化學(xué)微生物學(xué)第六章 發(fā)酵.ppt

1、第六章 微生物的代謝與發(fā)酵,第二節(jié) 微生物發(fā)酵及其特征,主要內(nèi)容,一、發(fā)酵的定義及應(yīng)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(jìn)步,提問：什么是發(fā)酵,微生物發(fā)酵技術(shù),1857年法國化學(xué)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(jié)果?！?巴斯德認(rèn)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(xué)技術(shù)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(shí)，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)酵產(chǎn)品。,一、發(fā)酵的定義,1、傳統(tǒng)發(fā)酵 2

2、、生化和生理學(xué)意義的發(fā)酵 3、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(xué)意義的發(fā)酵,指微生物在無氧條件下，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，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。 產(chǎn)品有細(xì)胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體細(xì)胞、酶等。,提問：發(fā)酵工程的應(yīng)用領(lǐng)域,發(fā)酵工程應(yīng)用范

3、圍,食 品 工 程 酶 工 業(yè) 氨基酸工業(yè) 有機(jī)酸工業(yè) 飼 料 工 業(yè) 新材料開發(fā) 生 物 化 工 環(huán) 境 保 護(hù),在食品工業(yè)中的應(yīng)用,這是生物技術(shù)最早開發(fā)應(yīng)用的領(lǐng)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(shù)改革舊工藝已取得明顯效果，收到顯著的經(jīng)濟(jì)效益。,用近代發(fā)酵或酶反應(yīng)技術(shù)生產(chǎn)的食品原料：葡萄糖、麥芽糖、果葡

4、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,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,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。1998年日本泡菜生產(chǎn)量達(dá)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

5、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(xì)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(shù)在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用,E、生物制品：生于預(yù)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(dǎo)彈藥物的運(yùn)載工具。純化抗原類物質(zhì)，菌種鑒別。 G、其它：治療用酶、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(shù)在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)

6、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(yīng)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(dá)42億美元，最大的發(fā)酵罐為400立方米。 進(jìn)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(jià)值約為250一300億美元，1992一1993年度實(shí)際增長率為4%。美國抗感染藥物市場銷售額1992年達(dá)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，每年銷售量遞增10，19811991年間仍以7一8的速率遞增。 目前，全

7、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(gè)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(dòng)物飼料的市場正以每年2-3速度增長，在藥用和食品領(lǐng)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(xì)胞進(jìn)行甾體轉(zhuǎn)化，將是一個(gè)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，狂犬病疫苗等十余種。今后幾年內(nèi)，在重組DNA的工作逐步深入當(dāng)中，定會(huì)對(duì)人類和牲畜健康引起實(shí)質(zhì)性的改善。,糖酶：a-淀粉酶、-淀粉酶、糖化酶、支鏈淀粉酶

8、、轉(zhuǎn)化酶、異構(gòu)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(yīng)用于輕工、食品用酶的生產(chǎn),應(yīng)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(jī)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(jī)物廢料，將它們發(fā)酵制取燃料(沼氣)氣體方面，美國計(jì)劃解決全國能源需要量的10，工業(yè)有機(jī)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(dòng)、植物蛋白的來源受

9、到了限制，高質(zhì)量蛋白質(zhì)的不足已經(jīng)成為一個(gè)十分突出的問題。 微生物菌體中，蛋白質(zhì)含量占4555(干物質(zhì))、所以用發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)單細(xì)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。,一個(gè) 20 米直徑的水池年產(chǎn) 4 噸藻類，加工后可得相當(dāng)于3000 升柴油的燃料。 一英畝三角大戟可生產(chǎn)相當(dāng)于 50 噸石油的燃料。,圖為生長在淡水和海水中的一種硅藻,6、冶金工業(yè)方面,細(xì)菌浸礦，即利用細(xì)菌的直接和間接作用對(duì)礦物或礦石中有用的金屬浸出回收的過程。 細(xì)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)

10、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(xiàng)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(xì)菌浸出的鈾(U308)年產(chǎn)量達(dá)230噸。 據(jù)世界20個(gè)礦山資料表明，每年用細(xì)菌浸出約銅達(dá)20萬噸。,抗病、殺蟲抗生素 單細(xì)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(yīng)用,微生物在對(duì)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：指在嫌氣情況下利用分解碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪的微生物，將有機(jī)廢棄物分解為可溶性物質(zhì)，進(jìn)而通過產(chǎn)酸菌和甲烷細(xì)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

11、解有機(jī)物質(zhì)的產(chǎn)菌膠的細(xì)菌和某些原蟲的混合物(活性污泥)對(duì)工業(yè)或生活污水進(jìn)行處理。,在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用,在化學(xué)工業(yè)和環(huán)境保護(hù)等方面，微生物工程也同樣能發(fā)揮獨(dú)持的作用，如：與化學(xué)法相結(jié)合，選育相應(yīng)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(gòu)建超級(jí)細(xì)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)酵工業(yè),發(fā)酵工程定義,發(fā)酵工程是滲透有工程學(xué)的微生物學(xué)。 是利用微生物的特定性狀，通過現(xiàn)代化工程技術(shù)產(chǎn)生有用物質(zhì)或直接應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)、以把糧食、能源、化學(xué)制品、環(huán)境控制等全球

12、性課題聯(lián)系起來的一種技術(shù)體系。 是將傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)與DNA重組、細(xì)胞融合、分子修飾和改造等新技術(shù)結(jié)合并發(fā)展起來的現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)。,利用微生物的特點(diǎn),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。 利用微生物的特點(diǎn)： (1)對(duì)周圍環(huán)境的溫度、壓強(qiáng)、滲透壓、酸堿度等條件有極大的適應(yīng)能力。 (2)有極強(qiáng)的消化能力。 (3)有極強(qiáng)的繁殖能力。,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,Fermentation engineering,上游工程 UPSTREAM PROCESSES,下游工程 DOWNSTREAM PROCESSES,發(fā)酵工程,原始材料：包括菌種，培養(yǎng)

13、基的糖類，氮源及某些微量元素； 上游過程： (1)對(duì)菌種加以改造，提高生產(chǎn)能力或者導(dǎo)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； 下游過程：是運(yùn)用生物化學(xué)、物理學(xué)方法分離、純化產(chǎn)品，最終將產(chǎn)品推向市場并獲得社會(huì)或經(jīng)濟(jì)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(xì)胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術(shù) (1) 有嚴(yán)格的無菌生長環(huán)境： 包括發(fā)酵開始前采用高溫高壓對(duì)發(fā)酵原料和發(fā)酵罐以及各種連接管道進(jìn)行滅菌的技術(shù)； 在發(fā)酵過程中不斷向發(fā)酵罐

14、中通入干燥無菌空氣的空氣過濾技術(shù)； (2)在發(fā)酵過程中根據(jù)細(xì)胞生長要求控制加料速 度的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)； (3)種子培養(yǎng)和生產(chǎn)培養(yǎng)的不同的工藝技術(shù)。,(4)在進(jìn)行任何大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵前，必須在實(shí)驗(yàn) 室規(guī)模的小發(fā)酵罐進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，得到產(chǎn)物形成的動(dòng)力學(xué)模型，并根據(jù)這個(gè)模型設(shè)計(jì)中試的發(fā)酵要求，最后從中試數(shù)據(jù)再設(shè)計(jì)更大規(guī)模生產(chǎn)的動(dòng)力學(xué)模型。 (5) 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)過程中會(huì)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)酵工業(yè),一、定義 是指利用生物的生命活動(dòng)產(chǎn)生的酶，無機(jī)或有機(jī)原料進(jìn)行酶加工，獲得產(chǎn)品的工業(yè)。,發(fā)酵工業(yè)的特征,發(fā)酵過程中離不開微生物

15、的作用 1、發(fā)酵原料的選擇及預(yù)處理 2、微生物菌種的選育及擴(kuò)大培養(yǎng) 3、發(fā)酵設(shè)備選擇及工藝條件控制： 常溫、常壓。種子擴(kuò)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(jī)和無機(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)微生物菌種是進(jìn)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(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。,(3)發(fā)酵過程一般來說都是在常溫常壓下進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)安全，要求條件簡單。 (4)發(fā)

16、酵對(duì)雜菌的污染的防治至關(guān)重要。反應(yīng)必需在無菌條件下進(jìn)行。 (5)由于生物體本身所具有的反應(yīng)機(jī)制，能夠?qū)Ｒ坏睾透叨冗x擇性地對(duì)某些較為復(fù)雜的化合物進(jìn)行特定部位地氧化、還原等化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)，也可以產(chǎn)生比較復(fù)雜的高分子化合物。,(6)發(fā)酵過程是通過生物體的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式來完成的，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) 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(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)。,三 發(fā)酵方法的類別與流程,1、類別： 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

17、 根據(jù)從微生物生長特性區(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(kuò)大培養(yǎng),種子罐,主發(fā)酵,碳源、氮源、無機(jī)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(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(jìn)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,搖瓶試驗(yàn),發(fā)酵罐試驗(yàn),純種培養(yǎng),2.1發(fā)酵

18、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)充無機(jī)鹽。 3. 碳?xì)浠衔铮菏兔撓炓欢s分的石油經(jīng)冷卻脫蠟而獲得的凝固點(diǎn)在-10的油，加入適量無機(jī)鹽進(jìn)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(kuò)大培養(yǎng)。,保存的菌種,菌種活化,種子擴(kuò)大培養(yǎng),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。

19、固體種子擴(kuò)大培養(yǎng)一般采用傳統(tǒng)的制曲工藝，一般先用克氏瓶或茄子瓶進(jìn)行擴(kuò)大，再轉(zhuǎn)接到曲盤擴(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)。,克氏瓶和茄子瓶,克氏瓶和茄子瓶,搖床培養(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(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)物測定，使整個(gè)發(fā)酵過程順利進(jìn)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(jī)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(guān)部門制定的國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)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(jìn)步,在20世紀(jì)60年代以前，輕工、食品領(lǐng)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(gè)品種繁多，門類較齊全，具有相當(dāng)規(guī)模的獨(dú)立工業(yè)體系，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位某些產(chǎn)