發(fā)酵工程緒論課件

《發(fā)酵工程》課程內(nèi)容第一章緒論第二章工業(yè)微生物菌種選育、保藏及菌種擴(kuò)培第三章微生物的生長(zhǎng)代謝調(diào)節(jié)及發(fā)酵動(dòng)力學(xué)第四章發(fā)酵工業(yè)培養(yǎng)基及原料處理第五章發(fā)酵工程的滅菌及空氣除菌第六章發(fā)酵條件及工藝控制第七章發(fā)酵染菌及防治第八章發(fā)酵罐

第九章發(fā)酵產(chǎn)物的后處理（即下游加工）第十章現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)主要產(chǎn)品的工藝過(guò)程學(xué)習(xí)要求：理論與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合1、理論學(xué)習(xí)是前提2、實(shí)驗(yàn)基本技能操作能力是基礎(chǔ)3、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力是要求4、實(shí)驗(yàn)探索研究能力培養(yǎng)是目的思考：發(fā)酵工程與我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的關(guān)系？發(fā)酵產(chǎn)品與我們生活的關(guān)系？第一節(jié)發(fā)酵和發(fā)酵工程的涵義一、發(fā)酵的涵義二、發(fā)酵工程的概念一、發(fā)酵的涵義1、傳統(tǒng)發(fā)酵2、生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵3、工業(yè)上的發(fā)酵4、發(fā)酵的現(xiàn)代概念(p1)1、傳統(tǒng)發(fā)酵最初發(fā)酵是用來(lái)描述酵母菌作用于果汁或發(fā)芽谷物產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，或者是指酒的生產(chǎn)過(guò)程。2、生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵指微生物在無(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CO2的過(guò)程。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(guò)程。包括：1.厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過(guò)程。如酒精，乳酸等。2.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。產(chǎn)品有細(xì)胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細(xì)胞、酶等。4、發(fā)酵的現(xiàn)代概念利用微生物在有氧或無(wú)氧條件下的生命活動(dòng)來(lái)制備微生物菌體或其代謝產(chǎn)物的過(guò)程，統(tǒng)稱為發(fā)酵。二、發(fā)酵工程（一）發(fā)酵工程的概念發(fā)酵工程是利用微生物生長(zhǎng)與代謝活動(dòng)，通過(guò)現(xiàn)代工程技術(shù)手段進(jìn)行工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的技術(shù)。由于它以培養(yǎng)微生物（發(fā)酵）為主，所以習(xí)慣上也稱為微生物工程。即利用微生物發(fā)酵過(guò)程來(lái)生產(chǎn)產(chǎn)品。（P1）（二）發(fā)酵工程技術(shù)的特點(diǎn)主要指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細(xì)胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù)。(1)發(fā)酵工程主體微生物的特點(diǎn)(2)發(fā)酵工程技術(shù)的特點(diǎn)(3)發(fā)酵工程反應(yīng)過(guò)程的特點(diǎn)（p2）發(fā)酵已經(jīng)從過(guò)去簡(jiǎn)單的生產(chǎn)酒精類飲料、生產(chǎn)醋酸和發(fā)酵面包發(fā)展到今天成為生物工程的一個(gè)極其重要的分支，成為一個(gè)包括了微生物學(xué)、化學(xué)工程、基因工程、細(xì)胞工程、機(jī)械工程和計(jì)算機(jī)軟硬件工程的一個(gè)多學(xué)科工程。（三）發(fā)酵工程產(chǎn)品的類型酒精類飲料、醋酸和面包，而且生產(chǎn)胰島素、干擾素、生長(zhǎng)激素、抗生素和疫苗等多種食品、醫(yī)療保健藥物；天然殺蟲(chóng)劑、細(xì)菌肥料和微生物除草劑等農(nóng)用生產(chǎn)資料；氨基酸、香料、生物高分子、酶以及維生素；單細(xì)胞蛋白等微生物菌體。生物能微生物冶煉（p3）第二節(jié)發(fā)酵工程的發(fā)展簡(jiǎn)史

（p7-12）一、自然發(fā)酵時(shí)期（傳統(tǒng)發(fā)酵時(shí)期）二、近代發(fā)酵工程時(shí)期純培養(yǎng)技術(shù)的建立：巴斯德，科赫等。人為地控制微生物的發(fā)酵進(jìn)程。通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立：青霉素的生產(chǎn)——深層培養(yǎng)代謝控制發(fā)酵技術(shù)：微生物進(jìn)行甾體化合物的轉(zhuǎn)化，Glu和Lys發(fā)酵生產(chǎn)。三、現(xiàn)代發(fā)酵工程時(shí)期——基因工程階段

采用酶學(xué)的方法，將不同來(lái)源的DNA進(jìn)行體外重組，再把重組DNA設(shè)法轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞內(nèi)，并進(jìn)行繁殖和遺傳下去。人們能夠根據(jù)自己的意愿將微生物以外的基因件導(dǎo)入微生物細(xì)胞中，從而達(dá)到定向地改變生物性狀與功能創(chuàng)新的物種，使發(fā)酵工業(yè)能夠生產(chǎn)出自然界微生物所不能合成的產(chǎn)物。現(xiàn)代生物技術(shù)特別是基因工程賦予發(fā)酵工程新的生命力，現(xiàn)代發(fā)酵工程產(chǎn)品種類不斷增加，是方興未艾的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，。它不但為人類提供所需的產(chǎn)品、在農(nóng)業(yè)、化工原料等行業(yè)的應(yīng)用中顯示巨大的潛力，并且隨著現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用將為人類創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟(jì)效益。第三節(jié)發(fā)酵工程的基本內(nèi)容一、發(fā)酵工程的特征二、發(fā)酵工程研究的主要內(nèi)容三、獲得發(fā)酵產(chǎn)品的條件一、發(fā)酵工程的特征

（p13）1、原料：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(jī)和無(wú)機(jī)氮源就可進(jìn)行反應(yīng)?？梢岳脧U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。2、菌種：微生物菌種是進(jìn)行發(fā)酵的根本因素，通過(guò)變異和菌種選育，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。6、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)的專一性強(qiáng)，因而可以得到較為單一的代謝產(chǎn)物。7、特點(diǎn)：工業(yè)發(fā)酵與其他工業(yè)相比，投資少，見(jiàn)效快，并可以取得較顯著的經(jīng)濟(jì)效益。8、除利用微生物外，還可以用動(dòng)植物細(xì)胞和酶，也可以用人工構(gòu)建的遺傳工程菌進(jìn)行反應(yīng)。二、發(fā)酵工程研究的主要內(nèi)容1、工業(yè)生產(chǎn)菌種的選育。2、最佳發(fā)酵條件的選擇和控制。3、生化反應(yīng)器（發(fā)酵罐）的設(shè)計(jì)。4、產(chǎn)品的分離、提取及精制等過(guò)程。發(fā)酵工程的內(nèi)容是隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷擴(kuò)大和充實(shí)的。微生物產(chǎn)物：微生物細(xì)胞、酶、藥物活性物質(zhì)、特殊化學(xué)物質(zhì)和食品添加劑1、生產(chǎn)微生物細(xì)胞物質(zhì)是以獲得具有多種用途的微生物菌體細(xì)胞為目的的產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè)。包括：?jiǎn)渭?xì)胞的酵母和藻類、擔(dān)子菌，生物防治的蘇云金桿菌以及人、畜防治疾病用的疫苗等。特點(diǎn)：細(xì)胞的生長(zhǎng)與產(chǎn)物積累成平行關(guān)系，生長(zhǎng)速率最大時(shí)期也是產(chǎn)物合成速率最高階段，生長(zhǎng)穩(wěn)定期產(chǎn)量最高。2、微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵包括初級(jí)代謝產(chǎn)物、中間代謝產(chǎn)物和次級(jí)代謝產(chǎn)物。對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期形成的產(chǎn)物是細(xì)胞自身生長(zhǎng)所必需的，稱為初級(jí)代謝產(chǎn)物或中間代謝產(chǎn)物。各種次級(jí)代謝產(chǎn)物都是在微生物生長(zhǎng)緩慢或停止生長(zhǎng)時(shí)期即穩(wěn)定期所產(chǎn)生的，來(lái)自于中間代謝產(chǎn)物和初級(jí)代謝產(chǎn)物。3、微生物酶發(fā)酵酶的特點(diǎn)：易于工業(yè)化生產(chǎn)，便于改善工藝提高產(chǎn)量。分類：胞內(nèi)酶和胞外酶生物合成特點(diǎn)：需要誘導(dǎo)作用，或遭受阻遏、抑制等調(diào)控作用的影響，在菌種選育、培養(yǎng)基配制以及發(fā)酵條件等方面需給予注意。4、微生物的生物轉(zhuǎn)化定義：是利用生物細(xì)胞對(duì)一些化合物某一特定部位（基團(tuán)）的作用，使它轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)相類似但具有更大經(jīng)濟(jì)價(jià)值的化合物。生物轉(zhuǎn)化的最終產(chǎn)物不是微生物細(xì)胞利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝產(chǎn)生的，而是微生物細(xì)胞的酶或酶系作用于底物某一特定部位，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而形成的。生長(zhǎng)細(xì)胞、靜止?fàn)I養(yǎng)細(xì)胞、孢子或干細(xì)胞均能進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化。特點(diǎn)：特異性強(qiáng)（反應(yīng)特異性、結(jié)構(gòu)位置特異性、立體特異性）。5、微生物特殊機(jī)能的利用利用微生物消除環(huán)境污染利用微生物發(fā)酵保持生態(tài)平衡

★生物固氮代替化學(xué)肥料★微生物殺蟲(chóng)劑代替化學(xué)農(nóng)藥★培育和創(chuàng)造能在惡劣條件下生長(zhǎng)，并且能抗病蟲(chóng)害和草害的農(nóng)作物新品種★為人類提供動(dòng)物蛋白微生物濕法冶金利用基因工程菌株開(kāi)拓發(fā)酵工程新領(lǐng)域第五節(jié)發(fā)酵類型與流程（p25）一、類型根據(jù)對(duì)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)發(fā)酵位置是表面或深層區(qū)分：表面發(fā)酵和深層發(fā)酵根據(jù)發(fā)酵是間歇或連續(xù)區(qū)分：分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵根據(jù)所用菌種是單一或多種區(qū)分：?jiǎn)我患兎N發(fā)酵和混合發(fā)酵二、發(fā)酵的流程（有氧）空氣空氣凈化處理保藏菌種斜面活化擴(kuò)大培養(yǎng)種子罐主發(fā)酵碳源、氮源、無(wú)機(jī)鹽等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)滅菌產(chǎn)物分離純化成品三、工業(yè)發(fā)酵步驟和工藝流程1、培養(yǎng)基的配制：用于培養(yǎng)菌種及擴(kuò)大的發(fā)酵罐生產(chǎn)。2、消毒滅菌：培養(yǎng)基、發(fā)酵罐以及輔助設(shè)備的滅菌。3、接種：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、發(fā)酵過(guò)程控制：將接種到發(fā)酵罐中的菌株控制在最適條件下生長(zhǎng)并形成代謝產(chǎn)物。5、產(chǎn)物后處理：將產(chǎn)物抽提并進(jìn)行精制，以得到合格的產(chǎn)品。6、廢物處理：回收或處理發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的廢物和廢水。菌種篩選搖瓶試驗(yàn)發(fā)酵罐試驗(yàn)工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)的基本流程（好氧發(fā)酵）

（一）發(fā)酵原料的預(yù)處理原料不同處理方法也有所差異。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(bǔ)充無(wú)機(jī)鹽3.碳?xì)浠衔铮菏兔撓灐欢s分的石油經(jīng)冷卻脫蠟而獲得的凝固點(diǎn)在-10℃的油，加入適量無(wú)機(jī)鹽進(jìn)行接種發(fā)酵（二）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(kāi)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(kuò)大培養(yǎng)。（三）種子擴(kuò)大培養(yǎng)擴(kuò)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(jí)不同方式。固體種子擴(kuò)大培養(yǎng)一般采用傳統(tǒng)的制曲工藝，一般先用克氏瓶進(jìn)行擴(kuò)大，再轉(zhuǎn)接到曲盤(pán)擴(kuò)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)。（四）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(lái)生產(chǎn)比較簡(jiǎn)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(fēng)、攪拌、罐壓力等等，必須適當(dāng)?shù)乜刂朴绊懓l(fā)酵的各種條件，掌握發(fā)酵的動(dòng)態(tài)，并進(jìn)行雜菌的檢查和產(chǎn)物測(cè)定，使整個(gè)發(fā)酵過(guò)程順利進(jìn)行。（五）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(kāi)，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(jī)酸——根據(jù)產(chǎn)物的不同特性，采用離子交換樹(shù)脂吸附處理、脫色過(guò)濾、減壓濃縮等方法提取精制。獲得的產(chǎn)物都要按照有關(guān)部門(mén)制定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)和性能測(cè)定，符合要求后才為合格產(chǎn)品。第六節(jié)發(fā)酵工程的應(yīng)用

發(fā)酵工業(yè)是一種以高科技含量為特征的新型工業(yè)，近年來(lái)特別是90年代以來(lái)，行業(yè)的迅速發(fā)展已經(jīng)使其在食品工業(yè)中占有重要地位。其中味精、檸檬酸、酶制劑、酵母、淀粉糖等產(chǎn)量逐年遞增，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位和作用。（p3）發(fā)酵工業(yè)簡(jiǎn)介發(fā)酵食品有機(jī)酸氨基酸核酸類物質(zhì)酶制劑醫(yī)藥工業(yè)（抗生素…）飼料工業(yè)（單細(xì)胞蛋白環(huán)境工程（廢物處理）其它（冶金工業(yè)…）

FermentationIndustry

FermentedFoodsOrganicAcidsAminoAcidsNucleotidesEnzymesPharmaceutical(Antibiotics…)Feedstuff(eg.SCP)EnvironmentalApplication(WasteTreatment)Others(eg.Metallurgicalindustry)1、發(fā)酵工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用生物農(nóng)藥：微生物殺蟲(chóng)劑、防治植物病害微生物食品加工：?jiǎn)渭?xì)胞蛋白含醇飲料：葡萄酒、啤酒、果酒、白酒等發(fā)酵乳制品：酸奶、乳酪、奶酒等調(diào)味品和發(fā)酵食品：味精、肌苷酸、鳥(niǎo)苷酸、醬等甜味劑：葡萄糖、麥芽糖等食品添加劑：面包酵母、檸檬酸、色素、維生素等食品檢驗(yàn)：食品免疫檢驗(yàn)方法可檢測(cè)含量極低的微量殘留物、真菌毒素、抗生素、激素、細(xì)菌毒素等2、發(fā)酵工程在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用維生素：B2、B12、2-酮基-古龍酸等氨基酸：谷氨酸、丙氨酸、精氨酸等甾體激素：可的松、氫化可的松、膚輕松等生物制品：疫苗、菌苗、類毒素、含抗體的制品等治療用酶：蛋白酶、核酸酶、脂肪酶等酶抑制劑：膽固醇抑制劑作為治療高血壓、高血脂的藥物其他：肌苷、輔酶A可治療心臟病、白血病、血小板下降，肝病等3、發(fā)酵工程在輕工業(yè)中的應(yīng)用

由微生物可生產(chǎn)出許多種可用于輕工業(yè)加工的酶，如：蛋白酶、果膠酶、脂肪酶、凝乳酶、過(guò)氧化氫酶、淀粉酶、氨基酰化酶等。4、發(fā)酵工程在化工能源產(chǎn)品中的應(yīng)用醇及溶劑：乙醇、甘油、異丙醇、丁醇等有機(jī)酸：醋酸、丙酸、乳酸、蘋(píng)果酸等多糖：右旋糖酐、黃原膠、海藻酸等烷烴：甲烷清潔能源：氫氣、微生物燃料電池藻類產(chǎn)油5、發(fā)酵工程在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用生物農(nóng)藥：微生物殺蟲(chóng)劑、防治植物病害微生物生物除草劑生物增產(chǎn)劑食用菌和藥用真菌6、發(fā)酵工程在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用厭氣發(fā)酵法：沼氣發(fā)酵、飼料發(fā)酵、肥料發(fā)酵好氣發(fā)酵法：廢水、廢氣的處理7、發(fā)酵工程在細(xì)菌冶金中的應(yīng)用

利用氧化亞鐵硫桿菌等自養(yǎng)細(xì)菌把亞鐵氧化為高鐵，把硫或低價(jià)硫化物氧化為硫酸的能力，將含硫金屬礦石中的金屬離子形成硫酸鹽而釋放出來(lái)。用此法浸出的金屬有銅、鋅、鉛、鈷、鈾、金等。8、發(fā)酵工程在高技術(shù)研究中的應(yīng)用

為基因工程提供質(zhì)粒、病毒載體，限制性內(nèi)切酶、連接酶、磷酸酶等；為醫(yī)學(xué)診斷提供生物傳感器（DNA芯片、酶）等。第七節(jié)發(fā)酵工業(yè)的展望利用遺傳工程等先進(jìn)技術(shù)，人工選育和改良菌種采用發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行高等動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)固定化技術(shù)廣泛應(yīng)用開(kāi)發(fā)和采用大型節(jié)能高效的發(fā)酵裝置，自動(dòng)控制將成為發(fā)酵生產(chǎn)控制的主要手段應(yīng)用代謝控制技術(shù)，發(fā)酵生產(chǎn)氨基酸將生物技術(shù)理廣泛地用于環(huán)境工程第八節(jié)發(fā)酵工程的課程任務(wù)和內(nèi)容1、任務(wù)

深入理解嫌氣發(fā)酵和好氣發(fā)酵有關(guān)的工藝原理，懂得應(yīng)用這些基本理論去分析和解決發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中的具體問(wèn)題，使生產(chǎn)過(guò)程更好的符合客觀規(guī)律，進(jìn)一步提高發(fā)酵產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)率。同時(shí)初步具有選育優(yōu)良菌種，合理控制發(fā)酵條件和調(diào)節(jié)代謝途徑，增加前體或抑制劑，提高某些系統(tǒng)酶系的酶活，使生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)化、自動(dòng)化。探求新工藝、新設(shè)備和從事發(fā)酵工程研究和設(shè)計(jì)的能力。2、內(nèi)容本期將從以下四個(gè)方面介紹：1、發(fā)酵工程原理：