1、微生物與單細胞蛋白,單細胞蛋白,1單細胞蛋白的作用1.1 作為食用蛋白質(zhì) 單細胞蛋白所含的營養(yǎng)物質(zhì)極為豐富。其中，蛋白質(zhì)含量高達40%～80%，比大豆高10%～20%，比肉、魚、奶酪高20%以上，遠遠超過了一般動植物食品，而且氨基酸的組成較為齊全，含有人體必需的8種氨基酸，尤其是谷物中含量較少的賴氨酸。一般成年人每天食用10～15g干酵母，就能滿足對氨基酸的需要量。單細胞蛋白中還含有多種維生素、碳水化合物、脂類、礦物質(zhì)，以

2、及豐富的酶類。,單細胞蛋白不僅能制成“人造肉”，供人們直接食用，還常作為食品添加劑，用以補充蛋白質(zhì)或維生素、礦物質(zhì)等。由于某些單細胞蛋白具有抗氧化能力，使食物不容易變質(zhì)，因而常用于嬰兒米粉及湯料、作料中。由于酵母的含熱量低，也常作為減肥食品的添加劑。此外，單細胞蛋白還能提高食品的某些物理性能，如意大利烘餅中加入活性酵母，可以提高餅的延薄性能。酵母的濃縮蛋白具有顯著的鮮味，已廣泛用作食品的增鮮劑。,,1.2 作為畜禽飼料添加劑

3、 中國是蛋白原料缺乏的國家，隨著飼料工業(yè)的迅速發(fā)展和生產(chǎn)的高度集約化，對優(yōu)質(zhì)飼料蛋白原料的需求日趨增大，目前飼料優(yōu)質(zhì)蛋白原料的主要來源是魚粉，而作為一種亞稀缺資源，魚粉已經(jīng)在各主要產(chǎn)地如秘魯?shù)葒艿絿栏裣蕻a(chǎn)保護。需求的膨脹和來源的快速減少，正是目前飼料優(yōu)質(zhì)蛋白原料面臨的尷尬處境。一些西方發(fā)達國家先行一步，將解決優(yōu)質(zhì)飼料蛋白來源的目光投向了生物技術(shù)產(chǎn)品—單細胞蛋白。,,2 生產(chǎn)SCP的微生物 在工業(yè)生產(chǎn)中，作為蛋白質(zhì)資源的微生物菌

4、體，特別的酵母菌和細菌，它們都能利用糖類原料生產(chǎn)菌體蛋白，究竟采用酵母菌和細菌哪種更好呢？這在很大程度上取決于生產(chǎn)SCP的原料。在20世紀60年代末和70年代初期，開發(fā)了多種由烷烴類物質(zhì)產(chǎn)生的SCP工藝，能夠利用烷烴的微生物主要有細菌和放線菌，如產(chǎn)堿桿菌、假單孢菌、節(jié)桿菌、短桿菌等，其次為酵母菌屬。,,3 生產(chǎn)SCP對菌種的要求 SCP的生產(chǎn)工藝依據(jù)原料和菌種的特性的不同而異。以淀粉質(zhì)為原料生產(chǎn)SCP，需先將淀粉質(zhì)原料水解成酵母

5、菌能直接利用的葡萄和麥芽糖，如產(chǎn)朊假絲酵母在這種底物上進行液體深層發(fā)酵，蛋白產(chǎn)量高，而且菌體生長繁殖速度較快。目前以淀粉質(zhì)為原料生產(chǎn)SCP的最佳方法是酵母菌混合培養(yǎng)法，即采用對淀粉分解活力高的酵母（或霉菌）與快速生長的酵母混合培養(yǎng)。而糖蜜、單糖只需選用一種SCP生產(chǎn)菌即可進行直接發(fā)酵。如尖孢鐮刀霉菌、綠色木霉等可直接利用廢糖蜜原料進行液體深層發(fā)酵生產(chǎn)SCP。,,纖維質(zhì)原料發(fā)酵前需經(jīng)合適的預(yù)處理，冷卻后即可進行酶解。參與酶解的纖維素酶系有

6、羧甲基纖維素酶、纖維素二糖酶和葡萄糖苷酶。三種酶的協(xié)同作用，將纖維素水解成葡萄糖單體，為生產(chǎn)SCP酵母菌提供可發(fā)酵性的糖。 隨著世界人口的不斷增長，糧食和飼料不足的情況日益嚴重。面對這一嚴峻的現(xiàn)實，開發(fā)利用單細胞蛋白已成為許多國家增產(chǎn)糧食的新途徑。,,,發(fā)酵工程概述,發(fā)酵一詞的來源 “發(fā)酵”（Fermentation）一詞是拉丁語“沸騰”（fervere）的派生詞，它描述酵母作用于果汁或麥芽浸出液時產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象。產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)

7、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。,狹義 “發(fā)酵”的定義,在生物化學上發(fā)酵:指微生物在無氧條件下，分解各種有機物質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式。如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出二氧化碳。同時獲得能量，丙酮酸被還原為乳酸而獲得能量等等。,廣義 “發(fā)酵”的定義,工業(yè)上所稱的發(fā)酵:泛指利用微生物細胞制造某些產(chǎn)品或凈化環(huán)境的過程，它包括厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如酒精、丙酮、丁醇、乳酸等，以及通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過程

8、，如抗生素、氨基酸、酶制劑等的生產(chǎn)。 產(chǎn)品即有細胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細胞、酶等。,發(fā)酵工程的概念：指采用現(xiàn)代工程技術(shù)手段，利用微生物的某些特定功能，為人類生產(chǎn)有用的產(chǎn)品，或直接把微生物應(yīng)用于生產(chǎn)過程的一種新技術(shù)。,典型的發(fā)酵過程示意圖,二、發(fā)酵工程的特點,1、發(fā)酵過程一般都是在常溫常壓下進行的生物化學反應(yīng)，反應(yīng)安全，要求條件比較簡單。2、發(fā)酵所用的原料簡單粗放。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和無機

9、氮源就可進行反應(yīng)。微生物因不同的類別可以有選擇地去利用它所需要的營養(yǎng)。基于這一特性，可以利用廢水和廢物等作為發(fā)酵的原料進行生物資源的改造和更新。,3、發(fā)酵過程反應(yīng)的專一性強，可以得到較為單一的代謝產(chǎn)物。4、發(fā)酵過程中對雜菌污染的防治至關(guān)重要。 除了必須對設(shè)備進行嚴格消毒處理和空氣過濾外，反應(yīng)必須在無菌條件下進行。如果污染了雜菌，生產(chǎn)上就要遭到巨大的經(jīng)濟損失，要是感染了噬菌體，對發(fā)酵就會造成更大的危害。因而維持無菌條件是發(fā)酵

10、成敗的關(guān)鍵。,5、能夠?qū)Ｒ恍缘睾透叨冗x擇性地對某些較為復(fù)雜的化合物進行特定部位地氧化、還原等化學轉(zhuǎn)化反應(yīng)，也可以產(chǎn)生比較復(fù)雜的高分子化合物。6、通過變異和菌種篩選，可以獲得高產(chǎn)的優(yōu)良微生物菌種，使生產(chǎn)設(shè)備得到充分利用，也可以獲得按常規(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，見效快，并可以取得顯著的經(jīng)濟效益。,三、發(fā)酵工程的內(nèi)容,1、以菌體為產(chǎn)品的發(fā)酵,依據(jù)最終產(chǎn)品的性質(zhì)和特點，工業(yè)發(fā)酵過程可歸納為：,2、以微生物的酶

11、為產(chǎn)品的發(fā)酵,生產(chǎn)制作面包的酵母菌; 生產(chǎn)作為人類或動物食物的微生物細胞（即單細胞蛋白質(zhì)）,提取微生物酶制劑,3、以微生物的代謝產(chǎn)物為產(chǎn)品的發(fā)酵,4、產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化發(fā)酵。,當微生物進入穩(wěn)定期后，代謝產(chǎn)生如氨基酸、核苷酸、脂類和碳水化物以及抗生素等多種初級和次級代謝產(chǎn)物。,,生物細胞或其產(chǎn)生的酶能將一種化合物轉(zhuǎn)化成化學結(jié)構(gòu)相似，但在經(jīng)濟上更有價值的化合物。轉(zhuǎn)化反應(yīng)包括催化脫氫、氧化、羥化、縮合、脫羧、氨化、脫氨化等作用。,發(fā)酵設(shè)備與基本工藝過

12、程,一、 生物反應(yīng)器(發(fā)酵罐),利用生物工程技術(shù)進行生產(chǎn)的過程統(tǒng)稱為生物反應(yīng)過程 。,采用活細胞(包括微生物、動植物細胞)作為生物催化劑的生物反應(yīng)過程稱為發(fā)酵過程或細胞培養(yǎng)過程。,采用游離或固定化酶作為生物催化劑的生物反應(yīng)過程，則稱為酶反應(yīng)過程。 生物反應(yīng)器：利用酶或生物體（如微生物）所具有的生物功能，在體外進行生化反應(yīng)的裝置系統(tǒng)。,能維持一定的溫度、pH、反應(yīng)物(如營養(yǎng)物質(zhì)、溶解氧等)濃度應(yīng)具備良好的傳質(zhì)、傳熱和混合性能，以便為生

13、物反應(yīng)的順利進行提供適宜的環(huán)境條件。細胞生物反應(yīng)器除具備上述特性外，還要求有一定的除菌及密封設(shè)備，以防止生產(chǎn)過程中因微生物侵入造成的雜菌污染。,根據(jù)生物反應(yīng)過程中所使用的生物催化劑不同可將生物反應(yīng)器分為：,酶反應(yīng)器和細胞生物反應(yīng)器。,生物反應(yīng)器應(yīng)具備的條件：,評價生物反應(yīng)器的兩個重要指標：,生產(chǎn)能力產(chǎn)品質(zhì)量,,,,,,,,微生物反應(yīng)器,,1、機械攪拌型微生物細胞生物反應(yīng)器(通用型),,,主要由殼體、控溫部分、攪拌部分、通氣部分、進出

14、料口、測量系統(tǒng)和附屬系統(tǒng)等組成。,殼體的作用：為整個發(fā)酵過程提供一個密封的環(huán)境，防止雜菌污染；同時為了能在一定壓力下進行高溫滅菌，要求罐體承受的壓力至少在0.3MPa以上。,控溫部分的作用：是保證發(fā)酵過程在恒溫條件下進行，并將生物氧化和機械攪拌產(chǎn)生的熱量及時移去,,攪拌部分的作用：使罐內(nèi)物料混合良好，液體中的固形物料保持懸浮狀態(tài)，這樣有利于菌體與營養(yǎng)物質(zhì)充分接觸，便于營養(yǎng)吸收。另一方面，攪拌器可以打碎氣泡，增加氣液接觸面積，提高氣液間的

15、傳質(zhì)速率，加強氧的傳遞效果及消除泡沫。,,通氣部分的作用：是從罐的底部向罐內(nèi)通入無菌空氣，一般入口空氣壓力為0.1～0.2MPa(表壓)，罐頂部有空氣出口。,進出料口：是指進料和出料用的系統(tǒng)，同時還配有補料口裝置等,,測量系統(tǒng)：作用在于測量發(fā)酵過程中的pH值、溶解氧等相關(guān)數(shù)據(jù)，以便對發(fā)酵過程進行隨時的監(jiān)測并及時對發(fā)酵參數(shù)進行調(diào)整。此外，測量裝置應(yīng)能承受一定的滅菌溫度并在長時間內(nèi)保持穩(wěn)定。,通用機械攪拌型生物反應(yīng)器內(nèi)通常安裝消泡裝置，抑制

16、泡沫的形成。,附屬系統(tǒng)是指用以觀察發(fā)酵液情況的視鏡裝置和強化發(fā)酵液混合的擋板等設(shè)備。,2、機械攪拌自吸式反應(yīng)器,（1）可以利用攪拌器旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的抽吸力吸入空氣，不需要空氣壓縮機提供壓縮空氣，從而省去了空氣系統(tǒng)，使設(shè)備成本降低。（2）其攪拌器是一個空心葉輪，葉輪快速旋轉(zhuǎn)時，液體由于離心作用而被甩出，并在葉輪空心部分形成負壓，從而將罐外的空氣吸到罐內(nèi)。同時，空氣因受到高速流動液體的摩擦剪切作用而變成細小的氣泡，均勻分散在液體之中，然后借助

17、導(dǎo)輪流將氣液混合物導(dǎo)入發(fā)酵液中并與之混合。,優(yōu)點：,缺點,（1）進罐空氣處于負壓狀態(tài)，容易增加雜菌侵入的機會。 （2）攪拌容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)速提高，有可能使某些微生物的菌絲被切斷，影響細胞的正常生長。,BIOTECH- X JS型機械攪拌不銹鋼發(fā)酵罐,3、氣升式環(huán)流反應(yīng)器,類型：內(nèi)環(huán)流式 外環(huán)流式,它們都是借助設(shè)在環(huán)流管底部的空氣噴嘴將空氣以250～300m/s的高速噴入環(huán)流管，使氣泡分散在培養(yǎng)基中。,基本工藝過程,（一） 微

18、生物發(fā)酵工藝類型,1、分批培養(yǎng),概念：又稱分批發(fā)酵，指在一個密閉系統(tǒng)內(nèi)投入有限數(shù)量的營養(yǎng)物質(zhì)后，接入少量的微生物菌種進行培養(yǎng)，使微生物在特定的條件下只完成一個生長繁殖周期的培養(yǎng)方法。,2、連續(xù)培養(yǎng),概念：又稱連續(xù)發(fā)酵，指按一定的速度向培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)添加新鮮的培養(yǎng)基，同時培養(yǎng)液以相同的速度流出，從而使發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)物的液量維持恒定，使微生物細胞能在相對恒定的狀態(tài)下生長。,連續(xù)培養(yǎng)過程中，微生物細胞所處的環(huán)境條件，如營養(yǎng)物質(zhì)的濃度、產(chǎn)物的生成速度

19、、pH值以及微生物細胞的濃度和比生長速度等參數(shù)自始至終基本保持不變，甚至還可以根據(jù)需要來調(diào)節(jié)微生物細胞的生長速度。 連續(xù)培養(yǎng)的最大特點：微生物細胞的生長速度和產(chǎn)物的代謝生成均處于恒定狀態(tài)，因而可以達到穩(wěn)定、高速培養(yǎng)微生物細胞或產(chǎn)生大量代謝產(chǎn)物的目的。,3、補料分批培養(yǎng),概念：根據(jù)菌株生長和初始培養(yǎng)基的特點，在分批培養(yǎng)的某些階段適當補加培養(yǎng)基，使菌體或其代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)時間延長。,補料分批培養(yǎng)在發(fā)酵工業(yè)上主要用于發(fā)酵生產(chǎn)單細胞蛋白、氨

20、基酸、抗生素、維生素、酶制劑、有機酸以及有機溶劑等。,補料分批培養(yǎng)類型：連續(xù)補料非連續(xù)補料多周期補料，,補料分批培養(yǎng)具有以下優(yōu)點：,,消除培養(yǎng)過程中底物的抑制消除產(chǎn)物的反饋抑制可以達到高密度細胞培養(yǎng) 延長次級代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)時間 稀釋有毒代謝產(chǎn)物 降低染菌和避免遺傳不穩(wěn)定性,(二) 工業(yè)微生物菌種的擴大培養(yǎng),菌種的擴大培養(yǎng)目的：為工業(yè)發(fā)酵提供數(shù)量巨大、代謝旺盛的微生物種子(或發(fā)酵劑)。,種子的概念：將保存在沙土管或冷凍干燥

21、管中處于休眠狀態(tài)的母發(fā)酵劑接入試管斜面活化后，再經(jīng)過搖瓶及種子罐逐級擴大培養(yǎng)，最后獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種培養(yǎng)物，即發(fā)酵工業(yè)上通稱的“種子”。,發(fā)酵工業(yè)上使用的種子必須具備的條件：,①生長旺盛，活力較高，延遲期短，接種到發(fā)酵罐后能迅速生長；,②細胞濃度適宜，以保證在大型發(fā)酵罐中有適當?shù)慕臃N量；,③生理狀態(tài)穩(wěn)定；,⑤生產(chǎn)能力保持穩(wěn)定,④無雜菌污染；,（三）培養(yǎng)基滅菌,若發(fā)酵培養(yǎng)基中夾雜有其他微生物，將導(dǎo)致下列后果： （或為什么要對培養(yǎng)基滅

22、菌）,①生產(chǎn)菌與雜菌在培養(yǎng)基中同時生長，使生產(chǎn)菌喪失生產(chǎn)能力；,②在連續(xù)發(fā)酵過程中，雜菌有時會比生產(chǎn)菌生長快，使生物反應(yīng)器中雜菌占優(yōu)勢；,③雜菌過度生長會污染最終產(chǎn)品，,④雜菌代謝所產(chǎn)生的物質(zhì)，使目的產(chǎn)物的分離困難；,⑤雜菌使目的產(chǎn)物降解。,⑥發(fā)酵過程中，若發(fā)生噬菌體污染，生產(chǎn)菌細胞會發(fā)生溶菌現(xiàn)象，使發(fā)酵產(chǎn)物的最終產(chǎn)量或活力大幅度下降。,為防止和控制雜菌污染，實踐生產(chǎn)中采取滅菌措施有：,①培養(yǎng)基滅菌；,②發(fā)酵罐滅菌；,③對所有與發(fā)酵過程

23、有關(guān)的物料進行滅菌；,④發(fā)酵時保持純種狀態(tài)。,培養(yǎng)基的滅菌方法：,(1)間歇式滅菌,將配制好的培養(yǎng)基放在發(fā)酵罐或其他裝置中，通入蒸汽將培養(yǎng)基和所用設(shè)備一起進行加熱滅菌的過程，也稱作“實罐滅菌”。是中小型生產(chǎn)廠家經(jīng)常采用的一種培養(yǎng)基滅菌方法。,(2) 連續(xù)滅菌,配制好的培養(yǎng)基在向發(fā)酵罐等培養(yǎng)裝置輸送的同時進行加熱、保溫和冷卻而進行的滅菌方式。,連續(xù)滅菌的基本設(shè)備有,①配料預(yù)熱罐：,②連消塔：,主要作用使高溫蒸汽與液體培養(yǎng)基迅速接觸混合，

24、促使培養(yǎng)液的溫度快速升高到滅菌溫度(126～132℃)；,③維持罐：使培養(yǎng)液在滅菌溫度下保持5-7min，以達到徹底滅菌的目的,④冷卻管：降低培養(yǎng)液溫度,（四） 空氣滅菌,(1)空氣滅菌的要求,一般空氣滅菌要求10-3的染菌幾率，即在1 000次培養(yǎng)過程中，只允許一次是由于空氣滅菌不徹底而造成染菌，使培養(yǎng)過程失敗的情況。,發(fā)酵工業(yè)應(yīng)用的“無菌空氣”：指通過除菌處理使空氣中含菌量降低在一個極低的百分數(shù)，從而能控制發(fā)酵污染至極小機會。,(2

25、)空氣滅菌的方法,①加熱滅菌法：,利用壓縮空氣時產(chǎn)生的熱量進行滅菌,②輻射殺菌：,α-射線、X-射線、β-射線、γ-射線、紫外線和超聲波等破壞微生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)等生物的活性物質(zhì)，從而達到殺菌效果。,應(yīng)用范圍通常用于無菌室和醫(yī)院手術(shù)室。缺點殺菌效率較低，殺菌時間較長。一般要結(jié)合甲醛蒸汽等來保證無菌室的無菌程度。,近幾年來，靜電除菌方法已被一些工廠用來除去空氣中的水霧、油霧、塵埃和微生物。靜電除菌有一定的局限性，因為一些直徑較小的

26、顆粒帶電荷很少，所以當產(chǎn)生的引力小于或等于氣流對微粒的拉動力時，則微粒就不能被吸附而沉降。對很小的微粒來說，靜電除塵滅菌的效果是有限的。,④介質(zhì)過濾除菌法：,是利用過濾介質(zhì)阻截空氣中所含的微生物而獲得無菌空氣的除菌方法。目前，該方法是廣泛應(yīng)用。,濾材,孔,,(2)空氣過濾除菌介質(zhì)的選擇,①空氣過濾除菌原理：,當空氣經(jīng)過過濾介質(zhì)時，層層的濾層纖維會迫使空氣在流動過程中無數(shù)次地改變流速大小和方向，從而導(dǎo)致微生物微粒與濾層纖維間產(chǎn)生撞擊、攔截

27、、布朗擴散、重力及靜電引力等作用，從而把微生物微粒截留、捕集在纖維表面上，達到過濾除菌的目的。,②空氣過濾除菌的介質(zhì)：,纖維狀物或顆粒狀物:主要指脫脂棉 、無堿玻璃纖維和活性炭等材料 。過濾紙：主要指玻璃纖維紙，厚度約為0.25～0.40mm，孔徑約為1.00-1.50µm 微孔濾膜：孔徑小于0.50µm，甚至小于0.1µm，因而能將空氣中的細菌絕對過濾掉。這類過濾介質(zhì)主要用于濾除空氣中的細菌和塵埃，所

28、以濾后空氣的質(zhì)量較易控制。,(3)空氣過濾除菌工藝流程,兩級冷卻和加熱除菌流程是一個比較完善的空氣除菌流程工藝 。,該流程的特點是兩次冷卻，兩次分離和適當加熱；優(yōu)點是能提高傳熱系數(shù)，節(jié)約冷卻用水，油水分離得比較完全。,(4)空氣的預(yù)處理,空氣預(yù)處理的目的：一是提高壓縮前空氣的潔凈度；二是去除壓縮后空氣中所帶的油和水。,氣體預(yù)過濾器外殼圖,①空氣粗過濾：,通常采用布袋過濾器、填料過濾器、油浴洗滌和水霧除塵裝置等作為粗過濾設(shè)備。,②空氣

29、壓縮和壓縮空氣的冷卻：,③壓縮空氣的除水除油。,(5)提高過濾除菌效率的主要措施,①減少進口空氣的含菌數(shù),②設(shè)計和安裝合理的空氣過濾器，選用除菌效率較高的過濾介質(zhì),③采用合理的空氣預(yù)處理設(shè)備，以達到較好的除油、水和雜質(zhì)的目的。,④空氣進入過濾器之前應(yīng)進行干燥處理，以保證過濾介質(zhì)正常工作。,（五） 氧的供需與傳遞,1、細胞對氧的需求,（1）臨界溶氧濃度：,如果培養(yǎng)基中不存在其他限制性基質(zhì)時，影響好氧性微生物生長繁殖的最低溶解氧濃度稱為臨界

30、溶氧濃度。,雖然氧氣在培養(yǎng)液中的溶解度很低，但培養(yǎng)過程中并不需要使溶解氧濃度達到飽和值，而只要超過某一臨界溶氧濃度后，細胞的呼吸生長就不會受到抑制。一般來說，微生物的臨界溶氧濃度大約為其飽和濃度的1％一25％。保持溶解氧濃度高于臨界溶氧濃度就可以滿足微生物的最大需氧量，從而獲得最高的微生物細胞產(chǎn)量。,細胞對氧的利用情況也可用攝氧率來反映。攝氧率：單位體積培養(yǎng)液在單位時間內(nèi)消耗氧的含量(mmolO2/L.s)。,（2）攝氧率：,影響攝

31、氧率的因素,培養(yǎng)液中基質(zhì)濃度培養(yǎng)時間 細胞濃度,（3）溶解氧濃度與細胞代謝產(chǎn)物,溶解氧濃度對細胞生長和產(chǎn)物生成的影響可能是不同的。溶解氧水平越高并不一定有利于產(chǎn)物的生成；同樣，細胞生長的最佳氧濃度不一定就是生成產(chǎn)物的最佳氧濃度。,Hirose和Shibai(1980)研究了黃色短桿菌代謝生產(chǎn)氨基酸時的溶解氧濃度，發(fā)現(xiàn)提高溶解氧濃度不利于亮氨酸、纈氨酸和苯丙氨酸的生產(chǎn)，但有利于脯氨酸、谷氨酸、谷胱甘肽、賴氨酸、蘇氨酸和異亮氨酸的生產(chǎn)。

32、,這是因為苯丙氨酸、纈氨酸和亮氨酸是通過糖酵解中間產(chǎn)物丙酮酸和磷酸烯醇式丙酮酸而形成的，而谷氨酸和天門冬氨酸的生物合成來源于三羧酸循環(huán)。供氧充分時，三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物豐富，因此谷氨酸和天門冬氨酸的產(chǎn)量就高；供氧不足時，因糖代謝受阻，所以有利于苯丙氨酸和纈氨酸的生產(chǎn)。,2、氧傳遞系數(shù)測定,現(xiàn)代發(fā)酵工程研究表明，空氣中的氧氣進入細胞內(nèi)分三個步驟:氧轉(zhuǎn)移到發(fā)酵液溶解的氧分子通過發(fā)酵液進入微生物細胞細胞吸收溶解氧。,氧從空氣泡(氣相)進

33、入液體(液相)的傳遞速率即氧的傳遞速率.,發(fā)酵過程控制,一、發(fā)酵過程控制的基本原則,發(fā)酵生產(chǎn)過程的主要目的:是獲得最大產(chǎn)量和最佳質(zhì)量的發(fā)酵產(chǎn)物.最優(yōu)化控制的目標:首先是得到最大量的發(fā)酵產(chǎn)物，其次是最短的生產(chǎn)周期和由此獲得的最佳經(jīng)濟效益。,影響發(fā)酵產(chǎn)物生產(chǎn)的因素:,營養(yǎng)物質(zhì)的濃度、種類、比例溶解氧濃度氧化還原電位CO2發(fā)酵液黏度溫度pH值泡沫酶和代謝產(chǎn)物此外，還包括菌體濃度、生長速率、死亡速率、細胞狀態(tài)等生物學因素

34、。,二、溫度對發(fā)酵過程的影響及其控制,（一）菌種生長和發(fā)酵產(chǎn)物與溫度的關(guān)系,1、溫度對微生物的影響：,高溫會使微生物細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)發(fā)生變性或凝固，破壞微生物細胞內(nèi)的酶活性，從而殺死微生物。溫度越高，微生物的死亡越快。 低溫能抑制微生物的生長。各種微生物都有一個最適的生長溫度范圍，在此范圍內(nèi)，微生物的生長最快。,2、溫度與酶反應(yīng),在一定范圍內(nèi),溫度越高，酶反應(yīng)速度越快，微生物細胞生長代謝速率加快，產(chǎn)物提前生成；但因為酶本身很容易

35、因熱的作用而失活，溫度越高，酶的失活也越快，表現(xiàn)出微生物細胞容易衰老，使發(fā)酵周期縮短，從而影響發(fā)酵過程最終產(chǎn)物的產(chǎn)量。,3、溫度與培養(yǎng)液的物理性質(zhì),改變培養(yǎng)液的物理性質(zhì)會影響到微生物細胞的生長。例如，溫度通過影響氧在培養(yǎng)液中的溶解濃度、氧傳遞速度等，而影響到整個發(fā)酵過程。,4、溫度與代謝產(chǎn)物的生物合成方向,在四環(huán)素的發(fā)酵過程中，金色鏈霉菌同時代謝產(chǎn)生四環(huán)素和金霉素，當溫度低于30℃時，金色鏈霉菌合成金霉素的能力較強，隨著溫度的升高，合成

36、四環(huán)素的能力也逐漸增強，當溫度提高到35℃時，則只合成四環(huán)素，而金霉素的合成幾乎處于停止狀態(tài)。,5、同一菌株，其細胞生長和代謝產(chǎn)物積累的最適溫度往往不同,例如，黑曲酶的最適生長溫度為37℃，產(chǎn)生糖化酶和檸檬酸的最適溫度是32-34℃；谷氨酸生產(chǎn)菌生長的最適溫度為30-32℃,產(chǎn)生谷氨酸的最適溫度是34-37℃ 。,三、pH值對發(fā)酵過程的影響及其控制,（一）pH值對發(fā)酵過程的影響,大多數(shù)細菌的最適pH值為6.5～7.5，霉菌的最適pH值為

37、4.0～5.8，酵母菌的最適pH值為3.8～6.0，放線菌的最適pH值為6.5～8.0。,（二）發(fā)酵過程中pH值的變化情況,一般，發(fā)酵過程中若消耗堿性物質(zhì)或生成酸性物質(zhì)都會引起發(fā)酵液的pH值下降。發(fā)酵液pH下降的主要原因：①培養(yǎng)基中的碳/氮比例不當，碳源過多②消泡油加得過多；③微生物生理酸性物質(zhì)的存在,發(fā)酵過程中若消耗酸性物質(zhì)或生成堿性物質(zhì)都會引起發(fā)酵液的pH值上升.發(fā)酵液pH值上升的主要原因：①培養(yǎng)基中的碳/氮比例失衡

38、，氮源過多②存在生理堿性物質(zhì)；③中間補料時，氨水或尿素等堿性物質(zhì)加入過多,（三）發(fā)酵過程中pH值的控制,采用的方法： (1)調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的起始pH值，或加入緩沖溶液(如磷酸鹽)或盡量使鹽類和碳源的配比平衡 (2)在發(fā)酵過程中及時加入弱酸或弱堿來調(diào)節(jié)pH值,(3)可及時補料調(diào)節(jié)pH值(4)采用生理酸性鹽作為氮源時，向培養(yǎng)液中加入碳酸鈣可以調(diào)節(jié)pH值,(5)可用流加氨水或尿素的方法來調(diào)節(jié)發(fā)酵過程中pH值的變化,,四、泡

39、沫對發(fā)酵過程的影響和控制（一）泡沫的形成及其對發(fā)酵過程的影響,發(fā)酵過程中產(chǎn)生泡沫的原因：,①外界引進的氣流被機械地分散形成泡沫；②發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣體聚結(jié)形成的發(fā)酵泡沫。,過多的持久性泡沫會給發(fā)酵過程造成不利的影響，主要表現(xiàn)在：,①使發(fā)酵罐的裝填系數(shù)減少；②造成大量逃液，導(dǎo)致產(chǎn)物的損失；③泡沫“頂罐”，有可能使培養(yǎng)基從攪拌軸處滲出，增加了染菌的機會；④由于泡沫的液位變動，以及不同生長周期微生物隨泡沫漂浮或黏附在罐蓋或罐壁上，

40、使微生物生長的環(huán)境發(fā)生改變，使微生物群體的非均一性增加；,⑤影響通氣攪拌的正常進行，妨礙微生物的呼吸，造成發(fā)酵異常，導(dǎo)致最終產(chǎn)物產(chǎn)量下降；⑥使微生物菌體提早自溶，這一過程的發(fā)展又會促使更多的泡沫生成；⑦消泡劑的加入，會給最終產(chǎn)物的提取帶來困難。,（二） 發(fā)酵過程中泡沫的消除與控制,發(fā)酵過程中消除和控制泡沫的主要措施：,(1)化學消泡法：,優(yōu)點：來源廣泛，消泡效果好作用迅速可靠，效率高，用量少不僅適用于大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)，同時也適用

41、于小規(guī)模的發(fā)酵實驗。,化學消泡劑一般應(yīng)具備的特點：,①是表面活性劑，具有較低的表面張力，消泡作用迅速有效②具有一定的親水性③在水中的溶解度較?、軐θ?、畜及微生物細胞無毒性，不影響產(chǎn)物的提取分離和產(chǎn)品的質(zhì)量；⑤不影響氧在培養(yǎng)液中的溶解和傳遞；⑥來源方便，價格便宜。,常用的化學消泡劑主要有：天然油脂(玉米油、米糠油、豆油、菜油、棉子油及魚油、豬油等)高級醇類(聚二醇和十八醇)脂肪酸和聚醚類(聚氧丙烯甘油和丙烯甘油)硅酮類(

42、聚二甲基硅氧烷及其衍生物)氟化烷烴,優(yōu)點：不需要在發(fā)酵液中添加任何其他物質(zhì)，減少了由于加入消泡劑所引起的染菌機會和對產(chǎn)物分離工藝的影響。缺點：效果不如化學消泡迅速、可靠，還需要配備一定的設(shè)備和消耗一定的動力，不能從根本上消除引起泡沫的因素。,(2)機械消泡法：,五、流加補料的控制,流加補料概念：在發(fā)酵過程中補充某些營養(yǎng)成分以維持生產(chǎn)菌株的代謝活動和產(chǎn)物合成。,流加補料的物質(zhì)：,可分為碳源、氮源、微量元素和無機鹽以及誘導(dǎo)底物等。,

43、（一）流加補料的內(nèi)容和原則,原則：有效控制微生物的中間代謝過程，使之向著有利于產(chǎn)物積累的方向發(fā)展。,發(fā)酵工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用,一、 發(fā)酵法生產(chǎn)單細胞蛋白,單細胞蛋白(SCP)概念：指適用于食品和動物飼料應(yīng)用的微生物細胞，包括酵母菌、細菌、霉菌和高等真菌。這些微生物大多數(shù)是富含蛋白質(zhì)的單細胞生物，可以認為是單細胞蛋白質(zhì)的重要來源。,（1）細胞蛋白質(zhì)含量高達50%以上，含有多種氨基酸、維生素、礦物質(zhì)、粗脂肪等營養(yǎng)成分，易于消化吸收。

44、（2）微生物生長繁殖快，短時間可獲得大量產(chǎn)品。,應(yīng)用微生物生產(chǎn)單細胞蛋白的優(yōu)點：,利用微生物發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)單細胞蛋白具有較高的生產(chǎn)率。因為單細胞蛋白依賴于微生物菌體生物量的累積，其富集蛋白質(zhì)的能力要比動、植物快得多。豬和牛的體重倍增時間分別為4～6周、1—2個月，植物體重倍增時間為l一2周，而細菌、酵母等微生物僅需20～120min。1頭500kg的母牛每天能產(chǎn)蛋白質(zhì)約0.4kg。500kg酵母每天至少生產(chǎn)5 000kg蛋白質(zhì)。在

45、實際的工業(yè)發(fā)酵罐中，酵母能夠生產(chǎn)出數(shù)噸蛋白質(zhì)，生產(chǎn)率高達2-4kg／(h.m3培養(yǎng)液)。,（3）微生物對營養(yǎng)要求適應(yīng)性強，可利用多種廉價原料進行生產(chǎn)。（4）微生物的生長條件可人為控制，可工廠化生產(chǎn)。,生產(chǎn)單細胞蛋白的主要原料（1）工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廢棄物和下腳料。（2）碳水化合物類（3）碳氫化合物類（4）石油產(chǎn)品類（5）無機氣體類,各種化學成分的含量因微生物的種類、菌齡、培養(yǎng)基組成、培養(yǎng)條件等不同而有較大差異。例如，啤酒酵母除

46、含豐富的優(yōu)質(zhì)蛋白外，還含有較豐富的維生素D和B族維生素及Ca、Fe、Zn、K、P、Na等必需微量元素，因此，它可視為一種理想的蛋白質(zhì)資源。,一般工業(yè)上生產(chǎn)單細胞蛋白的微生物是酵母，主要有釀酒酵母、產(chǎn)朊假絲酵母(或稱圓酵母)和脆壁克魯維酵母(或稱乳清酵母)。,（一）利用酵母菌生產(chǎn)單細胞蛋白,SCP生產(chǎn)的概略流程圖,烷烴類原料生產(chǎn)SCP,Zobell(1946年)提出酵母菌利用碳氫化合物有四個特點：1、脂肪族化合物比芳香族化合物易于利用

47、；2、長鏈脂肪族化合物與短鏈脂肪族化合物相比更易于降解；3、不飽和烷烴比飽和烷烴易于降解；4、支鏈烷烴較直鏈烷烴更易被酵母菌利用和同化。,微生物同化烷烴的步驟是細胞吸收外源烷烴，然后將其轉(zhuǎn)運到細胞內(nèi)，烷烴進行初始氧化。,主要有兩條代謝烷烴的途徑，即末端氧化和亞末端氧化途徑。前者，烷烴的末端甲基(1個或者2個)被氧化，最后形成相應(yīng)的脂肪酸。酵母菌主要以單末端氧化途徑。單末端氧化途徑可簡單示意如下： R-CH3→ R-CH

48、2OH→R-CHO→R-COOH ↓ β-氧化作用,以淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)SCP 以淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)SCP主要有三條途徑：①在化學分解或酶解底物基礎(chǔ)上培養(yǎng)SCP生產(chǎn)酵母

49、菌；②將對淀粉分解活力高的霉菌與快速生長的酵母菌混合培養(yǎng)；③單獨培養(yǎng)能夠同化淀粉的生產(chǎn)菌株。,以木薯為原料采用深層發(fā)酵法生產(chǎn)SCP的流程圖,在SCP生產(chǎn)中，發(fā)酵過程必須控制溫度以利于菌體的大量增殖、生長?？梢酝ㄟ^發(fā)酵罐內(nèi)部的冷卻表面散發(fā)培養(yǎng)液的熱量，當然也可以在罐外通過熱交換器來降低培養(yǎng)液的溫度。 以甘薯、木薯、玉米等淀粉質(zhì)原料發(fā)酵生產(chǎn)SCP得率一般可超過50％，即2t原料可生產(chǎn)出1t多蛋白含量超過50％的產(chǎn)物。每升發(fā)酵液中

50、生物量約為37～40g。瑞典糖業(yè)有限公司在1973年便利用土豆加工的廢渣以混合培養(yǎng)方法生產(chǎn)飼料SCP。,糖蜜原料生產(chǎn)SCP,糖蜜是制糖工業(yè)的主要副產(chǎn)品。甜菜、甘蔗糖蜜中含有多種可利用成分，是綜合利用發(fā)酵生產(chǎn)酵母、酒精、核苷酸等產(chǎn)品的寶貴資源，而且特別適用于SCP生產(chǎn)。,以糖蜜為原料生產(chǎn)SCP多采用液體深層發(fā)酵法。發(fā)酵前，應(yīng)先采用化學、機械或兩者結(jié)合的方法對糖蜜進行澄清和滅菌處理。向糖蜜中添加新鮮石灰乳和磷酸，形成磷酸鈣，靜置后過濾或

51、離心除去這些沉淀即有澄清效果。也可先用H2SO4調(diào)節(jié)糖蜜pH，再依次加入NH3、鋁鹽、果膠和鋅鹽進行澄清。過濾材料可選擇石棉砂和纖維素等。經(jīng)機械離心獲得的澄清糖蜜，可以加熱至130-140℃殺菌。,,經(jīng)過預(yù)處理的糖蜜用于酵母發(fā)酵生產(chǎn)，可以提高產(chǎn)量以及酵母產(chǎn)品的純度，同時熱交換器等設(shè)備表面鹽類物質(zhì)沉積量減少，有利于降低生產(chǎn)成本。,纖維素類原料生產(chǎn)SCP,有三條路線：一是預(yù)處理-酶解二是酸解三是混合發(fā)酵法,生產(chǎn)SCP時必須采用適當工藝