化學微生物學第六章發(fā)酵

1、第六章第六章 微生物的代謝與發(fā)酵微生物的代謝與發(fā)酵第二節(jié)第二節(jié) 微生物發(fā)酵及其特征微生物發(fā)酵及其特征主要內(nèi)容 一、發(fā)酵的定義及應用范圍 二 發(fā)酵工程及發(fā)酵工業(yè) 三 發(fā)酵方法的類別與流程 四 我國發(fā)酵工業(yè)的科技進步 提問：什么是發(fā)酵微生物發(fā)酵技術 1857年法國化學家、微生物家巴斯德提出了著名的發(fā)酵理論：“一切發(fā)酵過程都是微生物作用的結果?！?巴斯德認為，釀酒是發(fā)酵，是微生物在起作用；酒變質(zhì)也是發(fā)酵，是另一類微生物在作祟；隨著科學技術的發(fā)展，可以用加熱處理等方法來殺死有害的微生物，防止酒發(fā)生質(zhì)變。 同時，也可以把發(fā)酵的微生物分離出來，通過人工培養(yǎng)，根據(jù)不同的要求去誘發(fā)各種類型的發(fā)酵，獲得所需的發(fā)

2、酵產(chǎn)品。 一、發(fā)酵的定義1 1、傳統(tǒng)發(fā)酵、傳統(tǒng)發(fā)酵2 2、生化和生理學意義的發(fā)酵、生化和生理學意義的發(fā)酵3 3、工業(yè)上的發(fā)酵、工業(yè)上的發(fā)酵1、傳統(tǒng)發(fā)酵 最初發(fā)酵是用來描述酵母菌作用于果汁或麥芽汁產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，或者是指酒的生產(chǎn)過程。2、生化和生理學意義的發(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，或者更嚴格地說，發(fā)酵是以有機物作為電子受體的氧化還原產(chǎn)能反應。 如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出CO2。3、工業(yè)上的發(fā)酵 泛指利用微生物制造或生產(chǎn)某些產(chǎn)品的過程 包括：1.厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如酒精，乳酸等。2.通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等。

3、 產(chǎn)品有細胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細胞、酶等。 提問：發(fā)酵工程的應用領域發(fā)酵工程應用范圍食 品 工 程酶 工 業(yè) 氨基酸工業(yè) 有機酸工業(yè) 飼 料 工 業(yè)新材料開發(fā) 生 物 化 工 環(huán) 境 保 護在食品工業(yè)中的應用 這是生物技術最早開發(fā)應用的領域， 含醇飲料：以果汁、米、麥、高梁、玉米、土豆等為主要原料釀造或經(jīng)加工的有葡萄酒、果酒、黃酒、白酒、啤酒、白蘭地、威士忌、伏特加、金酒、香檳酒、朗姆酒等 傳統(tǒng)調(diào)味品及發(fā)酵食品：以豆類、米、麥等生產(chǎn)的醬、醬油、醋、豆豉、豆腐乳、泡菜等。 發(fā)酵乳制品：奶酒、干酪、酸奶等 飲料酒類產(chǎn)量大、產(chǎn)值高、影響面廣，許多國家利用生物工程的技術改革舊工藝已取得明顯效果，收到

4、顯著的經(jīng)濟效益。 用近代發(fā)酵或酶反應技術生產(chǎn)的食品原料：葡萄糖、麥芽糖、果葡糖漿、甘露糖醇、脂肪等 食品添加劑：面包酵母、味精(谷氨酸單納)、賴氨酸、檸檬酸、紅曲(色素)、甜味肽、肌苷酸和鳥苷酸(均為增鮮劑)、右旋糖酐葡聚糖和茁霉多糖 (均為增稠劑)、葡萄糖氧化酶和異維生素C(均為食品保鮮劑)、乳鏈菌肽(食用防腐劑)。 新型發(fā)酵飲料 活性乳酸飲料。微生物與飲食、調(diào)味品微生物與飲食、調(diào)味品 青 紅 方醬，醬油，豆食 用 醋發(fā)酵飲料味 精發(fā)酵面食食用藥用菌食用色素食品添加劑淹漬蔬菜Cncnc-micro發(fā)酵食品市場 主要原料：橄欖、卷心菜和腌黃瓜。 1999年韓國國內(nèi)泡菜市場產(chǎn)值約為16.7億美元

5、。1998年日本泡菜生產(chǎn)量達18萬噸，市場為13億美元，在國際市場上日韓兩國占據(jù)了95%以上的份額。 2000年，中國泡菜工業(yè)的市場銷售額約為10億 元，中國泡菜的代表之一-四川泡菜企業(yè)出口總額約500萬美元，僅占國際泡菜市場總量的3%。A 各種抗生素：抗細菌，抗真菌，抗原蟲，抗腫瘤 天然、合成、半合成B、各種氨基酸：在醫(yī)藥中主要用于生產(chǎn)氨基酸輸液 可用發(fā)酵獲得或用酶法獲得C、維生素D、甾體激素生物技術在醫(yī)藥工業(yè)中的應用E、生物制品：生于預防、診斷或治療傳染病F、單克隆抗體、抗體與抗原具有高度親和性，用于制備診斷盒、治療疾病或作為生物導彈藥物的運載工具。純化抗原類物質(zhì)，菌種鑒別。G、其它：治療

6、用酶、酶抑制劑、核苷酸制品、制藥工業(yè)用酶、工業(yè)發(fā)酵藥物生物技術在醫(yī)藥工業(yè)中的應用 抗生素：目前世界各國可用發(fā)酵法生產(chǎn)的抗生素約400種，其中廣泛應用的大約120種。l980年世界總產(chǎn)量約為25000噸。僅青、四、紅和頭孢四類抗生素的產(chǎn)值就達42億美元，最大的發(fā)酵罐為400立方米。 進入90年代后，全球生產(chǎn)與銷售的各類抗生素原料藥平均每年約在3萬噸以上，總價值約為250一300億美元，1992一1993年度實際增長率為4%。美國抗感染藥物市場銷售額1992年達60.71美元。醫(yī)藥市場維生素 發(fā)酵生產(chǎn)的維生素，1982年世界產(chǎn)量為6萬噸左右，六種維生累的總銷額為6.7億美元。在19691980年間

7、，每年銷售量遞增10，19811991年間仍以7一8的速率遞增。 目前，全球范圍內(nèi)使用最為普遍的是VA、VC 和VE，三都每年市場銷售額近20億美元，其中VE超過10億美元，其余為VB族，每個品種都有0.5-1.5億美元的市值。在各種用途中，維生素作為動物飼料的市場正以每年2-3速度增長，在藥用和食品領域都以4-5的速度增長 。甾體激素 目前世界市場的年銷售額為67億元，今后仍將以610的速率遞增。最近正在興起用固定化細胞進行甾體轉(zhuǎn)化，將是一個有發(fā)展前途的新工藝， 目前國際上正在研究中的除干擾素以外、還有口蹄疫疫苗，狂犬病疫苗口蹄疫疫苗，狂犬病疫苗等十余種。今后幾年內(nèi)，在重組DNA的工作逐步深

8、入當中，定會對人類和牲畜健康引起實質(zhì)性的改善。 糖酶：a-淀粉酶、-淀粉酶、糖化酶、支鏈淀粉酶、轉(zhuǎn)化酶、異構酶、半乳糖酶、纖維素酶。 蛋白酶：堿性、酸性、中性蛋白酶 果膠酶 脂肪酶 凝乳酶 過氧化氫酶。 應用于輕工、食品用酶的生產(chǎn)應用于化工能源產(chǎn)品的生產(chǎn) 利用發(fā)酵、生物轉(zhuǎn)化或酶法生產(chǎn)：烷烴、醇及溶劑、有機酸、多糖等酵母生產(chǎn)燃料乙醇 沼氣 在利用工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的有機物廢料，將它們發(fā)酵制取燃料(沼氣)氣體方面，美國計劃解決全國能源需要量的10，工業(yè)有機廢水(渣)的利用在西歐轉(zhuǎn)向甲烷發(fā)酵，英、美、德、日、俄都已建成了許多大型沼氣發(fā)酵廠，如倫敦，每年可回收沼氣8800萬立方米。 氫能 生物柴油5、飼料工

9、業(yè)方面 隨著世界人口的不斷增加，人民生活的逐步提高可耕地的日益減少，動、植物蛋白的來源受到了限制，高質(zhì)量蛋白質(zhì)的不足已經(jīng)成為一個十分突出的問題。 微生物菌體中，蛋白質(zhì)含量占微生物菌體中，蛋白質(zhì)含量占4555(干物質(zhì)干物質(zhì))、所以用發(fā)酵、所以用發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)單細胞蛋白是工業(yè)生產(chǎn)單細胞蛋白是食品和飼料蛋白質(zhì)的重要來源。另外，藻類蛋白飼料藻類蛋白飼料也不可忽視，如前西德培養(yǎng)的珊列藻，每年每公頃所得蛋白比小麥多20一35倍。Cncnc-micro 一個 20 米直徑的水池年產(chǎn) 4 噸藻類，加工后可得相當于3000 升柴油的燃料。 一英畝三角大戟可生產(chǎn)相當于 50 噸石油的燃料。圖為生長在淡水和海水中的一

10、種硅藻6、冶金工業(yè)方面 細菌浸礦，即利用細菌的直接和間接作用對礦物或礦石中有用的金屬浸出回收的過程。 細菌浸出的金屬也涉及到Cu、U、Co、Ni、Mn、Zn、Pb等10余種，但大規(guī)模生產(chǎn)的只有銅和鈾(批量)。 目前，美、英、日、俄、澳、加加拿大等許多國家都在積極開展此項研究和生產(chǎn)。 美國用這種辦法得到的銅占銅產(chǎn)量的10以上，加拿大用細菌浸出的鈾(U308)年產(chǎn)量達230噸。 據(jù)世界20個礦山資料表明，每年用細菌浸出約銅達20萬噸。 抗病、殺蟲抗生素 單細胞蛋白 食用和藥用真菌 生物農(nóng)藥 生物肥料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用 微生物在對生物物質(zhì)的排泄物及尸體的分解起著重要的作用。 嫌氣發(fā)酵法：指在嫌氣情況

11、下利用分解碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪的微生物，將有機廢棄物分解為可溶性物質(zhì)，進而通過產(chǎn)酸菌和甲烷細菌的作用再分解為甲烷和CO2。 好氣發(fā)酵（活性污泥）法：指在曝氣情況下，用某些能降解有機物質(zhì)的產(chǎn)菌膠的細菌和某些原蟲的混合物(活性污泥)對工業(yè)或生活污水進行處理。 在環(huán)境保護中的應用 在化學工業(yè)和環(huán)境保護等方面，微生物工程也同樣能發(fā)揮獨持的作用，如：與化學法相結合，選育相應的優(yōu)良菌種，以乙烯和丙烯腈為原料，分別生產(chǎn)環(huán)氧乙烷、乙二醇等，利用微生物來處理工業(yè)廢水或含毒廢液，乃至構建超級細菌，處理大面積的海面石油污染等。 噴灑工程菌清除石油污染微生物與環(huán)保微生物處理腈綸廢水的塔式濾池二、 發(fā)酵工程及發(fā)酵工

12、業(yè)發(fā)酵工程定義 發(fā)酵工程是滲透有工程學的微生物學。 是利用微生物的特定性狀，通過現(xiàn)代化工程技術是利用微生物的特定性狀，通過現(xiàn)代化工程技術產(chǎn)生有用物質(zhì)或直接應用于工業(yè)化生產(chǎn)、以把糧產(chǎn)生有用物質(zhì)或直接應用于工業(yè)化生產(chǎn)、以把糧食、能源、化學制品、環(huán)境控制等全球性課題聯(lián)食、能源、化學制品、環(huán)境控制等全球性課題聯(lián)系起來的一種技術體系系起來的一種技術體系。 是將傳統(tǒng)發(fā)酵技術與DNA重組、細胞融合、分子修飾和改造等新技術結合并發(fā)展起來的現(xiàn)代發(fā)酵技術。利用微生物的特點 發(fā)酵工程所利用的微生物主要是細菌、放線菌，酵母菌和霉菌。 利用微生物的特點： (1)對周圍環(huán)境的溫度、壓強、滲透壓、酸堿度等條件有極大的適應能

13、力。 (2)有極強的消化能力。 (3)有極強的繁殖能力。 發(fā)酵工程組成 從廣義上講，由三部分組成： 上游工程、發(fā)酵工程、下游工程FERMENTATIONProcess ControlFermentation engineering上游工程上游工程UPSTREAM PROCESSES下游工程下游工程DOWNSTREAM PROCESSES發(fā)酵工程 原始材料：包括菌種，培養(yǎng)基的糖類，氮源及某些微量元素； 上游過程： (1)對菌種加以改造，提高生產(chǎn)能力或者導入外源基因等以獲得工程菌； (2)發(fā)酵或生物轉(zhuǎn)化，是通過優(yōu)化發(fā)酵條件如溫度、營養(yǎng)、供氣量等。利用工程菌的生物合成，加工和修飾等以獲得目的產(chǎn)物；

14、下游過程：是運用生物化學、物理學方法分離、純化產(chǎn)品，最終將產(chǎn)品推向市場并獲得社會或經(jīng)濟效益。 發(fā)酵工程Continuous centrifuges發(fā)酵工程研究內(nèi)容主要指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(1) 有嚴格的無菌生長環(huán)境： 包括發(fā)酵開始前采用高溫高壓對發(fā)酵原料和發(fā)酵罐以及各種連接管道進行滅菌的技術； 在發(fā)酵過程中不斷向發(fā)酵罐中通入干燥無菌空氣的空氣過濾技術；(2)在發(fā)酵過程中根據(jù)細胞生長要求控制加料速 度的計算機控制技術；(3)種子培養(yǎng)和生產(chǎn)培養(yǎng)的不同的工藝技術。(4)在進行任何大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵前，必須在實驗 室規(guī)模的小發(fā)酵罐進行大量的實驗，得到產(chǎn)物形成的動

15、力學模型，并根據(jù)這個模型設計中試的發(fā)酵要求，最后從中試數(shù)據(jù)再設計更大規(guī)模生產(chǎn)的動力學模型。(5) 由于生物反應的復雜性，在從實驗室到中試，從中試到大規(guī)模生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)許多問題，這就是發(fā)酵工程工藝放大問題。 發(fā)酵工程簡介發(fā)酵工程簡介應用發(fā)酵工程的生產(chǎn)實例發(fā)酵工程的概念和內(nèi)容發(fā) 酵 工 程的應用菌種的選育培養(yǎng)基的配制滅菌擴大培養(yǎng)和接種發(fā)酵過程和分離提純谷氨酸的微生物發(fā)酵法生產(chǎn)在醫(yī)藥工業(yè)上的應用在食品工業(yè)上的應用生產(chǎn)傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品，如啤酒、食醋等生產(chǎn)食品添加劑，如L-蘋果酸解決糧食短缺問題發(fā)酵工業(yè)一、定義 是指利用生物的生命活動產(chǎn)生的酶，無機或有機原料進行酶加工，獲得產(chǎn)品的工業(yè)。發(fā)酵工業(yè)的特征 發(fā)酵

16、過程中離不開微生物的作用1、發(fā)酵原料的選擇及預處理2、微生物菌種的選育及擴大培養(yǎng)3、發(fā)酵設備選擇及工藝條件控制： 常溫、常壓。種子擴大培養(yǎng)和發(fā)酵采用不同的工藝。4、發(fā)酵產(chǎn)物的分離提取5、發(fā)酵廢物的回收和利用(1)發(fā)酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他農(nóng)副產(chǎn)品為主，只要加入少量的有機和無機氮源就可進行反應?？梢岳脧U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。(2)微生物菌種是進行發(fā)酵的根本因素，通過變異和菌種選育，可以獲得高產(chǎn)的優(yōu)良菌株并使生產(chǎn)設備得到充分利用，也可以因此獲得按常規(guī)方法難以生產(chǎn)的產(chǎn)品。(3)發(fā)酵過程一般來說都是在常溫常壓下進行的生物化學反應，反應安全，要求條件簡單。(4)發(fā)

17、酵對雜菌的污染的防治至關重要。反應必需在無菌條件下進行。(5)由于生物體本身所具有的反應機制，能夠?qū)Ｒ坏睾透叨冗x擇性地對某些較為復雜的化合物進行特定部位地氧化、還原等化學轉(zhuǎn)化反應，也可以產(chǎn)生比較復雜的高分子化合物。(6)發(fā)酵過程是通過生物體的自動調(diào)節(jié)方式來完成的，反應的專一性強，因而可以得到較為單一的代謝產(chǎn)物。(7) 工業(yè)發(fā)酵與其他工業(yè)相比，投資少，見效快，并可以取得較顯著的經(jīng)濟效益。(8) 除利用微生物外，還可以用動植物細胞和酶，也可以用人工構建的遺傳工程菌進行反應。三 發(fā)酵方法的類別與流程 1、類別： 根據(jù)對氧的需要區(qū)分： 厭氧和有氧發(fā)酵 根據(jù)培養(yǎng)基物理性狀區(qū)分： 液體和固體發(fā)酵 根據(jù)從微

18、生物生長特性區(qū)分： 分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵2、發(fā)酵的流程空氣空氣凈化處理保藏菌種斜面活化擴大培養(yǎng)種子罐主發(fā)酵碳源、氮源、無機鹽等營養(yǎng)物質(zhì)滅菌產(chǎn)物分離純化成品2. 工業(yè)發(fā)酵步驟和工藝流程(1) 用作培養(yǎng)菌種及擴大生產(chǎn)的發(fā)酵罐的培養(yǎng)基的配制。(2) 培養(yǎng)基、發(fā)酵罐以及輔助設備的消毒滅菌。(3) 將已培養(yǎng)好的有活性的純菌株以一定量轉(zhuǎn)接到發(fā)酵罐中。(4) 將接種到發(fā)酵罐中的菌株控制在最適條件下生長并形成代謝產(chǎn)物。(5) 將產(chǎn)物抽提并進行精制，以得到合格的產(chǎn)品。(6) 回收或處理發(fā)酵過程中產(chǎn)生的廢物和廢水。菌種篩選菌種篩選搖瓶試驗搖瓶試驗發(fā)酵罐試驗發(fā)酵罐試驗純種培養(yǎng)純種培養(yǎng)2.1發(fā)酵原料的預處理原料不同處理

19、方法也有所差異。1. 淀粉利用前需變成糊精或葡萄糖。方法：酸水解（高壓、耐酸）、酶水解法2. 糖蜜加熱殺菌和用水沖稀，也可加酸處理后再補充無機鹽。3. 碳氫化合物：石油脫蠟一定餾分的石油經(jīng)冷卻脫蠟而獲得的凝固點在-10的油，加入適量無機鹽進行接種發(fā)酵。2.2菌種斜面培養(yǎng) 菌種：已有的優(yōu)良生產(chǎn)菌種和選育的新菌種。 方法：一般都是由保存于冷凍管及砂土管或冰箱中的斜面菌種開始，在正式使用前要先轉(zhuǎn)接到新鮮斜面培養(yǎng)基上活化后，再用于種子擴大培養(yǎng)。保存的菌種菌種活化種子擴大培養(yǎng)2.3 種子擴大培養(yǎng) 擴大培養(yǎng)的方法可以根據(jù)需要采用固體培養(yǎng)或液體培養(yǎng)兩級不同方式。 固體種子擴大培養(yǎng)一般采用傳統(tǒng)的制曲工藝，一般

20、先用克氏瓶或茄子瓶進行擴大，再轉(zhuǎn)接到曲盤擴大培養(yǎng)。 需氧微生物：將克氏瓶表面培養(yǎng)的菌種接到裝有液體培養(yǎng)基的三角瓶中，在搖床上振蕩培養(yǎng)。厭氧微生物：將有菌種的試管斜面或克氏瓶轉(zhuǎn)接到三角瓶液體培養(yǎng)基中靜置培養(yǎng)?？耸掀亢颓炎悠靠耸掀亢颓炎悠繐u床培養(yǎng)2.4 微生物發(fā)酵和控制 發(fā)酵方式可分為固體發(fā)酵和液體發(fā)酵兩種。 固體發(fā)酵：適合于傳統(tǒng)發(fā)酵工藝及鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)用來生產(chǎn)比較簡單的產(chǎn)品。 液體深層發(fā)酵：適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。 影響發(fā)酵的因素很多，如溫度、pH、通風、攪拌、罐壓力等等，必須適當?shù)乜刂朴绊懓l(fā)酵的各種條件，掌握發(fā)酵的動態(tài)，并進行雜菌的檢查和產(chǎn)物測定，使整個發(fā)酵過程順利進行。2.5 發(fā)酵產(chǎn)物的分離提取 利用菌體：離心沉淀或板框壓濾法使菌體與醪液分開，也可以用噴霧干燥法直接做成粉劑。 酒精發(fā)酵醪蒸餾塔蒸餾； 抗菌素及有機酸根據(jù)產(chǎn)物的不同特性，采用離子交換樹脂吸附處理、脫色過濾、減壓濃縮等方法提取精制。 獲得的產(chǎn)物都要按照有關部門制定的國家標準進行質(zhì)量檢驗和性能測定，符合要求后才為合格產(chǎn)品。四 我國發(fā)酵工業(yè)的科技進步 在20世紀60年代以前，輕工、食品領域的發(fā)酵工業(yè)主要由釀酒和釀造的產(chǎn)品組成。 至今，已形成了一個品種繁多，門類較齊全