第十二章 微生物与现代发酵工业详解
微生物与发酵工程
微生物与发酵工程13101002 朱梦雪发酵工程是生物工程的重要组成部分,也是现代微生物学的核心内容;任何产品的发酵生产都必须通过微生物发酵或细胞扩大培养才能实现。
因此,微生物与发酵是紧紧联系在一起的。
微生物发酵工程是加快发酵工程研究成果转化为生产力,取得最佳效益的重要手段。
微生物科学工作者应不失时机地积极而科学地运用这种手段为社会社会主义市场经济服务。
根据文献的调查，微生物的发酵工程主要应用于以下几点：首先是在农业生产上，巴西全国土壤生物研究中心的研究人员发现一种新固氮菌,即固氮醋杆菌(Aeetobaeterdiazotrophyeus)。
这是人类发现的第一个有固氮能力的醋杆菌,生活在甘蔗根部,具有很强的抗酸性。
由于它的高效固氮能力,可使甘蔗年产量提高2倍(由60吨/公顷提高到180吨/公顷)。
在固氮菌的研究方面,我国作物茎瘤固氮根瘤菌的高效固氮活性,以及小麦、玉米、陆生水稻固氮根瘤菌研究取得重要进展;英国诺丁汉大学一个研究小组也获得田著根瘤菌进入小麦、水稻、玉米和油菜等非豆科植物侧根中形成小根瘤,且有固氮作用的类似结果。
今年拟在埃及、印度、墨西哥分别进行小麦、水稻、玉米的田间试验。
这些非豆科专性共生固氮菌尚处在试验研究阶段。
而我国联合固氮微生物早已产业化生产,其产品推广应用于农业生产实践,获得了增产的效果。
近又发现一些新的联合固氮菌如产酸克氏杆菌、植皮克氏杆菌(Klebsiellaplantieola)等,为扩大联合固氮菌AIJ新品种的研制做出了新贡献。
其次是在生物材料方面。
有很多生物材料都是应用微生物发酵来生产的。
我了解到的有生物可降塑料、建筑用生物材料和壳聚糖材料。
生物可降解塑料:微生物合成塑料物质:加拿大蒙特利尔生物技术研究所以甲醇为原料利用从土壤中选育的嗜甲基细菌生产聚件轻基丁酸(PHB),在我国,武汉大学生物工程研究中心用圆褐固氮菌发酵生产PHB;中国科学院微生物研究所用真养产碱杆菌生产PHB,在培养基中累积的量达细胞干重的63%(W/W);山东大学微生物研究所用该菌生产PHB的研究取得类似结果。
现代发酵工程技术
现代发酵工程技术随着科技的进步和工业化的发展，发酵工程技术在许多领域发挥着重要的作用。
发酵工程技术利用微生物的代谢过程，将天然有机物转化为有用的产物，广泛应用于食品、制药、化工等行业。
本文将从发酵工程的基本原理、发酵工程技术的应用和发展趋势等方面进行介绍。
一、发酵工程的基本原理发酵工程是利用微生物在特定条件下生长繁殖和代谢产物的过程。
微生物通过代谢过程中的酶作用，将有机物质转化为其他有用的物质。
发酵过程需要控制温度、pH值、氧气供应等条件，以保证微生物的生长和代谢活动。
发酵工程中常用的微生物有酵母菌、细菌、真菌等。
发酵工程技术的发展主要集中在优化微生物的生长条件、提高产物的得率和纯度等方面。
二、发酵工程技术的应用1. 食品工业：发酵技术在食品工业中得到广泛应用。
例如，酵母菌发酵面团可以产生二氧化碳，使面包蓬松可口；乳酸菌发酵牛奶可以制成酸奶，具有益生菌功效；大豆发酵可以制成豆腐、豆浆等食品。
发酵技术不仅提高了食品的口感和品质，还增加了食品的营养价值。
2. 制药工业：发酵工程在制药工业中起到了关键的作用。
通过发酵技术，可以生产出许多重要的药物，如抗生素、酶类制剂和维生素等。
这些药物的生产通常需要大规模发酵罐和精确的控制系统，以保证微生物的生长和产物的纯度。
3. 化工工业：发酵工程技术在化工工业中也有广泛的应用。
例如，利用微生物发酵产生的有机酸可以用作化学合成的原料；利用微生物发酵产生的有机溶剂可以替代传统的化学溶剂，减少对环境的污染。
发酵工程技术的应用使得化工工业更加环保和可持续发展。
三、发酵工程技术的发展趋势1. 微生物基因工程：利用基因工程技术可以改造微生物的代谢途径，增加产物的得率和纯度。
通过改造微生物的基因组，可以实现对微生物的精确控制和调控，提高发酵过程的效率和产物的质量。
2. 发酵过程的在线监测与控制：发酵过程中的温度、pH值、氧气供应等参数对微生物的生长和产物的得率有着重要的影响。
通过在线监测和控制系统，可以实时调整这些参数，提高发酵过程的效率和稳定性。
第十二章微生物发酵技术
(1)过滤：采用鼓式真空过滤器，过滤前加去乳化剂并降温
(2)提炼用溶媒萃取法。将发酵滤液酸化至pH 2，加1/3体积的 醋酸丁酯，混合后以碟片式离心机分离，得一次BA提取液。 然后以1.3 % ～ 1.9 %NaHCO3在pH 6.8 ～ 7.1条件下将青 霉素从BA中提取到缓冲液中。再调pH至2.0，将青霉素从 缓冲液再次转入到BA中，方法同上，二次BA提取液。
第一节 微生物发酵概论
一、微生物发酵的概念及发展史
❖ 1857年巴斯德提出著名发酵理论：“一 切发酵过程都是微生物作用的结果。” ❖ 1929年Flemming爵士发现了青霉素，增加一大类新产品-抗生素。 ❖ 20世纪40年代，以获取细菌的次生代谢产物-抗生素为主要特征的抗生素工业成为微
生物发酵工业技术的支柱产业。 ❖ 20世纪50年代，氨基酸发酵工业又成为微生物技术产业的又一个成员，实现了对微
发酵过程中环境条件的变化，不仅会影响菌种的 生长繁殖，而且会影响菌种代谢产物的形成。为了使发酵 过程能顺利进行，要随时取样，检测培养液中的细菌数目、 产物浓度，同时还要及时为发酵菌提供必需的营养，并严 格控制温度、pH、溶氧、通气量与转速等发酵条件。
五、分离提纯
发酵结束后，要对发酵液或生物细胞进行分离和提取精 制，将发酵产物制成合乎要求的产品。对发酵产品的 要求不同，分离提纯的方法也相应有些区别。利用发 酵工程生产的产品有菌种代谢产物和菌种本身（如酵 母菌和细菌）两大类，如果产品是菌种，分离方法一 般是通过过滤、沉淀从培养液中分离出；如果产品是 代谢产物，则采用蒸馏、萃取、离子交换等方法提取。 分离提纯后的产品，还要经过质量检查合格后，才能 成为正式产品。
第十二章 微生物发酵技术
第一节 微生物发酵概论 第二节 工业发酵的工艺流程 第三节 工业发酵的主要产品
工业微生物学与发酵工程
工业微生物学与发酵工程工业微生物学是研究微生物在工业应用领域的应用，以及微生物如何产生有用的化学品，例如抗生素，乳酸和酒精等。
发酵工程是将微生物与有机物质在特定条件下发酵，最终实现产生有用的产品。
工业微生物学和发酵工程被广泛应用于制药，食品，化妆品等行业中。
下面将从微生物、发酵工程的过程和应用等方面进行详细解析。
微生物在工业应用领域的应用微生物是非常重要的生物资源，在许多工业和环境领域中都有广泛的利用。
微生物利用便利、生长快、种类繁多、对不同的物质生物化学反应种类多样等特点，使得微生物在工业应用领域有着广泛的应用。
发酵工程的过程发酵是一种微生物反应过程，对于某些物质，微生物可以在经过发酵反应后，产生出有用的产物，并通过提取、分离、纯化等工序，获得理想的产品。
发酵工程可由以下三个基本是组成：1. 培养基培养基作为微生物生长所需的营养成分来源，对发酵工程起着极为重要的作用，合理的培养基可以提高培养生物体的产量，减少能耗，提高生产效率。
培养基的选择和设计应针对不同的微生物物种和产物需要，合理决定基质成分、浓度、pH、温度、通气以及酪氨酸、生长素等生长因子。
2. 微生物菌株不同的微生物菌株，对于不同的物质有着不同的特性和生产能力。
在发酵工程中，菌株的选择是十分重要的，不同的菌株的生长速度、抗生物质抗性等都不同。
在选择发酵微生物的时候不仅要对目标产物的要求做出了解，还要考虑到其生长以及代谢的条件，还要考虑微生物的稳定性、可生长性等因素。
3. 发酵装置在发酵生产过程中，发酵装置的选择在工程设计之初即被考虑到。
发酵生产装置的选择，主要取决于目标某产品的特性，如菌种、pH值、溶氧率等。
当前常用的发酵装置有：自然发酵、批发酵、半连续发酵和连续发酵等。
工业微生物学和发酵工程的应用1. 制药业工业微生物学和发酵工程在药品制剂过程中发挥了重要作用，许多抗生素、激素等都是经过发酵生产获得的，如青霉素、链霉素、头孢菌素、异烟肼、普鲁卡因等。
工业微生物与发酵技术研究与应用
工业微生物与发酵技术研究与应用在现代工业中，微生物与发酵技术成为了一个重要的研究领域。
微生物是一类非常小的生物体，虽然他们的身体微小，但是在制药、食品、能源、生态系统、环境保护、化工等领域中都有着重要的应用价值。
本文将从工业微生物与发酵技术的基本概念入手，阐述其发展历程，探究其研究与应用情况，最后进行总结。
一、工业微生物与发酵技术的基本概念工业微生物与发酵技术是以微生物为代谢载体，利用合成与酶法等技术来提取或合成具有生物活性的化合物的一种应用技术。
微生物被广泛应用于药品、食品、化学、制酒、制酸、生态环境、能源等领域。
发酵工艺通常是指利用微生物在恰当的环境条件下生长和代谢，产生所需的产物的过程。
二、工业微生物与发酵技术的发展历程工业微生物在实践中应用的时间已有数百年。
在16世纪的上半叶，发酵技术已得到广泛应用。
例如，利用酵母菌制造面包、啤酒、葡萄酒等发酵食品，并利用无菌发酵制取乳酸和醋酸等化学品。
在20世纪初，工业微生物与发酵技术得到了飞速发展。
通过微生物对于植物和动物的代谢途径的深入研究，人们发现了许多细菌和真菌的对偶性生理。
人们发现了以毒素和酶为代表的微生物次级代谢物，从而得到了大量的维生素、抗生素、激素和氨基酸等物质。
同时，人们发现在微生物发酵过程中，会有新的代谢产物的出现，例如广泛使用的抗生素青霉素，就是在微生物发酵过程中发现的。
在21世纪，随着生物学、分子生物学、基因组学等技术的快速发展，工业微生物与发酵技术的研究进一步深入。
通过使用现代的基因工程手段，人们可以改造微生物中某些关键酶的结构和功能，以产生特定的化合物，例如环境污染物的生物降解剂和大量的水解酶、纤维素酶、蛋白酶和酸性果汁等。
同时，与传统方法相比，使用包括生物反应器、多级反应器、多级提取装置、膜生物反应器和固定化微生物技术等现代化的发酵工艺，提高了微生物产物的产量和纯度，从而大大提高了生产效能。
三、工业微生物与发酵技术的研究与应用情况在药物领域，工业微生物已成为制造抗生素、激素等药品的重要代谢工具，大大降低了生产成本。
微生物工程与发酵工程
微生物工程与发酵工程微生物工程与发酵工程是一门涵盖微生物学、生物工程学和化学工程学等多个学科知识的综合性学科。
本文将从微生物工程与发酵工程的基本概念、应用领域以及发展前景等方面进行探讨。
微生物工程与发酵工程是利用微生物生长、代谢和功能特性，通过工程手段加工产品的一门学科。
微生物是一类生命活动较为简单的生物体，但却在自然界中发挥着不可或缺的作用。
微生物工程利用这些微生物可控地合成有用的物质，如酶、抗生素、有机酸等。
而发酵工程则是在具体产品的生产过程中，通过对微生物生长环境、培养基和发酵条件的控制，达到最佳生产效果。
微生物工程与发酵工程的应用领域非常广泛。
在食品工业中，微生物工程与发酵工程被广泛应用于酿造、发酵、酸奶、酵素等食品的生产过程中，提高了产品的质量和产量。
在制药工业中，利用微生物工程生产抗生素和其他药物，为人类的健康提供了重要保障。
在环境保护领域，微生物工程与发酵工程可以用来处理废水、废气等环境问题，起到净化环境、保护生态的作用。
随着科学技术的不断发展，微生物工程与发酵工程的前景非常广阔。
在新药开发领域，微生物工程可以利用基因重组技术合成更多更有效的药物，为医疗健康领域带来更多新的突破。
在能源领域，微生物工程可以研发利用微生物生产生物燃料的技术，为替代传统石油能源提供新的途径。
在环境领域，微生物工程可以利用微生物降解有害物质、净化环境等技术，为环境保护和生态建设贡献力量。
总而言之，微生物工程与发酵工程作为一门前沿交叉学科，将继续在多个领域发挥重要作用，为人类的生产生活、医疗健康、环境保护等方面提供更多更好的解决方案。
未来，随着科学技术的不断进步和创新，微生物工程与发酵工程必将迎来更加美好的发展前景。
微生物在发酵工业中的应用详解演示文稿
• 酒花：增加啤酒的香味和爽口苦味，同时具有澄清和防腐的
作用。
• ⑶发酵完成后，还要经过过滤，以去除酵母菌体。
• ⑷分类：①熟啤酒：经过巴斯德消毒后的啤酒；
•
②生啤酒：不经过巴斯德消毒后的啤酒；
•
③纯生啤酒：采用无菌酿造、特殊的过滤技术除菌、无菌灌
装技术生产的
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• 啤酒生产的工艺过程如下：
• 杂菌污染可导致发酵产物复杂，有毒物质产生，产物分离 、提纯困难，严重时导致发酵失败。要经常检查菌种、设 备等。
• 噬菌体是细菌的病毒，噬菌体可侵染发酵菌种，造成发酵菌种 的裂解，导致发酵失败。
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四、微生物发酵的应用
乙醇发酵
• 1，白酒酿造
• ⑴原料：①糖质原料——甘蔗、废糖蜜
菌株特点：
1.革兰式阳性 2.不形成芽孢 3.没有鞭毛，不能运动
4.需要生物素作为生产因子，通气条件下才能产生谷氨酸
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用途
谷氨酸除用于制造味精外，还可以用来治 疗神经衰弱以及配制营养注射液等。我国的 谷氨酸发酵虽然在产量、质量等方面有了较 大的提高，但与国外先进水平相比还存在一 定差距。主要表现在：设备陈旧，规模小， 自控水平、转化率和提取率低，易受噬菌体 污染，废水污染问题尚未完全解决等
微生物在发酵工业中的应用详 解演示文稿
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（优选）微生物在发酵工业中 的应用
第二页，共49页。
发酵工程技术：是大规模工业化应用的技术，最终目标是获得
产物或产品，是发酵工艺学和工程学相结合的产物。
• 发酵工程
菌种的选育
最佳发酵条件的选定和控制 生化反应器的设计
发酵产品的分离和精制
微生物发酵类型及工业应用
微生物发酵类型及工业应用微生物发酵是指微生物在适当的温度、湿度、氧气和营养物质条件下，利用有机物质产生代谢产物的过程。
微生物发酵广泛应用于食品、医药、化工、环保等领域。
根据微生物的分类以及发酵条件的不同，微生物发酵可以分为多种类型，包括传统发酵和工程发酵。
传统发酵主要指的是利用自然界中存在的微生物来进行发酵过程，如酵母、乳酸菌、醋酸菌等。
这种发酵方式通常在较为简单的条件下进行，例如酿酒、酿酱、制醋、酿酸奶等。
传统发酵产物多为食品，如啤酒、酱油、味精等。
工程发酵是通过工业化生产设备，控制发酵过程的温度、pH值、通气量等参数，利用重组酶或者基因工程菌株进行发酵。
工程发酵在工业生产中有着广泛的应用，主要包括医药、化学和环保行业等。
比如利用大肠杆菌生产丙酮、利用链球菌生产青霉素等。
微生物发酵在食品行业有着广泛的应用。
例如，酵母发酵产生的二氧化碳和醇类物质是面包膨胀和香味产生的关键。
此外，醋酸菌发酵产生的醋酸使得醋成为食品中常用的调味品。
另外，利用乳酸菌发酵乳制品，可以产生乳酸，起到防腐和酸化作用，同时还会产生丰富的香气和风味。
在医药行业，微生物发酵也有着重要的应用。
很多生物制药品都是通过微生物发酵生产的，比如青霉素、红霉素等。
青霉素是由青霉属真菌产生的一种β-内酰胺类抗生素，是用途广泛的制药原料。
此外，近年来基因工程技术的进步，使得大肠杆菌等微生物成为了重要的生物制药工具。
另外，在化学工业方面，微生物发酵也有着重要的应用。
例如利用酵母进行酒精发酵产生的乙醇，是目前工业上生产酒精和生物燃料的主要原料之一。
此外，在有机酸、氨基酸、酶等产品的生产中也广泛应用到微生物发酵技术。
在环保方面，微生物发酵也有着独特的应用优势。
比如利用微生物发酵的特性来处理生活污水，将有机废物转化为有用的产品，不仅能够实现废物利用，还可以降低生活垃圾对环境的污染。
另外，利用微生物发酵技术生产生物柴油和生物乙醇，能够减少化石能源的使用，减少温室气体的排放。
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浓缩、无菌过滤、去热源
干燥、加稳定剂等
五. 发酵条件及过程控制 复杂的生物化学变化过程：动态过程 影响因素：培养基组成，pH、温度 、氧气 泡沫、杂菌污染、噬菌体感染等 通过观察和控制这些工艺条件 控制和完成发酵过程
1. pH变化及控制 影响微生物生长繁殖、代谢产物积累
4. 化学工业 化工原料如乙醇、丙酮、丁醇等 生物表面活性剂 生物絮凝剂
5. 冶金工业 用于黄金开采和铜、铀等金属的侵提
6. 农、牧业 生物固氮、生物杀虫剂和微生物饲料的生产
7. 环境保护 污染物降解与转化
四. 发酵方式（类型） 按微生物培养工艺 固体发酵 液体发酵
斜面菌种培养菌体或孢子悬液制备种子扩大培养
3. 微生物酶 4. 生物转化，如甾体转化等 5. 处理废物
三.发酵工业应用 现代生物技术的重要组成部分
1. 医药工业 抗生素、维生素、胰岛素、乙肝疫苗、干扰 素、透明质酸等
2. 食品工业 微生物蛋白、氨基酸、新糖原、饮料、酒 类、食品添加剂(柠檬酸、乳酸、天然色素等)
3. 能源工业 酒精发酵、沼气发酵等
酸化、加热、加絮凝剂等 2）固液分离常用过滤、离心等方法 3）胞内产物还需破碎细胞
实验室方法 工业生产方法：高压匀浆器和球磨机 用离心、两水相萃取等方法分离细胞碎片
2. 提取 活性物质浓度较低
1）吸附法 抗生素等小分子物质可用大网格聚合物、活 性炭、白土、氧化铝、树脂等吸附剂吸附
2）离子交换法 极性化合物可用此法
3. 通气搅拌：发酵工业的第二个转折点 青霉素，通气搅拌液体发酵技术 现代发酵工业最主要的生产方式 利用需氧菌进行大规模发酵生产
Байду номын сангаас
4. 代谢控制发酵技术： 发酵工业的第三个转折点 生化、微生物、遗传学的深入发展 1956年，缺陷型菌株进行氨基酸发酵 积累预期的氨基酸
5. 基因工程菌株进行发酵--“借鸡下蛋” 发酵工业的第四个转折点 有目的控制发酵产物：胰岛素、干扰素等
3）沉淀法（蛋白质的提取和浓缩） 盐析、等电点沉淀、有机溶剂沉淀 非离子型聚合物沉淀等
4）萃取法 溶剂萃取、两水相萃取、超临界流体萃取
5）超滤法 超滤膜进行溶质的分离或浓缩 大小分子分离、脱盐等
3. 精制（纯度）
结晶：小分子物质
层析：大分子物质
凝胶层析
离子交换层析
聚焦层析
疏水层析
亲和层析
4. 成品包装
发酵发酵液处理提取与精致成品检验
包装出厂
典型发酵过程示意图
（一）固体发酵生产 发酵原料：固体形式 微生物：将原料转化为发酵产品 浅层发酵、转桶发酵、厚层通气发酵
优点：设备、方法简单，能耗低，原料粗放 缺点：占地面积大、原料利用率低、产物复杂、
一般为天然发酵 酿酒、酱油、食醋等采用这种发酵方式
固体发酵图
2. 中试 试验工厂或车间的小规模设备 199-5000L发酵罐 相应的分离、过滤、提取、精制等设备 小试的进一步放大 基本确定发酵产物大规模生产可能性
3. 大试 实验性生产，或工程性实验研究 大型发酵罐等设备 是发酵工业新产品或改良产品 或工艺改造的必由之路
（四）发酵生产中的培养基类型 1. 斜面培养基 供给细胞生长繁殖所需要的各类营养物质富含
分批发酵示意图
连续发酵示意图
3. 补料分批发酵： 加料：间歇地或连续 放料：一次性 有控制地进行分批发酵
4. 计算机控制的发酵 应用传感器 随时获得发酵罐内各参数的变化 对发酵进行自动控制
（三）发酵的逐级放大 1. 小试 实验室小型设备，三角瓶、1~50L发酵罐 对培养基的成分、配比、pH、培养温度 通气量等进行大量实验 得出小试最佳条件 初步评价发酵效益和生产的可能性
（二）液体发酵生产 微生物将液体培养基中的原料转化为发酵产品 表面发酵 深层液体发酵：现代发酵的主要方式 菌体或菌丝均匀分散在液体培养基中 通过向培养液强制通气进行发酵 抗生素、氨基酸、酶制剂等 酒精、丙酮、丁醇等采用厌氧深层发酵
我国工业生 产味精使用 的菌种主要 是经过诱变 育种得到的 营养缺陷型 的北京谷氨 酸棒状杆菌
有机氮源，少量糖分有机氮有利于菌体生长繁殖，获 得更多细胞放线菌、霉菌的产孢培养基：
氮源和碳源太多容易长菌丝，而不易形成孢子
2. 种子培养基（摇瓶和小发酵罐） 培养出很多健壮和活性高的细胞 丰富培养基(氮源、生长因子） 培养时间短，不要求积累大量产物 营养物质浓度不要太高 供孢子发芽用培养基要补充容易被吸收利用碳 源和氮源 基本与发酵培养基一致（适应时间，诱导酶）
啤酒制造工艺流程
啤酒制造工艺流程
液体发酵发酵优点： 规模大、发酵速度快、生产效率高 容易实现自动化控制
1. 分批发酵 在一个密闭的系统内一次性投入培养基 的发酵方法
2. 连续发酵 新鲜培养基连续加入发酵罐 发酵液不断从罐内放出 发酵罐内液量维持恒定
优点：设备利用率高，便于自动化控制 缺点：菌株易变异，易被杂菌污染
6. 发酵工程：实现最终目标的途径 发酵工艺学和工程学相结合的产物 菌种的选育 最佳发酵条件的选定和控制 生化反应器的设计 发酵产品的分离和精致等
二. 发酵工业范围
1. 以微生物细胞为产物 SCP(Single Cell Protein)，某些疫苗等
2. 微生物的代谢产物 初级、次生代谢产物 氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、脂类及 碳水化合物、抗生素等
第十一章 微生物与现代发酵工业
第一节 概述 一. 发酵概念与发酵工程
1. Fermentation 原始概念: 从液体中向外冒气泡 狭义概念: 有机物脱下的氢直接交给另一内
源有机物的过程 广义概念：应用微生物生产某种产品的过程
好氧、厌氧过程
2. 天然发酵与纯培养（pure culture）发酵 多种微生物混合发酵：我国酿酒 纯培养发酵: 提高了产品的稳定性 发酵工业的第一个转折点
3. 发酵培养基： 主要目的是为了获得预期产物 营养成分 细胞生长 产物形成
（五）下游加工过程 从发酵液中分离、精制有关产品的过程
发酵液（混合物）： 细胞、代谢产物、剩余培养基 发酵产品在混合物中含量较低 发酵产品一般都具有生物活性
下游加工的工艺流程
1. 发酵液预处理和固液分离 1）预处理：改善发酵液性质，有利于固液分离