第一講 發(fā)酵概論課件

周華南京工業(yè)大學(xué)藥學(xué)院第一講發(fā)酵工程概論制藥工程專業(yè)課《發(fā)酵與酶工程》第一講發(fā)酵概論發(fā)酵工程定義嚴(yán)格的無(wú)菌生長(zhǎng)環(huán)境：發(fā)酵原料、發(fā)酵設(shè)備的無(wú)菌；無(wú)菌空氣的提供；(2)種子培養(yǎng)和發(fā)酵培養(yǎng)一般采用不同的工藝技術(shù)；(3)由于生物反應(yīng)的復(fù)雜性，在從實(shí)驗(yàn)室到中試，從中試到大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)許多問(wèn)題，這就是發(fā)酵工程工藝放大問(wèn)題；

在最適發(fā)酵條件下，利用發(fā)酵罐大量培養(yǎng)細(xì)胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù)第一講發(fā)酵概論關(guān)鍵：利用微生物為載體

發(fā)酵工程所利用的微生物主要是細(xì)菌、放線菌，酵母菌和霉菌；

微生物的優(yōu)點(diǎn)：

(1)對(duì)周?chē)h(huán)境因素（溫度、滲透壓、酸堿度等）

的極強(qiáng)適應(yīng)能力；(2)有極強(qiáng)的消化能力；(3)有極強(qiáng)的繁殖能力；第一講發(fā)酵概論發(fā)酵工程的應(yīng)用

醫(yī)藥工業(yè)：抗生素、胰島素、疫苗、干擾素等；食品工業(yè)：氨基酸、多糖、飲料、酒類；能源工業(yè)：生物汽油、生物燃?xì)?、生物制氫；化學(xué)工業(yè)：大宗化學(xué)品、生物塑料、生物絮凝劑等冶金工業(yè)：微生物冶金；農(nóng)畜牧業(yè)：微生物飼料、生物殺蟲(chóng)劑環(huán)境保護(hù)：有毒化合物降解，廢水、廢渣生物處理第一講發(fā)酵概論發(fā)酵工程的地位

生物技術(shù)的組成：基因工程、蛋白質(zhì)工程、細(xì)胞工程酶工程、發(fā)酵工程和生化工程生物技術(shù)的上游：基因工程、蛋白質(zhì)工程、細(xì)胞工程生物技術(shù)的中游：酶工程和發(fā)酵工程生物技術(shù)的下游：生化工程

發(fā)酵工程的關(guān)鍵作用：生物技術(shù)的重要組成部分，生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要環(huán)節(jié)；第一講發(fā)酵概論一、發(fā)酵的定義1、傳統(tǒng)發(fā)酵（酒的制造）2、生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵

以有機(jī)物作為電子受體的氧化還原產(chǎn)能反應(yīng)；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；1)厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過(guò)程，如酒精，乳酸等。2)通氣（好氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過(guò)程，如抗生素、氨基酸等；第一講發(fā)酵概論二、發(fā)酵工業(yè)定義：是指利用生物的生命活動(dòng)產(chǎn)生的酶，無(wú)機(jī)或有機(jī)原料進(jìn)行酶加工，獲得產(chǎn)品的工業(yè)。適宜的微生物；保證或控制微生物進(jìn)行代謝的各種條件；進(jìn)行微生物發(fā)酵的設(shè)備；產(chǎn)品的精制方法和設(shè)備；第一講發(fā)酵概論三、發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展歷史天然發(fā)酵階段；純培養(yǎng)技術(shù)的建立：巴斯德，科赫等，人為地控制生物的發(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)：甾體化合物的轉(zhuǎn)化，Glu和Lys

發(fā)酵生產(chǎn)；基因工程發(fā)酵階段：利用DNA重組技術(shù)將外源基因?qū)爰?xì)胞，改變生物性狀與功能，使微生物能夠合成出新產(chǎn)物；第一講發(fā)酵概論四、發(fā)酵工業(yè)的應(yīng)用范圍1、以微生物細(xì)胞為產(chǎn)物的發(fā)酵工業(yè)2、以微生物代謝產(chǎn)物為產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè)3、以微生物酶為產(chǎn)品的發(fā)酵工業(yè)4、生物轉(zhuǎn)化或修飾化合物的發(fā)酵工業(yè)5、微生物廢水處理和其他第一講發(fā)酵概論微生物產(chǎn)物：微生物細(xì)胞，酶，藥物活性物質(zhì)，特殊化學(xué)物質(zhì)和食品添加劑第一講發(fā)酵概論1、微生物細(xì)胞(菌體）發(fā)酵定義：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)，包括單細(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。第一講發(fā)酵概論2、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。實(shí)例：纖維素酶、－淀粉酶，蛋白酶等第一講發(fā)酵概論3、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。實(shí)例：抗生素、有機(jī)酸、氨基酸等第一講發(fā)酵概論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)相類似但具有更在經(jīng)濟(jì)價(jià)值的化合物。最終產(chǎn)物是由微生物細(xì)胞的酶或酶系對(duì)底物某一特定部位進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而形成的。實(shí)例：利用菌體將乙醇

乙酸；異丙醇

丙醇；甘油

二羥丙酮；葡萄糖

葡萄糖酸；山梨醇

山梨糖；甾類轉(zhuǎn)化；抗生素的生物轉(zhuǎn)化第一講發(fā)酵概論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)域第一講發(fā)酵概論發(fā)酵工業(yè)行業(yè)分類發(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)第一講發(fā)酵概論五、發(fā)酵的類別與流程1、發(fā)酵的類別：

根據(jù)對(duì)氧的需要區(qū)分：厭氧和好氧發(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)從微生物生長(zhǎng)特性區(qū)分：分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵

第一講發(fā)酵概論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2.工業(yè)發(fā)酵步驟和工藝流程第一講發(fā)酵概論(1)用作培養(yǎng)菌種及擴(kuò)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(shè)備的消毒滅菌(3)將已培養(yǎng)好活性純菌株以一定量轉(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(zhǎng)并形成代謝產(chǎn)物(5)將產(chǎn)物抽提并進(jìn)行精制，以得到合格的產(chǎn)品(6)回收或處理發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的廢物和廢水第一講發(fā)酵概論菌種篩選搖瓶試驗(yàn)發(fā)酵罐試驗(yàn)第一講發(fā)酵概論2.1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)酵第一講發(fā)酵概論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(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)。第一講發(fā)酵概論2.3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，一般先用克氏瓶或匣子瓶進(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)。第一講發(fā)酵概論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。第一講發(fā)酵概論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(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。第一講發(fā)酵概論六、發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展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