括水溶、抽提、 相同 过滤、离心、蒸发、沉淀 相同
分批发酵(Batch Fermentation)- 一第9章将详细介绍 生 补料分批发酵(Fed-batch Fermentation)----第9章将详细介绍 连续发酵(Continuous Fermentation)------第10章将详细介绍 莓 高密度发酵(High Cell Density Fermentation)-第10章将详细介绍 基因工程菌的发酵(Recombinant strain fermentation)第1i章内容 固态发酵(Solid State Fermentation)此次介绍
微 生 物 发 酵 分批发酵(Batch Fermentation) ---------------第9章将详细介绍 补料分批发酵(Fed-batch Fermentation )---------第9章将详细介绍 连续发酵(Continuous Fermentation )------------ 第10章将详细介绍 高密度发酵(High Cell Density Fermentation )--第10章将详细介绍 基因工程菌的发酵(Recombinant strain fermentation ) 第11章内容 固态发酵(Solid State Fermentation ) 此次介绍
l.分批发酵(Batch Fermentation) 发酵罐进行的间歇操作称为分批发酵。在好氧发酵过程中，需要不断通入无菌 空气并加入酸碱以调节发酵液的H值，除此以外，与外界没有其它的物料交换。分批 发酵是一种操作简单并且广泛使用的发酵方式。分批发酵中菌体生长规律及生长参数 的数学模型第七章已有详述。工艺变量随时间而变化是该发酵方式的主要特征。摇瓶 培养也属分批发酵分批发酵的主要设备是种子培养罐、主发酵罐、无菌供气系统和产 物分离纯化系统。分批发酵的基本过程如图 子培养 平板菌 培养基原料 司月月月同 菌种提纯 微生物反应 无南 培养基配料 平板划线 空气压缩机 三发酵 连消装置 去曹体分离及后处理
发酵罐进行的间歇操作称为分批发酵。在好氧发酵过程中，需要不断通入无菌 空气并加入酸碱以调节发酵液的pH值，除此以外，与外界没有其它的物料交换。分批 发酵是一种操作简单并且广泛使用的发酵方式。分批发酵中菌体生长规律及生长参数 的数学模型第七章已有详述。工艺变量随时间而变化是该发酵方式的主要特征。摇瓶 培养也属分批发酵.分批发酵的主要设备是种子培养罐、主发酵罐、无菌供气系统和产 物分离纯化系统。分批发酵的基本过程如图 1. 分批发酵(Batch Fermentation)
2.补料分批发酵(Fed-batch Fermentation) 以某种方式定时向培养系统补加一定营养物质的发酵方式称为补料分批 发酵。它是介于分批发酵和连续发酵之间的发酵形式。定时补料的同时并不 向外排放发酵液，所以使发酵系统不再封闭，且培养液体积随时间和物料流 速而变化。由于营养底物缓慢补入，既满足微生物生长和产物合成的持续需 要，又避免了由于底物基质过量所引起的各种调控反应。 定时补充物料，可使培养液中的底物浓度较长时间地保特在一定的范围 内，既保证了微生物生长，又不会产生不利影响，从而达到提高容量产率、 产物浓度和得率的目的。 补料技术可以采用少量多次、少次多量、流加或微机控制流加；整个发 酵过程中不断地调节补料率，维持各项物质的供需平衡。 根据补入物料的组成可将补料分批发酵分为完全补料发酵和半分批补料 发酵。完全补料发酵是补入成分完全的培养基。半分批补料发酵是仅补入 种或几种限制性营养成分
2. 补料分批发酵(Fed-batch Fermentation ) 以某种方式定时向培养系统补加一定营养物质的发酵方式称为补料分批 发酵。它是介于分批发酵和连续发酵之间的发酵形式。定时补料的同时并不 向外排放发酵液，所以使发酵系统不再封闭，且培养液体积随时间和物料流 速而变化。由于营养底物缓慢补入，既满足微生物生长和产物合成的持续需 要，又避免了由于底物基质过量所引起的各种调控反应。 定时补充物料，可使培养液中的底物浓度较长时间地保持在一定的范围 内，既保证了微生物生长，又不会产生不利影响，从而达到提高容量产率、 产物浓度和得率的目的。 补料技术可以采用少量多次、少次多量、流加或微机控制流加；整个发 酵过程中不断地调节补料率，维持各项物质的供需平衡。 根据补入物料的组成可将补料分批发酵分为完全补料发酵和半分批补料 发酵。完全补料发酵是补入成分完全的培养基。半分批补料发酵是仅补入一 种或几种限制性营养成分
3.连续发酵(Continuous Fermentation) 连续发酵是指以一定的速度向培养系统内添加新鲜的培养基，同时以相 同的速度流出培养液，从而使培养系统内培养液的体积维持恒定，使微生物 细胞处于近似恒定状态下生长的微生物发酵方式。连续发酵的原理及恒化连 续培养系统、恒浊连续培养系统在第七章已有所述。下图为典型的实验室连 续发酵系统。 空气出口 控制器 磁觉 连续发酵的最大特点是微生物细胞的生长速度、产物的代谢均处于恒定状 态，可达到稳定、高速培养微生物细胞或产生大量代谢产物的目的
3. 连续发酵(Continuous Fermentation ) 连续发酵是指以一定的速度向培养系统内添加新鲜的培养基，同时以相 同的速度流出培养液，从而使培养系统内培养液的体积维持恒定，使微生物 细胞处于近似恒定状态下生长的微生物发酵方式。连续发酵的原理及恒化连 续培养系统、恒浊连续培养系统在第七章已有所述。下图为典型的实验室连 续发酵系统。 连续发酵的最大特点是微生物细胞的生长速度、产物的代谢均处于恒定状 态，可达到稳定、高速培养微生物细胞或产生大量代谢产物的目的
4.固态发酵(Solid State Fermentation) 固态发酵是指微生物在没有游离水或几乎没有游离水的较湿的固态培养基 上的发酵过程。固态的湿培养基一般根据成分不同控制含水量在40-80%左右， 无游离水流出。农村的堆肥、青饲料发酵和酿酒制曲，就是典型的固态发酵。 特别是我国工艺历史悠久、国际著名的白酒生产都有自己独特的固态发酵工艺 过程。由于固态发酵方式节能、环保，近来又得到了人们的青睐。如：以产朊 假丝酵母（Candidautilis)、面包酵母(Saccharomyces cerevisiae)和啤酒酵 母（Saccharomyces carlsbergensis）)为复合发酵菌种，以麸皮、大豆饼和少量 脱毒棉籽饼为原料，经固态发酵法生产饲料蛋白添加剂得到快速发展。 伴随着发酵工程机械化、自动化、化工技术和设备的改进，在传统固态发 酵的基础上发展到现在的固态发酵
4. 固态发酵(Solid State Fermentation ) 固态发酵是指微生物在没有游离水或几乎没有游离水的较湿的固态培养基 上的发酵过程。固态的湿培养基一般根据成分不同控制含水量在40-80％左右， 无游离水流出。农村的堆肥、青饲料发酵和酿酒制曲，就是典型的固态发酵。 特别是我国工艺历史悠久、国际著名的白酒生产都有自己独特的固态发酵工艺 过程。由于固态发酵方式节能、环保，近来又得到了人们的青睐。如：以产朊 假丝酵母（Candida utilis）、面包酵母（Saccharomyces cerevisiae）和啤酒酵 母（Saccharomyces carlsbergensis）为复合发酵菌种，以麸皮、大豆饼和少量 脱毒棉籽饼为原料，经固态发酵法生产饲料蛋白添加剂得到快速发展。 伴随着发酵工程机械化、自动化、化工技术和设备的改进，在传统固态发 酵的基础上发展到现在的固态发酵
现代固态发酵与传统固态发酵的技术比较见下表 现代固态发酵和传统固态发酵的比较 性质 现代固态发酵 传统固态发酵 反应器 在密闭的固态发酵反应器中进行 在极为简单的发酵容器中进 行或敞口式固态发酵 菌种 采用单一纯种菌株或混合菌株发酵 基本是自然富集发酵或强化 菌种发酵 范围 扩大了固态发酵的运用范围 限于传统食品的生产 能耗 操作能耗高，设备投资较大 操作能耗低，设备投资小， 劳动强度大 原料 需要无菌处理发酵原料 可直接利用价格低廉的粮食 和纤维素原料， 分离 适宜于分离纯化高附加值产品 产品处理一般较简单，可直 接烘干
现代固态发酵与传统固态发酵的技术比较见下表 现代固态发酵和传统固态发酵的比较 性质 现代固态发酵 传统固态发酵 反应器 在密闭的固态发酵反应器中进行 在极为简单的发酵容器中进 行或敞口式固态发酵 菌种 采用单一纯种菌株或混合菌株发酵 基本是自然富集发酵或强化 菌种发酵 范围 扩大了固态发酵的运用范围 限于传统食品的生产 能耗 操作能耗高，设备投资较大 操作能耗低，设备投资小， 劳动强度大 原料 需要无菌处理发酵原料 可直接利用价格低廉的粮食 和纤维素原料， 分离 适宜于分离纯化高附加值产品 产品处理一般较简单，可直 接烘干