發(fā)酵生產(chǎn)技術張水生

發(fā)酵生產(chǎn)技術張水生

辦公室：SC313

電話習內(nèi)容掌握發(fā)酵生產(chǎn)的發(fā)展過程、特點、現(xiàn)狀及發(fā)展方向；了解典型發(fā)酵產(chǎn)品的一般工藝及生產(chǎn)控制。學習內(nèi)容微生物與發(fā)酵生物化工的發(fā)展過程發(fā)酵產(chǎn)品的類型我國生物化工的現(xiàn)狀及發(fā)展方向微生物發(fā)酵生產(chǎn)過程崗位基本職責要求基本概念生物化工常見的產(chǎn)品：干擾素、促紅細胞生長素等（昂貴，年需求量僅為千克級）；抗生素、酶、食品與飼料添加劑、日用與農(nóng)業(yè)生化制品等（低價位產(chǎn)品，年需求量逾萬噸）。基本概念發(fā)酵“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)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。基本概念發(fā)酵狹義“發(fā)酵”的定義：在生物化學或生理學上發(fā)酵是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?；靖拍畎l(fā)酵廣義“發(fā)酵”（工業(yè)發(fā)酵）：工業(yè)上所稱的發(fā)酵是泛指利用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，如抗生素、氨基酸、酶制劑等的生產(chǎn)。產(chǎn)品既有細胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細胞、酶等。直擊典型企業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)特點發(fā)酵和其他化學工業(yè)的最大區(qū)別在于它是生物體所進行的化學反應。其主要特點如下：條件溫和：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，要求條件也比較簡單。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氮源就可進行反應。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。發(fā)酵生產(chǎn)特點由于生物體本身所具有的反應機制，能夠?qū)Ｒ恍缘睾透叨冗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，也可以生產(chǎn)比較復雜的高分子化合物。微生物菌種是進行發(fā)酵的根本因素，通過變異和菌種篩選，可以獲得高產(chǎn)的優(yōu)良良菌株并使生產(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。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。發(fā)酵生產(chǎn)特點發(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。發(fā)酵過程中對雜菌污染的防治至關重要。除了必須對設備進行嚴格消毒處理和空氣過濾外，反應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)酵成敗的關鍵。發(fā)酵類型按發(fā)酵原料來區(qū)分糖類物質(zhì)發(fā)酵石油發(fā)酵廢水發(fā)酵發(fā)酵類型按發(fā)酵形式來區(qū)分固態(tài)發(fā)酵深層液體發(fā)酵發(fā)酵類型按發(fā)酵產(chǎn)物區(qū)分氨基酸發(fā)酵有機酸發(fā)酵抗生素發(fā)酵酒精發(fā)酵維生素發(fā)酵酶制劑發(fā)酵發(fā)酵類型按發(fā)酵工藝流程區(qū)分分批發(fā)酵分批補料發(fā)酵連續(xù)發(fā)酵發(fā)酵類型按發(fā)酵機理（過程中對氧的需求不同）區(qū)分好氧發(fā)酵厭氧發(fā)酵發(fā)酵類型按發(fā)酵產(chǎn)物區(qū)分氨基酸發(fā)酵有機酸發(fā)酵抗生素發(fā)酵酒精發(fā)酵維生素發(fā)酵酶制劑發(fā)酵典型生產(chǎn)過程典型生產(chǎn)過程微生物發(fā)酵制藥的一般過程

提取精制發(fā)酵液預處理成品包裝成品檢驗凈化空氣冷凍管菌種斜面孢子搖瓶培養(yǎng)二級種子罐發(fā)酵罐一級種子罐培養(yǎng)基配制原料培養(yǎng)基滅菌典型生產(chǎn)過程培養(yǎng)基制備：繁殖種子和發(fā)酵生產(chǎn)所用的培養(yǎng)基組份確定；滅菌：培養(yǎng)基、發(fā)酵罐及其附屬設備的滅菌；種子制備：培養(yǎng)出有活性、適量的純種，接種入生產(chǎn)容器中；發(fā)酵工藝控制：微生物在最適合于產(chǎn)物生長的條件下，在發(fā)酵罐中生長；產(chǎn)物提取和精制：“三廢”處理：過程中排出的廢棄物的處理。傳統(tǒng)發(fā)酵生產(chǎn)：發(fā)酵食品、抗生素、生物制藥、氨基酸、核苷酸、有機酸、飼料添加劑、微生態(tài)制劑、生物農(nóng)藥、生物肥料等。現(xiàn)代生物技術基因工程菌發(fā)酵生產(chǎn)：基因工程藥物、疫苗及抗體產(chǎn)品。產(chǎn)品及產(chǎn)業(yè)醫(yī)藥、輕工、食品、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、能源等行業(yè)發(fā)展過程自然發(fā)酵

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純種發(fā)酵

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深層通風發(fā)酵

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代謝控制發(fā)酵

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原料轉(zhuǎn)變

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分子生物學時代大曲制備白酒黃酒醬油醋醬類泡菜發(fā)展過程-自然發(fā)酵酒精發(fā)酵丙酮丁醇發(fā)酵乳酸發(fā)酵檸檬酸發(fā)酵（表面培養(yǎng)）發(fā)展過程-純種發(fā)酵1941（二次世界大戰(zhàn)），青霉素生產(chǎn)。1943年美英科學家和工程師把化工行業(yè)的通風攪拌技術引入發(fā)酵行業(yè)，設計了帶有通風攪拌裝置和通入無菌空氣的密閉發(fā)酵罐。發(fā)展過程-深層通風發(fā)酵1957年日本人木下祝郎，發(fā)現(xiàn)了谷氨酸棒桿菌，隨后谷氨酸發(fā)酵成功，氨基酸、核苷酸發(fā)酵興起。這一類屬于在DNA分子水平上，通過遺傳學或其其它生物化學的手段，人為地改變、控制微生物代謝，使有用產(chǎn)物大量生成、積累的發(fā)酵。發(fā)展過程-代謝控制發(fā)酵非糧食原料的轉(zhuǎn)變。隨著利用石油低碳化合物進行發(fā)酵的菌種發(fā)現(xiàn)，使其生產(chǎn)SCP（simplecellprotein）。纖維素、半纖維素是待開發(fā)的能源。發(fā)展過程-發(fā)酵原料的轉(zhuǎn)變隨著微生物遺傳學、基因工程、細胞工程等學科的發(fā)展，使人們有可能按照意志設計新的生命體。生物技術將成為21世紀的十大科技之一。例如胰島素、干擾素、細胞白介素、促紅細胞生長素等。。發(fā)展過程-分子生物學時代發(fā)展過程-現(xiàn)代生物技術的三次浪潮1980-19901991-20002001-生物醫(yī)藥公司數(shù)量第一次浪潮第二次浪潮第三次浪潮轉(zhuǎn)基因植物工業(yè)生物技術發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)酵生產(chǎn)技術是工業(yè)生物技術的主要部分，由于國家需求和社會發(fā)展，主要目標已從生活資料的生產(chǎn)轉(zhuǎn)向解決資源、能源和環(huán)境問題有機酸發(fā)酵。技術內(nèi)涵，已經(jīng)從主要是工業(yè)應用技術，發(fā)展為緊密依靠生物學、工程學基礎研究的工程技術。發(fā)酵工業(yè)與其它學科的交叉，已經(jīng)從產(chǎn)品生產(chǎn)過程拓展到關鍵技術、方法學。發(fā)展現(xiàn)狀-關鍵技術問題1微生物能夠積累最大目的產(chǎn)物(產(chǎn)量)的條件是什么？

高產(chǎn)量

便于產(chǎn)品分離提取關鍵問題工程意義2底物最多被微生物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物(轉(zhuǎn)化率)的條件是什么？糧食原料為底物

高轉(zhuǎn)化率

降低原料成本3

微生物最快速度發(fā)酵生產(chǎn)目的產(chǎn)物的條件是什么？分批操作為主

高生產(chǎn)強度

縮短生產(chǎn)周期發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)酵生產(chǎn)技術是工業(yè)生物技術的主要部分，由于國家需求和社會發(fā)展，主要目標已從生活資料的生產(chǎn)轉(zhuǎn)向解決資源、能源和環(huán)境問題有機酸發(fā)酵。技術內(nèi)涵，已經(jīng)從主要是工業(yè)應用技術，發(fā)展為緊密依靠生物學、工程學基礎研究的工程技術。發(fā)酵工業(yè)與其它學科的交叉，已經(jīng)從產(chǎn)品生產(chǎn)過程拓展到關鍵技術、方法學。發(fā)酵工業(yè)-我國生產(chǎn)規(guī)模大醋、醬油、啤酒等產(chǎn)量世界第一抗生素，如青霉素等產(chǎn)量世界第一維生素C、氨基酸(味精)、有機酸(如檸檬酸）等產(chǎn)量世界第一產(chǎn)品種類多發(fā)酵工業(yè)大國發(fā)酵工業(yè)-我國工藝技術落后（生產(chǎn)水平低25%-45%、能耗高40%、水耗高55%）創(chuàng)新品種較少（部分產(chǎn)品長期依賴進口）不是發(fā)酵工業(yè)強國產(chǎn)品每噸排放廢水硫氰酸紅霉素500噸，COD10萬mg/L味精COD6-7萬mg/L廢母液近20噸，總排400噸檸檬酸COD1-4萬mg/L中和廢水10噸，總排300噸發(fā)酵工業(yè)-我國環(huán)境污染嚴重（每年廢水達80億m3(工業(yè)排放總量10%)，COD排放500萬噸(20％)）不是發(fā)酵工業(yè)強國產(chǎn)品國內(nèi)水平國際水平谷氨酸產(chǎn)酸12-13%，轉(zhuǎn)化率45-55%15-18%，60-65%檸檬酸產(chǎn)酸14-16％25％頭孢菌素30000-35000u/ml40000u/ml以上維生素C糖酸轉(zhuǎn)化率94％糖酸轉(zhuǎn)化率97％發(fā)酵工業(yè)-我國工藝技術落后（生產(chǎn)水平低25%-45%、能耗高40%、水耗高55%）不是發(fā)酵工業(yè)強國產(chǎn)品國內(nèi)水平國際水平谷氨酸產(chǎn)酸12-13%，轉(zhuǎn)化率45-55%15-18%，60-65%檸檬酸產(chǎn)酸14-16％25％頭孢菌素30000-35000u/ml40000u/ml以上維生素C糖酸轉(zhuǎn)化率94％糖酸轉(zhuǎn)化率97％發(fā)酵生產(chǎn)過程崗位基本職責要求認真執(zhí)行操作工的“六嚴格”掌握操作人員應具備的知識和技能

做好工作區(qū)的“6S”工作進入設備貫徹“八個必須”各種