發(fā)酵工程發(fā)酵工程概述課件

第三章發(fā)酵工程第三章發(fā)酵工程1第一節(jié)發(fā)酵工程概述一、發(fā)酵工程的概念發(fā)酵工程是生物技術(shù)的重要組成部分，是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要環(huán)節(jié)它將微生物學(xué)、生物化學(xué)和化學(xué)工程學(xué)的基本原理有機(jī)地結(jié)合起來，是一門利用微生物的生長和代謝活動來生產(chǎn)各種有用物質(zhì)的工程技術(shù)。由于它以培養(yǎng)微生物為主，所以又稱微生物工程。人們把利用微生物在有氧或無氧條件下的生命活動來制備微生物菌體或其代謝產(chǎn)物的過程統(tǒng)稱為發(fā)酵。第一節(jié)發(fā)酵工程概述一、發(fā)酵工程的概念2第一節(jié)發(fā)酵工程概述一、發(fā)酵工程的概念現(xiàn)代的發(fā)酵工程不僅包括包括菌體生產(chǎn)和代謝產(chǎn)物的發(fā)酵生產(chǎn)，還包括微生物機(jī)能的利用。其主要內(nèi)容包括生產(chǎn)菌種的選育，發(fā)酵條件的優(yōu)化與控制，反應(yīng)器的設(shè)計及產(chǎn)物的分離、提取與精制等。第一節(jié)發(fā)酵工程概述一、發(fā)酵工程的概念3第一節(jié)發(fā)酵工程概述二、發(fā)酵類型（一）微生物菌體發(fā)酵是以獲得具有某種用途的菌體為目的的發(fā)酵。傳統(tǒng)的菌體發(fā)酵工業(yè)：有用于面包制作的酵母發(fā)酵及用于人類或動物食品的微生物菌體蛋白（單細(xì)胞蛋白）發(fā)酵兩種類型。新的菌體發(fā)酵可用來生產(chǎn)一些藥用真菌藥用真菌可以通過發(fā)酵培養(yǎng)的手段來生產(chǎn)出與天然產(chǎn)品具有同等療效的產(chǎn)物。有的微生物菌體還可用作生物防治劑第一節(jié)發(fā)酵工程概述二、發(fā)酵類型4發(fā)酵工程發(fā)酵工程概述課件5第一節(jié)發(fā)酵工程概述（二）微生物酶發(fā)酵（三）微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵（四）微生物的轉(zhuǎn)化發(fā)酵微生物轉(zhuǎn)化是利用微生物細(xì)胞的一種或多種酶，把一種化合物轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)相關(guān)的更有經(jīng)濟(jì)價值的產(chǎn)物?？蛇M(jìn)行的轉(zhuǎn)化反應(yīng)包括：脫氫反應(yīng)、氧化反應(yīng)、脫水反應(yīng)、縮合反應(yīng)、脫梭反應(yīng)、氨化反應(yīng)、脫氨反應(yīng)和異構(gòu)化反應(yīng)等。第一節(jié)發(fā)酵工程概述（二）微生物酶發(fā)酵6第一節(jié)發(fā)酵工程概述（五）生物工程細(xì)胞的發(fā)酵是指利用生物工程技術(shù)所獲得的細(xì)胞，如DNA重組的“工程菌”及細(xì)胞融合所得的“雜交”細(xì)胞等進(jìn)行培養(yǎng)的新型發(fā)酵，其產(chǎn)物多種多樣。第一節(jié)發(fā)酵工程概述（五）生物工程細(xì)胞的發(fā)酵7第一節(jié)發(fā)酵工程概述三、發(fā)酵技術(shù)的特點及應(yīng)用①發(fā)酵過程以生物體的自動調(diào)節(jié)方式進(jìn)行，數(shù)十個反應(yīng)過程能夠在發(fā)酵設(shè)備中一次完成。②反應(yīng)通常在常溫常壓下進(jìn)行，條件溫和，能耗少，設(shè)備較簡單。③原料通常以糖蜜、淀粉等碳水化合物為主，可以是農(nóng)副產(chǎn)品、工業(yè)廢水或可再生資源（植物秸桿、木屑等），微生物本身能有選擇地攝取所需物質(zhì)。④容易生產(chǎn)復(fù)雜的高分子化合物，能高度選擇地在復(fù)雜化合物的特定部位進(jìn)行氧化、還原、官能團(tuán)引人或去除等反應(yīng)。⑤發(fā)酵過程中需要防止雜菌污染，設(shè)備需要進(jìn)行嚴(yán)格的沖洗、滅菌；空氣需要過濾等。應(yīng)用：①醫(yī)藥工業(yè)。用于生產(chǎn)抗生素、維生素等常用藥物和人胰島素、乙肝疫苗、干擾素、透明質(zhì)酸等新藥。②食品工業(yè)。用于微生物蛋白、氨基酸、新糖源、飲料、酒類和一些食品添加劑（檸檬酸、乳酸、天然色素等）的生產(chǎn)。③能源工業(yè)。通過微生物發(fā)酵，可將綠色植物的秸桿、木屑、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等廢棄物轉(zhuǎn)化為液體或氣體燃料（酒精或沼氣），還可利用微生物采油、產(chǎn)氫、產(chǎn)石油以及制成微生物電池。④化學(xué)工業(yè)。用于生產(chǎn)可降解的生物塑料、化工原料（乙醇、丙酮、丁醇和癸二酸等）和一些生物表面活性劑及生物凝集劑。⑤冶金工業(yè)。微生物可用于黃金開采和銅、鋼等金屬的浸提。⑥農(nóng)業(yè)。用于生物固氮、生產(chǎn)生物殺蟲劑及微生物飼料，為農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的增產(chǎn)發(fā)揮了巨大作用。⑦環(huán)境保護(hù)。可用微生物來凈化有毒的高分子化合物，降解海上浮油，清除有毒氣體和惡臭物質(zhì)以及處理有機(jī)廢水、廢渣等。第一節(jié)發(fā)酵工程概述三、發(fā)酵技術(shù)的特點及應(yīng)用8第二節(jié)微生物發(fā)酵過程微生物發(fā)酵過程即微生物反應(yīng)過程，是指微生物在生長繁殖過程中所引起的生化反應(yīng)過程。根據(jù)微生物的種類不同（好氧、厭氧、兼性厭氧），可以分為好氧性發(fā)酵和厭氧性發(fā)酵兩大類。第二節(jié)微生物發(fā)酵過程微生物發(fā)酵過程即微生物反應(yīng)過程，是指9第二節(jié)微生物發(fā)酵過程按照設(shè)備來分，發(fā)酵又可分為敞口發(fā)酵、密閉發(fā)酵、淺盤發(fā)酵和深層發(fā)酵。液體深層發(fā)酵優(yōu)點：①液體懸浮狀態(tài)是很多微生物的最適生長環(huán)境。②在液體中，菌體及營養(yǎng)物、產(chǎn)物（包括熱量）易于擴(kuò)散，使發(fā)酵可在均質(zhì)或擬均質(zhì)條件下進(jìn)行，便于控制，易于擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。③液體輸送方便，易于機(jī)械化操作。④廠房面積小，生產(chǎn)效率高，易進(jìn)行自動化控制，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。⑤產(chǎn)品易于提取、精制等。第二節(jié)微生物發(fā)酵過程按照設(shè)備來分，發(fā)酵又可分為敞口發(fā)酵、10第二節(jié)微生物發(fā)酵過程一、工業(yè)生產(chǎn)常用微生物工業(yè)生產(chǎn)上常用的微生物主要是細(xì)菌、放線菌、酵母菌和霉菌，由于發(fā)酵工程本身的發(fā)展以及遺傳工程的介人，藻類、病毒等也正在逐步地變?yōu)楣I(yè)生產(chǎn)用的微生物。第二節(jié)微生物發(fā)酵過程一、工業(yè)生產(chǎn)常用微生物11第二節(jié)微生物發(fā)酵過程二、培養(yǎng)基（一）培養(yǎng)基的種類①孢子培養(yǎng)基：是供制備孢子用的。②種子培養(yǎng)基：是供孢子發(fā)芽和菌體生長繁殖用的。③發(fā)酵培養(yǎng)基：是供菌體生長繁殖和合成大量代謝產(chǎn)物用的。第二節(jié)微生物發(fā)酵過程二、培養(yǎng)基12第二節(jié)微生物發(fā)酵過程二、培養(yǎng)基（二）發(fā)酵培養(yǎng)基的組成1.碳源2.氮源3.無機(jī)鹽和微量元素4.生長因子5.水6.產(chǎn)物形成的誘導(dǎo)物、前體和促進(jìn)劑許多胞外酶的合成需要適當(dāng)?shù)恼T導(dǎo)物存在。第二節(jié)微生物發(fā)酵過程二、培養(yǎng)基13第二節(jié)微生物發(fā)酵過程三、發(fā)酵的一般過程（一）菌種（二）種子擴(kuò)大培養(yǎng)種子擴(kuò)大培養(yǎng)是指將保存在砂土管、冷凍干燥管或冰箱中處于休眠狀態(tài)的生產(chǎn)菌種接入試管斜面活化后，再經(jīng)過茄子瓶或搖瓶及種子罐逐級擴(kuò)大培養(yǎng)，獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種的過程。這些純種培養(yǎng)物稱為種子第二節(jié)微生物發(fā)酵過程三、發(fā)酵的一般過程14發(fā)酵工程發(fā)酵工程概述課件15種子擴(kuò)大培養(yǎng)流程圖1．砂土孢子；2.冷凍孢子；3.斜面孢子；4.搖瓶液體培養(yǎng)（菌絲體）；5.茄子瓶斜面培養(yǎng)；6.固體培養(yǎng)基培養(yǎng)；7、8.種子罐培養(yǎng)；9.發(fā)酵罐培養(yǎng)種子擴(kuò)大培養(yǎng)流程圖16第二節(jié)微生物發(fā)酵過程（三）發(fā)酵所用的培養(yǎng)基和培養(yǎng)設(shè)備都必須經(jīng)過滅菌，通入的空氣或中途的補(bǔ)料都是無菌的，轉(zhuǎn)移種子也要采用無菌接種技術(shù)。通常利用飽和蒸汽對培養(yǎng)基進(jìn)行滅菌，滅菌條件是在120℃（約0.1MPa表壓）維持20~30min。（四）下游處理第二節(jié)微生物發(fā)酵過程（三）發(fā)酵17第三節(jié)液體深層發(fā)酵一、深層發(fā)酵的操作方式（一）分批發(fā)酵根據(jù)不同發(fā)酵類型，每批發(fā)酵需要十幾個小時到幾周時間。其全過程包括空罐滅菌、加入滅過菌的培養(yǎng)基、接種、培養(yǎng)的誘導(dǎo)期、發(fā)酵過程、放罐和洗罐，所需時間的總和為一個發(fā)酵周期。分批培養(yǎng)系統(tǒng)屬于封閉系統(tǒng)，只能在一段有限的時間內(nèi)維持微生物的增殖，微生物處在限制性條件下的生長，表現(xiàn)出典型的生長周期第三節(jié)液體深層發(fā)酵一、深層發(fā)酵的操作方式18典型的分批發(fā)酵工藝流程圖典型的分批發(fā)酵工藝流程圖19微生物分批生長的生長曲線1.延滯期；2.加速生長期；3.指數(shù)生長期；4.減速期；5.穩(wěn)定期；6.衰亡期微生物分批生長的生長曲線20第三節(jié)液體深層發(fā)酵一、深層發(fā)酵的操作方式（二）連續(xù)發(fā)酵所謂連續(xù)發(fā)酵，是指以一定的速度向發(fā)酵罐內(nèi)添加新鮮培養(yǎng)基，同時以相同的速度流出培養(yǎng)液，從而使發(fā)酵罐內(nèi)的液量維持恒定，微生物在穩(wěn)定狀態(tài)下生長。穩(wěn)定狀態(tài)可以有效地延長分批培養(yǎng)中的對數(shù)期。在穩(wěn)定的狀態(tài)下，微生物所處的環(huán)境條件，如營養(yǎng)物濃度、產(chǎn)物濃度、PH值等都能保持恒定，微生物細(xì)胞的濃度及其生長速率也可維持不變，甚至還可以根據(jù)需要來調(diào)節(jié)生長速度。第三節(jié)液體深層發(fā)酵一、深層發(fā)酵的操作方式21第三節(jié)液體深層發(fā)酵一、深層發(fā)酵的操作方式（二）連續(xù)發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵使用的反應(yīng)器可以是攪拌罐式反應(yīng)器，也可以是管式反應(yīng)器第三節(jié)液體深層發(fā)酵一、深層發(fā)酵的操作方式22管式連續(xù)發(fā)酵1.管式反應(yīng)器；2.種子罐管式連續(xù)發(fā)酵1.管式反應(yīng)器；2.種子罐23第三節(jié)液體深層發(fā)酵一、深層發(fā)酵的操作方式（二）連續(xù)發(fā)酵優(yōu)點：①可以維持穩(wěn)定的操作條件，有利于微生物的生長代謝，從而使產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量也相應(yīng)保持穩(wěn)定；②能夠更有效地實現(xiàn)機(jī)械化和自動化，降低勞動強(qiáng)度，減少操作人員與病原微生物和毒性產(chǎn)物接觸的機(jī)會；③減少設(shè)備清洗、準(zhǔn)備和滅菌等非生產(chǎn)占用時間，提高設(shè)備利用率，節(jié)省勞動力和工時；④由于滅菌次數(shù)減少，使測量儀器探頭的壽命得以延長；⑤容易對過程進(jìn)行優(yōu)化，有效地提高發(fā)酵產(chǎn)率。第三節(jié)液體深層發(fā)酵一、深層發(fā)酵的操作方式24第三節(jié)液體深層發(fā)酵一、深層發(fā)酵的操作方式（二）連續(xù)發(fā)酵缺點：①由于是開放系統(tǒng)，加上發(fā)酵周期長，容易造成雜菌污染；②在長周期連續(xù)發(fā)酵中，微生物容易發(fā)生變異；③對設(shè)備、儀器及控制元器件的技術(shù)要求較高；④粘性絲狀菌菌體容易附著在器皿壁上生長和在發(fā)酵液內(nèi)結(jié)團(tuán)，給連續(xù)發(fā)酵操作帶來困難。第三節(jié)液體深層發(fā)酵一、深層發(fā)酵的操作方式25第三節(jié)液體深層發(fā)酵一、深層發(fā)酵的操作方式（三）補(bǔ)料分批發(fā)酵補(bǔ)料分批發(fā)酵又稱半連續(xù)發(fā)酵，是介于分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵之間的一種發(fā)酵技術(shù)，是指在微生物分批發(fā)酵中，以某種方式向培養(yǎng)系統(tǒng)補(bǔ)加一定物料的培養(yǎng)技術(shù)。通過向培養(yǎng)基系統(tǒng)中補(bǔ)充物料，可以使培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物濃度較長時間地保持在一定范圍內(nèi)，既保證微生物的生長需要，又不造成不利影響，從而達(dá)到提高產(chǎn)率的目的。第三節(jié)液體深層發(fā)酵一、深層發(fā)酵的操作方式26第三節(jié)液體深層發(fā)酵一、深層發(fā)酵的操作方式（三）補(bǔ)料分批發(fā)酵補(bǔ)料分批發(fā)酵可以分為兩種類型：單一補(bǔ)料分批發(fā)酵和反復(fù)補(bǔ)料分批發(fā)酵補(bǔ)料分批發(fā)酵作為分批發(fā)酵向連續(xù)發(fā)酵的過渡，兼有兩者之優(yōu)點首先它可以解除營養(yǎng)物基質(zhì)的抑制。還可以減少菌體生成量，提高有用產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率。與連續(xù)發(fā)酵相比，它不會產(chǎn)生菌種老化和變異問題，其適用范圍也比連續(xù)發(fā)酵廣。第三節(jié)液體深層發(fā)酵一、深層發(fā)酵的操作方式27第三節(jié)液體深層發(fā)酵二、發(fā)酵工藝控制（一）溫度（二）PH值（三）溶解氧濃度第三節(jié)液體深層發(fā)酵二、發(fā)酵工藝控制28第三節(jié)液體深層發(fā)酵三、發(fā)酵設(shè)備（一）機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐1.通用式發(fā)酵罐第三節(jié)液體深層發(fā)酵三、發(fā)酵設(shè)備29第三節(jié)液體深層發(fā)酵2.自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐罐體的結(jié)構(gòu)大致上與通用式發(fā)酵罐相同，主要區(qū)別在于攪拌器的形狀和結(jié)構(gòu)不同。自吸式發(fā)酵罐使用的是帶中央吸氣口的攪拌器。第三節(jié)液體深層發(fā)酵2.自吸式發(fā)酵罐30第三節(jié)液體深層發(fā)酵（二）通風(fēng)攪拌式發(fā)酵罐常用的有循環(huán)式通風(fēng)發(fā)酵罐和高位塔式發(fā)酵罐循環(huán)式通風(fēng)發(fā)酵罐優(yōu)點：①發(fā)酵罐內(nèi)沒有攪拌裝置，結(jié)構(gòu)簡單，清洗方便，加廠容易；②由于取消了攪拌用的電機(jī)，而通風(fēng)量與通用式發(fā)酵罐大致相等，所以動力消耗有很大降低。第三節(jié)液體深層發(fā)酵（二）通風(fēng)攪拌式發(fā)酵罐31第三節(jié)液體深層發(fā)酵（三）厭氧發(fā)酵設(shè)備設(shè)備和工藝都較好氧發(fā)酵簡單。嚴(yán)格的厭氧液體深層發(fā)酵的主要特色是排除發(fā)酵罐中的氧。厭氧發(fā)酵需使用大劑量接種性的厭氧發(fā)酵設(shè)備如酒精發(fā)酵罐和用于啤酒生產(chǎn)的錐底立式發(fā)酵罐第三節(jié)液體深層發(fā)酵（三）厭氧發(fā)酵設(shè)備32

酒精發(fā)酵罐錐底立式發(fā)酵罐酒精發(fā)酵罐33第三節(jié)液體深層發(fā)酵四、下游加工過程（一）發(fā)酵液預(yù)處理和固液分離（二）提取（三）精制（四）成品加工第三節(jié)液體深層發(fā)酵四、下游加工過程34發(fā)酵工程發(fā)酵工程概述課件35第四節(jié)固體發(fā)酵固體發(fā)酵所用原料一般為經(jīng)濟(jì)易得、富含營養(yǎng)物質(zhì)的工農(nóng)業(yè)中的副、廢產(chǎn)品，如鼓皮、薯粉、大豆餅粉、高梁、玉米粉等。一般過程為：將原料預(yù)加工后再經(jīng)蒸煮滅菌，然后制成含一定水分的固體物料，接入預(yù)先培養(yǎng)好的菌種，進(jìn)行發(fā)酵。發(fā)酵成熟后要適時出料，并進(jìn)行適當(dāng)處理，或進(jìn)行產(chǎn)物的提取。固體發(fā)酵所需設(shè)備簡單，操作容易，并可因陋就簡、因地制宜地利用一些來源豐富的工農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品第四節(jié)固體發(fā)酵固體發(fā)酵所用原料一般為經(jīng)濟(jì)易得、富含營養(yǎng)物36發(fā)酵工程發(fā)酵工程概述課件37第五節(jié)典型產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)一、抗生素發(fā)酵生產(chǎn)（一）青霉素發(fā)酵生產(chǎn)菌株（二）青霉素發(fā)酵生產(chǎn)培養(yǎng)基碳源氮源前體無機(jī)鹽

第五節(jié)典型產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)一、抗生素發(fā)酵生產(chǎn)38第五節(jié)典型產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)一、抗生素發(fā)酵生產(chǎn)（三）青霉素發(fā)酵工藝

1.種子制備2.發(fā)酵培養(yǎng)3.以發(fā)酵后處理過濾、提煉、脫色、結(jié)晶：第五節(jié)典型產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)一、抗生素發(fā)酵生產(chǎn)39發(fā)酵工程發(fā)酵工程概述課件40第五節(jié)典型產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)二、氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)（一）谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)的菌種（二）谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)的原料制備（三）菌種擴(kuò)大培養(yǎng)1.一級種子培養(yǎng)2.二級種子培養(yǎng)（四）谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)（五）谷氨酸提取第五節(jié)典型產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)二、氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)41第五節(jié)典型產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)三、維生素發(fā)酵生產(chǎn)第一步發(fā)酵二級種子擴(kuò)大培養(yǎng)發(fā)酵培養(yǎng)第二步發(fā)酵二級種子擴(kuò)大培養(yǎng)發(fā)酵培養(yǎng)發(fā)酵液濃縮，精制第五節(jié)典型產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)三、維生素發(fā)酵生產(chǎn)42第五節(jié)典型產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)四、檸檬酸的生產(chǎn)培養(yǎng)條件。包括：①供給大量的氧氣，因黑曲霉是嚴(yán)格的好氧菌；②培養(yǎng)基中錳元素不能超標(biāo)；③要供給大量的葡萄糖。過程中有兩個關(guān)鍵的調(diào)節(jié)酶：磷酸果糖激酶（PEK,一種糖酵解酶）和α-酮戊二酸脫氫酶（α-KDH，一種TCA循環(huán)酶）。第五節(jié)典型產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)四、檸檬酸的生產(chǎn)43第五節(jié)典型產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)五、發(fā)酵乳的生產(chǎn)大規(guī)模的細(xì)胞培養(yǎng)在乳業(yè)生物科技的主要應(yīng)用是先向牛奶中接種乳酸菌（LAB）發(fā)